DE3634076A1 - Keramische bauteile zur hitze- bzw. feuerfesten auskleidung von metallwaenden, insbesondere zur auskleidung metallurgischer schmelzoefen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf keramische Bauteile zur hitze- bzw. feuerfesten Auskleidung von Metallwänden und allgemein von metallischen Oberflächen und betrifft im besonderen Bauteile oder Werkstoffe zur Auskleidung metallurgischer Schmelzöfen.

Bei metallurgischen Schmelzöfen muß die Wand des metallenen Schmelztiegels oder Schmelzraumes wenigstens überall dort, wo sie mit der Metallschmelze und/oder mit geschmolzener Schlacke in Berührung käme, mit einer einerseits hitze- bzw. feuerfesten thermisch isolierenden und andererseits den aggressiven chemischen Angriffen der Metall- und Schlackenschmelzen möglichst dauerhaft standhaltenden Auskleidung geschützt sein.
Doch fehlt es den für metallurgische Schmelzöfen bekannten Auskleidungsmaterialien entweder an einer befriedigenden thermischen Beständigkeit der Auskleidungskonstruktion und/oder an einer unter den geläufigen thermischen Verhältnissen hinreichenden chemischen Resistenz des Auskleidungsmaterials.
So unterliegen Auskleidungen mit guten thermischen Isolierungseigenschaften, d. h. geringer Wärmeleitfähigkeit, wegen des Temperaturgefälles zwischen ihrer Schmelzraumseite (Innenseite) und ihrer Anbringungsseite an der gegebenenfalls gekühlten Metallwand des Schmelzofens (Außenseite) thermischen Spannungen, die zu einer Verwindung der Bauteile der Auskleidung und zum baldigen Zusammenbruch der Auskleidung führen können.
Andererseits leiden keramische Auskleidungswerkstoffe, die eine vergleichsweise gute Wärmeleitfähigkeit besitzen, unter dem sie chemisch zerstörenden Angriff Metall- und der aggressiven Schlackenschmelzen, und zwar umso heftiger, je höher die Temperatur der mit der Schmelze in Kontakt stehenden Fläche der Auskleidung liegt, wobei nach dem Stand der Technik die Schmelzraumseite der Auskleidung mit der Temperatur der Schmelzen in dem Schmelzofen in etwa übereinstimmt.

Der chemische Verschleiß keramischer Auskleidungsmaterialien metallurgischer Schmelzöfen ließe sich daher erheblich verringern, wenn es gelänge, die Temperatur der Schmelzraumseite der Auskleidung wesentlich unterhalb der Temperatur der mit ihr in Berührung kommenden Schmelzen zu halten.
Dies zu erreichen, ist das Ziel der Erfindung.

Der Lösung dieser Aufgabe liegt die Überlegung zugrunde, bei Beibehaltung eines bekannten keramischen Materials die Wärmeleitfähigkeit der aus diesem keramischen Material gebildeten keramischen Bauteile in Richtung von der Innenseite (Schmelzraumseite) der Auskleidung zu deren für die Anordnung an der auszukleidenden Metallwand vorgesehenen Außenseite zu erhöhen und einen derart gesteigerten Wärmedurchgang von der Innenseite zur Außenseite zu ermöglichen, daß zufolge der schnellen Wärmeableitung die Temperatur der Auskleidungsinnenseite wesentlich unter der Temperatur der Schmelzen in dem Schmelzofen gehalten wird.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe grundsätzlich dadurch gelöst, daß die keramischen Bauteile der Auskleidung als Verbundmaterial mit einer Mehrzahl in geregelter Anordnung von der Innenseite zur Außenseite und in wenigstens einer weiteren Raumrichtung sich erstreckender hochtemperaturfester Metalldrähte (aus einem metallischen Element oder einer Metallegierung) ausgebildet ist, wobei die Metalldrähte in dem keramischen Material eingebettet sind, jedoch die in der Keramikmatrix sich in Richtung von der Innen- zur Außenseite des keramischen Bauteils gelegenen Metalldrähte an der Außenseite des Bauteils herausragen, so daß diese Drähte mit der auszukleidenden Metallwand unmittelbar verbunden werden können. Nähere Einzelheiten hierzu werden weiter unten erörtert.

