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Verbundstein für Wände oder Decken von Industrieöfen Die Erfindung
betrifft einen aus zwei stofflich verschiedenen Teilen bestehenden Verbundstein
für Wände oder Decken von Industrieöfen, von denen der eine Teil einen Ansatz und
der andere Teil eine zur Aufnahme des Ansatzes entsprechend geformte Nut aufweist.
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In vielen Herden und Öfen herrschen Verbrennungsbedingungen, die durch
schnell strömende, staubbeladene Gase oder durch starken Aufprall der Flamme von
Öl- oder anderen Brennern einen unwirtschaftlich schnellen Abbrand einer porösen,
leichten, isolierenden, feuerfesten Oberfläche ermöglichen und wobei durch ein Zusammenwirken
von Temperatur und chemischem Angriff in ähnlicher Weise ein Abbrand verursacht
werden kann, wie dies bei Öfen, die glasierte Waren brennen, der Fall ist, bei denen
der Glasiervorgang im Ofen oder im Herd durch Verdampfen einer chemischen Mischung
stattfindet.
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Bisher war es bei solchen Herden oder Öfen üblich, die innere, der
Ofen- oder Herdtemperatur ausgesetzte Auskleidung aus dichtem feuerfestem Werkstoff
zu bauen und zur Verminderung der Wärmeverluste durch die Herd- oder Ofenwand einen
isolierenden Hintermauerungsziegel oder -block zu verwenden. In den meisten Fällen
wird im Interesse der strukturellen Stabilität die Dicke des verwendeten dichten
feuerfesten Werkstoffes viel größer gewählt als die für den Schutz der leichten
isolierenden feuerfesten Hintermauerung erforderliche theoretische Dicke. Die verwendete
minimale Dicke beträgt allgemein etwa 11 cm, und für Herde oder Öfen mit Wänden,
die höher sind als etwa 110 cm oder für gewölbte Deckenspannweiten von mehr als
120 cm muß für den dichten feuerfesten Werkstoff eine noch größere Dicke verwendet
werden.
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In intermittierend arbeitenden Herden oder Öfen, die am Ende jedes
Behandlungsvorganges zwecks Herausnahme des Brenngutes und zur erneuten Beschickung
mit Brenngut abgekühlt werden, wirkt die Dicke des dichten feuerfesten Werkstoffes
dem thermischen Wirkungsgrad dadurch entgegen, daß die vom dichten feuerfesten Werkstoff
aufgenommene und gespeicherte Wärme am Ende jedes Arbeitszyklus verlorengeht und
während der Anwärmungsperiode des nachfolgenden Arbeitszyklus ersetzt werden muß.
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Bei Herden und Öfen, in denen einwandfreie Verbrennungsbedingungen
herrschen und keine Gefahr des Abbrandes, des Aufprallens der Flamme oder des chemischen
Angriffes gegeben ist, arbeitet der leichte poröse feuerfeste Werkstoff im allgemeinen
zufriedenstellend, selbst wenn er als Auskleidung einer » heißen Fläche « verwendet
wird, d. h. den Ofengasen ausgesetzt ist. Jedoch in zahlreichen Fällen, selbst wenn
einwandfreie Verbrennungsbedingungen herrschen, versagt der leichte poröse feuerfeste
Werkstoff auf Grund eines als »thermische Absplitterung« bekannten Vorganges, der
anscheinend durch die unterschiedliche thermische Bewegung hervorgerufen wird, die
zwischen der dünnen Schicht der den Ofengasen ausgesetzten Fläche und der kühleren,
unmittelbar hinter dieser liegenden Zone stattfindet.
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Das Phänomen der thermischen Absplitterung zeigt sich meist in Öfen,
in denen der leichte, isolierende feuerfeste Werkstoff einer sehr schnellen Erwärmung
oder Abkühlung unterliegt, und dadurch, daß man eine Fläche aus dichterem feuerfestem
Material mit größerer Wärmekapazität vorsieht, wirkt diese als ein absorbierender
Puffer, der so ein zu schnelles Erwärmen des leichten feuerfesten Werkstoffes und
beim Abkühlen einen zu schnellen Temperaturverlust verhindert. Diese Vorder- oder
Einsatzfläche braucht jedoch nicht starr mit dem leichten feuerfesten Ziegel verbunden
zu sein.
