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Feuerfester Stein mit einem Gehalt an Stahl-
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oder Edelstahlfasern Die Erfindung betrifft einen feuerfesten Stein,
hergestellt aus üblichen feuerfesten Rohmaterialien unter Anwendung eines üblichen
Bindemittels und Formen zu einem Stein sowie gegebenenfalls Erhitzen und/oder Brennen
des Steins.
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Feuerfeste Steine werden aus feuerfesten Rohmaterialien, welche eine
geeignete Korngrößenverteilung besitzen, durch Formen und gegebenenfalls Brennen
hergestellt. Bei der Herstellung zahlreicher feuerfester Steine wird eine sogenannte
chemische Bindung angestrebt, d.h. dem Gemisch aus feuerfesten Rohmaterialien und
eventuellen weiteren üblichen Zusätzen wird beispielsweise Phosphorsäure oder ein
Phosphatbindemittel zugesetzt, wodurch sich bei der Anwendung des Steins oder beim
vorherigen Erhitzen (z.B. Tempern) des Steins eine chemische Bindung ergibt. Es
kann jedoch auch so vorgegangen werden, daß den feuerfesten Rohmaterialien ein temporäres
Bindemittel zugesetzt wird, beispielsweise eine Sulfitablauge und dann das Formen
der feuerfesten Steine aus dieser Mischung durchgeführt wird, wobei hier je nach
Verwendung eines speziellen Bindemittels noch ein Wasserzusatz erforderlich
sein
kann. Solche Steine, welche unter Verwendung eines sogenannten temporären Bindemittels
hergestellt wurden, können dann ebenfalls gebrannt werden, oder sie können als solche
an ihren Anwendungsort gebracht und dort eingesetzt werden, wobei dann die erste
Temperaturbehandlung beim ersten Gebrauch erfolgt. Eine vorherige Erhitzungsbehandlung
ist ebenfalls möglich, wobei hier - wie im Fall einer chemischen Bindung - die Erhitzungstemperatur
niedriger als die Brenntemperatur oder die Anwendungstemperatur liegen kann. Als
weitere Bindemittelkomponente kann bei tonerdereichen Steinen bzw. bei Bauxitsteinen
auch noch Bindeton, üblicherweise in einer Menge bis zu 20 Gew.-Teilen auf 100 Gew.-Teile
des feuerfesten Rohmaterials, verwendet werden.
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Ubliche feuerfeste Rohmaterialien für solche feuerfesten Steine sind
bei basischen Steinen Magnesiasinter und bei neutralen Steinen entweder calcinierter
Bauxit oder tonerdereiche Materialien wie Korund, weiterhin Schamotte oder Gemische
von verschiedenen feuerfesten Rohmaterialien.
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In neuerer Zeit wurde bei feuerfesten Massen und insbesondere Feuerbeton
vorgeschlagen, zur Erhöhung der mechanischen Festigkeit und zur Verbesserung der
Abplatzfestigkeit Stahlfasern oder Edelstahlfasern einzulagern, siehe Keramische
Zeitschrift, 31 (1979), S. 212 - 216. Die hierbei verwendeten Stahlfasern besaßen
eine Länge von 25 mm und einen Durchmesser von 0,4 mm.
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Ubliche Längen solcher Stahlfasern betragen von 5 bis 75 rmn, insbesondere
von 15 bis 40 mm und übliche Durchmesser liegen zwischen 0,13 mm und 1,5 mm, insbesondere
zwischen 0,2 mm und 0,6 mm. Die Stahlfasern können aus üblichen Stählen,
insbesondere
Kohlenstoffstählen oder auch aus Edelstählen bestehen, beispielsweise aus 10/8-,
18/8- oder 18/10-rostfreien Stählen.
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Wie sich aus der zuvor genannten Literaturstelle, welche die Eigenschaftsänderungen
von Feuerbeton durch solche Fasereinlagerungen betrifft, ergibt, zeigten die aus
solchen Feuerbetonen hergestellten Probekörper eine verstärkte Ausdehnung ab ca.
7500C und die Probekörper waren von Rissen durchzogen, die zum Teil aufklafften.
Dies ergab sich auch bei der Prüfung auf Heißbiegefestigkeit bei 8000C. Auch bei
Probekörpern mit Edelstahlfaser-Einlagerung wurden bei einer Brenntemperatur von
10000C Oberflächenrisse beobachtet.
