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Die Erfindung betrifft ein Einstarnpfgemisch für Aluminium-Induktionsöfen,
bestehend aus einem feuerfesten Aggregat und feinverteiltem Calciumaluminat.
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Die Induktionsöfen weisen üblicherweise eine Primär- oder Ofenspule
und eine Sekundärspule auf, die ein Bad des geschmolzenen Metalls darstellt. Auf
die Primärspule wird ein hochfrequenter Wechselstrom beaufschlagt und hierdurch
in der Sekundärspule ein Strom induziert. Dieser induzierte Strom führt zu einem
schnellen Erhitzen des Metalls auf Grund dessen Widerstandes, wodurch sich ein Erschmelzen
der Beschickung ergibt.
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In einem derartigen Induktionsofen sind die Primär- oder Induktionsspulen
von dem geschmolzenen Metallbad durch eine relativ dünne (gewöhnlich 2,5 bis 6,7
cm) und natürlich undurchlässige Schicht des feuerfesten Materials getrennt. Das
ausgewählte feuerfeste Material widersteht zweckmäßigerweise der Korrosion und dem
Eindringen des flüssigen oder geschmolzenen Aluminiums über längere Zeitspannen
hinaus, da das Eindringen des geschmolzenen Aluminiums und das Inberührungkommen
mit den Primär- oder Induktionsspulen zu einem Kurzschluß und Arbeitsunterbrechung
der Anordnung führt.
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Herkömmliche feuerfeste Materialien sind in vorgeformten Formen erhältlich,
die vermittels Mörtel unter Ausbilden einer Ofenauskleidung vermauert werden. Derartige
feuerfeste Materialien liegen ebenfalls in Form nicht verfestigter Materialien vor,
die mit Wasser angemacht und in eine geeignete Form eingestampft oder geschossen
werden können, um so einen monolithischen Aufbau zu erzielen. Bei der Anwendung
vorgeformter Formen der feuerfesten Materialien in Aluminium-Induktionsöfen ist
nicht nur der Kostenfaktor der notwendigen Vielzahl unterschiedlicher Formen der
feuerfesten Materialien eine Unwirtschaftlichkeit, sondern die Verbindungsstellen
zwischen den einzelnen Formstellen bedingen Gebiete, die gegenüber dem Eindringen
des Metalls empfindlicher sind, wodurch die Möglichkeit eines Kurzschlusses der
Induktionsspulen erhöht wird. Somit sind Einstampfgemische, die an Ort und Stelle
unter Ausbilden einer einheitlichen und wesentlich , festeren, dimensionsstabilen
feuerfesten Masse eingestampft werden können und die keinerlei schwache Stellen
aufweisen, in Aluminium-Induktionsöfen bevorzugt.
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Es sind verschiedene bekannte feuerfeste Materialien für die Erstellung
von Einstampfgemischen für Induktionsöfen angewandt worden, die, obgleich dieselben
in verschiedener Hinsicht zufriedenstellend sind, sich nicht vollständig als geeignet
bei geschmolzenem Aluminium erwiesen haben, das ja ein außerordentlich starkes Reduktionsmittel
darstellt.
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Es ist bereits ein Zementprodukt bekanntgeworden (deutsche Auslegeschrift
1010 902), das überwiegend aus Calciummetaluminat besteht. Es handelt sich hierbei
um feuerfeste Massen, insbesondere um ungebrannte feuerfeste Massen, die unter Zusatz
von Wasser durch Gießen oder Pressen verformbar sind, bei denen es wesentlich ist,
daß sie aus einem feuerfesten Grundmaterial, und zwar vorzugsweise 80 bis 95 Gewichtsprozent
und einem ungeschmolzenen Calciummetaluminatzement, vorzugsweise in einer Menge
von 5 bis 20 Gewichtsprozent ungeschmolzenen Calciummetaluminatzements, besteht.
