DE4442282A1 - Verfahren und Pulvermischung zur Reparatur von feuerfesten Körpern auf Oxidbasis - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reparatur von feuerfesten Körpern auf Oxidbasis durch ein keramisches Schweißverfahren.

Oxide von Silicium, Zirkonium, Aluminium und Magnesium werden als indu­ strielle feuerfeste Oxide verwendet. Insbesondere Oxide von Aluminium und Magnesium werden z. Zt. in der metallurgischen Industrie benutzt, wo sie wegen ihrer Beständigkeit gegen hohe Temperatur, Erosion und Korrosion durch Materialien, wie geschmolzenes Metall, Schlacke und Gekrätze gewählt werden.

Feuerfeste Materialien auf der Basis von Magnesiumoxid, die sonst als basi­ sche feuerfeste Materialien bekannt sind, können die Auskleidung einer Pfanne für den Transport von geschmolzenem Stahl bilden. Solche Ausklei­ dungen werden durch den geschmolzenen Stahl und die Schlacke abgerieben. Die Erosion der Auskleidung erfolgt insbesondere auf dem Niveau der Flüssig­ keit. Es besteht daher ein Bedürfnis, solch feuerfeste Körper auf Oxidbasis von Zeit zu Zeit zu reparieren.

Es wurde vorgeschlagen, feuerfeste Körper durch Verwendung einer "kerami­ schen Schweiß"-Arbeitsweise zu reparieren. Bei dieser Arbeitsweise wird der zu reparierende feuerfeste Körper bei einer erhöhten Temperatur gehalten, und ein Pulvergemisch wird in Gegenwart von Sauerstoff aufgesprüht, wobei dieses Pulvergemisch Teilchen eines feuerfesten Materials und Brennstoffteil­ chen enthält, die in exothermer Weise mit dem Sauerstoff reagieren, um ein feuerfestes Oxid zu bilden. Durch dieses Verfahren baut sich eine feuerfeste Masse auf und haftet an der Reparaturstelle am Feuerfestkörper. Die Arbeits­ weise des keramischen Schweißens ist in den britischen Patenten Nrs. GB 1,330,894 (Glaverbel) und GB 2,170,191 (Glaverbel) gezeigt. Die Brenn­ stoffteilchen sind Teilchen, deren Zusammensetzung und Korngrößenver­ teilung derart sind, daß sie in exothermer Weise mit dem Sauerstoff reagie­ ren, während sie ein feuerfestes Oxid bilden, und während die notwendige Hitze für das wenigstens oberflächliche Schmelzen der geschleuderten feuer­ festen Teilchen freigesetzt wird.

Es wurde jedoch gefunden, daß dann, wenn ein aus Oxidteilchen und Brenn­ stoffteilchen bestehendes Pulvergemisch zur Reparatur eines feuerfesten Körpers auf Oxidbasis benutzt wird und insbesondere eines feuerfesten Kör­ pers auf der Basis von hochschmelzenden Oxiden, wie Magnesiumoxid und Aluminiumoxid, die erhaltene feuerfeste Masse porös sein kann. Wenn es eine deutlich sichtbare Porosität gibt, ist die Reparaturmasse nicht brauchbar für gewisse Anwendungen, insbesondere, wenn die Reparaturmasse durch ge­ schmolzene Materialien Erosion oder Korrosion unterliegt.

Es ist daher Ziel der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Reparatur von feuerfesten Körpern auf Oxidbasis bereitzustellen, das die Bildung einer feuerfesten Reparaturmasse mit annehmbarer Porosität ermöglicht.

Es wurde überraschenderweise gefunden, daß dann, wenn die Brennstoffteil­ chen aus Teilchen von Magnesium, Aluminium, Silicium und Gemischen da­ von, gewählt werden, dieses Ziel erreicht werden kann, indem man in das Pulvergemisch eine spezielle Menge an Siliciumcarbid einbezieht. Dies steht im Gegensatz zu dem allgemein anerkannten Prinzip der Angleichung der Zu­ sammensetzung der feuerfesten Reparaturmasse an die Zusammensetzung der zu reparierenden Oberfläche aus feuerfestem Material. Weiter wird Silici­ umcarbid als ein inertes Material beim keramischen Schweißprozeß betrach­ tet, und es wird von der flüssigen Phase nicht benetzt, die sich während der Reaktion bildet. Der Effekt von Siliciumcarbid auf die Porosität der Masse ist daher überraschend.

Ohne durch eine Theorie gebunden zu sein wird angenommen, daß die zusätz­ lichen Siliciumcarbidteilchen Hitze in die feuerfeste Reparaturmasse einführen, und daß mit der Zeit die verlängerte Einwirkung von hohen Temperaturen eine Zersetzung der Silciumcarbidteilchen bewirkt unter Bildung von elementarem Kohlenstoff, von dem bekannt ist, daß er die feuerfeste Reparaturmasse mit guter Schlackenkorrosionsbeständigkeit versieht.

