DE3029788A1

DE3029788A1 - Verfahren zum verhindern eines thermischen abplatzens an einem keramischen gegenstand

Info

Publication number: DE3029788A1
Application number: DE19803029788
Authority: DE
Inventors: Makoto Iiyama; Yasujiro Koyama
Original assignee: Nippon Kokan Ltd
Current assignee: JFE Engineering Corp
Priority date: 1979-08-06
Filing date: 1980-08-06
Publication date: 1981-02-26
Also published as: DE3029788C2; US4334858A; FR2463107B1; JPS5919906B2; CA1150506A; JPS5626773A; FR2463107A1; GB2055789A; GB2055789B

Description

Nippon Kokan Kabushiki Kaisha 10 856

No. 1-2, 1-chome, Marunouchi,
Chiyudaku, Tokyo, Japan

Verfahren zum Verhindern eines thermischen Abplatzens an einem keramischen Gegenstand

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verhindern eines thermischen Abplatzens an einem hitzebeständigen Material.

Bekanntlich tritt an hitzebeständigen Ziegeln aus verschiedensten keramischen Materialien, die zum Einbau in Stahlöfen dienen, ein thermisches Abplatzen durch rasche Temperaturwechsel auf.

Zum thermischen Abplatzen ist folgendes zu sagen. Wenn das hitzebeständige Produkt der Temperaturdifferenz unterworfen wird, so wird eine freie Deformation an jedem der Teile, die das Produkt zusammensetzen, begrenzt, und zwar wegen der unterschiedlichen Materialien dieser Teile oder der unterschiedlichen Wärmedehnung, die von der Temperaturdifferenz hervorgerufen wird. Bei dem thermischen Abplatzen handelt es sich um ein Phänomen der Rißbildung oder des Zerspringens des Produktes, wenn nämlich die thermischen Span-

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nung durch die Behinderung der Verformung groß genug wird, um das Produkt zu zerstören.

Um dem thermischen Abplatzen Rechnung zu tragen, wurde eine Vielzahl von Gegenmaßnahmen vorgeschlagen, beispielsweise ein Verfahren zum Vermindern der Temperaturänderung, die dem Produkt erteilt wird, ein Verfahren zur Verwendung von Materialien mit hoher thermischer Schockfestigkeit oder ein Warmebehandlungsverfahren, bei dem das Produkt bei Erweichungstemperatur eine gleichmäßige Temperatur erhält, siehe auch verstärktes Glas, und bei dem die Oberfläche des Produktes stark abgekühlt wird, um eine Rest-Druckspannung in der Oberfläche zu erzeugen. Das erstgenannte Verfahren jedoch hat den Nachteil, daß es lange Betriebszeiten und Schwierigkeiten in der Temperatursteuerung mit sich bringt. Das zweite Verfahren ist unwirtschaftlich und kann Probleme im Zusammenhang mit anderen physikalischen Eigenschaften hervorrufen, was nicht immer von Nutzen ist. Das dritte Verfahren bringt Schwierigkeiten beim Hervorrufen der Restspannung in der sich von Glas unterscheidenden gesinterten Substanz mit sich. Außerdem ist die Verteilung der Restspannung derart, daß die Oberfläche unter Druck und das Innere unter entsprechendem Zug steht. Wenn es sich bei dem Produkt um eine dünne Platte handelt, so ist es widerstandsfähig gegen thermisches Abplatzen, wenn es jedoch in seiner Form von der Platte abweicht, so arbeitet es nicht zufriedenstellend.

Auf der Basis der obigen Überlegungen wurde die Erfindung entwickelt.

Der Erfindung liegt vor allen Dingen die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, welches die Abplatzfestigkeit des in den öfen zu verwendenden keramischen Produkts be-

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trächtlich verbessert. Ferner soll das Verfahren die Lebensdauer des keramischen Produktes verlängern, und zwar durch Verbesserung der Widerstandsfähigkeit gegen Abplatzen mit dem Ziel einer Stabilisierung während einer langen Einsatzzeit. Schließlich soll das erfindungsgemäße Verfahren das thermische Abplatzen verhindern, wobei es unter geringen Kosten auf eine Vielzahl hitzebeständiger Ziegel anwendbar sein soll.

