DE3620257A1 - Aus schmelzgut gegossene, feuerfeste gewoelbeformsteine auf metalloxydbasis und daraus gefertigte gewoelbe - Google Patents

Description

Gegenstand der Erfindung sind aus Schmelzgut gegossene feuerfeste Gewölbeformsteine auf Metalloxydbasis, ausgeführt als Prisma mit Trapezgrundfläche, weiterhin aus derartigen Gewölbeformsteinen ausgeführte Gewölbe.

Die Gewölbe der mit hohen Temperaturen arbeitenden Öfen /z.B. Glasschmelzöfen/ werden im allgemeinen aus Silikasteinen oder sonstigen feuerfesten Keramikwerkstoffen aufgebaut. Über dem Gewölbe werden fallweise Schichten aus verschiedenen Wärmeisolierstoffen vorgesehen.

Die Erhöhung der Leistung der Öfen bedingt die Erhöhung der Betriebstemperatur, was jedoch von schädlicher Wirkung auf die herkömmlichen feuerfesten Werkstoffe ist. Gewissen Komponente der zu schmelzenden Materialien, z.B. bei den Glasschmelzöfen Fluor, Bor usw. greifen die Feuerfeststoffe chemisch an.

Die Erhöhung der Betriebstemperatur der Öfen erhöht gleichzeitig auch die durch das Gewölbe austretende Wärmemenge, d.h. den Wärmeverlust im beträchtlichen Masse, da die Stärke der Wärmeisolierung zur Erhöhung der Betriebstemperatur proportional nich erhöht werden kann, nachdem die physikalische und der thermische Belastbarkeit des Gewölbes begrenzt ist.

Mit dem Anstieg der Energiekosten wurde demgemäss auch eine Überprüfung der Glasschmelzöfen von dem Gesichtspunkt aus erforderlich, auf welche Weise die Wärmeverluste vermindert werden können. Diese Wärmeverluste bewegen sich bei dem Gewölbe um 40-50 %, bei den Seitenwänden um 20-25 %.

Ein weiteres Problem bestand darin, dass die Massgenauigkeit der aus herkömmlichen feuerfesten Werkstoffen gefertigten Formsteine unzureichend ist, und deshalb deren Bearbeitung auf das endgültige Mass während des Ofenbaues erfolgt. Das verlangsamt natürlich im wesentlichen Masse die Erneuerungsarbeiten und erhöht dementsprechend die Produktionsausfallzeiten.

Ein weiterer Nachteil der aus keramischen Werkstoffen gefertigten Formsteine besteht darin, dass ihr Material während des Temperierens sogar mehrmals eine Änderung der Kristallstruktur mitmacht, was mit einer Volumenänderung verbunden ist. Aus diesem Grunde muss die Geschwindigkeit des Anheizens gering gewählt werden, wodurch die Zeitdauer der Erneuerung bzw. des Produktionsausfalles weiter erhöht wird.

Auch zur Zeit sind die sogenannten aus Schmelzgut gegossenen Feuerfeststoffe bzw. die daraus gefertigten Formsteine wohl bekannt. Ihre Lebensdauer ist wesentlich höher als die der keramischen Formsteine und auch ihre Korrosionsbeständigkeit ist günstiger und deshalb können sie bei der Fertigstellung von Ofenausmauerungen vorteilhaft eingesetzt werden.

Gleichzeitig sind jedoch ihre Wärmeleitfähigkeit und ihr Gewicht wesentlich grösser als die Wärmeleitfähigkeit bzw. das Gewicht der keramischen Werkstoffe und deshalb erhöht auch das Gewicht der aus diesen Stoffen gefertigten Ausmauerungen. So können sie als Gewölbeformsteine ohne Konstruktionsänderung praktisch nicht verwendet werden, da wie bereits vorstehend erwähnt, die Belastbarkeit der das Gewölbe tragenden Konstruktionselemente begrenzt ist. Auf diese Weise wird demgemäss die Lebensdauer der Öfen im allgemeinen durch die Lebensdauer des Gewölbes bestimmt, da diese wesentlich geringer als die der aus Schmelzgut gegossenen feuerfesten Materialien gefertigten Ausmauerungen ist.

