DE19727304C1 - Dichtungsmasse und Dichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Dichtungsmasse sowie eine unter Verwendung der Dichtungsmasse hergestellte geformte Dichtung zur Anwendung im Hochtemperaturbereich bis etwa 1600°C.

Der Stand der Technik und die Erfindung werden nachstehend am Beispiel der Abdichtung feuerfester keramischer Bauteile für metallurgische Anwendungen näher beschrieben, ohne insoweit jedoch eine anwendungsmäßige Beschränkung zu formulieren.

Zum Beispiel im Bereich der Sekundärmetallurgie, zur Abdichtung einer feuerfesten keramischen Hülse gegenüber einer Schieberplatte, zur Abdichtung einer Schieberplatte (eines Schieberausgusses) gegenüber einem Wechselausguß, zur Abdichtung eines Eintauchausgusses gegenüber einem Wechselausguß sowie überall dort, wo beispielsweise zwei feuerfeste keramische Bauteile gegen Ansaugen von Luft abgedichtet werden müssen können Dichtmassen und Dichtungen der gattungsgemäßen Art Anwendung finden.

Dichtungen müssen dabei sowohl an kalten wie auch an heißen Bauteilen eingesetzt werden. In jedem Fall unterliegen die Bauteile und damit die zugehörigen Dichtungen einer erheblichen thermischen Belastung.

Man hat die genannten Kontaktbereiche benachbarter feuerfester keramischer Bauteile in der Vergangenheit beispielsweise mit keramischen feuerfesten Mörteln abgedichtet. Nachteilig ist dabei, daß die meist mit Wasser angemachte Mörtelmasse anschließend trocknet und schrumpft und dabei ihre Dichtfunktion zum Teil erheblich einbüßt. Außerdem ist das Mörteln ein aufwendiger Arbeitsschritt (DE 40 25 956 A1).

In der DE 40 25 956 A1 wird alternativ vorgeschlagen, den Mörtel aus einer bei Betriebstemperatur blähenden Masse zu bilden und in einer Hülle zu konfektionieren. Mit dieser "Dichtung" kann zum Beispiel der kegelstumpfförmige Ringspalt zwischen einem kegelstumpfförmigen Spülstein und einem korrespondierenden Lochstein abgedichtet werden. Die Montage der bekannten Dichtung stellt eine deutliche Vereinfachung gegenüber dem bekannten Aufmörteln eines monolithischen Mörtels dar. Bei höheren Temperaturen härtet die Masse jedoch aus und kann Spaltänderungen während des Betriebs nicht mehr kompensieren.

In der EP 0 424 502 B1 wird eine Ringdichtung auf Graphitbasis beschrieben. Graphit ist jedoch äußerst empfindlich gegenüber Sauerstoff. Die bekannte Dichtung läßt sich deshalb nur dort einsetzen, wo ein sicherer Schutz vor Sauerstoffzutritt besteht.

Von der North American Refractories Co. wird unter der Kennzeichnung Krojoc ein Dichtungsring angeboten, der unter anderem etwa 80 Gew.-% Al₂O₃ und etwa 5 Gew.-% Graphit enthält. Diese Dichtung ist jedoch nur bis etwa 450°C plastisch und versprödet bei höheren Anwendungstemperaturen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Dichtungsmasse und eine Dichtung anzubieten, die bis zu Anwendungstemperaturen von ca. 1600°C ihre plastischen Eigenschaften behält und entsprechend auch im Betrieb bei hohen Temperaturen Form- und Positionsänderungen benachbarter feuerfeste Bauteile sicher kompensieren und beispielsweise einen Luftzutritt zuverlässig verhindern kann. Die Masse/Dichtung soll ferner möglichst kompressibel sein.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß dazu vor allem eine Dichtung auf Graphitbasis geeignet ist, wobei der Graphitanteil zwischen 30 und 60 Gew.-% der Gesamtmasse betragen soll, entsprechend einem Volumenanteil zwischen 45 und 90%.

Wegen der großen Empfindlichkeit des Kohlenstoffs (Graphit) gegenüber Sauerstoff müssen die Kohlenstoffpartikel zusätzlich gegen Oxidation geschützt werden.

Erfindungsgemäß geschieht dies durch verschiedene Oxide, die Zwangsbestandteil der Dichtungsmasse sind, wobei diese Oxide so augewählt werden, daß sie innerhalb bestimmter Temperaturintervalle glasartige Schmelzphasen bilden, die den einzelnen Kohlenstoffpartikeln quasi eine Art "Schutzhülle" verleihen und so vor Oxidation schützen.

