DE3618610A1 - Verfahren zur verguetung hochtemperaturbestaendiger formkoerper aus amorphem, gesintertem siliziumdioxyd - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäss dem Oberbe­ griff von Anspruch 1.

Es ist bekannt, hochtemperaturbeständige Formkörper aus amorphem Siliziumdioxyd bei verschiedenen technologischen Anwendungsgebieten einzusetzen, insbesondere bei metallur­ gischen Verfahren, die bei Temperaturen bis ca. 1700 Grad C arbeiten.

Amorphes Siliziumdioxyd kann dabei unter verschiedenen physikalischen Formen eingesetzt werden. Wenn sehr gute physikalische, chemische und mechanische etc. Eigen­ schaften verlangt werden, so können solche Formkörper aus Quarzglas hergestellt werden. Quarzglaskörper sind jedoch vom Material als auch von der Herstellung her kostspielig und damit für viele Einsatzgebiete, obwohl technisch gut geeignet, aus wirtschaftlichen Gründen nicht vertretbar.

Als Quarzgut werden aus geschmolzenem, reinem Quarzitsand hergestellte Formkörper bezeichnet. Das Schmelzen des Quar­ zitsandes erfolgt in der Regel in rotierenden Formen, bei­ spielsweise durch elektrische Lichtbögen. Dieses Verfahren liefert rotationssymmetrische Formkörper mit sehr gleich­ mässigen, dichten, milchglasähnlichen Wänden. Durch das Schmelzen während der Formgebung wird der kristalline Quar­ zit in amorph erstarrte Kieselsäure überführt. Die physika­ lischen und mechanischen Eigenschaften sind dem Quarzglas sehr ähnlich. Der Giessprozess in rotierende Formen ist ebenfalls kostspielig und die Herstellung nicht rotations­ symmetrischer Formstücke durch Zusammenschweissen ist auf­ wendig.

Mittels Giess- oder Pressverfahren können Formkörper auch aus amorphem Siliziumdioxyd hergestellt werden, im nach­ folgenden Siliziumdioxyd-Keramik genannt. Beim Schlicker- Giessverfahren wird beispielsweise Siliziumdioxyd-Mehl mit feiner Körnung mit Wasser vermischt, bis ein giessfähiger Brei entsteht. Diese giessfähige Masse wird in eine Form gegossen, die der Aussen- und/oder Innengeometrie des Formkörpers entspricht. Das entformte Teil wird anschlies­ send getrocknet und bei ca. 1000 Grad C gesintert, wobei der Formkörper schrumpft. Eine solche amorphe Silizium­ dioxyd-Keramik hat dann üblicherweise eine Porosität von 12%-15%. Formkörper nach diesem Verfahren kosten nur einen Bruchteil gegenüber solchen aus Quarzglas oder Quarz­ gut. Neben guten thermischen und teilweise auch chemischen Eigenschaften sind aber die mechanischen Eigenschaften schlecht; wegen der geringen Festigkeit ist das Material für viele Anwendungsbereiche ungeeignet. Im weiteren sind Körper aus Siliziumdioxyd-Keramik nicht lichtdurchlässig für Beobachtungs- und Messzwecke und im weiteren auch nicht vakuumdicht.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Ma­ terial zu finden, das die guten Eigenschaften von Quarz­ glas aufweist, aber sowohl in der Einzel- als auch Serien­ herstellung um ein Mehrfaches biliger beschafft werden kann.

Nach der Erfindung wird diese Aufgabe durch die Verfah­ rensmerkmale von Anspruch 1 gelöst.