Die Erfindung schafft ein Verfahren zum Verhindern eines thermischen Abplatzens an einem keramischen Gegenstand, welches dadurch gekennzeichnet ist, daß der keramische Gegenstand an seiner einen Seite derart erwärmt oder gekühlt wird, daß er einen Temperaturgradienten zum Bewirken eines Sinterns erhält, um im voraus in seinem Inneren Restspannungen hervorzurufen.

Weiter Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit der beiliegenden Zeichnung. Die Zeichnung zeigt in:

Figur 1· eine perspektivische Ansicht eines Schamotte-Ziegels, wie er erfindungsgemäß verwendbar ist;

Figur 2 die Temperaturverteilung innerhalb des Ziegels;

Figur 3 eine perspektivische Ansicht des Ziegels, wobei das Auftreten von Rissen dargestellt ist;

Figur 4 und 5 perspektivische Ansichten zur Erläuterung der Erfindung in Anwendung auf eine Düse für gescholzenen Stahl;

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Figur 6 eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Wärmebehandlung bei der Herstellung von Ziegeln;

Figur 7 die Temperaturverteilung innerhalb des Ziegels während des Kühlens gemäß Figur 6;

Figur 8 die Spannungsverteilung innerhalb des erfindungsgemäßen Ziegels;

Figur 9 eine vergleichende Aufstellung für das Auftreten von Rissen, und zwar bei einem erfindungsgemäßen Ziegel und bei Vergleichsbeispielen;

Figur 10 eine graphische Darstellung des Temperaturbereichs, innerhalb dessen die Erfindung bevorzugt einsetzbar ist.

Es wurden vielfältige Untersuchungen durchgeführt, um den Mechanismus beim Hervorrufen des thermischen Abplatzens an hitzebeständigem Material zu ergründen. Figur 1 zeigt die Form eines Schamotte-Ziegels, wie er zu experimentellen Zwecken verwendet wurde. Dabei betrugen die Abmaße H = 10 cm, W = l8 cm, L = 30 cm. Dieser Ziegel wird als Auskleidung für metallurgische öfen eingesetzt. Unter normalen Betriebsbedingungen werden die Ziegel auf der Seite A mit etwa 2° C/min erwärmt. Es wurde gefunden, daß dann, wenn diese Seite mit mehr als 5° C/min erwärmt wird, unabhängig von den Ofenbedingungen ein thermisches Abplatzen auftritt, wodurch der Betrieb des Ofens behindert wird. Bei der Seite B handelt es sich um die Kühlseite.

Das thermische Abplatzen resultiert daraus, daß die Zugspannung an der Stelle 1 in Figur 3 innerhalb des Ziegels groß wird, wenn die Temperaturverteilung innerhalb des Ziegels der Kurve b in Figur 2 folgt ( die Kurve b bezeichnet

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die Temperaturverteilung, die durch eine Temperatursteigerung von 5°C/min hervorgerufen wird). Es ergeben sich Risse 2 gemäß Figur 3. Wenn andererseits die Erwärmungsgeschwindigkeit gering ist, folgt die Temperaturverteilung der Kurve c in Figur 2. Vergleicht man die Verteilungskurve c mit der Kurve b, so ergibt die erstgenannte Kurve einen kleineren Temperaturgradienten und eine geringere thermische Spannung, woraus folgt, daß kein thermisches Abplatzen auftritt.

Es sei also darauf hingewiesen, daß das Auftreten des thermischen Abplatzens in wirksamer Weise dadurch verhindert werden kann, daß man vorher eine Druck-Restspannung innerhalb des Ziegels erzeugt und mit dieser Restspannung die Zugspannung ausgleicht, die sich während des Erwärmens ergibt.

BEISPIEL 1

Der Schamotte-Ziegel wurde vor seinem Einbau an seiner einen Seite mit so geringer Geschwindigkeit erwärmt, daß kein thermisches Abplatzen auftrat. Er wurde acht Stunden lang unter Bedingungen gehalten, bei denen die Maximaltemperatur an der erwärmten Seite 1200⁰C und an der gegenüberliegenden Seite 200⁰C betrug. Die Temperaturverteilung innerhalb des Ziegels änderte sich von der Kurve a zu c, zu d, zu e und zu f gemäß Figur 2. Die vergleichsweise große thermische Spannung tritt innerhalb des Ziegels auf, kurz . nachdem die Temperaturverteilung die Kurve f erreicht, nämlich die Kurve der konstanten Temperaturverteilung. Jedoch mäßigt sich die thermische Spannung bei fortschreitender Re-Sinterung.

