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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Feuerfestelement, das für den Transport
von geschmolzenem Metall verwendet wird. Ein spezieller Fall, in
dem die Erfindung sehr vorteilhaft ist, ist ein Feuerfestrohr für den Transport
von Stahl aus einer Pfanne in einen Zwischenbehälter, und insbesondere ein
solches Rohr, wenn es ohne Vorheizen verwendet wird.
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Feuerfestelemente,
die beim Gießen
von geschmolzenem Metall verwendet werden, sind von Natur aus äußerst empfindlich
gegen Wärmeschocks.
Wenn sie benutzt werden, treten die Elemente mit Metall in Kontakt
und sind bedeutenden Wärmeschocks
ausgesetzt, welche die Ausbildung von Rissen erzeugen, und dies
um so mehr, wenn die Temperatur vor ihrer Benutzung niedrig ist.
Folglich wird die Lebensdauer dieser Elemente verringert. Außerdem können die
Risse Luftzutritte gestatten, was zu einer Beeinträchtigung
der Qualität
des gegossenen Metalls führen
kann.
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Um
die Wärmeschockbeständigkeit
der Elemente zu verbessern, besteht eine weit verbreitete Technik darin,
das Element auf eine Temperatur vorzuheizen, die so nah wie möglich bei
der Gebrauchstemperatur liegt. Jedoch erfordert diese Technik, dass
man nahe der Benutzungszone der Elemente eine Vorheizzone hat, verbraucht
Energie und ist folglich teuer. Weiter gibt es eine Mindestvorheizzeit,
vor welcher das Element nicht ausreichend vorgeheizt ist, um einen
Wärmeschock
auszuhalten, und eine Höchstvorheizzeit,
jenseits der das Element beginnt, sich zu zersetzen. Diesem Verfahren
fehlt es auch an einer gewissen Flexibilität, da es nicht erlaubt, einem
unerwarteten Vorfall oder einer zu bedeutenden Abweichung hinsichtlich
der Herstellungsplanung zu begegnen.
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Eine
andere, dem Fachmann wohlbekannte und mit der oben beschriebenen
Technik kombinierte Technik ist die Verwendung von isolierenden
Fasern, die auf die Außenseite
des Feuerfestelements entweder aufgeklebt oder aufzementiert werden.
In diesem Fall gestattet es die äußere Beschichtung,
die während
des Vorheizens aufgenommene Wärme
länger
zu halten und ihre Ausnutzung zu verbessern. Jedoch sind die Fasern,
welche die bei diesen Anwendungen notwendigen hohen Temperaturen
(> 1000°C) aushalten
können, toxisch,
und ihr Gebrauch wird immer weniger zugelassen.
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Das
Dokument
DE 38 05 334
A1 offenbart ein anderes Verfahren, das es gestattet, die
Wärmeschockbeständigkeit
von solchen Elementen zu verbessern. Dieses Verfahren besteht darin,
in die Gießöffnung des Elements
eine aus einem faserförmigen
oder schäumenden
Keramikmaterial hergestellte Buchse einzuführen. Dieses Verfahren hat
mehrere Nachteile. Wenn ein schäumendes
Keramikmaterial verwendet wird, ist es zu seiner Bildung notwendig,
schäumende
oder oberflächenaktive
Mittel zu verwenden, die mit Feuerfestelementen im Allgemeinen unverträglich sind,
insbesondere wenn sie aus mit Kohlenstoff gebundenem Material bestehen.
Es kann auch schwierig sein, den Schaum zu steuern, so dass er eine
Schicht von verhältnismäßig konstanter
Dicke bildet und reproduzierbare isolierende Eigenschaften zeigt.
Die so erhaltene Isolierung ist somit nicht homogen und kann nachteilige
Temperaturgradienten innerhalb des Elements verursachen. Wenn das
Element eine komplexe Geometrie besitzt, die zur Verbesserung der
Qualität
des gegossenen Metalls immer häufiger
ist, ist die Herstellung und die Positionierung der Buchse besonders
schwierig, insbesondere um einen durchgehenden Kontakt zwischen
der Buchse und dem Element sicherzustellen. Da die Buchse nicht als
Einheit mit dem Element ausgebildet ist, kann sie sich während der
Handhabung oder des Gebrauchs des Elements bewegen oder sogar lösen, wenn
sie mit dem Metall in Berührung
kommt. Teile der Buchse können das
Element blockieren, einen Stopfen bilden oder zumindest den Hindurchtritt
von geschmolzenem Metall erschweren, da das Metall nicht normal
in den unteren metallurgischen Behälter fließen kann; es kann dann durch
die Verbindungsstellen entweichen, welche die Feuerfestelemente
miteinander verbinden.
