NL9000823A - Werkwijze voor de vervaardiging van periklaas-eenkristallen. - Google Patents

Description

Werkwijze voor de vervaardiging van periklaas-éénkristal-len

De uitvinding heeft betrekking op een werkwijze voor het vervaardigen van periklaas-éénkristallen.

De vervaardiging van periklaas-éénkristallen is in principe bekend. Daarbij wordt het uitgangsmateriaal (MgO) gesmolten, bijvoorbeeld in een lichtboogoven, om bij de daarop volgende afkoeling een kristallisatie te bereiken. Afgezien daarvan, dat bij de herkristallisatie slechts een gedeelte van de gevormde kristallen als zuivere éénkristal-len gewonnen kunnen worden, is die bekende werkwijze in het bijzonder ongunstig, omdat hierbij smelttemperaturen van ver boven de theoretische smelttemperatuur van periklaas, van ongeveer 2800°C, noodzakelijk zijn en de daarmee verbonden energiekosten aanzienlijk zijn.

Er bestaat echter een dringende behoefte aan een gemakkelijk beheersbare en regelbare werkwijze voor het op industriële schaal vervaardigen van grote hoeveelheden periklaas-éénkristallen ,omdat die vanwege hun fysische eigenschappen , een aantal voordelen bezitten waarop hierna nog nader zal worden ingegaan.

Volkomen verrassend werd vastgesteld, dat periklaas-éénkristallen als secundaire kristallen , uitgaande van een gesinterde MgO massa (MgO-Sinter) van een gebruikelijk type, uit de gasfase gewonnen kunnen worden. Daarbij vormt het een wezenlijk kenmerk en een bijzonder voordeel van de hierna nader beschreven werkwijze, dat de vervaardiging van periklaas-éénkristallen quasi in situ plaats kan vinden in een conventionele oven, bijvoorbeeld in een schachtoven, eventueel als volgende trap bij de vervaardiging van een gesinterde MgO-massa.

Daartoe heeft de werkwijze de volgende kenmerken: - in een pyrolyseproces verkregen primaire gesinterde MgO-massa wordt bij aanwezigheid van een reductiemid- del, in het bijzonder bij aanwezigheid van vrije koolstof, gereduceerd tot elementair magnesium, - vervolgens komt het elementaire magnesium als metaaldamp in de gasfase, - waar de magnesiummetaaldamp vervolgens onder binden van zuurstof uit de ovenatmosfeer wordt geoxydeerd tot secundaire periklaas-éénkristallen, - die vervolgens uit de oven worden verwijderd.

Daarbij is gebleken, dat bij een dergelijke "herkristallisatie" het anionenrooster van het periklaas volledig nieuw wordt opgebouwd. Er vindt volgens de tot nu toe beschikbare kennis niet - zoals men aan zal kunnen nemen - een sublimatie van het MgO-molecuul en een hernieuwde condensatie plaats, maar eerst wordt het MgO tot Mg metaaldamp gereduceerd, waarna het Mg-atoom weer een binding aangaat met zuurstof uit de ovenatmosfeer en tot de gewenste periklaas-éénkristallen geheroxydeerd wordt.

Voor de aanvankelijke (in het begin plaatsvindende) reductie van de primaire gesinterde MgO-massa wordt voorgesteld een zuurstof absorberend reductiemiddel toe te voegen, waarbij is gebleken dat in het bijzonder elementaire koolstof hiervoor de voorkeur heeft.

De koolstof kan als afzonderlijke component aan het primaire gesinterde MgO-materiaal worden toegevoegd,

In de zones van de oven waar reducerende omstandigheden heersen treedt echter ook afscheiding van elementaire koolstof en daarmee - afhankelijk van de temperatuur -een bepaalde (gedefinieerde) partiele druk van de koolstof op. In zoverre wordt volgens een alternatieve uitvoeringsvorm van de uitvinding voorgesteld, de werkwijze in het betreffende gedeelte van de oven te laten verlopen met een reducerende brandervlam.

Het anionenrooster van de primaire MgO-kristallen, wordt vanwege de affiniteit van de koolstof voor zuurstof verstoord onder vorming van CO, zodat het magnesiumatoom vervolgens in de vorm van magnesiummetaaldamp in de gasfase over kan gaan.

