DE2213392A1

DE2213392A1 - Verfahren zur zustellung metallurgischer oefen

Info

Publication number: DE2213392A1
Application number: DE2213392A
Authority: DE
Inventors: Siegfried Forhaeuser; Helmut Dr Kohl; Detmar Mantell
Original assignee: VERTRIEBSGESELLSCHAFT fur FEU; Rheinstahl AG
Current assignee: VERTRIEBSGESELLSCHAFT fur FEU; Rheinstahl AG
Priority date: 1972-03-20
Filing date: 1972-03-20
Publication date: 1973-10-11
Also published as: DK130551C; US3837630A; BE796875A; GB1404274A; NL7303794A; CH589831A5; NO134434C; IT981493B; NO134434B; DE2213392B2; FR2180681A1; JPS4918704A; FR2180681B1; DK130551B; ES412759A1

Description

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Essen, den 17. März 1972 PZ 272

Patentanmeldung:

"Verfahren zur Zustellung metallurgischer Öfen" Anmelder: Rheinstahl AG, Essen und Vertriebsgesellschaft für feuerfeste und gießtechnische Erzeugnisse mbH, Viersen

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Zustellung metallurgischer Öfen, insbesondere von Induktionsöfen, bei dem ein ein Sintermittel enthaltendes, körniges und trockenes Feuerfestmaterial in den von einer Ofenwandung und einer Schablone gebildeten Hohlraum eingefüllt und verdichtet und anschließend durch Erhitzen keramisch gesintert wird.

Metallurgische Öfen zum Aufschmelzen und/oder zur Behandlung von Eisen und Stahl werden vielfach, sofern sie nicht mit feuerfesten Steinen ausgemauert werden, mit feuerfesten Stampfmassen unter Verwendung von Schablonen zugestellt. Das gilt insbesondere für Induktionsöfen, deren Verschleißtiegel im allgemeinen mit plastischen, halbplastischen und/oder trockenen Feuerfestmassen auf der Basis SiO„, MgO, Al„0~, Spinellen usw. ausgekleidet, werden. Hierbei wird das feuerfeste Material in den Hohlraum zwischen Ofenwandung und Schablone entweder eingestampft oder die Verdichtung des Materials wird dadurch erreicht, daß es nach dem Einfüllen gerüttelt wird.

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Ein wesentlicher Nachteil von plastischen Feuerfestmassen, die regelmäßig etwa 6 - 8 % Wasser enthalten, wird darin erblickt, daß ein langwieriger Trockenprozeß unter Erhitzen durchgeführt werden muß, so daß die gesamte Zustellzeit des Ofens, d.h. der Zeitbedarf für das Auskleiden, Trocknen und Sintern, bis zu einer Woche oder gar mehr beträgt. Beim Sintern entsteht ein über die gesamte Wandstärke einheitlicher Scherben, so daß bei hoher Beanspruchung auftretende Risse in der Regel die gesamte Wand durchsetzen und die Gefahr der Zerstörung der wassergekühlten Induktionsspule sich nicht ausschließen läßt. Dem steht allerdings der Vorteil gegenüber, daß die Schablone nach dem Einstampfen entfernt und somit als Dauerschablone wieder verwendet werden kann.

Induktionsöfen für die Erschmelzung von NE-Metallen und allen Eisen- und Stahllegierungen werden heutzutage überwiegend mit feuerfesten Massen des sauren Typs, insbesondere mit Quarzitmassen, zugestellt. Aus der Zeitschrift "Gießerei", 1970, Seite 450, sind Versuche bekannt geworden, eine feuerfeste Quarzitmasse unter Zusatz einer entsprechenden Menge eines flüssigen Binders aus mehreren Komponenten (Monoaluminium-Phosphat, anorganische Polymerbinder auf Peroxychloridbasis u.a.) zu plastifizieren, so daß nach dem üblichen Verdichten ein selbststehendes Ofenfutter entsteht und eine Dauerschablone benutzt werden kann.

