DE3321872A1

DE3321872A1 - Feuerfeste masse

Info

Publication number: DE3321872A1
Application number: DE19833321872
Authority: DE
Inventors: Cecil Moor Worcester Mass. Jones
Original assignee: Norton Co
Current assignee: Saint Gobain Abrasives Inc
Priority date: 1982-06-21
Filing date: 1983-06-16
Publication date: 1983-12-22
Also published as: BR8303237A; US4424281A; FR2528824B1; FR2528824A1; GB8315825D0; GB2127397B; GB2127397A

Description

Feuerfeste Masse "§'

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Trocken-Stampfmasse, die besonders geeignet ist zum Auskleiden von Trögen, Auslaufrinnen und dergleichen zur Führung von Eisen- und Schlackenschmelzen sowie zum Herstellen der Innenwandflächen in Metallschmelzöfen. Insbesondere wird eine feuerfeste Zusammensetzung angegeben, die infolge ihrer speziellen Eigenschaften besonders geeignet ist für die Verwendung in Induktionsöfen sowie für die Tröge und Ausläufe von Hochöfen, in denen Eisenschmelzen mit stark kalk- und siliziumdioxidhaltigen Schlacken hergestellt werden.

Die US-PSn 12 77 227 und 12 89 578 geben feuerfeste Zusammensetzungen an, die mit Wasser vermischt, geformt und danach gebrannt werden können, bevor man sie der Verwendung als Tiegel oder dergleichen zuführt.

Eine Anzahl von Druckschriften lehren feuerfeste Zemente, die sich mit Wasser vermischt und zu der gewünschten Gestalt gießen oder sonstwie formen lassen; vergl. hierzu

die US-PSn 28 45 360, 28 52 401, 36 17 319, 38 46 144, 38 54 966 und 42 04 878.

Die US-PS 40 60 424 und 42 22 782 beschreiben jeweils einen feuerfesten Zement, der durch eine Schüttel- oder Stampfbehandlung getrocknet werden kann. Das Produkt der US-PS 40 60 424 läßt sich entweder als Trockenstampfmasse verwenden oder mit Wasser vermischt aus einer Kanone aufspritzen. Die beiden letztgenannten Patentschriften offenbaren feuerfeste Schichten, die in der Sollage gebrannt werden, um die Kornbestandteile des Zements zu versintern und, nachdem die Mischung in die Sollage gebracht worden ist, in deren Masse Reaktionen zu fördern, die die Bildung einer schützenden feuerfesten Oberfläche bewirken, die eine Metallschmelze einfassen kann.

Ausgehend vom Stand der Technik liefert die hier vorgeschlagene Zusammensetzung eine verbesserte feuerfeste Stampfmasse, die sich leicht im trockenen Zustand aufbringen läßt, um die Innenwandungen in Induktionsöfen sowie in Trögen und Ausläufen auszubilden, die eine Metallschmelze aus einem Hochofen aufnehmen sollen. Die Tröge des Ofens lassen sich unmittelbar nach dem Aufbringen der Masse in Benutzung nehmen. Diese Masse bietet eine Kombination aus feuerfesten Kornmaterialien in gewählten Größen, die in situ versintert werden können, um eine Auskleidung auszubilden, die besonders geeignet ist, um eine Eisenmetallschmelze mit Schlacke (insbesondere mit Kalk-Siliziumoxid-Schlacke) aufzunehmen. Infolge der Schmelzenströmung bildet sich aus der Masse in einem Ofen oder Trog oder in einer Laufrinne eine dauerhafte Auskleidung mit verbesserter Beständigkeit gegenüber der

Korrosion, die von der Strömung der Eisenschmelze und insbesondere der Schlacke verursacht wird, die aus dem Hochofen ausfließt oder sich in einem zum Aufschmelzen von Eisen einaesetzten Induktionsofen bildet.

