DE3854366T2

DE3854366T2 - Isolierbeschichtung für feuerfeste Körper, Beschichtungsverfahren und verwandte Artikel.

Info

Publication number: DE3854366T2
Application number: DE3854366T
Authority: DE
Inventors: Gilbert Rancoule
Original assignee: Vesuvius Crucible Co
Current assignee: Vesuvius Crucible Co
Priority date: 1987-06-26
Filing date: 1988-06-24
Publication date: 1996-04-04
Anticipated expiration: 2008-06-25
Also published as: DE3854366D1; JP2592501B2; EP0296981A2; FR2617157B1; CA1301780C; KR890000364A; ES2076940T3; BR8803119A; ATE127111T1; FR2617157A1; KR960011356B1; EP0296981B1; EP0296981A3; JPS6476975A

Description

beim Vergießen von Metallen verwendet werden, und sie betrifft insbesondere wärmeisolierende Überzüge, die dazu dienen, die feuerfesten Komponenten zu schützen und ihre Eigenschaften zu verbessern durch Verlängerung ihrer Lebens- bzw. Betriebsdauer.
Der erfindungsgemäße Isolierüberzug eignet sich ausgezeichnet für die Verwendung auf verschiedenen feuerfesten (schwerschmelzbaren) Körpern wie Tauch-Gießrohren, Strahlschutzrohren für die Übertragung (Transport) von Gießpfannen zur Wartung von Schutzrohren oder analogen Gegenständen, die man beim kontinuierlichen Vergießen von Metallen wie Stahl verwendet. Um eingetauchte Gießrohre, Schutzrohre oder andere gegen Wärmeschock zu schützen, den sie beim Beginn einer kontinuierlichen Gießoperation erleiden, war es bisher üblich, die Gießrohre auf beliebige Weise zu behandeln, um den durch ihren Einsatz in der Kälte verursachten Wämeschock zu verringern. Häufig wurde das Gießrohr vor dem Gießen vorerwärmt. Ein anderes Mittel, um es gegen Wärmeschock beim Kaltstart zu schützen, ist das Aufbringen eines blatt- oder schichtenförmigen Isolierüberzugs, der mit Keramikfasern imprägniert ist, auf das Äußere des Gießrohres. Obgleich dieser Isolierüberzug eine gute Wirksamkeit hat, um den Wärmeschock und die mit der Rißbildung in Verbindung stehenden Probleme minimal zu halten, ist dieser Isolierüberzug umständlich, weil es erforderlich ist, ihn zuzuschneiden, aufzubringen und zu fixieren, um den Isolierüberzug in geeigneter Weise auf die äußere Oberfläche des feuerfesten Gießrohres aufzubringen. Selbstverständlich wird in den inneren Hohlräumen des Gießrohres kein Papierüberzug aufgebracht.
Außer den Problemen in bezug auf den Wärmeschock tritt bei den Gießrohren des Standes der Technik, die man in kontinuierlichen Gießoperationen verwendet, auch das Problem auf, daß eine Brückenbildung oder ein Erstarren des Metalls zwischen dem eingetauchten Gießrohr und den benachbarten Wänden der mit Wasser gekühlten kontinuierlichen Gießform auftritt. Die obengenannten Vorerwärmungsoder Beschichtungsvorgänge mit einem Isolierpapier dienen dazu, eine solche nachteilige Brückenbildung auf ein Minimum herabzusetzen, damit werden aber bei weitem nicht alle Prbbleme gelöst. So entsteht beispielsweise im Falle eines umhüllten isolierten Gießrohres im Innern eine Anreicherung an erstarrtem Metall aufgrund der Tatsache, daß das Innere des Gießrohres keinen Isolierüberzug aufweist.
In LU-A-86 363 ist bereits ein Gießrohr beschrieben, das einen inneren feuerfesten Überzug aus geschmolzenem Siliciumdioxid aufweist, um eine Verstopfung der Leitung durch eine Aluminiumoxid-Abscheidung beim Gießen zu vermeiden. Dennoch ist bei dieser Vorrichtung auch eine vorhergehende Vorerwärmung erforderlich wegen der erhöhten Leitfähigkeit des Basismaterials des Rohres.
