DE2512128C3 - Zweischichtenauskleidung für einen außenbeheizten Gußeisentiegel - Google Patents

Description

um umfassen.

Als besonders zweckmäßig erwies es sich, wenn die äußere Schicht aus Graphitplatten oder aus Siliciumkarbid besteht. Die innere Schicht weist zweckmäßig FeAI₃ auf.

Soll der Tiegel zur Aufnahme von schmelzflüssigem Aluminium verwendet werden, ist er vorzugsweise aus Grauguß mit ungefähr 0, 2 bis 1,5 % Chrom geferxigt, und die äußere Schicht der Zweischichtenauskleidung besteht aus selbsttragenden Graphitplatten,

Die Erfindung ist im folgenden an Hand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen

F i g. 1 einen schematischen Schnitt eines Tiegels zur Aufnahme von schmelzflüssigem Aluminium,

F i g. 2 eine Draufsicht auf einen Zweikammer-Tiegel zum Raffinieren von Aluminium entsprechend einer abgewandelten Ausführungsform der Erfindung,

Fi g. 3 einen schematischen Schnitt entlang der Linie 3-3 der F i g. 2, und

F i g. 4 eine schematische Darstellung der Tiegelwand bei den Ausführungsformen nach F i g. 1 oder F i g. 2, welche die zwischen der Graphitauskleidung und dem Gußeisenmantel in situ gebildete feuerfeste Schicht erkennen läßt. _1$

Der zum Raffinieren von Aluminium bestimmte Tiegel nach F i g. 1 weist einen Gußeisenmantel 31 auf, der mittels herkömmlicher, in einem Raum 32 untergebrachter Heizeinrichtungen auf Arbeitstemperatur gehalten ist. Er ist ferner mit einem feuerfesten j₀ Außenmantel 33 versehen, der gegen Wärmeverluste isoliert. Die Innenfläche des Gußeisenmantels 31 ist mit Graphit 34 oder einem anderen feuerfesten Werkstoff ausgekleidet, der gegenüber schmelzflüssigem Aluminium inert ist. Der Tiegel ist mit einer Abdeckung 36 versehen, die auf einem am Mantel 31 befindlichen Flansch 39 aufsitzt. Metall 38 tritt über einen Einlaß 40 ein, während inertes Gas über einen Injektor 35 in die Schmelze eingeblasen wird und das Metall in Bewegung hält (Pfeile 50). Raffiniertes Metall verläßt den Tiegel über einen unterhalb der Badoberfläche 42 in der Wand 45 ausgebildeten Abstrich 44, einen Überlauf 46 und eine Auslaufrinne 47. Die Graphitauskleidung 34 besteht aus mehreren Graphitplatten. Nach dem Aufheizen auf die Arbeitstemperatur sind zwischen aneinanderstoßenden ^ Platten ausreichende Räume vorhanden, um das Metall 38 hinter die Platten gelangen zu lassen. Dort entsteht ein dünner Film aus schmelzflüssigem Aluminium, der, wenn er mit dem Gußeisenmantel 31 in Berührung kommt, in der im folgenden noch näher erläuterten Weise eine (in F i g. 1 nicht veranschaulichte) FeAl₃. Schicht ausbildet.

Die Fig.2 und 3 zeigen einen Zweikammer-Tiegel mit einem Gußeisenmantel 51, der an seiner Innenseite mit nehreren Graphitplatten 52 und Siliziumkarbidplatten 56 ausgekleidet ist. Gesonderte Platten bilden den Boden und die Seitenwände der Auskleidung. Der Gußeisenmantel 51 ist außen von einer Heizkammer 53 umgeben, in der beliebige bekannte Heizeinrichtungen, beispielsweise elektrische Heizwicklungen, untergebracht sein können. Die Heizkammer 53 wird ihrerseits von einer feuerfesten Isolation 54 umfaßt. Eine Prallwand 55, die ebenfalls als Graphitplatte ausgebildet ist, teilt die Kammern voneinander ab. Die Slrömungsrichtung des schmelzflüssigen Aluminium ist durch Pfeile angedeutet, wobei der Pfeil 60 für den Einlaßabschnitt und der Pfeil 61 für den Auslaß aus einem Überlauf 62 gilt, der vorzugsweise aus mehreren Siliziumkarbidplatten 56, 57 gefertigt ist. Rotierende Gasinjektoren 63, 64 sind in einer Abdeckung 65 des Gefäßes gelagert. Ein Metallrückführrohr 68 besteht gleichfalls aus Graphit.