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Es ist bekannt, daß man durch Formen von zwei einfachen Körpern in
aneinanderstoßender Lage, von denen der eine aus dichtem feuerfestem Werkstoff und
der andere aus einem porösen feuerfesten Werkstoff besteht, und durch Brennen oder
Backen derselben zwecks Erzielung einer keramischen Verbindung
an
ihren Berührungsflächen einen zusammengesetzten feuerfesten Ziegel oder Block herstellen
kann. Jedoch hat der so gewonnene zusammengesetzte Körper auf Grund der bei der
Vereinigung des dichten Werkstoffes mit dem porösen feuerfesten Werkstoff entstandenen
unterschiMlichen Ausdehnungsspannungen an der Verbindungsstelle verringerte Festigkeit,
die unter Arbeitsbedingungen mit hohen Temperaturen einen Mangel an Nachgiebigkeit
zur Folge hat. Dieses Herstellungsverfahren ist außerdem kompliziert und kostspielig;
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Auch ist ein aus zwei stofflich und strukturell verschiedenen Teilen
-bestehender Verbundstein bekannt, bei dem ein Vorder- oder Einsatzteil beispielsweise
aus Siliziumkarbid, mit einem hinteren Teil aus dichtem feuerfestem Werkstoff mittels
einer Schwalbenschwanzverbindung an fren nicht miteinander verbundenen nur aufeinanderhegenden
Berührungsflächen verriegelt wird-Die durch eine Schwalbenschwanzverbindung entstehenden
spitzen Winkel stellen aber sehr plötzliche Richtungswechsel dar, die -zwischen
den Ecken eines Winkels und der benachbarten Flächenebene Zonen verringerter Festigkeit
bedingen, so daß dann, wenn der vordere Teil eine. größere Dichte und Festigkeit
hat als der hintere und außerdem seine thermischen Ausdehnungseigenschaften von
denen des hinteren abweichen, die Gefahr besteht, daß bei hohen Temperaturen ein
Zerspringen des Steins stattfindet.
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Ähnliche Erwägungen gelten auch für bekannte kombinierte feuerfeste
Steine, die aus einer tonarmem oder tonfreien Schicht bestehen, an welche sich eine
aus der gleichen oder einer ähnlichen feuerfesten Masse mit einem Asbestzusatz bestehende
Isoliermatte anschließt. Dabei sind die feuerfesten Schichten des Steins stark verdichtet.
Solche kombinierten Steine unterliegen an der Verbindungsstelle der beiden Schichten
namentlich bei stärkeren Temperaturschwankungen Beanspruchungen, die sich auf ihre
Haltbarkeit nachteilig auswirken.
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Schließlich sind auch Steine bekannt, die zum Ausmauern von Wölbungen
auf ihrer einen Seite mit Falzen von halbkreisförmigem Profil versehen sind, die
beim Nebeneinanderlegen der Steine in entsprechend geformte Nuten auf der anderen
Seite der Steine eingreifen. Solche Steine üben aber keine Verriegelungswirkung
aufeinander aus. Die an ihnen angebrachten Falze und Nuten geben in Richtung senkrecht
zu den damit versehenen Steinflächen keinen Halt. Sie sind deshalb zur Verbindung
der Teile von kombinierten Steinen der eingangs erwähnten Art nicht geeignet. Die
übertragung der von den bekannten Falzen her bekannten Rundung auf die obenerwähnten
Verbundsteine mit Schwalbenschwanzverbindung würde zwar die nachteiligen spitzen
Winkel an den Kopfkanten der Schwalbenschwanzfalze beseitigen, ohne daß dabei aber
die an den Fußkanten der Falze vorhandenen, ebenso nachteiligen spitzen Winkel vermieden
wären und damit die durch die Erfindung erstrebte Verbesserung erzielt werden könnte.
Dies geschieht viehmehr dadurch, daß bei aus zwei stofflich verschiedenen Teilen
bestehendem Verbundstein für Wände oder Decken von Industrieöfen, von denen der
eine Teil einen Ansatz und der andere Teil eine zur Aufnahme des Ansatzes entsprechend
geformte Nut aufweist, die zusammenstoßenden Eingriffsflächen sowohl des Ansatzes
als auch der Nut je im stumpfen Winkel zueinander stehen. Auf diese Weise werden
in einfacher Weise die nachteiligen Folgen vermieden, die auf der Festigkeitsverminderung
der thermisch stark beanspruchten Verbundsteine durch die spitzwinkligen Kerben
bedingt sind. Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäß ausgebildeten Verbundsteine
besteht in ihrer geringeren Verletzlichkeit beim Transport und bei der Verarbeitung.