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Eine wesentlich kürzere Gesamt-Zustellzeit in der Größenordnung von etwa 12 bis 24 Stunden läßt sich mit trockenen, feuerfesten Materialien erreichen, denen trockene Sintermittel, meist Borsäure, zugesetzt worden sind. Hinzu kommt, daß trockene Quarzitmassen besonders preisgünstig erhältlich sind. Hierbei wird in der Regel so vorgegangen, daß das trockene Feuerfes tmaterial in den von der Ofenwandung, zum Beispiel dem Dauerfutter, und der Schablone/gebildeten Hohlraum eingefüllt und durch Vibration verdichtet wird und daß alsdann der Ofen mit der Schablone und mit einer festen oder flüssigen Sintercharge auf eine solche Temperatur aufgeheizt und solange heiß gehalten wird, bis das Futter keramisch versintert.

Nach dem bisherigen Stand der Technik wird es als nicht möglich erachtet, den Tiegel bzw. das Verschleißfutter von metallurgischen Öfen, insbesondere von Induktionsöfen, aus einer trockenen, verdichteten Schüttung feuerfesten Materials als ein selbststehendes, feuerfestes Futter herzustellen. Es wurde vielmehr für erforderlich gehalten, das verdichLete, trockene, feuerTi¹Sto Material bis zu seiner Si nLornn};, abzustuL/.en, indcMii die Schablone beim Aufheizen Im Ofen verbleibt, aufgeschmolzen und von der Sintercharge aufgenommen wird, die dann das Futter abstützt. Da die Kosten für die verlorene Schablone die sonstigen Aufwendungen für die Zustellung wesentlich übersteigen, ist die Verwendung von Dauerschablonen ein erstrebenswertes Zie 1 .

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Nach einem nicht zum Stand der Technik gehörenden älteren Vorschlag der Anmelderin kann ein selbststehendes Futter in einem Induktionsofen dadurch hergestellt werden, daß ein trockenes, feuerfestes Material, das mit einem trockenen Sintermittel, bevorzugt mit Borsäure, versetzt ist, in den Hohlraum zwischen einer Dauerschablone und einer Ofenwand (Dauerfutter) eingefüllt und verdichtet wird, daß alsdann die Dauerschablone entfernt und die Innenschicht des Verschleißfutters mit einem in der Wärme fester werdenden Bindemittel imprägniert wird. Beim späteren Aufheizen bildet sich demzufolge alsbald eine verfestigte innere Schale von etwa 1 mm bis 8 mm Stärke, bevor bei weiterem Aufheizen die.¹ / _v' Quarzumwandlung im Futter einsetzt, deren Volumenspannungen das selbststehende Futter gefährden. Es hat sich aber gezeigt, daß diese gegenüber dem Stand der Technik vorteilhafte Arbeitsweise nicht in allen Fällen befriedigt. Während bei kleineren Ofeneinheiten die verfestigte Innenschicht vermutlich im Zusammenwirken mit dem durch die stärkere Krümmung gegebenen Gewölbeeffekt die im Futter auftretenden Spannungen zuverlässig aufnimmt, tritt mit ansteigender Ofengröße zunehmend die Gefahr auf, daß die verfestigte Innenschicht abplatzt, weil sie der auftretenden Belastung nicht mehr standhält.

Bei dem Verfahren nach der Erfindung besteht die Aufgabe dnrin, metallurgische Öfen, insbesondere Induk-

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tionsöfen, mit einem Verschleißfutter aus trockenen , feuerfesten Materialien zuzustellen, um eine sehr kurze Zustellzeit zu erreichen, die Zustellkosten durch Anwendung einer Dauerschablone wesentlich zu senken und gleichwohl zu gewährleisten, daß das fertige Verschleißfutter den hohen thermischen und mechanischen Beanspruchungen mindest ebenso gut standhält wie bekannte Futter.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das ein Sintermittel enthaltende, verdichtete, feuerfeste Material auf eine Zwischentemperatur erhitzt und auf dieser gehalten wird, bis das feuerfeste Material eine genügende Formbeständigkeit angenommen hat, daß alsdann die Schablone entfernt und danach das von dem Feuerfestmaterial gebildete, selbststehende Ofenfutter unter weiterem Erhitzen keramisch gesintert wird.

