EP0916436B1 - Monolithischer, feuerfester, keramischer Lochstein - Google Patents

Monolithischer, feuerfester, keramischer Lochstein Download PDF

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EP0916436B1 EP98121035A EP98121035A EP0916436B1 EP 0916436 B1 EP0916436 B1 EP 0916436B1 EP 98121035 A EP98121035 A EP 98121035A EP 98121035 A EP98121035 A EP 98121035A EP 0916436 B1 EP0916436 B1 EP 0916436B1
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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22DCASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D41/00Casting melt-holding vessels, e.g. ladles, tundishes, cups or the like
    • B22D41/08Casting melt-holding vessels, e.g. ladles, tundishes, cups or the like for bottom pouring

Definitions

  • the invention relates to a monolithic refractory ceramic perforated brick with a first, upper end face and a second, lower end face, and one Through opening between the end faces.
  • Such a perforated stone is used, for example, to accommodate one Gas Swsteines.
  • the through opening has - analogous to the shape of the gas purging plug - often one Truncated cone shape.
  • Perforated stones of the type mentioned are also part of Slider locks known.
  • a perforated brick (see e.g. EP-A-352 353) consists of one or more less dense ceramic matrix.
  • the perforated brick can poured, pounded or pressed.
  • the perforated brick is placed in a wall or a floor metallurgical melting vessel, for example a Steel ladle, built-in, mostly mortared.
  • the one (Upper) face of the perforated brick is according to the Facing molten metal. This end is also called that called “hot end”.
  • the opposite, after the Installation of the outer end of the perforated brick is the so-called “cold end”.
  • a perforated brick is known, which in one metallurgical vessel can be used.
  • the Perforated brick itself can be used with a pouring nozzle.
  • Perforated stones are made of spouts (as in EP-A-135482 described) to distinguish. The latter are used for flow of molten metal.
  • the invention is based on the object, one To offer perforated brick of the type mentioned, the less sensitive is against crack formation and its service life conventional perforated stones is improved.
  • the invention is based on the knowledge that this Task to be solved in an incredibly simple way can, by the perforated stone - radially to the central longitudinal axis of the Through opening viewed - from different ceramic materials is built.
  • a total monolithic, for example cast or stamped Perforated stone is available which includes ceramic Matrix material from different sections (zones) different materials (types).
  • thermal shock resistance includes for example the thermal shock resistance, the Corrosion resistance, thermal conductivity, the Degree of sintering, density or the like.
  • a relatively dense layer follows one less dense layer in which a crack towards the dense layer runs, so the crack progress at Reaching the denser layer spontaneously interrupted or slowed down.
  • the invention relates to its most general Embodiment a monolithic ceramic perforated brick with a first, upper end face and a second, lower end face and a through opening between the end faces, made of its refractory ceramic matrix at least two, in the radial direction (perpendicular to the Center longitudinal axis of the through opening) side by side arranged sections from different ceramic Materials.
  • the ceramic materials of the Sections in particular in their physical properties differ.
  • the sections mentioned can be between the End faces run. Since the crack formation - as stated - but especially in that of the first (upper) end face neighboring section is also observed, the mentioned sections in this area of the perforated brick to arrange and for example the lower part of the perforated brick (adjacent to the lower end face) continuously from and to design the same ceramic matrix material.
  • Sections To effectively influence crack propagation should reach the minimum thickness (radial to Considered the central longitudinal axis of the through opening) mentioned sections are 1 cm. As a rule, the Sections have a thickness of several cm each.
  • the sections can - in the direction of the central longitudinal axis of the Through opening viewed - straight (flat) surfaces exhibit.
  • the sections are stepped between the end faces. On in this way there is an additional influence on a any crack propagation and its positive guidance at least in sections in the axial direction.
  • These separators can for example, have a cylindrical shape. you will be spaced from the template for the through opening or to the inner walls of the mold and spaced arranged to each other. This way, different ones Zones formed, which then with different ceramic materials. It offers it to use ceramic casting compounds, albeit for example, ramming compounds can also be used.
