DE1300054B

DE1300054B - Einstampfgemisch fuer Aluminium-Induktionsoefen

Info

Publication number: DE1300054B
Application number: DEH47686A
Authority: DE
Inventors: Dolph James L; Renkey Albert L
Original assignee: Harbison Walker Refractories Co
Current assignee: Harbison Walker Refractories Co
Priority date: 1962-02-21
Filing date: 1962-12-13
Publication date: 1969-07-24
Also published as: US3154624A; CH473069A; GB985502A

Description

Die Erfindung betrifft ein Einstarnpfgemisch für Aluminium-Induktionsöfen, bestehend aus einem feuerfesten Aggregat und feinverteiltem Calciumaluminat.
Die Induktionsöfen weisen üblicherweise eine Primär- oder Ofenspule und eine Sekundärspule auf, die ein Bad des geschmolzenen Metalls darstellt. Auf die Primärspule wird ein hochfrequenter Wechselstrom beaufschlagt und hierdurch in der Sekundärspule ein Strom induziert. Dieser induzierte Strom führt zu einem schnellen Erhitzen des Metalls auf Grund dessen Widerstandes, wodurch sich ein Erschmelzen der Beschickung ergibt.
In einem derartigen Induktionsofen sind die Primär- oder Induktionsspulen von dem geschmolzenen Metallbad durch eine relativ dünne (gewöhnlich 2,5 bis 6,7 cm) und natürlich undurchlässige Schicht des feuerfesten Materials getrennt. Das ausgewählte feuerfeste Material widersteht zweckmäßigerweise der Korrosion und dem Eindringen des flüssigen oder geschmolzenen Aluminiums über längere Zeitspannen hinaus, da das Eindringen des geschmolzenen Aluminiums und das Inberührungkommen mit den Primär- oder Induktionsspulen zu einem Kurzschluß und Arbeitsunterbrechung der Anordnung führt.
Herkömmliche feuerfeste Materialien sind in vorgeformten Formen erhältlich, die vermittels Mörtel unter Ausbilden einer Ofenauskleidung vermauert werden. Derartige feuerfeste Materialien liegen ebenfalls in Form nicht verfestigter Materialien vor, die mit Wasser angemacht und in eine geeignete Form eingestampft oder geschossen werden können, um so einen monolithischen Aufbau zu erzielen. Bei der Anwendung vorgeformter Formen der feuerfesten Materialien in Aluminium-Induktionsöfen ist nicht nur der Kostenfaktor der notwendigen Vielzahl unterschiedlicher Formen der feuerfesten Materialien eine Unwirtschaftlichkeit, sondern die Verbindungsstellen zwischen den einzelnen Formstellen bedingen Gebiete, die gegenüber dem Eindringen des Metalls empfindlicher sind, wodurch die Möglichkeit eines Kurzschlusses der Induktionsspulen erhöht wird. Somit sind Einstampfgemische, die an Ort und Stelle unter Ausbilden einer einheitlichen und wesentlich , festeren, dimensionsstabilen feuerfesten Masse eingestampft werden können und die keinerlei schwache Stellen aufweisen, in Aluminium-Induktionsöfen bevorzugt.
Es sind verschiedene bekannte feuerfeste Materialien für die Erstellung von Einstampfgemischen für Induktionsöfen angewandt worden, die, obgleich dieselben in verschiedener Hinsicht zufriedenstellend sind, sich nicht vollständig als geeignet bei geschmolzenem Aluminium erwiesen haben, das ja ein außerordentlich starkes Reduktionsmittel darstellt.