In diesem Zusammenhang spielt folgender ergänzender Erfindungsgedanke eine wichtige Rolle:

Um die plastischen Eigenschaften der Dichtungsmasse über das gesamte Temperaturspektrum (von 20 bis 1600°C) sicherzustellen enthält die Dichtungsmasse verschiedene Oxide, die untereinander in verschiedenen Temperaturintervallen die gewünschten glasigen Schmelzen bilden.

So schützt B₂O₃ (zugegeben zum Beispiel als Borax) den Kohlenstoff beispielsweise im Temperaturbereich von 500 bis 800°C, weil Borax in diesem Temperaturbereich aufschmilzt und die Schmelzphase den gewünschten Schutz für die Graphitteilchen schafft.

Bei höheren Temperaturen kann eine weitere Schmelzphase aus der Komponente SiO, gebildet werden, wobei sich das Schmelzintervall durch Zugabe verschiedener Flußmittel wie K₂O oder Na₂O in verschiedenen Masseanteilen auf den jeweiligen Anwendungsfall einstellen läßt.

Bei noch höheren Temperaturen (bis 1600°C) finden vor allem hochtemperaturbeständige Oxide wie Al₂O₃ als Bestandteil der Dichtungsmasse Anwendung, dessen Schmelztemperatur entweder durch analoge Flußmittel und/oder die bei niedrigeren Temperaturen zuvor bereits gebildeten Schmelzen herabgesetzt wird.

In ihrer allgemeinsten Ausführungsform betrifft die Erfindung eine feuerfeste, bis zu einer Anwendungstemperatur von 1600°C plastische und kompressible Dichtungsmasse aus 30 bis 60 Gew.-% Graphit sowie verschiedenen, im Temperaturbereich zwischen 450 und 1600°C unterschiedliche glasige Schmelzphasen bildenden Oxiden, wie sie beispielhaft vorstehend genannt sind.

In Vorversuchen wurde festgestellt, daß, ausgehend von dem genannten Masseanteil des Graphits, die Anteile verschiedener Oxide beispielsweise wie folgt sein können:

• - SiO₂: 18 und 28 Gew.-%,
• - Al₂O₃: 8 und 18 Gew.-%
• - Na₂O und/oder K₂O: jeweils 1 und 6 Gew.-%, wobei der Anteil an Na₂O und K₂O ingesamt 6 Gew.-% nicht übersteigen sollte,
• - B₂O₃ 4 und 10 Gew.-%.

Die Dichtungsmasse kann auch einen Anteil zwischen 2 und 10 Gew.-% feinteiliges Silicium-Metall aufweisen. Si-Metall bildet ebenfalls einen wirksamen Oxidationsschutz gegenüber Kohlenstoff, insbesondere bei höheren Temperaturen, unter Bildung von SiC.

Die Begrenzung auf maximal 10 Gew.-% metallisches Silicium ist wichtig, um die plastischen Eigenschaften der Masse/Dichtung auch im Hochtemperaturbereich sicherzustellen.

Im Temperaturbereich bis zu Beginn der ersten Schmelzphase, in der Regel im Bereich bis etwa 500°C, ist die Dichtungsmasse selbst plastisch verformbar.

Bei höheren Temperaturen werden die gewünschten plastischen Eigenschaften maßgeblich durch die genannten Schmelzphasen sichergestellt, die insoweit neben dem Oxidationsschutz eine weitere wichtige Aufgabe erfüllen.

Der Graphitanteil kann bis zu 10 Gew.-%, bezogen auf die Gesamtmasse, durch andere Kohlenstoffträger wie Ruß ersetzt sein, ohne die genannten Eigenschaften der Dichtungsmasse grundsätzlich zu verschlechtern, wenngleich eine Dichtungsmasse, deren Kohlenstoffgehalt ausschließlich aus Graphit, vorzugsweise einer Teilchengröße zwischen 30 und 100 µm besteht, in besonderem Maße für die oben genannten Anwendungen geeignet ist.

Die Dichtungsmasse kann - je nach Anwendungsfall - als solche oder als dreidimensionaler Formkörper konfektioniert verarbeitet werden.