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Im
besonderen Fall eines Feuerfestgießrohrs, das zum Transport eines
geschmolzenen Metalls aus einer Gießpfanne in einen Zwischenbehälter bestimmt
ist, wobei dies im Allgemeinen Rohre sind, die aus Materialien auf
Graphitbasis hergestellt und mit Kohlenstoff gebunden sind (Aluminiumoxid/Graphit,
Magnesiumoxid/Graphit, ...), ist das am häufigsten verwendete Verfahren
sicherlich dasjenige, das darin besteht, die innere Oberfläche des
Rohrs vorzuoxidieren, so dass eine Schicht ohne oder mit nur einem
niedrigen Kohlenstoffgehalt gebildet wird. Diese oxidierte Schicht
mit einem niedrigen Kohlenstoffgehalt ist eine Schicht, die in Bezug
zum Körper
des Rohrs einen niedrigen Wärmeleitungskoeffizienten
aufweist. Sie dient zu Beginn des Gießens als Sperrschicht und ermöglicht es
dem Feuerfestrohr, den Wärmeschock
des ersten Kontakts mit dem geschmolzenen Metall auszuhalten.
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Dieses
Verfahren weist, obwohl es im Allgemeinen zufriedenstellend ist,
nichtsdestotrotz einige Nachteile auf. Die oxidierte Schicht erhält man während des
Brennens des Feuerfestrohrs unter einer oxidierenden Atmosphäre. Es ist
daher ziemlich schwierig, entlang des gesamten Elements eine homogene
Schicht von konstanter Dicke zu erzielen. Die Dicke der oxidierten
Schicht kann von einem Rohr zu einem anderen Rohr oder von einem
Bereich zu einem anderen Bereich desselben Rohrs signifikant variieren
(2 bis 10 mm). Dies lässt
es nicht zu, dass man homogene Isoliereigenschaften hat. Weiter
wird diese Schicht, die ihr Kohlenstoffbindemittel verloren hat,
beim Kontakt mit dem geschmolzenen Metall in wenigen Minuten weggewaschen.
Die Dicke des Rohrs wird daher schnell um die Dicke der Schicht
verringert; dies verringert die mechanische Beständigkeit und seine Lebensdauer
signifikant.
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Das
Ziel der vorliegenden Erfindung ist ein Gießelement, das eine vergrößerte Wärmeschockbeständigkeit
aufweist und das die Nachteile des oben erwähnten Standes der Technik nicht
hat. Außerdem
wäre es wünschenswert,
ein Feuerfestelement vorzuschlagen, das verbesserte Eigenschaften
aufweist, insbesondere eine in Bezug zu dem Element aus dem Stand
der Technik signifikant verringerte Gasdurchlässigkeit.
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Das
Gießelement
gemäß der Erfindung
umfasst einen aus einem Feuerfestmaterial bestehenden Grundkörper. Dieser
Grundkörper
umfasst eine äußere Oberfläche und
eine innere Oberfläche,
die einen Gießkanal
für das
Gießen
des flüssigen
Metalls begrenzt.
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Die
vorliegende Erfindung basiert auf der Beobachtung, dass die Wärmeschockbeständigkeitseigenschaften
im Wesentlichen zu Beginn der Benutzung des nicht vorgeheizten Elements
nützlich
sind. Es ist in der Tat notwendig, dass ein solches Element in einer
sehr kurzen Zeit (einige Sekunden) einen bedeutenden Wärmeschock
(Übergang
von Raumtemperatur zur Temperatur des geschmolzenen Metalls) aushalten
kann. Später
ist das Element, das bei seiner Betriebstemperatur benutzt wird,
nicht mehr so bedeutenden Temperaturschwankungen ausgesetzt, und
seine Wärmeschockbeständigkeit
wird weniger kritisch. Es soll angemerkt werden, dass eine vorübergehende
Unterbrechung des Gießvorgangs
(zum Beispiel wenn die Gießpfanne
gewechselt wird) kein Abkühlen
des Elements über
einen kritischen Punkt hinaus ermöglicht und nicht zu einem bedeutenden
Wärmeschock
führt.
