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Verfahren zur Herstellung gegossener feuerfester Gegenstände aus Aluminiumsilikaten
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung gegossener feuerfester Gegenstände
aus Aluminiumsilikaten, wie Ziegeln, Blöcken und Glashäfenteilen, welche der zerstörenden
Wirkung von Schmelzflüssen und Gasen, z. B. dem des geschmolzenen Glases oder geschmolzener
Schlacke, widerstehen müssen. Die Erfindung bezweckt, wirklich gebrauchsfähige Gußkörper
spannungs- und rissefrei herzustellen.
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Es ist bekannt, daß, abgesehen von seiner Widerstandsfähigkeit gegen
Temperaturspriinge, ein feuerfester Baustoff um so widerstandsfähiger gegen Deformation
unter Belastung und gegen den Angriff von Gläsern und Schlacken ist, je höher die
"Temperatur ist, bei der er gebrannt wird, weil dadurch die Porosität abnimmt und
das Kristallwachstum gefördert wird. Außerdem hat feuerfestes Material, das elektrisch
geschmolzen worden ist, eine sehr geringe Porosität und sehr große Kristallentwicklung.
Es ist daher dem Baustoff derselben Zusammensetzung überlegen, der nicht auf so
hohe Temperatur erhitzt worden ist. Feuerfeste Gegenstände, die durch Schmelzen
von feuerfesten Stoffen in einem elektrischen Ofen und durch Gießen der Schmelze
in Formen gewünschter Gestalt hergestellt worden sind, würden daher den feuerfesten
Gegenständen derselben Zusammensetzung überlegen sein, die nach den üblichen keramischen
Methoden angefertigt wären, was, wie bekannt ist, so geschieht, daß man zerkleinerte,
körnige, feuerfeste Stoffe mit einem Bindeton mischt und bis auf eine Temperatur
gerade unterhalb der Schmelzpunkte der Masse erhitzt. Nichtsdestoweniger sind brauchbare
feuerfeste Gegenstände bisher nicht angefertigt worden. Zwar hat man vor einer Reihe
von Jahren vorgeschlagen, feuerfeste, kieselsäurehaltige Stoffe elektrisch zu schmelzen
und in Formen zu gießen, doch glaubte man, dabei Metallformen verwenden zu müssen,
da man annahm, daß die üblichen nicht metallischen, kieselsäurehaltigen Formen an
den feuerfesten Gegenständen anschmelzen würden. Es stellte sich aber heraus, daß
feuerfeste Gegenstände, die man in Metallformen goß, beim Abkühlen unweigerlich
zersprangen und Risse erhielten. Da mit Rissen durchsetzte feuerfeste Gegenstände
wertlos sind, so war das bekannte Verfahren ohne praktische Bedeutung. Brauchbare
gegossene, feuerfeste Gegenstände wurden nach ihm nicht hergestellt.
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Das Verfahren nach der Erfindung besteht nun im wesentlichen darin,
daß man feuerfeste Gegenstände aus Gemischen, welche reicher an Tonerde sind, als
es der Formel AL03Si0. entspricht, gießt und sie dann einer Wärmebehandlung unterwirft,
bis sie erkaltet sind, wodurch Risse und Sprünge vermieden werden. Es wurde gefunden,
daß es von großer Bedeutung ist, daß der Abschreckeffekt der Form nicht zu groß
ist, und daß dünnwandige Sandformen gewöhnlich am geeignetsten sind. Ferner wurde
gefunden, daß das Zerspringen hauptsächlich durch Spannung hervorgerufen wird, welche
aus
örtlichen Volumenänderungen während der Kristallisation hervorgehen,
und daß diese nur dadurch verhindert werden können, daß man den Formling langsam
während des Kristallisationsvorganges kühlt. Auf diese Weise können Spannungen durch
gegenseitige Anpassung der Kristalle und der glasigen Grundmasse aufgehoben werden,
aus der die Kristalle sich bilden. Dieses Verfahren des langsamen Kühlens während
des Übergehens der Masse aus einem halbplastischen in einen festen Zustand wird
mit Auskühlen in Analogie zu dem entsprechenden Verfahren der Glastechnik bezeichnet'