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Erfindungsgemäß gilt: Je höher d'ie Temperatur auf der Heizseite A, desto kürzer die Haltezeit für die Wärmebehandlung, und umgekehrt. Die Erwärmungsgeschwindigkeit kann hierbei größer sein, wenn der Ziegel kleiner ist. Ist der Ziegel jedoch größer, so sollte die Erwärmungsgeschwindigkeit niedriger liegen, da sonst das Produkt leicht einem Abplatzen während des Erwärmens unterworfen wird.

Der Ziegel wurde mit solcher Geschwindigkeit gekühlt, daß kein Abplatzen auftrat. Erfindungsgemäß ist es vorteilhaft, die Kühlgeschwindigkeit des Ziegels annähernd gleich der Erwärmungsgeschwindigkeit zu wählen. Im Falle des Ausführungsbeispiels wurde der Ziegel mit 2°C/min gekühlt.

Wenn der Ziegel auf Raumtemperatur abgekühlt ist, wird die Deformation, die sich durch die Re-Sinterung ergibt, sofern der Ziegel den entsprechenden Temperaturgradienten erhält, als Ausgangsverformung gespeichert, und dementsprechend arbeitet die Restspannung innerhalb des Ziegels. Die Verteilung der Restspannung wirkt derart, daß die Spannung in jedem Teil des Ziegels nachläßt, wenn derselbe Temperaturgradient wie beim Re-Sintern vorgegeben wird. Dies bedeutet, daß die Rest-Druckspannung an der Stelle 1 in Figur 3 wirkt und ausgeglichen wird durch die Zugspannung, die bei Erhöhung der Temperatur auftritt. Selbst wenn also der Ziegel nach der Wärmebehandlung mit 5°C/min auf einer Seite erwärmt wird und die Temperaturverteilung entsprechend der Kurve b in Figur 2 erhält, so ist die Spannung innerhalb des Ziegels kleiner als diejenige innerhalb eines nicht wärmebehandelten Ziegels, und es tritt kein thermisches Abplatzen auf.

Diese Verhältnisse ergeben sich im einzelnen aus Figur 8.

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Wenn ein Riß auftritt, entspricht die Temperaturverteilung der Kurve b in Figur 2. Die entsprechende Spannung entlang der Mittellinie des Ziegels ist als Kurve k in Figur 8 wiedergegeben. Die Maximalspannung beträgt 130 kg/cm . Bei diesem Versuch wird angenommen, daß der Schamotte-Ziegel Risse bei

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mehr als 120 kg/cm aufweist. Das Auftreten der Risse kann bei einer Erwärmung von 5°C/min beobachtet werden.

Die Kurve 1 zeigt die auftretende Spannung unter der Annahme, daß bei dem Temperaturgradienten der Wärmebehandlung entsprechend der Kurve f in Figur 2 keine Re-Sinterung auftritt. Tatsächlich jedoch findet eine Re-Sinterung statt, und diese Spannung geht immer näher gegen NuIl₇Je länger die Wärmebehandlung dauert. Die Kurve m zeigt die Restspannung, die sich bei Raumtemperatur nach der Wärmebehandlung ergibt.

Die Kurve η stellt die im wärmebehandelten Ziegel bei einer Erwärmung von 5°C/min erzeugte Spannung dar, wobei die Temperaturverteilung der Kurve b in Figur 2 folgt. Diese Spannung ergibt sich aus einer Addition der Kurven k und m.

2 Die maximale Zugspannung beträgt 57 kg/cm , und es treten keine Risse auf, da dieser Wert sehr viel kleiner als 120 kg/cm ist.

Als der Ofen mit einer Auskleidung aus den wärmebehandelten Ziegeln versehen wurde, trat kein Abplatzen auf. Dies bestätigt, daß das erfindungsgemäße Verfahren wirksam ist.

Im Falle eines größeren Ziegels wurde die Wärmebehandlung mit 0,5°C/min durchgeführt, wobei sich der gleiche Effekt ergab.

