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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Feuerfest-Erzeugnisses, welches dem Angriff durch schmelzflüssiges Metall ausgesetzt werden soll.
Feuerfest-Komponenten von Ventilen sowie feuerfeste Ausflussdüsen für verschiedene Zwecke im Bereich der Metallurgie sind herkömmlicherweise durch Verpressen und Brennen bei hohen
Temperaturen hergestellt worden. Kostspielige, hochreine Materialien, wie Zirkonerde sowie 85 bis 95% Altos enthaltende Feuerfest-Werkstoffe sind wegen der extrem schweren Einsatzbedingungen, welchen diese Komponenten unterworfen werden, als unverzichtbar angesehen worden. Der Energie- bedarf zum Herstellen der Komponenten durch Pressen und Brennen ist beträchtlich, da die Brenn- temperaturen üblicherweise oberhalb von 1500 C liegen und diese hohen Temperaturen während des gesamten Brennvorganges aufrechterhalten werden müssen.
Der Energiebedarf schlägt deutlich auf die Kosten der aus diesen gebrannten Feuerfest-Werkstoffen hergestellten Komponenten durch.
Trotz der Verwendung von stark gebrannten Feuerfest-Materialien in der Metallurgie erfor- dern Erzeugnisse, wie Ventilplatten, üblicherweise ein häufiges Erneuern unter grossen Kosten.
In jüngerer Zeit sind chemisch gebundene Betonwerkstoffe vorgeschlagen worden, beispiels- weise für Ventilschieber. Wie auch gebrannte Feuerfest-Platten, sind chemisch gebundene Betonplat- ten nicht imstande, wiederholten thermischen Schocks zu widerstehen. Folglich wird angenommen, dass ihre Verwendung in Absperreinrichtungen (Ventilen) für das Abgiessen von Blöcken durch störende Arbeitsunterbrechungen zum Zwecke ihrer Auswechselung beeinträchtigt wird.
Es ist nun gefunden worden, dass gewisse hydraulisch gebundene basische zementartige Werkstoffe überraschenderweise über die Fähigkeit verfügen, gegenüber thermischen Schockbeanspruchungen äusserst gut beständig zu sein, weshalb die Herstellung von Komponenten aus diesen Werkstoffen von besonderem Interesse ist.
Erfindungsgemäss wird ein Verfahren zum Herstellen eines Feuerfest-Erzeugnisses, welches dem Angriff durch schmelzflüssiges Metall ausgesetzt werden soll, vorgeschlagen. Dieses Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass das Erzeugnis durch Vibrationsgiessen in einer Form hergestellt wird, wobei als Giessmasse eine hydraulische Feuerfest-Zement-Zusammensetzung, die besteht aus 60 bis 95 Gew.-% einer gebrannten oder gesinterten Magnesia als Magnesia-Komponente, enthaltend mindestens 94 Gew.-% MgO, l bis 36 Gew.-% einer Tonerde-Komponente, enthaltend mindestens 98 Gew.-% ALOa und 4 bis 15 Gew.-% einer tonerdehaltigen Zement-Komponente, enthaltend mindestens 45 Gew.-% Al Os und der Wasser zugesetzt worden ist, eingesetzt wird und das das Erzeugnis gehärtet und getrocknet wird.
Zusammensetzungen, die beim erfindungsgemässen Verfahren eingesetzt werden, enthalten, wie schon erwähnt, im wesentlichen drei Komponenten, nämlich Magnesia (MgO), eine Tonerdekomponente (AlzO3) sowie eine tonerdehaltige Zement-Komponente. Gegebenenfalls können kleinere Anteile weiterer Komponenten zu bestimmten Zwecken zugefügt werden, wie Weichmacher, Benetzungsmittel (Oberflächenmittel) und kohlenstoffhaltige Materialien, wie Teer oder Pech. Die letzteren werden üblicherweise bei der Herstellung von Ventilplatten und-düsen verwendet, um das Ausbilden von Schlackenansätzen an diesen Bauteilen zu verhindern.
