NO840898L

NO840898L - Aluminiumsbestandig ildfast sammensetning

Info

Publication number: NO840898L
Application number: NO840898A
Authority: NO
Inventors: Frank Thomas Felice
Original assignee: Combustion Eng
Priority date: 1983-03-10
Filing date: 1984-03-09
Publication date: 1984-09-11
Also published as: SE8401335L; SE456011B; AU558497B2; US4522926A; JPH021794B2; ES530151A0; CA1207805A; JPS59169971A; SE8401335D0; KR840007860A; ES8505906A1; AU2549284A; KR860001650B1

Description

Aluminiumbestandig ildfast sammensetning.

Denne oppfinnelsen vedrører ildfaste sammen-setninger for bruk i kontakt med smeltede aluminiumlegeringer.

Ildfaste materialer som kommer i direkte kontakt med smeltede aluminiumlegeringer, slike som de som brukes i smelteovner for aluminium, omsmeltingsovner, støpeskjeer, renner, etc. er utsatt for nedbrytende angrep, inntrenging og vedheng av forskjellige legeringselementer, og av skum dannet på overflata av smeltemassen.

Historisk ble ildfaste materialer til slikt bruk, hovedsaklig ildfast stein og fosfatforbundne formbare ildfaste materialer, funnet å kunne holde på smeltede legeringer i rimelige tidsrom fordi driftstemperaturene ble holdt forholdsvis lave og legeringene var relativt svake. De ildfaste korn og bindemiddel i disse produktene var generelt basert på ildfaste materialer utformet for andre industrier, og disse materialene er ikke egentlig motstandsdyktige mot reaksjon under forhold ved smelting og oppbevaring av aluminium. Prosedyrene i aluminiumindustrien er skiftende, med økt vekt på gjennomstrømningshastigheter og mer nøyaktige legeringer, med det resulatat at de eldre ildfaste materialene blir på grensen av det akseptable. Det har fra tid til annen blitt gjort forsøk på å forbedre motstandsdyktigheten til ildfaste materialer mot angrep fra smeltede aluminiumlegeringer ved bruk av tilsetnings stoffer. McDonald, for eksempel, i U.S. patent 2 997 402 beskriver produksjonen av en glassaktig blanding med 15-80

% boroksyd. 5-50 % kalsiumoksyd, og 2-60 % aluminiumoksyd, og produksjonen av ei brent form ved å blande den beskrevne blandingen med en grus, presse og brenne. Rubin et al., i U.S. patent 3 471 306 forbedret dette systemet ved å bruke liknende bestanddeler, men ved å forme den beskyttende glassaktige blandingen på stedet ved hjelp av bestanddelene i reaktiv form. Både patentene til McDonald og Rubin beskriver produksjonen av steiner som er forbundet med et glassaktig materiale. Bivirkningene av en ubrutt glassfase gjennom et ildfast materiale er redusert ildfasthet og nedsatt motstandsevne mot varmesjokk.

La Bar, i U.S. Patent 4 088 502 og 4 158 568 beskriver bruken av en sink-borsilikat blanding som tilsetningsstoff i ildfaste stoffer basert på silisiumoksyd bundet til kalsiumaluminatsement og aluminiumoksyd for å gjøre dem motstandsdyktige mot angrep av aluminiumlegeringer. Maczura et. al., i U.S. patent 4 246 035 bruker dette som tilsetningsstoff, med en ytterligere tilsetning av borsyre, i en mørtel av høy renhet for å oppnå motstandsdyktighet. Mens bruken av sink-borsilikat blanding er effektiv, er kostnaden på kommersielt tilgjengelig materiale i høyere størrelsesorden enn tilsetningsstoffet i oppfinnelsen som beskrives nedenfor, og ildfastheten er lavere.

I U.S. patent 4 126 474, Talley et al, beskrives bruken av BaS04som tilsetningsstoff for å gjøre forskjellige typer ildfaste materialer motstandsdyktige mot angrep fra smeltet aluminium. En mulig ulempe ved bruken av dette tilsetningsstoffet er, at siden de fleste barium-saltene er giftige, må det sørges for at det ikke er slike forhold til stede der ikke-giftige BaSo4brytes ned til å danne oppløselig bariumforbindelser, eller hvis de dannes, at det ildfaste materialet utsettes for farlige metoder for avfallsfjerning etter bruken.

