DE102022001271A1 - Werkstoffverbund aus dichter Innen- und Außenschale mit porösen Zwischenräumen für Bauteile in der Metallurgie, in der chemischen Industrie, in der Energietechnik, im Ofenbau und in der Zementindustrie - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen Werkstoffverbund für die Herstellung von Korrosions- und thermoschockbeständigen 3D-gedruckten Bauteilen bestehend aus mindestens einer Innenschale, einer Außenschale und aus einem porösen Zwischenraum, welcher mit Innenwänden versehen ist; dabei verbinden die Innenwände des porösen Zwischenraums die Innenschale mit der Außenschale.
Description
- Die Erfindung betrifft einen Werkstoffverbund mit verbesserten Thermoschock- und Korrosionseigenschaften bestehend aus einer dichten (keine offene Porosität) feinkörnigen Innen- und Außenschale mit einem porösen Zwischenraum für den Einsatz bei hohen Temperaturen, beispielhaft in Anwendungen in der Metallurgie, in der chemischen Industrie, in der Energietechnik, im Ofenbau oder in der Zementindustrie.
- Viele Keramiken, z. B. Aluminiumoxid, besitzen sehr gute a) chemische Eigenschaften in korrosiven Medien (u.a. in zahlreichen metallurgischen und chemischen Prozessen auch unter Wasserstoff/Wasserdampfbedingungen), b) sind oxidationsbeständig (wenn diese z. B. kohlenstofffrei sind), c) zeigen keine negativen Clogging-Eigenschaften (Verjüngung der Gießquerschnitte infolge einer Aluminiumoxidansatzbildung bei Ausgussdüsen und Tauchausgüssen durch die Wechselwirkung von Kohlenstoff/Oxidkeramik in Kontakt mit metallischen Schmelzen) und d) besitzen bei einer hohen Reinheit (SiO2-, TiO2-, Na-frei) eine sehr gute Kriechbeständigkeit mit einem hohen Druckerweichungspunkt. Allerdings weisen solche kohlenstofffreien Werkstoffe eine geringe Thermoschockbeständigkeit auf.
- In
DE 10 2008 011 820 A1 wird das Druckschlickergussverfahren von Feuerfestkeramiken auf der Basis von Feinkeramiken mit einer Korngröße kleiner 150 µm und Grobkeramiken mit einer Korngröße größer 150 µm offenbart. -
DE 103 54 260 A1 offenbart einen kohlenstofffreien, chromoxidfreien feuerfesten Stein, aufgebaut aus einem grobkörnigen feuerfesten Metalloxid, einem mittelkörnigen feuerfesten Metalloxid, einem feinkörnigen feuerfesten Metalloxid, einer feuerfesten borhaltigen Komponente und Zusatzstoffen. Das grobkörnige Metalloxid der Kornfraktion 1 bis 3 mm liegt in Mengen von 15 bis 85 Gew.-% vor. Als Metalloxide werden Sinter-, Schmelzmagnesia, Sinter-, Schmelzspinell, Sinterdolomit, Sinterkalk oder Forsterit oder Kombinationen dieser Metalloxide verwendet. -
DE 10 2012 003 483 83 -
EP 2 168 935 A1 offenbart eine Materialzusammensetzung zur Herstellung eines Feuerfestwerkstoffs mit einem Feinkornanteil mit Korngrößen unter 100 µm und einen Grobkornanteil mit Korngrößen über 100 µm. Der Grobkornanteil macht einen Gewichtsanteil von mehr als 30 % der Materialzusammensetzung aus und umfasst Brechgranulat auf Aluminiumoxidbasis und/oder Hohlkugelstrukturen auf Aluminiumoxidbasis. -
EP 1 260 289 A1 offenbart einen porösen Spülstein zur Einleitung von Spülgas in eine Metallschmelze, wobei der poröse Spülstein aus Magnesia und Magnesia-Alumina-Spinell besteht und 10 bis 15 Gew.-% der Magnesia mit einer Korngröße von 0,5 bis 2 mm vorliegen. -
WO 2018/087224 A1 offenbart einen Verbundwerkstoff und Verfahren aus Metall und Keramik oder MAX-Phasen bzw. intermetallische Phasen, welche als Auskleidungsmaterialien für Hochtemperaturaggregate, makrorissfreie großformatige Bauteile z. B. als Auslaufdüsen, Stopfen, Gießrinnen, Schieberplatten, Hitzeschilder, Elektroden für die Metallurgie mit einer offenen Porosität von bis zu 20 % hergestellt werden. Allerdings sind diese metallokeramischen, thermoschockbeständigen Verbundwerkstoffe in Kontakt mit aggressiven Metall- oder Metall/Schlacke-Systemen nicht korrosionsbeständig. - Erfindungsgemäß werden mit Hilfe von 3D-Druckverfahren Schicht auf Schicht Bauteile generiert, welche eine feinkörnige Innen- und Außenschale besitzen und einen porösen Zwischenraum, welcher gezielt mit Innenwänden versehen ist, die die Innen- und Außenschale verbinden.
