DE4337189C2 - Chargiergestell für das Brennen von Gegenständen aus keramischen und glaskeramischen Werkstoffen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Chargiergestell zur Aufnahme von Formkörpern aus keramischen und glaskeramischen Werkstoffen, die in einem Ofen, insbesondere einem Rollenofen, gebrannt wer­ den, wobei das Chargiergestell die Form eines Rostes hat sowie aus einem aus mehreren Teilen zusammengesetzten Rahmen und aus mehreren Trägerteilen besteht und wobei die Teile des Chargiergestells aus feuerfesten Materialien hergestellt sind.

Keramische Werkstoffe bestehen aus tonmineralhaltigen Rohstoffen; sie werden durch Farmen bei Raumtemperatur und anschließendes Brennen zu keramischen Gegenständen (z. B. Geschirr, Sanitärkeramik, Baustoffkeramik) verarbeitet. Glaskeramische Werkstoffe bestehen aus Gläsern, die nach einer Formgebung und einer nachfolgenden Wärmebehandlung zu glaskeramischen Gegenständen verarbeitet werden. Bei der Wärmebehandlung tritt durch partielle Kristallisation eine teilweise, gesteuerte Entglasung ein. Das Brennen bzw. die Wärmebehandlung keramischer und glaskeramischer Werkstoffe erfolgt bei Temperaturen von 800 bis 2000°C, vorzugsweise 1000 bis 1400°C, in Öfen, die sowohl im Batchbetrieb als auch kontinuierlich arbeiten. Die aus keramischen oder glaskeramischen Werkstoffen geformten Gegenstände werden in vielen Fällen auf Chargiergestellen angeordnet, die dann in den Ofen eingebracht und nach Abschluß des Brennprozesses aus dem Ofen herausgenommen werden. Insbesondere für den kontinuierlichen Ofenbetrieb, der vorzugsweise in Rollenöfen durchgeführt wird, haben sich derartige Chargiergestelle bewährt, da sie die Formkörper während der Ofenreise vor Beschädigung schützen und die Handhabung der Formkörper erleichtern.

Bekannte Chargiergestelle bestehen vorzugsweise aus keramischem Material, wie z. B. Kordierit oder Mullit, und haben die Form von Platten. Diese Chargiergestelle müssen langsam aufgeheizt und abgekühlt werden, da sie eine geringe Thermoschock-Stabilität besitzen. Durch diese Materialeigenschaft wird der kontinuierliche Ablauf des Brennprozesses in nachteiliger Weise verlängert. Die aus konventionellen metallischen Werkstoffen gefertigten bekannten Chargiergestelle haben eine geringe Korrosionsbeständigkeit und Hochtemperaturfestigkeit, was sich nachteilig auf ihre Lebensdauer auswirkt. Wegen ihrer geringen Hochtemperaturfestigkeit müssen die aus konventionellen metallischen Werkstoffen gefertigten Chargiergestelle außerdem ein hohes Baugewicht aufweisen, was sich negativ auf den Energiehaushalt des Brennofens auswirkt.

Aus der GB-PS 12 40 204 ist ein Chargiergestell zur Aufnahme von Formkörpern aus keramischen und glaskeramischen Werkstoffen, die in einem Ofen gebrannt werden, bekannt, das die Form eines Rostes hat sowie aus einem Rahmen, der aus mehreren Teilen zusammenge­ setzt ist, und aus mehreren Trägerteilen besteht, wobei die Teile des Chargiergestells aus feuerfesten Materialien hergestellt sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Chargiergestell zu schaffen, das ein geringes Baugewicht aufweist, eine hohe Le­ bensdauer hat, korrosionsbeständig ist und im Verlauf des Brenn­ prozesses schnell aufgeheizt sowie abgekühlt werden kann.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Teile des Rahmens des Chargiergestells aus einer dispersionsgehärteten Eisen- oder Nickelbasislegierung und die Trägerteile des Chargiergestells aus der gleichen dispersionsgehärteten Eisen- oder Nickelbasislegierung oder aus Siliziumcarbid, einem oxidkeramischen Werkstoff, einer Superle­ gierung oder aus Stahl gefertigt sind.

