DE2659205A1 - Feuerfestes material zur auskleidung von schmelzoefen, insbesondere elektrischen induktionsoefen - Google Patents

Feuerfestes material zur auskleidung von schmelzoefen, insbesondere elektrischen induktionsoefen

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DE2659205A1 DE19762659205 DE2659205A DE2659205A1 DE 2659205 A1 DE2659205 A1 DE 2659205A1 DE 19762659205 DE19762659205 DE 19762659205 DE 2659205 A DE2659205 A DE 2659205A DE 2659205 A1 DE2659205 A1 DE 2659205A1
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Description

265920b
PATENTANMELDUNG
Prangois Victor MEEKER
141, rue Joseph de Flandre
E m Td O1 u r g
Belgien
Feuerfestes Material zur Auskleidung von Schmelzöfen, insbesondere elektrischen Induktionsöfen.
Die Erfindung betrifft feuerfestes Material zur Auskleidung von Schmelzöfen? insbesondere elektrischen Induktionsöfen, welches aus gemahlenem und kalibriertem Siliziumoxyd, einem Sintermittel für letzteres sowie aus einem CTpCU-Träger besteht.
709828/ 088U
Gegenwärtig werden unterschiedliche feuerfeste Materialien zum Auskleiden von in der Eisen- und Stahlindustrie benutzten Behältern und dergleichen verwendet. Das Auskleiden wird entweder dadurch vorgenommen, dass diese feuerfesten Stoffe auf die Innenwandung der Behälter aufgespritzt werden, oder dass eine Vermauerung mit gebackenen Ziegeln und einem geeigneten Mörtel durchgeführt wird oder schliesslich dass das feuerfeste Material zwischen der Innenwandung der Behälter und einer Schablone, welche wiederverwendbar oder auch nicht sein kann, aufgeschüttet wird.
Die am meisten benützten, feuerfesten Materialien zum Aufspritzen auf die Wände, beziehungsweise zum Herstellen der Ziegel enthalten 6 bis 10$ Aluminiumoxyd (AIpO-.) oder ungefähr 12$ Zirkon (Zr Op) in Mischung mit einem meist lehmartigen Bindemittel. Diese Materialien wie auch die beschriebene Durchführung der Auskleidung an den Behälterwänden haben sich als wenig geeignet zur Erstellung einer Innenauskleidung eines Schmelzofens erwiesen. Die Arbeitsbedingungen, denen die feuerfeste Auskleidung dieser Oefen ausgesetzt ist, sind nämlich wesentlich ungünstiger als diejenigen bei den sonst im Eisenhüttenwesen verwendeten Behältern. Ausser einer grösseren Widerstandsfähigkeit gegen Hitzeeinwirkung muss die Auskleidung von Schmelzofen auch noch strengeren Sicherheitsrichtlinien genügen; dies gilt besonders für Induktionsöfen, bei welchen das feuerfeste Material zwischen der Induktionsspule, deren Windungen wassergekühlt sind, und der Metallschmelze das Hauptelement für einen sicheren und wirtschaftlichen Betrieb der Anlage ist. Einerseits darf die Dicke oder Wandstärke der feuerfesten Auskleidung mit Rücksicht auf einen wirtschaftlichen Betrieb der Anlage einen bestimmten Wert nicht überschreiten, andererseits muss diese Auskleidung jedoch die notwendige mechanische und thermische Festigkeit besitzen um zu verhindern, dass die Schmelze, wenn auch nur örtlich, bis an die Windungen der Wicklung durchdringt, wodurch nicht nur die Anlage zerstört würde aber auch schwere Unfälle passieren könnten.
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Das "bisher am meist verwendete feuerfeste Material zur Innenauskleidung von Schmelzofen "besteht aus Siliziumoxyd (Si Op) in Form von sehr reinem, gemahlenem_und gesiebtem Quarz oder Quarzit mit Zusatz eines Sintermittels. Das Sintermittel wird entsprechend gewählt um mit trockenen Stoffen, wie gemahlenem Quarz oder Quarzit,verwendet werden zu können; das Bindemittel selbst ist ebenfalls ein Oxyd, jedoch mit einem niedrigerem Schmelzpunkt als demjenigen des Siliziumoxyds und erlaubt ein keramisches Zusammenbacken der Siliziumoxydkörner durch Mikrofusion und/oder Diffusion im festen Zustand.