Bei den üblichen feuerfesten, trockenen Materialien, insbesondere bei mit Borsäure als Sintermittel versetzten Trockenmassen aus Quarzit, kann in der Regel so vorgegangen werden, daß das verdichtete, feuerfeste Material auf eine Zwischentemperatur von etwa 400 bis 800 C, vorzugsweise auf 500 bis 700 C erhitzt und auf dieser Zwischentemperatur je nach Ofengröße etwa 1/2 bis ¹S Stunden lang gehalten wird, daß dann die Schablone entnommen und das gebildete, selbststehende Ofenfutter /.us.'iiniiien in ϊ L einer SinLercharge weiter crhiLzL und auf

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der Sintertemperatur bis zur keramischen Versintenmg des Futters gehalten wird.

Es hat sich überraschend gezeigt, daß bei den üblichen trockenen und verdichteten Feuerfestmaterialien mit Sintermitteln schon durch Anwendung einer mäßig hohen Temperatur eine solche Verfestigung des Futters erreicht werden kann, daß das Futter ohne mechanische Abstützungshilfc stehenbleibt und eine Sintercharge aufnehmen kann.

Das Verfahren nach der Erfindung kann dadurch besonders einfach ausgestaltet werden, daß eine Schablone aus Stahlblech benutzt wird,die nach erreichter Formbeständigkeit des feuerfesten Materials gegenüber der Zwischentemperatur zum Beispiel mit Preßluft abgekühlt wird, so daß sich die Schablone zusammenzieht und ohne weiteres aus dem Ofen herausgezogen werden kann. Für die Zustellung von Induktions-Tiegel-Öfen ist die Stahlblechschablone bevorzugt einteilig ausgebildet und hat mindestens über den überwiegenden Teil, vorzugsweise über ihre ganze Längserstreckung eine konische Gestalt. Hierdurch wird nicht nur ein erleichtertes Ziehen der Dauerschablone erreicht, sondern auch die Standzeit des Tiegels gegenüber den üblichen, überwiegend zylindrischen Tiegel formen, die nur im Bodenbereich verjüngt sind, wesentlich erhöht. Selbstverständlich können aber auch mehrteilige Dauerschablonen verwendet werden, die insbesondere bei metallurgi-

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sehen Öfen mit komplizierteren Herdformen, eine einfache Entnahme zulassen und durch Verstärkungsmittel gegen Verwerfungen eine hohe Maßhaltigkeit der Zustellung ermöglichen.

Das Verfahren nach der Erfindung ist mit den verschiedensten üblichen trockenen, feuerfesten Materialien auf der Basis von SiO„, MgO, Al„0„ und Spinellen durchführbar. Durch entsprechende Wahl der Art und Menge des Sintermittels kann schon bei mäßig hohen Zwischentemperaturen eine chemische Verfestigungsreaktion des feuerfesten Materials erzielt werden, so daß dieses ein selbststehendes Ofenfutter ergibt, das nach der Versinterung die gestellten Anforderungen voll erfüllt. Insbesondere kommt auch den erfindungsgemäß hergestellten Verschleilifuttern der bei Trockenmassen bekannte Vorteil zu, daß - im Gegensatz zu plastischen Massen, bei denen ein einheitlicher Scherben entsteht das Futter nur bis zu einem Teil der Wandstärke verdintert ist und ein Restbereich mit wenig verfestigtem Material verbleibt. Von innen ausgehende Risse durchsetzen d.-ihcr das Futter meist nur teilweise und die Gefahr von Ofondurchbrüchcn ist entsprechend gemindert .

Das Verfahren nach der Erfindung ist insbesondere auch mit den für die Eisenmetallurgie im Vordergrund des Interesses stehenden trockenen Quarzitstampfmassen, de-

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neti wie üblich Borsäure, insbesondere trockenes Borsäurepulver (H-BO-) als Sintermittel zugesetzt worden ist, vorteilhaft durchführbar.

