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Die Erfindung betrifft ein Feuerfestbauteil zum Auskleiden eines metallurgischen Gefäßes, welches zumindest teilweise aus einem hitzebeständigen Material gefertigt ist. Das Feuerfestbauteil weist zumindest eine Trägerschicht und zumindest eine darüber liegende Deckschicht auf. Die Erfindung betrifft ferner ein metallurgisches Gefäß, insbesondere ein Ofengefäß für einen Lichtbogenofen (electric arc furnace), mit einem derartigen Feuerfestbauteil.
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Derartige Feuerfestbauteile sind allgemein aus dem Stand der Technik bekannt und typischer Weise als Wandpaneele oder dergleichen ausgeführt. Solche Feuerfestbauteile bestehen zumindest teilweise aus einem hitzebeständigen Material, insbesondere aus einer geeigneten Keramik und sind zum innenseitigen Auskleiden von metallurgischen Gefäßen, wie beispielsweise Ofengefäßen vorgesehen. So ist beispielsweise bei Lichtbogenöfen bekannt, die Ofenwand oberhalb des Stahlbades am sogenannten Obergefäß mit wassergekühlten Wandpaneelen auszukleiden, die mit einem Feuerfestmaterial beschichtet sind. Diese als Wandpaneele ausgeführten wasserführenden Feuerfestbauteile entziehen dem Lichtbogenofen während der Stahlherstellung Wärmeenergie, welche zum Einschmelzen von Schrott vornehmlich in Form von elektrischer Energie über Elektroden aber auch in Form von fossiler und chemischer Energie über Lanzen zugeführt wird.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Feuerfestbauteil zum Auskleiden eines metallurgischen Gefäßes anzugeben, welches sicherstellt, dass die dem metallurgischen Gefäß entzogene Wärmeenergie bei dessen Verwendung reduziert ist.
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Ferner ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein metallurgisches Gefäß anzugeben, dessen Effizienz gesteigert ist.
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Die erstgenannte Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Feuerfestbauteil der eingangs genannten Art mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruches 1.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Bei einem Feuerfestbauteil zum Auskleiden eines metallurgischen Gefäßes, welches zumindest teilweise aus einem hitzebeständigen Material gefertigt ist und zumindest eine Trägerschicht und zumindest eine darüber liegende Deckschicht aufweist, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Deckschicht eine Vielzahl von Partikeln enthält, welche für elektromagnetische Wellen zumindest eines im Infrarot liegenden Wellenlängenbereichs reflektierend sind. Bei derartig ausgebildeten Feuerfestbauteilen ist somit ein durch Wärmeeinstrahlung verursachter Wärmeeintrag reduziert. Dadurch wird auf vorteilhafte Weise einer Materialermüdung entgegengewirkt, welche durch thermische Beanspruchung verursacht ist. Metallurgischen Gefäße, die innenseitig zumindest abschnittsweise von derartigen Feuerfestbauteilen ausgekleidet sind, weisen somit eine verbesserte Isolierung auf. Entsprechend wird einem in dem metallurgischen Gefäß stattfindender metallurgischer Prozess weniger Wärmeenergie entzogen, als bei Ofengefäßen herkömmlicher Bauart.
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Gemäß bevorzugter Ausführungsformen ist das Feuerfestbauteil zum Auskleiden eines Ofengefäßes, insbesondere eines Oberoder Untergefäßes eines Lichtbodenofens ausgebildet. Der metallurgische Prozess betrifft demensprechend gemäß möglicher Ausführungsbeispiele das Einschmelzen von Schrott zur Stahlherstellung.
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Die Partikel sind in der Deckschicht des Feuerfestbauteils eingebracht, welche in Richtung des Ofeninneren angeordnet ist. Die Deckschicht steht daher insbesondere bei der Stahlherstellung in Kontakt mit einer das metallurgische Gefäß enthaltende Schmelze. Eine derartige Anordnung ermöglicht die frühzeitige Reflexion eines Großteils der ankommenden Wärmestrahlung, so dass das Material des Feuerfestbauteils einer geringeren thermischen Belastung ausgesetzt ist und somit geschont wird.
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Gemäß bevorzugten Ausführungsbeispielen sind die Partikel Nano-Partikel mit einem Durchmesser von weniger als 150 nm, insbesondere weniger als 30 nm.
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In einem möglichen Ausführungsbeispiel beträgt der Durchmesser der Partikel zwischen 5 und 10 nm.
