DE102008046193A1

DE102008046193A1 - Keramische Bauteile mit Antihafteigenschaften für Hochtemperaturanwendungen

Info

Publication number: DE102008046193A1
Application number: DE200810046193
Authority: DE
Inventors: Christos Prof. Dr. Aneziris; Felix Homola; Wolfgang Schärfl; Steffen Dudczig
Original assignee: Technische Universitaet Bergakademie Freiberg
Current assignee: Technische Universitaet Bergakademie Freiberg
Priority date: 2008-08-06
Filing date: 2008-08-06
Publication date: 2010-02-11

Abstract

Die Erfindung betrifft keramische Bauteile zur Verhinderung oder Verringerung von metallischen und/oder nichtmetallischen Ansätzen, insbesondere hochtonerdehaltigen Ansätzen (Clogging), im kohlenstoffhaltigen Ausguss und/oder an dessen Ein- und/oder Auslauf von metallurgischen Gefäßen beim Vergießen von schmelzflüssigen Metallen, insbesondere Stahl. Der Erfindung liegt die technische Aufgabe zugrunde, solche keramischen Bauteile zu entwickeln, die metallische und/oder nichtmetallische Ansätze verhindern. Erfindungsgemäß sind die keramischen Bauteile, die aus einem feuerfesten Grundkörper mit einer mit diesem verbundenen Schicht im Durchlaufkanal bestehen, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht aus temperaturfesten Verbindungen, zusammengesetzt aus Kationen und Anionen mit großen Ionenradien von größer 0,9 Angstrom, besteht.

