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Die Erfindung betrifft die Verwendung von Bornitrid(BN)- Keramikmaterialien mit
ausgezeichneter Widerstandsfähigkeit gegenüber Beschädigungen durch geschmolzenes Metall
oder anderes anorganisches Material.
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Es ist bekannt, daß BN-Keramikmaterialien ausgezeichnete Anti-Benetzungseigenschaften
gegenüber Schmelzen von Metall, Glas und dgl. aufweisen. Obwohl BN-Keramikmaterialien mit
ausgezeichneten Anti-Benetzungseigenschaften üblicherweise in Öfen verwendet werden,
treten in der Praxis eine Anzahl von Faktoren auf, die gegen ihre Verwendung sprechen. Ein
erster Faktor besteht darin, daß ein aus dem bisher bekannten BN-Keramikmaterial geformtes
Teil durch Schmelzung sofort beschädigt wird, wenn es mit einer Schmelze aus Metall, Glas
und dgl. in Berührung kommt. Ein zweiter Faktor besteht darin, daß deshalb, weil ein durch
Sintern der bisher bekannten Keramikmaterialien unter atmosphärischem Druck hergestelltes
Teil aufgrund zu geringer Festigkeit im Gebrauch nicht lange hält, es allgemein üblich
ist, ein Teil aus BN-Keramikmaterial durch Heißpressen herzustellen und dadurch die
Herstellungskosten zu erhöhen.
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Ferner ist es zwecks kontinuierlicher Messung der Temperatur eines geschmolzenen
Metalls in einem Behälter für geschmolzenes Metall allgemein üblich, ein in das
geschmolzene Metall eingetauchtes Thermoelement zu verwenden. Das Thermoelement ist in ein
Schutzrohr eingesetzt und gemeinsam mit dem Schutzrohr in das geschmolzene Metall
eingebracht. Jedoch treten im Zusammenhang mit der Verwendung des Schutzrohrs die
folgenden Probleme auf:
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1) Da das Schutzrohr im Stand der Technik, das in Kontakt mit geschmolzenem Metall
hoher Temperatur, wie etwa geschmolzenem Stahl, gebracht wird, dazu neigt, angefressen zu
werden, können kontinuierliche Temperatur-Messungen nur mit Schwierigkeiten gewährleistet
werden.
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2) Im herkömmlichen Fall wird ein Schutzrohr in geschmolzenes Metall von dessen
Oberfläche her eingeführt und mittels eines Halteteils unbeweglich gehalten. Aufgrund
dieses Verfahrens im Stand der Technik weist das verwendete Schutzrohr eine große Länge
auf und seine Wandstärke muß ausreichend groß bemessen sein, so daß das Schutzrohr durch
die Strömung des geschmolzenen Metalls nicht bricht. Infolgedessen wird das Schutzrohr
außerordentlich teuer. Außerdem ist die Einrichtung zum Halten und Fixieren des
Schutzrohres kompliziert und die Handhabung desselben ist schwierig.
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Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Behälter für geschmolzenes Metall zu
schaffen, in welchem eine Einrichtung zum Einbringen eines Schutzrohrs in geschmolzenes
Metall von dessen Oberfläche her und zum Halten desselben, wie es mit dem aus der Stand
der Technik bekannten Behälter der Fall ist, nicht erforderlich ist.
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Die Erfindung schafft einen Behälter für geschmolzenes Metall mit einer zugeordneten
Einrichtung zum Bereitstellen eines Thermoelementes innerhalb einer Masse geschmolzenen
Metalls im Behälter, dadurch gekennzeichnet, daß ein feuerfester Block auswechselbar in
der Wandung des Behälters angeordnet ist, wobei der Block einen Durchgangskanal aufweist,
der zur Aufnahme eines Thermoelementes vorgesehen und an dem innerhalb des Behälters
befindlichen Ende durch eine Schutzkappe für das Thermoelement verschlossen ist und die
Kappe aus BN-Keramikmaterial geformt ist, das 50 Gew.% oder mehr BN und 1 Gew.% oder mehr
und weniger als 50 Gew.% AlN enthält.