Ist beispielsweise ein metallurgischer Schmelzofen mit einer aus keramischen Verbundteilen gemäß der Erfindung aufgebauten Auskleidung ausgerüstet, und wird die metallische Ofenwand von außen gekühlt, weist eine Auskleidung gemäß der Erfindung die erstrebte günstige Eigenschaft auf, daß die wesentlich besser als die Keramikmatrix wärmeleitfähigen Metalldrähte über ihren unmittelbaren metallischen Kontakt mit der gekühlten Ofenwand einen sehr hohen Wärmedurchfluß durch die Auskleidung nach außen erlauben, so daß wegen des gesteigerten Abströmens von Wärme die Innenwand der Auskleidung auf eine Temperatur erniedrigt wird, die wesentlich tiefer liegt als die Temperatur der Schmelzen im Ofen und die sich bei den bekannten keramischen Auskleidungen einstellenden Innenseitentemperaturen.

Demzufolge wird die Reaktionsgeschwindigkeit des chemischen Verschleißes der Auskleidung verlangsamt, d. h. die Lebensdauer der keramischen Auskleidung hinsichtlich der chemischen Angriffe der Schmelzen verlängert.

Voraussetzung für einen ausreichend hohen, von der Innen- zur Außenseite der Auskleidung gerichteten Wärmestrom durch das keramische Verbundmaterial ist außer einem angepaßt hohen Verhältnis der Summe der Querschnittsflächen der thermischen Leiter zum Matrixmaterial insbesondere ein möglichst geringer Wärmeübergangswiderstand zwischen den keramischen Auskleidungsbauteilen, und der auszukleidenden Metallwand. Aus diesem Grunde ist vorgesehen, daß die keramischen Bauteile gemäß der Erfindung außer ihren Metalldrähten, die sich von knapp hinter der geschlossenen keramischen Oberfläche an der Innenwand bis durch die Außenwand hindurch erstrecken und in erster Linie dem Wärmetransport durch das Keramikteil dienen, zusätzliche kürzere Metalldrähte vorhanden sind, die die Außenseite durchdringen. Dadurch wird im Übergangsbereich zwischen der Auskleidung und der Metallwand für einen hohen metallischen Anteil im Inneren und an der Außenseite des keramischen Bauteils bzw. der keramischen Auskleidung gesorgt und der Wärmeübergang von der Auskleidung auf die Metallwand beträchtlich gesteigert. Die Summe der Querschnittsflächen sämtlicher die Außenseite des keramischen Bauteils durchdringender Metalldrähte beträgt dabei vorzugsweise 60 bis 95% der Gesamtfläche der Bauteilaußenseite.

Für einen bestmöglichen thermischen Kontakt der keramischen Verbundbauteile gemäß der Erfindung mit der auszukleidenden Metallwand werden die freiliegenden Drahtenden des keramischen Bauteils mit der Metallwand nach einem bekannten Lötverfahren entweder hart- oder weichverlötet, wodurch sich zwischen der Keramikoberfläche des Bauteils - bzw. der Auskleidung und der Metallwand eine durchgehende Metallzwischenschicht ausbildet, in die in hoher Flächendichte eine Vielzahl von Drahtenden einmündet. Auf diese Weise kommt ein hervorragender Wärmeübergang von der keramischen Auskleidung auf die Metallwand zustande.

Wie weiter ober schon erwähnt worden ist, weisen die keramischen Verbundbauteile gemäß der Erfingung für thermische Auskleidungen außer den in Richtung zwischen der Innen- und Außenseite sich erstreckende Metalldrähten noch weitere geregelt in der Keramikmatrix eingebettete Metalldrähte auf, die sich in wenigstens einer zusätzlichen Raumrichtung erstrecken, so daß die sämtliche Metalldrähte umfassende Metalleinlage des keramischen Bauteils ein inneres Raumwerk von metallischen Wärmeleitern ausbildet, die sich in zwei bzw. in drei Richtungen kreuzen.