Ziel der vorliegenden Erfindung ist deshalb die Entwicklung von Gewölbesteinen, hergestellt aus feuerfestem aus Schmelzgut gegossenem Material, wobei jedoch ihr Gewicht das der herkömmlichen keramischen Formsteine nicht überschreitet und die aus ihnen herstellbaren Gewölbe eine geringere Wärmeleitfähigkeit als die aus keramischen Materialien gebauten aufweisen.

Die gestellte Aufgabe wurde erfindungsgemäss so gelöst, dass in der breiteren der parallelen Seitenflächen der als Prisma mit einer Trapezgrundfläche ausgebildeten Gewölbeformsteine mindestens ein zur Längsachse des Formsteines senkrechter offener Kanal ausgebildet ist. Im Falle der mehrkanäligen Formsteine sind die Abmessungen der Kanäle zweckdienlicherweise die gleichen. Von den die Kanäle voneinander trennenden Rippen beträgt die Stärke der äusseren vorzugsweise die Hälfte der Stärke der mittleren, sodass die aneinander gefügten Formsteine überall Rippen der gleichen Stärke bilden.

Die Höhe der äusseren Rippen ist zweckdienlicherweise grösser als die der mittleren, um eine bessere Bindung der das Gewölbe bedeckenden Isolierschicht zu gewährleisten.

In dem aus den so ausgebildeten Formsteinen gefertigten Gewölbe sind die Formsteine so zusammengestellt, dass sich die Kanäle koaxial aneinander anfügen und mindestens zum Teil mit einem Isoliermaterial von geringeren Leitfähigkeit als die der Formstein, ausgefüllt sind. Auf diese Schicht können dann weitere Isolierschichten aufgetragen werden.

Das Gewölbe wird zweckdienlicherweise aus zwei verschiedenen Formsteinen zusammengestellt und die eine Formsteinausführung ist mit mehreren Kanälen als die andere versehen, wobei die nebeneinander in Reihen parallel zur Längsachse des Gewölbes befindlichen Formsteine im Vergleich zueinander mindestens um eine Kanalteilung versetzt angeordnet sind.

Das so ausgebaute Gewölbe ermöglicht eine Erhöhung der Lebensdauer der Öfen auch bei höheren Betriebstemperaturen, und vermindert gleichzeitig auch die durch die Ausmauerung austrentenden Wärmeverluste.

Die Feuerfestigkeit und die chemische Widerstandsfähigkeit des Gewölbes sind wesentlich besser als die der aus keramischen Werkstoffen angefertigten Gewölbe.

Durch die Verwendung von gegossenen Formstücken leichterer Ausführung vermindert sich die Gewichtsbelastung und auch innerhalb der gleichen Gesamtgewichtsbelastung kann die Stärke der Isolierschicht erhöht werden. Infolge der Erleichterung vermindert sich das Gewölbegewicht im Vergleich zur herkömmlichen Gewölbeausführung um etwa 10-15 %.

Die weiteren Einzelheiten der Erfindung werden anhand von Ausführungsbeispielen mit Hilfe von Zeichnungen dargelegt. Auf der Zeichnung zeigen

Fig. 1 die Vorderansicht der verschiedenen Ausführungsformen des erfindungsgemässen Gewölbeformsteines,

Fig. 2 die Fernansicht eines aus erfindungsgemässen Gewölbeformsteinen im Bau befindlichen Gewölbes,

Fig. 3 die Vorderansicht der zusammengebauten Gewölbeformsteine,

Fig. 4 die Draufsicht des in Fig. 3 dargestellten Gewölbes,

Fig. 5 die Draufsicht eines aus andersartigen Gewölbeformsteinen zusammengestellten Gewölbes,

Fig. 6 den Längsschnitt eines mit Isolierschichten versehenes Gewölbes.