Formkörper nach dem erfindungsgemässen Verfahren stellen eine optimale Kombination der Eigenschaften von Quarzglas bzw. Quarzgut, aber auch von Siliziumdioxyd-Keramik dar, weil nach Wahl nur diejenigen Stellen und Teile des Körpers durch Verglasung vergütet werden können, die von der Beanspruchung oder Zweckbestimmung her eine solche Vergütung erfordern. Daraus resultieren günstige Material­ und Herstellungskosten. Neben vielen Einsatzmöglichkeiten solcher erfindungsgemäss hergestellter Körper haben sie sich insbesondere als Eingiess- und Metallverteilsysteme beim kontinuierlichen Giessen von dünnen und dünnsten Bändern auf eine gekühlte Giesstrommel, wie beispielsweise mikrokristalline oder amorphe Bänder, bewährt. Im weiteren können bei rohrförmigen Körpern zum Schutze von fliessen­ dem Giessmetall gegen Oxydation etc. durch örtliche Ver­ glasungen licht- und infrarotdurchlässige Fenster für optische Messungen, wie Temperatur, Schlackenfluss etc., geschaffen werden.

Die Verglasungsdicke an ausgewählten Stellen kann in weiten Grenzen frei gewählt werden. Aus technischen und wirtschaftlichen Gründen wird empfohlen, an den ausge­ wählten Stellen eine Oberflächenschicht des Körpers von 1/10 bis 5 mm Dicke zu verglasen.

Neben der wesentlichen Verbesserung der mechanischen Ei­ genschaften an hochbeanspruchten Teilen können auch die optischen Eigenschaften verbessert werden. Insbesondere wenn optische Messgeräte zur Messung von Giessparametern eingesetzt werden, kann nach einer zusätzlichen Ausfüh­ rungsform an der ausgewählten Stelle die ganze Wandstärke zur Bildung eines Fensters verglast werden. Gemäss einer andern Ausführungsform kann eine Randzone einer Fenster­ öffung im Formkörper verglast und in die Fensteröffung ein Quarzglasfenster eingeschweisst werden. Durch den vergla­ sten Fensterbereich kann ein hinter dem Fenster liegendes Medium optisch beobachtet und/oder seine Temperatur ge­ messen werden. Es ist beispielsweise möglich, Temperatur, Badspiegelhöhe, Schlackenhöhe etc. zu messen.

Gesinterte Formkörper aus Siliziumdioxyd-Keramik können auf unerschiedliche Weise hergestellt werden. Sie können durch Pressen in Pressformen oder im Schlicker-Giessver­ fahren etc. hergestellt werden. Solche Formkörper haben sich für die örtliche Verglasung besonders geeignet.

Eine Formgebung des Körpers kann vor der örtlichen Ver­ glasung abgeschlossen sein. Gemäss einer weiteren Aus­ führungsform kann an verglasten Stellen des Körpers eine zusätzliche thermische, mechanische etc. Formgebungs­ operation durchgeführt werden. Auf diese Weise können insbesondere feinste Bearbeitungen, wie schmale Schlitze und kleine Löcher, präzise und kantenscharf an solchen Körpern angebracht oder Verbindungsoperationen durch Schweissen vorgenommen werden.

Wird für die Formgebung wie Bohren und Schlitzen etc. ein Laser verwendet, so können Formgebung und Schmelzvergütung in einem einzigen Schritt durchgeführt werden.

Im nachfolgenden soll anhand von Figuren ein Ausführungsbei­ spiel der Erfindung erläutert werden.

Es zeigen:

Fig. 1 einen Vertikalschnitt durch eine Giessdüse und Fig. 2 einen Schnitt nach der Linie II-II der Fig. 1.

In Fig. 1 ist ein Formkörper 2 als Giessdüse auf einem ro­ tierenden Giessband oder einer Giesstrommel 3 angeordnet. Der Formkörper 2 ist aus amorphem Siliziumdioxyd, beispiels­ weise im Schlicker-Giess- oder im Pressverfahren aus fein­ körnigem Siliziumdioxyd hergestellt und durch Sinterung verfestigt worden.

Beim Giessen dünner Bänder 5 ist eine genaue Dosierung des flüssigen Metalles 4 auf die Giesstrommel 3 erforderlich. Zu diesem Zweck ist der Formkörper 2 mit einer schlitzför­ migen Düsenöffnung 6 mit einer Breite von nur wenigen Zehntelmillimetern Breite versehen. Die genaue Dimen­ sionierung und die Konstanthaltung dieses Schitzes während der Giessauer bestimmen im wesentlichen die Qualität und die Abmessungen des Bandes 5.