Die von stumpfwinklig aneinanderstoßenden Flächen begrenzten Steine werden naturgemäß
weniger leicht beschädigt als die vorbekannten Steine mit spitzwinklig aneinanderstoßenden
Flächen.
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Als eine besonders haltbare, leicht zu montierende und von Herden
thermisch-mechanischer Spannungen weitgehend freie Bauform hat sich ein Verbundstein
erwiesen, bei dem die Nut als ein an der Stirnfläche des einen Teiles des Verbundsteins
beginnender, sich etwa auf die Hälfte der Anfangsbreite verengender und in einen
Zylinderabschnitt übergehender Einschnitt in das Steinfleisch ausgebildet ist, wobei
der Durchmesser des Zylinders etwa gleich der Anfangsbreite der Nut ist.
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Mit besonderem Vorteil kann bei dem erfindungsgemäßen Verbundstein
von dem an sich bereits, wie oben erwähnt, für keramisch verbundene Verbundsteine
bekannten Prinzip der Verwendung feuerfesten Materials unterschiedlicher Dichte
Gebrauch gemacht werden, indem die feuerfeste Masse des die Nut aufweisenden Teils
des Verbundsteins geringere Dichte aufweist als die feuerfeste Masse des den Ansatz
aufweisenden Teils des Verbundsteins.
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Es hat sich ferner gezeigt, daß die thermischmechanische Unempfindlichkeit
des erfindungsgemäßen Verbundsteins am größten ist, wenn der den Ansatz aufweisende
Teil des Verbundsteins dem Feuerraum zugekehrt ist.
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Der Zusammenbau der erfindungsgemäßen Verbundsteine ebenso wie ihre
Lagerung und ihr Transport können dadurch erleichtert werden, daß die Teile des
Verbundsteins zu einem plattenförmigen prismatischen Körper, dessen Grundflächen
Rechtecke bilden, vereinigt sind. Für das Ausmauern von WöIbungen eignen sich die
Verbundsteine nach der Erfindung besonders dann, wenn die Teile zu einem keilförmigen
Körper vereinigt sind, wobei die Verjüngung zu dem den Ansatz aufweisenden Teil
des Verbundsteins hin verläuft.
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Aus Gründen der Wirtschaftlichkeit empfiehlt es sich, um unter Vermeidung
einer Einbuße an den günstigen thermisch-mechanischen Eigenschaften des Verbundsteins
diesen auch in lotrechter Richtung, d. h. in Richtung der übereinanderliegenden
Steine verriegelbar zu machen, ihn nach der Erfindung so auszubilden, daß der den
Ansatz aufweisende Teil stärker bemessen ist als der die Nut aufweisende Teil des
Verbundsteins, wobei jedoch der Ansatz und der die Nut aufweisende Teil des Verbundsteins
gleich hoch sind.
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Einem ähnlichen Zweck kann auch dadurch gedient werden, daß der den
Ansatz aufweisende Teil des Verbundsteins höher bemessen ist als der die Nut aufweisende
Teil des Verbundsteins, wobei jedoch die Höhe des Ansatzes kleiner ist als die Höhe
des die Nut aufweisenden Teiles des Verbundsteins.
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Die Zeichnung stellt Ausführungsbeispiele des Gegenstandes der Erfindung
dar. Es zeigt Fig.l eine Seitenansicht einer Ausführungsform des Verbundsteins nach
der Erfindung, Fig. 2 eine Draufsicht auf diesen,
Fig.3 eine raumbildliche
Ansicht der beiden voneinander getrennten Teile des Verbundsteins, Fig.4 eine Seitenansicht
einer anderen Ausführungsform des Verbundsteins, Fig.5 eine Draufsicht auf diesen,
Fig.6 eine Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform des Verbundsteins im Teilschnitt,
Fig.7 eine Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform des Verbundsteins im Teilschnitt,
Fig. 8 eine Teilansicht einer Ofenwand, welche aus Verbundsteinen von der in Fig.
1, 2 und 3 gezeigten Form aufgebaut ist, Fig. 9 eine Teilansicht einer gewölbten
Decke eines Ofens, welche aus Verbundsteinen mit der in Fig.4 und 5 gezeigten Form
gebaut ist, Fig. 1'0 eine Teilansicht einer aufgehängten ebenen Decke eines Ofens
mit Verbundsteinen ähnlich denen nach Fig. 1, 2 und 3, welche zum Zweck der Aufhängung
Abänderungen erfahren haben, Fig.ll und 12 Teilansichten von Ofenwänden, welche
die Verwendung von Verbundsteinen der in Fig. 6 bzw. 7 gezeigten Bauart veranschaulichen.