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-10-BEISPIEL 2

Im Falle dieses Ausführungsbeispiels wurde die Erfindung angewendet auf eine Düse 3 für geschmolzenes Metall gemäß Figur 4. Bei einer solchen Düse treten häufig direkt nach der Inbetriebnahme Risse auf. Der Grund liegt darin, daß das hitzebeständige Material von dem durch die Düse fließenden Stahl rasch erwärmt wird. Die Kurve g in Figur 4 zeigt die Temperaturverteilung über der Düse für den Fall, daß ein Abplatzen auftritt.

Um dieses thermische Abplatzen zu verhindern, wurde der gebrannte Stein folgendermaßen behandelt. Es wurde ein Heizelement 4 gemäß Figur 5 in den Hohlraum der Düse 3 eingesetzt, woraufhin man die Düse an ihrer Innenseite 5 erwärmte und gleichzeitig an ihrer Außenseite 6 kühlte. Die Temperaturbedingungen wurden aufrechterhalten, wobei sich eine Temperaturverteilung ergab, die der Kurve h in Figur 4 entsprach. Es ist erforderlich, die Düse mit solcher Geschwindigkeit zu erwärmen, daß kein thermisches Abplatzen auftritt, und sie auf einer Temperatur zu halten, die hoch genug für die Re-Sinterung ist. Im vorliegenden Fall wurde der gebrannte Stein mit 1 bis 2°C/min auf 1200⁰C erwärmt und acht Stunden lang unter Bedingungen gehalten, bei denen die Heizseite auf 1200⁰C und die gegenüberliegende Seite auf 200⁰C lag. Es ist ferner erforderlich, das Kühlen mit solcher Geschwindigkeit durchzuführen, daß kein thermisches Abplatzen auftritt. Im vorliegenden Fall wurde mit einer Geschwindigkeit von 3°C/min gekühlt.

In der auf Raumtemperatur abgekühlten Düse wirkt die Restspannung derart, daß die in jedem Teil der Düse erzeugte Spannung klein wird, wenn der Temperaturgradient der Kurve h in Figur 4 entspricht. Wenn sich also eine Temperaturver-

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-lite Hung über der Düse entsprechend der Kurve g in Figur 4 ergibt, besitzt die wärmebehandelte Düse eine geringere Spannung als eine nicht wärmebehandelte Düse. Kein thermisches Abplatzen tritt auf.

BEISPIEL 3

Bei den Beispielen 1 und 2 wurden Fertigprodukte der Wärmebehandlung unterworfen. Im vorliegenden Fall wurde die gewünschte Restspannung im Zuge des Herstellungsverfahrens des Produktes erzeugt. Der Gegenstand und die Verwendungsbedingungen dieses Ausführungsbeispiels stimmen mit denen des Beispiels 1 überein. Bei der Herstellung des Ziegels wurde kalte Luft während einer Kühlstufe im Anschluß an eine Brennstufe unter ein Ofenbett 7 gemäß Figur 6 eingebracht. Die Temperatur des Ofenbettes 7 war niedriger als die der Atmosphäre innerhalb des Trockenofens. Die Wärme trat aus der Unterseite der Ziegel 8 aus, wobei die Temperatur auf der Oberseite höher als die auf der Unterseite war. In Figur 7 zeigt die Kurve i den Temperaturverlauf an der oberen Fläche und die Kurve j den Temperaturverlauf an der unteren Fläche.

Bei diesem Ausführungsbeispiel kann ein Brenner verwendet werden, um dem Ziegel den Temperaturgradienten zu erteilen.

Das Endprodukt besitzt eine Restspannung entsprechend der des wärmebehandelten Ziegels nach Beispiel 1, und man erhält dementsprechend eine gleichwertige Widerstandsfähigkeit gegen Abplatzen.

Wie es sich aus dem vorliegenden Beispiel ergibt, kann die

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erfindungsgemäße Wärmebehandlung auf eine Vielzahl von Ziegeln angewendet werden. Dieses Ausführungsbeispiel ist daher praxisgerechter im Vergleich zu den Beispielen I₃ 2 und dem (noch zu beschreibenden) Beispiel 4. Auch ist es kostengünstiger. Im vorliegenden Fall wurde der Ziegel an der Ober- und Unterseite markiert.

