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Feuerfester Verbundstein
Die Erfindung betrifft einen feuerfesten Verbundstein zur Herstellung hochtemperaturbeständiger Auskleidungen von der Durchführung metallurgischer Prozesse dienenden Öfen und Gefässen, wie solche Körper etwa zum Aufbau der Decke von Herdflammöfen u. dgl verwendet werden. Es handelt sich dabei um Verbundkörper, die aus mindestens zwei sich über ihre Länge erstreckenden Teilen bestehen, die sich längs einer den Stein quer ganz durchsetzenden Fläche berühren und im Feuer nach Trennfläche verschleissen, die ungefähr parallel zur Feuerseite des Steines verlaufen und in den einzelnen Teilen zu verschiedenen Zeiten und in verschiedenen Abständen von der Feuerseite auftreten.
Dieses Verhalten führt dazu, dass durchgehende Flächensprünge, die bei Decken aus einheitlichen Steinen entstehen würden, und längs welcher ganze an sich noch gut feuerfeste, tafelförmige Deckenbereiche abfallen müssten, nicht mehr auftreten, sondern es werden diese Flächensprünge, betrachtet über die Decke. in eine Aufeinanderfolge von kleinen Flächen unterteilt, die aber in verschiedenen Höhen auftreten. Wenn alsdann eine solche Decke unter Seitenpressung steht, wie dies bei Gewölben der Fall ist, so bleibt der Zusammenhalt zwischen den noch ganz intakten Steinteilen und den schon abgeplatzten aber nicht abgefallenen-Steinteilen noch über eine geraume Zeit gewahrt und es erfüllen dann diese bereits abgeplatzten Steinteile auch weiterhin die Aufgabe, als Teil der feuerfesten Auskleidung zu wirken.
Da der Verschleiss durch Abplatzen die am stärksten ins Gewicht fallende Verschleisskomponente vorstellt, gegenüber welcher der Verschleiss durch Korrosion, Abtropfen u. dgl. zurücktritt, so wird die Lebensdauer einer so beschaffenen Decke durch die blosse Tatsache des verzögerten Abfallens abgeplatzter Steinteile beträchtlich erhöht.
Es ist ferner bekannt, solche zweiteilige Verbundsteine aus einem Chrommagnesit- und aus einem Magnesiateil zusammenzusetzen. Derartige Steine zeigen ein Dehnungsverhalten, welches dadurch bestimmt ist, dass Chrommagnesit im Feuer wächst, was durch die Aufnahme von Eisenoxyd bedingt ist, wogegen der Magnesiateil in der Hitze, bedingt durch Kristallisationsvorgänge, schwindet. Dieser gegenseitige Ausgleich von Wachsen und Schwinden soll in einem weitgehenden Masse bestehen, ist aber bisher nur in einem, wie erkannt wurde, unzureichenden Masse verwirklicht worden.
Die vorhin dargelegte Ausbildung unterbrochener Flächensprünge in einer aus Verbundsteinen der hier interessierenden Art bestehenden Decke führt nur dann zur angestrebten Stützung der Bruchstücke, wenn in der Decke ein hinreichender Seitenschub vorhanden ist, was für Hängedecken nicht zutrifft ; bei letzteren sind demnach auch die Ergebnisse, die mit Verbundsteinen der hier besprochenen Art erzielt werden können, nicht so überzeugend, wie dies für Gewölbe der Fall ist.
Das vorhin genannte Wachsen und Schwinden benachbarter Teile eines Verbundsteines führt, wenn sich diese Massänderungen nicht wenigstens ungefähr gegenseitig aufheben, zu einem beschleunigten Verschleiss, besonders dann, wenn ein Seitendruck im Gewölbe fehlt. Der aus Gründen anderer Art meist als Blechmantelstein mit oder ohne Blecheinlage ausgeführte Verbundstein zeigt die Tendenz des beschleunigten Verschleisses bei fehlendem Seitendruck in einem verstärkten Mass.
Es besteht somit das Problem, die an sich bewährten Verbundsteine der eingangs genannten Art und namentlich solcher, die aus Chrommagnesia und Magnesia bestehen, so auszugestalten, dass sie mit gutem Erfolg auch in jenen Fällen angewendet werden können, in denen sie nicht in einem unter Seitendruck stehenden Verband, also namentlich nicht in einer Gewölbedecke oder einem Hängestützgewölbe, sondern in einer Hängedecke oder einer nur unter geringem Gewölbedruck stehenden Hängestützdecke verlegt sind.
