DE102013110755A1 - Carbonaceous or carbon-bonded refractory products with a hybrid glaze system and process for their preparation - Google Patents
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Abstract
Gepresste oder gegossene kohlenstoffhaltige bzw. kohlenstoffgebundene Feuerfesterzeugnisse auf Oxidbasis mit mindestens 5 Gew.-% eines feuerfesten Oxides, die aus einem Gemisch von kohlenstoffhaltigen Bindemitteln, zusätzlichen Kohlenstoffträgern mit einem hohen Kohlenstoffgehalt und weiteren Oxiden und/oder Nicht-Oxiden bestehen und mit einer vor Oxydation schützenden Oberflächenglasur versehen sind, gekennzeichnet dadurch, dass in den Pressmassen zusätzlich 1 bis 20 Gew.-% feingepulverte Metalle oder Legierungen auf Siliziumbasis, 1 bis 10 Gew.-% feingemahlene Flussmittel und 1 bis 20 Gew.-% feines Siliziumdioxid enthalten sind und zusätzlich nach dem Verkoken eine Außenglasur aufgetragen wird.Pressed or cast carbonaceous oxide-based refractory products containing at least 5% by weight of a refractory oxide consisting of a mixture of carbonaceous binders, additional carbonaceous supports having a high carbon content and other oxides and / or non-oxides, and having an oxidation protective surface glaze, characterized in that in the molding compositions additionally 1 to 20 wt .-% finely powdered metals or alloys based on silicon, 1 to 10 wt .-% finely ground flux and 1 to 20 wt .-% of fine silica are included and in addition after coking an outer glaze is applied.
Description
Die Erfindung betrifft gepresste, kohlenstoffhaltige bzw. kohlenstoffgebundene Feuerfesterzeugnisse und ein Verfahren zu ihrer Herstellung. Die erfindungsgemäßen Feuerfesterzeugnisse finden z. B. Anwendung als Monoblocstopfen, Eintauchausgüsse sowie Pfannenverteilerrohre, die beim Vergießen von Metallen verwendet werden, insbesondere beim Vergießen vom Metallen oder Schlacken. Darüber hinaus können solche erfindungsgemäße, kohlenstoffhaltige bzw. kohlenstoffgebundenen Erzeugnisse als Gehäuse bei Porenbrennern, in porösen Strukturen z. B. als Flammsperren oder als Wärmetauscher eingesetzt werden.The invention relates to pressed, carbonaceous or carbon-bonded refractory products and to a method for their production. The refractory products according to the invention find z. As application as Monoblocstopfen, immersion spouts and ladle manifolds that are used in the casting of metals, especially when casting the metals or slags. In addition, such inventive carbonaceous or carbon-bonded products as a housing in pore burners, in porous structures z. B. can be used as flame arresters or heat exchangers.
Feuerfesterzeugnisse der Werkstoffgruppe Al2O3-C sind als Funktionalprodukte bei der Stahlherstellung weitverbreitet. Bauteile wie Monoblocstopfen, Eintauchausgüsse und Pfannenverteilerrohre finden vor allem in der Stahlindustrie beim Strangguss Einsatz. Durch die Kombination von Aluminiumoxid und Graphit werden einige hervorragende Eigenschaften erzielt, wie Korrosionsbeständigkeit, Temperaturwechselbeständigkeit, Erosionsbeständigkeit, mechanische und thermomechanische Festigkeit, sowie geringe Benetzung und Infiltration von Schlacken und Stahlschmelzen. Der wichtigste Nachteil dieser Feuerfestprodukte ist die geringe Oxidationsbeständigkeit aufgrund des Kohlenstoffgehaltes. Während der Kohlenstoffbinder schon ab 300–400°C oxidiert, beginnt das Ausbrennen des Graphits erst bei ca. 600°C. Die Oxidation des Kohlenstoffes kann von einer Verschlechterung der Eigenschaften der feuerfesten Werkstoffe bis zum Versagen führen, was nicht nur gesundheitliche sondern auch wirtschaftliche Gefahren verursachen kann.Refractory products of the material group Al 2 O 3 -C are widely used as functional products in steelmaking. Components such as monobloc plugs, immersion nozzles and ladle manifolds are used primarily in the steel industry for continuous casting. The combination of alumina and graphite achieves some excellent properties, such as corrosion resistance, thermal shock resistance, erosion resistance, mechanical and thermomechanical strength, as well as low wetting and infiltration of slags and molten steel. The main disadvantage of these refractory products is the low oxidation resistance due to the carbon content. While the carbon binder oxidizes at temperatures as high as 300-400 ° C, the burnout of the graphite does not begin until around 600 ° C. The oxidation of the carbon can lead to a deterioration of the properties of the refractory materials to failure, which can cause not only health but also economic dangers.