Die in Fig. 1 sichtbaren gegossenen Gewölbeformsteine sind als Prismen mit einer Trapezgrundlfächen ausgebildet, d.h. zwei ihrer Seitenflächen verlaufen parallel zueinander, zwei ihrer Seitenflächen schliessen einen durch die Abmessungen des Gewölbes bestimmten Winkel ein, ihre untere Fläche ist ebenflächig oder dem Radius des Gewölbes entsprechend bogenförmige ausgebildet, wobei in ihrer oberen Begrenzungsfläche zur Längsachse der Formsteine senkrecht verlaufende offene Kanäle 1 vorgesehen sind.

Die Kanäle 1 werden durch äussere und mittlere Rippen 2, 3 begrenzt, Bei der Variante B ist die Stärke der äusseren Rippen 2 und die der dazwischenliegenden mittleren Rippen 3 gleich, bei den Varianten A und C beträgt jedoch die Stärke der äusseren Rippen 2 nur die Hälfte der Stärke der mittleren Rippen 3. Demzufolge bilden die äusseren Rippen 2 der nebeneinander angeordneten Formsteine den dazwischenliegenden mittleren Rippen 3 gleichstärke Rippen.

Bei den Varianten B und C ist die Höhe der dazwischenliegenden mittleren Rippen 3 geringer als die Höhe der äusseren Rippen 2, um eine sichere Bindung der auf die Gewölbeformsteine aufzutragenden Isolierschicht zu erreichen.

Gemeinsames Merkmal der Kanäle 1 ist ihre offene Ausführungsform, wobei sie jedoch hinsichtlich ihrer Ausgestaltung beliebig ausgeführt sein können.

Bei den Varianten A, B und D verlaufen die Seitenwände der Kanäle 1 parallel zueinander, bei der Variante C jedoch konvergierend. Gleichzeitig ist der Kanalquerschnitt der Variante B bei dem Übergang des Kanalbodens in die Seitenwände abgerundet, bei der Variante D ist der ganze Bodenteil bogenförmig ausgebildet. Bei den Varianten A und C ist der Bodenteil ebenflächig und bei dem Übergang zu den Seitenwänden der Kanälge nicht abgerundet.

In Fig. 2 ist die Fernansicht eines im Bau befindlichen Gewölbes zu sehen. Das Gewölbe ist aus den in Fig. 1 dargestellten Formsteinen nach der Variante A gefertigt. Aus der Figur ist gut zu ersehen, wie sich durch das gegenseitige Anschliessen der äusseren Rippen 2 und der mittleren Rippen 3 aneinander die kontinuierliche quergerichtete Verrippung herausbildet.

In Fig. 3 ist die Seitenansicht eines aus den erfindungsgemässen Gewölbeformsteinen zusammengestellten Gewölbes zu sehen.

Fig. 4 zeigt die Draufsicht des in Fig. 2 dargestellten Gewölbes. Hierbei ist zu ersehen, dass das Gewölbe aus zwei verschiedenen Formsteinen zusammengebaut ist. Bei dem dargestellten Beispiel wird das Gewölbe durch ein- und zweikanälige Formsteine gebildet. Die zur Längsachse des Gewölbes parallelen Reihen beginnen abwechselnd mit den kürzeren und den längeren Formsteinen. Jede zweite Reihe ist ausschließlich nur aus längeren Formsteinen ausgebildet.

Natürlich kann die netzartige Anordnung des Gewölbes auch auf andere Weise ausgebildet werden. In Fig. 5 ist z.B. die Draufsicht eines aus jeweils einen und drei Kanäle enthaltenden Formsteinen gefertigten Gewölbes zu sehen.

Bei dieser Ausführungsform beginnen die Reihen ebenfals abwechselnd mit kürzeren und längeren Formsteinen, wobei jedoch jede Reihe auch kürzere Formsteine enthält.

Aus den vorgeführten Ausführungsformen ist zu ersehen, dass die netzartige Anordnung der Gewölbe auf zahlreiche Art und Weise verwirklicht werden kann, wobei jedoch ihr gemeinsames Merkmal darin besteht, dass die Formsteine in zur Längsachse des Gewölbes parallelen Reihen im Vergleich zueinander um mindestens eine Kanalteilung versetzt angeordnet werden. Dadurch kann die gegenseitige Aneinanderfügung der Kanäle und Rippen gesichert werden.