F i g. 4 zeigt eine vergrößerte schematische Darstellung eines Wandabschnitts der Ausführungsform nach F i g. 1 oder F i g. 2. Dabei ist mit 72 der Gußeisenmantel und mit 71 die Graphitplatte bezeichnet. Zwischen beiden befindet sich eine an Ort und Stelle ausgebildete feuerfeste Schicht in Form eines mit Eisen gesättigten schmelzflüssigen Aluminiumfilms 73, der eine ausgeschiedene FeAlrPhase 74 aufweist, welche die Oberfläche des Gußeisenmantels 72 bedeckt. Der kleine Maßstab der Fig. 1 und 2 verhindert eine Darstellung dieser Schicht in den F i g. 1 und 2.

Bei der Montage des Tiegels werden die Graphitplatten bei Raumtemperatur in den Gußeisenmantel eingesetzt, wobei für einen möglichst engen Sitz der Platten untereinander sowie mit Bezug auf die Wand des Mantels gesorgt wird. Nach der Montage der Graphitplatten werden alle Risse oder Zwischenräume zwischen den aneinanderstoßenden Platten mit Graphitzement auszementiert. Wenn jedoch der Tiegel auf seine beabsichtigte Arbeitstemperatur (ungefähr 700° C für Aluminium) erhitzt wird, öffnen sich diese Stoßstellen auf Grund der unterschiedlichen Wärmedehnung zwischen dem Gußeisen und dem Graphit. Wird daher in den Tiegel schmelzflüssiges Aluminium eingebracht, dringt es durch diese Spalte in der Auskleidung hindurch und füllt der Raum zwischen dem Gußeisenmantel und der Auskleidung aus. Neben Graphitplatten können auch Siliziumkarbidplatten oder vorgefertigte Gußteile aus diesen Werkstoffen verwendet werden. Derartige Platten lassen sich einfach derart zurechtschneiden, daß sie in den Mantel eng hineinpassen; sie können zwecks Verankerung auch verkeilt oder mit geeigneten Nuten versehen werden.

Vorzugsweise wird der Tiegel auf die Sollarbeitstemperatur (z. B. auf die Temperatur von schmelzflüssigem Aluminium) gebracht, bevor das Aluminium in den Tiegel eingegeben wird. Während des Aufheizens des Tiegels dehnen sich der Gußeisenmantel und die die äußere Schicht der Zweischichtenauskleidung bildenden Platten. Die Wä-medehnung der Auskleidung erfolgt ungehindert, d. h. die Platten können sich gegeneinander und mit Bezug auf die Oberfläche des Gußeisenmantels bewegen. Dabei können die expandierenden Auskleidungsteile eine Bewegung entlang ihren Stoßstellen oder Treff-Flächen, d. h. entlang konstruktiv vorgegebenen Linien ausführen.

Diese freie Bewegungsmöglichkeit und die höhere Wärmeausdehnung von Gußeisen verhindern, daß sich in der Auskleidung willkürlich Risse an anderen Stellen als den Stoßen der Platten bilden, wenn der Tiegel unter dem Einfluß der Wärme expandiert.

Eine sehr kleine Menge dis in den erhitzten Tiegel eingebrachten schmelzflüssigen Aluminiums kann mit der Gußeisenoberfläche in Berührung kommen, indem sie durch die Spalte hindurchdringt, die auf Grund der Wärmedehnung entlang den Stoßstellen der Auskleidungsplatten geöffnet wurden. Die Breite dieser Spalte kann während der Montage der Auskleidung bei Raumtemperatur sehr klein gehalten werden, indem die Platten der Auskleidung möglichst genau aneinander angepaßt werden. Im Falle von Graphitplatten ist das Aufbringen einer kleinen Menge an Graphitzement auf die Stoßflächen von Vorteil, um für einen engeren Sitz zu sorgen. Die Verminderung des Spiels zwischen den

Platten soll jedoch nicht so weit getrieben werden, daß deren Relativbewegung verhindert wird. Durch das Kleinhalten des Spiels zwischen den Platten wird verhindert, daß die Spalte an den Stoßstellen bei der Wärmeausdehnung zu breit waren. Überraschenderweise leitet dieses Vordringen von reaktionsfähigem Metall zu der Gußeisenoberfläche den Prozeß ein, der unter kontrollierten Bedingungen schließlich die Korrosion des Gußeisens durch schmelzflüssiges Aluminium verhindert und auf diese Weise zu einer unerwartet langen Lebensdauer des Tiegels führt.

