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DE3215993A1 - Basisches feuerfest-zementmaterial und dessen komponenten - Google Patents

Basisches feuerfest-zementmaterial und dessen komponenten

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DE3215993A1
DE3215993A1 DE19823215993 DE3215993A DE3215993A1 DE 3215993 A1 DE3215993 A1 DE 3215993A1 DE 19823215993 DE19823215993 DE 19823215993 DE 3215993 A DE3215993 A DE 3215993A DE 3215993 A1 DE3215993 A1 DE 3215993A1
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magnesia
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DE19823215993
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Martin Copperthwaite
Michael Anthony Sheffield Roberts
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USS Engineers and Consultants Inc
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Publication date
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Description

Basisches Feuerfest-Zementraaterial und dessen Komponenten
Die vorliegende Erfindung betrifft ein basisches zementartiges Feuerfest-Material sowie dessen Komponenten.
Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf ein Verfahren zum Herstellen derartiger zementartiger Komponenten, welche durch geschmolzene Metalle, wie schmelzflüssigen Stahl, chemisch angegriffen, verschlissen sowie erudiert werden.
Feuerfest-Komponenten von:Ventilen sowie feuerfeste Ausflußdüsen für verschiedene Zwecke im Bereich der Metallurgie sind herkömmlicherweise durch Verpresse.n und Brennen bei hohen Temperaturen hergestellt worden. Kostspielige, hochreine Materialien, wie Zirkonerde sowie 85 bis 95 % Al2O^ enthaltende Feuerfest-Werkstoffe sind wegen der extrem schweren Einsatzbedingungen, welchen diese Komponenten unterworfen werden, als unverzichtbar angesehen worden. Der Energiebedarf zum Herstellen der Komponenten durch Pressen und Brennen ist beträchtlich, da die Brenntempera-
türen üblicherweise oberhalb von 15000C liegen und diese hohen Temperaturen während des gesamten Brennvorganges aufrechterhalten werden müssen. Der Energiebedarf achlägt deutlich auf die Kosten der aus diesen gebrannten Feuerfest-Werkstoffen hergestellten Komponenten durch.
Trotz der Verwenci-ng von stark gebrannten Feuerfest-Materialien in der Metallurgie erfordern Erzeugnisse, wie Ventilplatten, üblicherweise ein häufiges Erneuern unter großen Kosten.
In jüngerer Zeit sind chemisch gebundene Betonwerkstoffe J5 vorgeschlagen worden, beispielsweise für Ventilschieber. Wie auch gebrannte Feuerfest-Platten, sind chemisch gebundene Betonplatten nicht imstande, wiederholten thermischen Schocks zu widerstehen. Folglich wird angenommen, daß ihre Verwendung in Absperreinrichtungen (Ventilen) für das Abgießen von Blöcken durch störende Arbeitsunterbrechungen zum Zwecke ihrer Auswechselung beeinträchtigt wird.
Es ist nun gefunden worden, daß gewisse hydraulisch gebundene basische zementartige Werkstoffe überraschenderweise über die Fähigkeit verfügen, gegenüber thermischen Schockbeanspruchungen äußerst gut beständig zu sein, weshalb die Herstellung von Komponenten aus diesen Werkstoffen von besonderem Interesse ist.
Erfindungsgemäß'wird eine Zusammensetzung für hydraulische Feuerfest-Zemente vorgeschlagen, mit deren Hilfe gegenüber Metallschmelzen beständige gegossene feuerfeste Teile hergestellt werden können, wobei diese Zusammensetzung eine Mischung aus drei Komponenten umfaßt, nämlich aus gebrannter oder gesinterter Magnesia, Tonerde sowie hochtonerdehaltigem Hyhraulikzement mit wenigstens 45 % Al2O,,, wobei die Magnesia in einer Menge von wenigstens 60 Gew.-0^1 bezogen auf das Gesamtgewicht der drei Komponenten, vor-
liegt und die Tonerdekomponente in einer Menge von wenigstens 1 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der drei Komponenten,
vorliegt.
5
Die Erfindung umfaßt auch gegossene Feuerfest-Erzeugnisse, die aus der Zusammensetzung bestehen, sowie ein Verfahren zum Herstellen derartiger gegossener Feuerfest-Erzeugnisse.
Zusammensetzungen nach der Erfindung enthalten im wesentlichen drei Komponenten, nämlich Magnsesia (MgO), Tonerde (AIpO^) sowie Hydraulikzement auf Aluminiumbasis. Gegebenenfalls können kleinere Anteile weiterer Komponenten zu be-
1(_ stimmten Zwecken zugefügt werden, wie Weichmacher, Benetzungsmittel (Oberflächenmittel) und kohlenstoffhaltige Materialien, wie Teer oder Pech. Die letzteren werden üblicherweise in Ventilplatten und -düsen verwendet, um das Ausbilden von Schlackenansätzen an diesen Bauteilen
2Q zu verhindern.