Besonders hohe Standzeiten des Tiegels lassen sich mit Tertiär quarzit erreichen, der vornehmlich aus rundlichen bis kubischen Körnern besteht und der auf folgende Korngrößenzusammensetzung eingestellt worden ist:.^ 60 % - 40 % aus Körnern mit 5,0 - 0,6 mm, bis 30 % aus Körnern unter 0,06 mm und im Rest aus Körnern mit 0,6 - 0,06 mm Durchmesser. Wird eine derartige Teriärquarzitmasse mit etwa 1 % Borsäurepulver als Sintermittel versetzt und mittels bekannter Vibratoren nach dem Einfüllen in den Hohlraum zwischen Dauerschablone und Ofenwand (bzw. Dauerfutter) auf eine Porigkeit zwischen 16 % und 24 % verdichtet, dann wird nach der Sinterung ein hochverschleißfestes Futter erhalten, das den Anforderungen in besonders hohem Maße genügt. Bei einem Tiegelofen stellt das feuerfeste Futter geometrisch einen Ringkörper dar, der sich bei Temperaturzunähme im Durchmesser ausdehnt. Da der Tiegel außen kalt und teilweise eingespannt ist, hat die innere Temperaturerhöhung die günstige Folge, daß das genannte Futtermaterial sich von innen her nachverdichtet, so daß es nach der Vcrsinterung eine Porosität von nur etwa 10 % aufweist. Ein solches Futter ist gegen die unerwünschte Penetration der Schmelze besonders unempfindlich,

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Zur weiteren Erläuterung einer vorteilhaften Auswahl der für das Verfahren nach der Erfindung besonders gut geeigneten feuerfesten, trockenen Materialien sei darauf hingewiesen, daß die Massen in der Regel, meist oberhalb etwa 1000 C, ein von Art und Zusammensetzung des feuerfesten Materials und seines Sintermittels abhängiges unterschiedliches Ausdehnungsverhalten aufweisen. Hierzu wird hingewiesen auf die Figur 1, die in Abhängigkeit von der Temperatur die Ausdehnung von drei unterschiedlichen Massen A, B, C auf Quarzitbasis darstellt. Während mit den Massen A und C ein gutes, nachverdichtetes Verschleißfutter erhalten wird, ist die Masse B wegen ihrer Schwindung bei hoher Temperatur nicht empfehlenswert.

Ein Rinnenofen für die Aluminiumbehandlung kann nach dem Verfahren nach der Erfindung vorteilhaft mit einer Trockenstampfmasse auf Schamottebasis mit etwa 38 % Al„0„ zustellt werden, die mit einer Glasfritte als Sintermittel versetzt ist. Bei einer etwa 3 Stunden lang gehaltenen Zwischentemperatur von 300 C verfestigt sich die verdichtete Stampfmasse zu einem selbststehenden Ofenfutter, so daß die Dauerschablone entnommen und das Futter bei etwa 1000 C vorsintert werden kann.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispie 1e der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert:

In den Tiegel eines 13 t Induktionsofens nach Figo 3 303841/056 1

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mit einer lichten Weite des Dauerfutters 1 von 1400 nun Durchmesser und 2440 mm Höhe, an dessen Innenseite eine Zwischenschablone 2 anliegt, wurde nach Aufstampfen eines 380 mm dicken Bodens 3 eine einteilige, durchgehend konische Stahlblechschablone 4 mit einer Wanddicke von 6 mm, einem Bodendurchmesser von 1040 mm und einem oberen Randdurchmesser von 1140 mm mit innen verstärktem oberen Rand eingesetzt. In den Hohlraum zwischen der Dauerschablone 4 und dem Dauerfutter 1 wurde eine vollkommen trockene Quarzitstampfmasse eingerüttelt, die mit 1,4 % trockenem Borsäurepulver versetzt war und deren Gehalt an freiem Wasser unter 0,2 % lag. Durch das Rütteln mit dem Vibrator 5 über die Dauerschablone 4 wurde die Quarzitmasse auf eine Porigkeit von etwa 22 % verdichtet. Die Quarzitmasse bestand aus Körnern im wesentlichen der Kornform "A¹¹ nach Figur 2, während Spitzkörner gemäß der Kornform ¹¹B" praktisch nicht vorhanden waren, mit folgender Korngrößenzusammensetzung:

