DE19726541A1 - Fertigteile - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Fertigteile, die in einer feuerfesten Auskleidung eingesetzt werden und ein Verfahren zur Herstellung einer spannungsfreien feuerfesten Auskleidung.

Vorrichtungen wie Schmelzöfen in der Eisen- und Stahlindustrie und in anderen Schmelzverfahren sind mit feuerfester Auskleidung versehen. Diese Vorrichtungen werden allgemein als Aggregate bezeichnet. Das Material der feuerfesten Auskleidung wird durch sehr heißen Inhalt, wie flüssiges Metall und geschmolzene Schlacke sehr stark belastet.

Bei allen technischen Systemen, somit auch in Feuerfest-Systemen, wie bei einer feuerfesten Auskleidung, sind bei Temperaturänderungen Schrumpfungs- und Ausdehnungsbewegungen die Folge. Diese Bewegungen sind problemlos, wenn sie ungehindert von Einhausungen ablaufen können. Werden sie durch Einhausungen behindert, kommt es bei Konstruktionen, die geometrisch fixiert sind, zu erheblichen Spannungen. Die Spannungen führen bei Überschreitung der Streckgrenze zu Rissen und Materialtrennungen. Dies gilt insbesondere für heterogene Aufbauten, wo unterschiedliche Bauteile und auch noch unterschiedliche Materialien miteinander konstruktiv verknüpft sind. Als Folge derartiger Dehnungen und Schrumpfungen entstehen Materialtrennungen wie Risse und Löcher. Diese Schäden führen schließlich zum Versagen der gesamten Konstruktion.

Im Bereich der Metallurgie, wo zwangsläufig immer mit hohen Temperaturen gearbeitet werden muß, kommt dieser Effekt hauptsächlich bei der feuerfesten Auskleidung vor, was mit erheblichen Problemen bei Anwesenheit von flüssigen Metallen und Schlacken verbunden ist.

Aus diesem Grund kommt hier ein deutlicher Sicherheitsaspekt zum Tragen, denn in in den Schmelz- und Transportaggregaten werden feuerfeste Auskleidungen eingebaut, die je nach Schmelzgut bis auf 1700°C aufgeheizt werden.

Treten während des Betriebes Dehnungs- oder Schrumpfungsrisse auf, müssen die Aggregate repariert werden. Der Betriebsausfall und die Reparaturkosten sind die Folge. Die andere Möglichkeit besteht darin, die gesamte Auskleidung eines Aggregats auszubrechen und damit das Aggregat zuzustellen.

Die Feuerfest-Industrie hat unterschiedliche Maßnahmen entwickelt, um den nötigen Reparatur- und Zustellaufwand zu reduzieren und die Wirtschaftlichkeit zu erhöhen.

Durch gezielte Auswahl der Rohstoffe und Bindemitteln kann die Dehnung bis nahezu Null reduziert werden. Bei der Auswahl werden die natürlichen Dehnungseigenschaften, die Korngröße und die Beschaffenheit der Rohstoffe berücksichtigt. Diese Optimierung geht aber oft auf Kosten der Feuerfestigkeit.

Das gezielt einstellbare offene Porenvolumen ist eine Möglichkeit, um die Dehnungsbewegungen der aufgeheizten Materialkörner zumindest teilweise aufzufangen.

Es gibt auch Materialien, die aufgrund einer mineralogischen Umwandlung beim Aufheizen eine Volumenreduzierung vollziehen. Eine Reduzierung der Feuerfestigkeit ist auch hier die Folge.

Wo auf Materialien mit einem positiven Dehnungsverhalten nicht verzichtet werden kann, werden sogenannte Dehnfugen in die Konstruktion eingebaut. Dabei wird bei der Zustellung von feuerfester Auskleidung ein bestimmter Raum freigelassen, welcher sich dann entweder durch die beim Aufheizen einstellende Dehnung schließt, oder der Raum wird mit einem plastischen Feuerfest-Material ausgefüllt. Das Material läßt sich auch im oberen Temperaturbereich leichter plastisch verformen. Die Konstruktion wird nicht durch Spannungen belastet. Die gegenüberliegenden Seiten der Dehnfugen bewegen sich bei ansteigender Temperatur aufeinander zu. Die dazwischen befindliche plastische Masse wird zusammengedrückt.