Der Unterschied besteht lediglich darin, daß das betreffende Temperaturintervall
für feuerfeste Gegenstände um i ooo° höher liegt als für gewöhnliche Gläser. Obgleich
eine Kristallisation während dieses Auskühlens stattfindet, ist der Zweck des langsamen
Kühlens nicht darin zu sehen, die Kristallisation zu entwickeln, sondern Spannungen
aufzuheben und Risse-und Sprungbildung zu verhindern. Überdies wurde gefunden, daß
feuerfeste Gegenstände von gewisser Zusammensetzung bequemer ausgekühlt werden können
als andere. Z. B. wird durch Zusatz von Zirkondioxyd zu einer Aluminiumsilikat enthaltenden
feuerfesten Masse die Zahl der Kristallisationsmittelpunkte sehr vermehrt. Dadurch
wird das entsprechende Kristallnetzwerk viel feiner, was zur Folge hat, daß die
aus der Kristallisation sich ergebenden Spannungen stark herabgesetzt werden. Daher
werden derartige Formlinge leichter gekühlt, trotz der Tatsache, daß die Wärmeausdehnung
nicht geringer ist, als wenn die Masse kein Zirkondioxvd enthalten würde. Für Aluminium
und Siliciumoxyd enthaltende feuerfeste Massen mit 15 bis 21 % Siliciumdioxyd
und mit und ohne Zirkondioxvdzusatz hat es sich als zweckmäßig herausgestellt, den
Guß in einer dünnen Sandform vorzunehmen, die von einem feuerfesten, wärmeisolierenden
Material (z.B. dem unter dem Wortschutz Sil-o-cel bekannten Isoliermaterial) umgeben
wird, ehe der Formling Zeit hat, sich zu verfestigen, und dann ihn ungestört abkühlen
zu lassen Nach diesem Verfahren ist man imstande, praktisch verwendbare, gegossene
feuerfeste Gegenstände mit einem höchsten Betrag an Dichte zu erhalten, weil der
Körper im wesentlichen porenfrei ist, im Gegensatz zu den Gegenständen, die nach
rein keramischen Methoden hergestellt sind. Der nach der Erfindung hergestellte
Körper hat ferner ein Kristallnetzwerk eingelagert, das nach einem anderen Verfahren
nicht erzeugt werden kann und das den Gegenständen unter Belastung bei hohen Temperaturen
eine größere Widerstandsfähigkeit verleiht, als sie bisher zu erreichen war. Im
Falle der Verwendung von Aluminiumoxyd und Kieselsäure enthaltenden Ausgangsstoffen
besteht das Netzwerk der Kristalle im weiten Umfang aus Mullit (einem' Aluminiumsilikat)
mit mehr oder weniger Korund und Zirkondioxyd, ganz nach der chemischen Zusammensetzung
der Grundmasse.
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Man hat auch schon Versuchskörper dadurch hergestellt, daß man Ton
schmolz, die Schmelzmasse zerkleinerte und aus dem entstehenden Pulver in Mischung
mit bindefähigem Ton nach keramischen Methoden Formkörper formte und brannte. Ein
derartig hergestellter Körper weist aber alle die bereits angeführten Nachteile
derjenigen Gegenstände auf, welche nach keramischen Methoden angefertigt worden
sind.
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Das Verfahren nach der Erfindung soll im folgenden eingehend beschrieben
werden. Zur Erzeugung der feuerfesten Gegenstände wird die Rohstoffmischung, beispielsweise
eine Mischung von Tonen oder eine Mischung von Tonen und Sand, in einem Ofen niedergeschmolzen.
Die geschmolzene Masse wird in eine Gußform entleert, durch welche dem Gegenstand
sofort die fertige Gestalt gegeben wird. Es können verschiedene Arten von Ofen benutzt
werden, z. B. elektrische Ofen mit Graphit- oder Kohlenstoffelektroden. Der Ofen
wird beim Betriebe bis zum oberen Ende der unteren Elektrode mit zerkleinerten Stücken
von bereits früher geschmolzenem Material angefüllt. Auf die untere Elektrode werden
dann kleine Stücken Koks gelegt. Die obere Elektrode wird so weit niedergelassen,
bis der Kontakt hergestellt ist.