Mittels einer Energiequelle wie Hochtemperaturbrenner oder Laser ist deshalb der gesinterte Formkörper 2 im Bereich der Düsenöffnung 6 örtlich durch Anschmelzen der Oberflä­ che vergütet worden. Kurze Schraffen stellen den durch Schmelzvergütung verglasten Bereich 8 dar.

Je nach Verwendungszweck kann eine Verglasung auf eine Oberflächenschicht beschränkt oder auf die ganze Wand­ stärke ausgedehnt werden. Vielfach ist es von Vorteil, eine verglaste Schichtdicke zwischen 1/10 mm und 5 mm zu wählen. An der verglasten Stelle 8 kann mittels einer Diamantfräserscheibe 18, wie in Fig. 2 durch strichpunk­ tierte Linie teilweise dargestellt, ein Düsenschlitz eingefräst werden. Neben einer solchen mechanischen Be­ arbeitung können auch thermische Formgebungsoperationen, wie Schweissarbeiten, Laserschneiden etc., durchgeführt werden. Die gefräste Düsenöffnung 6 kann, wie auf der rechten Seite in Fig. 2 dargestellt, auf eine gewünschte Schlitzlänge 10 mit Quarzglas wieder verschweisst werden.

Wie in Fig. 1 und 2 erkennbar ist, können transparente Fenster auf verschiedene Arten am Formkörper angebracht werden. Durch örtliche Verglasung der vollen Wandstärke, wie mit 12 dargestellt, entstehen lichtdurchlässige Fen­ ster, die auch für ultraviolette und infrarote Strahlungs­ messungen geeignet sind. Für eine optische Beobachtung, wie Badspiegelmessung etc., kann aber auch ein Quarzglas­ fenster 14 eingeschweisst werden. Vor dem Einschweissen des Quarzglasfensters 14 wird in der Regel eine Randzone 16 der Fensteröffnung 15 verglast. Mit 17 ist ein opti­ sches Beobachtungsinstrument schematisch dargestellt.

Anstelle von Formkörpern, die im Schlicker-Giessverfahren hergestellt sind, können auch andere Formgebungsverfahren, wie Pressen etc., angewendet werden. Das Formverfahren des Körpers und die Sintertemperatur sowie die Sinterzeit sind für das erfindungsgemässe Verfahren nicht von Bedeu­ tung, es können auch andere Verfahren zur Herstellung der Formkörper aus amorphem Siliziumdioxyd gewählt werden.

Claims (8)

1. Verfahren zur Herstellung hochtemperaturbeständiger Formkörper aus Siliziumdioxyd, wobei feinkörniges, amorphes Siliziumdioxyd zu einem Körper (2) geformt und durch Sinterung verfestigt wird, dadurch gekennzeich­ net, dass der gesinterte Körper (2) an ausgewählten Stellen (8, 12) mittels einer Energiequelle von hoher Intensität örtlich durch Aufschmelzen vergütet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Energiequelle ein Hochtemperaturbrenner oder ein Laser verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, dass an der ausgewählten Stelle (8) eine Oberflächenschicht des Körpers bis etwa 5 mm durch Schmelzvergütung verglast wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, dass an der ausgewählten Stelle (12) die ganze Wandstärke zur Bildung eines Fensters durch Schmelzvergütung verglast wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 2, dadurch gekenn­ zeichnet, dass der Formkörper (2) mit einem Laser geschnitten, geschlitzt etc., und gleichzeitig durch Schmelzvergütung verglast wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1 oder 5, dadurch gekenn­ zeichnet, dass eine Oeffnung (15) im Formkörper (2) mittels eines Quarzglasfensters (14) zugeschweisst wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass durch das verglaste Fenster (14) ein im Formkörper (2) befindliches Medium optisch beobachtet, vorzugswei­ se seine Temperatur gemessen wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, dass an verglasten Stellen (8) des Körpers (2) weitere thermische, mechanische etc. Formgebungsoperationen durchgeführt werden.