Kornaufbau Anteil

mm %

4,0 - 5,0 3,0 - 4,0 2,0-3,0 1,0 - 2,0 0,b - 1,0

^r)4,b()

	1,20
1	7,60
	6,10
1	7,10
1	2,60

3 0 9 Β ;. ': / 0 5

- li -

0,3 - 0,6 5,95

0,2 - 0,3 2,20

0,1 - 0,2 4,75

0,06 - 0,1 " 2,80

unter 0,06 29,70

45,40

Mittels eines im Tiegelinnern angeordneten Gasbrenners wurde das Stahlblechmodell 4 und das feuerfeste Material 6 in 7 Stunden auf ca. 700 C aufgeheizt und diese Zwischentemperatur mit Absenkungen nicht unter 600 C während 5 Stunden gehalten. Dabei bildete sich eine Verfestigung des feuerfesten Materials 6 aus, so daß das Futter selbststehend wurde. Die Dauerschablone 4 wurde daher mittels Preßluft innerhalb von 20 Minuten auf ca. 200 C rasch abgekühlt, so daß die Schablone 4 sich im Durchmesser zusammenzog und aus dem Ofen ohne weiteres herausgezogen werden konnte. Der Ofen wurde anschließend sofort weiter aufgeheizt, so daß er in 5 Stunden ca. 1100 C erreichte. Er wurde alsdann mit flüssigem Roheisen als Sintercharge gefüllt und dieses auf 1600 C überhitzt und auf dieser Temperatur ca. 3 Stunden lang gehalten, wobei das Futter 6 keramisch versinterte und der Ofen nachfolgend für die normale Betriebsweise zur Verfugung stand. Statt der Erhitzung mitLels eines Gasbrenners kann naturgemäß auch mit einem Anfnhrblock indukLiv aufgeheizt werden. Statt einer flüssigen SinLercharge kann auch, insbesondere

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bei Mittel- und Hochfrequenz-Induktionsöfen ein fester Einsatz als Sintercharge benutzt werden.

Rinnenofen zur Behandlung von Aluminium wurden wir folgt zugestellt: Eine vollkommen trockene Stampfmasse auf Schamottebasis mit ca. 38 % Al_?0„ in einer Körnung von 0 bis 5 mm, die mit einer Glasfritte als Sintermittel versetzt war, wurde in den Hohlraum zwischen dem Dauerfutter und einer mehrteiligen, leicht ausbaufähigen Eisenblech-Dauerschablone mit 5 mm Wandstärke lagenweise eingefüllt und mit einem Elektro-Vibrations-Stampfer verdichtet. In diejenigen Partien des Ofens, an denen eine Verfestigung durch hohe Temperatur nicht möglich ist, wurde die Stampfmasse mit 6 % Phosphatbinder versetzt eingestampft. Danach wurde die Schablone und die verdichtete Stampfmasse durch einen Gasbrenner mit einer Geschwindigkeit zwischen 50 bis 100 C/Stunde auf eine Zwischentemperatur von 300 C aufgeheizt und 4 bis 5 Stunden gehalten. Dabei erfuhr die Stampfmasse eine Verfestigung, so daß ein selbststehendes Verschleißfutter entstand. Durch Abkühlen der Dauerschnbione setzte sich diese von dem Futter ab und konnLc IcichL nusftebnut werden. Alsdann wurde das se 1bsLstchende Futter weiter mit dem Gasbrenner hochgeheizt und bei einer Temperatur von 800 C der Ofen mit flüssigem Aluminium als Sintercharge gefüllt. Die Aluminiumcharge wurde dann induktiv auf 1000 C auf-

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geheizt und dieser Sintertemperatur 12 Stunden lang gehalten, so daß das Schamottefutter versinterte und der Ofen der normalen Betriebsweise zugeführt werden konnte.