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Hieraus ließe sich schließen, daß der Einsatz solcher Stahl-oder Edelstahlfasern
bei der Herstellung von feuerfesten Steinen keine besonderen Verbesserung ergeben
würde.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, feuerfeste Steine mit einem
Zusatz von Stahlfasern herzustellen, welche weniger starke Abplatzungen und geringere
Verschleißerscheinungen aufweisen, beispielsweise bei der Verwendung solcher feuerfesten
Steine in den Verschleißzonen von Drehrohröfen, insbesondere in Drehrohröfen in
der Zementindustrie.
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Überraschenderweise wurde nun gefunden, daß es durch eine Kombination
von zwei Maßnahmen möglich ist, auch Stahlfasern oder Edelstahlfasern in feuerfeste
Steine einzubauen und die gewünschten Verbesserungen der Eigenschaften hinsichtlich
Abplatzfestigkeit und Verschleißfestigkeit zu erzielen, ohne daß solche Steine zu
der Rißbildung neigen, wie sie in der zuvor genannten Literaturstelle, Keramische
Zeitschrift, angegeben ist.
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Diese beiden Maßnahmen sind einmal, daß bei der Herstellung des feuerfesten
Steins in das Rohmaterialgemisch nur bis zu 2,0 Gewichtsteile (Gew.-Teile) Stahl-
oder Edelstahlfasern auf 100 Gew.-Teile des feuerfesten Rohmaterials zugesetzt werden,
während diese Zusatzmenge gemäß Keramischer Zeitschrift 2 Vol.-Teile, d.h. wegen
des spezifischen Gewichtes der Stahlfasern von größenordnungsmäßig 7,0 bis 8,0 g/ml
etwa 4,5 Gew.-Teile betrug. Die zweite Maßnahme ist, daß die feuerfesten Rohmaterialien
eine maximale Korngröße von 2,0 mm besaßen, während gemäß Keramischer Zeitschrift
eine Körnung von bis zu 6 mm verwendet wurde.
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Durch die Kombination dieser beiden Maßnahmen ergab sich überraschenderweise
eine Rißfreiheit bei den erfindungsgemäßen, feuerfesten Steinen.
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Der erfindungsgemäße, feuerfeste Stein der zuvor genannten Art zeichnet
sich daher dadurch aus, daß a) bei seiner Herstellung in das Rohmaterialgemisch
bis zu 2,0 Gew.-Teile Stahl- oder Edelstahlfasern auf 100 Gew.-Teile des feuerfesten
Rohmaterials eingemischt worden sind, und b) die feuerfesten Rohmaterialien eine
maximale Korngröße von 2,0 mm besaßen.
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Gemäß bevorzugten Ausführungsformen zeichnen sich die feuerfesten
Steine dadurch aus, daß - die Stahl- oder Edelstahlfasern in einer Menge von 0,25
bis 1,5 Gew.-Teilen auf 100 Gew.-Teile des feuerfesten Rohmaterials, besonders bevorzugt
0,5 bis 1,0 Gew.-Teile ,zugemischt worden sind; - die maximale Korngröße des feuerfesten
Rohmaterials 1,0 mm betrug; - als feuerfestes Rohmaterial ein eisenreicher Magnesiasinter
verwendet worden ist;
- als feuerfestes Rohmaterial ein tonerdereiches
Material verwendet worden ist.
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Besonders bevorzugt werden solche Steine in einem Zementdrehrohrofen,
vornehmlich im Temperaturbereich der Übergangszone bei 1250 bis 800 C eingesetzt.
Hier treten die größten Verschleißerscheinungen durch Abplatzungen von 2 bis 5 cm
Stärke an der Arbeits- und Feuerseite der dortigen Steinpartien auf. Durch solche
Abplatzungen wird die verfügbare Betriebszeit der Drehrohrofenanlage sehr stark
herabgesetzt. Solche Abplatzungen treten besonders in großen Öfen mit wechselnden
Ansatz- und Flammbedingungen sowie starken Manteldeformationen auf. Bei Einsatz
der erfindungsgemäßen feuerfesten Steine ist eine bedeutende Verlängerung der Laufzeit
und damit auch eine Verbesserung der Betriebssicherheit eines solchen Drehrohrofens
gegeben.