Volgens een gunstige uitvoeringsvorm wordt voorgesteld het primaire gesinterde MgO-materiaal in een fijn mogelijk verdeelde vorm ter beschikking te stellen, omdat het hiervoor besproken reactieverloop beslissend wordt beïnvloed door het oppervlak van de primaire kristallen. De ontleding van de primaire MgO-kristallen verloopt van buiten naar binnen en in zoverre leidt een fijnverdeeld materiaal tot een groter reactieoppervlak voor het reduc-tiemiddel en zodoende tot een sneller verloop van de genoemde reactie.

De oxydatie van de in de gasfase aanwezige magne-siumatomen tot secundaire periklaas-éénkristallen wordt volgens verschillende gunstige uitvoeringsvormen van de werkwijze bevorderd en begunstigd, wanneer - in het betreffende volgende gedeelte van de oven een lagere partiele koolstofdruk en een hogere partiele zuurstofdruk wordt ingesteld in vergelijking met die gedeelten van de oven die dienen voor de hiervoor genoemde trappen van de werkwijze, of - in de betreffende volgende gedeelten van de oven een lagere temperatuur wordt ingesteld dan in die gedeelten van de oven waarin de primaire gesinterde massa ontleed wordt.

Proeven hebben aangetoond dat oventemperaturen in het traject tussen 1800°C en 2400°C volkomen voldoende zijn om de gewenste herkristallisatie te bereiken. Deze temperaturen liggen duidelijk beneden de temperaturen die volgens de stand van de techniek noodzakelijk zijn voor het maken van periklaas-éénkristallen via de smeltfase.

Als de koolstof niet in vaste vorm maar in gasvormige vorm ter beschikking staat, ligt het chemische evenwicht reeds bij nog lagere temperaturen aan de zijde van de gasvormige magnesiummetaaldamp.

Proeven hebben aangetoond dat met de beschreven werkwijze zonder meer secundaire éénkristallen met zijden met lengten van meerdere millimeters gemaakt kunnen worden.

Als de werkwijze in een schachtoven wordt uitgevoerd, dan ligt het voor de hand, voor het ontleden van de primaire MgO-kristallen het betreffende gedeelte van de oven te laten werken met een sterk reducerend ingestelde, carboniserende brandervlam. Er kan echter ook - zoals hiervoor beschreven - bij het vullen van de oven met het mengsel een vermenging van de primaire kristallen met afzonderlijk toegevoegde elementaire koolstof worden toegepast.

Ook de heroxydatie van de magnesiumatomen uit de gasfase kan door een passende instelling van de ovenbranders worden ondersteund. Hiertoe wordt voorgesteld, in het hiervoor geschikte vlak van de brander afwisselend oxyde-rend en reducerend te werken, waarbij de tijdsduur dat de brander oxyderend werkt , bij voorkeur langer is dan de tijd dat deze reducerend werkt, om de atmosfeer in de oven te verrijken met een voldoende hoeveelheid zuurstof.

Uit het voorgaande blijkt, dat de beschreven vervaardiging van periklaas-éénkristallen quasi "in situ" uit de gasfase en als volgende trap in een conventionele sinteroven voor magnesiet kan worden uitgevoerd. De hieruit voortvloeiende voordelen zijn duidelijk.

Het winnen van de gevormde periklaas-éénkristallen kan op verschillende wijzen gebeuren.

Het is mogelijk, in het bijzonder bij een daarbij passende verlaging van de temperatuur van de oven, de secundaire kristallen op daarvoor geschikte oppervlakken neer te slaan. Deze oppervlakken kunnen bijvoorbeeld worden geboden door geschikte afschelderoppervlakken die in en uit de oven gedraaid (gezwenkt) kunnen worden . Na naarbuiten zwenken buiten de oven behoeven de daarop neergeslagen secundaire periklaaskristallen alleen nog maar te worden afgeschraapt.

Het is echter ook mogelijk de secundaire kristallen neer te slaan op het in de oven aanwezige restant primair gesinterd MgO-materiaal en ze met dit materiaal uit de oven te verwijderen.

In dit verband moet er op worden gewezen, dat de werkwijze volgens de uitvinding - zoals hiervoor uiteengezet - en daarmee de vervaardiging van periklaas-éénkris-tallen gezamenlijk met de vervaardiging van een gebruikelijk gesinterd MgO-materiaal kan worden uitgevoerd, waarbij alleen een deel van het oorspronkelijke primaire gesinterde materiaal (d.w.z. deeloppervlakken van het primaire gesinterde materiaal) op de beschreven wijze worden ontleed en via de dampfase worden herkristalliseerd. Bij neerslaan van de secundaire kristallen op een dergelijke wijze op het primaire gesinterde materiaal kan , na verwijderen uit de oven, een mechanische scheiding van de beide (soorten) kristallen plaatsvinden.