Mit der vorliegenden Erfindung wird eine große Anzahl der Probleme gelöst, die zeitraubend und umständlich sind, Probleme, die bisher bei der Herstellung und Verwendung von eingetauchten Gießrohren und analogen Komponenten, wie sie beim kontinuierlichen Gießen von Stahl verwendet werden, auftraten. Die vorliegende Erfindung stellt einen Isolierüberzug für Gießrohre dieses Typs und für analoge Vorrichtungen zur Verfügung, der die Notwendigkeit, das Gießrohr vorzuerwärmen, überflüssig macht. Der erfindungsgemäße Überzug verhindert unerwünschtewärmeschocks im Körper des Gießrohres während des Anfahrens und unterdrückt auch die unerwünschte Brückenbildung oder Erstarrung zwischen dem Gießrohr und der Formwährend des Gießens. Der erfindungsgemäße Isolierüberzug bedeckt auch die innere oder verdeckte Oberfläche desgießrohres, um eine Isolierung innerhalb desselben zu gewährleisten, wodurch eine unerwünschte Anreicherung von erstarrtem Metall in dem Körper des Gießrohres während des Gießens verhindert wird.
Die vorliegende Erfindung betrifftkurz gesagt einen Wärmeisolierüberzug für einen feuerfesten Körper, der geschmolzenen Metallen ausgesetzt ist,wie eingetauchte Gießrohre (Stranggußdüsen), die man beim kontinuierlichen Gießen von Stahl verwendet. Vorzugsweise wird der Isolierüberzug sowohl auf die äußeren Oberflächen als auch auf die inneren Oberflächen des feuerfestenkörpers in Form einer entflockten Mischung, vorzugsweise durch Eintauchen, aufgebracht. Die bevorzugte Zusammensetzung des erfindungsgemäßen Tauchbad-Überzugs umfaßt im wesentlichen: Bestandteil geschmolzene Siliciumdioxid-Körner Keramikmaterialfasern Wasser Bindemittel Fritte (Glasmasse) mindestens %
Man kann den Wärmeausdehnungskoeffizienten des Überzugs modifizieren, um denjenigen desfeuerfesten Substrats zu simulieren, indem man die geschmolzenen Siliciumdioxid- Körner in der obengenannten bevorzugten entflockten Zusammensetzung durch ein oder mehrere Keramikmaterialien ersetzt. Geeignete Ersatz-Keramikmaterialien sind insbesondere Aluminiumoxid-Pulver, Zirkoniumdioxid-Pulver, Mullit- Pulver und Aluminiumoxid-Kugeln.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung beschichtet man ein kontinuierliches Gießrohr oder eine analoge Komponente durch Eintauchen mit einem klassischen feuerfesten (schwerschmelzbaren) Material wie Aluminiumoxid-Graphit, wobei die genannte Zusammensetzung der feuerfesten Mischung entflocktes geschmolzenes Siliciumdioxid enthält, während eines Zeitraums, der so festgelegt wird, daß er zwischen etwa 5 und etwa 50 s liegt. Vorzugsweise wird vor dem Eintauchen auf den feuerfesten Körper eine Glasur bei Umgebungstemperatur oder nach dem Vorerwärmen auf eine Temperatur von etwa 70 bis 120ºC aufgebracht, um eine Dicke des Isolierüberzugs zu erzielen, die zwischen etwa 1 und etwa 6 mm liegt. Eine bevorzugte Dicke des Überzugs beträgt etwa 3 mm. Nach einer geeigneten Trocknungsdauer ist der beschichtete feuerfeste Körper gebrauchsfertig. Der Überzug weist im getrockneten Zustand eine verhältnismäßig harte Oberfläche auf und ist gegen eine grobe Handhabung, wie sie in der Werkstatt die Regel ist, beständig.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

