DE10320821A1 - Feuerfestes Bauteil aus Keramikmaterial - Google Patents

Abstract

Ein solches Bauteil hat eine zur Schmelze hin angeordnete Kontaktseite des Keramikmaterials, an der sich im Einbau- und Betriebsfall eine die Schmelze kontaktierende Grenzschicht ausbildet. Aufgrund eines mit zunehmender Temperatur abnehmenden spezifischen Widerstandes ist diese Grenzschicht bei der sich daran einstellenden Betriebstemperatur elektrisch leitfähig. In das Keramikmaterial werden im Grenzbereich zwischen dieser leitfähigen Grenzschicht und dem sich daran anschließenden Bereich des Kramikmaterials eine oder mehrere Elektroden angeordnet, die zumindest entlang einem Abschnitt der Schmelzen-Kontaktfläche einen Abstand zu dieser hin einhält oder sich in Abstand zu dieser erstreckt. Im Betriebsfall ist an diese zumindest eine Elektrode und/oder die Schmelze ein Potential zur Erzeugung eines das Keramikmaterial durchsetzenden elektrischen Feldes angelegt. Damit wird über den Abschnitt der Schmelzen-Kontaktfläche hinweg ein Schutz gegen eine Pentration oder ein Ansetzen der Schmelzenschlacke und/oder der Schmelze erreicht.

Description

• Die Erfindung bezieht sich auf ein feuerfestes Bauteil gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 oder des Patentanspruchs 5.
• Bei solchen Bauteilen handelt es sich um Spülsteine, Auslaufdüsen, Tauchausgüsse, ferner um Bauelemente zur Auskleidung von Aggregaten oder um feuerfeste Zustellungen in Gestalt flächiger Wände oder Wandteile. All diese Bauteile werden bei metallurgischen oder nicht metallurgischen Schmelz- und Behandlungseinrichtungen eingesetzt.
• Es ist bekannt, daß das Keramikmaterial dieser Bauteile einen spezifischen elektrischen Widerstand hat, welcher sich von der Raumtemperatur bis zur Betriebstemperatur von ca. 1.600°C hin um mehrere Zehnerpotenzen gemäß einer degressiv abfallenden Kurve verringert. In der Einbau- und Betriebslage eines feuerfesten keramischen Bauteils findet eine entsprechende Temperaturerhöhung im Bereich derjenigen Grenzschicht statt, welche die Schmelze kontaktiert. So tritt im Bereich dieser Grenzschicht bei der Betriebstemperatur eine gewisse elektrische Leitfähigkeit ein, die zwar nicht mit der Leitfähigkeit von Metall zu vergleichen ist, aber doch beispielsweise für elektrische Meßzwecke, um die Standzeit des feuerfesten Bauteils überwachen zu können, genutzt werden kann, vergl. DE 41 20 205 A1 .
• Des weiteren ist es grundsätzlich bekannt, die Benetzungseigenschaften von Keramikmaterial, aus dem feuerfeste Bauteile hergestellt werden, durch Anlegen eines elektrischen Potentials beinflussen zu können. Dazu können bereits geringe elektrische Spannungen in der Größenordnung von wenigen Volt ausreichen, was in Versuchsaufbauten ermittelt worden ist, vergl. DE-Z DKG 79 (2002) No. 3, S. E 47 – E 50. An kleinen Versuchsproben hat man festgestellt, mit dem Anlegen eines Potentials an das Keramikmaterial dringe an der Kontaktseite Schmelzenschlacke weit weniger in offene Poren oder feine Kanäle ein, als es beim Fehlen eines solchen Potentials der Fall sei. Dieser Effekt wird der Elektroneneinspeisung bzw. der Elektrophorese zugeschrieben.
• Für die praktische Anwendung reicht es jedoch nicht aus, den genannten Effekt auf einer punktuellen, also eng umgrenzten Fläche zu erzielen, vielmehr sind die in Rede stehenden feuerfesten Bauteile möglichst über ihre gesamte Kontaktfläche hinweg gegen eine Penetration durch die Schmelzenschlacke und gegebenenfalls auch durch die Schmelze zu schützen.