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Nach Bildung des Lichtbogens wird weiter reichlich aufgefüllt. Dieses
Material soll Körnerform haben und möglichst wenig Staub enthalten. Um zu verhindern,
daß das Material aus der Abstichöffnung austritt, wird sie verschlossen. Wenige
Minuten, nachdem der Bogen sich gebildet hat, ist es zweckmäßig, die Elektrode zu
heben, um so die Kraft des elektrischen Bogens zu steigern. Hat sich nun um den
Bogen herum infolge des Schmelzens des Materials eine Höhlung gebildet, so ist es
wünschenswert, die Charge von Zeit zu Zeit herunterzudrücken, um so die geschmolzene
Menge zu vermehren. Während des Schmelzens vergrößert sich die Höhlung, bis sie
die Wandung des Ofens erreicht, so daß diese rotglühend wird. Es ist dann der Zeitpunkt
gekommen, die Abstichöffnung zu öffnen und die Schmelze in die Gußform abzulassen.
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Die Art-der benutzten Form, die Länge der i Zeit, während welcher
der Gegenstand in der Gußform verbleibt und die nachfolgende
Wärmebehandlung
hat, wenn der Gegenstand aus der Gußform entfernt ist, einen entscheidenden Einfluß
auf die physikalischen Eigenschaften des Gegenstandes. Gußformen, welche zur Herstellung
gewisser feuerfester Gegenstände passend sind, eignen sich nicht zum Gießen anderer
Gegenstände.
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Zunächst sind eiserne Gußformen unzweckmäßig, ausgenommen in dem Falle,
wo es sich um kleine und verhältnismäßig dünne Gegenstände handelt, wie Tiegel oder
Röhren. Zur Herstellung derartiger Gegenstände wird das Gußstück aus der Form entfernt,
sobald sich die Oberfläche genügend gesetzt hat und gehandhabt werden kann, worauf
es, wie weiter unten beschrieben, behandelt werden muß.
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Die geeignetste Gußform für die meisten Zwecke, namentlich zur Herstellung
von Ziegeln und Blöcken für Wannenöfen, besteht aus Glassand mit einem passenden
Bindemittel, beispielsweise Leinsamenöl, und wird gebrannt. Derartige Sandformen
besitzen unter anderen Vorzügen den, daß sie nicht mit dem Guß zusammenschmelzen.
Eine derartige Form ist besonders geeignet, um rechteckige, d. h. parallelopipedische
Blöcke herzustellen.
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Das Schmelzgut wird durch eine Eingußöffnung in die Form eingegossen,
nachdem vorher das Innere der Form zweckmäßig mit Graphit ausgestrichen worden ist,
um ein Anhaften des Formsandes am Gußstück zu verhindern.
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Bei der Herstellung größerer oder kleinerer Gegenstände müssen die
Formwände in ihren linearen Abmessungen dicker oder dünner, entsprechend dem herzustellenden
Gegenstand, gemacht werden. Die gebrannte Sandgußform wird zweckmäßig auf eine Unterlage
aus Silocel (einer kieselgurartigen Masse) aufgestellt und auf allen Seiten sowie
am Boden und an der Decke isoliert, was durch Auflegen einer 7,5 bis io cm starken
Schicht von Silocelpulver geschieht, das in einem besonderen Mantel aus Eisenblech
enthalten ist.
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Bei Auswahl der zweckmäßigsten Gußform und des Verfahrens der Hitzebehandlung
sind die folgenden Bedingungen zu berücksichtigen: t m gute Güsse aus feuerfestem
Material zu erhalten, ist es notwendig, diese langsam auszukühlen, im besonderen
durch allmähliches Absenken der Temperatur bis zu der Grenze, in welcher die Güsse
aus dem halbplastischen in den festen Zustand übergehen. Durch eine solche Behandlung
werden alle Spannungen, welche während des Eingießens und der ursprünglichen Berührung
mit den Wänden der Form erzeugt werden, aufgehoben. Diejenigen Spannungen, welche
während des langsamen Abkühlens infolge der Temperatursenkung auftreten, führen
nicht mehr zu Rissen.