Dieses feuerfeste Material wird zwischen einer Schablone welche der Innenform der Auskleidung entspricht, und der Innenwand des Ofens aufgeschüttet, sodass nach dem Sintervorgang ein aus einem einzigen Block bestehender, feuerfester Behälter gebildet wird. Das Sintern geschieht gewöhnlich beim ersten Schmelzprozess im Gegensatz zu anderen, häufig gebrauchten Materialien, welch eine lehmartige Beschaffenheit haben und vor dem ersten Schmelzprozess einer besonderen Heiz- und Trockenbehandlung bedürfen und sich deshalb weniger gut als feuerfeste Auskleidung von Oefen, insbesondere von Induktionsöfen eignen.
Die vorstehend beschriebene, hauptsächlich aus Siliziumoxyd in Form von trockenem, gemahlenem und gesiebtem Quarz oder Quarzit bestehende Auskleidung, welche in Verbindung mit Induktionsöfen als saure Auskleidung bekannt ist, weist gegenüber anderen Trockenmaterialien wesentliche Vorzüge auf, Materialien wie sie z.B. ebenfalls im Eisenhüttenwesen zum feuerfesten Auskleiden von Behältern benutzt werden, wie etwa Mg 0, AI2 0, und/oder Mischungen oder Kombinationen dieser Materialien, welche in der Fachsprache als neutrale oder basische Auskleidungen bekannt sind. Die Vorteile des Siliziumoxyds gegenüber diesen anderen bekannten Materialien sind besonders sein wesentlich niedrigerer Preis und seine Betriebssicherheit in bezug auf Widerstandsfähigkeit gegen thermische Stösse und Infiltrationen von flüssigem Metall. Allerdings bestehen diese Vorteile nur bis
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zu einer bestimmten Temperatur, welche im Bereich von 1.65O0C liegt, sodass beim Auftreten höherer Temperaturen notwendigerweise auf die in dieser Beziehung widerstandfähigeren basischen Auskleidungen zurückgegriffen werden muss.
Wie schon erwähnt, ist die feuerfeste Auskleidung eines Schmelzofens und besonders eines Induktionsofens thermischen und mechanischen Beanspruchungen und in vielen Fällen auch chemischen Einwirkungen ausgesetzt, welche viel grosser sind als die bei anderen, im Eisenhüttenwesen verwendeten Behältern auftretenden. So wird die Temperatur, welche sukzessive auf etwa 1.6000C gesteigert wird, während längerer Zeit auf diesem Wert gehalten. Auf G-rund der elektromagnetischen Kräfte, welche in der den Kern der Induktionswicklung bildenden Schmelze induziert werden, befindet sich die Schmelze in einer dauernden Bewegung von innen nach aussen und umgekehrt und übt damit einen sehr starken Erosionseffekt auf die feuerfeste Auskleidung aus. In diese dauernde Bewegung des Schmelzbads wird ebenfalls die darauf schwimmende Schlacke, welche chemisch sehr agressiv gegenüber der Auskleidung ist, hineingezogen und somit in intensiven Kontakt mit einem grossen Teil der Auskleidung gebracht.
Es muss hervorgehoben werden, dass die feuerfeste Auskleidung von Induktionsöfen nicht nur zur thermischen Isolierung dient, sondern darüberhinaus entsprechend beschaffen sein muss, dass unter allen Arbeitsbedingungen eine absolute Sicherheit gewährleistet ist und jede Infiltration des Schmelzbades bis zum Kontakt mit den wassergekühlten, elektrischen Teilen der Anlage verhindert werden muss, da ein solcher Kontakt schwere Unfälle im Gefolge hätte.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein feuerfestes Material der eingangs bezeichneten Art zu schaffen, welches genannte Nachteile und Unzulänglichkeiten des Standes der Technik vermeidet oder grösstenteils ausschaltet und über längere Zeiträume hinweg einen einwandfreien Betrieb gestattet.