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Entsprechend den Ergebnissen von Versuchen, die durch die Erfinder dieser Erfindung
durchgeführt wurden, ist die Widerstandsfähigkeit des Keramikmaterials gegenüber
Schmelzschäden durch Schmelzen von Metall, Glas und dgl. beträchtlich verbessert, wenn AlN
im BN-Keramikmaterial der Schutzkappe innerhalb des Bereichs von 1 ≤ AlN ≤ 50 Gew.%
enthalten ist, wobei das Keramikmaterial 50 Gew.% oder mehr BN enthält. Wenn Y&sub2;0&sub3;
diesen BN-Keramikmaterialien in einer Menge im Bereich von 1,0-10,0 Gew.% relativ zum AlN
hinzugefügt wird, wird die Festigkeit der Keramikmaterialien erheblich erhöht. Ferner
zeigt sich diese festigkeitserhöhende Wirkung besonders gut, wenn wenigstens ein Teil des
Pulver-Ausgangsmaterials für die im BN-Keramikmaterial enthaltene BN-Komponente als
amorphes BN-Pulver oder Pulver eines Materials hergestellt ist, welches beim Sintern
amorphes BN erzeugt.
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Der BN-Anteil in dem für die Herstellung der Schutzkappe verwendeten
BN-Keramikmaterial beträgt 50 Gew.% oder mehr. Der Grund dafür ist, daß dann, wenn ein
BN-Anteil von weniger als 50 Gew.% gewählt wird, der Anteil der anderen
Keramik-Komponenten 50 Gew.% übersteigt und ihre Eigenschaften überwiegen, während die
Eigenschaften des BN abgeschwächt werden und Probleme auftauchen, wie beispielsweise eine
Neigung des Keramikmaterials zur Rißbildung als Ergebnis von Wärmeschocks.
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Dies bedeutet weiterhin, daß der obere Grenzwert für den AlN-Anteil auf weniger als 50
Gew.% festgelegt werden sollte. Der Grund für die Festlegung von 1 Gew.% als unterer
Grenzwert für den AlN-Anteil ist, daß bei einem Anteil von weniger als 1 Gew.% ein
unzureichender Widerstand gegenüber Schmelzschäden durch Schmelzen von Metall, Glas und
dgl. besteht. Es ist festzustellen, daß AlN-Pulver oder Al-Pulver, das während des
Sinterns zu Al umgewandelt wird, als Rohmaterialpulver für AlN verwendet wird.
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Der Grund, weshalb die Menge von Y&sub2;0)&sub3;, das dem BN-Keramikmaterial hinzugefügt
werden kann, auf 1,0-10,0% im Gewichtsverhältnis zum AlN festgelegt ist, besteht darin,
daß bei weniger als 1,0% die festigkeitserhöhende Wirkung gering ist, und daß sich dann,
wenn die Menge 10,0% übersteigt, ein Festigkeitsverlust des BN-Keramikmaterials ergibt.
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Wenn wenigstens ein Teil des gesamten Ausgangsmaterial-Pulvers für die im
BN-Keramikmaterial enthaltene BN-Komponente aus amorphem BN-Pulver oder Pulver eines
Materials besteht, das während des Sinterns zu amorphem BN umgewandelt wird, können sogar
beim Normaldruck-Sintern Keramikmaterialien hoher Festigkeit erhalten werden. Elementares
Bor kann als das Material verwendet werden, das während des Sinterns in amorphes BN
umgewandelt werden kann. Amorphes BN oder Pulver, das amorphes BN bilden kann, sollte
vorzugsweise in einer Menge von wenigstens 20 Gew.% in den gesamten Ausgangsmaterialien
vorhanden sein.
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Es ist festzustellen, daß den erfindungsgemäß verwendeten Keramikmaterialien, obwohl
sie bei der Herstellung der Schutzkappe BN und AlN als unentbehrliche Komponenten
enthalten, auch andere Oxide, Nitride, Karbide, Silizide, Boride etc. in geeigneter Weise
innerhalb von Bereichen hinzugefügt werden können, die nicht den festgelegten Anteilen für
die unentbehrlichen Komponenten widersprechen.