Sobald der Temperaturbereich erreicht ist, wäre es andererseits wünschenswert,
andere Qualitätsfaktoren
der Gießelemente
ins Auge zu fassen, wie die Gasundurchlässigkeit. Im Besonderen wäre es äußerst wünschenswert,
eine gute Wärmeschockbeständigkeit
des Elements zu Beginn seiner Benutzung (Kaltstart) und eine gute
Gasundurchlässigkeit
während
der Fortsetzung seiner Benutzung sicherzustellen.
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Die
FR-A-2 721 241 offenbart ein Gießrohr, umfassend einen Feuerfestmaterial-Grundkörper, bestehend
aus mit Kohlenstoff gebundenen feuerfesten Oxiden, wie Aluminiumoxid,
Zirkoniumoxid, Siliziumdioxid, Magnesiumoxid. Der Grundkörper weist
eine einen Gießkanal
begrenzende innere Oberfläche
auf, die eine Überzugsschicht
mit einer Dicke von max. 10 mm trägt, umfassend max. 9% Kohlenstoff
und mindestens 80% sinterbares Material, das aus Aluminiumoxid,
Siliziumdioxid und/oder Ton ausgewählt ist. Wenn sie auf eine Temperatur > 1000°C vorgeheizt
wird, bildet die Überzugsschicht
eine dichte, gasundurchlässige,
entkohlte Sinterschicht mit einer Dicke von 3–5 mm sowie eine nicht-entkohlte
Schicht.
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Die
aus der FR-A bekannte Überzugsschicht
ist jedoch weniger wärmeisolierend,
als diejenige, die gemäß der Erfindung
vorgesehen ist.
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Das
erfindungsgemäße Gießelement
ist dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Teil der inneren
Oberfläche
des Elements mit einer isolierenden Beschichtung überzogen
ist, die beim Kontakt mit der metallischen Flüssigkeit eine gasundurchlässige Schicht
bildet. Die isolierende Beschichtung, die das kalte Element bedeckt,
umfasst isolierende hohle Mikrokugeln und ermöglicht es dem Element, den
Wärmeschock
zu Beginn seiner Benutzung auszuhalten, d.h. wenn das flüssige Metall
mit dem inneren Teil des Elements in Kontakt tritt. Die beim Kontakt
mit dem flüssigen
Metall gebildete undurchlässige
Schicht liefert dem Element Gasundurchlässigkeit, die Luftzutritte
werden daher vermindert oder sogar beseitigt und die Qualität des gegossenen
Metalls verbessert. Im Allgemeinen wird eine solche undurchlässige Schicht
nach einigen Sekunden bis einigen Minuten erzeugt.
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Die
Beschichtung umfasst Bestandteile, welche für ihre Isoliereigenschaften
sorgen, sowie Bestandteile, welche die Bildung einer undurchlässigen Schicht
beim Kontakt mit dem flüssigen
Metall fördern
werden. Es muss angemerkt werden, dass derselbe Bestandteil beide
Rollen spielen kann. Die Bestandteile der Beschichtung, die für die Isoliereigenschaften sorgen,
sind zum Beispiel isolierende Mikrokugeln. Die Beschichtungsbestandteile,
die imstande sind, bei den Gießtemperaturen
eine undurchlässige
Schicht zu bilden, sind zum Beispiel Siliziumdioxid und Aluminiumoxid.
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Gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung umfasst die Beschichtung von 20 bis 80 Gewichts-%
einer keramischen Matrix, 5 bis 40 Gewichts-% isolierende Mikrokugeln,
von 0,5 bis 15 Gewichts-% eines oder mehrerer Bindemittel, und bis
zu 5% Wasser. Die Beschichtung kann auch 5 bis 20 Gewichts-% eines
Metalls oder einer metallischen Legierung umfassen, so dass die
Kontinuität
der Beschichtung und folglich die Textur der Beschichtung verbessert
wird. Entsprechend einem speziellen Fall umfasst die keramische
Matrix Siliziumdioxid oder Aluminiumoxid, zum Beispiel glasartige
Körner,
wie feinst zerkleinertes Siliziumdioxid. Da feinst zerkleinertes
Siliziumdioxid äußerst fein
ist, hat es den Vorteil, leicht in den Porenraum des Elementkörpers einzudringen
und daher die Beschichtung und das Körpermaterial zu verbinden.
Isolierende Mikrokugeln umfassen auch, zum Beispiel, Siliziumdioxid
und/oder Aluminiumoxid.