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Die Steine können aber auch im Bereich des Auslauf 5 des Drehrohrofens
vorteilhaft eingesetzt werden, wo sie insbesondere durch Temperaturwechsel und Abrieb
beansprucht werden. Die Steine können ferner im Wärmetauscher von Zementdrehrohrofenanlagen
zur Verbesserung hinsichtlich der dort teilweise auftretenden Schäden durch Abplatzungen
bei Temperaturen im Bereich von 8000 C führen.
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Zwar sind stahlarmierte Steine bekannt, diese unterliegen jedoch schädlichen
Wärmespannungen, die insbesondere bei armierten dicken Rundeisen auftreten, während
bei den erfindungsgemäßen feuerfesten Steinen durch die Einlagerung der Stahl- oder
Edelstahlfasern keine solche nachhaltigen Schäden im Steingefüge auftreten.
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Die Erfindung wird anhand der folgenden Beispiele, welche Vergleichsversuche
einschließen, näher erläutert.
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Beispiel 1: Als feuerfestes Rohmaterial wurde ein eisenreicher Magnesiasinter
mit einem Eisenoxidgehalt von etwa 5 Gew.-% verwendet.
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Der gebrochene eisenreiche Sinter besaß die aus feiner und grober
Körnung zusammengesetzte und zum Erhalt dichter Formkörper übliche Korngrößenvrteilung,
wobei das Maximalkorn
8 mm betrug. Bei den einzelnen Versuchen wurde,
wie in der folgenden Tabelle I angegeben, das Maximalkorn auf den jeweils angegebenen
Wert durch Absieben abgetrennt. Dieses Magnesiarohmaterial wurde mit 2 Gew.-Teilen
fein zerteiltem Natriumpolyphosphat auf jeweils 100 Gew.-Teile des Rohmaterials
unter Zusatz von 2 bis 2,5 Gew.-Teilen Wasser gründlich vermischt.
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Gegebenenfalls wurden dann - wie aus der Tabelle I ebenfalls ersichtlich
ist - Edelstahlfasern (18/10) mit einer Länge von 25 mm und einem Durchmessern von
0,4 mm in einem Zwangsmischer (Werner & Pfleiderer) eingemischt. Nach einem
gründlichen Vermischen wurden aus den Ausgangsgemischen Steine mit den Abmessungen
von 150 x 100 x 65 mm bei einem Preßdruck von 100 N/mm2 gepreßt.Die Steine wurden
dann zur Herbeiführung der chemischen Bindung bei 2000C getrocknet und anschließend
4 Stunden bei 0 die 950 C gebrannt. Nach dem Brennen wurde auf die Bildung von Außenrissen
und Innenrissen an den Steinen untersucht. Die Ergebnisse sind ebenfalls in der
folgenden Tabelle I zusammengestellt. Der Stein mit 1 Gew.-Teil Edelstahifaser und
einem Maximalkorn von 1 mm wies selbst bei einem Brand von 4 h bei 0 1300 C keine
Risse auf.
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Tabelle 1 E = erf.gem. max. Korn- Edelstahl- Bildung Bildung V =
Vergleich größe des fasern von Außen- von Innen-Magnesia- (Gew.-Teile) rissen rissen
sinters (mm) V 8 1 stark stark V 6 1 stark stark V 3 2 stark stark V 1 3 stark stark
V 3 1 stark mittel V 3 0 keine keine E 1 1 keine keine E 1 2,0 gering keine E 2
1 gering keine
Hieraus ist ersichtlich, daß die Rißbildung bei
den erfindungsgemäßen Steinen durch Einhaltung der Kombination von maximaler Korngröße
des feuerfesten Rohmaterials und maximalem Anteil an Stahlfasern entweder ganz vermieden
oder wesentlich herabgesetzt werden kann. Gegenüber Vergleichssteinen, welche zwar
mit einer maximalen Korngröße von 3 mm, jedoch ohne Zusatz von Stahlfasern hergestellt
worden waren und ebenfalls keine Rißbildung aufweisen, besaßen die erfindungsgemäßen
Steine jedoch eine wesentlich verbesserte Abplatzfestigkeit.