Aus thermischer Sicht beruht der Zweck dieser sich kreuzenden Drahtanordnung darin, einerseits den Metallgehalt der Keramikmasse und damit deren Gesamtwärmeleitfähigkeit generell zu erhöhen, ohne die Drahtpackung in Richtung von der Innen- zur Außenseite des Bauteils allzustark werden zu lassen, und zum anderen darin, zu dem von der Innen- zur Außenseite des Bauteils gehenden, gewünschten Wärmestrom etwa quer verlaufende Temperaturinhomogenitäten innerhalb eines Bauelements bzw. auch Temperaturunterschieds zwischen aneinandergrenzenden keramischen Bauteilen einer Auskleidung auszugleichen, um so einen optimalen Wärmeabtransport von der Innen- zur Außenseite der Auskleidung zu erzielen.

Desweiteren wirken die in die Keramikmassen eingebetteten Metalldrähte als Verstärkermaterial und liefern gegenüber den bekannten Keramikbauteilen den mechanischen Vorteil, unter den praktisch herrschenden Temperaturen zu einer Verbesserung der Verwindungssteifigkeit und damit der Formbeständigkeit und zu einer Erhöhung der Bruch- und Rißfestigkeit der keramischen Bauteile einer Auskleidung zu führen.

Die Vorteile der keramischen Verbundbauteile gemäß der Erfindung zeigen sich also nicht nur beim Einsatz für die Auskleidung von außen gekühlter metallurgischer Schmelzöfen und der hier erzielbaren Steigerung der chemischen Resistenz der Auskleidung gegen die Metall- und Schlackenschmelzen zufolge der reduzierten Oberflächentemperatur an der Innenseite der Verkleidung, sondern eignen sich auch besser als die konventionell unverstärkten Keramikbauteile zur feuer- bzw. hitzebeständigen Auskleidung metallischer Wände allgemein.

Da bei den hohen Betriebstemperaturen die Metalldrähte allerdings merklich in ihrer Zähigkeit und mechanischen Festigkeit nachlassen können, enthalten die keramischen Verbundbauteile gemäß der Erfindung vorzugsweise noch einen gewissen Anteil an Keramik- und/oder Kohlefäden oder -strängen, deren Festigkeit auch bei sehr hohen Temperaturen aufrechterhalten bleibt.
Die Keramik und/oder Kohlefäden können dabei einzelne Metalldrähte des in der Keramikmasse eingelassenen, geregelt aufgebauten Metalldrahtraumwerkes ersetzen oder zusätzlich vorhanden sein.

Hinsichtlich der Stärke der thermischen Leiter und mechanischen Verstärkerdrähte bzw. -fäden werden Durchmesser von nicht mehr als 1 mm bevorzugt. Der Grund liegt darin, daß die verschiedenen Verstärkerstoffe nicht dieselben Ausdehnungskoeffizienten wie die Keramikmatrix besitzen, so daß beim hohen Erhitzen grundsätzlich die Gefahr besteht, daß die Keramikmasse wegen der unterschiedlich starken Ausdehnung der Verbundmaterialien Sprünge oder Risse erhält. Diese Gefahr ist jedoch umso geringer, je dünner die Einzeldrähte und -fäden sind. Bei Verstärkergebilden unterhalb von 1 mm Durchmesser sind Sprünge oder Risse des Keramikbauteils zufolge eines unterschiedlichen Ausdehnungsverhaltens der im Verbund zusammengefügten Materialien hier nicht zu befürchten. Im übrigen ist ein aus dünnen Metalldrähten bzw. Kohle- oder Keramikfäden ausgebildetes Gitter- oder Raumwerk wesentlich "schmiegsamer" und kann den Bewegungen des Keramikmaterials gut folgen, wohingegen ein starreres Gitter- oder Raumwerk, wie es bei Verwendung von Drähten oder starren Fäden mit Durchmessern von gut oberhalb von 1 mm aufträte, eine Steifigkeit aufwiese, die die Riß- und Bruchgefahr für den Keramikverbundwerkstoff erhöhte.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von zwei rein prinzipienhaften Figuren näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein keramisches Bauteil für eine Auskleidung gemäß der Erfindung in Verbindung mit einer Metallwand und

Fig. 2 gibt einen Blick auf ein Raumwerk aus Metalldrähten im Inneren des Bauteils nach Fig. 1.

