SE456011B - Eldfast komposition, som er bestendig mot angrepp av smelta aluminiumlegeringar - Google Patents

Description

456 011 - 2 niumlegeringar genom användning av tillsatsmaterial. Såsom exempel beskriver McDonald i US-patentet 2 997 402 framställ- ning av en glasartad fritta innehållande 15 till 80 % boroxid, S till S0 % kalciumoxid och 2 till 60 % aluminiumoxid samt framställning av en bränd formkropp genom blandning av den beskrivna frittan med ett aggregat eller ballastmaterial, pressning och bränning. Rubin et al. förbättrade enligt US- -patentet 3 471 306 denna metod genom användning av likartade haltområden av beståndsdelar men framställde den skyddande glasfrittan in situ genom att beståndsdelarna var i en aktiv' form. Både patentet av McDonald och av Rubin beskriver fram- ställning av tegel, som är bundna med ett glasartat material.

Följden av en kontinuerlig glasfas genom en eldfast produkt är försämrad eldfasthet och minskad värmechockbeständighet.

La Bar beskriver i US-patenten 4 088 502 och 4 158 568 använd- ningen av en zinkborosilikatfritta såsom ett tillsatsmedel i kalciumaluminatcementbunden kiseldioxid och aluminiumoxidbase- rade eldfasta material för att göra dessa beständiga mot angrepp av aluminiumlegering. Maczura et al. använder enligt US-patentet 4 246 035 samma tillsats, med den ytterligare tillsatsen av borsyra, i ett högrent bruksmaterial för åstad- kommande av beständighet. Användningen av zinkborosilikat- fritta är effektiv men kostnaden för kommersiellt tillgängliga material är en storleksordning högre än för tillsatsmedlet enligt föreliggande uppfinning och dess eldfasthet är lägre.

I US-patentet 4 126 474 beskrev Talley et al. användningen av BaSO4 såsom ett tillsatsmedel för att göra olika typer av eld- fasta material beständiga mot angrepp av smält aluminium. En potentiell olägenhet med användningen av detta tillsatsmate- rial är att eftersom de flesta bariumsalter är giftiga måste man vara omsorgsfull med att fastställa att betingelser icke föreligger, vid vilka det icke giftiga BaSO4 sönderdelas oohïï bildar lösliga bariumföreníngar eller, om sådana bildas, att det eldfasta materialet icke undergår farliga avfallsbort- skaffningsbehandlingar efter användning. . 456 011 3 Uppfinningen avser en eldfast komposition, som är beständig mot angrepp av smälta aluminiumlegeríngar och kännetecknas av att den innehåller: a) 45 till 90 viktprocent fasta partiklar, som är kombi- nerbara med det använda eldfasta bindemedlet, b) 3 till 40 viktprocent eldfast bindemedel valt från gruppen bestående av kalciumaluminatcement, aluminium- fosfat, fosforsyra, alkalisilikater och lera och c) ett tillsatsmedel bestående väsentligen av kristallint 9Al203.2B2O3, så att den eldfasta kompositionen inne- håller l till l2 viktprocent 9Al2O3.2B20 3.

Tillsatsmedlet är kristallint, ger icke bindning av det eld- fasta materialet och har därför icke de olägenheter, som man funnit vid förekomst av en kontinuerlig glasartad fas. "Alu- miniumborslagg" är en biprodukt vid framställningen av ferro- bor och kan användas såsom tillsatsmedel.

Ferrobor framställes genom aluminotermisk reduktion av järn- oxid och boroxid med aluminiummetall vid förhöjda temperatu- rer. Efter kylning innehåller den övre delen av massan, “alu- miniumborslagg" väsentligen alumíniumoxid, bor som har rea- gerat med denna och en viss mängd kvarvarande slaggmodifie- ringsmedel beroende på den speciella process som användes.

