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Die
Erfindung betrifft ein dreidimensionales basisches feuerfestes keramisches
Bauteil. Der Begriff „Bauteil" umfasst beliebige
geometrische Formen und Formate. Ein typisches Format ist ein Quader
(Stein), der beispielsweise zur Ausmauerung eines Industrieofens,
beispielsweise eines Kalkschachtofens, eingesetzt wird. Die Verwendung
feuerfester keramischer Formteile zur Auskleidung von Industrieöfen (oder
als Funktionalprodukte für
Industrieöfen)
und angeschlossenen Aggregaten ist grundsätzlich bekannt. Bei diskontinuierlich
arbeitenden Öfen
müssen
die Formteile eine gute Temperaturwechselbeständigkeit aufweisen, das heißt Zug-
und Druckspannungsbelastungen beim Aufheizen und Abkühlen des
Ofens soweit wie möglich
kompensieren.
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Zur
Erhöhung
der mechanischen Stabilität
ist die Verwendung von großvolumigen
feuerfesten keramischen Formteilen bekannt, allerdings beschränkt auf
Formteile aus nicht-basischen Werkstoffen. Dies liegt zum einen
daran, dass die Wärmedehnung nicht-basischer
Produkte deutlich geringer ist als die basischer Materialien. Zum
anderen ergeben sich bei basischen Werkstoffen Probleme bei der
Herstellung: Großvolumige
Bauteile lassen sich nicht pressen, sie müssen unter Verwendung von Wasser
beispielsweise gestampft oder gegossen werden. In großvolumigen
Bauteilen lässt
sich das Wasser bisher nicht schnell genug entfernen, so dass es
zu unerwünschten
Hydratationserscheinungen der empfindlichen basischen Oxide, insbesondere
MgO/CaO kommt.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit aufzuzeigen, großvolumige
basische feuerfeste keramische Formteile herzustellen.
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Ausgangspunkt
der erfindungsgemäßen Überlegungen
ist es, eine rasche Bindung beziehungsweise Entfernung von Anmachwasser
bei der Herstellung zu erreichen. Gelöst wird dieses Problem indem
Kanäle
in das Bauteil (beim Herstellungsprozess) eingebracht werden. Diese
Kanäle
erfüllen mehrere
Aufgaben: Entlang der Kanäle
kann Wasser/Feuchtigkeit aus dem Bauteil weggeführt werden. Die Kanäle können aber
auch zur Durchführung
von Trocknungsluft genutzt werden, um den Trocknungsprozess und
die Entfernung von Feuchtigkeit zu beschleunigen.
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Je
nach Anordnung und Ausbildung der Kanäle kann es zumindest in bestimmten
Richtungen zu einer mechanischen Schwächung des Bauteils kommen.
Dies wird jedoch aufgrund folgender Vorteile in Kauf genommen: Großvolumige
Bauteile ermöglichen
eine schnellere Zustellung einer Auskleidung eines Industrieofens
und sparen damit Kosten. Größere Formate
führen
innerhalb eines Steinverbundes zu weniger Fugen und damit zu einer
Stabilisierung des Verbundes insgesamt.
- – Die Festigkeit
von quaderförmigen
Bauteilen, bei denen sich die Kanäle von einer Oberfläche zur
gegenüberliegenden
Oberfläche
erstrecken, ist zumindest in Richtung dieser Kanäle allenfalls minimal geringer
als im Fall massiver Produkte.
- – Es
können
auch komplizierte Formate hergestellt werden, beispielsweise sogenannte
Brennersteine für
Industrieöfen
oder Tragbogensteine sowie Steine für Widerlager am Tragbogen eines Kalkschachtofens.