PATENTANSPRÜCHE:

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Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Zustellung metallurgischer Öfen, insbesondere von Induktionsöfen, bei dem ein ein Sintermittel enthaltendes, körniges und trockenes feuerfestes Material in den von einer Ofenwandung und einer Schablone gebildeten Hohlraum eingefüllt und verdichtet und anschließend durch Erhitzen keramisch gesintert wird, dadurch gekennzeichnet, daß das verdichtete, feuerfeste Material auf eine Zwischentemperatur erhitzt und auf dieser solange gehalten wird, bis das feuerfeste Material eine genügende Formbeständigkeit angenommen hat, daß alsdann die Schablone entfernt und danach das von dem feuerfesten Material gebildete selbststehende Ofenfutter unter weiterem Erhitzen keramisch gesintert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, da dirch gekennzeichnet, daß das verdichtete, feuerfeste Material auf eine Zwischentemperatur von etwa 300 C bis 800 C, vorzugsweise auf 500 - 700 C erhitzt und auf dieser Zwischentemperatur vorzugsweise 1/2 bis 5 Stunden lang gehalten wird, daß dann die Schablone enLnornmen und das gebildete, seibstsLehendo OfenfuLLcr zusammen iniL einer Sintercharge weiLer erhit/.L und auf Si ntertemper/iLur gehalten wird, bis das Futter keramisch versintert isL.

3. Verfahren nach Anspruc . 1 oder 2, dadurch gekenn-

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zeichnet, daß eine Schablone aus Stahlblech benutzt wird, die nach erreichter Formbeständigkeit des feuerfesten Materials gegenüber der Zwischentemperatur abgekühlt und danach aus dem Ofen gezogen wird.

4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-3 zur Zustellung von Induktions-Tiegelöfen, dadurch gekennzeichnet, daß eine einteilige Stahlblechschablone verwendet wird, die mindestens über den überwiegenden Teil, vorzugsweise über ihre ganze Längserstreckung eine konische Gestalt hat.

5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 - 4 , dadurch gekennzeichnet, daß ein feuerfestes Material verwendet wird, das aus trockener Quarzit-Stampfmasse besteht und dem Borsäure, insbesondere trockenes Borsäurepulver (H„BO„),als Sintermittel zu-

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gesetzt ist.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das feuerfeste Material aus einem Tertiärquarzit besLcht, der derart aufbereitet worden ist, daß er vornehmlich rundliche bis kubische Kornform und folgende Korngrößenzusammensetzung aufweist: 60 % - 70 % aus 5,0 - 0,6 mm Korn, bis 30 % aus kleiner als 0,06 mm Korn, Rest aus 0,6 - 0,06 mm Korn.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,

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daß das feuerfeste Material aus Tertiärquarzit mit etwa 1 % Borsäurepulver als Sintermittel mittels bekannter Vibratoren auf eine Porigkeit von 16 % - 24 % verdichtet wird.

8. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das feuerfeste Material aus einer Trockenstampfmasse auf Schamottebasis mit rund 38 % Al₃O₃ besteht, die mit einer Glasfritte als Sintermittel versetzt ist, daß das verdichtete feuerfeste Material auf eine Zwischentemperatur von 300 C erhitzt und 3 Stunden lang gehalten wird, daß die Dauerschablone aus dem Ofen entommen und das gebildete selbststehende Ofenfutter mit einem Gasbrenner auf 800 C hochgeheizt wird, daß der Ofen mit flüssigem Aluminium chargiert und auf 1000 C Sintertemperatur induktiv erhitzt und 12 Stunden lang gehalten wird, so daß das Futter versint.ert.

9. Selbststehendes Futter in metallurgischen Öfen, insbesondere in Induktionsöfen, dadurch gekennzeichnet, da ß es aus einem hochverdichteten und trockenen Kornaufbau aus feuerfestem Oxyd oder Oxydgemisch besteht, das mit einem trockenen Sintermitte] versetzt und bei einer Temperatur zwischen 'K)O und 800 C verfestigt ist.

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