• Dem Anlegen eines Potentials an das Keramikmaterial eines feuerfesten Bauteils zur Erzielung einer Potentialdifferenz zur Metallschmelze hin steht an sich die zuvor erörterte Leitfähigkeit des Keramikmaterials im Bereich der die Schmelze kontaktierenden Grenzschicht bei der Betriebstemperatur entgegen. Denn es müßte zwischen der Schmelze und dem Keramikmaterial ein elektrischer Kurzschluß entstehen, aufgrund dessen sich ein elektrisches Feld zwischen dem Keramikmaterial und der Schmelze nicht aufbauen kann. Es zeigt sich jedoch, daß gerade bei der Betriebstemperatur des Keramikmaterials im Betriebsfall bei einer Spannungsdifferenz zur Schmelze hin kein elektrischer Strom oder nur ein vernachlässigbarer, sehr geringer Leckstrom fließt, der darauf schließen läßt, daß sich das Keramikmaterial insbesondere in der äußeren Zone der die Schmelze kontaktierenden Grenzschicht nach Art eines Dielektrikums verhält. Dies ermöglicht es, auch über eine größere Schmelzen-Kontaktfläche des Keramikmaterials hinweg einen solchen Schutzeffekt zu erzielen, wie er bislang mittels anderer Wirkmechanismen nur an kleinen Proben nachgewiesen wurde, sofern nur ein großflächiges elektrisches Feld mit entsprechender Potentialverteilung aufgebaut werden kann.
• Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein feuerfestes Bauteil der eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem über eine größere Fläche hinweg der Schutz gegen eine Penetration oder ein Ansetzen der Schmelzenschlacke und/oder der Schmelze erreicht wird.
• Diese Aufgabe wird durch die Gesamtheit der Merkmale des Patentanspruchs 1 oder des Patentanspruchs 5 gelöst.
• Die vorliegende Erfindung nutzt die elektrische Polarisierbarkeit, nämlich den Dipolcharakter, des keramischen Feuerfestmaterials aus, um die Benetzungseigenschaften über eine größere Fläche der Kontaktseite hinweg so zu beeinflussen, daß an dieser Fläche eine Penetration durch die Schmelzenschlacke oder die Schmelze weitestgehend oder völlig unterbunden ist. Feuerfestmaterialien bestehen zum Großteil aus Verbindungen, wie Metalloxyden, Metallcarbiden, Siliciumoxyden oder dergleichen, welche Moleküle aufweisen, die in einem elektrischen Feld polarisiert werden können. Dieser Effekt tritt vor allem dann ein, wenn das Keramikmaterial eine solche Temperatur hat, bei der sich zum einen auf der Basis seiner elektrischen Leitfähigkeit ein elektrisches Potential auf eine größere Fläche verteilen läßt und zum anderen die festen Gitterstrukturen des Keramikmaterials aufweichen und eine gezielte Ausrichtung, nämlich eine Polarisierung der Moleküle zulassen. Das elektrische Feld in der heißesten Zone der Grenzschicht des Keramikmaterials, also unmittelbar an der Kontaktfläche zur Schmelze hin, richtet die Moleküle des Feuerfestmaterials gleichsinnig aus und beeinflußt über Coulombsche Anziehungs- und Abstoßungskräfte den Benetzungswinkel zwischen dem feuerfesten Keramikmaterial und der Schmelze und/oder der Schlacke.
• Des weiteren bietet sich der Vorteil, die aus einem Material, wie Draht, bestehenden Elektroden, zur Anlegung des Potentials nicht bis zu der von der Schmelze kontaktierten Seite des Bauteils hin einbringen zu müssen. Vielmehr können die eingebetteten Elektroden von der Kontaktseite des Bauteils aus gesehen zurückliegend im Keramikma terial enden, wichtig ist nur, daß sie bis an den Bereich der Grenzschicht des Keramikmaterials heranreichen, der bei der Betriebstemperatur elektrisch leitend wird. Das Einbringen der Elektroden in den im Betriebsfall weniger stark erhitzten Bereich des Keramikmaterials ist nicht problematisch, weil die daraus hergestellten Bauteile senkrecht zu der die Schmelze kontaktierenden Seite eine ausreichende Dicke aufweisen und die Grenzschicht in Bezug auf diese Dicke relativ dünn ist. Von besonderer Bedeutung ist die Erstreckung der wenigstens einen Elektrode in einer Fläche, die möglichst der Kontur des zugeordneten Abschnitts der Schmelzen-Kontaktfläche folgt. Ein äquidistanter Verlauf der Elektrode in Bezug auf die Schmelzen-Kontaktfläche kann angestrebt werden, ist jedoch nicht zwingend erforderlich.