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Darüber hinaus
haben sich nach Vorversuchen im Labor folgende anwendungstechnische
Vorteile ergeben:
Beim Aufheizen und Abkühlen der Bauteile werden deutlich
verringerte Zugspannungen festgestellt. Je nach Anzahl, Anordnung,
Geometrie und Querschnitt der Kanäle wurde eine Reduzierung der
Zugspannungen im Bauteil um bis zu 90% beobachtet. Dies wird auf
die „Unterteilung" des Gesamtvolumens
des Bauteils durch die Kanäle
in „Teilvolumina" zurückgeführt, in
denen ein Temperaturausgleich schneller erfolgen kann.
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Danach
betrifft die Erfindung in ihrer allgemeinsten Ausführungsform
ein dreidimensionales basisches feuerfestes keramisches Bauteil
mit folgenden Merkmalen:
- – Mehreren Kanälen, die
sich von mindestens einem ersten Oberflächenabschnitt durch das Bauteil
zu mindestens einem zweiten Oberflächenabschnitt erstrecken, wobei
mindestens ein Kanal eine Querschnittsfläche von > 0,5 cm2 aufweist.
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Der
Begriff „Kanal" ist dahingehend
zu verstehen, dass es sich um eine „tunnelartige Öffnung" handelt, die sich
als diskrete Aussparung durch das Bauteil erstreckt. Ein solcher
Kanal ist abzugrenzen von unregelmäßig verteilten offenen Poren,
die eine Gasdurchlässigkeit
erlauben (sogenannte ungerichtete Porosität),.
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Insoweit
ist ein erfindungsgemäßes Bauteil auch
wesentlich dadurch charakterisiert, dass der oder die Kanäle eine
erhebliche Querschnittsfläche aufweisen,
nämlich
von mehr als 0,5 cm2, wobei Querschnittsflächen > 3 oder > 5 oder > 10 cm2 vorteilhaft
sind. Am besten sind alle Kanäle
in dieser Größenordnung.
Dabei können
Kanäle
mit unterschiedlicher Querschnittsfläche kombiniert werden.
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In
den erwähnten
Vorversuchen hat sich herausgestellt, dass die Trocknung bei der
Herstellung sehr viel effektiver und schneller durchgeführt werden
kann und dass die beschriebenen Produkteigenschaften deutlicher
hervortreten, wenn die Kanäle eine
Querschnittsfläche
deutlich über
1 cm2 aufweisen. Für Kanäle mit Kreisquerschnitt ergibt
sich ein bevorzugter Durchmesserbereich von 5 bis 10 cm.
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Weiters
spielt der Abstand benachbarter Kanäle (von Rand zu Rand) eine
erhebliche Rolle. Zur Optimierung der Trocknung und Produkteigenschaften
ist angestrebt, den Abstand zwischen benachbarten Kanälen möglichst
klein zu halten, beispielsweise < 10
cm, besser: < 7
cm, aber auch < 5
cm. Der Kanalabstand kann größenordnungsmäßig dem
Kanaldurchmesser ±50%
entsprechen.
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Eine
konkrete Dimensionierung von Anzahl, Anordnung, Geometrie und Querschnitt
der Kanäle muss
in Abhängigkeit
von den thermischen und mechanischen Einsatzbedingungen sowie der
Größe des Bauteils
insgesamt erfolgen. Eine Erhöhung
der Anzahl der Kanäle
und/oder deren querschnittsmäßige Vergrößerung führen üblicherweise
zwar zu einer Vergleichmäßigung und
Reduzierung von Zugspannungen über
das gesamte Bauteil. Gleichzeitig nimmt aber auch die Zug- und Druckfestigkeit
des Bauteils durch eine Verringerung des Feststoffanteils (der Bauteil-Matrix)
ab.
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Nach
einer Ausführungsform
beträgt
der Volumenanteil, den die Kanäle
innerhalb des Bauteils einnehmen, zwischen 1 und 30%, wobei die
Untergrenze auch 3 bis 5 Vol.-% und die Obergrenze 15 bis 20 Vol.-%
betragen kann.