Die ersten beiden Komponenten bestehen vorzugsweise aus hochreinen Materialien im Interesse bester Ergebnisse. Folglich sollte die Magnesia-Komponente einen MgO-Gehalt von wenigstens 24 Gew.-% aufweisen und sollte die Tonerde-Komponente einen AlpO-s-Gehalt von wenigstens 98 Gew^-% aufweisen. Die Tonerde-Komponente kann gesintert, gebrannt und vorzugsweise calciniert sein.
Die Zement-Komponente kann grundsätzlich aus jedem hochtonerdehaltigen Zement (ΑΙρΟ,,-Gehalt größer als 45 Gew.-% des Zementes) bestehen. Vorzugsweise hat die Zement-Komponente auf Aluminiumbasis einen AlpO^-Gehalt von nicht weniger als 75 Gew.-% der Zemen1>Komponente.
Die Magnesia-Komponente kann in einer Menge von 60 bis 95 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der drei Komponenten, vorliegen. Auf der gleichen Prozentsatzbasis ist die Tonerde-
Komponente in einer Menge von wenigstens 1 % vorhanden, wie von 1 bis 36 %, wobei die Zement-Komponente im Bereich von 4 bis 15 % vorhanden ist.
Bevorzugte Gehaltsbereiche sind 70 bis 86 % Magnesia, bis 11 % Tonerde und 9 bis 12 % Zement.
Die Zusammensetzung sollte aus fraktionierten Pulvermischungen hergestellt werden. So sollte die Zement-Komponente vorzugsweise eine Teilchengröße von maximal 75 um aufweisen. Dabei sind einige größere Zementteilchen tolerierbar, aber vorzugsweise sollten wenigstens 90 % des Zementes eine Teilchengröße von 75 μπι oder weniger besitzen. Die Zusammensetzungen werden vorzugsweise aus den in der folgenden Tafel zusammengestellten Daten ausgewählt werden.
Material Teilchengröße bevorzugt Prozentbereich bevorzugt
insgesamt —3mm + 1mm
-1mm + 0,3mm		 insgesamt 20-30
20-30
Magnesia
(gesintert
oder ge
brannt)
Magnesia
(gesintert
oder ge
brannt)		 -5mm + 1mm
-1mm + 0,3mm		 <0,3mm 20-40
15-35		 30-40
Magnesia
(gesintert
oder ge
brannt)		 <0,3mm <0,3mm 25-40 0-5
Tonerde
(gesintert
oder
calciniert		 <0,3mm 0-20
Aluminium < 45um 5-10
(calciniert,
gebrannt
oder ge
sintert, je
doch vor
zugsweise
calciniert)		 <45um wenigstens
90%
<75 um		 1-20 9-12
Hydrau
lischer
Zement mit
mehr als
7,5% Al2O3 		wenigstens
90%
<*75 um		 4-15
Die Zusammensetzungen werden mit soviel Wasser versetzt, wie zum Erzielen einer gut verarbeitbaren Mischung erforderlich ist. Eine solche Mischung kann beispielsweise 7 % Wasser, bezogen auf das Gewicht der Mischung, enthalten. Die Mischung bindet bei Raumtemperatur selbsttätig ab. Die Zufuhr von Wärme ist nicht erforderlich, wenngleich ein mäßiges Erwär—>n zum Zwecke der Beschleunigung des
Abbindens (Aushärtens) der gegossenen Erzeugnisse zu-10
lässig sein kann. Ohne Wärmezufuhr kann jedoch das Aushärten bis zu einem die Entnahme aus der Form gestattenden Zustand innerhalb von circa 1 Stunde erreicht werden. Somit kann eine hohe Produktivität erreicht werden.
Die erfindungsgenü-.jaen hydraulisch gebundenen Zubereitungen (Zusammensetzungen) weisen bedeutsame Vorteile gegenüber chemisch gebundenen Systemen auf. Ein stets mit chemisch gebundenen Systemen vergesellschaftetes Problem besteht darin, daß dann, wenn sie im Vorgang des Wärme-Abbindens und Trocknens sind, das Bindemittel dazu neigt, in freiliegende Oberflächen einzutreten. Eine solche Bindemittelwanderung und die daraus folgende Ungleichförmigkeit bzw. Inhomogenität der gegossenen Erzeugnisse tritt bei den Zubereitungen nach der Erfindung nicht auf. Außerdem tritt eine Verfestigung (rigid set), so daß die Handhabe der gegossenen Erzeugnisse frei ist von der Gefahr Schäden durch innere Spannungen herbeizuführen. Es ist bei chemisch gebundenen Gußerzeugnissen keinesfalls unmöglich, diese 3Q während der Handhabe nachteilig zu beeinträchtigen.