Um diese Beeinträchtigung zu vermindern, werden nach dem Stand der Technik hauptsächlich zwei Maßnahmen vorgenommen. Um den Kohlenstoff vor Oxidation zu schützen, werden unterschiedliche Antioxidationsmittel eingesetzt, insbesondere feinkörnige Pulver aus leicht oxidierbaren Metallen wie Silizium, Aluminium, Magnesium, Mangan und andere sowie deren Kombinationen. Bei der Zugabe von leicht oxidierbaren Metallen wird der Kohlenstoff vor Oxidation geschützt. Beim Sauerstoffangriff reagieren die Metalle mit dem Sauerstoff und bilden eine Schützschicht aus den jeweiligen Metalloxiden. Dadurch wird die Oxidation des Kohlenstoffes verhindert. Außerdem, reagieren diese Metalle mit dem Kohlenstoff und bilden metallische Karbide und/oder Nitride, die zu einer Verstärkung der Feuerfesterzeugnisse führen und deren thermomechanische Eigenschaften verbessern. Die Zugabe von leicht oxidierbaren Metallen hat also eine Doppelfunktion. Zum einem wird die Oxidation des Kohlenstoffes verhindert, indem die Metalle anstatt vom Kohlenstoff mit dem Sauerstoff reagieren, und zum anderem reagieren die Metalle selber mit dem Kohlenstoff, bilden Karbide und/oder Nitride und verfestigen und verbessern die Eigenschaften der feuerfesten Funktionalbauteile. Nichtsdestotrotz, ist diese Maßnahme kein direkter Oxidationsschutz im Sinne, dass die Oxidation des Kohlenstoffes nicht vollständig verhindert wird, sondern die Geschwindigkeit der Oxidation des Kohlenstoffs wird verringert. Die Oxidationsrate des Kohlenstoffs wird herabgesetzt. Ein derartiges Selbstglasursystem ist in der
Die zweite Maßnahme besteht darin, die Oberfläche der Erzeugnisse mit möglichst dichten Überzügen, z. B. einer Glasur, zu versehen. Die Anforderungen an diese Überzüge und der Aufwand der Beschichtung der Feuerfesterzeugnisse sind hoch. Erstens sollen die Überzüge einen möglichst breiten Erweichungsbereich aufweisen, damit der Kohlenstoff bei diesem breiten Temperaturbereich erfolgreich vor Oxidation geschützt werden kann. Im Idealfall betrifft dieser Bereich Temperaturen von 300°C bis hin zu 1600°C. Des Weiteren müssen die Überzüge möglichst dicht sein, damit der Sauerstoffzutritt auf dem Kohlenstoff ausgeschlossen werden kann. Dabei sind also möglichst fehlerfreie Überzüge erforderlich, die keine Risse, Abplatzungen, Nadelstiche und sonstige Fehler beinhalten. Was die Auftragsmethoden betrifft, so sind mehrere Verfahren bekannt, die in den letzten Jahrzehnten entwickelt wurden. Verfahren wie Eintauchen, Aufspritzen und Anstreichen können hier als Beispiele genannt werden. Bei der meistverbreiteten Methode, die auch möglicherweise den geringsten Aufwand aufweist, werden die feuerfesten Funktionalprodukte in eine wässrige Suspension des Überzuges eingetaucht.The second measure is to coat the surface of the products with coatings that are as dense as possible. As a glaze to provide. The requirements for these coatings and the cost of coating the refractory products are high. First, the coatings should have as broad a softening range as possible so that the carbon can be successfully protected from oxidation at this broad temperature range. Ideally, this range covers temperatures from 300 ° C up to 1600 ° C. Furthermore, the coatings must be as dense as possible, so that the access of oxygen on the carbon can be excluded. Thus, as accurate as possible coatings are required, which do not include cracks, flaking, pinholes and other errors. As for the methods of application, several methods are known that have been developed in recent decades. Methods such as dipping, spraying and painting can be mentioned here as examples. In the most widely used method, which may also have the least expense, the refractory functional products are immersed in an aqueous suspension of the coating.