Et formål med den foreliggende oppfinnelsen er å fremskaffe ildfaste materialer som ikke blir fuktet eller angrepet av smeltede aluminiumlegeringer. De ildfaste materialene omfatter blandinger av ildfaste korn eller grus, et tilsetningsmateriale som inneholder først og fremst korund og aluminiumborat, og et ildfast bindemiddel eller sement blant dem som er vanlige i industrien. Tilsetningsstoffet er krystallinsk, frambringer ikke forbind-else med det ildfaste materialet og har derfor ikke de ul-empene som eksisterer når det er en ubrutt glassfase til stede.

I søkingen etter ildfaste materialer som var forenlig med nye, mer nøyaktige aluminiumlegeringer og driftsforhold, ble det funnet et stort sett ikke-reaktivt materiale. Dette materialet som her blir henvist til som aluminiumboreslagg, er et biprodukt av produksjonen av ferro-bor.

Ferre-bor er en legering av bor og jern som brukes som tilsetningsstoff til visse typer stål for å øke borinnholdet og derved evnen til å bli varmeherdet. Ferro-bor frambringes ved aluminium-termisk reduksjon av jern-oksyd og boroksyd med aluminiummetall ved høye temp-eraturer. Mens reduksjonen foregår, forbindes det smeltede jernet og boret og faller til bunnen av reaksjons-beholderen. Etter kjøling inneholder den størknede massen en lavere del bestående av ferro-bor som knuses og selges. Den øvre delen av massen består hovedsaklig av aluminiumoksyd, bor som har reagert med dette, og noe resterende slagg avhengig av den nøyaktige framgangsmåten som be-nyttes. Den øvre delen av massen, aluminiumbor-slagg, er et avfallsmateriale og blir vanligvis kassert.

Et formål med denne oppfinnelsen er å trekke for-del av de uventede ikke-fuktende egenskapene til dette av-fallsmaterialet ved aluminiumlegeringer når det brukes som et ildfast tilsetningsstoff. I mangel på en ferdig kilde, er det mulig å produsere dette slaggmaterialet syntetisk. Et syntetisk aluminiumbor-slagg er ment å falle innenfor rammene av denne oppfinnelsen. Et krav til slikt syntetisk slagg vil være at betydelige mengder av aluminiumborat (9A120^<*>2B20^) er til stede som en aktiv bestanddel.

Mineralogien til et typisk aluminiumbor-slagg som brukt i denne oppfinnelsen ble vist ved bestemmelse av røntgenstrålediffraks jon å være hovedsaklig aluminiumborat (9A1203<*>2B203) og korund (Al203), med små

mengder ekstra mineraler slik som kalsiumfluorid (CaF2), kalsiumaluminiumborat (CaAl2B203) og små mengder av noen kalsiumaluminatfaser. Det innses og vil bli demon-strert seinere i denne beskrivelsen, at den aktive fasen er aluminiumborat, og den andre fasen kan variere i konsen-trasjon eller elimineres helt uten å påvirke slaggets evne til å beskytte ildfaste materialer mot angrep fra smeltede aluminiumlegeringer. Det er viktig at aluminiumborat er i krystallinsk form 9Al2O3*2B203 som er det mest ild-

faste av de mulige kombinasjonene av Al203og B2°3*

Derfor er innholdet av B203 begrenset i forhold til innholdet av A1203 slik at det er lite eller intet overskudd av B203 til å forbinde seg til andre former av aluminiumborat. Dessuten, siden aluminiumboratet er i krystallinsk form sammenliknet med de tidligere kjente hvor det er ikke-krystallinsk, er det ikke til stede som en glassaktig fase ved temperaturen til de ildfaste stoffene som er i kontakt med aluminium, som ville resultere i redusert ildfasthet og nedsatt motstandsevne mot varmesjokk.