De oväntade icke-vätande egenskaperna hos detta material gentemot aluminiumlegeringar utnyttjas när det användes såsom tillsatsmedel. I frånvaro av en lämplig eller lättillgänglig källa är det möjligt att syntetiskt framställa detta slagg- material. En syntetisk aluminiumborslagg faller inom gränserna för denna uppfinning. Ett krav på sådan syntetisk slagg skulle vara att väsentliga mängder av aluminiumborat (9Al2O3.2B2O3) närvarar såsom aktiv beståndsdel.

Minerologin hos en typisk aluminiumborslagg som användes enligt föreliggande uppfinning visades genom röntgendiffrak- tionsundersökning utgöras övervägande av aluminiumborat ." 456 011 (9Al2O3.2B2O3) och korundum (AIZO3) med mindre mängder av kompletterande mineral, såsom kalciumfluorid (CaF2), kalcium- aluminiumborat (CaAl2B2O3) och spår av vissa kalciumaluminat- faser. Det har visat sig och visas senare i beskrivningen att den aktiva fasen är aluminiumborat och att den andra fasen kan variera ifråga om koncentration eller elimineras helt utan att påverka förmågan hos slaggen att skydda eldfasta material mot angrepp av smälta aluminiumlegeringar. Det är väsentligt att aluminiumboratet föreligger i kristallin form 9Al203.2B2O3, som är den mest eldfasta av de möjliga kombinationerna av Al2O3 och BZO3. BZO3-halten begränsas därför i förhållande till Al2O3-halten, så att ringa eller icke något överskott av B2O3 för kombinering till andra former av aluminiumborat före- finnes. Eftersom vidare aluminiumboratet föreligger i kris- tallin form jämfört med teknikens ståndpunkt, enligt vilken materialet är icke-kristallint, är det icke närvarande såsom en glasartad fas vid användningstemperaturen för eldfasta material avsedda för aluminiumkontakt, som skulle medföra för- sämrad eldfastbeständighet och minskad värmechockbeständighet.

En typisk kemisk sammansättning hos slaggen i viktprocent är följande: Al2O3 85,5 8203 6,0 SiO2 0,9 Ca0 3,1 MgO 0,6 KZO 0,4 Na2O l,l Pe203 0,9 CaF2 1,5 Sammansättningsområdet för slaggen kan variera. Borhalten (uttryckt såsom B2O3) bör vara över ca 4 %. Järn (uttryckt såsom Fe203) närvarar såsom en förorening men kan variera upp till ca 4 % med föga problem, under det att fluoriden, lika- 456 011 ledes en förorening'(uttryckt såsom CaF) bör hållas så låg som möjligt och icke över 2 % på grund av eventuella skadliga effekter på vissa bindefaser under härdningen. Alkali och ++, Mg++, Na+ och K+) är onödiga och alkaliska jordarter (Ca icke önskade beståndsdelar och bör hållas så låga som möjligt på grund av den negativa effekten på de eldfasta egenskaperna av tillsatsen. En syntetiserad borslagg kan anmändas och en sådan syntetiserad slagg kan innehålla upp till 100 % alumi- niumborat. Kornstorleksfördelningen för slaggen kan variera mellan vida gränser och fortfarande vara effektiv, exempelvis från ca 6 mesh till ca 320 mesh. Alla dessa uppgifter avser Tyler-siktstorlek. Ett mer tillfredsställande intervall är mellan 10 och 100 mesh och det föredragna området är mellan ca 30 mesh och 70 mesh.

En mångfald allmänt använda eldfasta blandningar kan göras beständiga mot smälta aluminiumlegeringar genom införlivande av en viss mängd aluminiumborslagg i dessa kompositioner.

Specifika exempel beskrives, vilka hänför sig till gjutbara och formbara (plastiskt och stampning) blandningar men det är givet att dessa endast utgör exempel.