Man stellt eine entflockte Mischung mit der Zusammensetzung des Isolierüberzugs her, indem man zuerst ein keramisches Tauchbad herstellt, das vorzugsweise besteht aus einem überwiegenden Teil (30 bis 85 Gew.-%) geschmolzenen Siliciumdioxid (SiO&sub2;)-Körnern und 15 bis 30 Gew.-% Wasser. Die geschmolzenen Siliciumdioxid-Körner, die man vorzugsweise durch ein Zerstäubungsverfahren erhält, liegen in einem fein-pulverisierten Zustand vor mit einer Korngröße von vorzugsweise weniger als 145 um. Die SiO&sub2;-Teilchen werden vor der Herstellung der Zusammensetzung der Mischung in dem Tauchbad vollständig entflockt. Die feine Teilchengröße des geschmolzenen Siliciumdioxid-Pulvers gewährleistet eine sehr schnelle Reaktion, welche die Erzielung der gewünschten schnellen Entflockung in dem Tauchbad erlaubt. Die scheinbare Volumenmasse (MVA) des Tauchbades muß so eingestellt werden, daß sie in dem Bereich von etwa 1700 bis etwa 2000 g/cm³ liegt. Vorzugsweise ist es zweckmäßig, die Viskosität auf einen Wert in dem Bereich von 0,3 bis 0,5 Pa.s einzustellen durch Verwendung eines Brookfield-Viskosimeters vom Typ LV, der eine Spindel Nr. 1 aufweist, die sich mit 12 UpM dreht. Um das geschmolzene Siliciumdioxid zu verdünnen oder vollständig oder teilweise zu ersetzen, kann man andere Keramikmaterialien verwenden; die so verwendbaren Materialien sind insbesondere Aluminiumoxid-Pulver, Zirkoniumdioxid-Pulver, Mullit-Pulver und Aluminiumoxid-Kugeln. Das geschmolzene Siliciumdioxid weist sehr niedrige Wärmeausdehnungs- und Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten auf und stellt somit ein Material erster Ordnung bei den meisten Beschichtungs-Anwendungszwecken dar. Für bestimmte Anwendungen kann es jedoch erwünscht sein, den Wärmeausdehnungskoeffizienten des Überzugs und andere Eigenschaften zu verbessern, um eine noch engere Übereinstimmung mit dem Substrat für den feuerfesten Körper herzustellen. In solchen Fällen können die genannten Verdünnungs-Keramikpulver in der entflockten Mischung auf eine dem Fachmann allgemein bekannte Weise verwendet werden.
Die erfindungsgemäße Beschichtungs-Zusammensetzung enthält außerdem vorzugsweise einen Zusatz an Keramikfasern, der bis zu 10 Gew.-% betragen kann, die man der Suspensions-Mischung einverleibt. Eine bevorzugte Keramikfaser, die man verwenden kann, ist eine im Handel erhältliche und verhältnismäßig billige Aluminiumoxid-Siliciumdioxid-Faser, die in der Regel einen Durchmesser von 1 bis 5 um und eine Länge von etwa 1 bis 10 mm hat. Die chemische Zusammensetzung, die Dimension und/oder der spezifische Typ der Keramikfasern werden im Hinblick auf die Zwecke der vorliegenden Erfindung nicht als kritisch angesehen, die Anwesenheit von Keramikfasern ist