DE4337189A1 - Chargiergestell für das Brennen von Gegenständen aus keramischen und glaskeramischen Werkstoffen - Google Patents
Chargiergestell für das Brennen von Gegenständen aus keramischen und glaskeramischen WerkstoffenInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Chargiergestell zur
Aufnahme von Formkörpern aus keramischen und
glaskeramischen Werkstoffen, die in einem Ofen,
insbesondere einem Rollenofen, gebrannt werden.
Keramische Werkstoffe bestehen aus tonmineralhaltigen
Rohstoffen; sie werden durch Formen bei Raumtemperatur
und anschließendes Brennen zu keramischen Gegenständen
(z .B. Geschirr, Sanitärkeramik, Baustoffkeramik)
verarbeitet. Glaskeramische Werkstoffe bestehen aus
Gläsern, die nach einer Formgebung und einer
nachfolgenden Wärmebehandlung zu glaskeramischen
Gegenständen verarbeitet werden. Bei der Wärmebehandlung
tritt durch partielle Kristallisation eine teilweise,
gesteuerte Entglasung ein. Das Brennen bzw. die
Wärmebehandlung keramischer und glaskeramischer
Werkstoffe erfolgt bei Temperaturen von 800 bis 2000°C,
vorzugsweise 1000 bis 1400°C, in Öfen, die sowohl im
Batchbetrieb als auch kontinuierlich arbeiten. Die aus
keramischen oder glaskeramischen Werkstoffen geformten
Gegenstände werden in vielen Fällen auf Chargiergestellen
angeordnet, die dann in den Ofen eingebracht und nach
Abschluß des Brennprozesses aus dem Ofen herausgenommen
werden. Insbesondere für den kontinuierlichen
Ofenbetrieb, der vorzugsweise in Rollenöfen durchgeführt
wird, haben sich derartige Chargiergestelle bewährt, da
sie die Formkörper während der Ofenreise vor Beschädigung
schützen und die Handhabung der Formkörper erleichtern.
Bekannte Chargiergestelle bestehen vorzugsweise aus
keramischem Material, wie z. B. Kordierit oder Mullit, und
haben die form von Platten. Diese Chargiergestelle müssen
langsam aufgeheizt und abgekühlt werden, da sie eine
geringe Thermoschock-Stabilität besitzen. Durch diese
Materialeigenschaft wird der kontinuierliche Ablauf des
Brennprozesses in nachteiliger Weise verlängert. Die aus
konventionellen metallischen Werkstoffen gefertigten
bekannten Chargiergestelle haben eine geringe
Korrosionsbeständigkeit und Hochtemperaturfestigkeit, was
sich nachteilig auf ihre Lebensdauer auswirkt. Wegen
ihrer geringen Hochtemperaturfestigkeit müssen die aus
konventionellen metallischen Werkstoffen gefertigten
Chargiergestelle außerdem ein hohes Baugewicht aufweisen,
was sich negativ auf den Energiehaushalt des Brennofens
auswirkt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein
Chargiergestell zu schaffen, das ein geringes Baugewicht
aufweist, eine hohe Lebensdauer hat, korrosionsbeständig
ist und im Verlauf des Brennprozesses schnell aufgeheizt
sowie abgekühlt werden kann.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird dadurch
gelöst, daß das Chargiergestell die Form eines Rostes hat
sowie aus einem Rahmen und aus mehreren Trägerteilen
besteht, daß der Rahmen aus einer dispersionsgehärteten
Eisen- oder Nickelbasislegierung und die Trägerteile aus
der gleichen dispersionsgehärteten Eisen- oder
Nickelbasislegierung oder aus Siliciumcarbid, einem
oxidkeramischen Werkstoff, einer Superlegierung oder aus
Stahl gefertigt sind.