En gjutbar eldfast blandning enligt föreliggande uppfinning kan föras i handeln antingen såsom ett gjutbart säckförpackat material, som är lämpat för anbringande på användningsstället och härdning, eller såsom.i förväg gjutna och härdade form- kroppar. Gjutbara kompositioner kan utnyttja eldfasta fyll- medel eller ballastmaterial, så att produkterna uppvisar låg vikt eller hög densitet efter önskan. En gjutbar komposition, uttryckt i viktprocent, är följande: 456 011 6 Intervall Föredraget Eldfasta fyllmedel (ballastmaterial) 45-85 65 Kalciumaluminatcement 10-40 25 Aluminiumborslagg eller 2-20 10 Aluminiumborat l-12 5 En stor mångfald eldfasta fyllmedel eller ballastmaterial kan användas enligt föreliggande uppfinning, såsom krommalm, bauxít, tabulär aluminiumoxid, kiseldioxid, spinell, magne- siumoxid-krom, mullit och andra aluminosilikater, expanderad lera och expanderad skiffer. Sålunda kan godtyckliga bal- lastmaterial eller fyllmedel som är kombinerbara med det valda bindemedelssystemet användas. Blandningar av fyllmedel eller ballastmaterial kan även användas, såsom mindre dyrbara reak- tiva fyllmedel eller ballastmaterial som användes såsom den grova fraktionen, varvid de mer dyrbara, mindre reaktiva fyll- medlen eller ballastmaterialen utgör grundmassan. Fibrösa material kan även införlivas i blandningen. Fyllmedlets eller ballastmaterialets kornstorlek är icke kritisk för förelig- gande uppfinning och är i allmänhet den som är känd inom industrin för beredning av gjutbara blandningar. Kornstorle- ken hos fyllmedlet eller ballastmaterialet kan varieras för åstadkommande av specifika fysikaliska egenskaper, såsom hög hållfasthet eller splittringsbeständighet. Följande är en typisk kornstorlek för fyllmedel eller ballastmaterial: Storleksomràde I Viktprocent -s,sa + 2,362 mm 26 -z,3sz + 0,833 mm 37 -o,s33 + 0,147 mm 25 -o,147 mm 13 Följande tvâ exempel åskådliggör effekten av aluminiumborslagg pâ aluminiumlegeringsbeständigheten hos gjutbara blandningar.

Exempel l 65 viktprocent kalcinerad bauxit med en kornstorlek av 3 mesh n/ 456 011 7 finare blandades med 25 % kalciumaluminatcement och 10 % alu- miniumborslagg. Till denna blandning sattes 7 % vatten och blandningen göts till tegelform med måtten 22,9 cm x 11,4 cm x 6,4 cm djup med ett hålrum med djupet 3,2 cm vid centrum. En andra bägare göts på samma sätt av en blandning likartad med den ovan angivna men med uteslutande av aluminiumborslaggen.

Båda proverna brändes till 927°C 5 timmar och provades beträf- fande metallbeständighet genom att man anbringade en legering 7075 (en standardlegering enligt "Aluminum Association Incorporated") i deras invändiga hâlrum och höll vid 8l5°C under en tidrymd av 72 timmar. Efter denna tidrymd sektione- rades bägarna och undersöktes visuellt. Det prov som innehöll aluminiumborslagg var fullständigt fritt från reaktion eller penetrering av aluminiumlegeringen och aluminiummetallen kunde lösgöras ren från dess yta. Provet utan aluminiumborslagg hade reagerat till ett djup av upp till 2,5 cm, så att det stelnade aluminiumet och slagg icke kunde avlägsnas från dess yta utan skada på det eldfasta materialet.

Exempel 2 En blandning bereddes av 60 viktprocent tabulära aluminium- oxidkorn med storleken 6,4 mm och finare, 25 % kalciumalumi- natcement och 15 % aluminiumborslagg. Ett andra prov bereddes på samma sätt som ovan men med uteslutande av aluminiumbor- slaggen. Båda proverna behandlades och provades såsom anges i exempel l. Provet utan aluminiumborslagg var penetrerat till ett djup av ca 1,6 mm och aluminiummetallen kunde icke avlägs- nas från dess yta utan skada på det eldfasta materialet. Pro- vet innehållande aluminiumborslagg föreföll opâverkat och alu- miniummetallen lösgjordes ren från dess yta utan skada.