Die Zusammensetzung sollte aus fraktionierten Pulvermischungen hergestellt werden. So sollte die Zement-Komponente vorzugsweise eine Teilchengrösse von maximal 75 11m aufweisen. Dabei sind einige grössere Zementteilchen tolerierbar, aber vorzugsweise sollten wenigstens 90% des Zementes eine Teilchengrösse von 75 11m oder weniger besitzen. Die Zusammensetzungen werden vorzugsweise aus den in der folgenden Tafel zusammengestellten Daten ausgewählt werden.
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<tb>
<tb>
Teilchengrösse <SEP> Prozentbereich
<tb> insgesamt <SEP> bevorzugt <SEP> insgesamt <SEP> bevorzugt
<tb> Magnesia <SEP> (gesintert
<tb> oder <SEP> gebrannt) <SEP> < 5 <SEP> mm > l <SEP> mm <SEP> < <SEP> 3 <SEP> mm > <SEP> 1 <SEP> mm <SEP> 20-40 <SEP> 20-30
<tb> Magnesia <SEP> (gesintert
<tb> oder <SEP> gebrannt) <SEP> < <SEP> 1 <SEP> mm <SEP> > <SEP> 0, <SEP> 3 <SEP> mm <SEP> < 1 <SEP> mm > <SEP> 0, <SEP> 3 <SEP> mm <SEP> 15-35 <SEP> 20-30
<tb> Magnesia <SEP> (gesintert
<tb> oder <SEP> gebrannt) <SEP> < <SEP> 0, <SEP> 3 <SEP> mm <SEP> < <SEP> 0, <SEP> 3 <SEP> mm <SEP> 25-40 <SEP> 30-40
<tb> Tonerde <SEP> (gesintert
<tb> oder <SEP> calciniert) <SEP> < 0, <SEP> 3 <SEP> mm <SEP> < <SEP> 0, <SEP> 3 <SEP> mm <SEP> 0-20 <SEP> 0- <SEP> 5 <SEP>
<tb> Tonerde <SEP> (calciniert,
<tb> gebrannt <SEP> oder <SEP> gesintert, <SEP> jedoch <SEP> vorzugsweise. <SEP> calciniert) <SEP> < 45 <SEP> p.
<SEP> m <SEP> < <SEP> 45 <SEP> gm <SEP> 1-20 <SEP> 5-10
<tb> Hydraulischer <SEP> Ze- <SEP> wenigstens <SEP> wenigstens
<tb> ment <SEP> mit <SEP> mehr <SEP> als <SEP> 90% <SEP> 90%
<tb> 7, <SEP> 5% <SEP> AlzOa <SEP> < <SEP> 75 <SEP> ! <SEP> im <SEP> < 75 <SEP> im <SEP> 4-15 <SEP> 9-12
<tb>
Die Zusammensetzungen werden mit soviel Wasser versetzt, wie zum Erzielen einer gut verarbeitbaren Mischung erforderlich ist. Eine solche Mischung kann beispielsweise 7% Wasser, bezogen auf das Gewicht der Mischung, enthalten. Die Mischung bindet bei Raumtemperatur selbst- tätig ab. Die Zufuhr von Wärme ist nicht erforderlich, wenngleich ein mässiges Erwärmen zum
Zwecke der Beschleunigung des Abbindens (Aushärtens) der gegossenen Erzeugnisse zulässig sein kann.
Ohne Wärmezufuhr kann jedoch das Aushärten bis zu einem die Entnahme aus der
Form gestattenden Zustand innerhalb von zirka 1 h erreicht werden. Somit kann eine hohe Produk- tivität erreicht werden.