Die einzelnen Trägerteile des als Rost gestalteten Chargiergestells weisen für die zu brennenden Formteile geeignete Stellflächen auf. Die von der Masse der einzelnen Trägerteile und der Masse der auf den Trägerteilen angeordneten Formkörper ausgehenden Kräfte werden in den Rahmen des Chargiergestells eingeleitet, der aus einem Material besteht, das eine sehr hohe Warmfestigkeit aufweist und daher ein relativ geringes Eigengewicht hat. Die einzelnen Trägerteile haben auch deshalb ein geringes Eigengewicht, weil sie nur eine kleine Anzahl von Formkörpern tragen müssen. Da die Baugröße der Trägerteile begrenzt ist, können sie auch aus Siliciumcarbid, einem oxidkeramischen Werkstoff (Werkstoff, der aus Oxiden, mit Ausnahme von SiO₂, und Oxidverbindungen nach keramischen Methoden hergestellt ist), einer Superlegierung oder aus Stahl gefertigt werden, wobei der Stahl nur bei niedrigen Brenntemperaturen (z. B. < 1000°C) zur Anwendung kommen sollte. Das Chargiergestell, welches ganz oder teilweise aus einer dispersionsgehärteten Eisenbasislegierung besteht, wird vorzugsweise bei Brenntemperaturen von 1000 bis 1400°C verwendet. Das Chargiergestell, welches ganz oder teilweise aus einer dispersionsgehärteten Nickelbasislegierung besteht, kommt vorzugsweise bei Brenntemperaturen von 1000 bis 1100°C zur Anwendung. Das als Rost gestaltete erfindungsgemäße Chargiergestell kann mit einer Länge und einer Breite bis zu 3 m, vorzugsweise 1,5 m, ausgeführt werden. Selbst derartig große Chargiergestelle haben eine außerordentlich lange Lebensdauer und gestatten eine schnelle Aufheizung sowie Abkühlung, so daß sie bevorzugt für Schnellbrennprozesse verwendet werden. Ihr Baugewicht ist im Vergleich zu bekannten Chargiergestellen gering. Außerdem besitzen die erfindungsgemäßen Chargiergestelle eine große Formstabilität, was insbesondere auf die sehr kleinen thermischen Ausdehnungskoeffizienten der zur Herstellung der Chargiergestelle verwendeten Materialien sowie auf die Gestaltung als Rost zurückzuführen ist. Schließlich haben die Chargiergestelle gute Korrosionseigenschaften.

Nach der Erfindung ist es besonders vorteilhaft, wenn die dispersionsgehärtete Eisenbasislegierung 10 bis 40% Cr, 2 bis 10% Al, 0 bis 5% Ti, 0 bis 10% Mo, 0 bis 5% W, 0,1 bis 2% Al₂O₃, ZrO₂, La₂O₃ und/oder Y₂O₃ und Rest Fe enthält, wenn die dispersionsgehärtete Nickelbasislegierung 10 bis 40% Cr, 0,1 bis 4% Al, 0 bis 10% Mo, 0 bis 5% W, 0 bis 5% Ti, 0,1 bis 2% Al₂O₃, ZrO₂, La₂O₃ und/oder Y₂O₃ sowie Rest Ni enthält und wenn die Eisen- sowie Nickelbasislegierung auf pulvermetallurgischem Weg - also zum einen durch Mischen und Verdichten (Pressen, Sintern) von Pulvern oder zum anderen durch mechanisches Legieren von Pulvern, Heißverdichtung und Umformung der Legierung - unter Verwendung von H₂ als Schutzgas bei der Pulververarbeitung hergestellt wird. Diese Legierungen haben sowohl eine hohe Warmfestigkeit als auch eine hohe Thermoschock-Stabilität. Die angegebenen Prozentzahlen sind Gewichts-Prozente. Die Dispersionshärtung wird durch die in das Legierungsgitter eingelagerte Oxidphase (Dispersoid), die aus Al₂O₃, ZrO₂, La₂O₃ und/oder Y₂O₃ besteht, bewirkt.

Überraschenderweise hat sich gezeigt, daß die nach der Erfindung zu verwendenden dispersionsgehärteten Eisen- und Nickelbasislegierungen gut schweißbar sind. Nach der Erfindung ist daher vorgesehen, daß die aus den dispersionsgehärteten Legierungen bestehenden Teile des Chargiergestells durch Schweißung miteinander verbunden sind. Das Schweißen erfolgt nach dem WIG-Verfahren (Schweißen mit einer nicht abschmelzenden Wolframelektrode in einem Inertgas) oder dem MIG/MAG-Verfahren (Schweißen mit abschmelzenden Elektroden in einem Inertgas, z. B. Argon oder einem Aktivgas, z. B. einem N₂-O₂-Gemisch). Beide Schweißverfahren sind an sich bekannt.