  • the Separators After the mold has been filled in this way, the Separators, provided they are not made from a combustible Material exist, pulled out again so that the refractory ceramic materials in adjacent zones lie directly next to each other.
  • the reference number 10 denotes a perforated brick all in all. Like every perforated brick, the ones in the Figures shown perforated stones a central Through opening 12, which here has a truncated cone shape and the later inclusion of a correspondingly shaped one Gas flushing stone is used. The central longitudinal axis of the Through opening 12 bears the reference number 14.
  • the perforated stones 10 a square base, whose outer walls with 10a to d are marked.
  • the perforated brick 10 consists of a monolithic Refractory ceramic body 16, which according to Figures 1, 2nd in two sub-zones 16.1 (adjacent to the passage opening 12) and 16.2 (adjacent the outer walls 10a to d) is.
  • zone 16.1 inside - is the shape of a truncated cone Outer wall of section 16.1 cylindrical.
  • a dotted line marks the border area to the outside Section 16.2 shown.
  • Sections 16.1 and 16.2 are in fact immediate to each other and form a common, continuous, monolithic matrix.
  • Figures 3, 4 differs differs from that of Figures 1, 2 in that the monolithic Body 16 is divided into a total of three zones here are marked with 16.1, 16.2 and 16.3.
  • the perforated brick corresponds to the Figures 3, 4 essentially that of Figures 1, 2, wherein here however an additional interface between the Layers 16.2 and 16.3 is formed.

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Description

Die Erfindung betrifft einen monolithischen feuerfesten keramischen Lochstein mit einer ersten, oberen Stirnfläche und einer zweiten, unteren Stirnfläche, sowie einer Durchgangsöffnung zwischen den Stirnflächen.
Ein solcher Lochstein dient beispielsweise der Aufnahme eines Gasspülsteines. In diesem Fall weist die Durchgangsöffnung - analog der Form des Gasspülsteines - häufig eine Kegelstumpfform auf.
Lochsteine der genannten Art sind auch als Bestandteile von Schieberverschlüssen bekannt.
Einen im wesentlichen analogen Aufbau zu den genannten Lochsteinen zeigen auch sogenannte Lochsteinhülsen, die wie die zuvor genannten Gasspülsteine, nachstehend zusammengefaßt unter den Begriff "Lochstein" subsumiert werden.
Üblicherweise besteht ein Lochstein (siehe z.B. EP-A-352 353) aus einer mehr oder weniger dichten keramischen Matrix. Der Lochstein kann gegossen, gestampft oder gepreßt sein.
Der Lochstein wird in eine Wand oder einen Boden eines metallurgischen Schmelzgefäßes, beispielsweise eine Stahlgießpfanne, eingebaut, meist eingemörtelt. Die eine (obere) Stirnfläche des Lochsteines ist entsprechend der Metallschmelze zugewandt. Dieses Ende wird auch als das "heiße Ende" bezeichnet. Das gegenüberliegende, nach dem Einbau außenliegende Ende des Lochsteines ist das sogenannte "kalte Ende".
Im Betrieb kommt es entsprechend zwischen dem "heißen Ende" und "kalten Ende" zur Ausbildung eines Temperaturgradienten in Axialrichtung des Spülsteines (entsprechend der Mittenlängsachse der Durchgangsöffnung).
Durch diese ungleichmäßige thermische Beanspruchung kommt es häufig zu horizontalen Rissen, also Rissen, die parallel zu den Stirnflächen des Lochsteines verlaufen. Diese Risse werden meist im Abstand von 5 bis 20 cm vom "heißen Ende" des Lochsteins beobachtet. Da der Lochstein insbesondere in Richtung auf das "kalte Ende" erst verzögert versintert ist der Rißfortschritt relativ schnell und kann bis zu einem Ablösen des "Lochsteinkopfes", also des der Schmelze zugewandten Abschnittes des Lochsteines kommen. Für die Rißbildung und den Rißfortschritt in diesem thermisch beanspruchten Bereich kann auch eine Schwächung der Zementbindung verantwortlich sein, soweit der Lochstein aus einer zementgebundenen Masse besteht.