Natürlich ist auch die Ausgestaltung eines Gewölbes nicht ausgeschlossen, bei dem die Gewölbeformsteine ohne sie gegenseitig zu versetzen, nebeneinander angeordnet sind, wobei jedoch diese Ausführung eine geringere Stabilität zur Folge hat.

In Fig. 6 ist der Längsschnitt eines fertigen Gewölbes zu sehen. Dabei ist festzustellen, dass die Kanäle der Gewölbeformsteine mit einem Material guter Wärmedämmung ausgefüllt wurden. Oberhalb dieser Schicht sind noch weitere zwei Isolierschichten vorgesehen.

Die Höhe M der zum Einsatz gelangenden Gewölbeformsteine beträgt 250 mm, die Tiefe m der in den Formsteinen ausgebildeten Kanäle hingegen 100 mm. Die Formsteine wurden aus Schmelzgut gegossenem Material vom Typ Zirkosit-30 gefertigt. Die Kanäle wurden mit einer aus dem Material Almotim-A 10 gefertigten 120 mm starken Schicht I ausgefüllt und auf diese wurden dann die weiteren aus den feuerfesten Wärmeisolierstoffen vom Typ Sigmotim und Standard -1260 hergestellten Schichten II und III aufgetragen. Die Stärke dieser Schichten betrug 200 bzw. 100 mm.

Von den vorgenannten Stoffen ist der Stoff Zirkosit-30 ein feuerfestes Material auf Baddeleyit-Korundbasis, das 50 % Al₂O₃, 33 % ZrO₂ und 14 % SiO₂ enthält. Das Material Almotim A 10 ist eine 90 % Al₂O₃ enthaltende feuerfeste Masse auf Elektrokorundbasis mit chemischer Bindung, das Material Sigmotim ist eine 40 % Al₂O₃ und 30 % SiO₂ enthaltende Isoliermasse mit hydraulischer Bindung. Der Wärmedämmstoff Standard-1260 ist eine bis zu einer Temperatur von 1260 C° verwendbare Isolierdecke hergestellt aus feuerfestem Fasermaterial mit einer Wärmeleitfähigkeit von 0,2 W/mK.

Die Betriebstemperatur des gegebenen Ofens lag bei 1550 C°, die Aussentemperatur des Gewölbes betrug 109 C°. Der Wärmeverlust erreichte 991 kcal/m²h.

Bei den gleichen Betriebsverhältnissen betrug im Falle eines 375 mm starken Silika-Gewölbes die Gewölbeaussentemperatur 282 C°, der Wärmeverlust 5072 kcal/mm²h. Diese Werte stiegen parallel zum Dünnerwerden des Gewölbes weiter an. Das aus Silikasteinen gefertigte Gewölbe wurde nach einer Betriebsdauer von 32 Monaten bereits so dünn, dass der Ofen wegen der notwendig werdenden Erneuerung des Gewölbes stillgesetzt werden musste.

Die Lebensdauer des versuchsweise mit erfindungsgemässen aus Schmelzgut gegeossenen Gewölbeformsteinen gefertigten Ofengewölbes überschritt jedoch 50 Monate.

In den nachstehenden Tabellen werden weitere Vergleichsbeispiele durch die Nebeneinanderstellung der erfindungsgemässen Gewölbe A und der herkömmlichen Ausführungen B vorgeführt.

Tabelle 1

Bei einer Innentemperatur von 1400 C° stellt sich die Aussentemperatur im Fall A auf 95 C° /die Wärmestromdichte 810 kcal/m²h, im Fall B auf 202 C° /Wärmestromdichte 2830 kcal/m²h/ ein.

Tabelle 2

Bei einer Innentemperatur von 1600 C° betrug im Falle A die Aussentemperatur 218 C° /die Wärmestromdichte 3230 kcal/m²h/. Nach den Berechnungen würde bei einer weiteren Abdeckung des Gewölbes mit einem 50 mm starken Faserstoffmantel die Aussentemperatur auf 133 C°und im Falle einer Mantelstärke von 100 mm auf 103 C° zurückgehen. Im Fall B betrug die Aussentemperatur 233 C°. Die Wärmeisolierung kann jedoch hier durch das Auftragen weiterer Isolierschichten nicht erhöht werden, denn in diesem Falle würde das Gewölbematerial zu einem unerwünschten Masse erhitzt und kurzzeitig zerstört werden.