In Fig. 1 ist ein keramisches Verbundbauteil 1 gemäß der Erfindung für die hitze- bzw. feuerfeste Auskleidung der metallischen Oberfläche 2 einer thermisch gegenüber einer starken Hitzequelle zu isolierenden Wand 3 einer Vorrichtung gezeigt; im Falle eines metallurgischen Schmelzofens etwa wäre unter der Wand 3 das auszukleidende stählerne Schmelzgefäß zu verstehen.

Das Bauteil 1 weist an seiner Innenseite 4, d. h. an seiner der Hitzequelle zugewandten Seite, eine geschlossene Keramikoberfläche auf. Im Inneren des Bauteils 1 ist aus Drähten 5 aus hochtemperaturfestem Metall oder einer solchen Metallegierung ein Raumgitter 6 ausgebildet und in das keramische Material 7 eingegettet. Der Durchmesser dieser Drähte 5 beträgt vorzugsweise nicht mehr bzw. weniger als 1 mm.

Fig. 2 zeigt eine mögliche Anordnung der Metalldrähte 3 in einem Raumgitter 6, wobei sich die Drähte 5 in geregelter Anordnung in drei Raumrichtungen (X, Y, Z; nicht dargestellt) erstrecken und als X-Richtung die Richtung von der Innenseite 4 zur gegenüberliegenden, an der Wand 3 angrenzenden, Außenseite des Bauteils 1 gilt.
Statt eine Ausrichtung der Metalldrähte 5 in drei Raumrichtungen ist auch eine Ausrichtung in nur zwei Richtungen vorgesehen, wobei die X-Richtung jedoch besetzt sein soll; die Metalldrahteinlage in dem Bauteil 1 setzte sich dann aus einer Mehrzahl hintereinanderstehender Netze oder Gitter sich in X/Y-Richtung kreuzender Metalldrähte 5 zusammen.
Vorteilhafterweise, jedoch nicht zwingend notwendig, kreuzen sich die Drähte 5 in unmittelbarem Kontakt, um dadurch den Gesamtwärmedurchgang durch das keramische Verbundbauteil 1 zu optimieren.

In weiterer Betrachtung der Fig. 2 ist mit den Strecken x, y und z (die in der X-, Y- bzw. Z-Richtung der Erstreckung der Drähte 5 liegen) der parallele Abstand der generell in derselben Richtung verlaufenden Drähte 5 angedeutet. Diese Abstände x, y, z können enger oder weiter, zueinander gleich oder zueinander unterschiedlich sein und bemessen sich am konkreten Anwendungsfall nach Maßgabe der Funktion und der Stärke der herzustellenden Auskleidung, des Keramikmaterials, der zu beherrschenden Temperaturen und gegebenenfalls weiterer Einflußgrößen. Sofern hier keine definierten geometrischen Gitter- bzw. Raumgitterverhältnisse angegeben werden, die der Fachmann für den konkreten Anwendungsfall jedenfalls experimentell zu ermitteln in der Lage ist, bewirken die in dem Keramikmaterial 7 eingebetteten Metalldrähte 5 eine Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit des keramischen Verbundbauteils 1. Entsprechend dem gewünschten Wärmeabtransport in Richtung von der Innen- zur Außenseite des Bauteils 1 soll bei in den verschiedenen Raumrichtungen unterschiedlicher Packungsdichte der Drähte 5 jedoch die Packungsdichte der sich in X-Richtung erstreckenden Drähte 5 am höchsten sein.