- Erfindungsgemäß führt die gezielte Entbinderung des 3D gedruckten Bauteils zu einer geschlossenen Porosität zwischen den Schichten beim Schichtaufbau des 3D-gefertigten Werkstoffverbundes, welche die Thermoschockbeständigkeit erhöht.
- Erfindungsgemäß führen die filigranen, dünnwandigen Innen- und Außenschalen vernetzt mit den filigranen und dünnwandigen Innenwänden zu einer Erhöhung der Thermoschockbeständigkeit.
- Erfindungsgemäß werden 3D-FFF-Verfahren (Fused Filament Fabrication) oder 3D-SLS-Verfahren (Selective Laser Sintering) oder Binder Jetting Verfahren oder 3D Verfahren der bildsamen Formgebung, Extrusion für die Herstellung der erfindungsgemäßen Bauteile für Anwendungen in der Metallurgie, in der chemischen Industrie, in der Energietechnik, im Ofenbau oder in der Zementindustrie eingesetzt.
- Erfindungsgemäß liegen die Wandstärken der Innenschale zwischen 0,1 bis 15 mm, der Außenschale zwischen 0,1 bis 15 mm und die Wandstärken der Innenwände zwischen 0,1 bis 15 mm. Erfindungsgemäß werden Wandstärken für die Innenschale zwischen 0,1 bis 5 mm, für die Außenschale zwischen 0,1 bis 5 mm und für die Wandstärken der Innenwände zwischen 0,1 bis 5 mm bevorzugt. Erfindungsgemäß sollen für die Wandstärken der Innenwände die Hälfte der Wandstärken der Innen- oder Außenschalen bevorzugt.
- Erfindungsgemäß kann der Werkstoffverbund aus mehreren, z. B. aus mehr als eine Innen- oder Außenschale bestehen.
- Erfindungsgemäß dienen für die Gestaltung der Innen- und Außenschale der Werkstoffverbunde Pulver oder Granulate kleiner 500 µm bevorzugt kleiner 100 µm auf der Basis von Oxiden oder Nicht-Oxiden, wie z.B. aus SiO2, Al2O3, ZrO2, Cr2O3, MgO, MgAl2O4, La2O3, TiO2, CaO, BaO, Y2O3, SiC, B4C, ZrB2, Si3N4, AlN oder aus Mischungen davon.
- Erfindungsgemäß dienen für die Gestaltung der Innenwände der Werkstoffverbunde Pulver oder Granulate kleiner 500 µm bevorzugt kleiner 100 µm auf der Basis von Oxiden oder Nicht-Oxiden, wie z.B. aus SiO2, Al2O3, ZrO2, Cr2O3, MgO, MgAl2O4, La2O3, TiO2, CaO, BaO, Y2O3, SiC, B4C, ZrB2, Si3N4, AlN oder aus Kohlenstoff oder aus Mischungen davon.
- Erfindungsgemäß werden für das Transportieren, Behandeln und Gießen von Metallen auf Basis der erfindungsgemäßen Werkstoffverbunds Tiegel, Pfannen, Verteilergefäße, Stopfen, Tauschausgüsse, Schattenrohre, Schieberplatten, Rührer erzeugt. Erfindungsgemäß werden als Steine oder komplette Ofenauskleidungen für den Ofenbau erzeugt.
- Erfindungsgemäß werden Steine für metallurgische Pfannen, in direktem Kontakt mit der Schmelze oder als Sicherheitsfutter erzeugt.
- Erfindungsgemäß werden Steine oder komplette Auskleidungen für Anlagen in der chemischen Industrie erzeugt.
- Erfindungsgemäß werden Steine oder komplette Auskleidungen für Anlagen der Zementindustrie erzeugt.