Der relativ plastische Füllstoff in den Dehnfugen hat nicht die gleiche Feuerfestigkeit wie das umgebende Feuerfest-Material, so daß sich an dieser Stelle meist eine Schwachstelle und damit verbunden auch ein Sicherheitsrisiko befindet. Bei einer Abkühlung des Aggregats ziehen sich die Feuerfest-Materialien, die diese Dehnfugen bilden, wieder zusammen. Das sich in der Dehnfuge befindliche plastische Feuerfest-Material zeigt keine oder nur unzureichende Schrumpfung. Das führt zu einer offenen Materialtrennung. Aufgrund der geringeren Feuerfestigkeit der plastischen Füllmaterialien in Verbindung mit dem von dem Muttermaterial abweichenden Dehnungsverhalten fallen diese Materialien oftmals aus der Dehnfuge heraus. Ein großes Sicherheitsrisiko und die Notwendigkeit der Nachverfüllung sind die Folge.

Die Aufgabe der folgenden Erfindung besteht darin, eine feuerfeste Auskleidung bereitzustellen, bei der Dehnungs- und Schrumpfungsbewegungen ohne Spannungen erfolgen und bei der offene Materialtrennungen verhindert werden.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch mindestens zwei Fertigteile, enthaltend mindestens eine Nut und eine Feder. Die beiden Fertigteile arbeiten nach dem Prinzip von Nut und Feder. Die Feder des einen Fertigteils ist so in die Nut des anderen Fertigteiles eingepaßt, daß ein ausreichender Zwischenraum zwischen Nut und Feder erhalten bleibt, in welchen die Dehnungsbewegungen und Schrumpfungsbewegungen ablaufen können und in welchen die gegebenenfalls einzubringende plastische Feuerfest-Masse eingefüllt wird. Je nach Bedarf können auch mehrere Nut und Feder-Teile vorgesehen werden.

Wenn bei der Zustellung die plastische Füllmasse eingefüllt und verdichtet ist, ist die gesamte feuerfeste Auskleidung nach außen hin vollkommen homogen geschlossen. Die Verbindung zur zuzustellenden feuerfesten Auskleidung wird durch Eingießen, Einstampfen oder Einmauern der beiden Fertigteile in die feuerfeste Auskleidung hergestellt.

Wird die bei Raumtemperatur hergestellte feuerfeste Auskleidung auf Betriebstemperatur von etwa 1500°C aufgeheizt, bewegen sich die beiden Fertigteile des Nut und Feder-Systems bedingt durch die Dehnung aufeinander zu. Das dazwischen befindliche plastische Feuerfest-Material wird zusammengedrückt, ohne daß große Spannungen in der Auskleidung erzeugt werden.

Durch die Konstruktion des Nut und Feder-Systems wird die weniger feuerfeste plastische Füllmasse daran gehindert aus der Dehnfuge herauszufallen. Bilden sich nach einer Abkühlung und der damit verbundenen Schrumpfungen offene Materialtrennungen, bleibt genügend plastische Masse in dem dadurch geöffneten Zwischenraum zwischen den beiden Fertigteilen, ohne daß diese herausfallen kann.

In die sich bildenden Materialtrennungen dringt flüssiges Metall oder Schlacke ein. Auf dem Wege durch das Nut und Feder-System erfolgt aufgrund des Temperaturgradienten eine schnelle Abkühlung und Erhärtung der eindringenden Stoffe. Somit erfolgt eine Abdichtung durch sich selbst. Ein Durchbruch des flüssigen Mediums durch die gesamte Dicke von etwa 50 cm der feuerfesten Auskleidung kann nicht erfolgen, da diese durch das hochfeuerfeste Material des Nut und Feder -Systems nach außen hin abgesichert ist.