Es sind weiterhin feuerfeste Stampfmassen bekanntgeworden (deutsche Patentschrift
937 878), die eingestampft und gebrannt Temperaturen bis zu 1650° C bei hoher Volumenbeständigkeit
im gesamten Temperaturbereich betragen, wobei hier wesentlich ist, daß derartige
Massen aus 70 bis 85 Gewichtsprozent eines feuerfesten Gemenges aus Aluminiumoxyd
und Siliciumdioxyd, zu 3 bis 15% aus gemahlenem Rohzyanit und bis zu 15 bis 30%
aus einem Bindemittel bestehen, dessen Hauptbestandteil ein pulverisiertes Gemenge
aus Rohton und hydraulischem, im wesentlichen zu eisen- und siliciumdioxydfreiem
Calciumaluminat ist.
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Feuerfeste Einstampfmassen der angegebenen Art sind jedoch, wie die
Erfindung gezeigt hat, für Aluminium-Induktionsöfen nicht zweckmäßig. Es wurde nämlich
gefunden, daß Massen der angegebenen Zusammensetzung zu relativ kurzen Lebensdauern
führen und deren Anwendung in Aluminium-Induktionsöfen deswegen bedenklich ist,
weil schon nach relativ kurzer Zeit ein Eindringen des Metalls in die feuerfeste
Masse und somit eine Zerstörung derselben sowie Kurzschluß der Induktionsöfen resultiert.
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Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, die mit dem Stand der
Technik verbundenen Nachteile auszuräumen und insbesondere ein Einstampfgemisch
für Aluminium-Induktionsöfen zu schaffen, das zu einer wesentlich verbesserten Lebensdauer
der feuerfesten Auskleidung führt. Dies wird in erfindungsgemäßer Weise dadurch
erreicht, daß in dem Caleiumaluminat ein Gemisch mehrerer Calciumaluminatphasen
vorliegt, die praktisch frei von Eisenoxyd sind und wenigstens etwa 75 % Calciumaluminatverbindungen
enthalten, sowie kein ungebundenes Calciumoxyd vorliegt, sich die Teilchengröße
des feuerfesten Aggregats auf einen Korngrößenbereich entsprechend einer lichten
Maschenweite von etwa 4,76 bis 1,68 mm beläuft.
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Es erweist sich weiterhin als zweckmäßig, daß das feuerfeste Aggregat
calciniertes Aluminiumoxyd ist oder das feuerfeste Aggregat Chromerz ist.
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Eine weitere vorteilhafte Ausbildung besteht darin, daß sich das Einstampfgemisch
zu etwa 90 bis 600/0 aus feuerfestem Aggregat und zu etwa 10 bis 40% aus Calciumaluminat
zusammensetzt, das Calciumaluminat mit einer Teilchengröße von kleiner als einer
lichten Maschenweite von etwa 0,15 mm entsprechend vorliegt.
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Die erzielte Verbe-*jerung der Lebensdauer einschlägiger Auskleidungen
beläuft sich gegenüber dem Stand der Technik auf etwa 25%.
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Die Erfindung wird im folgenden beispielsweise an Hand von Ausführungsbeispielen
erläutert.
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Bei den folgenden Ausführungsbeispielen wird als feuerfestes Aggregat
ein Gemisch aus Chromerz oder calciniertem Aluminiumoxyd angewandt. Eine typische
Analyse des calcinierten Aluminiumoxyds, Chromerzes und des Calciumaluminat-Komplexes
zeigt die folgenden Werte (auf der Grundlage der Oxyde):
| Calciniertes Calcium- |
| Aluminium- Chromerz aluminat |
| Oxyd |
| A1203.......... 99,4 5,5 50,8 |
| Si02 ........... 0,3 29,2 5,8 |
| Calciniertes Calcium- |
| Aluminium- Chromerz aluminat |
| oxyd |
| °/o °/o °% |
| Cr203.......... - 32,1 - |
| Mg0 .......... - 18,8 1,4 |
| Fe203 .......... 0,2 12,6 (Fe0) 1,3 |
| Verlust ........ - 1,0 - |
| Freies Calcium- |
| oxyd (Ca0) |
| Gebundenes |
| Calciumoxyd 0,6 39,8 |
| Alkalien ....... 0,1 - 0,2 |
Die ausgewählten feuerfesten Aggregate, wie das oben angegebene calcinierte Aluminiumoxyd
oder Chromerz werden sorgfältig vorbereitet und dem CaA103 Komplex vermischt, wobei
man ein Produkt erhält, das die folgende Siebanalyse zeigt.
