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Verfahren zur Herstellung von Steinen und Formlingen aus hochfeuerfesten
Metalloxyden Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Herstellung-von hochwertigen
Steinen und Formlingen aus feuerfesten Metalloxyden, z. B. Aluminiumoxyd, Magnesiumoxyd
oder aus Gemischen dieser Oxyde. Der Zweck der Erfindung besteht hauptsächlich darin,
Erzeugnisse aus den genannten Metalloxyden herzustellen, die neben einer hervorragenden
Feuerfestigkeit auch eine besondere Temperaturwdchselbeständigkeit -und eine hohe
Widerstandsfähigkeit gegen Korrosionen aufweisen.
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Man hat bereits zur Herstellung feuerfester Steine aus dem obengenannten
Material vorgeschlagen, -das geschmolzene und gekörnte Ausgangsmaterial mit niedriger
schmelzenden Bindemitteln zusammen zu verformen und die erhaltenen Steine dann einem
Brennprozeß zu unterwerfen. Auf diese Weise entstehen Erzeugnisse mit verminderter
Feuerfestigkeit; die den obengenannten Zweck nicht erfüllen, weil die Druckfestigkeit
beim Erreichen des Erweichungspunktes des Bindemittels vollständig verlorengeht.
Die Nachteile der Erzeugnisse derartiger Verfahren sind bekannt, und man hat sich
deshalb bemüht, Steine auch ohne den Zusatz von Bindemitteln herzustellen. Man hat
also vorgeschlagen, die Masse in feuerflüssigem Zustand in Formen zu gießen; der
Guß soll entweder aus Kippöfen in feststehende Formen erfolgen, oder es sollen die-
Formen in die Schmelze eingetaucht und dadurch gefüllt vderden. Es hat sich nun
gezeigt, daß mit dem einfachen Vorschlage, das Material in Formen zu gießen, noch
keine technische Regel zur Herstellung brauchbarer Steine gegeben ist; insbesondere
ist das bisher durch Formguß hergestellte Material nicht temperaturwechselbeständig;
auch sonst bietet das Verfahren bedeutende Schwierigkeiten. In der bisherigen Praxis
wurden dementsprechend aus den genannten Metalloxyden wirklich brauchbare Steine
nicht durch Formguß hergestellt.. Die bisherigen Unzulänglichkeiten des ormgusses
lassen sich am besten dadurch kennzeichnen,- däß diejenigen Erzeugnisse die größte
Verbreitung gefunden haben, bei denen der Formguß irgendwie vermieden wird. Beispielsweise
sind diejenigen Formgebungsverfahren in den Vordergrund getreten, bei denen das
nicht kristalline Rohprodukt, etwa die calcinierte Tonerde, im plastischen Zustande
verformt, getrocknet und gegebenenfalls bearbeitet wird und nach diesen Vorbereitungsmaßnahmen
einem Sintervorgang unterworfen wird. Man hat auch vorgeschlagen, geschmolzene und
gekörnte, also kristallinische Metalloxyde in Formen einer Sinterung zu unterwerfen.
Alle diese
Arbeitsverfahren sind infolge der verschiedenen Arbeitsgänge
umständlich und teuer. Der Zweck der vorliegenden Erfindung ist es, einen möglichst
einfachen Weg zur Herstellung hochwertiger, feuerfester Erzeugnisse aufzuzeigen.
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Es wurde gefunden, daß die Schwierigkeiten beim Formguß hochfeuerfesten
Materials weniger in dem eigentlichen Gießprozeß liegen, sondern hauptsächlich in
der Art und Weise, wie die Erstarrung vor sich geht. Diese Tatsache ist schon bei
früheren Vorschlägen von Gießverfahren teilweise berücksichtigt worden. Man hat
beispielsweise vorgeschlagen, die Masse mit Schöpfformen aus -der feuerflüssigen
Schmelze herauszuheben und den Inhalt der Form nach dem Füllvorgang nochmals durch
einen elektrischen Lichtbogen auf die Schmelztemperatur zu erhitzen, so daß dann
eine gleichmäßige Erstarrung möglich ist. Dieses Verfahren ist selbstverständlich
nur mit Formen durchführbar, welche selbst eine noch höhere Feuerfestib keit aufweisen
als das Erzeugnis, also z. B. mit Graphitformen. Das Verfahren ist ebenso langwierig
wie kostspielig, denn die Graphitformen unterliegen insbesondere beim Stromdurchgang
einem Abbrand, der eine häufigere Verwendung ausschließt. Wendet man die eben genannte
Maßnahme nicht an, sondern gießt, wie es im allgemeinen vorgeschlagen wird, die
geschmolzene Masse in eine bereitstehende Form, so spielt sich folgender Erstarrungsprozeß
ab. Die zuerst mit der Form in Berührung kommende Schmelze wird stark abgeschreckt,
