DE19750040C1 - Feuerfester keramischer Lochstein - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen feuerfesten keramischen Lochstein mit einer ersten, oberen Stirnfläche und einer zweiten, unteren Stirnfläche, sowie einer Durchgangsöffnung zwischen den Stirnflächen.

Ein solcher Lochstein dient beispielsweise der Aufnahme eines Gasspülsteines. In diesem Fall weist die Durchgangsöffnung - analog der Form des Gasspülsteines - häufig eine Kegelstumpfform auf.

Lochsteine der genannten Art sind auch als Bestandteile von Schieberverschlüssen bekannt.

Einen im wesentlichen analogen Aufbau zu den genannten Lochsteinen zeigen auch sogenannte Lochsteinhülsen, die wie die zuvor genannten Gasspülsteine, nachstehend zusammengefaßt unter den Begriff "Lochstein" subsumiert werden.

Üblicherweise besteht ein Lochstein aus einer mehr oder weniger dichten keramischen Matrix. Der Lochstein kann gegossen, gestampft oder gepreßt sein.

Der Lochstein wird in eine Wand oder einen Boden eines metallurgischen Schmelzgefäßes, beispielsweise eine Stahlgießpfanne, eingebaut, meist eingemörtelt. Die eine (obere) Stirnfläche des Lochsteines ist entsprechend der Metallschmelze zugewandt. Dieses Ende wird auch als das "heiße Ende" bezeichnet. Das gegenüberliegende, nach dem Einbau außenliegende Ende des Lochsteines ist das sogenannte "kalte Ende".

Im Betrieb kommt es entsprechend zwischen dem "heißen Ende" und "kalten Ende" zur Ausbildung eines Temperaturgradienten in Axialrichtung des Spülsteines (entsprechend der Mittenlängsachse der Durchgangsöffnung).

Durch diese ungleichmäßige thermische Beanspruchung kommt es häufig zu horizontalen Rissen, also Rissen, die parallel zu den Stirnflächen des Lochsteines verlaufen. Diese Risse werden meist im Abstand von 5 bis 20 cm vom "heißen Ende" des Lochsteins beobachtet. Da der Lochstein insbesondere in Richtung auf das "kalte Ende" erst verzögert versintert ist der Rißfortschritt relativ schnell und kann bis zu einem Ablösen des "Lochsteinkopfes", also des der Schmelze zugewandten Abschnittes des Lochsteines führen. Für die Rißbildung und den Rißfortschritt in diesem thermisch beanspruchten Bereich kann auch eine Schwächung der Zementbindung verantwortlich sein, soweit der Lochstein aus einer zementgebundenen Masse besteht.

Neben diesen horizontalen Rissen werden auch vertikale Risse (also parallel zur Mittenlängsachse der Durchgangsöffnung) beobachtet, die sich meist als sogenannte "Kreuzrisse" ausbilden, also radial von der Durchgangsöffnung nach außen beziehungsweise von einer Stirnfläche zur anderen Stirnfläche verlaufen.

In jedem Fall kommt es zu einer erheblichen Verkürzung der Standzeit des Lochsteines.

Insbesondere bei gegossenen Lochsteinen hat man versucht, durch Zusatz von Stahlnadeln die Standzeit zu verlängern. Die Wirkung der Stahlnadeln, die als diskrete Elemente vereinzelt im Matrixmaterial vorliegen, ist jedoch allenfalls sehr gering.

Der Erfindung liegt insoweit die Aufgabe zugrunde, einen Lochstein der genannten Art anzubieten, der unempfindlicher gegen eine Rißbildung ist und dessen Standzeit gegenüber konventionellen Lochsteinen verbessert ist.

Dabei liegt der Erfindung die Erkenntnis zugrunde, daß die Rißbildung als solche zwar nicht verhindert werden kann, jedoch der Rißfortschritt. Um den Rißfortschritt zu verhindern reicht jedoch das Einstreuen vereinzelter Stahlnadeln nicht. In Vorversuchen wurde vielmehr ermittelt, daß der Rißfortschritt nur dann merklich reduziert werden kann, wenn eine "kompaktere Armierung" beziehungsweise ein unterschiedliches Gefüge im Matrixmaterial des Lochsteines ausgebildet wird.