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4-I-1,65 mm lichte Maschenweite ....... 25% 1,65-I-0,60 mm lichte
Maschenweite .... 22% 0,60-f-0,21 mm lichte Maschenweite .... 15% 0,21 mm lichte
Maschenweite .......... 38% In diesem Gemisch ist praktisch der gesamte Calciumaluminat-Komplex
auf eine lichte Maschenweite von kleiner als 0,148 mm zerkleinert.
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In dem Laboratorium wird einem Aggregat-Calciumaluminat-Komplex in
Form eines trockenen Gemisches ausreichend Wasser zugesetzt, um die gewünschte Einstampfkonsistenz
zu erzielen, sodann gründlich in einem Prüfsatz vermischt, sowie in Prüfstücke mit
Abmessungen von 23 X 11,5 X 6,4 cm verformt. Die Prüfstücke wurden eingestampft
und sodann an der Luft 16 Stunden lang bei einer Temperatur von 110° C getrocknet.
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Die beiden Untersuchungen angewandte Aluminiumlegierung 7075 enthält
5,5% Zink, 2,5% Magnesium und 1,5% Kupfer. Die Prüfstücke mit Abmessungen von 5
X 5 X 6,4 cm wurden von den Prüfstücken mit Abmessungen von 23 X 11,5 X 6,4 cm abgeschnitten
und zur Hälfte der Seitenlänge von 6,4 cm eingetaucht, um so Ergebnisse bezüglich
des relativen Eindringens des Metalls zu erzielen. Nach dem Entfernen aus dem Bad
wurden die Prüfstücke längsseitig halbiert. Vermittels eines derartigen Tests wird
der Angriff an der Metallinie nachgeahmt, wo die Zerstörung des feuerfesten Materials
am ausgeprägtesten ist.
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In der folgenden Tabelle ist die relative Zusammensetzung von fünf
Gemischen und die Ergebnisse der entsprechenden Versuche aufgezeigt.
Auf dem Gebiet der feuerfesten Massen wird der erfindungsgemäß Anwendung findende
Calciumaluminat-Komplex gelegentlich »Calciumalumninat« genannt, jedoch ist diese
Bezeichnung von chemischem Standpunkt aus ungenau. Das Phasendiagramm dieser industriell
zugänglichen Materialien zeigt, daß dieselben aus 75 bis 80% aus verschiedenen strukturellen
Formen und Kombinationen des Calciums, Aluminiums und Sauerstoffs bestehen, wobei
der restliche Anteil von 25 oder 20% aus verschiedenen CaA102 Si-Kombinationen und
Unterkombinationen, geringfügigen Anteilen an Schwermetallen, Siliciumdioxyd, geringfügigen
Anteilen an Eisenoxyden und Spurenverunreinigungen besteht. Obgleich erfindungsgemäß
ein derartig relativ billiges und industriell zugängliches Material angewandt wird,
kann auch praktisch reines (99% und mehr Reinheitsgrad) »Calciumaluminat« und weitere
Materialien mit mittleren Reinheitsgraden, d. h. Reinheitsgraden von 75 bis 99%
und mehr angewandt werden. Der im folgenden angewandte Ausdruck »Calciumaluminat«
wird lediglich aus Gründen der Einfachheit herangezogen. Dieser Ausdruck bezieht
sich im folgenden auf die weiter oben angegebene chemische Analyse auf der Grundlage
der Oxyde.