Wie weiter oben beschrieben, ragen die in Richtung von der Innen- zur Außenseite des Bauteils 1 laufenden Drähte 5 an dessen Außenseite heraus, um mit der auszukleidenden Metalloberfläche 2 unter Ausbildung einer metallischen Lötschicht 8 hart- oder weichverlötet werden zu können, wobei die Summe der Querschnittsflächen der die Außenseite durchlaufenden Metalldrähte vorzugsweise 60 bis 95% der Gesamtfläche der Außenseite beträgt. Um dieses Flächenverhältnis zu erreichen, werden bei hierfür nicht ausreichender Packungsdichte von Metalldrähten 5 zusätzliche, kürzere Metalldrähte 9 in die Keramikmatrix eingelassen. Dies findet sich in Fig. 1 angedeutet, wobei die gestrichelte Linie 10 die Eindringtiefe der Drähte 9 in die Keramikmatrix anzeigt. Im übrigen sind die in Fig. 1 dargestellten Seitenflächen des Bauteils 1 als Schnittflächen aufzufassen, für die aus Gründen der Übersichtlichkeit lediglich die in X-Richtung verlaufenden, geschnittenen bzw. freigelegten Drähte 5 teilweise gezeigt sind.

Wie in den Fig. nicht eigens herausgestellt, können statt einiger der Einzeldrähte 5 aus Metall, oder zusätzlich, Carbon- und/oder Keramikstränge 5 zur Erhöhung der mechanischen Festigkeit unter Hochtemperaturbelastung des Bauteils 1 Verwendung finden.

Zur Herstellung eines keramischen Verbundbauteils 1 gemäß der Erfindung wird zunächst das Gitter- bzw. Raumwerk aus den zu verwendenden Metalldrähten 5, 9 bzw. Carbon- oder Keramiksträngen sowohl in der für den inneren Aufbau des Bauteils 1 vorgesehenen Konfiguration als auch in der äußeren Form des Bauteils 1 errichtet, wobei wenigstens die längeren Drähte bzw. Stränge 5 unter einer Zugkraft gespannt gehalten werden. Zur Ausrichtung und Spannung der Metalldrähte 5 kann man beispielsweise in der Weise vorgehen, entweder einzelne lineare Drähte anzuordnen und einzeln gespannt zu halten oder längere Drähte in einer geschlungenen Form fortlaufen zu lassen, auf diese Art mehrere hintereinanderstehende Drahtebenen zu bilden und hintereinanderstehende Drahtschlaufen 11 mit einem durch die Schlaufen 11 laufenden weiteren Draht gespannt zu halten. Eine derartige Ausbildung von Drahtebenen mit Schlaufen 11 ist in Fig. 1 schematisch gezeigt.
Nach Errichtung der Gitter- oder Netzebenen bzw. des Raumwerks 6 werden die Drähte bzw. Stränge dann nach einem Heißdruck oder einem Vakuumverfahren mit der vorgesehenen noch plastischen Keramikmasse imprägniert und der Leerraum zwischen der Drahtkonstruktion ausgefüllt. Dabei behalten die Drähte und Stränge wegen der an ihnen wirkenden Zugspannung ihre vorgesehene Orientierung und Ausrichtung bei, ohne beim Ausgießen oder Ausfüllen der Bauteilformen in Unordnung zu geraten.
Die ausgeformten Teile werden dann nach Maßgabe der verwendeten plastischen Keramikmasse zum Bauteil 1 gehärtet.

Als Keramikmasse kommen grundsätzlich sämtliche auf dem Gebiete üblichen Materialien in Betracht, wobei sich die Auswahl nach dem Verwendungszweck des Bauteils 1 richtet. Für die keramischen Verbundbauteile 1 gemäß der Erfindung sind für Auskleidungen von metallurgischen Schmelzöfen Siliciumcarbid und Magnesium-, Aluminium- und Zirkonoxid bevorzugte keramische Metrixmaterialien.

Die Bauteile 1 gemäß der Erfindung können beliebige Form haben und als Steine, Platten oder Formteile erhalten werden. Zur Errichtung von Auskleidungen für metallurgische Schmelzöfen wird man Platten verwenden, die am Ofengefäß zur vollen Auskleidung zusammenzusetzen sind; für sehr kleine Schmelzgefäße läßt die Erfindung auch die Herstellung der Schmelztiegelauskleidung in einem Stück zu.