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Wie
bereits ausgeführt
spielt auch die Anordnung des Bauteils in Abhängigkeit von der Orientierung
der Kanäle
eine wichtige Rolle. Insoweit kann es vorteilhaft sein, die Kanäle geradlinig
durch das Bauteil verlaufen zu lassen. Es ergibt sich dann in Axialrichtung
der Kanäle
eine ausreichende Druckfestigkeit für das Bauteil.
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Die
Festigkeitseigenschaften sowie die Spannungsverteilung im Bauteil
werden optimiert, wenn die Kanäle
sich gleichmäßig verteilt
durch das Bauteil erstrecken. „Gleichmäßig verteilt" ist dabei im technischen
Sinne zu verstehen und nicht mathematisch. Dies schließt „regelmäßige Muster" ein, bei denen die
Kanäle
symmetrisch zu bestimmten Flächen oder
Linien angeordnet sind, und zwar in dem Sinne einer Optimierung
der Trocknung bei der Herstellung. Der Abstand benachbarter Kanäle kann
dem Abstand eines oberflächennahen
Kanals zur korrespondierenden Oberfläche entsprechen.
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Das
Bauteil kann ein ungebranntes, aber thermisch vorbehandeltes, beispielsweise
getempertes Bauteil sein. Getemperte Bauteile werden beispielsweise
für basische
Produkte mit hydraulischer Bindung eingesetzt. Dabei ist es wichtig,
die Abbindereaktion des Bindemittels und die Entfernung der Restfeuchte
so schnell wie möglich
und so vollständig
wie möglich
zu erreichen, um zu verhindern, dass sich die basischen Versatzkomponenten,
insbesondere MgO und CaO, mit Wasser zu Hydroxiden umwandeln. Die
erfindungsgemäße Gestaltung
des Bauteils mit den beschriebenen Kanälen schafft diese Möglichkeit.
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Insoweit
können
erfindungsgemäße Bauteile zu
mindestens 30 M.-% aus mindestens einer der Komponenten MgO, CaO
bestehen, wobei der Anteil auch deutlich höher sein kann, beispielsweise über 50 M.-%, über 70 M.-%,
aber auch über
90 M.-%. Mit anderen Worten: Es können mehr oder weniger rein magnesitische
oder dolomitische Bauteile mit großem Volumina hergestellt werden,
sofern die entsprechende Zahl von Kanälen im Bauteil bei der Herstellung
ausgebildet werden.
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Bezogen
auf die Oberfläche
des Bauteils gilt, dass bei einem quaderförmigen Produkt mindestens 2%
einer Oberfläche,
besser mindestens 5% oder 10% einer Oberfläche von Kanalöffnungen
gebildet sein sollten, wobei sich diese Kanäle dann durch das Bauteil zur
gegenüberliegenden
Quaderoberfläche erstrecken.
Eine Vernetzung (Verbindung) der Kanäle untereinander – im strömungstechnischen
Sinne – ist
möglich.
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Die
Erfindung umfasst auch gebrannte Bauteile, also gesinterte Produkte,
die einen Pyroprozess durchlaufen haben.
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In
der erfindungsgemäßen Gestaltung
lassen sich Bauteile mit einem Volumen von > 0,01 m3 problemlos
herstellen. Bauteile mit einem Volumen von > 0,1 oder > 0,3 m3 sind ebenso
herstellbar. Damit ergeben sich basische Bauteile von mehreren 100
kg, die bisher so nicht herstellbar waren.
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Die
Querschnittsgeometrie der Kanäle
ist grundsätzlich
beliebig. Es fördert
den Wärmeübergang,
wenn die Kanäle
einen Kreisquerschnitt aufweisen. Es fördert die Stabilität und reduziert
die Spannungen im Bauteil, wenn die Kanäle einen symmetrischen Querschnitt
besitzen und geradlinig oder der Außenkontur des Bauteils angepasst
durch das Bauteil verlaufen.