Neben diesen horizontalen Rissen werden auch vertikale Risse (also parallel zur Mittenlängsachse der Durchgangsöffnung) beobachtet, die sich meist als sogenannte "Kreuzrisse" ausbilden, also radial von der Durchgangsöffnung nach außen beziehungsweise von einer Stirnfläche zur anderen Stirnfläche verlaufen.
In jedem Fall kommt es zu einer erheblichen Verkürzung der Standzeit des Lochsteines.
Insbesondere bei gegossenen Lochsteinen hat man versucht, durch Zusatz von Stahlnadeln die Standzeit zu verlängern. Die Wirkung der Stahlnadeln, die als diskrete Elemente vereinzelt im Matrixmaterial vorliegen, ist jedoch allenfalls sehr gering.
Aus der GB-A-1 451 548 ist ein Lochstein bekannt, der in ein metallurgisches Gefäß eingesetzt werden kann. In den Lochstein selbst kann eine Gießdüse eingesetzt werden.
Lochsteine sind von Ausgüssen (wie in EP-A-135482 beschrieben) zu unterscheiden. Letztere dienen dem Durchfluss von Metallschmelze.
Der Erfindung liegt insoweit die Aufgabe zugrunde, einen Lochstein der genannten Art anzubieten, der unempfindlicher gegen eine Rißbildung ist und dessen Standzeit gegenüber konventionellen Lochsteinen verbessert ist.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß diese Aufgabe auf verblüffend einfache Weise dadurch gelöst werden kann, indem der Lochstein - radial zur Mittenlängsachse der Durchgangsöffnung betrachtet - aus unterschiedlichen keramischen Werkstoffen aufgebaut wird. Obwohl insgesamt ein monolithischer, beispielsweise gegossener oder gestampfter Lochstein zur Verfügung steht umfaßt das keramische Matrixmaterial unterschiedliche Abschnitte (Zonen) aus unterschiedlichen Werkstoffen (Sorten).
Konkret bedeutet dies, daß zwischen der Durchgangsöffnung und der oder den Außenwänden des Lochsteins ein erster Abschnitt aus einem keramischen Werkstoff A angeordnet ist, dem ein zweiter Abschnitt aus einem keramischen Werkstoff B folgt. Dieser kann sich bis zu den Außenwänden des Lochsteins erstrecken oder beispielsweise von einem dritten Abschnitt gefolgt werden, der wiederum aus dem Werkstoff A oder einer dritten Sorte C besteht.
Im Ergebnis wird eine Art "Verbundkörper" gebildet, wobei die einzelnen Schichten (Abschnitte, Zonen) jedoch untereinander und insgesamt wiederum einen monolithischen Körper ausbilden, wobei nicht ausgeschlossen wird, daß zwischen den einzelnen Zonen (Abschnitten) Grenzflächenbereiche auch nach dem Versintern vorhanden sind. Insoweit bezieht sich der Begriff "insgesamt monolithischer Körper" darauf, daß die einzelnen Zonen (Abschnitte) nicht losgelöst voneinander und nebeneinander angeordnet sind, sondern sich zu einem einheitlichen, durchgehenden Körper, einer einheitlichen, durchgehenden Matrix ergänzen.
Die unterschiedlichen Werkstoffe haben jedoch zur Folge, daß innerhalb der entsprechenden Zonen auch unterschiedliche physikalische Eigenschaften eingestellt werden können, die in Hinblick auf das genannte Rißverhalten der Lochsteine von wesentlicher Bedeutung sind.
Dabei geht es insbesondere um die physikalischen Eigenschaften der entsprechenden keramischen Werkstoffe beziehungsweise daraus gebildeten Abschnitte.
Der Begriff "physikalische Eigenschaften" umfaßt beispielsweise die Temperaturwechselbeständigkeit, die Korrosionsbeständigkeit, die Wärmeleitfähigkeit, den Versinterungsgrad, die Dichte oder dergleichen.