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Die Partikel bestehen zumindest teilweise aus Materialien, welche für zumindest einen Teilbereich des im Infrarot liegenden elektromagnetischen Spektrums reflektierend sind. Derartige Partikel bestehen beispielsweise zumindest teilweise aus einem Glimmer, aus Metallpulverpigmenten, aus einer metallischen Halbleiterverbindung, aus einem Metalloxid, aus einem Metallzinkoxid und/oder aus einem Metallzinnoxid.
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Vorzugsweise werden dotierte Halbleitermaterialien eingesetzt, deren optische Eigenschaften für die Reflexion von Wärmestrahlung optimiert sind.
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Gemäß konkreter Ausführungsformen bestehen die Partikel zumindest teilweise aus Aluminium, Aluminiumoxid, Titandioxid, Indiumzinnoxid, Zinnoxid und/oder Zinkoxid. Insbesondere bestehen die Partikel aus aluminiumdotiertem Zinnoxid und/oder Zinkoxid.
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Da verschiedene geeignete Materialen im Infraroten typischerweise leicht unterschiedliche Reflexionsverhalten aufweisen, hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen, Mischungen unterschiedlicher Materialien als Partikel in die Deckschicht einzubringen. Dadurch ergänzen sich die Reflexionsverhalten der verschiedenen Materialien derart vorteilhaft, dass eine Reflexion von Wärmestrahlung beispielsweise in einem besonders großen Wellenlängenbereich sichergestellt werden kann.
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Die Partikel sind gemäß bevorzugter Ausführungsformen von zumindest teilkristalliner Struktur. In einem anderen Ausführungsbeispiel sind die Partikel Einkristalle. In jedem Fall hat es sich als vorteilhaft erwiesen, Partikel mit orthorhombischer oder tetragonaler Kristallstruktur vorzusehen. In Ausführungsbeispielen, die aus Titandioxid bestehende Partikel umfassen, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn diese Partikel von Anatas-, Brookit- und/oder Rutilkristallen gebildet sind.
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Bevorzugt ist zumindest ein Kühlkanal zur Führung eines Kühlmediums in dem feuerfesten Bauteil eingebracht. Der Kühlkanal verläuft beispielsweise in der Trägerschicht, welches im Wesentlichen die Form, Struktur und Stabilität des Feuerfestbauteils vorgibt. Auf dieser Trägerschicht ist die Deckschicht mittels eines Gussverfahrens aufgebracht. Beim Auskleiden des metallurgischen Gefäßes mit Feuerfestbauteilen werden die einzelnen Kühlkanäle derart miteinander verbunden, dass eine geschlossene Kühlkanalstruktur gebildet ist, durch die ein Kühlmittel, insbesondere Wasser, geführt werden kann. Eine derartige Ausführung stellt eine hinreichende Kühlung bzw. mechanische Stabilität des metallurgischen Gefäßes während des Betriebs sicher. Da die Kühlkanalstruktur von der die reflektierende Partikel enthaltende Deckschicht in Richtung des Ofeninneren überdeckt ist, wird dem metallurgischen Gefäß nur relativ wenig Wärmeenergie durch das durchströmende Kühlmittel entzogen. Dies führt dazu, dass der Wärmeverlust minimiert und somit die Effizienz des so ausgebildeten metallurgischen Gefäßes erhöht ist. Die Reduzierung der Energieverluste beschleunigt den Schmelzvorgang und kann daher in vorteilhafter Weise dazu genutzt werden, die Zeit zwischen aufeinander folgende Abstiche (Tap to Tap) zu verkürzen.
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In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung weist die Trägerschicht eine Vielzahl von in die Deckschicht ragenden Vorsprüngen auf. Eine derartige Ausbildung stellt eine hochwertige mechanische Verbindung der Deckschicht mit der Trägerschicht auch bei hoher thermischer Belastung sicher.
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Die zweitgenannte Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch das metallurgische Gefäß der eingangs genannten Art mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruches 10.