Nach der Erfindung hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn die Trägerteile, die aus Siliciumcarbid, einem oxidkeramischen Werkstoff, einer Superlegierung oder Stahl bestehen, mit dem Rahmen durch mechanische Verbindungsmittel, die insbesondere lösbar sind, (z. B. Nieten, Schrauben, Steckverbindungen) miteinander verbunden werden. Durch die Verwendung mechanischer Verbindungsmittel wird die Kombination von dispersionsgehärteten Legierungen mit anderen Werkstoffen ermöglicht und die Lebensdauer des Chargiergestells erheblich verlängert. Nieten kommen nur dann zum Einsatz, wenn metallische Teile miteinander verbunden werden; lösbare mechanische Verbindungsmittel werden zur Verbindung von Metallteilen mit den aus den anderen Werkstoffen bestehenden Teilen verwendet.

Der Gegenstand der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. I Chargiergestell, dessen Rahmen und Trägerteile aus einer dispersionsgehärteten Eisenbasislegierung bestehen,

Fig. Ia Seitenansicht,

Fig. Ib Draufsicht,

Fig. II Chargiergestell, dessen Rahmen aus einer Nickelbasislegierung und dessen Trägerteile aus Al₂O₃ bestehen,

Fig. IIa Draufsicht,

Fig. IIb Seitenansicht,

Fig. IIc Schnitt A-A aus Fig. IIa,

Fig. IId Schnitt B-B aus Fig. IIa.

Das in Fig. I dargestellte Chargiergestell besteht aus einem Rahmen, der von den Rahmenteilen (1a) bis (1d) und (2a) bis (2e) gebildet wird. Die Rahmenteile (1a) bis (1d) haben eine rechteckige Form und sind mit zwei übereinanderliegenden Bohrungen versehen, durch welche die Rahmenteile (2a) bis (2d) geführt sind. Die Rahmenteile (2a) bis (2d) haben einen kreisförmigen Querschnitt. Das Chargiergestell besitzt fünf Trägerteile (3a) bis (3e), die als U-Profile geformt sind. Die Schenkel jedes U-Profils weisen zwei übereinanderliegende Bohrungen auf, in denen die Rahmenteile (2a) bis (2d) geführt sind. Die Basis jedes U-Profils weist mittig eine Bohrung auf, durch welche das Rahmenteil (2e) geführt wird.

Das in Fig. I dargestellte Chargiergestell hat die Form eines Rostes. Alle Teile des Chargiergestells bestehen aus einer dispersionsgehärteten Eisenbasislegierung, die 19% Cr, 5,5% Al, 0,5% Ti, 0,5% Y₂O₃ und Rest Eisen enthält. Die einzelnen Teile des Chargiergestells werden auf pulvermetallurgischem Weg durch mechanisches Legieren der Legierungsbestandteile, nachfolgende Heißverdichtung der Legierung und anschließende Umformung hergestellt. Das mechanische Legieren wird in einer Schutzgasatmosphäre aus Wasserstoff durchgeführt, wodurch die Schweißbarkeit der einzelnen Teile des Chargiergestells verbessert wird. Alle Teile des Chargiergestells sind miteinander verschweißt. Das Chargiergestell hat ein Gewicht von 2 kg und kann keramische Formteile mit einem Gesamtgewicht von 4 kg aufnehmen. Durch die sehr gute Thermoschock-Stabilität des zur Herstellung des Chargiergestells verwendeten dispersionsgehärteten Materials wird die Brennzeit für die keramischen Formteile um 4,5 Stunden reduziert (vom kalten Zustand zum kalten Zustand). Mit einem bekannten Chargiergestell aus keramischem Material ist eine Brennzeit von 20 Stunden erforderlich. Selbst nach Betriebszeiten von mehr als 1000 Stunden zeigt das erfindungsgemäße Chargiergestell keine durch Korrosion verursachte Schäden, obwohl die Ofenatmosphäre während des Brennprozesses einen erhöhten Gehalt an Schwefel- und Fluorverbindungen aufweist. Das Chargiergestell eignet sich für Brennprozesse, die bei 1100 bis 1400°C durchgeführt werden. Es ist möglich, das in Fig. I dargestellte Chargiergestell mit mehr als fünf Trägerteilen auszurüsten. Außerdem läßt die Gestaltung der Trägerteile als U-Profil das Stapeln mehrerer Chargiergestelle übereinander zu.