Folgt beispielsweise eine relativ dichte Schicht einer weniger dichten Schicht, in der ein Riß in Richtung auf die dichte Schicht verläuft, so wird der Rißfortschritt bei Erreichen der dichteren Schicht spontan unterbrochen beziehungsweise verlangsamt.
Folgt zum Beispiel eine Schicht, die bereits bei 900°C sintert, einer Schicht, die erst bei 1.100°C sintert, so ist offensichtlich, daß sich ein Riß, der sich beispielsweise bei einer Temperatur von 1.000°C in diesem Bereich bildet, relativ leicht durch die noch "mürbe" Zone hindurchgehen kann, die erst bei 1.100°C sintert, jedoch dann gestoppt oder im Rißfortschritt reduziert wird, wenn die bereits gesinterte Schicht erreicht wird.
Danach betrifft die Erfindung in ihrer allgemeinsten Ausführungsform einen monolithischen keramischen Lochstein mit einer ersten, oberen Stirnfläche und einer zweiten, unteren Stirnfläche sowie einer Durchgangsöffnung zwischen den Stirnflächen, dessen feuerfeste keramische Matrix aus mindestens zwei, in Radialrichtung (senkrecht zur Mittenlängsachse der Durchgangsöffnung) nebeneinander angeordneten Abschnitten aus unterschiedlichen keramischen Werkstoffen besteht.
Wie ausgeführt können sich die keramischen Werkstoffe der Abschnitte insbesondere in ihren physikalischen Eigenschaften unterscheiden.
Da die Rißbildung und der Rißfortschritt maßgeblich von dem jeweiligen Gefüge des keramischen Materials abhängt sieht eine Ausführungsform vor, die Abschnitte aus keramischen Werkstoffen auszubilden, die ein unterschiedliches Gefüge aufweisen oder unter Temperatureinwirkung ein unterschiedliches Gefüge ausbilden.
Die genannten Abschnitte können durchgehend zwischen den Stirnflächen verlaufen. Da die Rißbildung - wie ausgeführt - jedoch insbesondere in dem der ersten (oberen) Stirnfläche benachbarten Abschnitt beobachtet wird genügt es auch, die genannten Abschnitte in diesem Bereich des Lochsteines anzuordnen und beispielsweise den unteren Teil des Lochsteins (der unteren Stirnfläche benachbart) durchgehend aus ein und demselben keramischen Matrixmaterial zu gestalten.
Um eine effektive Beeinflussung des Rißfortschritts zu erreichen sollte die Mindestdicke (radial zur Mittenlängsachse der Durchgangsöffnung betrachtet) der genannten Abschnitte 1 cm betragen. In der Regel werden die Abschnitte eine Dicke von jeweils mehreren cm aufweisen.
Die Abschnitte können - in Richtung der Mittenlängsachse der Durchgangsöffnung betrachtet - gerade (plane) Oberflächen aufweisen.
Nach einer Ausführungsform ist vorgesehen, daß die Abschnitte zwischen den Stirnflächen stufenartig ausgebildet sind. Auf diese Weise erfolgt eine zusätzliche Beeinflussung eines etwaigen Rißfortschritts und dessen Zwangsführung zumindest abschnittweise in Axialrichtung.
Die Herstellung eines Lochsteins der genannten Art kann wie folgt vorgenommen werden:
In eine Lochsteinform werden eine Schablone für die Durchgangsöffnung sowie eine oder mehrere selbsttragende Trennelemente eingesetzt. Diese Trennelemente können beispielsweise eine Zylinderform aufweisen. Sie werden beabstandet zur Schablone für die Durchgangsöffnung beziehungsweise zu den Innenwänden der Form und beabstandet zueinander angeordnet. Auf diese Weise werden verschiedene Zonen ausgebildet, die anschließend mit unterschiedlichen keramischen Werkstoffen verfüllt werden. Dabei bietet es sich an, keramische Gießmassen zu verwenden, wenngleich beispielsweise auch Stampfmassen eingesetzt werden können.