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Um die Erfindung besser zu verstehen und um zu zeigen, wie dieselbe ausgeführt werden
kann, wird nachstehend anhand lediglich eines Ausführungsbeispiels Bezug genommen auf die
beigefügte Zeichnung, in welcher:
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Fig. 1 ein Diagramm ist, das die Beziehung zwischen dem AlN-Anteil im gesinterten
BN-Keramikmaterial und dem Ausmaß von Schmelzschäden zeigt, die bei Kontakt mit einer
Schmelze auftreten,
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Fig. 2 eine Schnittdarstellung eines Teils eines Behälters für geschmolzenes Metall
ist, der erfindungsgemäß eine Schutzkappe über einem Thermoelement zum Messen der
Temperatur des geschmolzenen Metalls verwendet, wobei die Kappe aus BN-Keramikmaterial mit
einer hier spezifizierten Zusammensetzung besteht,
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Fig. 3 eine ähnliche Schnittdarstellung einer Abänderung der in Fig. 2 gezeigten
Konstruktion ist, und
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Fig. 4 eine weitere ähnliche Schnittdarstellung einer Abänderung der in Fig. 3
gezeigten Konstruktion ist.
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Zur Erläuterung der physikalischen Eigenschaften von gesinterten
BN-Keramikmaterialien, wie sie hier beschrieben sind, in der Gegenwart von geschmolzenen
Metallen wurden die folgenden Versuche durchgeführt:
Versuch 1
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BN-Keramikmaterialien Nr. 1 - Nr. 5 mit der vorgegebenen Form und mit verschiedenen
AlN-Anteilen (Tabelle 1) wurden durch Sintern unter einem Normaldruck bei einer Temperatur
von 1800ºC hergestellt. Es ist festzustellen, daß die K-Werte des verwendeten
BN-Ausgangsmaterials im Bereich von 0≤K≤0,9 lagen.
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Wenn ein Höchstwertbereich des Index [hkl] für hexagonales kristallines BN in einem
Röntgen-Beugungsbild durch S [hkl] dargestellt ist, wird der K-Wert wie folgt definiert:
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K=s[102]/ (S[100]+S[101])
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(Cu-K&sub0;C Linie von PW-1710, hergestellt durch PHILIPS)
Tabelle 1: Zusammensetzung von geprüften Keramikmaterialien
Ausgangsmaterialien für BN (Gewichtsverhältnis)
amorphes BN:
kristallines BN:
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Die Proben Nr. 1 - Nr. 5 wurden in geschmolzenen nicht rostenden Stahl (JIS
SUS304-Material) mit einer Temperatur von 1600ºC ± 20ºC eingebracht, so daß ihre
oberen Bereiche über die Oberfläche des geschmolzenen Metalls hinausragten, und das Ausmaß
von Schmelzschäden im Meniskusbereich des geschmolzenen Metalls wurde gemessen. Die
Ergebnisse sind in Fig. 1 gezeigt.
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In Fig. 1 ist zu erkennen, daß das Ausmaß von Schmelzschäden der Proben scharf
abfällt, wenn der AlN-Anteil 1 Gew.% oder mehr erreicht.
Versuch 2
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BN-Keramikmaterialien Nr.6 - Nr. 10 vorbestimmter Form mit unterschiedlichen
Y&sub2;0&sub3;-Anteilen (Tabelle 2) wurden durch Sintern unter einem Normaldruck bei einer
Temperatur von 1800ºC hergestellt. Es ist festzustellen, daß der K-Wert des
Ausgangsmaterials BN im Bereich von 0≤K≤0,6 lag. Der K-Wert wurde entsprechend der im
Versuch 1 angegebenen Formel bestimmt.
Tabelle 2: Zusammensetzung von geprüften Keramikmaterialien
BN (Gewichtsverhältnis)
Ausgangsmaterial für BN
AlN (Gewichtsverhältnis)
Y&sub2;0&sub3; Gewichtsverhältnis; in Klammern gesetzte Zahlen stellen das Gewichtsverhältnis zu AlN dar
amorphes BN
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Die Biegefestigkeit der Proben Nr. 6 - Nr. 10 wurde ermittelt. Die Ergebnisse sind in
Tabelle 3 gezeigt.
Tabelle 3: Prüfergebnisse
Biegefestigkeit (KG/MM²)
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Aus den in Tabelle 3 gezeigten Prüfergebnissen ist zu erkennen, daß die Biegefestigkeit
der BN-Keramikmaterialien bei einem Gewichtsverhältnis von Y&sub2;0&sub3; relativ zu AlN im
Bereich von 1,0-10,0 % erheblich verbessert wurde.