jedoch wichtig zur Erhöhung der Beständigkeit des Überzugs im Rohzustand. Andere Materialien, die man als Ersatz für die Aluminiumoxid-Siliciumdioxid-Keramikfasern verwenden kann, sind beispielsweise Zirkoniumdioxid-Fasern, Titandioxid- Fasern, Siliciumcarbid-Fasern und Aluminiumoxid-Fasern. Die im Handel erhältlichen erleichterten Aluminiumoxid-Kugeln und erleichterten Zirkoniumdioxid-Kugeln sind ebenfalls wirksame Ersatzprodukte für die Keramikfasern und verleihen nicht nur dem Rohüberzug eine zusätzliche Beständigkeit, sondern verbessern auch die Wärmeisoliereigenschaften des Überzugs wegen der Hohlräume mit eingeschlossener Luft in ihren hohlen Formen.
Wie bereits weiter oben angegeben, stellt man die entflockte Mischung her, indem man das geschmolzene feine Siliciumdioxid-Pulver mit Wasser versetzt, um eine vollständige Entflockung oder Dispersion des Tauchbades zu gewährleisten. Anschließend gibt man die Keramikfasern zu. Man erhält gute Ergebnisse durch Verwendung eines Schaufelmischers, z.B. eines Zyklon-Mischers.
Außerdem gibt man vorzugsweise Bindemittel in einer Menge zu, die bis zu etwa 7 Gew.-% betragen kann. Man kann Bindemittel, wie Natriumhexametaphosphat, Natriumsilicat oder Acrylharze, verwenden, um dem Überzug Steifheit, d.h. Härte und Elastizität, zu verleihen. Wenn man der Beschichtungszusammensetzung zu viel Bindemittel einverleibt, stellt man eine unerwünschte Abnahme der feuerfesten Eigenschaften des Produkts fest.
Die entflockte Zusammensetzung enthält außerdem vorzugsweise eine Glasfritte (Glasmasse), deren Zweck es ist, dem Überzug während der Verwendung bei hoher Temperatur eine bestimmte Pyroplastizität zu verleihen. Die Fritten (Glasmassen) sind allgemein bekannt und es handelt sich dabei um Oxidgemische, die Glas-Phasen aufweisen, die innerhalb spezifischer Temperaturintervalle weich werden und dazu dienen, eventuelle Schrumpfungsrisse zu beseitigen, die in dem Überzug beim Sintern mit steigender Temperatur auftreten können.
Nach dem Aufbringen des Isolierüberzugs auf die Oberfläche des feuerfesten Körpers und nach dem Trocknen kann man das beschichtete feuerfeste Produkt auf normale Weise handhaben, ohne den Überzug zu beschädigen. Im getrockneten Zustand umfaßt eine bevorzugte Überzugszusammensetzung im wesentlichen die folgenden Komponenten: Komponente in Gew.-% glasartiges Siliciumdioxid* Keramikfasern Bindemittel Fritten (Glasmassen) mindestens % bis etwa % * wie oben angegeben, das geschmolzene Siliciumdioxid kann auch teilweise durch Aluminiumoxid, Zirkoniumdioxid und/oder Mullit ersetzt sein.
Die folgenden Beispiele, in denen alle Mengenverhältnisse auf das Gewicht bezogen sind, dienen der Erläuterung der Erfindung, ohne sie jedoch darauf zu beschränken.