Wenn das schmelzflüssige Aluminium hinter die Plattenauskleidung mit der Gußeisenoberfläche in Berührung kommt, löst es eine gewisse Menge an Eisen aus dem Gußeisengefüge. Da das Volumen des Aluminiums, das hinter eine gut sitzende Auskleidung eindringt, verglichen mit der Kontaktfläche mit dem Gußeisen sehr gering ist, wird das Eisen in einen dünnen schmelzflüssigen Aluminiumfilm gelöst, der zwischen einer außenbeheizten Gußeisenwand und einer inerten Graphitauskleidung sitzt. Die hohe Temperatur und die Ausdehnung der Kontaktfläche zwischen dem Gußeisenmantel und dem Aluminium fördern ein rasches Lösen von Gußeisen, bis die Sättigungsgrenze erreicht ist. Die Sättigungskonzentration von Eisen in Alumini-

Beispiel

um ist eine Funktion der Temperatur
Zusammensetzung der Aluminiumlegierung.

und der Ein Tiegel der in den F i g. 2 und 3 veranschaulichten Art wurde aus einem Gußeisenmantel aufgebaut, der 0,6 % Chrom enthielt, und war an den Seiten mit 28,6 mm dicken Graphitplatten sowie am Boden mit 50,8 mm dicken Graphitplatten ausgekleidet. Die Metalleinlaß- und Metallauslaßbereiche des Mantels wurden mit Siliziumkarbidplatten ausgekleidet. Der Tiegel wurde auf 700° C vorerhitzt, bevor er mit schmelzflüssigem Aluminium gefüllt wurde. Der Tiegel wurde elektrisch außenbeheizt; die Temperatur des Aluminiums wurde ständig auf ungefähr 700° C gehalten. Die Schmelze wurde zwecks Raffinierens durch angetriebene Flügelräder und Gasblasen in heftige Bewegung versetzt. Innerhalb einer kontinuierlichen Periode von sechs Monaten praktischer Versuche unter tatsächlichen industriellen Arbeitsbedingungen wurde die Zweischichtenauskleidung nicht benetzt, chemisch angegriffen oder durch das Aluminium oder Gekrätz erodiert. Infolgedessen erforderte der Tiegel keine periodische Reinigung oder Wartung. Diese ununterbrochene Einsatzdauer bei turbulenter Bewegung des schmelzflüssigen Aluminiums liegt weit übei der Lebensauer von bekannten außenbeheizten Gußei sentiegeln.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

dasselbe spezifische Gewicht wie Aluminium haben und Patentansprüche: bei der Temperatur der Schmelze in den zähflüssigen Zustand übergehen. Die die Innenschicht bildende

1. Zweischichtenauskleidung für einen außenbe- Masse wird erhitzt, bis sie eine breiartige Konsistenz heizten Gußeisentiegel zur Aufnahme von reak- 5 hat, und dann auf die Innenseite des leicht erhitzten tionsfähigem schmelzflüssigem Metall, insbesondere Tiegels gestrichen. Anschließend wird die Außenschicht Aluminium, deren äußere Schicht aus feuerfesten, aufgelegt. Die Herstellung solcher Zweischichtauskleigegenüber dem schmelzflüssigen Metall inerten düngen ist umständlich, zeitaufwendig und kostspielig.
Platten besteht, die mit Stoßfugen versehen sind, Man hat auch bereits vorgewärmte Aluminiumdadurch gekennzeichnet, daß die innere io schmelztiegel aus Eisen mit einer zu einer dünnenPaste Schicht (73, 74) aus einem festen Reaktionsprodukt oder Lösung angerührten Auskleidungsmasse besteaus Eisen und dem schmelzflüssigen Metall besteht. hend aus einer Mischung von Calciumhydroxid und

2. Zweischichtenauskleidung nach Anspruch 1, einem in der Hitze schmelzenden Bindemittel, wie dadurch gekennzeichnet, daß die ä'ißere Schicht aus Magnesiumsulfat oder Borax, ausgestrichen, die Aus-Graphitplatten (34,52,71) besteht. i₅ kleidung getrocknet und auf etwa 500 bis 700° C erhitzt,

3. Zweisciuchtenauskleidung nach Anspruch 1, um die Auskleidung mit der Tiegeloberfläche zu dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Schicht (56, verschmelzen (DT-PS 4 83 341). Angesichts der unter-57) aus Siliziumkarbid besteht. schiedlichen Wärmeausdehnungszahlen des Tiegel-

4. Gefäß nach einem der vorhergehenden Werkstoffes und der Auskleidungsmasse entstehen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die innere 20 jedoch rasch Risse in dem Belag. Der Belag muß häufig Schicht (73,74) FeAk aufweist. erneuert werden. Die Tiegelstandzeit ist kurz.