Die Erfindung schafft eine feuerfeste Trockenmischung, d.h. eine Masse, die sich trocken auftragen läßt, um Führungen für Eisen- und Schlackenschmelzen aus einem Hochofen auszubilden, indem der Ansatz in einer solchen Führung in situ gesintert wird. Bei dem Ansatz handelt es sich um eine Mischung aus dichten Aluminiumoxidkörnern, einer Korngröße von 6-10 mesh, die zu 8 bis 20 Gew.-% der Mischung vorliegen, aus 15 bis 25 Gew.-% dichten Aluminiumoxids einer Größe von 12 - 16 mesh, 20 bis 35 Gew.-% dichtes Aluminiumoxid von 20 mesh und feiner, 0 bis 20 Gew.-% dichtes weißes Aluminiumoxid von 16 mesh und feiner, dichtes weißes Aluminiumoxid von 70 mesh und feiner in einer Menge von 0 bis 20 Gew.-%, Chromoxid in einer Größe von weniger als 1 Mikrometer in einer Menge von 0 bis 10 Gew.-% der Mischung, 0 bis 5 Gew.-% Periklas von 140 mesh und feiner, 0,25 bis 3 Gew.-% metallisches Silizium von 90 mesh und feiner, sowie 0,5 bis 3 Gew.-% (NaPO-,),- von 200 mesh und feiner ("mesh"-Angaben jeweils nach der US Standard Sieve-Reihe).

Eine bevorzugte Masse nach der Erfindung besteht aus einer Mischung aus etwa 18 Gew.-% dichten Aluminiumoxidkörnern von 6 bis 10 mesh, etwa 20 Gew.-% dichtem Aluminiumoxid von 12 bis 16 mesh, etwa 20 Gew.-% dichtem Aluminiumoxid von 20 mesh und feiner, etiva 15 Gew.-% dichtem weißen Aluminiumoxid von 16 mesh und feiner, etwa 10 Gew.-% dichtem

weißen Aluminiumoxid von 70 mesh und feiner, calciniertes Aluminiumoxid von 200 mesh und feiner in einer Menge von etwa 7 Gew.-%, etwa 5 Gew.-% Chromoxid von weniger als 1 Mikrometer, etwa 3,5 Gew.-% Periklas von 140 mesh und feiner, metallischem Silizium von 90 mesh und feiner in einer Menge von etwa 0,5 Gew.-% der Mischung, und etwa 1 Gew.-% (NaPO₃),- von 200 mesh und fe iner.

Wahlweise lassen sich dem Ansatz weitere Bestandteile hinzufügen, die auswählbar sind aus 0 bis 20 Gew.-% schwarzes Siliziumkarbid von 150 mesh und feiner, 0 bis 8 Gew.-% Kyanit (Al₀O., - SiO₅) von 200 mesh und feiner, 0 bis 5 Gew.-% Graphitpulver von 200 mesh und feiner, sowie 0 bis 3 Gew.-% Cryolit (Na₃AlFg) von 200 mesh und feiner.

Während geschmolzenes oder dichtes Aluminiumoxid wegen seiner hohen Dichte und Stabilität bei hohen Temperaturen der bevorzugte Kornstoff ist, lassen sich stattdessen ganz oder teilweise auch Plättchen-Aluminiumoxid ("tabular alumina") oder calciniertes Feuerfest-Bauxit verwenden. Dieser Ersatz kann zu einer leicht verkürzten Lebensdauer führen, kann aber eine billigere Masse ergeben.

Insbesondere läßt siel· als das dijhte Aluminiumoxid der vorliegenden Erfindung dunkles Schmelz-Aluminiumoxid einsetzen. Weiterhin kann man dichtes oder geschmolzenes weißes Aluminiumoxid in den Ansatz aufnehmen.

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Das (NaPOOg kann in Form des leicht erhältlichen Calgons eingesetzt werden; es dient als Bindemittel in der Masse, wobei die Bindung über einen breiten Temperaturbereich aktiv ist. Das Siliziumpulver ist im Massenansatz enthalten, um sich mit dem eventuell vorliegenden oder in den Ansatz eindringenden Sauerstoff zu SiO₂ zu verbinden, das die Poren in der Zementschicht ausfüllt und eine nichtporöse Auskleidung ergibt, die dem Eindringen der schmelzflüssigen Schlacke bzw. der Eisenschmelze in die Auskleidung der Tröge und Laufrinnen widersteht.

Das gegebenenfalls eingesetzte Kyanit und die feinen Aluminiumoxidteilchen auf der Ofeninnenfläche bzw. der Schmelzenführung reagieren unter der Erwärmung durch die Schmelze zu Mullit, das die Poren und Kanäle in der Masse ausfüllt. Diese Reaktion beginnt beim anfänglichen Versintern der Masse, wenn die Wärme aus der Metallschmelze in die Masse einzudringen beginnt, und das Vorliegen des Mullits reduziert die Schwundneigung der Auskleidung.