En typisk kjemi for slagget i vektprosent er som følger:

Sammensetningen av slagget kan variere. Mengden av bor (uttrykt ved B203) bør holdes over ca. 4 %. Jern (uttrykt ved Fe203) er til stede som en urenhet, men kan variere opp til ca. 4 % med små problemer, mens fluoridet, som også er en urenhet (uttrykt ved CaF), bør holdes så lavt som mulig og ikke over 2 % på grunn av mulige uheldige virkninger på noen forbindelsesfaser under lagring. Lut og alkaliske jordarter (Ca , Mg , Na og K+) som er unødvendige og uønskede bestanddeler, bør holdes så lave som mulig på grunn av den negative virk-ningene på ildfastheten til tilsetningsstoffet. Det innses at et syntetisert borslagg er mulig, og at slikt syntetisert slagg kan inneholde opp til 100 % aluminiumborat. Mengden av slagg kan variere innenfor vide grenser og fort-satt være effektiv, som fra rundt 6 mesh til rundt 320 mesh. Alle henvisninger her er til tyler screen størrelse. Et mer tilfredsstillende område er mellom 10 og 100 mesh med det foretrukne området mellom rundt 3 0 mesh og 7 0 mesh.

En variasjon av vanligvis brukte ildfaste blandinger kan gjøres motstandsdyktig mot smeltede aluminiumlegeringer ved å oppta en mengde av aluminiumbor-slagg i deres utforming. Spesielle eksempler vil bli beskrevet ved-rørende støpbare og formbare blandinger, men det skal for-stås at disse er bare eksempler.

En støpbar ildfast blanding i samsvar med oppfinnelsen kan markedsføres enten som støpbart materiale i sekker passende for installasjon og lagring på bygge-plassen, eller som ferdigstøpte og herdede former. Støpbare utforminger kan benytte ildfaste grustyper slik at produktene blir av lett vekt eller høy tetthet som ønsket. En støpbar utforming uttrykt i vektprosent er som følger:

Et vidt område av ildfaste grustyper kan brukes i oppfinnelsen, slik som krom-malm, bauxitt, lagdelt aluminiumoksyd, silisiumoksyd, spinell, magnesia-krom, aluminiumsilikat og andre aluminiumoksyd-silikater, ekspandert leire og ekspandert skiferleire. Enhver grustype som er forenlig med det utvalgte bindemiddelsystem, kan faktisk brukes. Blandinger av grustyper kan også brukes slik som indre kostbare grustyper brukt som den grove delen med de mer kostbare, mindre reaktive grustypene som utgjør støpeforma. Fibrete materialer kan også tas med i blandingen. Grusinnholdet er ikke kritisk i oppfinnelsen og er vanligvis slik som det er vanlig i industrien for utforming av støpbare blandinger. Grusinnholdet kan varieres for å oppnå særskilte fysiske egenskaper slik som høy styrke eller motstandsdyktighet mot avskalling. Det følgende er typiske mengder av grusinnhold:

De følgende to eksempler viser virkningen av aluminiumbor-slagg på motstandsdyktigheten mot aluminiumlegeringer i støpbare blandinger.

Eksempel 1

65 vektprosent kalsinert bauxitt gradert 3 mesh og finere ble blandet med 25 % kalsiumaluminat-sement og 10 % aluminiumbor-slagg. Til denne blandingen ble det tilsatt 7 % vann, og blandingen ble støpt i form av steiner på

9"<*>4 1/2"<*>2 1/2" med et hulrom på 1 1/4" dybde i midten. En andre skål ble støpt på samme måten fra en liknende blanding som den førnevnte, men uten aluminiumbor-slagget. Begge prøvene ble brent ved 17 00°F i 5 timer og testet for motstandsdyktighet mot metall ved å plassere 7075 legering (en standard legering fra "Aluminium Association Incorporated")

i de indre hulrommene og holde dette på 1500°F i en periode på 72 timer. Etter denne perioden ble skålene opp-delt og visuelt undersøkt. Prøven som inneholdt aluminiumbor-slagg var helt fri for noen reaksjon eller inntrenging fra aluminiumlegeringen, og aluminium-metallet kunne skrelles av reint fra overflata. Prøven uten aluminiumbor-slagg var reagert til en dybde på inntil en tomme slik at størknet aluminium og skum ikke kunne fjernes fra overflata uten skade på det ildfaste materialet.

