DD256511A1 - Hydraulischgebundene feuerbetongemenge zur zustellung von ofenanlagen der aluminiumindustrie - Google Patents

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Franz Kanthak
Harald Seifert
Wolfgang Rudolph
Charlotte Haubert
Juergen Huth
Hans-Joachim Voigt
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Brandis Silikatwerk
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Abstract

Hydraulisch gebundene Feuerbetongemenge zur Zustellung von Ofenanlagen der Aluminiumindustrie bestehend aus Porzellanbruch, Edelkorund, Rohschamotte und Hochtonerdezement. Hydraulisch gebundene Feuerbetongemenge zur Zustellung von Ofenanlagen der Aluminiumindustrie bestehend aus 25 bis 85 Gewichtsprozent Porzellanbruch der Koernung 0-3,15 mm, davon 75 Gewichtsprozent groesser 0,5 mm, 0 bis 15 Gewichtsprozent Rohschamotte der Koernung 0-1 mm, 5-35 Gewichtsprozent Edelkorund der Koernung maximal 0,1 mm und 5 bis 35 Gewichtsprozent Hochtonerdezement mit einem Al2O3-Gehalt mindestens 70%.

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung
Die Erfindung findet Anwendung zur Auskleidung wärmetechnischer Anlagen, die zum Schmelzen, Warmhalten, Vergießen und weiteren metallurgischen Verfahren von Aluminium und dessen Legierungen eingesetzt werden.
Charakteristik der bekannten technischen Lösungen
Ofenanlagen zum Schmelzen, Warmhalten, Vergießen und anderen metallurgischen Verfahrensschritten von Aluminium und dessen Legierungen werden mit handelsüblichen feuerfesten Baustoffen in Form von Steinen oder Gemengen beziehungsweise Feuerbetonen durch Mauerung, Stampfen oder Vibration zugestellt. Die Auswahl des geeigneten Materials stellt, wie auch in anderen Fällen, einen Kompromiß ökonomischer und technischer Gegebenheiten dar. Dabei ist festzustellen, daß die eigentliche Feuerfestigkeit der Baustoffe keine kritische Größe darstellt, weil die Temperaturen für die oben genannten metallurgischen Prozesse die Grenze von 135O0C kaum überschreiten. Die Lebensdauer und damit die Ökonomie der Zustellung wird neben einer ordnungsgemäßen Zustelltechnologie hinsichtlich eines dichten Mauerwerkes insbesondere durch die chemische Reaktion des schmelzflüssigen Aluminiums und seinen Legierungsbestandteilen mit den Oxiden des feuerfesten Baustoffes beeinflußt.
Aluminium reduziert die üblichen Oxide der Feuerfestmaterialien, außer den Erdalkalioxiden und der Tonerde.
Neben den stofflichen Zusammensetzungen ist bei Verschleißvorgängen unbedingt die Porosität der Werkstoffe zu beachten, weil dadurch infiltrierende Materialien eine vergrößerte Reaktionsoberfläche vorfinden. Im Falle des Aluminiums bildet sich in den Poren sowie als Aufwachsung auf dem Mauerwerk Tonerde und durch die Reduktion entstandene Metalle, wie zum Beispiel Silicium, verunreinigen das Schmelzgut.
Der Einsatz geeigneter, hochwertiger und gesinterter Feuerfestbaustoffe auf der Basis von Korund bedingt hohe Kosten durch entsprechende Preise und durch Wärmeverluste sowie hohe Konstruktionsgewichte. Dies gilt auch für artgleiche, ungesinterte Materialien, wie Stampfgemenge und Feuerbetone.
Der Einsatz ungesinterter Baustoffe auf der Grundlage von Schamottekörnungen ist in der Anwenderindustrie aus Kostengründen üblich, obwohl man dann eine materialbedingt höhere Porosität beachten muß.