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, kohlenstoffhaltige bzw. kohlenstoffgebundene Feuerfesterzeugnisse mit einem Hybridglasursystem aus einer Selbstglasur und einer Außenglasur zu entwickeln, welches eine dauerhafte Oxydationsschutzschicht an der Oberfläche bereitstellt und die im Falle einer Beschädigung der Glasur an der Oberfläche zur einer Selbstheilung der Außenglasur führt. Darüber hinaus führt das Hybridglasursystem zu einer Versiegelung der offenen Porosität an der Oberfläche und im Inneren des kohlenstoffhaltigen bzw. kohlenstoffgebundenen Erzeugnisses. Im Falle eines Tauchausgusses wird damit keine Luft während des Gießvorgangs eingesaugt. Clogging-Phänomene im Sinne von Anhaftungen von Oxiden im Inneren des Tauchausgusses werden unterdrückt.The invention has for its object to develop carbonaceous or carbon-bonded refractory products with a hybrid glaze system of a self-glaze and an outer glaze, which provides a durable oxidation protection layer on the surface and in the event of damage to the glaze on the surface leads to a self-healing of the outer glaze. Moreover, the hybrid glaze system results in sealing of the open porosity at the surface and in the interior of the carbonaceous product. In the case of a diving spout so that no air is sucked in during the casting process. Clogging phenomena in the sense of adhesion of oxides inside the immersion nozzle are suppressed.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass z. B. in den bekannten Pressmassen auf Aluminiumoxidbasis mit mindestens 5 Masse-% Aluminiumoxid zusätzlich 1 bis 20 Masse-% feingepulverte Metalle oder Legierungen auf Siliziumbasis, 1 bis 10 Masse-% feingemahlene Flussmittel und 1 bis 20 Masse-% feines Siliziumdioxid enthalten sind und an der Oberfläche der aus dieser Pressmasse hergestellten Feuerfesterzeugnisse zusätzlich eine Außenglasur angeboten wird. Besonders vorteilhaft sind Pressmassen, die aus 50 bis 60 Gew.-% Aluminiumoxid und/oder MgO und/oder ZrO2 und/oder MgAl2O4, 10–30 Gew.-% Kohlenstoffträgern mit einem hohem Kohlenstoffgehalt, 4–12 Gew.-% kohlenstoffhaltigen Bindemitteln, 2–7 Gew.-% feingepulverten Metallen oder Legierungen auf Siliziumbasis, 1–4 Gew.-% feingemahlenen Flussmitteln und 2 bis 7 Gew.-% feinem Siliziumdioxid bestehen. Als feingepulverte Metalle oder Legierungen auf Siliziumbasis sind Si und/oder FeSi und/oder SiMn besonders geeignet. Als feingemahlene Flussmittel sind Natrium- und/oder Kaliumwasserglas und/oder verschiedene Fritten und/oder Bortrioxid und/oder Natriumtetraborat und/oder Borsäure und/oder Feldspat enthalten enthalten. Das feine Siliziumdioxid ist in Form von Kieselglas und/oder Quarzglas und/oder Silica im Versatz enthalten. In der Tab. 1 werden am Beispiel 1 eines Tauchausgusses das Hybridglasursystem demonstriert bestehend erfindungsgemäß aus Additiven in der Pressmasse für die Gestaltung einer Selbstglasur und zusätzlich einer extern aufgetragenen Glasur mit Fritte.
Die erfindungsgemäßen Feuerfesterzeugnisse werden hergestellt, indem die Ausgangsstoffe homogen vermischt, die Pressmassen bei Drücken zwischen 50 und 200 MPa zu Formkörpern verpresst, die Formkörper bei Temperaturen von 600 bis 1500°C in reduzierender bzw. Inertgas-Atmosphäre verkokt werden und die so mit bekannten Verfahren erhaltenen abgekühlten Formkörper nachträglich mit einer Heizrate von 5 bis 40 K/min in Luftatmosphäre auf Temperaturen zwischen 1000 und 1500°C erhitzt werden. Erfindungsgemäß kann als Formgebungsverfahren auch die Gießformgebung dienen. Zur Heilung der Außenglasur im Falle einer Schädigung mit Hilfe der erfindungsgemäß eingebrachten Additiven in der Pressmasse zur Gestaltung einer Selbstglasur ist ein erfindungsgemäßes Porennetzwerk erforderlich, welches einen mittleren Porendurchmesser in dem kohlenstoffgebundenen bzw. kohlenstoffhaltigen Erzeugnis in der Größenordnung von 200 bis 900 nm aufweist.The refractory products according to the invention are prepared by homogeneously mixing the starting materials, compacting the molding compositions at pressures of between 50 and 200 MPa to give moldings, moldings are coked at temperatures of 600 to 1500 ° C in reducing or inert gas atmosphere and so by known methods obtained cooled moldings are subsequently heated at a heating rate of 5 to 40 K / min in air atmosphere to temperatures between 1000 and 1500 ° C. According to the invention can serve as a molding process, the casting. To heal the outer glaze in the event of damage by means of the inventively introduced additives in the molding compound to form a self-glaze, a pore network according to the invention is required, which has an average pore diameter in the carbonaceous product in the order of 200 to 900 nm.
Es folgen weitere Beispiele.Further examples follow.