• Mit der Erfindung läßt sich in der Praxis das äußerst lästige Ansetzen von Schlacken und Metall-Schlacken-Gemischen an keramischen Bauteilen der in Rede stehenden Art vermeiden oder doch deutlich verringern. So können auch Funktionsöffnungen in den Bauteilen, wie die Poren, Kanäle oder Spalte von Spülsteinen, die Gleitspalte von Schieberverschlüssen und dergleichen offengehalten werden, auch das Zusetzen von Rinnenkanälen kann auf die genannte Weise unterbunden werden. Insgesamt können die Infiltration und das Clogging gezielt beeinflußt werden, damit ist ebenfalls eine Steuerung des Korrosionsverhaltens des Keramikmaterials möglich.
• Vorteilhafte Ausgestaltungsmerkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
• Die Erfindung wird nachfolgend anhand zweier Abbildungen noch näher erläutert. Die 1 zeigt einen schematischen Schnitt durch das Keramikmaterial eines feuerfesten Bauteils im Bereich der Kontaktseite, die an die Schmelze angrenzt, ergänzt durch einen vergrößerte Einzelheit. Die 2 zeigt in ähnlicher Darstellung einen schematischen Schnitt durch das Keramikmaterial eines feuerfesten Bauteils mit einer anderen Elektrodenanordnung.
• 1 zeigt in der Darstellung rechts oben im einzelnen einen Schnitt durch das Keramikmaterials eines feuerfesten Bauteils im Bereich einer Pore oder eines Spaltes, wobei diese Öffnung von der an der Kontaktfläche des Keramikmaterials anliegenden Schmelze überbrückt ist. Die gesamte zur Schmelze hin liegende Seite des Keramikmaterials wird als Kontaktseite bezeichnet, welche die Kontaktfläche aufweist, die unmittelbar in Berührung mit der Schmelze steht. Zum Innern des Keramikmaterials hin schließt an dessen Kontaktfläche eine Grenzschicht an, in der sich mit einem vernachlässigbaren Abschlag diejenige Temperatur einstellt, welche die Schmelze aufweist. Von der Kontaktfläche weg bzw. von der Grenzschicht zum Innern hin wird das Keramikmaterial im Betriebsfall kühler, folglich nimmt entsprechend der elektrische Widerstand zum Innern des Keramikmaterials hin zu, wodurch in einigem Abstand von der Grenzschicht das Keramikmaterial bei der sich dort einstellenden Betriebstemperatur praktisch nicht mehr elektrisch leitend ist.
• Es kommt auf diejenige Grenzschicht des Keramikmaterials an, in welcher in Richtung zur Schmelze hin temperaturbedingt die elektrische Leitfähigkeit beginnt. Bis dorthin sind Elektroden in das Keramikmaterial eingeführt, die in einem Abstand vor der Schmelzen-Kontaktfläche im Keramikmaterial enden. Die Elektroden sind so ausgeführt, daß sie einen möglichst gleichen Abstand zu dieser Kontaktfläche haben, weil der Bereich der Grenzschicht des Keramikmaterials zwischen den Elektroden und der Kontaktfläche unter der Wirkung eines elektrischen Feldes sich in zwei Zonen aufgliedern soll, in denen unterschiedliche physikalische Effekte erzielt und genutzt werden.
• Die Elektroden können dazu in Gestalt eines Netzwerks ausgebildet sein, wie es in 2 dargestellt ist. Andererseits können die Elektroden auch durch eine leitfähige Materialkomponente gebildet sein, die in das Keramikmaterial integriert ist. Man spricht in diesem Fall von dotierten Keramikmaterialien, wobei die Leitfähigkeit durch Kohlenstoff- oder Zirkonoxydeinlagerungen herbeigeführt werden kann. Letztlich können die Elektroden in einer Mehr- oder Vielzahl auch so in das Keramikmaterial eingebettet sein, daß deren Endabschnitte im Keramikmaterial zur Kontaktfläche bzw. zur Schmelze hin ausgerichtet sind und die Enden dieser Endabschnitte einen vorzugsweise gleichen Abstand zu der Schmelzen-Kontaktfläche haben.
• Zwischen den Elektroden und der Schmelze wird eine elektrische Spannung angelegt, wodurch sich zwischen den Elektroden oder den Elektrodenenden und der Schmelze in der Grenzschicht des Keramikmaterials ein elektrisches Feld ausbil det. Die besondere Gestaltung der Elektroden oder die Dichte der Elektrodenenden soll eine möglichst großflächige Verbreitung des elektrischen Feldes sicherstellen. Deshalb kommt es in einer ersten inneren, von der Schmelze abliegenden Zone der Grenzschicht des Keramikmaterials darauf an, eine gute Potentialverteilung zu erzielen. Hierfür ist die elektrische Leitfähigkeit bei der sich einstellenden Betriebstemperatur des Keramikmaterials in der genannten inneren Zone der Grenzschicht maßgebend.