Eksempel 2.

Det ble laget en blanding med 60 vektprosent lagdelte korn av aluminiumoksyd gradert 1/4" og finere, 25 % kalsiumaluminat-sement og 15 % aluminiumbor-slagg. En andre prøve ble laget som den førnevnte, men uten aluminiumbor-slagget. Begge prøvene ble behandlet og testet som i eksempel 1. Prøven uten aluminiumbor-slagget hadde trengt inn til en dybde på rundt 1/16 ", og aluminium-metallet kunne ikke fjernes fra overflata uten skade på det ildfaste materialet. Prøven som inneholdt aluminiumbor-slagg var upå-virket, og aluminium-metallet kunne skrelles av reint fra overflata uten skade.

Eksempel 3

70 vektprosent krom-malm gradert 4 mesh og finere ble blandet med 20 % kalsiumaluminat-sement og 10 % aluminiumbor-slagg. Ei prøveskål av denne blandingen ble laget og testet som i eksempel 1 sammen med en annen prøve uten slaggtilsetningen. Resultatene var tilsvarende de fore-gående eksemplene, og metallet var lett å skrelle av slagg-beholderen, mens det satt fast til beholderen som ikke inneholdt aluminiumbor-slagg. Formbare ildfaste materialer slik som formstoffer og kompakte blandinger forbedres også i sin motstandsdyktighet mot aluminiumlegeriner med tilsetning av aluminiumbor-slagg. Formbare ildfaste materialer markedsføres i en på forhånd fuktet form som plater ved formstoffer og grannulert ved kompakte blandinger. Formbare ildfaste materialer installeres ved å deformere eller for-

tette det fuktige ildfaste materialet med rambukker for å forme en monolittisk ovnsforing som så tørkes og brennes på stedet. Formstoffer og kompakte blandinger avviker fra hverandre ved at formstoffer har mer tilsatt væske. En generell utforming i vektprosent for formbare ildfaste materialer med tilsetningsstoff som i denne oppfinnelsen er vist nedenfor.

Den totale mengde grus og finsand utgjør 50 til 90 % av blandingen, og leira tjener som både bindemiddel og plast-fikseringsmiddel. Det følgende er et eksempel på et slikt plastisk ildfast stoff ifølge oppfinnelsen:

Eksempel 4

50 vektprosent av kalsinert bauxitt gradert 6 mesh og finere ble blandet med 20 % fint aluminiumoksyd, 5 % plastisk leire, 5 % aluminiumfosfat bindemiddel, og 12 % aluminiumbor-slagg. Rundt 6 % vann ble tilsatt for å oppnå en plastisk konsistens. En andre, liknende plastisk blanding ble laget, men uten tilsetning av aluminiumbor-slagg. De to blandingene ble utformet i en beholder ved pressing, tørket ved 230°F, brent ved 1700°F, og testet for motstand mot smeltede aluminiumlegeringer som beskrevet i eksempel 1, bortsett fra at varigheten av testen ble ut-videt til 144 timer. Etter denne perioden ble beholderne delt og undersøkt visuelt. Prøven uten aluminiumbor-slagg hadde reagert i en dybde på rundt 1/16" i bunnen, og de 1/2" tykke sidene hadde reagert helt med aluminiumlegeringen. Prøven som inneholdt aluminiumbor-slagg viste ingen synlig reaksjon med aluminiumlegeringen.

Som tilfellet er med den støpbare versjonen av denne oppfinnelsen, kan andre grustyper brukes med den eneste betingelsen at de er forenlige med bindemiddel-systemet som brukes. Noen bindemidler med potensiell bruk i formbare materialer ville omfatte leirer, aluminiumfosfat, fosforsyre, og forskjellige bindemidler av silikat og alkalisilikat.

Som beskrevet tidligere, er det mulig for en syntetisert versjon av aluminiumbor-slagg å inneholde opp til 100 % aluminiumborat. Det følgende er to eksempler på ildfaste produkter produsert med bruk av en slikt syntetisert materiale.