Somit wird gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung ein Verfahren zur Repa­ ratur eines feuerfesten Körpers auf Oxidbasis bereitgestellt indem man ein Pulvergemisch gegen eine Oberfläche dieses Körpers bei einer erhöhten Temperatur und in Gegenwart von Sauerstoff schleudert, wobei dieses Pulvergemisch feuerfeste Oxidteilchen und Brennstoffteilchen enthält, die in exothermer Weise mit dem Sauerstoff unter Bildung eines feuerfesten Oxids reagieren und das dadurch gekennzeichnet ist, daß die Brennstoffteilchen ausgewählt werden aus Magnesium, Aluminium, Silicium und Gemischen da­ von, und daß das Pulvergemisch zusätzlich bis zu 10 Gew.-% an Silicium­ carbidteilchen enthält.

Der Gehalt an Siliciumcarbid in diesem Pulvergemisch beträgt vorzugsweise wenigstens 1 Gew.-%. Wenn zuviel Siliciumcarbid einbezogen wird, wurde gefunden, daß das Ergebnis sein kann, daß überhaupt keine Reparaturmasse gebildet wird, da das Reparaturmaterial von der Reparaturstelle wegfließt. Ohne durch eine Theorie gebunden zu sein könnte man erwarten, daß dies auf die Retention von zuviel Hitze nach dem Reparaturprozeß zurückzuführen sein könnte, was zu einer flüssigen Phase von niedriger Viskosität führt. Wenn zuwenig Siliciumcarbid verwendet wird, werden die günstigen Wirkun­ gen der Erfindung nicht länger in deutlichem Ausmaß erhalten.

Das Siliciumcarbid hat vorzugsweise eine kleine Teilchengröße, wie weniger als 200 µm. Unter "Teilchengröße", wenn dieser Begriff hier verwendet wird, ist zu verstehen, daß das betreffende Material eine solche Teilchengrößenver­ teilung hat, daß wenigstens 90 Gew.-% der Teilchen mit den angegebenen Grenzen übereinstimmen. "Durchschnittsabmessung", wie dieser Ausdruck hier verwendet wird, bezeichnet eine solche Abmessung, daß 50 Gew.-% der Teilchen eine kleinere Abmessung als diesen Durchschnitt haben.

Die feuerfesten Oxidteilchen können wenigstens ein Oxid enthalten aus dem der feuerfeste Körper gebildet ist. Wenn somit der feuerfeste Oxidkörper ein aluminiumoxidhaltiger Körper ist, können die feuerfesten Oxidteilchen Teil­ chen von Aluminiumoxid enthalten. Wenn der feuerfeste Oxidkörper ein magnesiumoxidhaltiger Körper ist, können die feuerfesten Oxidteilchen Teil­ chen von Magnesiumoxid enthalten.

Vorzugsweise ist ein Hauptteil dieses Pulvergemischs aus feuerfesten Oxid­ teilchen gebildet, die aus Magnesiumoxid, Aluminiumoxid und Gemischen da­ von gewählt sind. Dies sind die Oxide in deren Anwesenheit die exotherme Reaktion am lebhaftesten ist und daher ein höheres Risiko hat zu einer hoch­ gradig porösen Reparaturmasse zu führen. Vorzugsweise haben die feuerfe­ sten Oxidteilchen eine Größe unter 2,5 mm, wobei praktisch keine Teilchen eine Größe über 4 mm haben.

Die Brennstoffteilchen werden aus Teilchen von Magnesium, Aluminium, Silicium und Gemischen davon gewählt. Ein Gemisch von Aluminium und Silicium ist besonders vorteilhaft. Die in dem Gemisch verwendeten Brenn­ stoffteilchen haben vorzugsweise eine Durchschnittsabmessung von weniger als 50 µm.

Der Reparaturbetrieb wird im allgemeinen durchgeführt, wenn der feuerfeste Körper heiß ist. Dies ermöglicht die Reparatur von erodierten feuerfesten Körpern während die Einrichtung praktisch bei ihrer Arbeitstemperatur bleibt.

Die erhöhte Temperatur kann über 600°C sein, gemessen an der Oberfläche des zu reparierenden feuerfesten Körpers. Bei dieser Temperatur verbrennen die Brennstoffteilchen in Gegenwart von Sauerstoff unter Freisetzung eines feuerfesten Oxids und unter Bildung von ausreichend Hitze, um die Oxidteil­ chen zusammen mit dem Verbrennungsprodukt des Brennstoffs zu der feuer­ festen Reparaturmasse zu bilden, welche die Reparatur ausmacht.