Die Graphitkomponente läßt sich wahlweise zusetzen, um das Benetzen der Masse durch die Eisen- und Schlackenschmelze zu reduzieren, und sie ist auch nützlich, wenn der Ansatz als Zusatz feinteiliges Siliziumcarbid enthält, wobei das Graphit als Reinigungsmittel wirkt, um die Oxidation des Siliziumcarbids zu verhindern. Das schwarze Siliziumcarbid kann auch als wahlweiser Zuschlag im Ansatz verwendet werden, um das Benetzen der Masse durch die Schlackenschmelze zu verhindern; schwarzes Si-

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liziumkarbid, das einen Anteil freien Kohlenstoffs enthält, ist für diesen Zweck bevorzugt.

Die Cryolitkomponente läßt sich, falls erforderlich, als Flußmittel verwenden, um die Masse bei einer Temperatur unter dem Schmelzpunkt des Eisens , falls erwünscht, fester zu machen.

Chromoxid und Periklas werden zugesetzt, um in der Masse in situ einen Spinell auszubilden, der zum Schließen der Poren weiter beiträgt; auf diese Weise erhält man den derzeit bevorzugten Ansatz.

Einen mit den oben beschriebenen wesentlichen Bestandteilen hergestellten oder einen gegebenenfalls zusätzlich mit den oben beschriebenen wahlweisen Zuschlagen versehenen Ansatz kann man in einen Ofen, einen Trog oder eine Laufrinne als trockene Masse zu einer Auskleidung stampfen bzw. verdichten, die die Eisenschmelze aufnehmen kann, und wird zur Verwendung besonders empfohlen, wo Eisen in einem Prozeß aufbereitet wird, in dem eine Schlacke mit hohem Kalk-Siliziumoxid-Gehalt anfällt. Wenn die Metallschmelze über die auf der Oberfläche des Trogs und seiner Laufrinnen verdichtete Schicht fließt, versintert die Auskleidung in situ. Dabei reagiert die Masse, die gegebenenfalls die oben angegebenen verschiedenen wahlweisen Zusätze enthält, auf die beschriebene Weise, so daß die Poren in der Auskleidung ausgefüllt werden und die Auskleidung in der Solllage fest gebunden wird. Bei weiterer Strömung der Schmelze setzt sich die Sinterreaktion innerhalb der gesamten Masse der Auskleideschicht fort, die daher fester und Widerstands-

fähiger wird gegen die korrodierende Wirkung des Eisens und der Schlacke, die durch den Trog und dessen Laufrinnen fließen. Die Auskleidungsschicht wird sehr schnell in der Sollage festgelegt; während die Schmelzenströmung sie weiter erwärmt, reift die Schicht zu einer festen, im wesentlichen undurchlässigen und nichtporösen korrosionsfesten Auskleidung, die die Schmelze eines eisenhaltigen Metalls und eine schmelzflüssige Schlacke insbesondere eine Schlacke mit hohem Kalk-Siliziumoxid-Anteil - auf sehr wirkungsvolle Weise aufnehmen und führen kann.

Verwendet man die hier vorgeschlagenen Massen als Innenauskleidung beispielsweise eines Induktionsofens für das Aufschmelzen von Eisen in einer Gießerei, erfolgt die Korrosion der Auskleidung im wesentlichen durch die Kalk-Siliziumoxid-Schlacke, die beim Schmelzvorgang entsteht.

Mischungen der oben beschriebenen Bestandteile lassen sich in beliebigen herkömmlichen Mischanlagen herstellen; dabei entsteht eine Trockenmischung, die sich durch Schwingungsverdichten oder jedes andere bekannte trockene Auftragverfahren zu einer Auskleidung in der Anlage aufbringen läßt, die die Eisen- und Schlackenschmelze aufnehmen soll.

Das Beispiel A gilt für eine bevorzugte Mischung eines solchen Zements, die sich trocken auf Ofeninnenwände und in Trögen und Laufrinnen einbringen läßt, die Eisen und Schlacke im schmelzflüssigen Zustand führen sollen. Die Beispiele B-D sind Vergleichsbeispiele für bekannte handelsübliche Mischungen, die die Anmelderin vertreibt.