Die Form der Dichtung kann grundsätzlich beliebig sein. Sie wird sich in erster Linie nach der Anwendung richten. Zur Abdichtung zwischen einer Hülse und einem Schieberverschluß (einer Schieberplatte) kann die Dichtung zum Beispiel die Form eines Rings oder einer (flachen) Scheibe haben.

Um einen konischen Gasspülstein gegenüber einer korrespondierenden Lochsteinöffnung abzudichten kann die Dichtung als vorkonfektionierter Zylinder mit Kegelstumpfform ausgebildet sein, der auf den Gasspülkegel vor dem Einsetzen in den Lochstein aufgelegt wird.

Bei diesen Anwendungen kann neben der Plastizität (Flexibilität, Biegbarkeit) der Dichtung auch die Formbeständigkeit (in der jeweiligen Vorkonfektionierung) wichtig sein. Hierzu sieht eine Weiterbildung der Erfindung vor, die Dichtung mit einem mittig angeordneten Träger für die Dichtungsmasse auszubilden, wodurch eine Art Armierung geschaffen wird.

Der Träger kann zum Beispiel aus einer feuerfesten Fasermatte oder einem feuerfesten Gewebe bestehen.

Auch eine einseitige Deckschicht aus einem solchen Gewebe oder einer solchen Matte ist möglich. Als Werkstoff eignen sich zum Beispiel keramische Materialien, zum Beispiel auf Basis Al₂O₃.

Eine weitere Ausführungsform sieht vor, daß mindestens eine Oberfläche der Dichtung von einem Papier oder einer Folie, zum Beispiel einer Kunststoffolie, abgedeckt ist. Diese Abdeckung hat vor allem die Funktion, die Montage zu erleichtern, indem die klebrige Dichtungsmasse geschützt wird.

Die Dichtung kann eine beliebige Dicke und Größe aufweisen. Üblicherweise wird eine Gesamtdicke zwischen 2 und 10 mm ausreichen, die Dichtungsfunktion bei den genannten metallurgischen Anwendungen zu erfüllen.

Die beschriebene Dichtungsmasse beziehungsweise Dichtung besitzt ferner eine geringe Wärmeleitfähigkeit und ist über das gesamte genannte Temperaturintervall kompressibel.

Claims (11)

1. Feuerfeste, bis zu einer Anwendungstemperatur von 1600°C plastische und kompressible Dichtungsmasse aus 30 bis 60 Gew.-% Graphit sowie verschiedenen, im Temperaturbereich zwischen 450 und 1600°C innerhalb bestimmter Temperatur­ intervalle unterschiedliche glasige Schmelzphasen bildenden Oxiden, die die einzelnen Kohlenstoffpartikel vor Oxidation schützen.

2. Dichtungsmasse nach Anspruch 1, bei der die Oxide aus SiO₂, Al₂O₃, Na₂O, K₂O und/oder B₂O₃ bestehen.

3. Dichtungsmasse nach Anspruch 2, mit einem Anteil an SiO zwischen 18 und 28 Gew.-%, Al₂O₃ zwischen 8 und 18 Gew.-%, Na₂O zwischen 1 und 6 Gew.-%, K₂O zwischen 1 und 6 Gew.-% und/oder B₂O₃ zwischen 4 und 10 Gew.-%.

4. Dichtungsmasse nach Anspruch 1 mit einem Anteil zwischen 2 und 10 Gew.-% metallischem Silicium.

5. Dichtungsmasse nach Anspruch 1, bei der der Graphitanteil bis zu 10 Gew.-%, bezogen auf die Gesamtmasse, durch andere Kohlenstoffträger wie Ruß ersetzt ist.

6. Dichtung aus einer Dichtungsmasse nach einem der Ansprüche 1 bis 5, konfektioniert als dreidimensionaler Formkörper.

7. Dichtung nach Anspruch 6, konfektioniert als Schnur, Ring, Scheibe, Zylinder, Kegel oder Kegelstumpf.

8. Dichtung nach Anspruch 6 mit einem einseitig oder mittig angeordneten Träger für die Dichtungsmasse.

9. Dichtung nach Anspruch 8, bei der der Träger aus einer feuerfesten Fasermatte oder einem feuerfesten Gewebe besteht.

10. Dichtung nach Anspruch 6, bei der mindestens eine Oberfläche von einem Papier oder einer Folie abgedeckt ist.

11. Dichtung nach Anspruch 6 mit einer Gesamtdicke zwischen 2 und 10 mm.