Die einzelnen Trägerteile des als Rost gestalteten
Chargiergestells weisen für die zu brennenden Formteile
geeignete Stellflächen auf. Die von der Masse der
einzelnen Trägerteile und der Masse der auf den
Trägerteilen angeordneten Formkörper ausgehenden Kräfte
werden in den Rahmen des Chargiergestells eingeleitet,
der aus einem Material besteht, das eine sehr hohe
Warmfestigkeit aufweist und daher ein relativ geringes
Eigengewicht hat. Die einzelnen Trägerteile haben auch
deshalb ein geringes Eigengewicht, weil sie nur eine
kleine Anzahl von Formkörpern tragen müssen. Da die
Baugröße der Trägerteile begrenzt ist, können sie auch
aus Siliciumcarbid, einem oxidkeramischen Werkstoff
(Werkstoff, der aus Oxiden, mit Ausnahme von SiO₂,
und Oxidverbindungen nach keramischen Methoden
hergestellt ist), einer Superlegierung oder aus Stahl
gefertigt werden, wobei der Stahl nur bei niedrigen
Brenntemperaturen (z. B. <1000°C) zur Anwendung kommen
sollte. Das Chargiergestell, welches ganz oder teilweise
aus einer dispersionsgehärteten Eisenbasislegierung
besteht, wird vorzugsweise bei Brenntemperaturen von 1000
bis 1400°C verwendet. Das Chargiergestell, welches ganz
oder teilweise aus einer dispersionsgehärteten
Nickelbasislegierung besteht, kommt vorzugsweise bei
Brenntemperaturen von 1000 bis 1100°C zur Anwendung. Das
als Rost gestaltete erfindungsgemäße Chargiergestell kann
mit einer Länge und einer Breite bis zu 3 m, vorzugsweise
1,5 m, ausgeführt werden. Selbst derartig große
Chargiergestelle haben eine außerordentlich lange
Lebensdauer und gestatten eine schnelle Aufheizung sowie
Abkühlung, so daß sie bevorzugt für Schnellbrennprozesse
verwendet werden. Ihr Baugewicht ist im Vergleich zu
bekannten Chargiergestellen gering. Außerdem besitzen die
erfindungsgemäßen Chargiergestelle eine große
Formstabilität, was insbesondere auf die sehr kleinen
thermischen Ausdehnungskoeffizienten der zur Herstellung
der Chargiergestelle verwendeten Materialien sowie auf
die Gestaltung als Rost zurückzuführen ist. Schließlich
haben die Chargiergestelle gute Korrosionseigenschaften.
Nach der Erfindung ist es besonders vorteilhaft, wenn die
dispersionsgehärtete Eisenbasislegierung 10 bis 40% Cr,
2 bis 10% Al, 0 bis 5% Ti, 0 bis 10% Mo, 0 bis 5% W,
0,1 bis 2% Al₂O₃, ZrO₂, La₂O₃ und/oder Y₂O₃ und Rest Fe
enthält, wenn die dispersionsgehärtete
Nickelbasislegierung 10 bis 40% Cr, 0,1 bis 4% Al, 0
bis 10% Mo, 0 bis 5% W, 0 bis 5% Ti, 0,1 bis 2%
Al₂O₃, ZrO₂, La₂O₃ und/oder Y₂O₃ sowie Rest Ni enthält
und wenn die Eisen- sowie Nickelbasislegierung auf
pulvermetallurgischem Weg - also zum einen durch Mischen
und Verdichten (Pressen, Sintern) von Pulvern oder zum
anderen durch mechanisches Legieren von Pulvern,
Heißverdichtung und Umformung der Legierung - unter
Verwendung von H₂ als Schutzgas bei der
Pulververarbeitung hergestellt wird. Diese Legierungen
haben sowohl eine hohe Warmfestigkeit als auch eine hohe
Thermoschock-Stabilität. Die angegebenen Prozentzahlen
sind Gewichts-Prozente. Die Dispersionshärtung wird durch
die in das Legierungsgitter eingelagerte Oxidphase
(Dispersoid), die aus Al₂O₃, ZrO₂, La₂O₃ und/oder Y₂O₃
besteht, bewirkt.
Überraschenderweise hat sich gezeigt, daß die nach der
Erfindung zu verwendenden dispersionsgehärteten Eisen-
und Nickelbasislegierungen gut schweißbar sind. Nach der
Erfindung ist daher vorgesehen, daß die aus den
dispersionsgehärteten Legierungen bestehenden Teile des
Chargiergestells durch Schweißung miteinander verbunden
sind. Das Schweißen erfolgt nach dem WIG-Verfahren
(Schweißen mit einer nicht abschmelzenden
Wolframelektrode in einem Inertgas) oder dem
MIG/MAG-Verfahren (Schweißen mit abschmelzenden
Elektroden in einem Inertgas, z. B. Argon oder einem
Aktivgas, z. B. einem N₂-O₂-Gemisch). Beide
Schweißverfahren sind an sich bekannt.