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Bei der Untersuchung des vermittels des Gemisches 1 erhaltenen Körpers
war das Aluminiummetall fest an der Oberfläche des Prüfkörpers gebunden, und es
wurde festgestellt, daß das Metall in das feuerfeste Material in einer Tiefe von
9,5 mm eingedrungen war und sich mit demselben umgesetzt hatte. Bei dem Gemisch
2 wurden 10 Gewichtsprozent Calciumaluminat gegen den plastischen Ton des Gemisches
1 ausgetauscht. Der erhaltene Körper wird einem ähnlichen Test unterworfen, wobei
das Aluminiummetall teilweise an der Oberfläche des Prüfstücks festhaftete und nur
eine spurenweise Umsetzung zwischen dem Metall und dem feuerfesten Material eintrat.
Bei den Prüfstücken aus den Gemischen 3, 4 und 5 wurde beobachtet, daß das Aluminiununetall
in
Form eines Oberflächenüberzuges vorlag, jedoch leicht hiervon abgeschält werden
konnte. Die dabei freigelegte Oberfläche des feuerfesten Materials war praktisch
nicht korrodiert und zeigte keinerlei Umsetzung mit dem geschmolzenen Metall.
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Diese Prüfergebnisse erläutern die Eigenschaft des Calciumaluminats
als ein Mittel, das das geschmolzene Aluminium abstößt. Weiterhin wirkt das Calciumaluminat
als ein Plastifizierungsmittel in dem Gemisch und führt die Feinkomponenten zu,
die für ein bestes Verdichten notwendig sind.
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Es ergibt sich somit, daß die Anwendung von 10 bis 40 Gewichtsprozent
Calciumaluminat, wobei der restliche Anteil ein feuerfestes Aggregat ist, zu der
notwendigen Dichte, dimensionalen Stabilität und Widerstandsfähigkeit gegenüber
einem Angriff durch das geschmolzene Aluminium führt. Das Gemisch 3 ist ein Beispiel
der bevorzugten Zusammensetzung, bestehend aus 20 % Calciumaluminat (mit einem Reinheitsgrad
von 75 bis 80%) und 80% Aggregatgemisch, das wirtschaftlich zu der günstigsten Kombination
der angestrebten Eigenschaften führt. Falls dies angezeigt ist, können geringe Mengen
an Plastifizierungsmittel, wie Feuerton und chemische Regulatoren, zugesetzt werden.
In einigen Fällen kann es zweckmäßig sein, ein zusätzliches weiteres Aggregatmaterial,
wie Magnesit, Zirkon, Olivin, calciniertem Bauxit u. dgl., anzuwenden.
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In der Tabelle II stellt natürliches Chromerz das ; feuerfeste Aggregat
dar, das mit Caleiumaluminat ähnlich demjenigen, das für die Gemische nach Tabelle
I angewandt wird, in dem weiter oben angegebenen abgestuften Größenbereich Anwendung
findet.
| Tabelle II |
| Gemisch-Nr. |
| 6 7 |
| Zusammensetzung: |
| Philippin-Chromerz ........ 801/o 70% |
| Calciumaluminat ........... 20 30 |
| Wasser, zugegeben ......... 7 7 |
| Dichte (g/cms) |
| getrocknet bei 110° C ...... 2,95 2,79 |
| gebrannt bei 820° C ........ 2,84 2,64 |
Die aus den Gemischen 6 und 7 hergestellten Prüfstücke zeigten nach der Entfernung
aus dem geschmolzenen Aluminiumbad einen Metallüberzug. Der Metallüberzug läßt sich
leicht von der Oberfläche der Prüfstücke abschälen, und nach dem Zerschneiden wird
kein Eindringen oder Umsetzen mit dem Aluminiummetall festgestellt.
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Die Anwendung von mehr als etwa 40 % Calciumaluminat führt zu einem
Gemisch, das eine Schrumpfung und Rißbildung bei den Arbeitstemperaturen zeigt,
die in Aluminium-Induktionsöfen vorliegen. Das Schrumpfen und die Rißbildung des
feuerfesten Materials können jedoch nicht geduldet werden, da hierdurch geschmolzenes
Metall zu den Spulen vordringen kann und zu einem Kurzschluß des Ofens führt. Die
erfindungsgemäßen Gemische 2 bis 7 sind auf ihre dimensionale Stabilität bei einer
Temperatur von 820° C untersucht worden, wobei sich das lineare Schrumpfen als vernachlässigbar
ergeben hat.