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Verschiedene Ausführungsformen der Erfindung werden nun beschrieben.
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In Fig. 2 ist ein Teil eines Behälter für geschmolzenes Metall gezeigt, der Gebrauch
macht von einer Schutzkappe für ein Thermoelement zum Messen eines geschmolzenes Metalls,
wobei die Schutzkappe aus BN-Keramikmaterial mit einer Zusammensetzung hergestellt ist,
wie sie hier zur erfindungsgemäßen Verwendung angegeben ist. Das Bezugszeichen 1
bezeichnet einen Teil einer Wandung nahe dem Boden des Behälters für geschmolzenes Metall.
Ein feuerfester Block 2 ist in der Wandung 1 angeordnet. Der Block 2 ist ein
kegelstumpfförmiger Körper mit einem zentralen Durchgangskanal 3 und ist aus
beispielsweise feuerfestem Zirkoniumoxid-Material (Zr0&sub2; SiO&sub2; oder dgl.) hergestellt.
Der feuerfeste Block 2 ist so angeordnet, daß er mit seiner Stirnfläche, die den größeren
Durchmesser aufweist, dem Inneren des Behälters zugewandt ist, so er daß unter dem Druck
des geschmolzenen Metalls gegen die Wandung gepreßt wird, wenn geschmolzenes Metall in den
Behälter eingegossen worden ist, wodurch ein strammer Sitz gegenüber der Wandung 1 erzielt
wird.
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Ein Aluminiumoxid-Schutzrohr 4 zur Aufnahme eines Thermoelements 5 ist in den
Durchgangskanal 3 im feuerfesten Block 2 so eingesetzt, daß er diesen durchsetzt. Eine das
Ausgangsende des Durchgangskanals 3 (dasjenige Ende des Durchgangskanals 3, welches
andernfalls in Kontakt mit dem geschmolzenen Metall sein würde) versperrende und den
Endabschnitt des Schutzrohrs 4 verschließende Schutzkappe 6 ist innerhalb des
Durchgangskanal 3 angeordnet. Diese Schutzkappe ist aus BN-Keramikmaterial geformt, daß
beispielsweise aus 70 Gew.% BN, 30 Gew.% AlN und 0,9 Gew.% Y&sub2;0&sub3; (Gewichtsverhältnis
relativ zu AlN ist 3 %) besteht. Weiterhin kann gießbares feuerfestes Material als
Dichtungsmaterial verwendet werden, wenn ein Spalt zwischen der Schutzkappe 6 und dem
feuerfesten Block 2 besteht. Das Schutzrohr 4 und die Schutzkappe 6 stehen in innigem
Kontakt miteinander, insbesondere was den Endabschnitt des Schutzrohrs 4 angeht, und das
Ende des Thermoelements 5 innerhalb des Endabschnitts des Schutzrohres ist mit der
Innenfläche des letzteren in Kontakt gehalten, so daß die Wärme des in den Behälter
eingebrachten geschmolzenen Materials durch die Schutzkappe 6 und das Schutzrohr 4 zum
Thermoelement 5 übertragen wird.
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Die aus dem vorgenannten BN-Keramikmaterial geformte Schutzkappe 6 kann einem
kontinuierlichen Kontakt mit geschmolzenem Metall für ungefähr 12 Stunden widerstehen,
währenddessen Temperaturmessungen zuverlässig durchgeführt werden können.
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In der in Fig. 2 gezeigten Konstruktion zum Befestigen des Thermoelements 5 in der
Wandung 1 eines Behälters für geschmolzenes Metall weist die anstelle des langgestreckten
Schutzrohres gemäß dem Stand der Technik verwendete Schutzkappe 6 eine geringe Länge auf.
Dies stellt für sich allein eine Einsparung dar. Außerdem ist keine komplizierte
Einrichtung erforderlich, wie beispielsweise die im Stand der Technik für das Verschweißen
eines Schutzrohres für ein Thermoelement verwendete Einrichtung. Die für die
Temperaturmessung erforderliche Arbeit ist außerordentlich einfach, und somit kann als
Ergebnis des reduzierten Arbeitsaufwandes eine Kosteneinsparung erwartet werden.