Beispiel 2Example 2
Es werden kohlenstoffgebundene Feuerfesterzeugnisse auf Aluminiumoxidbasis hergestellt, die beim Vergießen von Stahl verwendet werden. Für die Herstellung der Al2O3-C Funktionalprodukten werden handelsübliche Fraktionen von Aluminiumoxid und Graphit eingesetzt. Die Zusammensetzung des Versatzes ist wie folgend:
Dem Versatz werden folgende Komponenten in feiner Pulverform während des Mischvorganges hinzugegeben:
Nach der Mischung aller Komponenten werden gemäß der kommerziellen Praxis die Feuerfesterzeugnisse kalt-isostatisch gepresst und anschließend in reduzierender Atmosphäre verkokt. Anschließend wird eine Außenglasur gemäß Tab. 1 aufgetragen.After mixing all the components, the refractory products are cold isostatically pressed according to commercial practice and then coked in a reducing atmosphere. Subsequently, an outer glaze according to Tab. 1 is applied.
Für die Erzeugung des Hybridglasursystems werden die Al2O3-C Funktionalprodukte einer speziellen thermischen Behandlung unterzogen. Dabei werden die Erzeugnisse auf 1300°C in Luft mit einer Heizrate von ca. 20 K/min aufgeheizt und für 5 Stunden bei dieser Temperatur gehalten.For the production of the hybrid glaze system, the Al 2 O 3 -C functional products are subjected to a special thermal treatment. The products are heated to 1300 ° C in air at a heating rate of about 20 K / min and held at this temperature for 5 hours.
Beispiel 3:Example 3:
Es werden kohlenstoffgebundene Feuerfesterzeugnisse auf Aluminiumoxidbasis hergestellt, die beim Vergießen von Stahl verwendet werden. Für die Herstellung der Al2O3-C Funktionalprodukten werden handelsübliche Fraktionen von Aluminiumoxid und Graphit eingesetzt. Die Zusammensetzung des Versatzes ist wie folgend:
Dem Versatz werden folgende Komponenten in feiner Pulverform während des Mischvorganges hinzugegeben:
Nach der Mischung aller Komponenten werden gemäß der kommerziellen Praxis die Feuerfesterzeugnisse kalt-isostatisch gepresst un in reduzierender Atmosphäre verkokt. Anschließend wird eine Außenglasur gemäß Tab. 1 aufgetragen.After the mixture of all components, according to commercial practice, the refractory products are cold-isostatically pressed and coked in a reducing atmosphere. Subsequently, an outer glaze according to Tab. 1 is applied.
Für die Erzeugung des Hybridglasursystems werden die Al2O3-C Funktionalprodukte einer speziellen thermischen Behandlung unterzogen. Dabei werden die Erzeugnisse auf 1300°C mit einer Heizrate von 30 K/min aufgeheizt. Nach dem Abkühlen der Al2O3-C Werkstoffe können diese eingesetzt werden.For the production of the hybrid glaze system, the Al 2 O 3 -C functional products are subjected to a special thermal treatment. The products are heated to 1300 ° C at a heating rate of 30 K / min. After cooling the Al 2 O 3 -C materials, these can be used.
Beispiel 4Example 4
Es werden kohlenstoffgebundene Feuerfesterzeugnisse auf Aluminiumoxidbasis hergestellt, die beim Vergießen von Stahl verwendet werden. Für die Herstellung der Al2O3-C Funktionalprodukten werden handelsübliche Fraktionen von Korund und Graphit eingesetzt. Die Zusammensetzung des Versatzes ist wie folgend:
Dem Versatz werden folgende Komponenten in feiner Pulverform während des Mischvorganges hinzugegeben:
Nach der Mischung aller Komponenten werden gemäß der kommerziellen Praxis die Feuerfesterzeugnisse kaltisostatisch mit einem Pressdruck von 100 MPa gepresst und anschließend in reduzierender Atmosphäre bei 1400°C verkokt. Anschließend wird eine Außenglasur gemäß Tab. 1 aufgetragen. Für die Erzeugung der Hybridglasursystems werden die Al2O3-C Funktionalprodukte einer speziellen thermischen Behandlung unterzogen. Dabei werden die Erzeugnisse auf 1300°C mit einer Heizrate von 20 K/min in einer Luftatmosphäre aufgeheizt und 5 Stunden lang bei dieser Temperatur wärmebehandelt.After the mixture of all components, according to commercial practice, the refractory products are cold isostatically pressed with a pressure of 100 MPa and then coked in a reducing atmosphere at 1400 ° C. Subsequently, an outer glaze according to Tab. 1 is applied. For the production of the hybrid glaze system, the Al 2 O 3 -C functional products are subjected to a special thermal treatment. The products are heated to 1300 ° C at a heating rate of 20 K / min in an air atmosphere and heat treated at this temperature for 5 hours.
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