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Diese Aufgabe wird ausgehend von einem feuerfesten Material der -eingangs erwähnten Zusammensetzung durch die im Kennzeichen des Hauptanspruchs aufgeführten Merkmale gelöst, wobei die Erfindung auch den an sich bekannten Umstand ausnützt, dass die thermische Widerstandsfähigkeit der Materialmischung durch Zumischung von Chromoxyde (Cr2O-,) gesteigert werden kann und dass die maximale Hitzebeständigkeit am eutektischen Punkt einer Mischung aus 94$ Si O2 und 6$ Cr2 0, vorliegt, bei einem minimalen Reinheitsgrad des Siliziumoxyds von 97$·
Weitere Merkmale der Erfindung gehen aus den Kennzeichen der Unteransprüche hervor.
In den Zeichnungen sind Auskleidungen aus dem der Erfindung entsprechenden Material dargestellt. Es zeigen:
Figur .1, einen Längsschnitt durch einen Induktionsofen in schematischer Darstellung;
Figur 2, eine Teildarstellung der feuerfesten Auskleidung des Induktionsofens gemäss Figur 1 in vergrössertem Massstab.
Der Induktionsofen nach Figur 1 begreift eine Ausüenwand und einen Boden 2, eine Induktionswicklung 3 deren Windungen 4 durch eine Wasserumlaufkühlung gekühlt sind, eine aus einem isolierendem Material, wie etwa Asbest, bestehende Zwischenschicht 5 und eine feuerfeste Innenauskleidung 6.
In einer bevorzugten Ausführung der feuerfesten Innenauskleidung 6 ist eine der Innenform des Behälters entsprechende Metallschablone 7 im Innern des Ofens vorgesehen; der Zwischenraum zwischen dieser Schablone 7 und der Innenwand des Ofens wird mit dem feuerfesten Material aufgefüllt. Die Schablone 7 besteht vorzugsweise aus einem Stahl oder einer Legierung, welche in die Zusammensetzung der im Ofen hergestellten Legierung eingehen.
Das die Auskleidung bildende feuerfeste Material besteht, wie oben erwähnt, hauptsächlich aus Siliziumoxyd in Form von Quarz oder Quarzit mit einer Mindestreinheit von 97$ oder mehr. Dieses Material ist preisgünstig und leicht erhältlich. Das Siliziumoxyd muss trocken sein, z.B. weniger
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als 1$ Wassergehalt haben. Es wird gemahlen und anschliessend auf eine optimale Granulierung kalibriert, sodass es nach der Einführung in den Zwischenraum zwischen der Schablone 7 und. der Innenwand des Ofens mittels eines an der Schablone 7 angreifenden Rüttel- oder Vibrierapparates verdichtet werden kann.
Versuche haben gezeigt, dass für den vorstehend beschriebenen Anwendungsfall die optimale Granulierung oder Körnung des Materials gegeben ist, wenn bei einer Siebanalyse der gewichtsmässige Anteil der Körner über 0,6 mm Durchmesser mehr als 45$ der Gesamtmenge darstellt, die Körnung von über 1 mm Durchmesser 27 - 40$ der Gesamtmenge, die Körnung zwischen 0,2 und 1 mm 25-40$ der Gesamtmenge.beträgt und die Körnung unterhalb 0,2 mm 30-40$ der Gesamtmenge. Bei dieser Granulierung ist es vorteilhaft, wenn der Chromträger zum grössten Teil in der feinen Granulierung vorliegt.
Diesem Siliziumoxyd von sehr hohem Reinheitsgrad wird ein Sintermittel, dessen Aufgabe weiter unten näher erklärt wird, in einem Verhältnis von 0,5 bis 1,8$ der Gesamtmenge zugesetzt, wobei die Körnung dieses Sintermittels dem vorstehend für das Siliziumoxyd angegebenen weitgehend entsprechen soll. Als Sintermittel werden Bortrioxyd BpO-, oder Borsäure Η-,ΒΟ-, verwendet.