Die beim erfindungsgemässen Verfahren eingesetzten hydraulischen Feuerfest-Zement-Zusam- mensetzungen weisen bedeutsame Vorteile gegenüber chemisch gebundenen Systemen auf. Ein stets mit chemisch gebundenen Systemen vergesellschaftetes Problem besteht darin, dass dann, wenn sie im Vorgang des Wärme-Abbindens und Trocknens sind, das Bindemittel dazu neigt, in freiliegende Oberflächen einzutreten. Eine solche Bindemittelwanderung und die daraus folgende Ungleichförmigkeit bzw. Inhomogenität der gegossenen Erzeugnisse tritt bei den Zubereitungen nach der Erfindung nicht auf. Ausserdem tritt eine Verfestigung auf, so dass die Handhabe der gegossenen Erzeugnisse frei ist von der Gefahr Schäden durch innere Spannungen herbeizuführen.
Es ist bei chemisch gebundenen Gusserzeugnissen keinesfalls unmöglich, diese während der Handhabe nachteilig zu beeinträchtigen.
Die beim erfindungsgemässen Verfahren eingesetzten Zusammensetzungen zeigen überraschend ausgezeichnete Beständigkeiten gegenüber thermischen Wechselbeanspruchungen. Sie erscheinen deshalb als besonders geeignet zur Herstellung von Teilen von Schiebeventilen bzw. Ventilschiebern und dazugehörige Ausflussdüsen, wie diese zum Unterbrechen des Gussstrahls schmelzflüssiger Metalle verwendet werden.
Eine üblicherweise durchgeführte Prüfung der Beständigkeit gegen Thermoschock ist der sogenannte Torch-Test, der von der Forschungsabteilung der United States Steel Corporation entwickelt wurde. Bei dieser Prüfung wird eine Sauerstoff-Propan-Brennerflamme langsam quer über einen Probekörper aus dem zu untersuchenden Feuerfest-Material geführt, u. zw. mit einer Geschwindigkeit von 1, 7 mm/s, wobei der Brenner von der Oberfläche des Prüfkörpers 6, 4 mm entfernt gehalten wird.
Auf herkömmliche Weise gepresste und gebrannte Ventilplatten aus Magnesia sind üblicherweise nicht imstande, lediglich einen Durchgang der Sauerstoff-Propan-Flamme ohne signifikante Schäden sowohl an der Oberfläche als auch im Inneren zu überstehen. Bekannte chemisch gebunde-
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ne Magnesia-Ventilplatten überstehen diesen Versuch besser, aber die Versuchsergebnisse zeigten doch mässige Beeinträchtigung nach einem Durchgang der Brennerflamme.
Demgegenüber erwiesen sich nach dem erfindungsgemässen Verfahren hergestellte Ventilplatten als widerstandsfähig gegenüber wiederholten Durchgängen (der Brennerflamme) wie beispielsweise gegenüber zwölf Durchgängen, ohne signifikante Oberflächenverschlechterung. Dieses unterstreicht die Fähigkeit der erfindungsgemäss hergestellten Erzeugnisse, mit den Temperaturänderungen fertig zu werden, welche während des wiederholten Schliessens und Öffnens eines Ventils bei der Ventilbetätigung auftreten, wodurch eine deutliche Verbesserung im Vergleich zu gebrannten oder chemisch gebundenen Platten unter Beweis gestellt ist.
Wie vorstehend erwähnt, kann das erfindungsgemässe Verfahren angewendet werden zur Herstellung von gegossenen Ventilplatten für Schieberventile sowie ferner von Düsen, wie von Kollektoren und Giessrohrverlängerungen.
Auch Giesspfannenrohre und Ausgabedüsen können hergestellt werden. Weitere geeignete Verwendungszwecke liegen auf der Hand.
Erzeugnisse, die gemäss der Erfindung gegossen werden, werden üblicherweise im hydraulisch abgebundenen Zustand gehandelt. Nichtsdestotrotz kann es gegebenenfalls angestrebt sein, diese gegossenen Erzeugnisse in einem vorgebrannten Zustand zu handeln, um sie erst während ihrer Verwendung zu brennen. Ein Vorbrennen kann beispielsweise für Erzeugnisse sinnvoll sein, wie auswechselbare Hülsen oder Auskleidungen mit Beständigkeit gegen Verschleiss und Erosion für Austragsdüsen.