Das in Fig. II dargestellte Chargiergestell besteht aus einem Rahmen, der von den Rahmenteilen (4a) bis (4d) sowie (5a) und (5b) gebildet wird. Die Rahmenteile (4a) bis (4d) haben eine rechteckige Form und besitzen jeweils eine Ausnehmung, in denen die Rahmenteile (5a) und (5b) geführt sind, welche einen kreisförmigen Querschnitt besitzen. Die Rahmenteile bestehen aus einer dispersionsgehärteten Nickelbasislegierung, die 20% Cr, 0,3% Al, 0,5% Ti, 0,6% Y₂O₃ und Rest Nickel enthält und die auf pulvermetallurgischem Weg unter Verwendung von Wasserstoff als Schutzgas hergestellt wird. Alle Rahmenteile sind miteinander verschweißt.

Die Trägerteile (6a, 6b, 6c) bestehen aus Al₂O₃ und haben die Form eines T, wobei die waagerechte Fläche als Aufnahmefläche für die zu brennenden keramischen Formteile genutzt wird. Die Trägerteile (6a, 6b, 6c) werden mit den Rahmenteilen (5a) und (5b) in der Weise verbunden, daß in die stabförmigen Rahmenteile (5a) und (5b) Nuten eingebracht werden, die sich senkrecht über den halben Querschnitt der stabförmigen Rahmenteile (5a) und (5b) erstrecken. In diese Nuten wird das senkrechte Stück des T-förmigen Trägerteils so weit eingefügt, daß das waagerechte Stück des T mit dem stabförmigen Rahmenteil Kontakt hat. Diese Verbindung hat eine ausreichend hohe Festigkeit und gewährleistet die erforderliche Betriebssicherheit. Das in Fig. II dargestellte Chargiergestell kann vorteilhaft bei Brenntemperaturen von etwa 1000°C eingesetzt werden. Es ist möglich, mehrere dieser Chargiergestelle übereinander zu stapeln.

Claims (5)

1. Chargiergestell zur Aufnahme von Formkörpern aus keramischen und glaskeramischen Werkstoffen, die in einem Ofen, insbesondere einem Rollenofen, gebrannt werden, wobei das Chargiergestell die Form eines Rostes hat sowie aus einem aus mehreren Teilen zusammengesetzten Rahmen und aus mehreren Trägerteilen besteht, dadurch gekennzeichnet, daß die Teile des Rahmens (1a-d, 2a-e, 4a-d, 5a-b) aus einer dispersionsgehärteten Eisen- oder Nickelbasislegierung und die Trägerteile (3a-e, 6a-c) aus der gleichen dispersionsgehärteten Eisen- oder Nickelbasislegierung oder aus Siliziumcarbid, einem oxidkeramischen Werkstoff, einer Superlegierung oder aus Stahl gefertigt sind.

2. Chargiergestell nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die dispersionsgehärtete Eisenbasislegierung 10-40% Cr, 2-10% Al, 0-5% Ti, 0-10% Mo, 0-5% W, 0,1-2% Al₂O₃, ZrO₂, La₂O₃ und/oder Y₂O₃ und Rest Fe enthält sowie auf pulvermetallurgischem Weg unter Verwendung von H₂ als Schutzgas bei der Pulververarbeitung hergestellt sind.

3. Chargiergestell nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die dispersionsgehärtete Nickelbasislegierung 10-40% Cr, 0,1-4% Al, 0-10% Mo, 0-5% W, 0-5% Ti, 0,1-2% Al₂O₃, ZrO₂, La₂O₃ und/oder Y₂O₃ und Rest Ni enthält sowie auf pulvermetallurgischem Weg unter Verwendung von H₂ als Schutzgas bei der Pulververarbeitung hergestellt sind.

4. Chargiergestell nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die aus den dispersionsgehärteten Legierungen bestehenden Teile durch Schweißung miteinander verbunden sind.

5. Chargiergestell nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Trägerteile (3a-e, 6a-c), die aus Siliziumcarbid, einem oxidkeramischen Werkstoff, einer Superlegierung oder aus Stahl bestehen, mit dem Rahmen durch mechanische Verbindungsmittel, die insbesondere lösbar sind, miteinander verbunden werden.