Material Ansatz Ansatz Ansatz Ansatz mögl.
A B D C Bereich

dichtes Aluminiumoxid

(6-10 mesh) 18 20 24 9 8 - 20

dichtes Aluminiumoxid
(12 - 16 mesh) 20 20 25 24 15 - 25

dichtes Aluminiumoxid
(20 mesh und feiner) 20 25 35 24 20 - 35

schwarzes Siliziumcarbid

(150 mesh und feiner) — 15 — 0 - 20

dichtes weißes Aluminiumoxid
(16 mesh und feiner) 15 — — 15 0-20

dichtes weißes Aluminiumoxid
(20 mesh und feiner) 10 — — 10 0-20

claciniertes Aluminiumoxid
(200 mesh und feiner) 7 10 10 8 5-10

Chromox id-Pigment

kleiner als 1 μΐΐι 5 — -- — 1-10

Periklas
(140 mesh und feiner) 3,5 — — 7 0-5

Kyanit Al-O- SiO-(200 mesh" und feiner) — 4 — — 0 - 8

Graphitpulver

(200 mesh und feiner) — 3 — 3 0-5

Siliziummetallpulver

(90 mesh und feiner) 0,5 1 3 — 0,25-3

Calgon (NaPO-),
(200 mesh und feiner) 1 1 3 — 0,5-3

Cyolit-Pulver (Na-AlF,)

(200 mesh und feiner)^b — 1 — 0,5 0 - 3

(Sämtliche "mesh"-Angaben entsprechen der US-Standard-Sieve-Reihe, mit Ausnahme des Chromoxids, für das die
längste durchschnittliche Ausdehnung der einzelnen Teilchen in einem Los nach einer Schätzung an einer Probe
unter dem Mikroskop angegeben sind). Typischerweise hat
der Ansatz B eine Packdichte von 2,72 g/cm³ (170 lbs/ft³),
während die Ansätze A, C und D Packdichten von etwa
2,88 g/cm³ (180 lbs./ft³) hatten.

Von den vorgenannten Ansätzen ist der Ansatz A bevorzugt.
Werden als Bindemittel zusätzlich zu Natriumhexametaphosphat Chrom- und Magnesiumoxid (Periklas) aufgenommen, erhält man
einen Ansatz, der gegen den korrodierenden und erodierenden
Effekt von Kalk-Siliziumoxid-Schlacke und Metallschmelze
ist als die Ansätze B, C und D; die Steigerung der Beständigkeit gegenüber einem handelsüblichen Ansatz nach
dem Stand der Technik mit der Zusammensetzung

dichtes Aluminiumoxid 6 - 10 mesh 23 Gew.-% dichtes Aluminiumoxid 12 - 16 mesh 23 Gew.-% dichtes Aluminiumoxid 20 mesh und 10 Gew.-%

feiner

Siliziumcarbid 10 mesh und 8 Gew.-%

feiner

Siliziumcarbid 90 mesh und 10 Gew.-%

feiner

Graphit 200 mesh und 10 Gew.-%

feiner

Kugelton ("ball clay") 8 Gew.-%

Bentonit 2 Gew.-I

Siliziumnitrid 220 mesh 5 Gew.-%

Goulac 1 Gew.-I

ist dramatisch.

Die Beständigkeit feuerfester Auskleidungen gegen Erosion durch eine Gußeisenschmelze und CaO-SiO^-Schlacke wurde an den Ansätzen A, B und D sowie der vorgehenden handelsüblichen Mischung als Auskleidung eines Induktionsofens bestimmt. Die Prüfung erfolgte auf folgende Weise:

Ein kleiner Induktionsofen von 17,78 cm (7 in.) Innendurchmesser und 30,48 cm (12 in.) Tiefe wurde mit einer Feuerfest-Auskleidung aus Ansätzen nach der Formel A, B und D sowie der oben erläuterten handelsüblichen Zusammensetzung versehen, der Ofen zu einer Tiefe von etwa 12,7 cm j(5 in.) mit Gußeisen gefüllt und das Eisen auf 1600⁰C erwärmt. Der Eisenschmelze wurden 0,23 kg (0,5 lbs.) einer Kalk-Siliziumoxid-Schlacke mit einem CaO-SiO₂~Verhältnis von etwa 1 hinzugefügt und der Ofen wurde 5 Std. lang betrieben, wobei in Abständen von 0,5 Std. die alte Schlacke entfernt und durch eine gleiche Menge frischer Schlacke ersetzt wurde. Nach einem Lauf von 5 Std. wurde der Ofen vollständig entleert und abkühlen gelassen, dann die Ofenauskleidung entfernt und der Verschleiß bzw. die Erosion der Innenwanddicke gemessen, wo während des Ofenbetriebs das Eisen und die Schlacke die Innenflächen kontaktiert hatten. Für jede der hochtemperaturfesten Zusammensetzungen ergab sich nach 5 Std. die folgende Gesamterosion der Wanddicke:

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Feuerfeste Auskleidung

A B D St. d. Technik

Erosion infolge Schlacke Eisen

3 ,0 mm

6,0 mm

2 8,0 mm

0,0 5 mm 2, 5 mm 1 ,0 mm 20,2 mm

Der Ansatz C wurde nicht getestet, da er hinsichtlich der Zusammensetzung im Prinzip zwischen den Ansätzen B und D lag.