Tenslotte is het echter ook mogelijk, de uit de gasfase gevormde secundaire kristallen tezamen met de afvallucht als vliegstof uit de oven af te voeren en daarna bijvoorbeeld in een filter af te scheiden. Hierbij vervalt elke mechanische nabehandeling.

De gevormde secundaire kristallen leiden , op grond van hun grootte, tot een betrekkelijk losse massa van éénkristallen met een - afhankelijk van hun grootte -betrekkelijk lage stortdichtheid van de korrels (= schijnbare dichtheid bij een korrelgrootte van meer dan 2 mm volgens DIN 51065 deel 2) .

De afzonderlijke korrels hebben echter een dichtheid die in hoge mate overeenkomt met de theoretische dichtheid van 3,56 g/cm3.

Als de éénkristallen vervolgens worden gemalen, dan wordt het stortgewicht van de korrels dienovereenkomstig verhoogd, zonder dat men een verlies aan gunstige eigenschappen van de éénkristallen, namelijk van hun hoge dichtheid, op de koop toe behoeft te nemen.

Juist hierin ligt nu de mogelijkheid, van een gunstige toepassing van de gevormde periklaas-éénkristallen. Ze kunnen o.a. voor het maken van vuurvaste vormdelen dienen en kunnen daarbij in het bijzonder als fijnkorrelige component worden toegevoegd aan een grover matrixmateriaal.

Zoals bekend wordt bijvoorbeeld het optreden van slakken bij vuurvaste keramische vormstukken doorslaggevend bepaald door de meelkorrelfractie. De meelkorrelfractie is de zwakste plaats van het keramische produkt en hier treedt het eerst aantasting door slak op. De meelkorrelfractie wórdt gedefinieerd als de fractie die kleiner is dan 100 /zm, waarbij bij voorkeur 70 gew.% kleiner dan 50 μπι moet zijn.

Door toepassing van de allerfijnste fractie, bijvoorbeeld de via de afvallucht uit de gasfase afgescheiden secundaire kristallen of door toepassen van fijngemalen, oorspronkelijk grovere secundaire éénkristal-len als bestanddeel, in het bijzonder als fijnste component van een vuurvast keramisch materiaalmengsel kan nu worden bereikt, dat precies de kritische fijnste componenten van de betreffende vormdelen of vormstukken mechanisch gestabiliseerd worden.

De betreffende vuurvaste vormdelen zijn duidelijk veel beter dan dergelijke (vormdelen) die onder toepassing van een fractie en zeer fijne korrels uit een gebruikelijk primair gesinterd Mgo-materiaal zijn gevormd en geven een aanzienlijk verminderde aantasting door slakken te zien.

Zo is het ook denkbaar, vormdelen of vormstukken met meerdere lagen op te bouwen en daarbij de buitenste, bijvoorbeeld aan aantasting door een metaalsmelt of door slakken blootgestelde oppervlakken op te bouwen uit een materiaalcomponent, die geheel of tenminste overwegend bestaat uit de volgens de werkwijze van de uitvinding vervaardigde secundaire MgO-kristallen.

Bijgevolg komen de beschreven secundaire kristallen in het bijzonder in aanmerking voor gebruik voor dergelijke keramische produkten, die aan een verhoogde mechanische of metallurgische aantasting blootstaan. Hiertoe behoren bijvoorbeeld vuurvaste vormstukken van uitgiet- en/of afsluitsystemen, zoals afsluitplaten van schuifafsluiters, hulzen of dergelijke voor vaten voor een metallurgische smelt.

De betreffende keramische produkten zijn niet alleen gelijkwaardig aan soortgelijke produkten uit "smelt-magnesiet" maar zijn zelfs beter dan dergelijke produkten uit smeltmagnesiet en kunnen in het bijzonder veel eenvoudiger en economischer worden vervaardigd.

Claims (19)

1. Werkwijze voor het vervaardigen van periklaas-éénkristallen in een oven , gekenmerkt doordat: 1.1 in een pyro1yseproces verkregen primair gesinterd MgO-materiaal in aanwezigheid van een reduc-tiemiddel, in het bijzonder van vrije koolstof, tot elementair magnesium wordt gereduceerd, 1.2 het elementaire magnesium vervolgens als metaaldamp in de gasfase wordt gebracht, 1.3 de magnesiummetaaldamp vervolgens onder binding van zuurstof uit de ovenatmosfeer wordt geoxydeerd tot secundaire periklaas-éénkristallen en 1.4 de secundair gevormde periklaas-éénkristallen daarna uit de oven worden verwijderd.