Es ist bereits ein Zementprodukt bekanntgeworden (deutsche Auslegeschrift 1010 902), das überwiegend aus Calciummetaluminat besteht. Es handelt sich hierbei um feuerfeste Massen, insbesondere um ungebrannte feuerfeste Massen, die unter Zusatz von Wasser durch Gießen oder Pressen verformbar sind, bei denen es wesentlich ist, daß sie aus einem feuerfesten Grundmaterial, und zwar vorzugsweise 80 bis 95 Gewichtsprozent und einem ungeschmolzenen Calciummetaluminatzement, vorzugsweise in einer Menge von 5 bis 20 Gewichtsprozent ungeschmolzenen Calciummetaluminatzements, besteht. Es sind weiterhin feuerfeste Stampfmassen bekanntgeworden (deutsche Patentschrift 937 878), die eingestampft und gebrannt Temperaturen bis zu 1650° C bei hoher Volumenbeständigkeit im gesamten Temperaturbereich betragen, wobei hier wesentlich ist, daß derartige Massen aus 70 bis 85 Gewichtsprozent eines feuerfesten Gemenges aus Aluminiumoxyd und Siliciumdioxyd, zu 3 bis 15% aus gemahlenem Rohzyanit und bis zu 15 bis 30% aus einem Bindemittel bestehen, dessen Hauptbestandteil ein pulverisiertes Gemenge aus Rohton und hydraulischem, im wesentlichen zu eisen- und siliciumdioxydfreiem Calciumaluminat ist.
Feuerfeste Einstampfmassen der angegebenen Art sind jedoch, wie die Erfindung gezeigt hat, für Aluminium-Induktionsöfen nicht zweckmäßig. Es wurde nämlich gefunden, daß Massen der angegebenen Zusammensetzung zu relativ kurzen Lebensdauern führen und deren Anwendung in Aluminium-Induktionsöfen deswegen bedenklich ist, weil schon nach relativ kurzer Zeit ein Eindringen des Metalls in die feuerfeste Masse und somit eine Zerstörung derselben sowie Kurzschluß der Induktionsöfen resultiert.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, die mit dem Stand der Technik verbundenen Nachteile auszuräumen und insbesondere ein Einstampfgemisch für Aluminium-Induktionsöfen zu schaffen, das zu einer wesentlich verbesserten Lebensdauer der feuerfesten Auskleidung führt. Dies wird in erfindungsgemäßer Weise dadurch erreicht, daß in dem Caleiumaluminat ein Gemisch mehrerer Calciumaluminatphasen vorliegt, die praktisch frei von Eisenoxyd sind und wenigstens etwa 75 % Calciumaluminatverbindungen enthalten, sowie kein ungebundenes Calciumoxyd vorliegt, sich die Teilchengröße des feuerfesten Aggregats auf einen Korngrößenbereich entsprechend einer lichten Maschenweite von etwa 4,76 bis 1,68 mm beläuft.
Es erweist sich weiterhin als zweckmäßig, daß das feuerfeste Aggregat calciniertes Aluminiumoxyd ist oder das feuerfeste Aggregat Chromerz ist.
Eine weitere vorteilhafte Ausbildung besteht darin, daß sich das Einstampfgemisch zu etwa 90 bis 600/0 aus feuerfestem Aggregat und zu etwa 10 bis 40% aus Calciumaluminat zusammensetzt, das Calciumaluminat mit einer Teilchengröße von kleiner als einer lichten Maschenweite von etwa 0,15 mm entsprechend vorliegt.
Die erzielte Verbe-*jerung der Lebensdauer einschlägiger Auskleidungen beläuft sich gegenüber dem Stand der Technik auf etwa 25%.
Die Erfindung wird im folgenden beispielsweise an Hand von Ausführungsbeispielen erläutert.