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Werden die Güsse in einer eisernen Form sich selbst überlassen, so
kühlen die Oberflächen schnell ab und werden fest, während das Innere noch bildsam
ist, so daß zu der Zeit, wo auch das Innere fest wird, die Außenseite bereits Hunderte
von Graden kälter ist. Wird ein solches Gußstück daher auf Zimmertemperatur abgekühlt,
so muß das Innere sich mehr zusammenziehen als das Äußere, so daß in der Außenfläche
eine Spannung entsteht, welche den Bruch verursacht. Wird hingegen das Gußstück
langsam ausgekühlt, so daß nur ein ganz geringer Wärmeunterschied zwischen der Innen-
und der Außenseite besteht, während der Guß fest wird, so werdeh derartige Spannungen
nicht auftreten, und es wird ein gutes festes Gußstück geschaffen. Die Temperatur,
bei welcher der Guß fest wird, ändert sich je nach der Zusammensetzung des feuerfesten
Materials und kann nur durch den Versuch in jedem Einzelfalle festgestellt werden.
Für Aluminiumsilikatschmelzen liegt die Erstarr ungstemperatur in der Nähe von
1500' C.
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Die drei nachfolgenden Kühlverfahren haben gute Ergebnisse gezeigt:
i. Kühlen in einem Ziegelbrennofen Das Gußstück wird hierbei in der Form nur so
lange gelassen, bis die Außenfläche ein Hantieren gestattet; dann wird es schnell
in einen Ziegelbrennofen übergeführt, der bereits auf eine Temperatur gebracht ist,
die nahe der kritischen Temperatur des feuerfesten Materials liegt. Nachdem eine
genügende Anzahl von Gußstücken in den Ofen eingebracht ist, wird die Temperatur
einige Stunden hindurch auf dem Kühlgrade erhalten und dann allmählich ganz langsam
auf Zimmertemperatur herabgesenkt, wobei die zulässige Schnelligkeit hauptsächlich
von der Dicke der Gußstücke abhängt. Für Gußstücke von a5 min Dicke genügt gewöhnlich
eine Zeit von 2,4 Stunden. Dieses Verfahren des Auskühlens ist teuer. Es ist jedoch
das einzige Verfahren, welches sich bei kleinen und verhältnismäßig dünnen Gußstücken,
wie Tiegeln und Röhren, anwenden läßt. Bei diesem Verfahren können eiserne, offene
oder auch geschlossene Formen benutzt werden, vorausgesetzt, daß der Guß entfernt
wird, bevor er zu sehr ausgekühlt ist.
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2. Kühlen in Wärrneisolationspulver. Silocel Verhältnismäßig schwere
Artikel, wie Blöcke für Wannenöfen, können dadurch gekühlt werden, daß man sie,
sobald ihre äußere
Fläche sich so weit gekühlt hat, daß sie hantiert
werden können, aus der Gußform entfernt, die aus Glassand und Leinsamenöl hergestellt
sein kann, und in einen Behälter bringt, welcher Wärmeisolierpulver enthält; auch
kann nach Entfernung der Gußform ein Behälter um das Gußstück gestellt werden und
der Raum zwischen dem Gußstück und dem Behälter mit Wärmeisolierpulver ausgefüllt
werden. Wiegt ein derartiger Block ungefähr ioo kg, so genügt die in ihm enthaltene
Wärmemenge, um die Oberfläche wieder zu erhitzen, nachdem sie durch die Gußform
und das Aussetzen an der Luft abgekühlt war, so daß sie über die Kühltemperatur
steigt. Alsdann wird infolge der Wärmeisolationsmasse der gesamte Block langsam
von der Kühltemperatur bis hinab zur Zimmertemperatur sich abkühlen. Der einzige
Nachteil dieses Verfahrens besteht darin, daß das Entfernen der Gußform und das
Hinzufügen des Wärmeisolationspulvers Umstände verursacht und das ganze Verfahren
nicht so wirksam ist wie das nachfolgende dritte Verfahren. 3. Kühlen in einer mit
dünnen Isolationswandungen versehenen Form Besitzt das Gußstück große Abmessungen,
dann ist es das beste, eine mit dünnen Wandungen versehene und gut isolierte Sandform