Exempel 3 70 viktprocent krommalm graderad 4M och finare blandades med 20 % kalciumaluminatcement och 10 % aluminiumborslagg. En provbägare av denna blandning bereddes och provades såsom enligt exempel 1 tillsammans med ett andra prov utan slagg- 456 011 8 tillsatsen. Resultaten var likartade med de enligt föregående exempel och metallen lösgjordes lätt från den slagghaltiga kroppen, under det att den vidhäftade kraftigt till den kropp som icke innehöll aluminiumborslagg.

Formbara eller gjutbara eldfasta material, såsom plastiska~ blandningar och stampblandningar, förbättras även beträffande dessas beständighet mot aluminiumlegeringar genom tillsatsen av aluminiumborslagg till dessa kompositioner. Form- eller gjutbara eldfasta material föres i handeln i en förfuktad form såsom platta stycken ifråga om plastiska material och granule- rade ifråga om stampblandningar. Form- eller gjutbara eld- fasta material installeras genom deformering eller konsolide-_ ring av det fuktiga eldfasta materialet med stamporgan till bildning av en monolitisk ugnsinfodring, som därefter torkas och brännes på plats. Plastiska blandningar och instampnings- blandningar skiljer sig från varandra genom att plastíska blandningar innehåller större mängd tillsatt vätska. En all- män sammansättning i viktprocent för gjut- eller formbara eld- fasta material med tillsatsmedlet enligt uppfinningen är följande: Intervall Föredraget Fyllmedel och ballastmateríal 30-70 55 Finkornig grundmassa 20-40 30 Lera 2 2-20 Bindemedel 3-8 Aluminiumborslagg 5-20 12 Vatten (såsom erfordras för önskad konsistens) Den totala mängden av fyllmedel och ballastmaterial plus fin- kornig grundmassa utgör 50 till 90 % av blandningen och leran verkar såsom bindemedel liksom plastifieringsmedel. I det följande anges ett exempel på ett sådant plastiskt eldfast material enligt uppfinningen: g.) , - 456 011 Exempel 4 50 viktprocent kalcinerad bauxit med kornstorleken 6 mesh och finare blandades med 20 % fin aluminiumoxid, 5 % plastisk lera. 5 % aluminíumfosfatbindemedel och 12 % aluminiumbor- slagg. Ca 6 % vatten tillsattes för åstadkommande av plastisk konsistens. En andra likartad plastisk blandning bereddes men utan tillsatsen av aluminiumborslagg. De två blandningarna formades till bägarform genom pressning, torkades vid ll0°C, brändes vid 927°C och provades beträffande beständighet mot I smält aluminiumlegering såsom beskrives i exempel 1 med undan- tag av att provningens varaktighet utsträcktes till 144 tim- mar. Efter denna tidrymd sektionerades bägarna och undersök-' tes visuellt. Provet utan aluminiumoxidborslagg visade sig ha reagerat till ett djup av ca 1,6 mm vid dess botten och dess 12,7 mm tjocka sidor hade reagerat fullständigt med aluminium- legeringen. Provet innehållande aluminiumborslagg uppvisade icke någon synbar reaktion med aluminiumlegeringen.

Såsom är fallet med den gjutbara utföringsformen av uppfin- ningen kan andra fyllmedel eller ballastmaterial användas med det enda förbehållet att de är kombinerbara med det använda bindemedelssystemet. Vissa bindemedel med potentiell använd- ning i formbara eller gjutbara material kan innefatta leror, aluminiumfosfat, fosforsyra och olika silikat samt alkalisili- katbindemedel.

Såsom beskrivits tidigare är det möjligt att använda en synte- tiserad utföringsform av aluminiumborslagg innehållande upp till 100 % aluminiumborat. I det följande anges två exempel på eldfasta produkter framställda med användning av ett-sådant syntetiserat material.