Bei den folgenden Ausführungsbeispielen wird als feuerfestes Aggregat ein Gemisch aus Chromerz oder calciniertem Aluminiumoxyd angewandt. Eine typische Analyse des calcinierten Aluminiumoxyds, Chromerzes und des Calciumaluminat-Komplexes zeigt die folgenden Werte (auf der Grundlage der Oxyde):

Calciniertes Calcium-

Aluminium- Chromerz aluminat

Oxyd

A1203.......... 99,4 5,5 50,8

Si02 ........... 0,3 29,2 5,8

Calciniertes Calcium-

Aluminium- Chromerz aluminat

oxyd

°/o °/o °%

Cr203.......... - 32,1 -

Mg0 .......... - 18,8 1,4

Fe203 .......... 0,2 12,6 (Fe0) 1,3

Verlust ........ - 1,0 -

Freies Calcium-

oxyd (Ca0)

Gebundenes

Calciumoxyd 0,6 39,8

Alkalien ....... 0,1 - 0,2

Die ausgewählten feuerfesten Aggregate, wie das oben angegebene calcinierte Aluminiumoxyd oder Chromerz werden sorgfältig vorbereitet und dem CaA103 Komplex vermischt, wobei man ein Produkt erhält, das die folgende Siebanalyse zeigt.