Dies vorausgeschickt betrifft die Erfindung in ihrer allgemeinsten Ausführungsform einen feuerfesten keramischen Lochstein mit einer ersten, oberen Stirnfläche und einer zweiten, unteren Stirnfläche sowie einer Durchgangsöffnung zwischen den Stirnflächen, wobei der Lochstein aus einer monolithischen, feuerfesten keramischen Matrix und mindestens einem, innerhalb der Matrix angeordneten Armierungskörper besteht, der in Axialrichtung der Mittenlängsachse der Durchgangsöffnung zwischen den Stirnflächen des Lochsteines angeordnet ist.

Ein wesentliches Merkmal ist der in Axialrichtung des Lochsteines angeordnete Armierungskörper, der sich entsprechend über eine gewisse Strecke zwischen den Stirnflächen des Lochsteines erstreckt.

Aufgrund der eingangs geschilderten Beobachtung bei der Rißbildung empfiehlt es sich, den Armierungskörper insbesondere in dem, der ersten (oberen) Stirnfläche benachbarten Abschnitt des Lochsteines anzuordnen.

Aus herstellungstechnischen Gründen wird es jedoch häufig zweckmäßig sein, den Armierungskörper über die gesamte Höhe des Lochsteines oder nahezu über die gesamte Höhe des Lochsteines zwischen den Stirnflächen anzuordnen.

Betrachtet man - gedanklich - diesen Lochstein entlang einer Schnittfläche zwischen und parallel zu den Stirnflächen, so ergibt sich folgender Aufbau:

Der Durchgangsöffnung benachbart verläuft zunächst das monolithische Matrixmaterial des Lochsteines. Nach außen schließt sich eine "Zwischenschicht" an, die von dem genannten Armierungskörper gebildet wird. Dahinter, weiter nach außen, folgt ein weiterer Abschnitt des monolithischen Matrixmaterials.

Auf diese Weise wird insbesondere ein horizontaler Riß im Bereich des Armierungskörpers nennenswert am Rißfortschritt gehindert.

Der Armierungskörper kann eine unterschiedliche Form und Größe aufweisen.

Nach einer Ausführungsform ist der Armierungskörper zylinderartig gestaltet. Er verläuft dann beispielsweise konzentrisch zur Mittenlängsachse der Durchgangsöffnung.

Eine andere Ausführungsform sieht vor, den Armierungskörper plattenförmig und/oder wabenartig zu gestalten. Der Begriff "wabenartig" ist dabei so zu verstehen, daß der Körper selbst Durchbrechungen aufweist, die bei der Herstellung des Lochsteines mit der umgebenden monolithischen Masse verfüllt werden können. Um auch in diesem Bereich einen Rißfortschritt zu erschweren oder zu verhindern sollen die Durchbrechungen jedoch so gestaltet sein, daß keine durchgehende radiale Öffnung (in Axialrichtung des Lochsteines betrachtet) vorhanden ist. Bei derartigen plattenförmigen Elementen handelt es sich insbesondere um gebrannte Armierungskörper, die entsprechend eine deutlich höhere Dichte als das umgebende monolithische Matrixmaterial aufweisen.

Bei einem in der Aufsicht reckteckigen (quadratischen) Lochstein können beispielsweise 4 plattenförmige Körper parallel zu den seitlichen Wandflächen des Lochsteins im Matrixmaterial angeordnet werden.

Durch eine rotationssymmetrische Anordnung (in Bezug auf die Mittenlängsachse der Durchgangsöffnung) wird ein symmetrischer Aufbau des Lochsteines erreicht, so daß der Rißfortschritt gleichmäßig in allen Richtungen gehemmt wird.

Nach einer anderen Ausführungsform besteht der Armierungskörper aus einem Draht- oder Fasergeflecht, einem Draht- oder Fasergewebe oder einem Draht- oder Fasergewirke.

Hierdurch ergibt sich eine "verschlungene Struktur" der entsprechenden Drähte oder Fasern, wobei die "Dichte" von Fall zu Fall eingestellt werden kann.