Tabelle 3

Bei einer Innenraumtemperatur von 1550 C° betrug die Temperatur der Aussenfläche im Fall A 96 C°, im Fall B hingegen 216 C°.

Aus vorstehenden Ausführungen ist zu ersehen, dass die erfindungsgemässen Gewölbesteine und die daraus gefertigten Gewölbe im Vergleich zur herkömmlichen Ausführung über zahlreiche Vorteile verfügen.

Das Gewölbe besitzt eine höhere Wärmebeständigkeit, bessere chemische Widerstandsfähigkeit und zugleich eine höhere mechanische Festigkeit, sowie demzufolge auch eine wesentliche längere Lebensdauer.

Da die Korrosionsbeständigkeit der aus Schmelzgut gegossenen Profilsteine auch bei wesentlich höheren Temperaturen bedeutend besser als die der herkömmlichen Formsteine ist, kann die Stärke der Isolierschichten wesentlich grösser als bei den früheren Ausführungen vorgesehen werden, wodurch die Wärmeverluste beträchtlich vermindert, d.h. Energieeinsparungen erreicht werden.

Die Gewölbeformsteine können durch Giessen ausserordentlich genau hergestellt werden, demzufolge die Bauzeiten der Gewölbe weitgehend verkürzt werden. Dies bedeutet gleichzeitig eine Erhöhung der nützlichen Betriebszeit und des Ofenausutzungsgrades.

Im Falle der aus Schmelzgut gegossenen Formsteine kann ein schnelleres Anheizen des Ofens vorgesehen werden, wodurch die Ausfallzeit vermindert wird.

Natürlich können die erfindungsgemässen Gewölbeformsteine und das Gewölbe selbst neben den vorgeführten Beispielen im Rahmen der Erfindung in zahlreichen Ausführungsformen verwirklicht werden.

Claims (7)

1. Aus Schmelzgut gegossener feuerfester Gewölbeformstein auf Metalloxydbasis, als Prisma mit Trapezgrundfläche ausgebildet, dadurch gekennzeichnet, dass in der breiteren seiner parallel verlaufenden Seitenflächen mindestens ein zur Längsachse des Formsteines senkrechter offener Kanal (1) vorgesehen ist.

2. Formstein nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abmessungen der in den Formsteinen ausgebildeten Kanäle (1) gleich sind.

3. Formstein nach Anspruch 1 bzw. 2, dadurch gekennzeichnet, dass von den die Kanäle (1) bildenden Rippen (2, 3) die Stärke der äusseren Rippen (2) die Hälfte der Stärke der mittleren Rippen (3) beträgt.

4. Formstein nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe der äusseren Rippen (2) grösser als die Höhe der zwischenliegenden mittleren Rippen (3) ist.

5. Formstein nach einem der Ansprüche 1 bis 4 ausgebautes Gewölbe, dadurch gekennzeichnet, dass die Formsteine so zusammengestellt sind, dass die Kanäle (1) sich koaxial aneinander fügen und mindestens zum Teil mit einem wärmebeständigen Material, das eine geringere Wärmeleitfähigkeit als die Formsteine aufweist, ausgefüllt sind.

6. Gewölbe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass es aus zwei verschiedenartigen Formsteinen zusammengestellt ist, wobei die eine Art der Formsteine mit mehreren Kanälen (1) als die andere Art der Formsteine versehen ist, und die in den zur Längsachse des Gewölbes parallel nebeneinander verlaufenden Reihen befindlichen Formsteine im Vergleich zueinander um mindestens eine Kanalteilung versetzt angeordnet sind.

7. Gewölbe nach Anspruch 5 bzw. 6, dadurch gekennzeichnet, dass es mit mindestens einer Isolierschicht versehen ist.