- Es folgt ein Beispiel mit Abbildungen:
- Erfindungsgemäße Ausgussdüse für die Stahl-Metallurgie
- Mit Hilfe eines 3D-FFF-Druckers (Fused Filament Fabrication) werden Filamente aus einem thermoplastischen Bindersystem auf Polyethylen-Basis (ca. 48 Vol.%) und Magnesiumaluminat-Spinell (ca. 52 Vol.%) mit einer Korngröße von 0 bis 20 µm in einer mehrschichtigen Hohldüsengeometrie als Ausgussdüse für die Stahlmetallurgie (1) überführt. Die computertomographische Aufnahme (2) zeigt im Querschnitt die Außenschale (2a), die Innenschale (2b) und die Wände (2c) im Hohlraum der gedruckten Ausgussdüse bestehend aus Magnesiumaluminat-Spinell und Bindemittel, welche mit der Innenschale und Außenschale verbunden sind. Die computertomographische Aufnahme (3) zeigt in Längsrichtung die Außenschale (3a) und die Innenschale (3b). In (4) ist die Ausgussdüse nach der Entbinderung und nach der Sinterung bei 1600 °C dargestellt. Die computertomographische Aufnahme (5) zeigt im Querschnitt die Außenschale (5a), die Innenschale (5b) und die Wände (5c) im Hohlraum der gesinterten Ausgussdüse bestehend aus Mahnesiumaluminatspinell, welche mit der Innenschale und Außenschale verbunden sind. Die computertomographische Aufnahme (6) zeigt in Längsrichtung die Außenschale (6a) und die Innenschale (6b). In der computertomographischen Aufnahme (6) sind Poren zwischen den Schichten der Innenschale und der Außenschale zu erkennen, die zu einer Erhöhung der Thermoschockbeständigkeit beitragen. Die Ausgussdüse wird in einem Stahlgusssimulator mit 100 kg Stahlschmelze beaufschlagt. Die Ausgussdüse war bei ca. 700 °C vorgeheizt und wurde mit einer Stahlschmelze bei 1600 °C beansprucht. Abbildung (7) zeigt schematisch die Befestigung der Düse in dem Feuerfestkeramikstein für den durchgeführten Test. Nach der Beaufschlagung mit Stahlschmelze waren anschließend bei Raumtemperatur keine Risse an den Positionen des Angusses und der Austrittsöffnung der Ausgussdüse zuerkennen. Die Form der Ausgussdüse blieb unverändert.
- ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
- Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
- Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008011820 A1 [0003]
- DE 10354260 A1 [0004]
- DE 10201200348383 [0005]
- EP 2168935 A1 [0006]
- EP 1260289 A1 [0007]
- WO 2018087224 A1 [0008]
Claims (10)
- Werkstoffverbund für Bauteile mit verbesserten Thermoschock- und Korrosionseigenschaften in Kontakt mit Schmelzen und/oder Gasen, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoffverbund mit 3D-Druckverfahren Schicht auf Schicht generiert wird, aus einer feinkörnigen Innen- und Außenschale besteht und einen porösen Zwischenraum zwischen der Innen- und Außenschale besitzt, welcher gezielt mit Innenwänden vorgesehen ist, die die Innen- und Außenschale verbinden.
- Werkstoffverbund nach
Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Außenschale, die Innenschale und die Innenwände jeweils Wandstärken zwischen 0,1 mm bis 15 mm aufweisen. - Werkstoffverbund nach
Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoffverbund aus mehr als einer Innen- oder Außenschale bestehen kann. - Werkstoffverbund nach
Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass für die Gestaltung der Innen- und Außenschale der Werkstoffverbunde Pulver oder Granulate kleiner 500 µm auf der Basis von Oxiden oder Nicht-Oxiden, aus SiO2, Al2O3, ZrO2, Cr2O3, MgO, MgAl2O4, La2O3, TiO2, CaO, BaO, Y2O3, SiC, B4C, ZrB2, Si3N4, AlN oder aus Mischungen davon bestehen. - Werkstoffverbund nach
Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass für die Gestaltung der Innenwände der Werkstoffverbunde Pulver oder Granulate kleiner 500 µm auf der Basis von Oxiden oder Nicht-Oxiden, wie z.B. aus SiO2, Al2O3, ZrO2, Cr2O3, MgO, MgAl2O4, La2O3, TiO2, CaO, BaO, Y2O3, SiC, B4C, ZrB2, Si3N4, AlN oder aus Kohlenstoff oder aus Mischungen davon bestehen. - Werkstoffverbund nach
Anspruch 1 bis5 , dadurch gekennzeichnet, dass 3D-FFF-Verfahren (Fused Filament Fabrication) oder 3D-SLS-Verfahren (Selective Laser Sintering) oder Binder Jetting Verfahren oder 3D Verfahren der bildsamen Formgebung, Extrusion für die Herstellung von Bauteilen für Anwendungen in der Metallurgie, in der chemischen Industrie, in der Energietechnik, im Ofenbau oder in der Zementindustrie eingesetzt werden. - Bauteile nach
Anspruch 1 bis6 , dadurch gekennzeichnet, dass Tiegel, Pfannen, Verteilergefäße, Stopfen, Tauschausgüsse, Schattenrohre, Schieberplatten, Rührer für die Metallurgie erzeugt werden. - Bauteile nach
Anspruch 1 bis6 , dadurch gekennzeichnet, dass Steine oder komplette Ofenauskleidungen für den Ofenbau erzeugt werden. - Bauteile nach
Anspruch 1 bis6 , dadurch gekennzeichnet, dass Steine für metallurgische Pfannen, in direktem Kontakt mit der Schmelze oder als Sicherheitsfutter erzeugt werden. - Bauteile nach
Anspruch 1 bis6 , dadurch gekennzeichnet, dass Steine oder komplette Auskleidungen für Anlagen in der chemischen Industrie, in der Energietechnik oder in der Zementindustrie erzeugt werden.
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