DD256512B1 - Wasserglasgebundene feuerbetongemenge zur zustellung von ofenanlagen der aluminiumindustrie - Google Patents

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 des bekannten Standes der Technik

Ofenanlagen zum Schmelzen, Warmhalten, Vergießen und anderen metallurgischen Verfahrensscrfritten 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 1350 ⁰C 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 eine materialbedingt höhere Porosität beachten muß.

Diese Darlegungen stellen in verallgemeinerter Form den derzeitigen Stand der Zustelltechnik für 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 der Basis von 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, V.: 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, lnterceram30 [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 Zuschlägen 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 DE-AS 2842176 sowie die US-PS 4126474, während in der DE-OS 3419199 eine Chromoxidzugabe erläutert wird. Die Patentschrift FR 1222951 beansprucht die Zumischung eines Glases mit hohem Boroxidgehalt zum Feuerfestmaterial. Die DD-PS 142801 schützt ein Verfahren zur Herstellung gießfähiger Feuerbetone für die Industrieofenzustellung, indem an sich dem Feuerfesttechnologen bekannte versatztechnische Details, wie beispielsweise das Korngrößenspektrum, die Feuchte der Magerungsmittel, die Zugabemenge, 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 Schamottefeuerbeton mit Wasserglasbindung, welcher sich im Niederfrequenzinduktionsofen zum Schmelzen von Aluminium nur unzureichend bewährt hat.

Die DD-PS 115479 beinhaltet ein hitzebeständiges Material mit hoher chemischer Resistenz, das unter Verwendung von Porzellanscherben bzw. Porzellanbruch hergestellt wird. Dieses Material ist einsetzbar zur Aus- und Verkleidung von wärmeund/ oder chemotechnischen Anlagen mit kombiniertem und/oder wechselndem Angriff von Wärme, Feuchte, aggressiven Lösungen und/oder Dämpfen und Gasen und/oder Abrasion durch aufprallende und/oder rutschende Körnungen, insbesondere für Kohletrockenanlagen, Rauch- und Abgaseinrichtungen, Abscheideanlagen der chemischen Industrie, Verkokungseinrichtungen, Rückstands- und Müllverbrennungsanlagen und Fußböden von Industrieanlagen. Das Material ist jedoch für die Zustellung von metallurgischen Anlagen, wie zum Beispiel der Aluminiumindustrie, aufgrund der ungenügenden Temperaturwechselbeständigkeit und der unzureichenden chemischen Resistenz gegenüber schmelzflüssigem Aluminium sowie anderen Metallschmelzen nicht geeignet.

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 900 bis 1 200⁰C vorteilhaft betrieben werden können

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Feuerbetongemenge folgender Zusammensetzung gelöst:

— 25,0 bis 85,0 Gew.-% dichtgesintertes, eisenoxidarmes Aluminiumsilikat, vorzugsweise Porzellanbruch, bis zu einer Korngröße von 3,15 mm, wovon 75,0% größer 0,5 mm seinsollen;

— 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 18,0Gew.-% Wasserglas, vorzugsweise Natriumwasserglas mit einer Dichte von 1,34g/cm³ und einem Molverhältnis Na₂O:Si0₂von 1:2,8;

— 0,2 bis 8,0Gew.-% Erhärtungsbeschleuniger mit einer Korngröße unter 0,1 mm;

Als Erhärtungsbeschleuniger kann Natriumsilikofluorid oder calciumsilikathaltige Schlacke aus der Phosphorgewinnung Anwendung finden.

Durch Einsatz eines dichtgesinterten, nichttypischen feuerfesten Zuschlagstoffes auf der Basis eines kostengünstigen Aluminiumsilikates, wie es beispielsweise in Form von eisenoxidarmen, dichte", feinkeramischen Bruch- beziehungsweise Anfallmaterial aus der Haushaltporzellanproduktion, bei der Herstellung technischer Porzellane oder „Vitreous China"-Erzeugnisse zur Verfügung steht, in Kombination mit einer feinen Edelkorundkörnung als Mikrofüller und erforderlichenfalls mit einer feuerfesten Rohschamottekörnung zur Kornabstufung kann unter Verwendung des Bindemittels Wasserglas, als Natrium- und/oder Kaliwasserglas, mit Erhärtungsbeschleunigerzusatz, 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 Umfang 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 1350°C 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.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll an zwei Beispielen näher erläutert werden.

Beispiel 1

Das entsprechend dem nachfolgenden Versatz zusammengesetzte Gemenge besteht aus:

— 56,0Gew.-% Porzellanbruch von technischem Prozellan der Korngröße 0,0 bis 3,15mm, wovon 75,0% größer 0,5mm sind;

— 8,0Gew.-% Rohschamotte mit einem Tonerdegehalt von mehr als 35,0% und einer Korngröße von 0,0 bis 1,0mm;

— 16,0Gew.-% Edelkorund der Korngröße 0,0 bis 0,1 mm;

— 18,0Gew.-% Natriumwasserglas mit einer Dichte von 1,34g/cm³und einer molaren Zusammensetzung von 1,0 Na₂O:2,8 SiO₂;

— 2,0Gew.-% Natriumsilikofluorid unter 0,09mm.