Diese Darlegungen stellen in verallgemeinerter Form den derzeitigen Stand der Zustelltechnikfür wärmetechnische Anlagen der Aluminiumindustrie dar. Es hat nicht an zahlreichen Überlegungen gefehlt, Verbesserungen zu schaffen, wie anschließend anhand einiger Beispiele aufgeführt werden soll:
— Hochtonerde-Feuerbeton mit einer Hochtonerdezement-Bindung und einer Armierung durch Mullitfasern soll sich bei Transporteinrichtungen für flüssiges Aluminium bewährt haben (Daviot, J. und andere: Feuerfeste Stoffe für elektromagnetische Pumpen für flüssiges Aluminium — Entwicklung — Versuche—Kontrolle. Interceram 30(1981), Special Issue, Seite 326-332).
— Den Vorteil von entsprechenden Schutzschichten, zum Beispiel auf Bauxitstampfgemengen mit Phosphatbindung, sowie die gezielte Zugabe spezieller Oxide zur Bindephase von Schamottegemengen und die Feststellung, daß hochtonerdehaltige Steine und Feuerbetone sehr geeignet für das Schmelzen von Aluminium sind, erläutert die Arbeit von Clavaud und Jost (Clavaud, B. und Jost, J.: Feuerfeste Materialien für Schmelzanlagen von Aluminium. Interceram 30 [1981], Special Issue, Seite 306-314).
— Einen Zusatz von Bariumsulfat oder frühsinternder Stoffe, welche die Kontaktoberfläche gegenüber dem flüssigen Aluminium abdichten sollen, zu ungeformten Erzeugnissen mit verschiedenen Bindern wird erläutert (Gelsdorf, G. und Kreuels, K.: Infiltration von Aluminium in ungeformte feuerfeste Erzeugnisse. Interceram 30 [1981], Special Issue, Seite 315-317).
— Im Rahmen eines Berichtes über die Verschleißuntersuchungen kommt zum Ausdruck, daß für das Aluminiumschmelzen unterschiedliche Baustoffe, wie Feuerbeton mit Hochtonerdezement und Zuschlagen auf der Basis von Tabulartonerde, Mullit, Bauxit oder Chromerz, Stampfgemenge mit Phosphatbindung und Hochtonerdekörnungen sowie Sinterprodukte üblicher und sehr spezieller Qualität verwendet werden (De Liso, E. M. und Hammersmith, V. L: Untersuchung von Feuerfestmaterialien für den Kontakt mit schmelzflüssigem Aluminium. American Ceramic Society Bulletin 62 (1983) 7, Seite 804-808.
Diese Darlegungen werden durch verschiedene Patentschriften bestätigt. Einen Zusatz von Bariumsulfat zu verschiedenen Werkstoffen beschreiben die DAS 2842176 sowie das US-Patent 4126474, während in der OS 3419199 eine Chromoxidzugabe erläutert wird. Die französische Patentschrift 1222 951 beansprucht die Zumischung eines Glases mit hohem Boroxidgehalt zum Feuerfestmaterial.
Die DDR-Patentschrift 142801 schützt ein Verfahren zur Herstellung gießfähiger Feuerbetone für die Industrieofenzustellung, indem ansich dem Feuerfesttechnologen bekannte versatztechnische Details, wie beispielsweise das Korngrößenspektrum, die Feuchte der Magerungsmittel, die Zugabenmenge, die Zusammensetzung sowie die Dichte des Wasserglases und der Anteil des Erhärtungsbeschleunigers sowie die Zugabereihenfolge und das Mischungsverhältnis der einzelnen Komponenten, als Neuheit beansprucht werden. Es handelt sich um einen Schamottefeuerbetort mit Wasserglasbindung, welcher sich im Niederfrequenzinduktionsofen zum Schmelzen von Aluminium nur unzureichend bewährt hat.
Ziel der Erfindung
Ziel der Erfindung ist es/durch ein kostengünstiges Feuerbetongemenge die Standzeit der Zustellung der metallurgischen Anlagen der Aluminiumindustrie zu erhöhen sowie den Reinigungsaufwand in den Ofenanlagen während des Betriebes zu senken.