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Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit diesem Problem und schlägt zu seiner Lösung vor, dass die den Stein durchsetzende Berührungsfläche mindestens bereichsweise zur Steinlängsachse geneigt ist, u. zw. so, dass der Steinteil, dessen durch Abfallen bedingter Verschleiss jenem des benachbarten Steinteiles voreilt, dem letzteren Steinteil längs der genannten Berührungsfläche eine geneigte Stützfläche darbietet. Auf diese Weise wird erreicht, dass auch bei Fehlen von grösseren Seitendrücken das Abfallen von Teilen des einen Steinteiles nicht auch das Abfallen eines Teiles des andern Steinteiles zur Folge hat, mag dieser zweitgenannte Teil auch in einem andern Abstand von der Feuerseite abgeplatzt sein.
Zu diesem Abfallen kann es deshalb nicht kommen, weil zwar der zusammenhaltende Seitendruck fehlt, aber dafür der abgeplatzte Teil am Nachbarteil ein Auflager längs der nunmehr schräg verlaufenden Berührungsfläche findet.
Die Erfindung wird im folgenden an Hand der Zeichnungen näher erläutert, in der die Fig. l einen zweiteiligen erfindungsgemässen Verbundstein und Fig. 2 einen Grundriss im Schnitt nach Linie 11-11 der Fig. l darstellt. Fig. 3 ist ein dreiteiliger Verbundstein und Fig. 4 ein dazu passender Grundriss, der auch ein mit Steinen nach Fig. 3 hergestelltes Decken-oder sonstiges Ausmauerungselement darstellt.
Der aus den Fig. l und 2 ersichtliche Verbundstein besitzt einen U-förmigen Blechmantel l mit einem Teil 2 aus in der Hitze wachsender Steinmasse und einem Teil 3 aus in der Hitze schwindender Steinmasse. Es könnte somit Teil 2 aus einem Gemenge von Chromit und Magnesia-wobei jeder dieser Bestandteile über den andern überwiegen könnte-und Teil. 3 aus Magnesia, beides in an sich bekannter Körnung und Zusammensetzung, bestehen. Die Teile 2 und 3 treffen sich längs der Berührungsfläche 4, welche den Stein, wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, in der Querrichtung gänzlich durchsetzt. Sie kann durch eine an sich bekannte Blecheinlage gebildet sein oder es berühren sich die Teile 2 und 3 unmittelbar.
Das Verpressen der die Teile 2 und 3 bildenden, gekörnten Massen, die Erzielung einer innigen Verbindung zwischen den Teilen 2 und 3 bei Fehlen eines Zwischenbleches, sowie dieser Teile mit dem Aussenmantel l geschieht durch Anwendung bekannter Pressverfahren.
Die Berührungsfläche 4 ist nun im Sinne der Erfindung gegenüber der Symmetrieebene 5 seitlich versetzt und zusätzlich geneigt, jedoch ist auch die blosse Neigung ohne Versetzung schon eine Verwirklichung der Erfindung. Wenn sich nun nach einer bestimmten Betriebszeit im Teil 2 der Quersprung 6 gebildet hat und somit der Teil 2a abfällt, so verbleibt der Teil 3a im Verband, mag sich in der Zwischenzeit der Quersprung 7 gebildet haben, denn der Teil 3a findet längs der schiefen Trennfläche 4 weiterhin eine Stütze.
Teil 2 ist jener Teil des Verbundsteines, der hinsichtlich des durch Abfallen bedingten Verschleisses voreilt, weil der Sprung 6 früher entsteht als Sprung 7. Würde beispielsweise der Quersprung 7 entstehen, bevor noch der Quersprung 6 entstanden ist, so wäre dies ein Verhalten, das im Rahmen dieser Erfindung weniger interessiert, denn in diesem Falle würde ein Abfallen des Teiles 3a solange nicht erfolgen können, als Teil 3a am noch unversehrten Teil 2 genügenden Halt findet. Sobald aber der Quersprung 6 entsteht, tritt die vorteilhafte Neigung der Fläche 4 in Erscheinung.
Die aussen mittige Anordnung der Trennfläche 4, d. h. die Verschiebung der Trennfläche 4 um den Abstand a gegenüber der Symmetrieebene 5, trägt dem Umstande Rechnung, dass in der Praxis das Wachsen bzw. Schwinden der Teile 2,3 zwar entgegengesetzte aber nicht gleiche Grössen sind. Würde beispielsweise bei symmetrischer Ausführung der Steinteile (Berührungsfläche = Symmetrieebene 5) das Wachsen der Masse 2 das Schwinden der Masse 3 gänzlich ausgleichen, so konnte die Verschiebung der Trennfläche von 5 nach 8 unterbleiben.