Selbst in den Fällen, wo das plastische Füllmaterial korrosiv verschleißen sollte, erfolgt automatisch der Abdichtungseffekt des Nut und Feder-Systems. Bei einer neuerlichen Aufheizung beginnt der Zyklus von neuem, wobei erneut ein relativ spannungsfreies Zusammendrücken des nunmehr neuen Gemenges aus plastischem Feuerfest-Material und eingedrungenem flüssigen, aber erstarrten Metall und Schlacke abläuft.

Durch Einbau zweier beweglicher Fertigteile können bedingt durch Temperaturschwankungen auftretende Dehnungs- oder Schrumpfungsbewegungen ohne Aufbau von Spannungen ablaufen. Durch Konstruktion eines Nut und Feder- Systems werden eventuell auftretende Materialtrennungen von selbst abgedichtet Es können mehrere Temperaturzyklen wiederholt ohne eine Schwächung der feuerfesten Auskleidung durch offene Dehnfugen ablaufen. Durch das von Spannung freie Ablaufen von Dehnungs- oder Schrumpfungsbewegungen werden keine offenen Spannungsrisse mehr gebildet, die die feuerfeste Auskleidung schwächen und daher repariert werden müssen. Betriebsstillstände der Aggregate werden vermieden und dementsprechend erheblich Kosten erspart. Die Laufzeiten der Aggregate werden verlängert, weil jeder Stillstand für eine Reparatur wieder mit neuen Abkühlungen und Aufheizungen verbunden ist, was für das Feuerfest- Material schädlich ist. Jeder offene Riß führt zu Auswaschungen im Rißbereich, was zu einem dortigen schnellen Verschleiß führt, obwohl das sonstige Grundmaterial betriebsbereit ist.

Das Fertigteil ist von 300 mm bis 500 mm breit und von 500 mm bis 700 mm tief. Das Fertigteil weist auf der zur Nut oder Feder entgegengesetzten Seite mindestens eine längliche Aushöhlung auf, die von 50 mm bis 200 mm tief und breit ist. Diese Fertigteile eignen sich besonders für den Einbau in die feuerfeste Auskleidung.

Das Fertigteil enthält die Bestandteile Al₂O₃, SiO₂, SiC und C, bevorzugt 55 Gew.-% bis 90 Gew.-% Al₂O₃, 3 Gew.-% bis 9 Gew.-% SiO₂, 3 Gew.-% bis 45 Gew.-% SiC und 2 Gew.-% bis 6 Gew.-% C und besonders bevorzugt 65 Gew.-% bis 80 Gew.-% Al₂O₃, 4 Gew.-% bis 7 Gew.-% SiO₂, 5 Gew.-% bis 35 Gew.-% SiC und 3 Gew.-% bis 5 Gew.-% C. Fertigteile mit dieser Zusammensetzung sind besonders gut zum Einbau in die feuerfeste Auskleidung geeignet.

Erfindungsgemäß ist eine feuerfeste Auskleidung mit mindestens zwei Fertigteilen vorgesehen, die mindestens eine Nut und mindestens eine Feder und die vorstehend genannte Zusammensetzung enthält. Ein Fertigteil kann mindestens eine Feder oder mindestens eine Nut sowie mindestens eine Feder und mindestens eine Nut aufweisen.

Erfindungsgemäß ist ein plastisches Material zum Füllen des Zwischenraumes der Nut und der Feder vorgesehen, das 50 Gew.-% bis 80 Gew.-% Al₂O₃, 3 Gew.-% bis 27 Gew.-% SiO₂, 5 Gew.-% bis 10 Gew.-% SiC und 5 Gew.-% bis 10 Gew.-% C und bevorzugt 52 Gew.-% bis 76 Gew.-% Al₂O₃, 3 Gew.-% bis 27 Gew.-% SiO₂, 7 Gew.-% bis 9 Gew.-% SiC und 8 Gew.-% bis 9 Gew.-% C enthält. Dieses plastische Material ist besonders gut zum Füllen des Zwischenraumes zwischen der Feder und der Nut geeignet.