Nach einem Vormischen der trockenen Bestandteile in einem Zwangsmischer (Dauer drei Minuten) erfolgt die Zugabe des flüssigen Natriumwasserglases und ein weiteres Mischen über drei Minuten. Das fertige Feuerbeton wird in eine entsprechend vorbereitete Form geschüttet und mittels Innenrüttler verdichtet. Daran schließt sich eine Lagerung über 18 bis 24 Stunden bei Raumtemperatur (18 bis 25⁰C) sowie über weitere 18 bis 24 Stunden bei 30 bis 100⁰C zur Aushärtung an. Dieser Feuerbeton weist folgende Eigenschaften aus:

— Rohdichte nach dem Trocknen bei 110°C 1,95g/cm³;

— Wasseraufnahme nach dem Trocknen bei 11O⁰C 12,0%;

— Druckfestigkeit nach dem Trocknen bei 11O⁰C 27,0MPa;

— Druckfestigkeit nach dem Brand bei 900⁰C 60,0 MPa;

— Lineare Längenänderung nach dem Brand bei 900⁰C ± 0,0%;

— Druckfeuerbeständigkeit bei einer Belastung von 0,2MPa, T_0-6 -93O⁰C.

Beispiel 2

Gemenge bestehend aus:

— 56,0Gew.-% Porzellanbruch von technischem Porzellan der Korngröße 0,0-3,15 mm, wovon 75,0% größer 0,5mm sind;

— 5,0Gew.-% Rohschamotte mit einem Tonerdegehalt von mehr als 35,0% und einer Korngröße von 0,0 bis 1,0mm;

— 16,0Gew.-% Edelkorund der Korngröße von 0,0 bis 0,1 mm;

— 15,0 Gew.-% Natriumwasserglas mit einer Dichte von 1,50 g/cm³ und einer molaren Zusammensetzung von 1,0 N₂0:2,8 SiO₂;

— 8,0Gew.-% calciumsilikathaltige Schlacke aus der Phosphorgewinnung der Korngröße von 0,0 bis 0,1 mm

wird nach einem Vormischen dertrockenen Bestandteile in einem Zwangsmischer (Dauer drei Minuten) und nach Zugabe des flüssigen Natriumwasserglases weitere drei Minuten gemischt.

Der fertige Feuerbeton wird ohne Verzögerung in eine entsprechend vorbereitete Form geschüttet und mittels Innenrüttler verdichtet. Daran schließt sich eine Lagerung über 18 bis 24 Stunden bei Raumtemperatur (18 bis 25°C) sowie über weitere 18 bis 24 Stunden bei 30 bis 100⁰C zur Aushärtung an.

Dieser Feuerbeton weist folgende Eigenschaften aus:

— Rohdichte nach der Trocknung bei 11O⁰C 1,92 g/cm³;

— Wasseraufnahmenach dem Trocknen bei 110⁰C 13,0%;

— Druckfestigkeit nach dem Brand bei 900°C 15,0MPa;

— Lineare Längenänderung nach dem Brand bei 900⁰C —0,1 %;

— Druckfeuerbeständigkeit bei einer Belastung von 0,2MPa, T₀,e -900⁰C.

Claims (5)

1. Wasserglasgebundene Feuerbetongemenge zur Zustellung von Ofenanlagen der Aluminiumindustrie auf der Basis von aluminiumsilikathaltigem Material, Korund und Wasserglasbindemitteln, gekennzeichnet dadurch, daß das Gemenge aus

— 25,0 bis 85,0GeW₁-⁰ZoBrUCh-oder Anfallmaterial von Haushaltsporzellanen, technischem Porzellan und/oder „Vitreous China" bis zu einer Korngröße von 3,15 mm, wovon 75,0% größer 0,5mm sein sollen;

— 0-15Gew.-% Rohschamotte mit einem Tonerdegehalt von mindestens 15,0% mit einer Korngröße bis maximal 1,0mm;

— 5,0-35,0Gew.-% Edelkorund mit einer Korngröße bis maximal 0,1 mm;

— 5,0 bis 18,0Gew.-% Wasserglas;

— 0,2-8,0 Gew.-% Erhärtungsbeschleuniger mit einer Korngröße unter 0,1 mm besteht.

2. Feuerbetongemenge nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß das eingesetzte Wasserglas ein Natriumwasserglas mit einer Dichte von 1,34g/cm³ und einem Molverhältnis Na₂O:SiO2Von 1:2,8 ist.

3. Feuerbetongemenge nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß das eingesetzte Wasserglas ein Kaliwasserglas ist.

4. Feuerbetongemenge nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß der Erhärtungsbeschleuniger Natriumsilikofluorid ist und in einer Menge von 0,2-2,0Gew.-% enthalten ist.

5. Feuerbetongemenge nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß der Erhärtungsbeschleuniger calciumsilikathaltige Schlacke aus der Phosphorgewinnung ist und in einer Menge von 2,0 bis 8,0Gew.-% enthalten ist.