und das Material erhält eine blasige Struktur, ist spröde, von geringer . Festigkeit
und gegen Temperaturwechsel unbeständig. Eine bessere Ausführungsform= stellt schon
das Schöpfen der Masse-mit Formen atis einem geschmolzenen Vorrat dar, da bei diesem
Verfahren wenigstens die Form allseitig gleichmäßig beim Eintauchen in das Bad angewärmt
wird. Aber auch hierbei treten, -wenn nicht besondere Maßnahmen getroffen werden,
die eben geschilderten Nachteile, wenn auch in verminderter Form, auf. In diesem
Fall, beispielsweise bei eisernen Formen, geht die Erstarrung in der Weise vor sich,
daß beim Einstürzen der geschmolzenen Masse in die Form sich oberflächlich eine
dichte, nur i bis 2 rnm dicke, emailleartige Oberflächenschicht bildet, auf diese
folgt eine stark blasige und poröse Schicht und dann im Innern ein gleichmäßig dichter
Kern. Diese ungleichmäßige Beschaffenheit wird hervorgerufen durch die zu starke
Abschreckung der geschmolzenen Metalloxyde an den Wänden der Formen. Es ist klar,
daß Steine von einer solchen Beschaffenheit keine hohe mechanische Festigkeit und
keine Temperaturwechselbeständigkeit besitzen wegen der verschiedenen physikalischen
Eigenschaften der einzelnen Schichten. Die Empfindlichkeit gegen Temperaturwechsel
ist so stark, daß schon beim ersten Erkalten des Formlings oft Risse und Brüche
auftreten, die die Verwendung ausschließen. Man hat daher auch schon den Vorschlag
gemacht, Formstücke in der Weise herzustellen, daß man nur die äußerste Schicht,
also die Erstarrungskruste, verwendet. .Man hat zu diesem Zweck Formen von großer
Masse, insbesondere auch Eisenformen, vorgeschlagen, die eine möglichst dicke Schicht
bei der erlten Erstarrung bilden; der übrige Forminhalt wird nach Bildung dieser
Schicht ausgegossen. Selbstverständlich eignet sich dieses Verfahren nur zur Herstellung
ziemlich dünnwandiger Formstücke, also etwa von Röhren und Tiegeln. Zur Erzielung
größerer Wandstärken wird in der Beschreibung des betreffenden Verfahrens ein mehrmaliges
Eintauchen der gleichen Form empfohlen, so daß das Formstück schließlich aus einer
Reihe nacheinander hergestellter Schichten besteht. . Mit der Zahl der einzelnen
Schichten nimmt selbstverständlich die Temperaturwechselbeständigkeit ab, während
die Ungenauigkeit in der Wandstärke und die Kosten der Herstellung zunehmen.
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Das vorliegende Verfahren beseitigt die genannten Übelstände. Es dient
zur Herstellung von temperaturwechselbeständigen Formstücken aus hochfeuerfesten
Metalloxyden unter Verwendung einfacher und billiger Metallformen und gestattet
die Erzeugung völlig beliebiger Stücke in der einfachsten Weise. Das Verfahren besteht
darin, daß die Erstarrung des Forminhalts so geleitet wird, daß keine sprungartige
Grenze bezüglich der Porosität und der Kristallstruktur parallel zur Oberfläche
des Formlings erkennbar wird. Zu diesem Zweck erhält die Metallform eine geringe
Wärmekapazität, also eine relativ dünne Wandstärke, die sich im einzelnen nach dem
Inhalt und der Oberfläche der Form richtet. Infolge der geringen Wärmekapazität
der Form ist die Abschreckung nur gering, und da die Wärmekapazität des Formlings
gegenüber derjenigen der Form sehr groß ist, kann die Erstarrung des Formlings gleichmäßig
und ruhig von außen nach innen fortschreiten. Man kann diesen Effekt durch. das
Anwärmen der Formen noch unterstützen. Bei großen Formlingen kann hierauf verzichtet
werden, hingegen bei kleinen Formlingen ist die Anwärmung erforderlich, da man bei
diesen aus Festigkeitsgründen eine gewisse Dicke der Formwände nicht unterschreiten
darf. Es hat sich somit gezeigt, daß mit dem vorliegenden
Verfahren
und den angegebenen Mitteln die Erzeugung von Formsteinen möglich ist, bei denen
die Struktur von außen nach innen ohne sprunghafte Änderung, sondern mit stetiger
Gleichmäßigkeit verläuft. Dementsprechend werden Erzeugnisse erhalten, die eine
besonders hohe Temperaturwechselbeständigkeit besitzen. Es hat sich weiter gezeigt,
daß sich diese auch durch eine besonders hohe Korrosionsfestigkeit auszeichnen,
wenn sie im Betriebe* mit irgendwelchen korrodierenden Schmelzflüssigkeiten in Verbindung
kommen.