Exempel 5 80 viktprocent av fin hydratiserad aluminiumoxid torrblandades med 20 viktprocent borsyra och blandningen torrpressades till pelletar. Pelletarna brändes vid lll5°C 10 timmar, kyldes och 456 1011 10 maldes till minus 70'mesh. Mineralogisk undersökning av det erhållna pulvret med röntgendiffraktion visade att det var sammansatt i det närmaste fullständigt av aluminiumborat (9Al2O3.2B203). En bauxitbaserad gjutbar blandning bereddes och provades såsom enligt exempel l men med användning av 10 viktprocent av den ovan angivna syntetiserade slaggen i stäl- let för biproduktslaggen. Det provade provet uppvisade samma icke-vätning och frånvaro av penetrering eller reaktion som den bägare, som innehöll biproduktversionen av slaggen.

Exempel 6 En kvantitet syntetiserad aluminiumborslagg framställdes såsom enligt exempel 5 ovan. Ett plastiskt eldfast material fram- ställdes såsom enligt exempel 2 men i stället för 10 % alumi- niumborslaggbiprodukt tillsattes 10 % av den syntetiserade aluminiumborslaggen, som hade visats vara i det närmaste 100 % aluminiumborat. Det plastiska eldfasta materialet, som var uppbyggt av bauxitkorn med en grundmassa av lera, fin alumi- niumoxid, aluminiumfosfatbindemedel och syntetiserad alumi- niumborslagg, formades till en provbägare, härdades, brändes till 927°C 5 timmar och provades beträffande beständighet mot aluminiumlegering 7075 under 144 timmar såsom beskrives i exempel 2. I Visuell undersökning efter_provningsperioden visade att detta prov innehållande l0 % syntetiserad aluminiumborslagg (100 % aluminiumborat) var synbart identiskt med provet enligt exem- pel 2 innehållande 10 % biproduktslagg, dvs. provet uppvisade inget tecken på reaktion eller penetrering av aluminiumlege- ringen. Detta står i kontrast mot kraftig penetrering och reaktion som beskrives i exempel 2, när ingen tillsats till- sattes till en i övrigt identisk komposition.

Det är uppenbart av ovanstående exempel att införlivandet av aluminiumborslagg i eldfasta kompositioner gör proverna beständiga mot reaktion med smälta aluminiumlegeringar under de beskrivna provningsbetingelserna.

Claims (5)

H 456 011 PATENTKRAV

1. l. Eldfast komposition, som är beständig mot angrepp av smälta aluminiumlegeringar, k ä n n e t e c k n a d därav, att den innehåller: a) 45 till 90 viktprocent eldfasta partiklar, som är kombinerbara med det använda eldfasta binde- medlet, b) 3 till 40 viktprocent eldfast bindemedel valt från gruppen bestående av kalciumaluminatcement, aluminiumfosfat, fosforsyra, alkalisilikater och lera och c) ett tillsatsmedel bestående väsentligen av kris- tallint 9Al 0 .2B O så att den eldfasta kompo- 2 3 2 3' sitionen innehåller l till 12 viktprocent 9Al2O3.2B2O3.

2. Eldfast komposition enligt patentkrav l, k ä n n e - t e c k n a d därav, att de eldfasta partiklarna väljes från gruppen bestående av krommalm, bauxit, tabulär aluminiumoxid, kiseldioxid, spinell, krom-magnesiumoxid, mullit, och expande- rad lera och skiffer.

3. Eldfast komposition enligt patentkrav l eller 2, k ä n n e t e c k n a d därav, att tillsatsen innefattar alu- miniumborslagg. '

4. Eldfast komposition enligt patentkrav 3, k ä n n e - t e c k n a d därav, att aluminiumborslaggen är framställd syntetiskt.

5. Eldfast komposition enligt patentkrav 3 eller 4, k ä n n e t e c k n a d därav, att aluminiumborslaggen inne- fattar primärt aluminiumoxid med minst ca 4 % BZO3.