Dem Gemenge aus Siliziumoxyd- Sintermittel wird Chromoxyd Cr pO-, zugesetzt, und zwar entweder in reiner Form, oder in Form eines entsprechenden Erzes wie etwa dem Chromerz (CrpO-.-FeO), wobei wiederum die für das Siliziumoxyd angegebene Körnung eingehalten werden muss. Die zugesetzten Mengen müssen so bemessen sein, dass nach dem Mischen und Sintern Anteile von CrpO, im Gemenge verbleiben, welche mengenmässig in der Nähe des eutektischen Punktes des Gemisches Siliziumoxyd (SiOp)- Chromoxyd (CrpO-.), das heisst bei 6$ Chromoxydanteil, liegen; man wird den Zusatz von Chromoxyd (CrpO,) demnach entsprechend bemessen, dass die verbleibende Menge zwischen 4 und 8$ der Gesamtmenge liegt. Eine Mischung dieser Zusammensetzung ist hitzebeständig bis zu Temperaturen von über 1.65o°C.
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Sollte die weiter oben angegebene, für das Siliziumoxyd optimale Körnung nicht eingehalten werden können, so ist es wesentlich, das Chromoxyd und/oder das Sintermittel in
sehr feinkörniger Form zuzugeben, das heisst in einer Körnung von z.B. unterhalb 24^,u; bei einer solchen Feinkörnigkeit
können genannte Stoffe sich in günstiger Weise als staubfeines Pulver zwischen die Körnung des Siliziumoxyds einbetten.
Es muss bemerkt werden, dass das Chromoxyd CrpO, zum Teil die Aufgabe des sonst üblichen Sintermittels übernehmen kann, die dem Siliziumoxyd zuzusetzenden Anteile an Sintermittel zum Teil also durch das Chromoxyd ersetzt werden können, was es in manchen Fällen ermöglicht, die Körnung der Mischung im Sinne einer optimalen Körnungsverteilung zu beeinflussen.
Beim Zusammenmischen der einzelnen Komponenten des feuerfesten Materials ist darauf zu achten, dass der Mischvorgang ohne Kornbruch stattfindet. Die Verdichtung der Mischung, welche, wie schon erwähnt, durch Rütteln vorgenommen wird, sollte in der Weise stattfinden, dass die Restporosität des Gemenges unter 24$ liegt.
Bei der Inbetriebnahme des Ofen wird auf G-rund der
progressiven Steigerung der Temperatur das Sintern des Siliziumoxyds nach und nach von Innen nach Aussen im feuerfesten Material vor sich gehen, sodass letzteres schliesslich nur noch einen einzigen, kompakten Block bildet. Etwa gleichzeitig verflüssigt sich die Form 7 in der Metallschmelze. Es bildet sich demnach zunächst eine dünne, vollständig durchgesinterte Schicht "x" (Figur 2) anliegend zur Metallschmelze, an welche eine
Schicht "y" anschliesst, welche progressiv von innen nach
aussen bei Temperaturen von 1.4000C bis 1.0000C durchsintert, und eine pulverförmige Schicht "zM, in welcher noch keine
Sinterung stattgefunden hat. In Figur 2 sind diese verschiedenen Schichtungen im feuerfesten Material schematisch dargestellt. Die pulverförmige Schicht ζ bildet eine Sicherheitsschicht,· welche bei Rissbildung in den gesinterten Schichten und Durchsickern von flüssigem Metall beim Berühren mit dem flüssigen Metall sofort sintert und erhärtet und damit eine Schranke
bildet.
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In "besonderen Ausnahmefällen kann eine durchgesinterte Schicht "x" vor der Inbetriebnahme des Ofens hergestellt werden, z.B. durch Aufheizen der Innenschicht der feuerfesten Auskleidung mittels eines Gasbrenners.
Die Figur 2 zeigt ebenfalls in schematischer Weise den Temperaturverlauf im Innern des feuerfesten Materials. Es ist ersichtlich, dass der Anstieg des Temperaturgradienten in der feuerfesten Auskleidung weit steiler verläuft als derjenige in der Isolierschicht, womit eine wesentliche Bedingung für die Betriebssicherheit des Ofens erfüllt ist.