Verfahren zur Herstellung einer feuerfesten Auskleidung, wobei die Auskleidung aus monolythischem Beton gegossen oder aus einzelnen Platten gesetzt wird und mindestens zwei Fertigteil enthaltend eine Nut und eine Feder.

Erfindungsgemäß ist die Verwendung von Fertigteilen mit mindestens einer Nut und einer Feder insbesondere zur Herstellung einer feuerfesten Auskleidung vorgesehen.

Erfindungsgemäß ist die Verwendung der Fertigteile in feuerfester Auskleidung in Stranggießanlagen, insbesondere als Verteiler, als Wandelement eines Stranggießverteilers, als Rinnensystem eines Hochofens oder Kupolofens und als Schnäbel von Rinnen, Schikanen sowie Barrieren vorgesehen. Im Rinnensystem eines Hochofens oder Kupolofens können die erfindungsgemäßen Fertigteile eingesetzt werden.

Der Tundish einer Stranggießanlage ist ein nach fünf Seiten hin geschlossenes Gefäß, welches mit Feuerfest-Material ausgekleidet ist. Dieses Material ist entweder konventionell mit Steinen gemauert oder mit einem monolithischen feuerfesten Beton ausgegossen worden. Zur Aufnahme der auftretenden Spannungen und Dehnungen wird vor dem Ausgießen mit Beton eine feuerfeste Fasermatte auf die Metallkonstruktion aufgeklebt, in die dann die Dehnung ablaufen kann. Bei den konventionell zugestellten Steinsystemen geht die Dehnung in der Regel in die zwischen den Steinen befindlichen Mörtelschichten. Bei eventuell unvermeidlichen Abkühlbewegungen kommt die unterschiedliche Dehnungseigenschaft des Mörtels im Vergleich zu den Steinen zum tragen und es kommt zu einer Materialtrennung. Die Materialtrennung wird in der Regel durch das neuerlich nach der Spritzmethode aufzubringende Verschleißfutter erhöht.

Wenn beim Gießen zu viel Schlacke mitgeführt wird und das Verschleißfutter frühzeitig chemisch weggefressen wird, dann dringt oftmals in die nicht gänzlich geschlossenen Fugen zwischen den Steinen flüssiges Eisen ein und führt zum Durchbruch der feuerfesten Auskleidung.

Dem kann mit einem vom Boden bis zum oberen Rand des Tundishs aufgemauerten Nut und Feder -System abgeholfen werden, welches grundsätzlich eine vollständige Abdichtung mit sich bringt und dennoch die Dehnungs- und Schrumpfungsbewegungen ablaufen läßt, ohne das Gesamtsystem mit Spannungen zu belasten, die weitere Risse nach sich ziehen.

Um die Sicherheit dieses sensiblen Aggregates zu erhöhen sollte man das Nut und Feder -Systems mit mindestens drei Nuten und Federn ausstatten, was keinen größeren Aufwand und Kosten nach sich zieht.

Das Rinnensystem eines Hochofens ist gekennzeichnet durch bis zu 20 m lange Rinnen aus monolithischem Beton. Diese große Länge hat bei einer Aufheizung auf eine Betriebstemperatur von über 1500°C eine enorme Längendehnung zur Folge.

Die hieraus resultierenden Spannungen führen trotz gezielt eingebauter Dehnfugen oftmals zu einem Überschreiten der Streckgrenzen des Systems, was zu einer vermehrten Rißbildung und im Extremfall auch zu einem Ablösen der gesamten Wand von der Gefäßkonstruktion führt. Es kommt sehr häufig vor, daß das plastische Füllmaterial dieser Dehnfugen im Laufe der Produktion sowohl erosiv als auch korrosiv verschleißt und quasi eine offene Schwachstelle des gesamten Systems darstellt. Die bei einem Durchbruch an diesen Schwachstellen auftretenden Schäden sind sehr nachteilig. Gerade in Zeiten der Höchstproduktion mit minimalem Erhaltungsaufwand muß das Gesamtsystem ohne die geringsten Risiken absolut funktionstüchtig sein. Das wird durch die erfindungsgemäße Dichtung mit Nut und Feder geleistet.