Wie im Fall der genannten wabenartigen Platten ist es auch hier möglich, bei der Herstellung des Lochsteines die Zwischenräume zwischen den Drähten oder Fasern mit dem monolithischen Matrixmaterial auszufüllen. Aufgrund der dichten und gerichteten Struktur der Geflechte, Gewebe oder Gewirke wird jedoch eine zuverlässige "Barriere" geschaffen, die etwaige Risse am Rißfortschritt hindert oder diesen zumindest verzögert.

Die Drähte können beispielsweise aus Stahl bestehen. Als Fasermaterialien eignen sich insbesondere hochtemperaturbeständige, keramische Fasern.

Die Dicke der Armierungskörper (senkrecht zur Mittenlängsachse der Durchgangsöffnung betrachtet) beträgt nach einer Ausführungsform 0,5 bis 8,0 cm. Im Fall "dichter" Armierungskörper, beispielsweise der genannten Platten, wird die Dicke eher am unteren Ende liegen, während die Dicke bei den genannten Geweben oder Gewirken beispielsweise 1 bis 4 cm betragen wird, um so sicherzustellen, daß - radial zur Mittenlängsachse der Durchgangsöffnung betrachtet - einzelne Draht- oder Faserabschnitte auch versetzt hintereinander verlaufen.

Wie ausgeführt liegt der Grundgedanke der Erfindung in der Änderung der Struktur des Lochsteines. Hinsichtlich der Materialauswahl unterliegt die Erfindung keinen Beschränkungen.

So kann das feuerfeste keramische Matrixmaterial ein üblicher feuerfester keramischer Werkstoff auf Basis Aluminiumoxid, beispielsweise zementgebunden, sein. Auch die genannten Platten oder Waben können aus einem solchen Werkstoff hergestellt sein.

Das Matrixmaterial kann aus einer Gieß- oder Stampfmasse bestehen. In diesem Fall erfolgt die Herstellung des Lochsteines wie folgt:

In eine Form wird eine Schablone eingelegt, die die Form der späteren Durchgangsöffnung besitzt. Danach wird entweder eine erste Menge der Gießmasse in den Bereich zwischen Schablone und Forminnenwand gefüllt oder der Armierungskörper unmittelbar auf den Boden der Form aufgestellt. Danach wird die Form vollständig weiter mit Gießmasse gefüllt.

Soweit Armierungskörper verwendet werden, die selbst "offenporig" in dem Sinne sind, daß sie Durchgangsöffnungen aufweisen, erfolgt dabei gleichzeitig eine Verfüllung dieser Poren oder Öffnungen mit dem monolithischen Matrixmaterial.

Dies gilt insbesondere für die genannten Armierungen aus einem Drahtgeflecht oder dergleichen.

Sobald der Lochstein die notwendige Grünstandfestigkeit aufweist kann er entformt und in bekannter Art und Weise weiter verarbeitet beziehungsweise eingesetzt werden.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Merkmalen der Unteransprüche sowie den sonstigen Anmeldungsunterlagen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand zweier Ausführungsbeispiele näher erläutert.

Dabei zeigen - jeweils in schematisierter Darstellung -

Fig. 1: einen Vertikalschnitt durch eine erste Ausführungsform eines Lochsteines,

Fig. 2: eine Aufsicht auf den Lochstein nach Fig. 1 entlang der Schnittebene II-II,

Fig. 3: einen Vertikalschnitt durch eine zweite Ausführungsform eines Lochsteines,

Fig. 4: eine Aufsicht auf den Lochstein nach Fig. 3 entlang der Schnittebene IV-IV.

In den Figuren sind gleiche oder gleichwirkende Bauteile mit gleichen Bezugsziffern dargestellt.

In Fig. 1 kennzeichnet das Bezugszeichen 10 einen Lochstein insgesamt. Der Lochstein besitzt eine erste, obere Stirnfläche 12 (sogenanntes "heißes Ende") und eine zweite, untere Stirnfläche 14 (sogenanntes "kaltes Ende").

Zwischen den Stirnflächen 12, 14 verläuft eine Durchgangsöffnung 16 mit Kegelstumpfform. Mit dem Bezugszeichen 18 ist die Mittenlängsachse der Durchgangsöffnung 16 bezeichnet.