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Sobald die Schutzkappe 6 verbraucht ist und der weiteren Einwirkung geschmolzenen
Metalls nicht mehr widerstehen kann, ist es lediglich erforderlich, bei leerem Behälter
den feuerfesten Block 2 aus der Wandung 1 zu entfernen und durch eine neue Kombination aus
feuerfestem Block und Schutzkappe zu ersetzen. Eine derartige Wartung des Behälters kann
innerhalb eines kurzen Zeitraumes durchgeführt werden.
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Der hier verwendete Begriff des Behälters für geschmolzenes Metall ist so zu
interpretieren, daß er zusätzlich zu Behältern ohne Schmelzfunktion, wie beispielsweise
eine Pfanne, Gießwannen etc., auch Behälter mit einer Schmelzfunktion beinhaltet. Die die
Erfindung verwirklichende modifizierte Wandungs-Konstruktion für kontinuierliche
Temperaturmessung kann für all diese Behälter verwendet werden.
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Fig. 3 zeigt eine Abänderung der Anordnung nach Fig. 2, in der zusätzlich eine
Schutzkonstruktion 7 verwendet wird. Die Schutzkonstruktion 7 ist ein zylindrischer
Körper, der an der Wandung 1 befestigt ist und die Schutzkappe 6 umgibt. Wenn
geschmolzenes Metall in den Behälter eingegossen wird und fallendes geschmolzenes Material
direkt auf die Schutzkappe 6 trifft, besteht die Gefahr, daß die Schutzkappe 6 bricht. Die
Schutzkonstruktion 7 dient dazu, die Schutzkappe 6 vor dem Aufprall von eingegossenem
geschmolzenen Metall zu schützen. Zusätzlich schützt die Schutzkonstruktion 7 die
Schutzkappe 6 vor der Strömung von geschmolzenem Metall und verbessert den Widerstand
gegenüber Schmelzschäden der Schutzkappe 6. Es ist festzusstellen, daß die Form der
Schutzkonstruktion 7 nicht immer zylindrisch sein muß. Es ist lediglich notwendig, daß sie
eine solche Form aufweist, daß sie die Schutzkappe 6 vor dem Aufprall von eingegossenem
geschmolzenen Metall oder vor strömendem geschmolzenen Metalls schützt.
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Fig. 4 zeigt eine weitere, zusätzlich zur Schutzeinrichtung 7 gezeigte Schutzanordnung
für die Schutzkappe 6. Die Aussenfläche der Schutzkappe 6 ist mit einer Glasbeschichtung 8
überzogen. Während des Zeitraums, in dem geschmolzenes Metall in den Behälter eingegossen
wird, und vor dem Eintauchen der Schutzkappe 6 in das geschmolzene Material ist die
Schutzkappe 6 der Strahlungswärme von geschmolzenem Metall ausgesetzt. Da die Oberfläche
der Schutzkappe 6 dazu neigt, oxidiert zu werden, wenn die Temperatur des geschmolzenen
Metalls hoch ist, ist die Oxidationsreaktion nun unterbunden, weil die Oberfläche der
Schutzkappe 6 durch die Glasbeschichtung geschützt ist, und die Haltbarkeit der
Schutzkappe 6 ist verbessert. Diese Glasbeschichtung 8 behindert nicht die
Temperaturmessung.
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Es ist festzustellen, daß in den vorbeschriebenen bebilderten Ausführungsbeispielen es
möglich ist, das Schutzrohr 4 wegzulassen.
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Die erfindungsgemäß eingesetzten BN-Keramikmaterialen weisen einen ausgezeichneten
Widerstand gegenüber Schmelzschäden auf. Selbst ein unter Normaldruck gesinterter
BN-Keramikmaterialkörper weist eine hohe Festigkeit auf, und überdies sind die
Herstellungskosten gering. Derartige Materialien können bei der Herstellung von
Schutzkappen für in verschiedenen Arten von Öfen verwendeten Thermoelementen eingesetzt
werden, wobei sie in Kontakt mit Schmelzen von Metall, Glas und dgl. kommen und eine
ausgezeichnete Haltbarkeit in all solchen Fällen aufweisen.