Beispiel 1

5 Strahlschutzrohre aus einem feuerfesten Aluminiumoxid-Graphit vom Typ, wie man ihn beim kontinuierlichen Vergießen von Stahl verwendet, werden in eine Suspension mit der nachstehend angegebenen Zusammensetzung in Gew.-% eingetaucht:
72 % Körner aus glasartigem Siliciumdioxid mit einer Korngröße von weniger als 145 um
5 % Aluminiumoxid-Siliciumdioxid-Keramikfasern und
23 % Wasser.
Auf die Rohre bringt man vorher eine konventionelle Antioxidations-Glasur auf und erwärmt diese Rohre anschließend auf eine TemPeratur in einem Bereich von 70 bis 120ºC. In der nachstehenden Tabelle ist der Effekt der Vorerwärmungstemperatur als Funktion der Eintauchzeit auf die Dicke des Überzugs angegebenen. Tabelle: Dicke des Überzugs Eintauchzeit (s) Temperatur der Rohre nicht meßbar
Die Daten in dieser Tabelle zeigen, daß eine höhere Temperatur des Rohres oder eine längere Eintauchzeit zu einer größeren Dicke des Überzugs führen. Durch die Versuche wurde festgestellt, daß die Dicke des Überzugs vorzugsweise zwischen etwa 1 und 6 mm liegen muß, um die Wärmeschocks und/oder die Brückenbildung zwischen dem Rohr und den Seitenwänden der Form wirksam zu verhindern. Die Dicke des Überzugs beträgt vorzugsweise etwa 3 mm und aus der obigen Tabelle ist zu ersehen, daß man diese Dicke erhält, wenn das Rohr eine Vorerwärmungstemperatur von etwa 100ºC hat und etwa 20 s lang in die entflockte Mischung eingetaucht wird. Die Dicke des Überzugs wird auch bestimmt durch die Viskosität und den Wassergehalt der Suspensions-Mischung, wobei eine größere Dicke erhalten wird mit einer höheren Viskosität bei konstanter Zeit und Temperatur. Das Eintauchen eines Rohres mit Umgebungstemperatur ist ebenfalls möglich und ist eines der bevorzugten erfindungsgemäßen Verfahren.
Für den Fachmann ist selbstverständlich klar, daß man auch andere Verfahren als das Eintauchen anwenden kann, um einen Überzug in Form einer wäßrigen Suspension auf einen feuerfesten Körper aufzubringen. Unter den anderen möglichen Verfahren können genannt werden das Aufspritzen (Aufstäuben), das Auftragen mit einem Pinsel oder das Vergießen der Zusammensetzung.
Das Eintauchverfahren zum Aufbringen der isolierenden Mischung ist besonders gut geeignet zum Beschichten von feuerfesten Rohren wie eingetauchten Gießrohren, da die inneren Oberflächen der Rohre gleichzeitig mit den äußeren beschichtet werden können, wenn der Körper in die Zusammensetzung eingetaucht wird. Wenn er auf die inneren Oberflächen aufgebracht wird, gewährleistet der Überzug eine wirksame isolierende Schicht während des Anfahrens in der Kälte (Kaltstarts), wodurch ein Erstarren des Metalls auf den Wänden des Rohres und die Beschränkungen, die daraus für den Gießdurchsatz resultieren, verhindert werden.

Beispiel 2

Auf 24 feuerfeste Gießrohre aus Aluminiumoxid-Graphit bringt man eine Antioxidations-Glasur auf und beschichtet sie anschließend durch Eintauchen in eine entflockte Mischung, die mit der in Beispiel 1 beschriebenen Zusammensetzung hergestellt worden ist. Der Überzug hat eine Dicke von 3 mm und nach dem Trocknen enthält er im wesentlichen etwa 93 Gew.-% geschmolzenes Siliciumdioxid und 7 Gew.-% Aluminiumoxid-Siliciumdioxid-Keramikfasern. Man beschichtet sowohl die äußeren Oberflächen als auch die inneren Oberflächen der Gießrohre. Man testet die 24 Gießrohre in einem Stahlwerk, in dem die Erstarrung oder Brückenbildung des Stahls zwischen dem Gießrohr und der mit Wasser gekühlten kontinuierlichen Form ein häufiges Problem darstellt. Die Gießversuche mit den 24 Gießrohren führen weder zu einer Erstarrung noch zu einer Brückenbildung bei einem der getesteten erfindungsgemäßen Gießrohre.

Beispiel 3

Durch Eintauchen beschichtet man 14 weitere Tauch- Gießrohre aus feuerfestem Aluminiumoxid-Graphit sowohl im Innern als auch im Äußern durch Verwendung der gleichen Beschichtungszusammensetzung wie in den Beispielen 1 und 2. Man testet die Proben, um den Effekt des Kaltstarts auf ein kontinuierlichen Gießrohr festzustellen. Normalerweise werden diese feuerfesten Gießrohre auf eine Temperatur von 1000 bis 2000ºC vorerwärmt, um Schäden durch einen Wärmeschock (Rißbildung) zu vermeiden. Man unterwirft jedes der 14 beschichteten Gießrohre einem Kaltstart (ohne Vorerwärmung) beim Gießen und alle sind beständig ohne jedes Anzeichen einer Beschädigung durch den Wärmeschock. Außerdem stellt man keine sichtbare Anreicherung von erstarrtem Metall auf den inneren Oberflächen bei einem der 14 Versuchsprobestücke fest. Man beobachtet keine Oxidation des Kohlenstoffs an der Oberfläche der Versuchsprobestücke aus Aluminiumoxid-Graphit, was noch einmal die Vorteile des erfindungsgemäßen Überzugs bestätigt.