Wie sich aus diesen Tabellenwerten unmittelbar ergibt, war der Ansatz A den Ansätzen B und D klar und dem handelsüblichen Ansatz für Feuerfest-Auskleidungen außerordentlich überlegen. Diese Überlegenheit des Ansatzes A ergab sich aus dem Chromoxid-Magnesiumoxid-Spinell, der sich in situ bildet, wenn der Chromoxid und Periklas enthaltende Ansatz während der anfänglichen Kontaktierung durch die Eisenschmelze erwärmt wird; dabei war die Kombination von Chromoxid und Periklas nur im Ansatz A vorhanden.

Claims

1 New Bond Street, Worcester, Massachusetts, V.St.A. Patentansprüche

1. Feuerfester Trocken-Zementansatz zur Herstellung von Auskleidungen in Leitungen, die Eisen und Schlacke im schmeLzflüssigen Zustand aus einem Hochofen führen und in denen die Mischung in situ versintert, gekennzeichnet durch eine Mischung aus dichten Aluminiumoxid-Körnern einer Größe von 6 bis 10 mesh in einer Menge von 8-20 Gew.-% der Mischung, dichtem Aluminiumoxid in einem Größenbereich von 21 - 16 mesh in einer Menge von 15 - 25 Gew.-% der Mischung, dichtem Aluminiumoxid von 20 mesh und feiner in einer Menge von 20 bis 35 Gew.-% der Mischung, dichtem

weißen Aluminiumoxid von 16 mesh und feiner in einer Menge von 0 bis 20 Gew.-% der Mischung, dichtem weißen Aluminiumoxid von 70 mesh und feiner in einer Menge von 0- bis 20 Gew. der Mischung, calciniertem Aluminiumoxid von 200 mesh und feiner in einer Menge von 5-10 Gew.-% der Mischung, Chromoxid in einer Größe von weniger als 1 Mikrometer in einer Menge von 1 bis 10 Gew.-% der Mischung, Periklas von 140 mesh und feiner in einer Menge von 0 bis 5 Gew.-% der Mischung, metallischem Silizium in einer Größe von 90 mesh und feiner in einer Menge von 0,25 bis 3 Gew.-% der Mischung, sowie (NaPO-J,- in einem Größenbereich von 200 mesh und feiner in einer Menge von 0,5 bis 3 Gew.-% der Mischung.

2. Feuerfester Trocken-Zementansatz nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Mischung aus dichten Aluminiumoxidkörnern einer Größe von 6 bis 10 mesh in einer Menge von etwa 18 Gew.-% der Mischung, dichtem Aluminiumoxid in einem Größenbereich von etwa 12 bis 16 mesh in einer Menge von etwa 20 Gew.-% der Mischung, dichtem Aluminiumoxid von 20 mesh und feiner in einer Menge von etwa 20 Gew.-% der Mischung, dichtem weißen Aluminiumoxid von 16 mesh und feiner in einer Menge von etwa 15 Gew.-% der Mischung, dichtem weißen Aluminiumoxid von 70 mesh und feiner in einer Menge von etwa 10 Gew.-% der Mischung, calciniertem Aluminiumoxid von 200 mesh und feiner in einer Menge von etwa 7 Gew.-% der Mischung, Chromoxid einer Größe von weniger als 1 Mikrometer in einer Menge von etwa 5 Gew.-% der Mischung, Periklas von 140 mesh und feiner in einer Menge von etwa 3,5 Gew.-% der Mischung, metallischem Silizium in einer Größe von 90 mesh und feiner in einer Menge von etwa 0,5 Gew.-% der Mischung, und (NaPO₀),- in einem Größenbereich von 200 mesh und

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feiner in einer Menge von etwa 1 Gew.-% der Mischung,

3. Feuerfester Trocken-Zementansatz nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei den dichten Aluminiumoxidkörnern von 6 bis 10 mesh Größe, dem dichten Aluminiumoxid in einem Größenbereich von 12 bis 16 mesh und dem dichten Aluminiumoxid von 20 mesh und feiner um dunkles Schmelz-Aluminiumoxid handelt und daß das Chromoxid etwa 5 Gew.-% des Ansatzes ausmacht.