Beispiel : Diese Zusammensetzung hat die folgenden Eigenschaften. Die angegebenen Prozentsätze beziehen sich auf das Gewicht, bezogen auf das Gesamtgewicht der Magnesia-, Tonerdeund Zement-Komponenten.
Magnesia, Teilchengrösse < 3 bis > 1 mm 26% ; Magnesia, Teilchengrösse < 1 bis > 0, 3 mm 25% ; Magnesia, Teilchengrösse nicht mehr als 0, 3 mm 34% ; Calcinierte Tonerde, Teilchengrösse nicht mehr als 75 11m 6% ; Hochtonerdereicher Zement 9%.
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wobei wenigstens 90 Gew.-% des Zementes eine Teilchengrösse von weniger als 75 11m aufwiesen.
Die Magnesia-Komponente besass einen MgO-Gehalt von 94 Gew.-% und die Tonerde-Komponente besass einen AI. 03 -Gehalt von 98 Gew.-%.
Die Zusammensetzung ergab eine gut verarbeitbare und hinreichend fliessfähige Masse zum Vergiessen nach Zuatz von Wasser in einer Menge von bis zu 7% des Gewichtes. Das Füllen der Formen kann durch Vibration unterstützt werden, wie beispielsweise mit Hilfe einer Vibrationsfrequenz von 3000 Hz.
Die vibrations-vergossenen Zement-Probekörper, die wie vorstehend erläutert hergestellt worden waren, weisen nach dem Härten und Trocknen die folgenden Eigenschaften bei den angegebenen Temperaturen auf.
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<tb>
<tb>
Eigenschaft <SEP> Brenntemperatur <SEP> C <SEP>
<tb> 110 <SEP> 1000 <SEP> 1500 <SEP> 1700
<tb> Raumdichte <SEP> (g/cm3) <SEP> 2, <SEP> 83 <SEP> 2, <SEP> 78 <SEP> 2, <SEP> 85 <SEP>
<tb> Scheinbare <SEP> Porosität <SEP> (%) <SEP> 16, <SEP> 0 <SEP> 19, <SEP> 3 <SEP> 17, <SEP> 0 <SEP>
<tb> Bleibende <SEP> lineare <SEP> Abmessungsänderung <SEP> vom <SEP> Trocknen <SEP> zum <SEP> Brennen <SEP> (%) <SEP> +0, <SEP> 01-1, <SEP> 24-3, <SEP> 44 <SEP>
<tb> Kaltbruchfestigkeit <SEP> (MPa) <SEP> 48, <SEP> 3 <SEP> 50, <SEP> 8 <SEP> 85, <SEP> 2 <SEP>
<tb> Flammenprüfung
<tb> 1 <SEP> Durchgang <SEP> bestanden <SEP> bestanden
<tb> Flammenprüfung
<tb> 12 <SEP> Durchgänge <SEP> bestanden <SEP> bestanden
<tb>
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Die vorstehenden Eigenschaften sind äusserst günstig zum Herstellen von gegossenen Schieberventil-Bauelementen, die,
gegebenenfalls in anschliessend gebranntem Zustand geliefert werden können.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zum Herstellen eines Feuerfest-Erzeugnisses, welches dem Angriff durch schmelzflüssiges Metall ausgesetzt werden soll, dadurch gekennzeichnet, dass das Erzeugnis durch Vibrationsgiessen in einer Form hergestellt wird, wobei als Giessmasse eine hydraulische Feuerfest-Zement- - Zusammensetzung, die besteht aus : 60 bis 95 Gew.-% einer gebrannten oder gesinterten Magnesia als Magnesia-Komponente, enthaltend mindestens 94 Gew.-% MgO, l bis 36 Gew.-% einer Tonerde- - Komponente, enthaltend mindestens 98 Gew.-% Al Os und 4 bis 15 Gew.-% einer tonerdehaltigen Zement-Komponente, enthaltend mindestens 45 Gew.-% AlzOs und der Wasser zugesetzt worden ist, eingesetzt wird und dass das Erzeugnis gehärtet und getrocknet wird.