In dem Masse, wie die ursprüngliche, vollständig durchgesinterte Schicht χ ihre günstigen Eigenschaften verliert, beziehungsweise abgetragen wird, bilden sich nach und nach neue, vollständig durchgesinterte Schichten von innen nach aussen. Die feuerfeste Auskleidung behält demnach ihre gute Hitzbeständigkeit und Absicherungseigenschaften gegen Infiltrationen von flüssigem Metall. Eine Erneuerung der feuerfesten Auskleidung braucht auch deshalb nur in längeren Zeitintervallen vorgenommen zu werden; vorteilhafterweise wird man eine solche Erneuerung während einer normalen Betriebspause des Ofens vornehmen.
In einer anderen Ausgestaltung der feuerfesten Innenauskleidung 6, welche auf die Wiederverwendung der Schablone 7-hinzielt, wird ein chemisches Bindemittel wie etwa Phenolharz, der feuerfesten Mischung 6 zugefügt und/oder auf die mit der Auskleidung 6 in Kontakt stehenden Fläche der Schablone 7 aufgebracht. Bei einem Aufheizen auf niedrige Temperaturen bildet das chemische Bindemittel in der Auskleidung an der Schablone 7 entlang eine feste Haut, welche das noch nicht gesinterte feuerfeste Material festhält. Somit kann die Schablone 7 vor dem .erstmaligen Füllen des Ofens und dessen Inbetriebnahme entfernt werden.
Wenn auch die Erfindung mit Bezug auf Oefen, insbesondere Induktionsschmelzöfen beschrieben wurde, so kann sie doch selbst-
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verständlich ebenfalls auf andere, im Eisenhüttenwesen verwandte Behälter angewandt werden, wie etwa Transportpfannen für flüssiges Metall. Für diese letztere Art der Anwendung wird man vorteilhafter Weise die Ausgestaltung mit wiederverwendbarer Schablone wählen. '
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Claims (9)

PATENTANSPRUECHE
1. Feuerfestes Material zur Auskleidung von Schmelzofen, insbesondere elektrischen Induktionsöfen, welches aus gemahlenem und kalibriertem Siliziumoxyd, einem Sintermittel für letzteres sowie aus einem Cr2O-V- Träger besteht, dadurch gekennzeichnet, dass durch geeignete Wahl der Materialkörnung das Material nach einem Verdichtungsprozess eine Porosität von weniger als 24$ aufweist und dass nach einem Sinter- oder Röstprozess der noch im feuerfesten Material vorhandene Anteil von ürpOo zwischen 4 und 8$, vorzugsweise bei 6$ der Gesamtmenge liegt.
2. Feuerfestes Material nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gemenge von Siliziumoxyd aus trockenem Quarz oder Quarzit mit einer Mindestreinheit von 97$ besteht.
3. Feuerfestes Material nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass der CrpCK- Träger Chromerz (Cr2CK-FeO) ist.
4. Feuerfestes Material nach den Ansprüchen 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, dass das Sintermittel Bortrioxyd. (B2O3) ist.
5. Feuerfestes Material nach den Ansprüchen 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, dass das Sintermittel Borsäure (H-,ΒΟ·,) ist.
6. Feuerfestes Material nach den Ansprüchen 1 bis 5» dadurch gekennzeichnet, dass die Körnung der Materialmischung folgenden Bedingungen entspricht:
Anteil der Körner mit einem Durchmesser über 0,6' mm: über 45$ Gewichtsanteil;
Anteil der Körner mit einem Durchmesser über 1 mm: zwischen 27 und 40$ Gewichtsanteil;
Anteil der Körner mit einem Durchmesser zwischen 0,2 und 1 mm: zwischen 25 und 40$ Gewichtsanteil;
Anteil der Körner mit einem Durchmesser unter 0,2 mm: zwischen 30 und 40$ Gewichtsanteil.
7. Feuerfestes Material nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Chromträger zum grössten Teil die feine Körnung aufweist. 709828/0884 ORIÖINAL IiMSPECTED
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8. Feuerfestes Material nach den Ansprüchen 1 bis 7» dadurch gekennzeichnet, dass der feuerfesten Materialmischung ein kleiner Prozentsatz eines Bindemittels zugesetzt wird.
9. Feuerfestes Material nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Bindemittel ein Kunstharz ist.
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DE19762659205 1975-12-31 1976-12-28 Feuerfestes material zur auskleidung von schmelzoefen, insbesondere elektrischen induktionsoefen Withdrawn DE2659205A1 (de)

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