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Beispiel 2: Bei der Herstellung dieser Steine wurde als feuerfestes
Rohmaterial ein Gemisch aus 90 % gebranntem Bauxit in feiner und grober Körnung
und zum Erhalt dichter Formkörper üblicher Korngrößenverteilung mit bis 4 mm Maximalkorn
und 10 % Bindeton verwendet. Als Bindemittel wurden auf 100 Gew.-Teile des feuerfesten
Rohmaterials 1,5 Gew.-Teile Sulfitablauge zugesetzt. Das Rohgemisch wurde wiederum
in einem Zwangsmischer vermischt, dann wurden, wie in der folgenden Tabelle II angegeben,
gegebenenfalls Edelstahlfasern, wie sie im Beispiel 1 verwendet wurden, zugemischt.
Durch Absieben war das Maximalkorn bei den erfindungsgemäßen Steinen auf die angegebenen
Werte begrenzt worden. Nach dem Mischen und Pressen von Steinen unter einem Druck
von 80 N/mm2 wurden die Steine nach einem vorhergehenden Trocknen bei 1200C während
6 Stunden bei 11700C gebrannt. Die hierbei erhaltenen Ergebnisse sind ebenfalls
in der Tabelle II zusammengestellt.
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T a b e 1 1 e II E = erf.gem. max.Korn- Edelstahl- Bildung Bildung
V = Vergleich größe des fasern von Außen- von Innengebrannten (Gew.-Teile) rissen
rissen Bauxits (mm) V 4,0 4,0 mittel mittel V 4,0 0 keine keine E 2,0 0,5 keine
keine E 1,0 2,0 keine keine Der Vergleichsstein mit 4,0 Gew.-Teilen Edelstahlfasern
als Zusatz und eine maximale Korngröße von 4,0 mm des gebrannten Bauxits zeigte
eine mittelstarke Rißbildung sowohl an der Außenseite wie auch im Inneren, während
ein Vergleichsstein mit einer maximalen Korngröße des gebrannten Bauxits von ebenfalls
4,0 mm, jedoch ohne Zusatz von Edelstahlfasern, keine Rißbildung aufwies. Gegenüber
den erfindungsgemäßen Steinen mit gebranntem Bauxit als feuerfestes Rohmaterial
wiesen diese Vergleichssteine jedoch eine nur geringe Abplatzfestigkeit auf.
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Beispiel 3: Als feuerfestes Rohmaterial wurde ein Gemisch aus 90 Gew.-Teilen
Korund, 5 Gew.-Teilen Bindeton, 5 Gew.-Teilen calcinierter Tonerde verwendet. Der
Korund besaß eine maximale Korngröße von 3 mm, für die erfindungsgemäß verwendeten
Mischungen wurde er auf maximale Korngröße von 1,0 bzw. 2,0 mm abgesiebt.
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Dieses feuerfeste Rohmaterial wurde mit 4 Gew.-Teilen 50 %iger Aluminiumphosphatlösung
versetzt, anschließend wurde,wie in der folgenden Tabelle III angegeben, gegebenenfalls
die in Beispiel 1 verwendeten Edelstahlfasern zugesetzt. Die Weiterverarbeitung
erfolgte unter den in Beispiel 1 angegebenen Bedingungen, d.h. es
wurde
die chemische Bindung durch Erhitzen auf 2000C herbeigeführt und anschließend wiederum
4 Stunden bei 9500C erhitzt. Die an den Steinen festgestellten Ergebnisse sind ebenfalls
in der Tabelle III zusammengestellt.
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T a b e 1 1 e III E = erf.gem. max. Korn- Edelstahl- Bildung Bildung
V = Vergleich größe des fasern von Außen- von Innen-Korund- (Gew.-Teile) rissen
rissen materials (mm) V 3,0 4,0 mittel mittel V 3,0 0 keine keine E 2,0 0,5 keine
keine E 1,0 1,5 keine keine Im Vergleich zu den Vergleichssteinen mit einer maximalen
Korngröße des Korundmaterials von 3,0 mm, welche keine Rißbildung aufwiesen, zeigten
die Vergleichssteine mit einer maximalen Korngröße des Korundmaterials von ebenfalls
3,0 mm, jedoch 4,0 mm Gew.-Teilen Edelstahlfaserzusatz, eine mittlere Rißbildung
sowohl an der Außenseite wie auch im Inneren. Demgegenüber zeigten die erfindungsgemäßen
Steine keinerlei Rißbildung, waren jedoch gegenüber dem Vergleichsstein ohne Zusatz
von Edelstahlfasern hinsichtlich ihrer Abplatzfestigkeit wesentlich besser.