BEISPIEL 4

In diesem Falle wurde die erfindungsgemäße Wärmebehandlung ausgeführt, nachdem die Ziegel installiert waren. Die Schamotte-Ziegel wurden in einen experimentellen Elektroofen eingebaut, woran sich eine Erwärmung mit 5°C/min bis 1300⁰C anschloß. Die Temperatur wurde zwanzig Stunden lang gehalten, und es wurde dann 5°C/min gekühlt. Während der Haltezeit bei 1300⁰C ergab sich in den Ziegeln der Temperaturgradient entsprechend Beispiel 1, und es wurde die gleiche Restspannung erzielt. Dementsprechend kann die Erfindung also auch nach diesem Verfahren praktiziert werden.

Figur 9 zeigt einen Vergleich zwischen einem erfindungsgemäß wärmebehandelten Ziegel (Beispiel 1) und einem nicht behandelten Ziegel, und zwar unter dem Gesichtspunkt der Zeit bis zum Auftreten der Risse. Die Proben A bis C betreffen nicht behandelte Ziegel, während es sich bei den Proben D und E um behandelte Ziegel handelt. Aus diesem Vergleich ergibt sich, daß die Widerstandsfähigkeit gegen thermisches Abplatzen erfindungsgemäß wesentlich verbessert wird.

Bei der erfindungsgemäßen Wärmebehandlung ist es erforderlich, die Temperatur des gebrannten Steins auf einen höheren Wert zu bringen als denjenigen, bei dem eine Re-Sinterung

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auftritt und der im Falle von Schamotte-Ziegeln etwa 800°C beträgt. Der bevorzugte Temperaturbereich für Schamotte-Ziegel ergibt sich aus Figur 10.

Die vorliegende Erfindung ist nicht auf Schamotte-Ziegel eingeschränkt, sondern läßt sich auf sämtliche keramischen Produkte anwenden, bei denen die Gefahr eines thermischen Abplatzens besteht. In solchen Fällen hängt der Temperaturgradient ebenso wie weitere Parameter zur Erzielung der bevorzugten Restspannung von den Eigenschaften der zu verwendenden Materialien ab.

Zusammenfassend schafft die Erfindung ein Verfahren, bei dem ein keramisches Produkt an seiner einen Seite erwärmt oder gekühlt wird, um einen Temperaturgradienten hervorzurufen, der eine Sinterung bewirkt, um im voraus eine Restspannung innerhalb des Produktes zu erzeugen. Auf diese Weise wird ein thermisches Abplatzen verhindert, welches durch eine Temperaturdifferenz während der Verwendung des keramischen Produktes hervorgerufen werden könnte.

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Claims

Nippon Kokan Kabushiki Kaisha 10 856

No. 1-2, 1-chome, Marunouchi,
Chiyuda-ku, Tokyo, Japan

Patentansprüche

;1/ Verfahren zum Verhindern eines thermischen Ab-Platzens an einem keramischen Gegenstand, dadurch gekennzeichnet, daß der keramische Gegenstand an seiner einen Seite derart erwärmt oder gekühlt wird, daß er einen Temperaturgradienten zum Bewirken eines Sinterns erhält, um im voraus in seinem Inneren Restspannungen hervorzurufen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zylindrisch ausgebildete keramische Produkt an seiner Innenseite erwärmt und an seiner Außenseite gekühlt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die eine Seite des keramischen Produktes während der Herstellung in einer Kühlstufe, die sich an eine Brennstufe anschließt, gekühlt wird.

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4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das keramische Produkt während der Herstellung in einer Brennstufe mittels eines Brenners erwärmt wird, um durch Aufbringung eines Temperaturgradienten ein Sintern innerhalb des Produktes zu bewirken .
5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das keramische Produkt nach seiner Installation auf seiner einen Seite erwärmt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5₃ dadurch gekennzeichnet, daß Schamotte-Ziegel als keramisches Produkt verwendet werden.
7· Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das keramische Produkt mit einer Geschwindigkeit von 0,5° C/min bis 5° C/min erwärmt wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7j dadurch gekennzeichnet, daß das keramische Produkt mit einer Geschwindigkeit gekühlt wird, die in etwa der Erwärmungsgeschwindigkeit entspricht.

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