Description

Die Erfindung betrifft keramische Bauteile zur Verhinderung oder Verringerung von metallischen und/oder nichtmetallischen Ansätzen, insbesondere hochtonerdehaltigen Ansätzen (Clogging), im kohlenstoffhaltigen Ausguss und/oder an dessen Ein- und/oder Auslauf von metallurgischen Gefäßen beim Vergießen von schmelzflüssigen Metallen, insbesondere Stahl. Die Erfindung ist auch bei Prozessen mit höheren Temperaturen in der Müllverbrennungsindustrie, der Energiewirtschaft, der Zementindustrie und der Chemischen Industrie anwendbar.
In der DE 44 28297 A1 ist angegeben, dass Anlagerungen in einem metallurgischen, kohlenstoffhaltigen Ausguss im Gießbetrieb durch induktives Beheizen einer Ausgussdüse verhindert oder beseitigt werden können. Es hat sich aber gezeigt, dass dieses Verfahren ungenügend funktioniert. In der DE 196 51 533 A1 wird das schmelzflüssige Metall im Ausguss gerührt. Auch diese Maßnahme führt nicht zu erfolgreichen Ergebnissen. In der Patentschrift DE 35 23 420 C1 wird ein Tauchausguss aus einem Grundkörper und einer Schicht im Durchlaufkanal präsentiert. Diese Schicht besteht aus porösem feinkörnigem Quarzgut, was eine geringere Wärmleitung als der Grundkörper besitzt und Einfrierungen von Ansätzen verhindern soll. Dies führt aber nicht immer zu einem Anti-Clogging; abhängig von der Gießtemperatur tauchen unterschiedliche Ergebnisse auf, der Gießkanal verjüngt sich und der metallurgische Prozess wird gestoppt. Die beiden letzten Verfahren versuchen über die „Wärmedämmung” oder über die Einführung von Energie partielle Erstarrungsphänomene an der Innenwand des Ausgusses zu entschärfen.
Im Rahmen eigener Forschungsarbeiten wurde versucht, in situ über die dielektrische Polarisierung der Innenoberflächen der Gießkanäle von Ausgüssen, die Anhaftung von metallischen und/oder nichtmetallischen Zusätzen zu unterbinden. Während dieser Versuche ist es gelungen, durch eine Spannungsbeaufschlagung bei hohen Gießtemperaturen die Sauerstoff-Ionen einer aluminiumoxidhaltigen Masse in direktem Kontakt mit der Metallschmelze auszurichten. Durch diese Ausrichtung/Polarisation wurde die Anhaftung von metallischen und/oder nichtmetallischen Zusätzen unterbunden. Bei einer entgegengesetzten Polarisation durch falsche Polung, also die Ausrichtung der Aluminium-Ionen in direktem Kontakt mit der Schmelze, wurde eine erhöhte Haftung registriert, die zu einer schnellen Schließung/Verjüngung des Gießkanals führte. In der EP 1 620 690 A2 wurde ein feuerfestes Bauteil aus Keramikmaterial beschrieben, bei dem über Elektroden ein Potential erzeugt wird, um einen Schutz gegen ein Ansetzen von Schmelzschlacke zu erreichen. Die Ankopplung einer Spannung ist aber mit einem speziellen technischen Know How verbunden und birgt die Gefahr eines kritischen Ausfalls der Anlage durch Versagen der Spannungselektroden.
Der Erfindung liegt die technische Aufgabe zugrunde, beim Vergießen von schmelzflüssigen Metallen aus metallurgischen Gefäßen an den enthalten keramischen Bauteilen, insbesondere Ausgüssen, Eintauchausgüssen und Auslaufdüsen, metallische und/oder nichtmetallische Ansätze (Clogging) zu verhindern, ohne dass zusätzliche aufwendige technologische Schritte während oder nach dem Gießprozess notwendig sind.
Erfindungsgemäß konnte überraschenderweise gefunden werden, dass Schutzschichten auf Grundkörpern von Ausgüssen auf der Basis von Verbindungen mit großen Ionenradien beim Kation und beim Anion zur erheblichen Verringerung von metallischen und/oder nichtmetallischen Ansätzen beigetragen haben. Erfindungsgemäß soll die Schicht aus temperaturfesten Verbindungen aus Kationen und Anionen mit Ionenradien größer 0,9 Ångström bestehen (1 Ångström = 0,1 nm).
Solche erfindungsgemäße Schutzschichten auf der Basis BaO, CaO, SrO, CuO, PbO, Y₂O₃, La₂O₃, CaSO₄, BaSO₄, BaTiO₃, KBr, K₂O, K₂SO₄, Ag₂O, Au₂O, MnO, BaF₂, CaF₂ oder Mischungen davon können die Anhaftung von metallischen und/oder nichtmetallischen Ansätzen erheblich reduzieren. Die positiven Ergebnisse wurden sowohl bei kohlenstoffhaltigen als auch bei kohlenstofffreien Grundkörpern mit den erfindungsgemäßen Schichten registriert. Die erfindungsgemäßen Oxide mit Antihaftbeschichtungseigenschaften können auch in feuerfesten Gießmassen zugegeben werden oder keramische Körnungen können damit beschichtet und anschließend in Gießmassen oder Pressmassen zugegeben werden.