4-I-1,65 mm lichte Maschenweite ....... 25% 1,65-I-0,60 mm lichte Maschenweite .... 22% 0,60-f-0,21 mm lichte Maschenweite .... 15% 0,21 mm lichte Maschenweite .......... 38% In diesem Gemisch ist praktisch der gesamte Calciumaluminat-Komplex auf eine lichte Maschenweite von kleiner als 0,148 mm zerkleinert.
In dem Laboratorium wird einem Aggregat-Calciumaluminat-Komplex in Form eines trockenen Gemisches ausreichend Wasser zugesetzt, um die gewünschte Einstampfkonsistenz zu erzielen, sodann gründlich in einem Prüfsatz vermischt, sowie in Prüfstücke mit Abmessungen von 23 X 11,5 X 6,4 cm verformt. Die Prüfstücke wurden eingestampft und sodann an der Luft 16 Stunden lang bei einer Temperatur von 110° C getrocknet.
Die beiden Untersuchungen angewandte Aluminiumlegierung 7075 enthält 5,5% Zink, 2,5% Magnesium und 1,5% Kupfer. Die Prüfstücke mit Abmessungen von 5 X 5 X 6,4 cm wurden von den Prüfstücken mit Abmessungen von 23 X 11,5 X 6,4 cm abgeschnitten und zur Hälfte der Seitenlänge von 6,4 cm eingetaucht, um so Ergebnisse bezüglich des relativen Eindringens des Metalls zu erzielen. Nach dem Entfernen aus dem Bad wurden die Prüfstücke längsseitig halbiert. Vermittels eines derartigen Tests wird der Angriff an der Metallinie nachgeahmt, wo die Zerstörung des feuerfesten Materials am ausgeprägtesten ist.
In der folgenden Tabelle ist die relative Zusammensetzung von fünf Gemischen und die Ergebnisse der entsprechenden Versuche aufgezeigt.

Auf dem Gebiet der feuerfesten Massen wird der erfindungsgemäß Anwendung findende Calciumaluminat-Komplex gelegentlich »Calciumalumninat« genannt, jedoch ist diese Bezeichnung von chemischem Standpunkt aus ungenau. Das Phasendiagramm dieser industriell zugänglichen Materialien zeigt, daß dieselben aus 75 bis 80% aus verschiedenen strukturellen Formen und Kombinationen des Calciums, Aluminiums und Sauerstoffs bestehen, wobei der restliche Anteil von 25 oder 20% aus verschiedenen CaA102 Si-Kombinationen und Unterkombinationen, geringfügigen Anteilen an Schwermetallen, Siliciumdioxyd, geringfügigen Anteilen an Eisenoxyden und Spurenverunreinigungen besteht. Obgleich erfindungsgemäß ein derartig relativ billiges und industriell zugängliches Material angewandt wird, kann auch praktisch reines (99% und mehr Reinheitsgrad) »Calciumaluminat« und weitere Materialien mit mittleren Reinheitsgraden, d. h. Reinheitsgraden von 75 bis 99% und mehr angewandt werden. Der im folgenden angewandte Ausdruck »Calciumaluminat« wird lediglich aus Gründen der Einfachheit herangezogen. Dieser Ausdruck bezieht sich im folgenden auf die weiter oben angegebene chemische Analyse auf der Grundlage der Oxyde.
Bei der Untersuchung des vermittels des Gemisches 1 erhaltenen Körpers war das Aluminiummetall fest an der Oberfläche des Prüfkörpers gebunden, und es wurde festgestellt, daß das Metall in das feuerfeste Material in einer Tiefe von 9,5 mm eingedrungen war und sich mit demselben umgesetzt hatte. Bei dem Gemisch 2 wurden 10 Gewichtsprozent Calciumaluminat gegen den plastischen Ton des Gemisches 1 ausgetauscht. Der erhaltene Körper wird einem ähnlichen Test unterworfen, wobei das Aluminiummetall teilweise an der Oberfläche des Prüfstücks festhaftete und nur eine spurenweise Umsetzung zwischen dem Metall und dem feuerfesten Material eintrat. Bei den Prüfstücken aus den Gemischen 3, 4 und 5 wurde beobachtet, daß das Aluminiununetall in Form eines Oberflächenüberzuges vorlag, jedoch leicht hiervon abgeschält werden konnte. Die dabei freigelegte Oberfläche des feuerfesten Materials war praktisch nicht korrodiert und zeigte keinerlei Umsetzung mit dem geschmolzenen Metall.
Diese Prüfergebnisse erläutern die Eigenschaft des Calciumaluminats als ein Mittel, das das geschmolzene Aluminium abstößt. Weiterhin wirkt das Calciumaluminat als ein Plastifizierungsmittel in dem Gemisch und führt die Feinkomponenten zu, die für ein bestes Verdichten notwendig sind.
Es ergibt sich somit, daß die Anwendung von 10 bis 40 Gewichtsprozent Calciumaluminat, wobei der restliche Anteil ein feuerfestes Aggregat ist, zu der notwendigen Dichte, dimensionalen Stabilität und Widerstandsfähigkeit gegenüber einem Angriff durch das geschmolzene Aluminium führt. Das Gemisch 3 ist ein Beispiel der bevorzugten Zusammensetzung, bestehend aus 20 % Calciumaluminat (mit einem Reinheitsgrad von 75 bis 80%) und 80% Aggregatgemisch, das wirtschaftlich zu der günstigsten Kombination der angestrebten Eigenschaften führt. Falls dies angezeigt ist, können geringe Mengen an Plastifizierungsmittel, wie Feuerton und chemische Regulatoren, zugesetzt werden. In einigen Fällen kann es zweckmäßig sein, ein zusätzliches weiteres Aggregatmaterial, wie Magnesit, Zirkon, Olivin, calciniertem Bauxit u. dgl., anzuwenden.