Der chemisch mineralogische Aufbau der Massen ist praktisch beliebig; entscheidend ist nur, daß unterschiedliche Massen in benachbarten Abschnitten (Zonen) eingefüllt werden.
Nachdem die Form auf diese Weise gefüllt wurde werden die Trennelemente, sofern sie nicht aus einem verbrennbaren Material bestehen, wieder herausgezogen, so daß die feuerfesten keramischen Werkstoffe benachbarter Zonen unmittelbar aneinander liegen.
Sobald der Lochstein eine ausreichende Grünstandfestigkeit erreicht hat kann er entformt und auf bekannte Art und Weise weiterbearbeitet beziehungsweise eingesetzt werden.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Merkmalen der Unteransprüche sowie den sonstigen Anmeldungsunterlagen.
Die Erfindung wird nachstehend anhand verschiedener Ausführungsbeispiele näher erläutert.
Dabei zeigen - jeweils in schematisierter Darstellung -
Figur 1:
einen vertikalen Längsschnitt durch eine erste Ausführungsform eines Lochsteins,
Figur 2:
eine Aufsicht auf den Lochstein nach Figur 1,
Figur 3:
einen vertikalen Längsschnitt durch eine zweite Ausführungsform eines Lochsteins,
Figur 4:
eine Aufsicht auf den Lochstein nach Figur 3.
In den Figuren sind gleiche oder gleichwirkende Bauteile mit gleichen Bezugsziffern dargestellt.
Dabei bezeichnet die Bezugsziffer 10 einen Lochstein insgesamt. Wie jeder Lochstein so umfassen auch die in den Figuren dargestellten Lochsteine eine mittige Durchgangsöffnung 12, die hier eine Kegelstumpfform aufweist und der späteren Aufnahme eines korrespondierend geformten Gasspülsteins dient. Die Mittenlängsachse der Durchgangsöffnung 12 trägt das Bezugszeichen 14.
Wie sich aus den Figuren 2, 4 ergibt weisen die Lochsteine 10 eine quadratische Grundfläche auf, deren Außenwände mit 10a bis d gekennzeichnet sind.
Zwischen der Durchgangsöffnung 12 und den Außenwänden 10a bis d besteht der Lochstein 10 aus einem monolithischen feuerfesten keramischen Körper 16, der gemäß den Figuren 1, 2 in zwei Teilzonen 16.1 (der Durchgangsöffnung 12 benachbart) und 16.2 (den Außenwänden 10a bis d benachbart) unterteilt ist.
Während die Zone 16.1 innenseitig - entsprechend der Form der Durchgangsöffnung 12 - kegelstumpfartig verläuft ist die Außenwand des Abschnittes 16.1 zylindrisch.
Durch eine punktierte Linie ist der Grenzbereich zum äußeren Abschnitt 16.2 dargestellt.
Tatsächlich liegen die Abschnitte 16.1 und 16.2 unmittelbar aneinander und bilden eine gemeinsame, durchgehende, monolithische Matrix.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel (Figuren 1, 2) besteht der Abschnitt 16.1 aus einem feuerfesten keramischen Werkstoff, der bei 1.100°C sintert, während der äußere Abschnitt 16.2 aus einem keramischen feuerfesten Werkstoff besteht, der bereits bei 900°C sintert.
Bildet sich - wie schematisch in Figur 1 eingezeichnet - von der Innenwand des Abschnitts 16.1 ein Riß 18 aus (senkrecht zur Mittenlängsachse 14 der Durchgangsöffnung 12), so erreicht der Riß 18 zu einer gegebenen Zeit die Grenzfläche zum Abschnitt 16.2.