Darlegung des Wesens der Erfindung
Der Erfindung liegt die technische Aufgabe zugrunde, ein aluminiumresistentes eisenarmes Feuerbetongemenge zu entwickeln, daß die Herstellung genügend dichter, volumenbeständiger und durch Vibration formbarer Ofenzustellungen gestattet. Diese Ofenzustellungen sollen temperaturwechselbeständig und im Betrieb rißfrei sein sowie insbesondere im Temperaturbereich von 1200 bis 1350°C vorteilhaft betrieben werden können
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Feuerbetongemenge folgender Zusammensetzung gelöst:
— 25,0 bis 85,0Gew.-% dichtgesintertes, eisenoxidarmes Aluminiumsilikat, vorzugsweise Porzellanbruch, bis zu einer Korngröße von 3,15mm, wovon 75,0Gew.-% größer 0,5mm sein sollen;
— 0,0 bis 15,0Gew.-% eines Aluminiumsilikates, vorzugsweise Rohschamotte mit einem Tonerdegehalt von mindestens 15,0%, mit einer Korngröße bis maximal 1,0mm;
— 5,0 bis 35,0Gew.-% Edelkorund mit einer Korngröße bis maximal 0,1 mm;
— 5,0 bis 35,0 Gew.-% Zement, vorzugsweise Tonerdezemente.
Durch den Einsatz eines dichtgesinterten, nichttypischen feuerfesten Zuschlagstoffes auf der Basis eines kostengünstigen Aluminiumsilikates, wie es beispielsweise in Form von eisenoxidarmen, dichten, feinkeramischen Bruch- beziehungsweise Anfallmaterial aus der Haushaltsporzellanproduktion, bei der Herstellung technischer Porzellane oder „Vitreous China"-Erzeugnisse zur Verfugung steht, in Kombination mit einer feinen Edelkorundkörnung als Mikrofüller und erforderlichenfalls mit einer feuerfesten Rohschamottekörnung zum Ausgleich eines fehlenden Feinkornes kann unter Verwendung eines hydraulischen Bindemittels, insbesondere von aluminiumbeständigem Hochtonerdezement, ein Feuerbeton hergestellt werden. Dieses Feuerbetongemenge ermöglicht bei niedrigsten Wasserzusätzen eine für die Vibrationsverdichtung notwendige Konsistenz, wodurch vorteilhafte Feuerbetoneigenschaften und energetisch günstigere Einsatzbedingungen erzielt werden. Weiterhin zeichnet sich dieses Material durch eine geringe Infiltrationsneigung aus, was die bekannten Reaktionen der Schmelzen von Aluminium und arteigener Legierungen mit dem Feuerfestmaterial auf ein vertretbares Minimum beschränkt. Die gefürchtete Ansatzbildung nach einer mehr oder weniger langen Betriebsdauer ist in wesentlich geringerem Umfange zu beobachten.
Neben der Hauptanwendung als Gemenge zur direkten Ausmauerung in den betreffenden Ofenanlagen besteht auch die Möglichkeit der Anfertigung vorgeformter Fertigbauteile für die vorhandenen wärmetechnischen Anlagen. Diese Fertigteile können ohne oder nach einer thermischen Vorbehandlung bei erhöhten Temperaturen bis maximal 13500C zur Verfügung gestellt werden.
Zur Verringerung des Infiltrierens flüssiger Metalle kann die dem Schmelzraum zugewandte Ofeninnenwand mit einer artgleichen Schutzschicht, welche durch ein feinstaufgemahlenes Gemenge gebildet wird, versehen werden.
Ausführungsbeispiele
Die Erfindung soll an nachfolgenden Beispielen näher erläutert werden.