Die erfindungsgemäßen Zubereitungen zeigen überraschend ausgezeichnete Beständigkeiten gegenüber thermischen Wechselbeanspruchungen (thermal shock). Sie erscheinen deshalb als besonders geeignet zur Verwendung für Teile von Schiebeventilen bzw. Ventilschiebern und dazugehörige Ausflußdüsen, wie diese zum Unterbrechen des Gußstrahls schmelzflüssiger Metalle verwendet werden.
Eine üblicherweise durchgeführte Prüfung der Beständigkeit gegen Thermoschock ist der sogenannte Torch-Test, der von der Forschungsabteilung der United States Steel Corporation entwickelt wurde. Bei dieser Prüfung wir.d eine Sauerstoff-Propan-Brennerflamrae langsam quer über einen Probekörper aus dem zu untersuchenden Feuerfest-Material geführt und zwar mit einer Geschwindigkeit von 1,7 ram/sek.,wobei der Brenner von der Oberfläche des Prüfkörpers 6, U mm entfernt gehalten wird.
Auf herkömmliche Weise gepresste und gebrannte Ventilplatten aus Magnesia sind üblicherweise nicht imstande, lediglich einem Durchgang der Sauerstoff-Propan-Flamme ohne signifikante Schäden sowohl an der Oberfläche als auch im Inneren zu überstehen. Bekannte chemisch gebundene Magnesia-Ventilplatten überstehen diesen Versuch besser, aber die Versuchsergebnisse zeigten doch mäßige Beeinträchtigung nach einem Durchgang der Brennerflamme.
Demgegenüber erwiesen sich aus den erfindungsgemäßen Zusammensetzungen hergestellte Ventilplatten als widerstandsfähig gegenüber wiederholten Durchgängen (der Brennerflamme) wie beispielsweise gegenüber zwölf Durchgängen, ohne signifikante Oberflächenverschlechteruhg. Dieses unterstreicht die Fähigkeit der erfindungsgemäßen Zusammensetzungen, mit den Temperaturänderungen fertig zu werden, welche während des wiederholten Schließens und öffnens eines Ventils bei der Ventilbetätigung auftreten, wodurch eine deutliche Verbesserung im Vergleich zu gebrannten oder chemisch gebundenen Platten unter Beweis gestellt ist.
3^ Wie vorstehend erwähnt, können die Zusammensetzungen nach der Erfindung zum Herstellen von gegossenen Ventilplatten für Schieberventile sowie ferner als Düsen, wie für Kollektoren und Gießrohrverlängerungen, verwendet werden.
Auch Gießpfannenrohre und Ausgabedüsen können aus diesen Zusammensetzungen hergestellt werden. Weitere geeignete · Verwendungszwecke liegen auf der Hand.
Erzeugnisse, die aus den Zusammensetzungen nach der Erfindung gegossen sind, werden üblicherweise im hydraulisch abgebundenen Zustc~d gehandelt. Niohtsdestotrotz kann es gegebenenfalls angestrebt sein, diese gegossenen Erzeugnisse in einem vorgebrannten Zustand zu handeln, um sie erst während ihrer Verwendung zu brennen. Ein Vorbrennen kann beispielsweise für Erzeugnisse sinnvoll sein, wie auswechselbare Hülsen oder Auskleidungen mit Beständigkeit gegen Verschleiß und Erosion für Austragsdüsen.
Beispiel
20
Diese Zusammensetzung hat die folgenden Eigenschaften. Die angegebenen Prozentsätze beziehen sich auf das Gewicht, bezogen auf das Gesamtgewicht der Magnesia-, Tonerde- und Zement-Komponenten.
Magnesia, Teilchengröße -3 bis +1mm 26 %
Magnesia, Teilchengröße -1 bis +0,3mm 25 %
Magnesia, Teilchengröße nicht mehr als 0,3mm 34 % Calcinierte Tonerde, Teilchengröße nicht
mehr als 75 um 6 %
Hochtonerdereiche Zement 9 %.
Der Zement besaß einen AlpO^-Gehalt von mehr als 75 Gew.-%, bezogen auf den Zement, wobei wenigstens 90 Gew.-% des Zementes eine Teilchengröße von weniger als 75 um aufwiesen. Die Magnesia-Komponente besaß einen MgO-Gehalt von 94 Gew.-1} und die Tonerde-Komponente besaß einen Al2O_-Gehalt von
98 Gew.-%. Die Zubereitung ergab eine gut verarbeitbare und hinreichend fließfähige Masse zum Vergießen nach Zusatz von Wasser in einer Menge von bis zu 7 % des Gewichtes Das Füllen der Formen kann durch Vibrationen unterstützt werden, wie beispielsweise mit Hilfe einer Vibrationsfrequenz von 3000 Hz.