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Einige
der Bestandteile der Beschichtung, welche die gasundurchlässige Schicht
bildet, können
mit einigen im flüssigen
Metall enthaltenen Bestandteilen sowie mit einigen im Körpermaterial
des Gießelements enthaltenen
Bestandteilen reagieren. Das Ergebnis dieser Reaktionen sind Phasen
mit niedrigem Schmelzpunkt, die bei der Benutzungstemperatur geschmolzen
oder glasartig sind, welche die Oberfläche des Elements bedecken und
undurchlässig
machen. Es ist festgestellt worden, dass diese Phasen vorteilhaft
eine verhältnismäßig hohe
Viskosität
aufweisen, die eine ausgezeichnete Verbindung mit der inneren Oberfläche des Elements
ermöglicht.
Insbesondere werden diese Phasen während der ersten Reinigungen
des Elements, zum Beispiel mit Sauerstoff, nicht beschädigt. Es
ist festgestellt worden, dass diese Reaktionen stattfinden, selbst
wenn diese Bestandteile in einer sehr geringen Menge vorhanden sind.
Die Bestandteile des Metalls, die geeignet sind, um an diesen Reaktionen
teilzunehmen, sind zum Beispiel Calcium, Magnesium oder Mangan.
Die Bestandteile des Materials des Elementkörpers sind zum Beispiel Magnesiumoxid
und Mullit.
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Bei
einer speziellen Ausführungsform
ist das Gießelement
eine Pfanneneinfassung, zum Beispiel in einem mit Kohlenstoff gebundenen
Feuerfestmaterial, das vor seiner Benutzung nicht vorgeheizt wird.
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Die
Dicke der Beschichtung kann von 1 bis 10 mm variieren, gute Ergebnisse
sind mit einer Dicke von 3 bis 5 mm erzielt worden.
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Die
isolierende Beschichtung wird auf einen Teil der inneren Oberfläche des
Gießelements
aufgebracht. Gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung weist die Beschichtung eine solche Struktur und eine
solche Korngrößenverteilung
auf, dass die Beschichtung und das den Körper des Gießelements
bildende Material miteinander verbunden werden, wobei die Beschichtung
in den Porenraum des Materials eindringt, zum Beispiel durch Benetzung
oder Kapillarwirkung. Es gibt somit eine gegenseitige Durchdringung
des Körpermaterials
und der Beschichtung, die zu einer Einheit werden.
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Die
Elementbeschichtung wird sich bei der Benutzung in eine undurchlässige Schicht
verwandeln, die als Einheit mit dem Körpermaterial des Gießelements
verbunden bleiben wird.
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Um
die Wärmeschockbeständigkeit
zu verbessern, können
mehrere Schichten des Überzugs
notwendig sein, zum Beispiel für
harte Anwendungen.
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Eine
Schicht aus einer isolierenden Beschichtung, die zu der erfindungsgemäßen ähnlich ist
oder sich von dieser unterscheidet, kann auch auf einen Teil der äußeren Oberfläche des
Gießelements
aufgebracht werden, zum Beispiel auf einen Teil der äußeren Oberfläche des
Elements, der wahrscheinlich in das flüssige Metall eingetaucht wird.
Dieser Teil muss in der Tat den inneren Wärmeschock während des ersten Hindurchtritts
des flüssigen
Metalls sowie den Wärmeschock
beim Eintauchen in das flüssige
Metall aushalten.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Beschichten
eines Gießelements,
das dadurch gekennzeichnet ist, dass mindestens ein Teil der inneren
Oberfläche
des Elements mit einer isolierenden Beschichtung überzogen
wird, die beim Kontakt mit der metallischen Flüssigkeit eine gasundurchlässige Schicht
bildet, wobei das Gießelement
einen aus einem Feuerfestmaterial hergestellten Grundkörper umfasst, wobei
der Grundkörper
eine äußere Oberfläche und
eine einen Kanal begrenzende innere Oberfläche umfasst. Das Verfahren
umfasst: Herstellen einer Schlempe, umfassend isolierende hohle
Mikrokugeln, Trocknen der Schlempe bei Raumtemperatur, vorzugsweise
mindestens zwei Stunden lang, und Bilden einer gasundurchlässigen Schicht
aus der getrockneten Schlempe, indem man die getrocknete Schlempe
mit flüssigem
Metall in Kontakt bringt.
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Die
Beschichtung kann durch Sprühen,
Bürsten
oder sogar durch Eintauchen in eine wässrige Lösung oder eine Schlempe auf
die Rohroberfläche
aufgebracht werden. Es ist auch möglich, einfach eine wässrige Lösung oder
Schlempe durch den von der inneren Oberfläche des Elements begrenzten
Kanal zu gießen.