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Das in den erfindungsgemäßen Einstampfgemischen angewandte Caleiumaluminat
kann von verschiedenen industriellen Quellen bezogen werden. Das Calciumaluminat
läßt sich als das mehr oder minder nutzlose Nebenprodukt verschiedener industrieller
Verfahren erhalten, wie z. B. bei der Herstellung von Phosphat-Düngemitteln aus
Apatit. Man muß jedoch sorgfältig dahingehend arbeiten, daß geachtet wird, welche
industriellen Nebenprodukte angewandt werden, da das Calciumaluminat praktisch kein
freies oder nicht umgesetztes Calciumoxyd enthalten darf. Jede merkliche Verunreinigung
durch freies Calciumoxyd führt zu einer durch die Hydratisierung bedingten Ausdehnung
des Gemisches bei Inberührungbringen mit Wasser, das zum Anmachen des Gemisches
auf eine Einstampfkonsistenz angewandt wird. Das in Anwendung kommende Calciumaluminat
wird ebenfalls praktisch frei von Eisen oder Eisenoxyd gehalten, das dazu neigt
von dem geschmolzenen Aluminium angegriffen zu werden.
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Wie weiter oben angegeben, ist das Calciumaluminat fein verteilt und
weist vorzugsweise eine lichte Maschenweite von weniger als etwa 0,148 mm auf, es
können jedoch auch geringere Mengen mit größerer Teilchengröße angewandt werden,
wobei jedoch die Wirksamkeit der Calciumaluminatzugabe verringert wird. Einige im
Handel befindliche hydraulische Zemente mit den obigen Eigenschaften und entsprechender
analytischer Zusammensetzung können angewandt werden. In jedem Fall jedoch sollte
das ausgewählte Calciumaluminat weniger als etwa 25 Gewichtsprozent Verunreinigungen
zusätzlich zu den anderen oben angegebenen notwendigen Komponenten enthalten. Je
höher der Reinheitsgrad und je größer die Konzentration an dem angegebenen Calciumaluminat-Komplex,
um so besser ist natürlich das erhaltene feuerfeste Produkt.
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Bei dem eigentlichen Aufbau des Aluminium-Induktionsofens mit dem
erfindungsgemäßen Gemisch wurde ein Aluminiumoxyd-Aggregat angewandt, das mit Wasser
und Calciumaluminat in einem bestimmten Korngrößenbereich und Anteilen vermischt
wurde, wie es weiter oben beschrieben ist. Das Material wurde sodann in eine Form
eingestampft und etwa 30 Stunden lang an der Luft getrocknet. Es wurden feuchte
Säcke um das eingestampfte Gemisch herum angeordnet, um so ein einheitliches Abbinden
zu bedingen. Sodann wurde der Ofen allmählich unter stündlicher Temperaturerhöhung
von etwa 40 auf 760° C gebracht, um so ein langsames Trocknen und Entwicklung der
Temperungsflüssigkeit zu bedingen. In einigen Fällen ist es zweckmäßig, die Temperaturanstiege
so einzuregeln, daß sich dieselben über 40 Stunden erstrecken, so daß ein langsames
Entwickeln der Feuchtigkeit bedingt und ein Ausbrennen der Induktionsspulen verhindert
wird.
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Es sind verschiedene industrielle Anordnungen nach der Erfindung in
Aluminium-Induktionsöfen über längere Zeitspannen hin betrieben worden, wodurch
sich eine um 10 bis 20 % gegenüber den zuvor bekannten Auskleidungen verbesserte
Lebensdauer ergab. In einigen Fällen stellte die erfindungsgemäße feuerfeste Auskleidung
die erste Auskleidung dar, mit der ein zufriedenstellender Betrieb erreicht werden
konnte.