Nach der Erfindung hat es sich als besonders vorteilhaft
erwiesen, wenn die Trägerteile, die aus Siliciumcarbid,
einem oxidkeramischen Werkstoff, einer Superlegierung
oder Stahl bestehen, mit dem Rahmen durch mechanische
Verbindungsmittel, die insbesondere lösbar sind, (z. B.
Nieten, Schrauben, Steckverbindungen) miteinander
verbunden werden. Durch die Verwendung mechanischer
Verbindungsmittel wird die Kombination von
dispersionsgehärteten Legierungen mit anderen Werkstoffen
ermöglicht und die Lebensdauer des Chargiergestells
erheblich verlängert. Nieten kommen nur dann zum Einsatz,
wenn metallische Teile miteinander verbunden werden;
lösbare mechanische Verbindungsmittel werden zur
Verbindung von Metallteilen mit den aus den anderen
Werkstoffen bestehenden Teilen verwendet.
Der Gegenstand der Erfindung wird nachfolgend anhand der
Zeichnung näher erläutert. Es zeigt
Fig. I Chargiergestell, dessen Rahmen und Trägerteile
aus einer dispersionsgehärteten
Eisenbasislegierung bestehen,
Fig. Ia Seitenansicht,
Fig. Ib Draufsicht,
Fig. II Chargiergestell, dessen Rahmen aus einer
Nickelbasislegierung und dessen Trägerteile aus
Al₂O₃ bestehen,
Fig. IIa Draufsicht,
Fig. IIb Seitenansicht,
Fig. IIc Schnitt A-A aus Fig. IIa,
Fig. IId Schnitt B-B aus Fig. IIa.
Das in Fig. I dargestellte Chargiergestell besteht aus
einem Rahmen, der von den Rahmenteilen 1a bis 1d und
2a bis 2e gebildet wird. Die Rahmenteile 1a bis
1d haben eine rechteckige Form und sind mit zwei
übereinanderliegenden Bohrungen versehen, durch welche
die Rahmenteile 2a bis 2d geführt sind. Die
Rahmenteile 2a bis 2d haben einen kreisförmigen
Querschnitt. Das Chargiergestell besitzt fünf Trägerteile
3a bis 3e, die als U-Profile geformt sind. Die
Schenkel jedes U-Profils weisen zwei übereinanderliegende
Bohrungen auf, in denen die Rahmenteile 2a bis 2d
geführt sind. Die Basis jedes U-Profils weist mittig eine
Bohrung auf, durch welche das Rahmenteil 2e geführt
wird.
Das in Fig. I dargestellte Chargiergestell hat die Form
eines Rostes. Alle Teile des Chargiergestells bestehen
aus einer dispersionsgehärteten Eisenbasislegierung, die
19% Cr, 5,5% Al, 0,5% Ti, 0,5% Y₂O₃ und Rest Eisen
enthält. Die einzelnen Teile des Chargiergestells werden
auf pulvermetallurgischem Weg durch mechanisches Legieren
der Legierungsbestandteile, nachfolgende Heißverdichtung
der Legierung und anschließende Umformung hergestellt.
Das mechanische Legieren wird in einer
Schutzgasatmosphäre aus Wasserstoff durchgeführt, wodurch
die Schweißbarkeit der einzelnen Teile des
Chargiergestells verbessert wird. Alle Teile des
Chargiergestells sind miteinander verschweißt. Das
Chargiergestell hat ein Gewicht von 2 kg und kann
keramische Formteile mit einem Gesamtgewicht von 4 kg
aufnehmen. Durch die sehr gute Thermoschock-Stabilität
des zur Herstellung des Chargiergestells verwendeten
dispersionsgehärteten Materials wird die Brennzeit für
die keramischen Formteile um 4,5 Stunden reduziert (vom
kalten Zustand zum kalten Zustand). Mit einem bekannten
Chargiergestell aus keramischem Material ist eine
Brennzeit von 20 Stunden erforderlich. Selbst nach
Betriebszeiten von mehr als 1000 Stunden zeigt das
erfindungsgemäße Chargiergestell keine durch Korrosion
verursachte Schäden, obwohl die Ofenatmosphäre während
des Brennprozesses einen erhöhten Gehalt an Schwefel- und
Fluorverbindungen aufweist. Das Chargiergestell eignet
sich für Brennprozesse, die bei 1100 bis 1400°C
durchgeführt werden. Es ist möglich, das in Fig. I
dargestellte Chargiergestell mit mehr als fünf
Trägerteilen auszurüsten. Außerdem läßt die Gestaltung
der Trägerteile als U-Profil das Stapeln mehrerer
Chargiergestelle übereinander zu.