Ionen mit kleinen Ionenradien, z. B. auf der Basis von Aluminium, landen von der Metallschmelze während eines Metallgießprozesses auf der Kanaloberfläche. Diese Ionen mit den kleinen Ionenradien aus der Metallschmelze versuchen stabile Anordnungen/Verbindungen mit Ionen von der Schutzschicht zu bilden. Es zeigte sich, dass beim Vorhandensein von Ionen mit großem Ionenradius aufgrund der hohen Temperaturen keine stabilen Anordnungen/Verbindungen geformt werden. Diese Anordnungen zerfallen bei diesen hohen Temperaturen und es entsteht keine Haftungsschicht (Clogging). Erfindungsgemäß müssen für gute Antihaftungseigenschaften Verbindungen aus Ionen mit großen Ionenradien bevorzugt werden. Diese vorteilhaften Antihaftschichten (Antihaftungsschichten) können erfindungsgemäß sowohl bei eisen- und stahlhaltigen Gießprozessen eingesetzt werden als auch bei der Nicht-Eisenmetallurgie, bei der Mühlverbrennungsindustrie, bei der Energiewirtschaft, bei der Zementindustrie und bei der Chemischen Industrie.
Bei einer porösen, wärmedämmenden Ausführung der Schutzschicht können die Anhaftungen erfindungsgemäß deutlich verringert bzw. verhindert werden.
Bei der Ausgestaltung der Erfindung ist die Schicht 1 mm bis 5 cm, vorzugsweise 2 bis 7 mm dick. Vorteilhaft enthält die Schicht oxidhaltige und/oder schwefelhaltige Verbindungen in der Korngröße bis 0,5 mm.
Erfindungsgemäß kann die Schicht auch Graphit oder andere Kohlenstoffarten beinhalten. Vorzugsweise soll der Kohlenstoffgehalt nach einem Brand oder einer Verkokung geringer als der Kohlenstoffgehalt des Grundkörpers sein.
Die Schutzschichten können erfindungsgemäß mittels Schlickergusses oder Schlickerspritzverfahren oder Flammspritzverfahren oder mit gleichzeitigem Zusammenpressen der Kohlenstoffhaltigen Masse und der Schicht erzeugt werden. Bei allen Anwendungen können kohlenstoffhaltige Bindemittel z. B. auf Harz-, oder Bitumen- oder Pech- oder synthetischer Pechbasis eingesetzt werden.
Ausführungsbeispiel
Die Erfindung soll an nachfolgendem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. Der Grundkörper des feuerfesten Ausgusses und Eintauchausgusses aus Werkstoffen auf der Basis von tonerdereichem Tonerdesilikat, Tonerde, Graphit und Harz wird nach üblichen keramischen Verfahren aus einer keramischen Mischung durch Pressen, Trocknen und Brennen hergestellt. Nach dem Brand liegt ein Werkstoff mit einer Porosität in der Größenordnung von 13 bis 20 Vol.%. vor. Es wird ein Schlicker mit ca. 70 Gew.% BaSO₄ und 20 Gew.% Wasser aufbereitet, der noch weitere organische und anorganische Zusätze wie z. B. Verflüssiger, Binder etc. beinhaltet. Der Schlicker aus BaSO₄ oder 1 Mol BaO mit 1 Mol CaO besteht aus feinkörnigem Pulver mit einem d₅₀ von ca. 2 bis 3 μm. Die Schicht wird mittels des Hohlguss-Verfahrens erzeugt, wobei der poröse Grundkörper als „poröse Form” zur Wasseraufnahme fungiert. Nach dem Trocknen wird der Körper bei ca. 1000°C gebrannt und kann direkt in den metallurgischen Gießprozess eingesetzt werden.
Für solche Komponenten konnte eine Antihaftwirkung bei metallurgischem Einsatz nachgewiesen werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 4428297 A1 [0002]
- DE 19651533 A1 [0002]
- DE 3523420 C1 [0002]
- EP 1620690 A2 [0003]

Claims

Keramische Bauteile mit Antihafteigenschaften für Hochtemperaturanwendungen, bestehend aus einem feuerfesten Grundkörper mit einer mit diesem verbundenen Schicht im Durchlaufkanal, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht aus temperaturfesten Verbindungen, zusammengesetzt aus Kationen und Anionen mit großen Ionenradien von größer 0,9 Ångström, besteht.
Keramische Bauteile nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeleitfähigkeit des feuerfesten Grundkörpers größer als die der Schicht aus temperaturfesten Verbindungen ist.
Keramische Bauteile nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht aus BaO, BaF₂, CaF₂, CaO, SrO, CuO, PbO, Y₂O₃, La₂O₃, CaSO₄, BaSO₄, BaTiO₃, KBr, K₂O, K₂SO₄, Ag₂O, Au₂O, MnO, SrSO₄ oder Mischungen davon besteht.
Keramische Bauteile nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht Graphit oder andere Kohlenstoffarten beinhaltet.
Keramische Bauteile nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kohlenstoffgehalt der Schicht nach einem Brand oder einer Verkokung geringer als der Kohlenstoffgehalt des Grundkörpers ist.