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Der in Fig. 1, 2 und 3 dargestellte Verbundstein besteht aus einem
eine Nut 22 aufweisenden Teil 20 und einem einen Ansatz 23 aufweisenden Teil
21, wobei der erstgenannte Teil einen rechtwinkligen Querschnitt hat und
an einer Endfläche mit einer den Ansatz 23 aufnehmenden Nut 22 versehen ist, deren
Längsachse parallel zur Dicke verläuft und der Teil 21 außer dem darauf befindlichen
Ansatz 23 ebenfalls einen rechteckigen Querschnitt hat und sich, wenn er an dem
anderen Teil 20 befestigt ist, mit diesem zu einem Verbundstein zusammenfügt, wobei
er bündig mit den vier Seitenflächen des Teiles 20 zusammenpaßt.
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Der Ansatz 23 hat eine Grundfläche oder Wurzel, die sich längs des
Halses verjüngt, an dem er mit dem im wesentlichen zylindrischen Kopf zusammentrifft,
während die Länge des Ansatzes der Dicke des Verbundsteins entspricht.
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Beim Bauen einer vertikalen Wand eines Herdes oder Ofens werden die
Verbundsteine 20, 21, wie in Fig.8 gezeigt, aufeinander angeordnet, so daß die Längsachse
des Ansatzes 23 und der Nut 22 eines jeden Steins vertikal liegt.
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Für eine, wie in Fig. 9 gezeigt, gewölbte Decke hat jeder Verbundstein
die in Fig. 4 und 5 gezeigte Keilform, wobei die größere Breite an dem den Ansatz
23 tragenden Teil 21 des Verbundsteins abgelegenen Ende vorhanden ist.
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Für eine gemäß Fig. 10 aufgehängte ebene Decke liegen die Verbundsteine
mit horizontal angeordneter Achse des Ansatzes und der Nut eines jeden Verbundsteins
nebeneinander, wobei die Verbundsteine an horizontalen Stangen 24 aufgehängt sind.
die sich durch je in einer horizontalen Lage von Steinen zusammenfallende Löcher
erstrecken, während die Stangen selbst an Haltestangen 26 aufgehängt und die Löcher
im nuttragenden Teil jedes Verbundsteins parallel zur Längsachse der aus Ansatz
und Nut bestehenden Verriegelung vorgesehen sind.
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Wo es erforderlich ist, daß die obere Steinlage einer Ofenwand eine
Halterung oder Verriegelung für die näehsttiefere Lage bildet, wird, wie in Fig.
6 und 11 bzw. 7 und 12 gezeigt, der Teil 21 dicker als der Teil 20 hergestellt,
wobei die überstehende Dicke des den Ansatz tragenden Teils, wie in Fig. 11 und
12 gezeigt, zum Verriegeln mit dem vertieften Abschnitt des Steins der nächsttieferen
Lage einen abwärts gerichteten Fortsatz 27 bildet. In solchen Fällen kann der am
Teil 21 vorhandene Ansatz 23, wie in Fig. 7 und 12 gezeigt, entweder die Länge der
Nut 22 insgesamt oder, wie in Fig. 6 und 11 gezeigt, nur teilweise einnehmen.
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Die Teile 21 können aus dichtem Schamottestein und die Teile 20 aus
isolierendem feuerfestem Werkstoff für Temperaturen bis zu etwa 1250° C bestehen;
bei Anwendung in Hochöfen mit Temperaturen bis zu 1500° C können die Einsätze aus
einem feuerfesteren Material, wie beispielsweise Sillimanit, Sillimanitkorund oder
Siliziumkarbid, bestehen und mit den hinteren Teilen aus isolierendem feuerfestem
Werkstoff für hohe Temperaturen verwendet werden. In gleicher Weise kann man in
verschiedenen Fällen den den Ansatz tragenden Teil 21 für Öfen, die bei verhältnismäßig
niedrigen Temperaturen, d. h. von etwa 1150 bis 1200° C arbeiten, aus feuerfestem
Mörtel herstellen.
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Der erfindungsgemäß hergestellte Verbundstein ermöglicht den Bau von
Ofenwänden mit Auskleidungen minimaler Dicke, die eine hohe Abriebfestigkeit, einen
hohen Isolierwert und eine geringe Wärmeaufnahmefähigkeit besitzen.