Abrundend sei noch folgendes vorgetragen.
Das Prinzip der Erfindung geht hinsichtlich der Erhöhung der Lebensdauer von keramischen Auskleidungen metallurgischer Schmelzöfen gegenüber dem chemischen Angriff der Metall- und Schlackenschmelzen davon aus, die Oberflächentemperatur an der Innenseite 4 der keramischen Auskleidung unter die Temperatur der mit der Auskleidung in Kontakt stehenden Schmelzen abzusenken und für den notwendigen Wärmeabtransport durch die keramische Auskleidung deren Wärmedurchgangswiderstand durch in das Keramikmaterial 7 eingelassene sehr gute thermische Leiter zu erniedrigen. Hierfür sind Metalldrähte 5 vorgesehen, die sich unter anderem von nahe unterhalb der Oberfläche der Innenseite 4 bis zur ausgekleideten und zwangsgekühlten Metall- oder Gefäßwand erstrecken.

Wenngleich durch die abgesenkte Oberflächentemperatur die chemische Erosion an der Innenseite 4 der Auskleidung nun wesentlich langsamer fortschreitet als bei konventionellen keramischen Auskleidungen, kann der zerstörende Angriff naturgemäß nicht unterbunden, sondern nur verlangsamt werden mit dem Effekt, daß über längere Zeiträume die unter der Oberfläche 4 zunächst völlig in der Keramikmatrix 7 eingebetteten Metalldrähte 5 bzw., so vorhanden, auch die Carbon- und Keramikstränge, freigelegt werden.

Hier hat sich nun gezeigt, daß der chemische Verschleiß der Auskleidung trotzdem nicht wesentlich beschleunigt wird und noch immer beträchtlich niedriger bleibt als beim konventionellen Auskleidungsmaterial. Der Grund liegt darin, daß bei an der Innenseite 4 der Auskleidung freiliegenden Metalldrähten der Wärmeabtransport nicht gestört wird, daher die Innenseite 4 der Auskleidung nach wie vor stets kälter als die Metall- und Schlackenschmelzen bleibt und der chemische Verschleißprozeß generell stark verlangsamt abläuft. Im übrigen beeinträchtigen die an der Innenseite 4 der Auskleidung 1 freigelegten Enden der Drähte bzw. Stänge 5 nicht deren Verstärkereigenschaften für das Auskleidungsteil 1 bzw. die gesamte Auskleidung.

Claims (5)

1. Keramische Bauteile zur hitze- bzw. feuerfesten Auskleidung von Metallwänden bzw. metallischen Oberflächen, insbesondere zur Auskleidung metallurgischer Schmelzöfen, gekennzeichnet als Verbundmaterial mit einer Mehrzahl in geregelter Anordnung in wenigstens zwei Raumrichtungen (X/Y, X/Z, X/Y/Z) des Bauteils (1) sich erstreckender, in dessen Keramikmatrix (7) eingebetteter Drähte (5) aus hochtemperaturfestem Metall oder einer solchen Metallegierung, wobei eine Raumrichtung (X) von der der Hitzequelle zugewandten Seite (Innenseite) des Bauteils (1) zu dessen gegenüberliegenden, zur Verbindung mit der Metallwand bzw. -oberfläche vorgesehenen Seite (Außenseite) verläuft und die sich in dieser Richtung (X) erstreckenden Metalldrähte (5) aus der Außenseite herausragen.

2. Keramisches Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es in Ersatz eines Teils der Metalldrähte (5) oder zusätzlich in die Keramikmatrix vollständig eingebettete Carbon- und/oder Keramikfäden oder -stränge enthält.

3. Keramisches Bauteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß es im Bereich der Außenseite eine Mehrzahl zusätzlicher, vergleichsweise kurz in die Keramikmatrix (7) hineinreichende und aus der Außenseite herausragende Metalldrähte (9) aufweist.

4. Keramisches Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Summe der Querschnittsflächen der an der Außenseite des Bauteils (1) herausragenden Metalldrähte (5, 9) 60 bis 95% der Gesamtfläche der Außenseite beträgt.

5. Keramisches Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser der Metalldrähte (5) bzw. Carbon- und/oder Keramikstränge nicht mehr als 1 mm beträgt.