Die Erfindung liefert auch nach einem zweiten Aspekt ein Pulvergemisch für die Reparatur von feuerfesten Körpern auf Oxidbasis, wobei dieses Gemisch enthält:

• - 80 bis 95 Gew.-% feuerfeste Teilchen, die ein feuerfestes Oxid um­ fassen, und
• - 5 bis 20 Gew.-% Brennstoffteilchen, die in exothermer Weise mit dem Sauerstoff unter Bildung eines feuerfesten Oxids reagieren, dadurch gekennzeichnet, daß diese Brennstoffteilchen ausgewählt sind aus Magnesium, Aluminium, Silicium und Gemischen davon, und daß diese feuerfesten Teilchen bis zu 10 Gew.-%, bezogen auf Gesamt­ gemisch, Siliciumcarbidteilchen umfassen.

Um eine homogene Reparaturmasse zu erhalten, sollte eine Menge von wenigstens 80 Gew.-% feuerfesten Teilchen, einschließlich der Oxidteilchen im Pulvergemisch vorliegen.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform umfaßt die Mischung:

• - 80 bis 94 Gew.-% feuerfeste Oxidteilchen, ausgewählt aus Teilchen von Aluminiumoxid, Magnesiumoxid und Gemischen davon,
• - 1 bis 5 Gew.-% Siliciumcarbidteilchen, und
• - 5 bis 15 Gew.-% an Brennstoffteilchen.

Vorzugsweise haben die feuerfesten Teilchen im Pulvergemisch einschließlich der Siliciumcarbidteilchen eine Größe von wenigstens 10 µm. Wenn Teilchen verwendet werden, die zu klein sind, gibt es ein Risiko, daß sie während der Reaktion verloren gehen.

Eine brauchbare Arbeitsweise, um das Pulvergemisch gegen eine Oberfläche des zu reparierenden feuerfesten Körpers zu bringen, ist es das Pulvergemisch zusammen mit einem sauerstoffhaltigen Gas zu schleudern. Im allgemeinen wird empfohlen, das Schleudern von Teilchen in Gegenwart einer hohen Kon­ zentration von Sauerstoff durchzuführen, z. B. durch Verwendung von Sauer­ stoff von handelsüblicher Qualität als Gasträger. Auf diese Weise wird leicht eine Reparaturmasse gebildet, die an der Oberfläche haftet, auf welche die Teilchen geschleudert werden. Wegen der sehr hohen Temperaturen, die die keramische Schweißreaktion erreichen kann, kann sie Schlacke durchdringen, die an der Oberfläche des zu behandelnden feuerfesten Körpers vorhanden sein kann, und sie kann die Oberfläche in solcher Weise erweichen oder schmelzen, daß eine gute Bindung zwischen der behandelten Oberfläche und der neu gebildeten feuerfesten Reparaturmasse erzeugt wird.

Dieses Verfahren wird bequem unter Verwendung einer Lanze ausgeführt. Eine geeignete Lanze zur Verwendung im Verfahren der Erfindung umfaßt eine oder mehrere Auslässe für die Abgabe des Pulverstroms, gegebenenfalls zu­ sammen mit einem oder mehreren Auslässen für zusätzliches Gas. Für Repa­ raturen, die in einer heißen Umgebung durchgeführt werden, können die Gas­ ströme aus einer Lanze abgegeben werden, die gekühlt wird, indem fluides Medium durch sie zirkuliert. Eine solche Kühlung kann leicht erreicht werden indem man eine Lanze mit einem Wassermantel versieht. Solche Lanzen eignen sich für das Sprühen von Pulver in Mengen von 30 bis 500 kg pro Stunde.

Um die Bildung eines regulären Strahls von Pulver zu erleichtern umfassen die feuerfesten Teilchen vorzugsweise praktisch keine Teilchen mit einer Größe von mehr als 4 mm, noch bevorzugter nicht mehr als 2,5 mm.

Die Erfindung eignet sich besonders für die Reparatur oder Instanhaltung von Stahlgießpfannen, da sie rasch bei einer hohen Temperatur zwischen Pfan­ nenchargen durchgeführt werden kann, weil die feuerfesten Körper, welche Teil solcher Stahlgießpfannen bilden, besonders durch Kontakt mit geschmol­ zenen Metall und Schlacke angegriffen werden. Die Region, welche die größte Reparatur erfordert, neigt die Linie der Flüssigkeitsoberfläche zu sein.

Die Erfindung wird nun in den folgenden nicht-beschränkenden Beispielen näher beschrieben.

Beispiel 1

Eine feuerfeste Reparaturmasse wird auf einer Wand der Auskleidung auf Magnesiumoxidbasis einer Stahlgießpfanne gebildet. Ein Gemisch von feuerfe­ sten Teilchen und Brennstoffteilchen wird auf diese Ziegel geschleudert. Die Temperatur der Wand ist etwa 850°C. Das Gemisch wird in einer Menge von 150 kg pro Stunde in einem Strom von reinem Sauerstoff geschleudert. Das Gemisch hat die folgende Zusammensetzung:

MgO
87 Gew.-%
SiC	5 Gew.-%
Si	4 Gew.-%
Al	4 Gew.-%.