Geht man davon aus, daß zu diesem Zeitpunkt im Bereich des Risses 18 eine Temperatur von beispielsweise 1.000°C herrscht, so bedeutet dies, daß die Schicht 16.1 noch nicht gesintert ist, während die Schicht 16.2 bereits gesintert ist. Folglich kann sich der Riß 18 nicht ohne weiteres in der Schicht 16.2 fortsetzen; vielmehr wird er im Grenzbereich zwischen den Schichten 16.1 und 16.2 gestoppt. Entweder endet der Riß dann hier oder er setzt sich allenfalls mit verzögerter Geschwindigkeit in der äußeren Schicht 16.2 fort.
Das Ausführungsbeispiel nach den Figuren 3, 4 unterscheidet sich von dem der Figuren 1, 2 dadurch, daß der monolithische Körper 16 hier in insgesamt drei Zonen unterteilt ist, die mit 16.1, 16.2 und 16.3 gekennzeichnet sind.
Dabei bestehen die Schichten 16.1 (der Durchgangsöffnung 12 benachbart) und 16.3 (den Außenwänden 10a bis d benachbart) aus demselben keramischen Werkstoff, während die dazwischen angeordnete, zylindrische Schicht 16.2 aus einer anderen feuerfesten Masse besteht.
Bezüglich des Rißverhaltens entspricht der Lochstein nach den Figuren 3, 4 im wesentlichen dem nach den Figuren 1, 2, wobei hier jedoch eine zusätzliche Grenzfläche zwischen den Schichten 16.2 und 16.3 ausgebildet wird.
Selbstverständlich ist es zur weiteren Optimierung möglich, die Schicht 16.3 aus einer anderen feuerfesten Sorte als die der Schicht 16.1 auszubilden.
Neben den dargestellten Ausführungsformen ist es möglich, beispielsweise die Außenwand der Schicht 16.1 nach dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 1 auch anders zu gestalten.
So kann die Außenwand zwischen der oberen Stirnfläche 20 des Lochsteins 10 und der unteren Stirnfläche 22 auch stufenartig ausgebildet werden.

Claims (8)

  1. Monolithischer feuerfester keramischer Lochstein (10) mit einer ersten, oberen Stirnfläche (20) und einer zweiten, unteren Stirnfläche (22) sowie einer Durchgangsöffnung (12) zwischen den Stirnflächen (20, 22), dessen feuerfeste keramische Matrix (16) aus mindestens zwei, in Radialrichtung - senkrecht zur Mittenlängsachse (14) der Durchgangsöffnung (12) - nebeneinander angeordneten Abschnitten (16.1, 16.2, 16.3) aus unterschiedlichen keramischen Werkstoffen besteht.
  2. Lochstein nach Anspruch 1, bei dem sich die keramischen Werkstoffe der Abschnitte (16.1, 16.2, 16.3) in ihren physikalischen Eigenschaften unterscheiden.
  3. Lochstein nach Anspruch 2, bei dem sich die keramischen Werkstoffe der Abschnitte (16.1, 16.2, 16.3) in ihrem Gefüge unterscheiden.
  4. Lochstein nach Anspruch 2, bei dem sich die keramischen Werkstoffe der Abschnitte (16.1, 16.2, 16.3) hinsichtlich ihrer Versinterungstemperatur unterscheiden.
  5. Lochstein nach Anspruch 1, bei dem sich die keramischen Werkstoffe der Abschnitte (16.1, 16.2, 16.3) in ihrem chemisch mineralogischen Aufbau unterscheiden.
  6. Lochstein nach Anspruch 1, bei dem die Abschnitte (16.1, 16.2, 16.3) durchgehend zwischen den Stirnflächen (20, 22) verlaufen.
  7. Lochstein nach Anspruch 1, bei dem jeder Abschnitt (16.1, 16.2, 16.3) eine Mindestdicke - radial zur Mittenlängsachse (14) der Durchgangsöffnung (12) - von 1 cm aufweist.
  8. Lochstein nach Anspruch 1, bei dem die Abschnitte (16.1, 16.2, 16.3) zwischen den Stirnflächen (20, 22) umfangseitig Abstufungen aufweisen.
EP98121035A 1997-11-12 1998-11-05 Monolithischer, feuerfester, keramischer Lochstein Expired - Lifetime EP0916436B1 (de)

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