2. Werkwijze volgens conclusie 1, waarbij dè koolstof als afzonderlijke component aan het primaire gesinterde MgO-materiaal wordt toegevoegd. *

3. Werkwijze volgens conclusie 1 of 2, waarbij de koolstoffase door een reducerend ingestelde brandervlam van de oven wordt opgewekt.

4. Werkwijze volgens één der conclusies 1 tot 3, waarbij men de oven in het gebied waar de werkwij zetrap volgens kenmerk 1.3 van conclusie 1 wordt uitgevoerd, afwisselend oxyderend en oxyderend laat werken.

5. Werkwijze volgens één der conclusies 1 tot 4, waarbij de trap volgens het kenmerk 1.3 van conclusie 1 wordt uitgevoerd in een gebied van de oven met een lagere partiele koolstofdruk en een hogere partiele zuurstofdruk dan (heerst) in de ovengebieden waar de trappen volgens de kenmerken 1.1 en 1.2 van conclusie 1 worden uitgevoerd.

6. Werkwijze volgens één der conclusies 1 tot 5, waarbij de trap volgens kenmerk 1.3 van conclusie 1 wordt uitgevoerd in een koeler gedeelte van de oven dan de trappen volgens de kenmerken 1.1 en 1.2 van conclusie 1.

7. Werkwijze volgens één der conclusies 1 tot 6 , waarbij de temperatuur van de oven in trap 1.3 van de werkwijze tussen 1800 en 2400°C wordt ingesteld.

8. Werkwijze volgens één der conclusies 1 tot 7 waarbij het primaire gesinterde MgO-materiaal met een korrelgrootte van meer dan 4 mm en bij voorkeur tussen 4 en 30 mm wordt toegepast.

9. Werkwijze volgens één der conclusies l tot 8, waarbij voor het neerslaan en afvoeren van de uit de gasfase gevormde secundaire MgO-kristallen wordt voorzien in afscheidingsoppervlakken die in en uit de oven geschoven kunnen worden.

10. Werkwijzen volgens één der conclusies 1 tot 8, met het kenmerk, dat het primaire gesinterde MgO-materiaal slechts gedeeltelijk wordt gereduceerd en de gevormde secundaire MgO-kristallen op het overblijvende primaire gesinterde MgO-materiaal worden neergeslagen en daarmee uit de oven worden verwijderd.

11. Werkwijze volgens één der conclusies 1 tot 10, met het kenmerk,dat de gevormde secundaire MgO-kristallen met de afvallucht uit de oven als vliegstof worden verwijderd en vervolgens in een filter worden afgescheiden.

12. Werkwijze voor het vervaardigen van vuurvaste vormstukken of vormdelen , met het kenmerk, dat men daarbij periklaas-éénkristallen gebruikt die zijn vervaardigd volgens de werkwijze van één der conclusies l tot 11.

13. Werkwijze volgens conclusie 12, met het kenmerk, dat vooraf tot een korrelgrootte van minder dan 100 /m gemalen periklaas-éénkristallen worden toegepast.

14. Werkwijze volgens de conclusies 12 of 13, met het kenmerk, dat de gemalen periklaas-éénkristallen worden gebruikt als meelkorrelcomponent in een gebruikelijk vuurvast matrixmateriaal.

15. Werkwijze volgens één der conclusies 12 tot 14 , met het kenmerk, dat vuurvaste vormstukken of vormdelen van een uitgiet- en/of afsluitsysteem van een vat voor een metallurgische smelt worden vervaardigd.

16. Toepassing van periklaas-éénkristallen, die zijn vervaardigd volgens de werkwijze van één der conclusies 1 tot 11, voor het vervaardigen van vuurvaste vorm-stukken of vormdelen.

17. Toepassing volgens conclusie 12, met het kenmerk, dat de periklaas-éénkristallen vooraf tot een korrelgrootte van minder dan 100 μη\ zijn gemalen .

18. Toepassing van gemalen periklaas-éénkristallen volgens conclusie 17 als meelkorrelcomponent in een gebruikelijk vuurvast matrixmateriaal.

19. Toepassing volgens één der conclusies 16-18 voor de vervaardiging van vuurvaste vormstukken of vormdelen van een uitgiet- en/of afsluitsysteem voor een vat voor een metallurgische smelt.