In der Tabelle II stellt natürliches Chromerz das ; feuerfeste Aggregat dar, das mit Caleiumaluminat ähnlich demjenigen, das für die Gemische nach Tabelle I angewandt wird, in dem weiter oben angegebenen abgestuften Größenbereich Anwendung findet.

Tabelle II

Gemisch-Nr.

6 7

Zusammensetzung:

Philippin-Chromerz ........ 801/o 70%

Calciumaluminat ........... 20 30

Wasser, zugegeben ......... 7 7

Dichte (g/cms)

getrocknet bei 110° C ...... 2,95 2,79

gebrannt bei 820° C ........ 2,84 2,64

Die aus den Gemischen 6 und 7 hergestellten Prüfstücke zeigten nach der Entfernung aus dem geschmolzenen Aluminiumbad einen Metallüberzug. Der Metallüberzug läßt sich leicht von der Oberfläche der Prüfstücke abschälen, und nach dem Zerschneiden wird kein Eindringen oder Umsetzen mit dem Aluminiummetall festgestellt.

Die Anwendung von mehr als etwa 40 % Calciumaluminat führt zu einem Gemisch, das eine Schrumpfung und Rißbildung bei den Arbeitstemperaturen zeigt, die in Aluminium-Induktionsöfen vorliegen. Das Schrumpfen und die Rißbildung des feuerfesten Materials können jedoch nicht geduldet werden, da hierdurch geschmolzenes Metall zu den Spulen vordringen kann und zu einem Kurzschluß des Ofens führt. Die erfindungsgemäßen Gemische 2 bis 7 sind auf ihre dimensionale Stabilität bei einer Temperatur von 820° C untersucht worden, wobei sich das lineare Schrumpfen als vernachlässigbar ergeben hat.
Das in den erfindungsgemäßen Einstampfgemischen angewandte Caleiumaluminat kann von verschiedenen industriellen Quellen bezogen werden. Das Calciumaluminat läßt sich als das mehr oder minder nutzlose Nebenprodukt verschiedener industrieller Verfahren erhalten, wie z. B. bei der Herstellung von Phosphat-Düngemitteln aus Apatit. Man muß jedoch sorgfältig dahingehend arbeiten, daß geachtet wird, welche industriellen Nebenprodukte angewandt werden, da das Calciumaluminat praktisch kein freies oder nicht umgesetztes Calciumoxyd enthalten darf. Jede merkliche Verunreinigung durch freies Calciumoxyd führt zu einer durch die Hydratisierung bedingten Ausdehnung des Gemisches bei Inberührungbringen mit Wasser, das zum Anmachen des Gemisches auf eine Einstampfkonsistenz angewandt wird. Das in Anwendung kommende Calciumaluminat wird ebenfalls praktisch frei von Eisen oder Eisenoxyd gehalten, das dazu neigt von dem geschmolzenen Aluminium angegriffen zu werden.
Wie weiter oben angegeben, ist das Calciumaluminat fein verteilt und weist vorzugsweise eine lichte Maschenweite von weniger als etwa 0,148 mm auf, es können jedoch auch geringere Mengen mit größerer Teilchengröße angewandt werden, wobei jedoch die Wirksamkeit der Calciumaluminatzugabe verringert wird. Einige im Handel befindliche hydraulische Zemente mit den obigen Eigenschaften und entsprechender analytischer Zusammensetzung können angewandt werden. In jedem Fall jedoch sollte das ausgewählte Calciumaluminat weniger als etwa 25 Gewichtsprozent Verunreinigungen zusätzlich zu den anderen oben angegebenen notwendigen Komponenten enthalten. Je höher der Reinheitsgrad und je größer die Konzentration an dem angegebenen Calciumaluminat-Komplex, um so besser ist natürlich das erhaltene feuerfeste Produkt.
Bei dem eigentlichen Aufbau des Aluminium-Induktionsofens mit dem erfindungsgemäßen Gemisch wurde ein Aluminiumoxyd-Aggregat angewandt, das mit Wasser und Calciumaluminat in einem bestimmten Korngrößenbereich und Anteilen vermischt wurde, wie es weiter oben beschrieben ist. Das Material wurde sodann in eine Form eingestampft und etwa 30 Stunden lang an der Luft getrocknet. Es wurden feuchte Säcke um das eingestampfte Gemisch herum angeordnet, um so ein einheitliches Abbinden zu bedingen. Sodann wurde der Ofen allmählich unter stündlicher Temperaturerhöhung von etwa 40 auf 760° C gebracht, um so ein langsames Trocknen und Entwicklung der Temperungsflüssigkeit zu bedingen. In einigen Fällen ist es zweckmäßig, die Temperaturanstiege so einzuregeln, daß sich dieselben über 40 Stunden erstrecken, so daß ein langsames Entwickeln der Feuchtigkeit bedingt und ein Ausbrennen der Induktionsspulen verhindert wird.
Es sind verschiedene industrielle Anordnungen nach der Erfindung in Aluminium-Induktionsöfen über längere Zeitspannen hin betrieben worden, wodurch sich eine um 10 bis 20 % gegenüber den zuvor bekannten Auskleidungen verbesserte Lebensdauer ergab. In einigen Fällen stellte die erfindungsgemäße feuerfeste Auskleidung die erste Auskleidung dar, mit der ein zufriedenstellender Betrieb erreicht werden konnte.

Claims

Patentansprüche: 1. Einstampfgemisch für Aluminium-Induktionsöfen, bestehend aus einem feuerfesten Aggregat und feinverteiltem Calciumaluminat, d adurch gekennzeichnet, daß in dem Calciumaluminat ein Gemisch mehrerer Calciumaluminatphasen vorliegt, die praktisch frei von Eisenoxyd sind und wenigstens 75% Calciumaluminatverbindungen enthalten, sowie kein ungebundenes Calciumoxyd vorliegt und die Teilchengröße des feuerfesten Aggregats auf einen Komgrößenbereich entsprechend einer lichten Maschenweite von etwa 4,76 bis 1,68 mm beläuft.
2. Einstampfgemisch nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das feuerfeste Aggregat calciniertes Aluminiumoxyd ist.
3. Einstampfgemisch nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das feuerfeste Aggregat Chromerz ist.
4. Einstampfgemisch nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich dasselbe zu 90 bis 60% aus feuerfestem Aggregat und zu 10 bis 40% aus Calciumaluminat zusamensetzt, das Calciumaluminat mit einer Teilchengröße von kleiner als einer lichten Maschenweite von 0,15 mm entsprechend vorliegt.