Die Neigung der Berührungsfläche 4 stört zwar den angestrebten oder dem Verbundstein bereits innewohnenden Ausgleich etwas, es ist aber im Falle der Verschiebung der Trennfläche 4 um den Betrag a diese Verschiebung zumindest über einen Teil der Steinhöhe vorhanden und es ist durch entsprechende Wahl des Abstandes a (welcher positiv oder negativ sein kann und, wie noch ausgeführt wird, über die Höhe des Verbundsteines nicht konstant sein muss) doch eine merkliche gegenseitige Annäherung des Wachsens und des Schwindens möglich, die allerdings bei ebener Ausführung der Berührungsfläche mit zunehmendem Verschleiss der Decke abnimmt. Dies ist jedoch kein schwerwiegender Einwand, denn mit zunehmendem Verschleiss nimmt auch das Gewicht der Decke ab, die in ihr wirkenden Kräfte werden schwächer und die Möglichkeit, dass sie Schaden stiften, wird entsprechend kleiner.
Wäre die Zusammensetzung der Masse 2 so gewählt, dass der erste Quersprung bei 7 und der zweite bei 9 entsteht, so erkennt man, dass die Trennfläche 4 dann nach der andern Seite geneigt sein müsste.
Es ist jedoch die dargestellte Ausführung, gemäss welcher die Trennfläche 4 tangential an die Aussenfläche 2b der durch Wärmedehnung entstandenen Begrenzung des Steinteiles 2a anschliesst, zu bevorzugen.
Zeitpunkt und Abstand des Auftretens der Quersprünge in den einzelnen Steinteilen ist durch entspre-
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chende Wahl der Zusammensetzung der Ausgangsmassen, des granulometrischen Aufbaues derselben und der angewandten Pressdrücke in bekannter Weise einstellbar.
Beispiel l : Der Stein besteht aus einem Abschnitt aus einer Spezial-Magnesiamasse A nach der österr. Patentschrift Nr. 168077 und einem Abschnitt aus einer Chrommagnesiamasse B. Chrommagnesia, worunter man allgemein eine Mischung von Magnesia und Chromerz mit einem MgO-Gehalt von 25-55% versteht, besitzt beispielsweise folgenden Körnungsaufbau : 20 (Gew. -) 0/0 Sintermagnesiamehl (0-0, 15 mm), 25% Sintermagnesia der Korngrösse 0 bis zirka 2 mm, 30% Chromerz derselben Korngrösse und 25% Chromerz der Korngrösse von etwa 2 bis etwa 4 mm. Die beiden Massen A und B werden jede für sich mit einem zur Erzielung einer chemischen Bindung geeigneten Bindemittel, z. B. Schwefelsäure, versetzt und gemischt.
Zur Formung eines Steines von Ziegelformat mit Blechmantel und einem die Steinteile trennenden Innenblech wird in einen Formkasten eine U-förmige Blechschachtel, in der ein Innenblech erfindungsgemäss gegen die Längsachse der Schachtel versetzt bzw. schräggestellt angebracht ist, eingebracht, auf das Innenblech eine Hilfsplatte gesteckt und die beiden Steinmassen werden zu beiden Seiten dieser Platte eingefüllt. Nach Herausziehen der Hilfsplatte und Aufsetzen eines Deckbleches wird der Stein unter einem Druck von mindestens 800 kg/cm2 gepresst und nach Entfernen aus der Form bei etwa 1500C zur Erzielung der chemischen Bindung getrocknet.
Beispiel 2 : Der Stein besteht aus einem Abschnitt aus einer Magnesiamasse C aus Sintermagnesia der Korngrösse 0 bis etwa 2 mm und einem Abschnitt aus einer Magnesiachrommasse D. Die Magnesiachrommasse, worunter man allgemein eine Mischung aus Magnesia und Chromerz mit einem MgO-Gehalt von 55 bis 80% versteht, besitzt beispielsweise folgenden Körnungsaufbau : 70 (Gew. -) 0/0 Sintermagnesia der Korngrösse 0 bis etwa 2 mm, 15% Chromerz derselben Korngrösse und 15% Chromerz der Korngrösse von etwa 2 bis etwa 4 mm. Die Massen werden jede für sich mit Bindemittel versetzt und gemischt, wie in Beispiel 1.
Will man einen Stein ohne Innenblech herstellen, so bringt man in den Formkasten eine Blechplatte, die erfindungsgemäss gegen die Steinaçhse versetzt und schräggestellt ist, ein, füllt zu beiden Seiten dieser Platte die beiden Steinmassen ein und zieht sodann die Blechplatte wieder heraus. Nach Verpressen und Trocknen kann nachträglich auf den Stein ein Blechmantel aufgebracht, z. B. aufgeklebt oder aufgefrittet, werden.