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Das metallurgische Gefäß, insbesondere das Ofengefäß des Lichtbogenofens, ist innenseitig zumindest abschnittsweise von einer Mehrzahl von vorstehend beschriebenen Feuerfestbauteilen ausgekleidet. Das metallurgische Gefäß zeichnet sich durch eine hinreichend gute mechanische Stabilität bei hohen Temperaturen aus und durch eine verbesserte Isolierung aus, welche von den in die Deckschicht eingebrachten Partikeln verursacht ist. Bei Betrieb des metallurgischen Gefäßes werden so Energieverluste minimiert, da weniger Wärme durch das Kühlmittel abgeführt wird, das durch die Kühlkanalstruktur der einzelnen und miteinander verbundenen Kühlkanäle strömt. Die Reduzierung der Energieverluste führt entsprechend zu einer Effizienzsteigerung, so dass die Zeit zwischen zwei aufeinander folgenden Abstichen insbesondere bei Lichtbogenöfen betreffende Ausführungsbeispiele minimiert ist.
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Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden.
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Für eine weitere Beschreibung der Erfindung wird auf die Ausführungsbeispiele der Zeichnungen verwiesen. Es zeigt in einer schematischen Prinzipskizze:
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1 Ein Feuerfestbauteil zum Auskleiden eines metallurgischen Gefäßes in einer schematischen Schnittdarstellung.
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1 zeigt ein Feuerfestbauteil 1 gemäß einem möglichen Ausführungsbeispiel der Erfindung, welches einen Abschnitt eines metallurgischen Gefäßes 7 innenseitig auskleidet. Das beispielhaft dargestellte metallurgische Gefäß 7 ist ein Ofengefäß eines Lichtbogenofens. Das Feuerfestbauteil 1 ist somit entsprechend einem Wandpaneel ausgeführt und umfasst eine Trägerschicht 2, welche im Wesentlichen die Stabilität und Struktur des Feuerfestbauteils 1 vorgibt. Auf der Trägerschicht 2 ist eine Deckschicht 3 angeordnet, in dessen Matrix eine Mehrzahl von Partikeln 4 eingebracht ist. Die Größe der eingebrachten Partikel liegt im Nanometerbereich, die in der schematischen 1 stark vergrößerte Darstellung dient lediglich zur besseren Illustration.
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Sowohl die Trägerschicht 2 als auch die Deckschicht 3 bestehen aus hitzebeständigen Keramikmaterialien, welche zum Einsatz in derartigen metallurgischen Gefäßen 7, insbesondere in Ofengefäßen, geeignet sind. Zur besseren mechanischen Verbindung mit der Deckschicht 3 weist die Trägerschicht 2 eine Vielzahl von Vorsprüngen 8 auf, die in das Material der Deckschicht 3 hinein ragen.
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Die Partikel 4 weisen einen Durchmesser auf, der zwischen 5 und 10 nm liegt. Die Partikel 4 bestehen aus einem Material, das für einen im Infrarot liegenden Wellenlängenbereich reflektierend ist. Damit wird erreicht, dass eine aus dem Ofeninneren einstrahlende Wärmestrahlung 5, welche in der schematischen Darstellung der 1 durch Pfeile angedeutet ist, reflektiert wird.
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In dem Feuerfestbauteil 1 sind ferner Kühlkanäle 6 eingebracht, welche im montierten Zustand eine geschlossene Kühlkanalstruktur bilden. Beim Einsatz des metallurgischen Gefäßes 7 insbesondere zur Stahlherstellung ist in dieser Kühlkanalstruktur ein Kühlmedium, insbesondere Wasser, geführt, um die Kühlung und mechanische Stabilität des metallurgischen Gefäßes 7 sicherzustellen. Die reflektierenden Partikel 4 der Deckschicht 3 bewirken, dass der Wärmeeintrag auf das Kühlmedium vermindert ist und somit die während des Betriebs auftretenden Wärmeverluste reduziert sind.
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Gemäß alternativer Ausführungsbeispiele bestehen die Partikel ganz oder teilweise aus einem Glimmer, aus Metallpulverpigmenten, aus metallischen Halbleiterverbindungen, aus Metalloxiden, aus Metallzinkoxiden und/oder Metallzinnoxiden. Insbesondere können die Partikel ganz oder teilweise aus Aluminium, Aluminiumoxid, Titandioxid, Indiumzinnoxid, Zinnoxid und/oder Zinkoxid bestehen. Die verwendeten Materialien können dotiert oder undotiert sein. In anderen alternativen Ausführungsbeispielen werden Mischungen von verschiedenen Partikeln verwendet, die aus unterschiedlichen Materialien bestehen.
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Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch das in der Figur gezeigte Ausführungsbeispiel eingeschränkt. Andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