• Unter der Einwirkung des elektrischen Feldes findet in der äußeren, zur Schmelze hin liegenden Zone der Grenzschicht des Keramikmaterials eine Polarisation der Moleküle statt. Bei dem dargestellten Feuerfestmaterial handelt es sich um Siliciumdioxyd SiO₂, dessen Moleküle sich in der äußeren Zone der Grenzschicht des Keramikmaterials so ausrichten, wie es in der vergrößerten Darstellung links unten in der Zeichnung wiedergegeben ist. Hier sind die beiden an das Si-Atom angelagerten Sauerstoffatome, die einen Winkel von 90° zueinander haben, zur Schmelzen-Kontaktfläche des Keramikmaterials hin gedreht. Durch die sich ändernden Coulombschen Kräfte wird der angedeutete Benetzungswinkel der Schmelze vergrößert sowie dementsprechend die Benetzbarkeit und die Penetration des Keramikmaterials vermindert. Zudem ist die elektrische Leitfähigkeit des Keramikmaterials in der äußeren Zone der Grenzschicht zur Schmelze hin vermindert.

Claims (6)

1. Feuerfestes Bauteil aus Keramikmaterial für metallurgische und nicht metallurgische Schmelz- und Behandlungseinrichtungen mit einer zur Schmelze hin anzuordnenden Kontaktseite des Keramikmaterials, an der sich im Einbau- und Betriebsfall eine die Schmelze kontaktierende Grenzschicht ausbildet, die aufgrund eines mit zunehmender Temperatur abnehmenden spezifischen Widerstandes bei der sich daran einstellenden Betriebstemperatur elektrisch leitfähig ist, dadurch gekennzeichnet, daß in das Keramikmaterial im Grenzbereich zwischen der im Betriebsfall leitfähigen Grenzschicht und dem sich daran anschließenden Bereich des Keramikmaterials zumindest eine sich in einer Fläche erstreckende Elektrode angeordnet ist, die in diesem Grenzbereich zumindest entlang einem Abschnitt der Schmelzen-Kontaktfläche mit einem Abstand zu dieser hin verläuft, wobei im Betriebsfall an diese Elektrode und/oder die Schmelze ein Potential angelegt und zwischen der Elektrode und der Schmelze ein die Grenzschicht des Keramikmaterials durchsetzendes elektrisches Feld gebildet ist.
2. Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zumindest eine Elektrode ein Anschlußende auf weist, welches aus dem Keramikmaterial an der von der Kontaktseite abliegenden Seite herausgeführt ist.
3. Bauteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zumindest eine Elektrode in Gestalt eines Netzwerks ausgebildet ist.
4. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 – 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zumindest eine Elektrode durch eine in das Keramikmaterial eingelagerte, elektrisch leitfähige Materialkomponente gebildet ist.
5. Feuerfestes Bauteil aus Keramikmaterial für metallurgische und nicht metallurgische Schmelz- und Behandlungseinrichtungen mit einer zur Schmelze hin anzuordnenden Kontaktseite, an der sich im Einbau- und Betriebsfall eine die Schmelze kontaktierende Grenzschicht ausbildet, die aufgrund eines mit zunehmender Temperatur abnehmenden spezifischen Widerstandes bei der sich daran einstellenden Betriebstemperatur elektrisch leitfähig ist, dadurch gekennzeichnet, daß in das Keramikmaterial zwei oder mehrere Elektroden eingebettet sind, die innerhalb des Keramikmaterials zu dessen Kontakseite hin ausgerichtete Enden aufweisen, die im Grenzbereich zwischen der im Betriebsfall leitfähigen Grenzschicht und dem sich daran anschließenden Bereich des Keramikmaterials sich befinden, wobei im Betriebsfall an diese Elektroden und/oder die Schmelze ein Potential angelegt und zwischen den Enden der Elektroden und der Schmelze ein die Grenzschicht des Keramikmaterials durchsetzendes elektrisches Feld gebildet ist.
6. Bauteil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Enden der Elektroden einen gleichen Abstand zu dem ihnen gegenüberliegenden Abschnitt der Schmelzen-Kontaktfläche des Keramikmaterials haben und die Elektroden an das gleiche Potential angelegt sind.