zu verwenden, wie sie oben beschrieben ist. Die Wände müssen stark genug sein, um
ihre Gestalt beizubehalten, während der flüssige Guß sich setzt und hart geworden
ist; sie dürfen jedoch nicht zuviel Wärme dem Gußstück entziehen, da sonst die Schnelligkeit
der Abkühlung zu groß wird. Werden jedoch die Wände dünn genommen, so ist die Aufnahmefähigkeit
der Gußformen für Wärme so gering mit Rücksicht auf diejenige des Gußstückes, daß
die innere Fläche der Gußform bis zur Kühltemperatur erwärmt wird, bevor noch das
Gußstück selbst sich unter die Kühltemperatur abgekühlt hat; infolge der Wärmeisolation
wird dann das Gußstück sich selbst kühlen. Nachdem die geschmolzene Masse ausgegossen
ist, wird Silocelpulver auf die Form geschaufelt, in etwa einer halben Stunde ist
das Äußere des Gußstückes fest, obgleich das Innere noch flüssig ist. Die Gußform
ist infolge des Ausbrennens des Bindemittels stark auseinandergefallen. Die Abkühlungsperiode
dauert bei einem für einen Wannenofen bestimmten Block von 30 ,\' 45 X 2o.cm Kantenlänge,
welcher annähernd 35 kg wiegt, ungefähr 4 Tage, wenn er in Silocelpulver eingebettet
ist. Er wird darauf ius dem Isolationsmaterial entfernt und ist ;ebrauchsfertig.
In gleicher Weise können große Gußstücke verschiedener Form hergestellt werden.
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Im allgemeinen gilt die Regel, daß, je schwerer das Gußstück ist,
um so leichter das Kühlen ist, falls das Gußstück keine dünnen Wände besitzt.
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Als Rohstoffe können Diaspor, Bauxit und Kaolin verwendet werden.
Um beispielsweise Mullit (d. h. ein Aluminiumsilikat von der Zusammensetzung 3 A1203
- 2 Si O.,) herzustellen, benutzt *man einen Satz, bestehend aus annähernd 2,5 Teilen
Diasportonerde und i Teil Kaolin. Soll Sillimanit hergestellt werden, so muß der
Satz ungefähr gleiche Teile von Diasportonerde und Kaolin enthalten. Auch reine
Diasportonerde und Mischungen derselben mit Kaolin in verschiedenen Verhältnissen
als auch reiner Bauxit und Mischungen desselben mit Kaolin in verschiedenen Verhältnissen
sind nach der Erfindung verarbeitet worden.
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Als Zusatz dient gegebenenfalls Zr 0" das die folgende Zusammensetzung
haben kann: Zr0, 74°/", Si02 i9°/o, TiO@ 2°/0, Fe.,0.. 3°/", Wasser 2°/o. Beispielsweise
werden gleiche Teile von Diasportonerde, Zirkon und Kaolin verwendet.
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Wenn die Rohmaterialien hauptsächlich aus Tonerde und Kieselsäure
bestehen, beispielsweise aus Diaspor und Kaolin, um feuerfestes Material herzustellen,
und diese Materialien zusammengeschmolzen und zu einem Gegenstand gemäß vorliegendem
Verfahren ausgegossen werden, so besteht das Endprodukt aus Mullit und Korundkristallen,
welche in einer glasartigen Masse eingebettet sind.
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Wenn andere Rohstoffe als die oben genannten verwendet werden, so
entstehen Kristalle von Verbindungen derselben. In allen Fällen aber besteht das
Produkt aus Kristallen von mikroskopischer Größe bis zu größeren Abmessungen, die
in einer glasartigen Masse eingebettet sind. Man kann daher die Masse als kristallinisch
bezeichnen.
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Wenn Materialien mit einem so hohen Schmelzpunkt zur Anwendung gelangen,
daß eine Sandform nicht benutzbar ist, kann die Form selbst auch aus feuerfestem
Material hergestellt werden, das den gleichen oder noch einen höheren Schmelzpunkt
als das zu gießende Material hat.