Der Lochstein 10 besteht aus einem monolithischen, keramischen Matrixkörper 20, der aus einer feuerfesten Gießmasse auf Basis Aluminiumoxid hergestellt wurde.

In der Matrix 20 ist ein Armierungskörper 22 angeordnet, der hier aus einem selbsttragenden Drahtgeflecht besteht und eine Zylinderform besitzt, wie Fig. 2 zeigt.

Der Körper 22 läuft von der oberen Stirnfläche 22 durchgehend bis zur unteren Stirnfläche 14.

Das Drahtgeflecht besitzt eine Dicke d von 2 cm und die einzelnen Drähte verlaufen mehr oder weniger durchgehend, jedoch unregelmäßig in ihrer Form zwischen den Stirnflächen 12, 14. Die Zwischenräume zwischen den Drähten sind mit dem keramischen Matrixmaterial 20 ausgefüllt.

Der Körper 22 kann auch eine andere Form besitzen, beispielsweise eine Kegelstumpfform, wobei beispielsweise das schmalere Ende der Stirnfläche 14 und das größere Ende der Stirnfläche 12 benachbart ist, also genau umgekehrt zur Durchgangsöffnung 16.

Eine weitere Ausführungsform beschreiben die Fig. 3, 4. Hier sind insgesamt vier Armierungskörper 22 im Matrixmaterial 20 angeordnet. Die Armierungskörper 22 bestehen aus gebrannten keramischen Platten und verlaufen zwischen den Stirnflächen 12, 14 im wesentlichen parallel zu den äußeren Seitenwänden 10a bis 10d des Lochsteines 10.

Wie eingangs ausgeführt kann es genügen, wenn die Armierungskörper 22 im "oberen" Abschnitt des Lochsteines, also der Stirnfläche 12 benachbart, angeordnet sind.

Claims (12)

1. Feuerfester keramischer Lochstein (10) mit einer ersten, oberen Stirnfläche (12) und einer zweiten, unteren Stirnfläche (14) sowie einer Durchgangsöffnung (16) zwischen den Stirnflächen (12, 14) aus einer monolithischen, feuerfesten keramischen Matrix (20) und mindestens einem, innerhalb der Matrix (20) angeordneten Armierungskörper (22), der in Axialrichtung der Mittenlängsachse (18) der Durchgangsöffnung (16) zwischen den Stirnflächen (12, 14) des Lochsteines (10) angeordnet ist.

2. Lochstein nach Anspruch 1, bei dem die Matrix (20) aus einem feuerfesten keramischen Werkstoff auf Basis Aluminiumoxid besteht.

3. Lochstein nach Anspruch 1, bei dem die Matrix (20) aus einer Gieß- oder Stampfmasse besteht.

4. Lochstein nach Anspruch 1, bei der der Armierungskörper (22) eine Zylinderform aufweist.

5. Lochstein nach Anspruch 4, bei der der Armierungskörper (22) konzentrisch zur Mittenlängsachse (18) der Durchgangsöffnung (16) verläuft.

6. Lochstein nach Anspruch 1, bei dem der Armierungskörper (22) plattenförmig oder wabenartig gestaltet ist.

7. Lochstein nach Anspruch 6, bei dem mehrere plattenförmige Armierungskörper (22) in der Matrix (20) verteilt angeordnet sind.

8. Lochstein nach Anspruch 7, bei dem die Armierungskörper um die Mittenlängsachse (18) der Durchgangsöffnung (16) rotationssymmetrisch verteilt angeordnet sind.

9. Lochstein nach Anspruch 1, bei dem der Armierungskörper (22) aus einem Draht- oder Fasergeflecht, einem Draht- oder Fasergewebe oder einem Draht- oder Fasergewirke besteht.

10. Lochstein nach Anspruch 9, bei dem der Armierungskörper (22) aus Stahldrähten oder keramischen Fasern besteht.

11. Lochstein nach Anspruch 1, bei dem der Armierungskörper (22) aus einem gebrannten keramischen Werkstoff besteht.

12. Lochstein nach Anspruch 1, bei dem der Armierungskörper (22) eine Dicke, senkrecht zur Mittenlängsachse (18) der Durchgangsöffnung (16), zwischen 0,5 und 8,0 cm aufweist.