Im Umfang der vorliegenden Erfindung ist mit Schlempe eine Suspension
von feinen Teilchen (mit einer Abmessung von weniger als 50 γm) in Wasser
oder in einer anderen Flüssigkeit
gemeint, oder eine solche Suspension, die weiter grobe Teilchen
(mit Körnern,
die eine Abmessung von bis zu 2 mm aufweisen) umfasst.
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Die
gegenseitige Durchdringung der Beschichtung und des Körpermaterials
des Elements wird gefördert,
wenn die Beschichtung als wässrige
Lösung
oder als Schlempe hergestellt, auf das Element aufgebracht und dann
getrocknet wird, zum Beispiel an der offenen Luft. Eine Beschichtung,
die ausgezeichnete Ergebnisse geliefert hat, ist eine Beschichtung
umfassend 20 bis 80 Gewichts-% feinst zerkleinertes Siliziumdioxid
in Bezug zum Gesamtgewicht der Beschichtung. Das feinst zerkleinerte
Siliziumdioxid lässt
sich in der Tat leicht in eine Schlempe umwandeln und dringt leicht
in den Porenraum des Körpermaterials
des Elements ein.
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Bei
einer Ausführungsform
der Erfindung wird eine Beschichtung, umfassend 20 bis 80 Gewichts-% einer
keramischen Matrix, 5 bis 40 Gewichts-% isolierende Mikrokugeln,
von 0,5 bis 15 Gewichts-%
eines oder mehrerer Bindemitteln und bis zu 5% Wasser als Schlempe
hergestellt, die Schlempe wird mit der zu beschichtenden Oberfläche des
Elements in Kontakt gebracht und wird dann mindestens zwei Stunden
lang getrocknet.
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Die
Beschichtung kann auch von 5 bis 20 Gewichts-% eines Metalls oder
einer Metalllegierung umfassen, so dass der Beschichtungsvorgang
des Elements verbessert und die Bildung von Rissen während des Trocknens
vermindert wird.
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Beispiel
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Eine
mit Kohlenstoff gebundene Gießeinfassung
bestehend aus Aluminiumoxid/Graphit, deren innere Oberfläche nicht
oxidiert worden ist, wird verwendet. Eine Beschichtung umfassend:
| 12,1% | Wasser |
| 2,9% | Dextrin |
| 7,8% | kolloidales
Siliziumdioxid |
| 1,7% | Dolapix
CE 64 |
(Dolapix CE 64 ist ein Dispergator von der deutschen
Firma ZCHIMMER & SCHWARZ
AG.)
| 8,6% | Fillit |
| 4,1% | Ton |
| 42,9% | feinst
zerkleinertes Siliziumdioxid |
| 10,7% | Aluminiumoxid |
| 9,1% | Aluminium
(Metall) |
| 0,1% | Natriumtripolyphosphat |
wird in Form einer Schlempe hergestellt. Das Ende
des Rohrs wird mit einem Gummistopfen verschlossen. Das Innere des
Rohrs wird mit der Schlempe gefüllt.
Nach 20 bis 30 Sekunden wird das Ende des Rohrs geöffnet und
die überschüssige Schlempe
wird entleert. Die innere Oberfläche
des Rohrs ist somit mit einer Beschichtungsschicht überzogen,
die eine im Wesentlichen konstante Dicke aufweist. Die Beschichtung
und das Rohrmaterial sind miteinander verbunden. Das Element wird
dann an offener Luft etwa zwei Stunden lang getrocknet.
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Ein
gemäß dem Beispiel
hergestelltes Element ist mit einem bekannten Element verglichen
worden, umfassend eine 5 mm dicke oxidierte Schicht auf seiner inneren
Oberfläche.
Nach der Benutzung wies das erfindungsgemäße Element keine Risse auf,
und seine Lebensdauer war viel länger
als diejenige des Elements aus dem Stand der Technik Die innere
Oberfläche
des erfindungsgemäßen Elements
war mit einer Schicht bedeckt, die ein glasartiges Erscheinungsbild
aufwies und gasundurchlässig
war. Diese geschmolzene Schicht umfasste unter anderem Calciumoxid-Aluminate,
Calciumoxid-Siliko-Aluminate
und Mangansilikat.
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Für gewisse
kritische Anwendungen, wo ein Vorheizen dennoch erforderlich wäre, ist
die Beschichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung imstande, ein solches Vorheizen auszuhalten.