Die Erfindung wird anhand von einer Zeichnung und von Beispielen näher erläutert.

Zeichnung

Die Zeichnung besteht aus zwei Figuren. Es zeigen:

Fig. 1 ein erfindungsgemäßes Fertigteil nach dem Nut- und Federprinzips, nämlich das Teil, welches der Länge nach eine Verjüngung aufweist und als länglicher Kern ausgestattet ist und als Feder dient,

Fig. 2 ein erfindungsgemäßes Fertigteil nach dem Nut- und Federprinzips, nämlich das Teil, welches der Länge nach eine Aushöhlung aufweist und als länglicher Hülle für den Kern ausgestattet ist und als Nut dient.

Wie aus der Zeichnung ersichtlich ist, arbeiten die beiden Fertigteile nach den Prinzip von Nut (1) und Feder (2). Die Feder (2) des linken Fertigteils (A) gemäß Fig. 1 ist so in die Nut (1) des rechten Fertigteiles (B) gemäß Fig. 2 eingepaßt, daß ein ausreichender Zwischenraum zwischen Nut (1) und Feder (2) erhalten bleibt, in welchem die Dehnungsbewegungen und Schrumpfungsbewegungen ablaufen können und in den die eventuell einzubringende plastische Feuerfest-Masse eingefüllt wird. Erfindungsgemäß können mehrere Nut (1) und Federn (2) pro Fertigteil vorgesehen sein. Das Fertigteil (A) der Feder (2) und das Fertigteil (B) der Nut (1) weisen auf der gegenüberliegenden Seite mindestens eine Eintiefung oder Aushöhlung (3) auf. Das Fertigteil (A) weist auf der Seite der Feder (2) eine Abstufung (4) und ein verjüngtes Teil (5) auf. Die Fertigteile (A) und (B) sind etwa 500 mm breit. Die Aushöhlungen (3) sind etwa 100 mm tief und breit. Das sich nach der Abstufung (4) verjüngende Teil (5), der Kern, ist am Anfang der Verjüngung (a) etwa 250 mm breit und am Ende (b) etwa 180 mm breit. Das verjüngende Teil (5) ist etwa 300 mm tief (c). Die verjüngte Seite (b') in der Nut (1), die Hülle, ist etwa 200 mm breit und die breite Seite (a') etwa 280 mm breit. Die Nut (1) ist etwa 300 mm tief (c'). Die Seiten (a), (b) und (c) messen von 200 mm bis 300 mm, von 150 mm bis 200 mm und von 250 mm bis 350 mm. Die Seiten (a'), (b') und (c') messen von 250 mm bis 350 mm, von 180 mm bis 250 mm und von 250 mm bis 350 mm.

Wenn bei der Zustellung die plastische Füllmasse in den Zwischenraum zwischen der Nut (1) und Feder (2) eingefüllt und verdichtet ist, ist die gesamte feuerfeste Auskleidung nach außen hin vollkommen homogen geschlossen. Die Verbindung zur zuzustellenden feuerfesten Auskleidung wird durch Eingießen, Einstampfen oder Einmauern der beiden Fertigteile (A) und (B) in die feuerfeste Auskleidung hergestellt.

Beispiele Beispiel 1 Tundish

Ein Tundish einer Stranggießanlage wurde mit Feuerfest-Material ausgekleidet. Das Material wurde konventionell mit Steinen gemauert, wobei zwei Fertigteile nach dem Nut und Feder-Prinzip eingesetzt wurden. Das Nut und Feder -System wurde vom Boden bis zum oberen Rand des Tundish aufgemauert. Selbst nach einer Betriebsdauer von 150 Stunden konnte keine Materialtrennung beobachtet werden.