Es ist auch möglich, Steine durch Kombination der Massen A und D, B und C, B und D in der angegebenen Weise herzustellen, wobei jeweils ein Blechmantel mit oder ohne Innenblech mitverpresst oder aber eine Blechummantelung nachträglich aufgebracht werden kann. An Stelle des Chromerzes kann in den Massen B und D auch ein künstlich hergestellter Magnesium-Aluminium-Spinell verwendet werden.
Auch für andere basische oder neutrale feuerfeste Materialien, z. B. Dolomit oder Forsterit, kann die Erfindung angewendet werden.
Die Trennfläche 4 wird gegen die Symmetrieebene 5 im allgemeinen unter einem Winkel in der Grössenordnung von 10 bis 15 geneigt sein, wobei sich die Wahl des Winkels auch nach der Steinlänge richtet. Bei einem kurzen Stein wird ein grösserer Neigungswinkel erforderlich sein als bei einem langen.
Die Erfindung ist, wie bemerkt, nicht auf Verbundsteine beschränkt, deren Teile unterschiedliches Dehnungsverhalten zeigen. Bei vollkommen gleichem Dehnungs- und Schwindungsmass der Steinteile 2, 3 würde die Versetzung der Berührungsfläche 4 um den Betrag a entfallen. In jedem Fall bedingt aber die Neigung der Berührungsfläche, dass das Verhältnis der Breiten der Teile 2 und 3 über die Höhe des Steines nicht mehr eine konstante Grösse ist, vgl. b 2 : bs und b' : b' . Je nachdem, welche Grösse der Abstand a hat, wird nun das optimale Verhältnis von b2 : bs in einem grösseren oder geringeren Abstand von einem Steinende auftreten. Der Abstand a ist so zu wählen, dass dieses optimale Verhältnis etwa nach Erreichen der halben mutmasslichen Lebensdauer des Steines eintritt.
Die Fig. 3 und 4 zeigen einen dreiteiligen Verbundkörper. Dieser besteht aus zwei gleich breiten Aussenteilen 10 und aus einem etwa doppelt breiten Innenteil 11. In diesem Fall ist angenommen, dass diese Teile durch einen U förmigen Blechbügel 12 an sich bekannter Beschaffenheit und Anordnung getrennt seien. Die Teile 10 könnten aus wachsendem, Teil 11 aus schwindendem Material bestehen oder es könnten alle Teile auch gleichartiges Wärmedehnungsverhalten zeigen. Es ist natürlich auch möglich, alle drei Teile unterschiedlich auszuführen.
In den so weit beschriebenen Beispielen ist die Berührungsfläche im wesentlichen als eine Ebene dargestellt. Dies ist jedoch keineswegs Bedingung. Es wäre durchaus möglich und ist sogar zweckmässig, etwa in einer Ausführung gemäss Fig. l die Berührungsfläche im oberen Teil des Steines parallel zu den Aussenflächen bzw. im Falle eines Keilsteines parallel zur Symmetrieebene verlaufen zu lassen oder in diese einzulenken, der Überlegung folgend, dass für das obere Steinende andere thermische Verhältnisse gelten als für das untere.
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Die Krümmung der Berührungsflächen kann über ihre Höhe konstant oder variabel, stetig oder unstetig sein. Der letztere Fall würde durch eine etwa sägezahnförmige Berührungsfläche realisiert sein.
Steine der vorliegenden Art werden, wie dies bekannt ist, so verlegt, dass die unterschiedlichen Teile im fertigen Mauerwerk ein Schachbrettmuster ergeben, wie dies in Fig. 4 angedeutet ist.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Feuerfester Verbundstein zur Herstellung hochtemperaturbeständiger Auskleidungen von Öfen und Gefässen für die Durchführung metallurgischer Prozesse, der aus mindestens zwei sich über seine Länge erstreckenden Teilen besteht, die sich längs einer den Stein quer durchsetzenden Fläche berühren und im Feuer nach Trennflächen verschleissen, die ungefähr parallel zur Feuerseite der Steinteile verlaufen und in diesen zu verschiedenen Zeitpunkten entstehen, dadurch gekennzeichnet, dass die den Stein quer durchsetzenden Berührungsfläche mindestens bereichsweise zur Steinlängsachse geneigt ist, u. zw. so, dass der Steinteil, dessen durch Abfallen bedingter Verschleiss jenem des benachbarten Teiles voreilt, dem letzteren Steinteil längs der genannten Berührungsfläche eine geneigte und daher abstützende Auflage darbietet.