Um bei mehrschichtigen Schmelztiegeln dem Problem des Reißens der Auskleidung aufgrund unterschiedlicher Wärmeausdehung von Innen- und Außen-25 schicht 'zu üegegnen, wurden zwischen beide auch

bereits eine oder mehrere Zwischenlagen aus Mischungen der für Innen- und Außenschicht benutzten Werkstoffe eingebracht, z. B. zwischen eine äußere Graphuschicht und eine innere Karborundschicht eine 30 Zwischenlage aus Graphit und Karborund (DT-PS

Die Erfindung betrifft eine Zweischichtenauskleidung 4 84 386). Auch die Fertigung dieser Tiegel ist für einen außenbeheizten Gußeisentiegel zur Aufnahme aufwendig. Unter dem Einfluß der nach wie vor von reaktionsfähigem schmelzflüssigem Metall, insbe- auftretenden unterschiedlichen Wärmeausdehnungen sondere Aluminium, deren äußere Schicht aus feuerfe- von Auskleidung und Tiegelwand wird die Auskleidung sten, gegenüber dem schmelzflüssigen Metall inerten 35 verhältnismäßig rasch zerstört.

Platten besteht, die mit Stoßfugen versehen sind. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem

Bei der Verarbeitung von schmelzflüssigem Alumini- außenbeheizten Gußeisengefäß zur Aufnahme von um und anderen reaktionsfähigen Metallen ist es oft reaktionsfähigen schmelzflüssigen Metallen die Lebenserwünscht, außenbeheizte Gußeisentiegel zu verwen- dauer des außenbeheizten Gußeisengefäßes mit verhältden, weil sie eine hohe Wärmeleitfähigkeit und einen 40 nismäßig geringem Aufwand zu erhöhen und die verhältnismäßig niedrigen Wärmeausdehnungskoeffi- Abgabe von Eisenverunreinigungen an das schmelzflüszienten haben und in jeder gewünschten Form gegossen sige Material zu verringern.

werden können. Gußeisen korrodiert jedoch unter dem Diese Aufgabe wird ausgehend von einem Gußeisen-

Einfluß von schmelzflüssigem Aluminium, da letztere!» in tiegel der eingangs genannten Art erfindungsgemäß schmelzflüssigem Zustand ein kräftiges Lösungsmittel 45 dadurch gelöst, daß die innere Schicht aus einem festen darstellt. Zugleich besteht die Gefahr einer Verunreini- Reaktionsprodukt aus Eisen und dem schmelzflüssigen gung der Schmelze durch Reduktion oder Lösungsvor- Metall besteht.

gänge am Tiegel. Die innere Schicht der Auskleidung bildet sich bei

Es ist bekannt, Gußeisengegenstände, die mit Inbetriebnahme des Tiegels selbsttätig aus, wenn über schmelzflüssigem Aluminium in Berührung gebracht 50 die Stoßfugen zwischen den inerten Platten schmelzflüswerden sollen, mit einem Überzug aus Rotschlamm, siges Metall zwischen diese Platten und die Tiegelwand Zirkoniumsilikat, Glimmer, Eisenoxid oder Titanoxid zu gelangt. Das dabei erhaltene feste Reaktionsprodukt versehen, Natriumsilikat kann dem in der Rejjel aus Eisen und dem schmelzflüssigen Metall schützt dann aufgebürsteten oder aufgesprühten Überzug zugesetzt den Tiegel zuverlässig gegen weitere Korrosion, Das werden, um dessen Haftvermögen auf dem Gußeisen zu 35 Schmelzbad wird nicht durch Eisen verunreinigt. Das im verbessern. Derartige Überzüge nutzen sich jedoch Tiegel befindliche schmelzflüssige Metall kann selbst leicht ab. turbulente Bewegungen ausführen, ohne daß die

Es ist ferner bekannt (DT-PS 6 47 934), zur Erhöhung Auskleidung Schaden erleidet. Der Wärmeübergang der Standzeiten ein außenbeheizten gußeisernen Alumi- durch die Tiegelwand ist nur wenig behindert, weil niumschmelztiegel und zur Vermeidung von Eisenvcr- 60 sowohl der Gußeisenmantel als auch die Zweischichtenunreinigungen des Schmelzbades auf die dem schmelz- auskleidung gute Wärmeleiter darstellen,
flüssigen Metall zugekehrte Seite des Tiegels einen aus Die vorliegend beschriebene Auskleidung eignet sich

zwei Schichten bestehenden Überzug aufzubringen. Die besonders für Anwendungsfälle, bei denen das schmelz-Außenschicht dieses Überzuges wird von Platten aus flüssige Metall Aluminium ist. Sie läßt sich jedoch auch einem festen wärmebeständigen Werkstoff gebildet, 65 beim Verarbeiten von anderen Reaktionsfähigen während als Innenschicht ein Tiegelbelag aus Stoffen, schmelzflüssigen Metallen, wie Zink, Zinn und Blei, wie Borsäure, Boroxid, Boraten, Phosphorsäureanhy- einsetzen. Der Begriff »Aluminium« soll vorliegend drid und Phosphaten, vorgesehen ist, die annähernd sowohl Aluminiumlegierungen als auch reines Alumini-