Das in Fig. II dargestellte Chargiergestell besteht aus
einem Rahmen, der von den Rahmenteilen 4a bis 4d
sowie 5a und 5b gebildet wird. Die Rahmenteile 4a
bis 4d haben eine rechteckige Form und besitzen jeweils
eine Ausnehmung, in denen die Rahmenteile 5a und 5b
geführt sind, welche einen kreisförmigen Querschnitt
besitzen. Die Rahmenteile bestehen aus einer
dispersionsgehärteten Nickelbasislegierung, die 20% Cr,
0,3% Al, 0,5% Ti, 0,6% Y₂O₃ und Rest Nickel enthält
und die auf pulvermetallurgischem Weg unter Verwendung
von Wasserstoff als Schutzgas hergestellt wird. Alle
Rahmenteile sind miteinander verschweißt.
Die Trägerteile 6a, 6b, 6c bestehen aus Al₂O₃ und haben
die Form eines T, wobei die waagerechte Fläche als
Aufnahmefläche für die zu brennenden keramischen
Formteile genutzt wird. Die Trägerteile 6a, 6b, 6c
werden mit den Rahmenteilen 5a und 5b in der Weise
verbunden, daß in die stabförmigen Rahmenteile 5a und
5b Nuten eingebracht werden, die sich senkrecht über
den halben Querschnitt der stabförmigen Rahmenteile 5a
und 5b erstrecken. In diese Nuten wird das senkrechte
Stück des T-förmigen Trägerteils so weit eingefügt, daß
das waagerechte Stück des T mit dem stabförmigen
Rahmenteil Kontakt hat. Diese Verbindung hat eine
ausreichend hohe Festigkeit und gewährleistet die
erforderliche Betriebssicherheit. Das in Fig. II
dargestellte Chargiergestell kann vorteilhaft bei
Brenntemperaturen von etwa 1000°C eingesetzt werden. Es
ist möglich, mehrere dieser Chargiergestelle übereinander
zu stapeln.
Claims (5)
1. Chargiergestell zur Aufnahme von Formkörpern aus
keramischen und glaskeramischen Werkstoffen, die in
einem Ofen, insbesondere einem Rollenofen, gebrannt
werden, dadurch gekennzeichnet, daß das
Chargiergestell die Form eines Rostes hat sowie aus
einem Rahmen und aus mehreren Trägerteilen besteht,
daß der Rahmen aus einer dispersionsgehärteten Eisen-
oder Nickelbasislegierung und die Trägerteile aus der
gleichen dispersionsgehärteten Eisen- oder
Nickelbasislegierung oder aus Siliciumcarbid, einem
oxidkeramischen Werkstoff, einer Superlegierung oder
aus Stahl gefertigt sind.
2. Chargiergestell nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß die dispersionsgehärtete
Eisenbasislegierung 10 bis 40% Cr, 2 bis 10% Al, 0
bis 5% Ti, 0 bis 10% Mo, 0 bis 5% W, 0,1 bis 2%
Al₂O₃, ZrO₂, La₂O₃ und/oder Y₂O₃ und Rest Fe enthält
sowie auf pulvermetallurgischem Weg unter Verwendung
von H₂ als Schutzgas bei der Pulververarbeitung
hergestellt wird.
3. Chargiergestell nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß die dispersionsgehärtete
Nickelbasislegierung 10 bis 40% Cr, 0,1 bis 4% Al, 0
bis 10% Mo, 0 bis 5% W, 0 bis 5% Ti, 0,1 bis 2%
Al₂O₃, ZrO₂, La₂O₃ und/oder Y₂O₃ und Rest Ni enthält
sowie auf pulvermetallurgischem Weg unter Verwendung
von H₂ als Schutzgas bei der Pulververarbeitung
hergestellt wird.
4. Chargiergestell nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß die aus den dispersionsgehärteten
Legierungen bestehenden Teile durch Schweißung
miteinander verbunden sind.
5. Chargiergestell nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, daß die Trägerteile, die aus
Siliciumcarbid, einem oxidkeramischen Werkstoff, einer
Superlegierung oder Stahl bestehen, mit dem Rahmen
durch mechanische Verbindungsmittel, die insbesondere
lösbar sind, miteinander verbunden werden.
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