Die vibrations-vergossenen Zement-Probekörper, die wie vorstehend erläutert hergestellt worden waren, wiesen nach dem Härten und Trocknen die folgenden Eigenschaften bei den angegebenen Temperaturen auf.
Eigenschaft Brenntemperatur 0C 110 1000 1500 1700
2,83 2,78 . 2,85
Raumdichte
(g/cm3)		 16,0 19,3 17,0
Scheinbare
Porosität (%)		 +0,01 -1,2U -3,UU
Bleibende
lineare Ab
messungsände
rung vom
Trocknen zum
Brennen (%)		 48,3 50,8 85,2
Kaltbruch
festigkeit
(MPa)		 bestanden bestanden
Flammen
prüfung
1 Durchgang		 bestanden bestanden
Flammen-
prüfung 12
Durchgänge
Die vorstehenden Eigenschaften sind äußerst günstig zum Herstellen von gegossenen Schieberventil-Bauelementen, die, gegebenenfalls in anschließend gebranntem Zustand geliefert werden können.

Claims (1)

  1. PATENTANSPRÜCHE
    Hydraulische Feuerfest-Zement-Zusammensetzung zum Herstellen von gegenüber Metallschmelzen beständigen gegossenen Feuerfest-Erzeugnissen, gekennzeichnet durch eine Mischung aus drei Komponenten, nämlich gebrannter oder gesinterter Magnesia, Tonerde und hochtonerdereichem hydraulischem Zement mit wenigstens 45 % AIpOo, wobei die Magnesia in einer Menge von wenigstens 60 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der drei Komponenten, vorliegt und die Tonerde-Komponente in einer Menge von wenigstens 1 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der drei Komponenten, vorliegt.
    2. Zusammensetzung n?>ih Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet , daß die Magnesia-Komponente in einer Menge von 60 bis 95 % vorliegt und die Zement-Komponente in einer Menge von 4 bis 15 % in der Mischung
    vorliegt.
    g 3· Zusammensetzung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Magnesia-Komponente einen MgO-Gehalt von wenigstens 94 Gew.-% der Magnesia-Komponente aufweist.
    JO ^- Zusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß die Tonerde-Komponente einen AlpO^-Gehalt von wenigstens 98 Gew.-% der Tonerde-Komponente aufweist.
    5. Zusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß 20 bis 40 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der drei Komponenten, aus Magnesia mit einer Teilchengröße im Bereich von -5mm bis -1mm bestehen, wobei 15 bis 35 Gew.-% aus Magnesia mit einer Teilchengröße im Bereich von -1mm bis +0,3mm und 25 bis 40 % aus Magnesia mit einer Teilchengröße von maximal 0,3mm bestehen.
    6. Zusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet , daß 0 bis 20
    Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der drei Komponenten, aus Tonerde mit einer Teilchengröße von maximal 0,3mm bestehen und daß 1 bis 20 % aus Tonerde mit einer Teilchengröße von maximal 45um besteht.
    30
    7. Zusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch, auf der Grundlage von Gewichtsprozenten, bezogen auf das Gesamtgewicht der drei Komponenten, einen Gehalt an 26 % Magnesia mit einer
    Teilchengröße im Bereich von -3 bis +1mm, 25 % Magnesia
    mit einer Teilchengröße im Bereich von -1 bis +0,3mm und
    34 % Magnesia mit einer Teilchengröße von nicht weniger als
    0,3mm; 6 % calcinierter Tonerde mit einer Teilchengröße
    von nicht weniger als 45 μπι und 9 % hydraulischen Tonerdezement, von welchem 90 % eine Teilchengröße von nicht
    weniger als 75 um aufweisen.
    5
    8. Gegossenes Feuerfest-Erzeugnis, hergestellt aus der Zusammensetzung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Kaltbruchfestigkeit nach Erwärmung auf Temperaturen von 110, 1000 sowie 15000C von 84,3 bzw. 50,8 bzw. 85,2 MPa und durch eine Raumdichte nach Erwärmung auf die genannten Temperaturen von 2,83 bzw. 2,78 bzw. 2,85 g/cm3.
    , c 9- Verfahren zum Herstellen eines Feuerfest-Erzeugnisses, welches dem Angriff durch schmelzflüssiges Metall ausgesetzt werden soll, dadurch gekennzeichnet , daß das Erzeugnis durch Vibrationsgießen in einer Form aus hydraulischem Zement (Beton) hergestellt wird, welcher
    2Q durch Zusatz von Wasser zu der in einem der Ansprüche 1 bis beanspruchten Zusammensetzung hergestellt wurde und daß das Erzeugnis gehärtet und getrocknet wird.
DE19823215993 1981-04-29 1982-04-29 Basisches feuerfest-zementmaterial und dessen komponenten Ceased DE3215993A1 (de)

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