Vergleichsbeispiel 1 Tundish

Ein Tundish einer Stranggießanlage wurde mit Feuerfest-Material ausgekleidet. Das Material wurde konventionell mit Steinen gemauert. Schon nach einer Betriebsdauer von 12 Stunden konnte beobachtet werden, wie es zu einer Materialtrennung zwischen dem Mörtel und den Steinen kam. Nach weiteren 100 Stunden konnte beobachtet werden, wie das Verschleißfutter an einigen Stellen weggefressen war. Nach weiteren 50 Stunden drang in die nicht gänzlich geschlossenen Fugen zwischen den Steinen flüssiges Eisen ein, was zum Ende der feuerfesten Auskleidung führte.

Beispiel 2 Rinnensystem einer Hochofengießbühne

Eine 20 m lange Rinne aus monolithischem Beton wurde bei einer Betriebstemperatur von 1500°C betrieben. In der Rinne wurden zwei Fertigteile nach dem Nut und Feder-System im Fuchsbereich eingebaut. Es wurde selbst nach 14 Tagen kein Verschleiß des plastischen Füllmaterials und kein Durchbruch an diesen Stellen beobachtet.

Vergleichsbeispiel 2

Eine 20 m lange Rinne aus monolithischem Beton wurde bei einer Betriebstemperatur von 1500°C betrieben. In der Rinne wurde eine Dehnfuge im Bereich des eingesetzt und mit plastischem Material gefüllt. Es wurde schon nach fünf Tagen ein deutlicher Verschleiß des plastischen Füllmaterials beobachtet.

Claims (10)

1. Fertigteile, enthaltend mindestens eine Nut (1) und mindestens eine Feder (2).

2. Fertigteile nach Anspruch 1, wobei das jeweilig Fertigteil auf der zur Nut (1) oder Feder (2) entgegengesetzten Seite mindestens eine längliche Aushöhlung (3) aufweist.

3. Fertigteile nach Anspruch 1 oder 2, enthaltend die Bestandteile Al₂O₃, SiO₂, SiC und C.

4. Fertigteile nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, enthaltend 55 Gew.-% bis 90 Gew.-% Al₂O₃, 3 Gew.-% bis 9 Gew.-% SiO₂, 3 Gew.-% bis 45 Gew.-% SiC und 2 Gew.-% bis 6 Gew.-% C.

5. Fertigteil nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, enthaltend 65 Gew.-% bis 80 Gew.-% Al₂O₃, 4 Gew.-% bis 7 Gew.-% SiO₂, 5 Gew.-% bis 35 Gew.-% SiC und 3 Gew.-% bis 5 Gew.-% C.

6. Feuerfeste Auskleidung mit mindestens zwei Fertigteilen, enthaltend mindestens eine Nut (1) und und mindestens eine Feder (2) und weiter enthaltend eine Zusammensetzung nach einem oder mehreren der Ansprüche 3 bis 5.

7. Plastisches Material zum Füllen des Zwischenraumes zwischen der Nut (1) und der Feder (2), enthaltend 50 Gew.-% bis 80 Gew.-% Al₂O₃, 3 Gew.-% bis 27 Gew.-% SiO₂, 5 Gew.-% bis 10 Gew.-% SiC und 5 Gew.-% bis 10 Gew.-% C.

8. Plastisches Material nach Anspruch 7, enthaltend 52 Gew.-% bis 76 Gew.-% Al₂O₃, 3 Gew.-% bis 27 Gew.-% SiO₂, 7 Gew.-% bis 9 Gew.-% SiC und 8 Gew.-% bis 9 Gew.-% C.

9. Verfahren zur Herstellung einer feuerfesten Auskleidung nach Anspruch 6, wobei die Auskleidung aus monolythischem Beton gegossen oder aus einzelnen Platten gesetzt wird und mindestens zwei Fertigteile mit mindestens einer Nut (1) und mindestens einer Feder (2) aufweist.

10. Verwendung mindestens einer Nut (1) und mindestens einer Feder (2) zur Herstellung einer feuerfesten Auskleidung.