EP0916436B1 - Monolithischer, feuerfester, keramischer Lochstein - Google Patents
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- B22D41/00—Casting melt-holding vessels, e.g. ladles, tundishes, cups or the like
- B22D41/08—Casting 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)
- 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.
- Lochstein nach Anspruch 1, bei dem sich die keramischen Werkstoffe der Abschnitte (16.1, 16.2, 16.3) in ihren physikalischen Eigenschaften unterscheiden.
- Lochstein nach Anspruch 2, bei dem sich die keramischen Werkstoffe der Abschnitte (16.1, 16.2, 16.3) in ihrem Gefüge unterscheiden.
- Lochstein nach Anspruch 2, bei dem sich die keramischen Werkstoffe der Abschnitte (16.1, 16.2, 16.3) hinsichtlich ihrer Versinterungstemperatur unterscheiden.
- Lochstein nach Anspruch 1, bei dem sich die keramischen Werkstoffe der Abschnitte (16.1, 16.2, 16.3) in ihrem chemisch mineralogischen Aufbau unterscheiden.
- Lochstein nach Anspruch 1, bei dem die Abschnitte (16.1, 16.2, 16.3) durchgehend zwischen den Stirnflächen (20, 22) verlaufen.
- 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.
- Lochstein nach Anspruch 1, bei dem die Abschnitte (16.1, 16.2, 16.3) zwischen den Stirnflächen (20, 22) umfangseitig Abstufungen aufweisen.
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