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Das Verfahren gemäß der Erfindung wird in'einzelnen durch die folgenden
Ausführungsbeispiele näher erläutert: Beispiel -I-In diesem Beispiel handelt es
sich um die .TIerstellung von Steinen, die zur Auskleidung von Gefäßen dienen sollen,
in denen feuerflüssige Glasschmelzen erschmolzen, aufbewahrt oder verarbeitet werden.
Das Format der Steine ist 400 X 400 X Zoo mm. Als Material für die Herstellung der
Steine wird im Elektroofen ein Korund erschmolzen, dessen Tonerdegehalt etwa 99,5
°/o beträgt. Nachdem der. Schmelzvorgang als solcher beendet ist, wird der Stromdurchgang
noch für eine kurze Zeit, etwa io Minuten, aufrechterhalten, um eine völlig gleichmäßige
Schmelze zu erhalten, deren Temperatur ungefähr ioo bis 2oo° über dem Erstarrungspunkt
liegt. Zur Herstellung - eines Steines wird eine oben offene Form aus Gußeisen verwendet,
deren Wandstärke i5 mm beträgt, wie in der beiliegenden Abb. i und 2 angegeben ist.
Das Gewicht dieser Form beträgt 62 kg. Die Form wird auf etwa 300° vorge*ärmt und
dann in die flüssige Schmelze versenkt. Nach dem Versenken tritt eine Beunruhigung
des Schmelzbades insbesondere durch Gasblasen ein, die sich von der Form lösen.
Die Form bleibt so lange versenkt, bis die Schmelze sich beruhigt hat, was nach
etwa io bis 2o Sekunden eintritt. Dann wird die Form mit ihrem Inhalt aus der Schmelze
herausgehoben und einige Minuten aufrecht gehalten. Der Formling erstarrt in dieser-
Zeit an seinen Oberflächen so weit, daß beim Umkippen der Form keine Schmelze mehr
aus dem Innern heraustreten kann. Die Form läßt sich nach dem Umkippen- ohne weiteres
von dem Stein abheben, der dann einer zweckmäßigen Abkühlung unterworfen wird, also
so aufbewahrt wird, daß die Temperaturverminderung in der als zweckmäßig erkannten
Weise geleitet werden kann. Das Gewicht des Steines beträgt 821:g. Der Stein besitzt
eine emailleartige glatte Oberfläche und ist in seinem Innern gleichmäßig porös.
Beispiel II Zur Herstellung von Steinen in normalem Ziegelformat 25o X 125 X 65
mm wird gemäß der Erfindung eine Form benutzt, wie sie in Abb.3 und Abb.4 dargestellt
ist. Die Wandstärke der Form beträgt io mm. Die Form ist durch einen Deckel abgedeckt,
um allseitig glatte Oberflächen zu erhalten. (In Beispiel I waren allseitig glatte
Flüchen infolge des besonderen Verwendungszweckes nicht erforderlich.) Der bei dem
jetzigen Beispiel notwendige Deckel enthält die Öffnung d zum Einlaufen der Schmelze
und b zum Austritt der in der Form eingeschlossenen Luft. Die Form wurde nach kurzem
Vorwärmen in der Schmelze so tief eingetaucht, daß die Einlauföffnung a von der
Schmelze bedeckt war. Nach dem Herausheben der gefüllten Form aus der Schmelze konnte
der mit Keilen festgehaltene Deckel sofort entfernt und der Stein aus der! Form
herausgeholt und zweckmäßig abgekühlt werden.
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Beispiel III In Abb. 5 und 6 ist eine Form zur Herstellung von Rohren
aus hochfeuerfesten Metalloxyden veranschaulicht. Die Wandungen der Form sind 12
mm stark. Als Kern für die lichte Öffnung des herzustellenden Rohres ist ein dünnwandiges
Metallrohr r, beispielsweise ein Rohr aus Eisen oder aus einer geeigneten Legierung,
in den Boden der Form eingelassen. Die Form wird in der gleichen Weise wie bei den
vorhergehenden Beispielen durch Eintauchen in die Schmelze gefüllt und darauf aus
dem Schmelzbade herausgehoben. Nach dein Herausheben der Form erstarrt die Schmelze
zunächst an den Wandungen des verhältnismäßig kalten Metallrohrkernes. Im weiteren
Verlauf der Abkühlung wird das dünnwandige Kernrohr durch die Wärme des Formlings
zum Schmelzen gebracht, und das geschmolzene Metall kann sich in der im Boden der
Form vorgesehenen Vertiefung ansammeln. Hierdurch erhält der Formling die Möglichkeit,
sich bei der weiteren Abkühlung ohne Bruchgefahr zusammenziehen zu können. Die äußere
Form ist, wie aus den Abbildungen ersichtlich ist, zweiteilig; der Formling kann
also durch Aufklappen der Form entfernt und im Anschluß daran in zweckentsprechender
Weise abgekühlt werden.