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Ein
erfindungsgemäßes Bauteil
lässt sich
in konventioneller Weise verlegen. Dazu können beispielsweise korrespondierende
Nut-/Federeinrichtungen
auf mindestens einer Oberfläche
vorgesehen sein.
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Die
Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert. Dabei zeigen:
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1:
Eine Aufsicht auf ein quaderförmiges Bauteil,
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2:
eine Ansicht eines Steinverbundes aus erfindungsgemäßen Bauteilen
im Pfeilerbereich eines Kalkschachtofens.
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In 1 sind
zwei Ausführungsformen
eines magnesitischen feuerfesten Bauteils zusammengefasst, welche
beide das erfindungsgemäße Grundprinzip
zeigen, den Bauteil mit gasdurchlässigen diskreten Kanälen 12 auszubilden.
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Im
oberen Teil der 1 sind schematisch zwei Reihen
R1, R2 zu erkennen. Entlang jeder Reihe R1, R2 verlaufen fünf Kanalöffnungen 12,
und zwar jeweils paarweise gegenüber,
so dass sich eine gleichmäßige Verteilung
der Kanäle 12 über die Oberfläche 14 des
Bauteils 10 ergibt.
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Im
unteren Teil sind schematisch vier Reihen R3, R4, R5 und R6 mit
jeweils elf etwa gleich großen Öffnungen
zugehöriger
Kanäle 12 zu
erkennen, die jeweils in x- und y-Richtung des Koordinatensystems statistisch
angeordnet sind.
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Die
Kanäle 12 erstrecken
sich in beiden Fällen
von der dargestellten Oberfläche 14 des
dargestellten quaderförmigen
Bauteils 10 zur gegenüberliegenden
(nicht dargestellten) Produkt-Oberfläche, und zwar geradlinig.
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2 zeigt
einen Pfeilerbereich eines Kalkschachtofens, der mit erfindungsgemäßen Bauteilen (Steinen) 10 ausgerüstet ist,
wobei die Bauteile entlang gegenüberliegender
Oberflächen 15, 17 mit
korrespondierenden Nut-/Feder-Profilen 16 ausgebildet sind,
so dass benachbarte Bauteile 10 formschlüssig ineinander
greifen.
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Zu
erkennen sind auch hier die in Reihen angeordneten Öffnungen
von Kanälen 12,
die sich jeweils von einer Oberfläche in der Zeichenebene zu einer
parallel dahinter verlaufenden Oberfläche geradlinig erstrecken.
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Die
Anordnung der Kanäle 12 ist
so, dass benachbarte Reihen R1, R2, R3 horizontal versetzt zueinander
angeordnet sind.
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Die
in den Reihen R1, R2 angeordneten Kanäle weisen jeweils einen Durchmesser
von ca. 7 cm auf. Der Abstand benachbarter Kanäle beträgt ebenfalls ca. 7 cm.
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Im
unteren Teil der 1 beträgt der Kanaldurchmesser jeweils
ca. 3 cm und der Abstand zwischen benachbarten Kanälen etwa
3 cm.
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Die
in 2 dargestellten quaderförmigen Steine sind magnesitische
Produkte mit einem MgO-Anteil von über 90 M.-%. Sie wurden nach
der Herstellung bei Temperaturen über 1.200°C gebrannt.
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Die
Ausbildung der Kanäle
im Bauteil kann auf unterschiedliche Art und Weise erfolgen. Bei
gegossenen Produkten können
entsprechende Stangen in die Form eingelegt werden, die nach der
Aushärtung
der Gießmasse
wieder herausgezogen werden und so die Kanäle bilden. Alternativ können aber auch
ausbrennbare Stoffe mit entsprechender Kanalgeometrie in die Gießform vorgelegt
werden, die beim anschließenden
Brand des Produktes ausbrennen und die Kanäle freilegen. Eine weitere
Möglichkeit
besteht darin, die Kanäle
am fertigen Produkt zu bohren.