Eksempel 5

8 0 vektprosent med fint hydrert aluminiumoksyd ble tørr-blandet med 20 vektprosent borsyre, og blandingen ble tørr-presset til små kuler. Kulene ble brent ved 2020°F i 10 timer, avkjølt, og malt til minus 70 mesh. Minaralogisk undersøkelse av det resulterende pulveret ved røntgen-stråle-diffraks jon viste at det var nesten fullstendig sammensatt av aluminiumborat (9A1203<*>2B203). En bauxitt-basert støpbar blanding ble laget og testet som i eksempel 1, men det ble brukt 10 vektprosent av det ovennevnte syntetiserte slagget i stedet for biproduktslagget. Den testede prøven oppviste den samme ikke-fuktingen og mangel på inntrenging eller reaksjon som beholderen med biproduktversjonen av slagget.

Eksempel 6.

En mengde av syntetisert aluminiumbor-slagg ble produsert som i eksempel 5. Et plastisk ildfast materiale ble produsert som i eksempel 2, men i stedet for det 10 % aluminiumbor-slagg biproduktet ble det tilsatt 10 % av det syntetiserte aluminiumbor-slagget som hadde blitt bestemt til å være stort sett 100 % aluminiumborat. Det ildfaste plastiske materialet, som var sammensatt av bauxitt-korn med ei støpeform av leire, fint aluminiumoksyd, aluminium-

fosfat bindemiddel, og syntetisert aluminiumborslagg, ble utformet til en prøvebeholder, herdet, brent ved 1700°F i 5 timer og testet for motstand mot 7075 aluminiumlegering i 144 timer som beskrevet i eksempel 2.

Visuell undersøkelse etter testperioden avslørte at denne prøven, som inneholdt 10 % syntetisert aluminiumbor-slagg (100 % aluminiumborat), var faktisk identisk med prøven i eksempel 2 som inneholdt 10 % biprodukt-slagg, dvs. prøven viste ingen tegn på reaksjon eller inntrenging av aluminiumlegeringen. Dette er i motsetning til den om-fattende inntrengingen og reaksjonen beskrevet i eksempel 2 når noen tilsetningsstoffer ble tilført til en ellers identisk utforming.

Det er tydelig ut fra de ovennevnte eksemplene at innblandingen av aluminiumbor-slagg i ildfaste materialer har den virkningen at den gjør prøvene motstandsdyktige mot reaksjon med smeltede aluminiumlegeringer under de beskrevne testforholdene.

Claims

1. Ildfast sammensetning motstandsdyktig mot angrep fra smeltede aluminiumlegeringer, karakter i s e r t ved at den omfatter: a) 45 til 90 vektprosent ildfaste partikler, b) 3 til 40 vektprosent ildfast bindemiddel, og c) et tilsetningsstoff som inneholder hovedsaklig krystallinsk 9A1203*2B203 slik at den ildfaste sammensetningen inneholder 1 til 12 % 9A12 03<*> 2B2 03 .

2. Ildfast sammensetning i samsvar med patentkrav 1, karakterisert ved at de ildfaste partik-lene utvelges fra gruppen bestående av krom-malm, bauxitt, lagdelt aluminiumoksyd, silisiumoksyd, spinell, magnesium-krom, aluminiumsilikat og ekspandert leire og skiferleire.

3. Ildfast sammensetning i samsvar med patentkrav 1, karakterisert ved at tilsetningsstoffet omfatter aluminiumbor-slagg.

4. Ildfast sammensetning i samsvar med patentkrav 3, karakterisert ved at aluminiumbor-slagget er syntetisk produsert.

5. Ildfast sammensetning i samsvar med patentkrav 3, karakterisert ved at aluminiumbor-slagget omfatter først og fremst alumin. iumoksyd med minst 4 % B2 03 -

6. Ildfast sammensetning i samsvar med patentkrav 3, karakterisert ved at de ildfaste partik-lene utvelges fra gruppen bestående av krom-malm, bauxitt, lagdelt aluminiumoksyd, silisiumoksyd, spinell, magnesium-krom, aluminiumsilikat, og ekspandert leire og skiferleire.