Claims

1. Verfahren zum Beschichten eines feuerfesten (schwerschmelzbaren) Gießrohres des Typs, der mit einem geschmolzenen Metall in Kontakt kommt, dadurch gekennzeichnet, daß man eine Suspension herstellt, die im wesentlichen aus den folgenden Komponenten besteht:

Quarzglas-Körnern mindestens 30 Gew.-%

Keramikfasern 5 bis 10 Gew.-%

Bindemitteln 0 bis 7 Gew.-%

Fritten (Glasmassen) 0 bis 40 Gew.-%

Wasser 15 bis 30 Gew.-%;

die isolierende Mischung auf alle Oberflächen des feuerfesten Körpers, die mit der Mischung in Kontakt kommen, aufbringt zur Bildung eines Überzugs auf denselben, und den aufgebrachten Überzug trocknet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man auf das feuerfeste Gießrohr vor dem Aufbringen des genannten Überzugs als Suspension eine Antioxidations-Glasur aufbringt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das feuerfeste Gießrohr vor dem Aufbringen des genannten Überzugs als Suspension Umgebungstemperatur hat und daß die genannte Beschichtungsstufe darin besteht, das feuerfeste Gießrohr in die entflockte Mischung für eine Zeitdauer einzutauchen, die so eingestellt wird, daß man einen Überzug mit einer vorgegebenen Dicke erhält.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke des Überzugs zwischen 1 und 6 mm liegt.

5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß man das feuerfeste Gießrohr vor der Beschichtungsstufe auf eine vorgegebene Temperatur vorerwärmt und daß die Beschichtungsstufe darin besteht, das genannte vorerwärmte Gießrohr in die entflockte Mischung einzutauchen für eine Zeitdauer, die so eingestellt wird, daß man einen Überzug mit einer vorgegebenen Dicke erhält.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke des Überzugs zwischen 1 und 6 mm liegt.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Quarzglas-Körner in Form eines Pulvers mit einer Korngröße von weniger als 145 um vorliegen und daß man sie in Wasser ausflockt zur Bildung eines Keramikschlickers vor der Stufe der Herstellung der genannten Suspension.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Quarzglas der Suspension vollständig oder teilweise ersetzt wird durch ein oder mehr Keramikmaterialien, bei denen es sich handelt um Aluminiumoxidpulver, Zirkoniumdioxidpulver, Mullitpulver und/oder Aluminiumoxidblasen.

9. Gegenstand (Formkörper) für die Verwendung beim Gießen von geschmolzenen und ähnlichen Metallen, dadurch gekennzeichnet, daß er umfaßt ein feuerfestes Gießrohr aus einem Keramikmaterial, das einen isolierenden Überzug auf allen mit dem Metall in Kontakt kommenden äußeren und inneren Oberflächen des genannten Gießrohres aufweist, und daß der genannte Überzug im trockenen Zustand im wesentlichen umfaßt mindestens 45 Gew.-% Quarzglas, 5 bis 10 Gew.-% Keramikfasern, 0 bis 7 Gew.-% eines Bindemittels und 0 bis 40 Gew.-% einer Fritte (Glasmasse), und daß seine Dicke 1 bis 6 mm beträgt.

10. Gegenstand nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Keramikkörper ein Gießrohr aus Aluminiumoxid-Graphit ist für die Verwendung zum Stranggießen von Stahl.

11. Gegenstand nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Gießrohr auch eine Antioxidations-Tonoberfläche aufweist, die mit dem genannten isolierenden Überzug in Kontakt steht.

12. Gegenstand nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Überzug eine Dicke von etwa 3 mm hat.