Beispiel 1
Ein Feuerbetongemenge, bestehend aus 70,0Gew.-% Porzellanbruch der Körnung 0,0 bis 3,15mm, 20,0Gew.-% Edelkorund unter 0,1 mm und 10,0Gew.-% Hochtonerdezement, wurde mit 9,0% Wasser, bezogen auf die Trockenanteile, gemischt und durch Vibration zu Probekörpern verarbeitet und bei Raumtemperatur nach einer Lagerung von sieben Tagen sowie nach Vorbränden bei 800,1000 und 12000C auf deren Rohdichte und Druckfestigkeit bei Raumtemperatur überprüft. Es konnten folgende Werte ermittelt werden:
Rohdichte (g/cm ) — Raumtemperatur 1,99
— 800X1,89
— 1000 0C 1,90
— 1200 0C 1,91
Druckfestigkeit —Raumtemperatur 17,5
(MPa) — 800X12,9
— 1000X12,4
— 1200X13,3
Beispiel 2
Ein Feuerbetongemenge, bestehend aus 60,0% Porzellanbruch der Körnung 0,0 bis 3,15mm, 20,0% Edelkorund unter 0,1 mm und 20,0% Hochtonerdezement, wurde mit 9,5% Wasser, bezogen auf die Trockenanteile, gemischt und durch Vibration zu Probekörpern verarbeitet und auf die gleichen Eigenschaftenfwie im Beispiel 1 aufgeführt untersucht. Es konnten folgende Werte ermittelt werden: Rohdichte (g/cm3) —Raumtemperatur 2,02
— 800X1,93
— 1000X1,83
— 1200X1,96
Druckfestigkeit —Raumtemperatur 21,1 (MPa) — 800X22,4
— 1000X15,4
— 1200X24,1
Beispiel 3
Ein Feuerbetongemenge, bestehend aus 50,0% Porzellanbruch der Körnung 0,0 bis 3,15mm, 10,0% Rohschamotte unter 1,0 mm Korngröße, 20,0% Edelkorund unter 0,1 mm und 20,0% Hochtonerdezement, wurde mit 9,5% Wasser, bezogen auf die Trockenanteile, gemischt und durch Vibration zu Probekörpern verarbeitet und auf gleiche Eigenschaften wie im Beispiel aufgeführtfuntersucht. Es konnten folgende Werte ermittelt werden: Rohdichte (g/cm3) —Raumtemperatur 2,06
— 800X1,97
— 1000X1,92
— 1200X2,02
Druckfestigkeit —Raumtemperatur 18,7 (MPa) — 800X14,3
— 1000X13,9
— 1200X20,5
Mit Prüfkörpern der drei oben genannten Versuchsmaterialien wurde ein Stabtauchtest in flüssiges Aluminium durchgeführt und es zeigte sich, daß keine beziehungsweise nur eine geringfügige Benetzung und Ansatzbildung zu verzeichnen ist.

Claims (5)

1·- yyArau''sch gebundene Feuerbetongemenge zur Zustellung von Ofenanlagen der
T^lLTmlniuminciüstrie auf der Basis vörfAluminiumsilikaten, Korund und Zementbindemitteln, gekennzeichnet dadurch, daß das Gemenge aus
— 25,0 bis 85,0Gew.-% dichtgesintertes, eisenoxidarmes Aluminiumsilikat, vorzugsweise Porzellanbruch, bis zu einer Korngröße von 3,15 mm, wovon 75,0% größer 0,5 mm sein sollen;
— 0,0 bis 15,0Gew.-% eines Aluminiumsilikates, vorzugsweise Rohschamotte mit einem Tonerdegehalt von mindestens 15,0%, mit einer Korngröße bis maximal 1,0mm;
— 5,0 bis 35,0 Gew.-%Edelkorund mit einer Korngröße bis maximal 0,1 mm;
— 5,0 bis 35,0 Gew.-% tonerdehaltiger, feuerfester Zement, vorzugsweise Hochtonerdezement besteht.
2. Feuerbetongemenge nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das eingesetzte dichtgesinterte, eisenoxidarme Aluminiumsilikat Bruch-oder Anfallmaterial von Haushaltporzellan, technischem Porzellan und/oder „Vitreous China" ist.
3. Feuerbetongemenge nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das eingesetzte Aluminiumsilikat eine Rohschamotte mit einem Tonerdegehalt von mindestens 15,0% ist.
4. Feuerbetongemenge nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zement ein Hochtonerdezement mit mindestens 70,0% Tonerde und einem Eisenoxidgehalt unter 0,5% ist.
5. Feuerbetongemenge nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zement ein Tonerdezement mit mindestens 50,0%Tonerde ist.
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