Die MgO-Teilchen haben eine maximale Abmessung von etwa 2 mm. Die Sili­ ciumcarbidteilchen haben eine Teilchengröße von 125 µm mit einer durch­ schnittlichen Abmessung von 57 µm. Die Siliciumteilchen und die Aluminium­ teilchen haben eine maximale Abmessung unterhalb 45 µm.

Beispiel 1A (Vergleich)

Zum Vergleich wurde die gleiche Reparatur in der gleichen Weise, wie in Beispiel 1 beschrieben, durchgeführt, jedoch unter Verwendung eines Pulver­ gemischs der folgenden Zusammensetzung:

MgO
92 Gew.-%
Si	4 Gew.-%
Al	4 Gew.-%.

Die scheinbare Dichte und die Oberflächenporosität (d. h. die offene Porosität) der in den Beispielen 1 und 1A gebildeten feuerfesten Reparaturmassen wur­ den gemessen, und die Ergebnisse waren wie folgt:

In einer Modifikation von Beispiel 1 kann ein aluminiumoxidhaltiger feuerfester Körper in entsprechender Weise repariert werden, wobei jedoch die Magnesi­ umoxidteilchen im Pulvergemisch durch die gleichen Mengen Aluminium­ oxidteilchen der gleichen Körnung ersetzt werden.

Beispiele 2 bis 4

Feuerfeste Reparaturmassen werden auf einer Wand der Auskleidung auf Magnesiumoxidbasis einer Stahlgießpfanne gebildet. Gemische von feuerfe­ sten Teilchen und Teilchen von Brennstoff werden auf diese Ziegel geschleu­ dert. Die Temperatur der Wand beträgt etwa 850°C. Die Gemische werden in einer Menge von 60 kg pro Stunde in einem Strom von reinem Sauerstoff geschleudert. Die Gemische hatten die folgenden Zusammensetzungen (Gew.-%):

Die MgO-Teilchen haben eine maximale Abmessung von etwa 2 mm. Die Siliciumcarbidteilchen haben eine Teilchengröße von 125 µm mit einer Durch­ schnittsabmessung von 57 µm. Die Siliciumteilchen und die Aluminiumteil­ chen haben eine maximale Abmessung unterhalb 45 µm.

Die scheinbare Dichte und die Oberflächenporosität (d. h. offene Porosität) der in den Beispielen 2 bis 4 gebildeten feuerfesten Reparaturmassen wurden gemessen, und die Ergebnisse waren wie folgt:

Beispiel 5

Ein keramisches Schweißpulver umfaßt die folgende Zusammensetzung (Gew.-%):

Aluminiumoxid|87%
Siliciumcarbid	5%
Aluminium	6%
Magnesium	2%

Das verwendete Aluminiumoxid war ein Elektrokorund. Das Aluminiumoxid hatte eine nominelle maximale Korngröße von 700 µm, das Siliciumcarbid hatte die gleiche Körnung, wie in Beispiel 1 oben angegeben, die Aluminium­ teilchen hatten eine maximale Abmessung unterhalb 45 µm, und die Magnesi­ umteilchen hatten eine maximale Abmessung von 75 µm.

Das obige Pulvergemisch kann, wie in Beispiel 1 beschrieben, zur Reparatur eines Corhart (Warenzeichen) Zac feuerfesten Blocks (Zusammensetzung: Aluminiumoxid/Zirkon/Zirkonoxid) in einem Glasschmelzwannenofen unterhalb des Spiegels der Arbeitsoberfläche der Schmelze benutzt werden, nachdem die Wanne teilweise geleert wurde um Zugang zur Reparaturstelle zu geben.

Claims (10)

1. Verfahren zur Reparatur eines feuerfesten Körpers auf Oxidbasis durch Schleudern eines Pulvergemisches gegen eine Oberfläche dieses Kör­ pers bei einer erhöhten Temperatur und in Gegenwart von Sauerstoff, wobei dieses Pulvergemisch feuerfeste Oxidteilchen und Brennstoffteil­ chen enthält, welche in exothermer Weise mit dem Sauerstoff unter Bildung eines feuerfesten Oxids reagieren, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffteilchen ausgewählt sind aus Magnesium, Aluminum, Silicium und Gemischen davon, und daß das Pulvergemisch zusätzlich bis zu 10 Gew.-% Siliciumcarbidteilchen enthält.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Gehalt an Siliciumcarbid in diesem Pulvergemisch wenigstens 1 Gew.-% beträgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Siliciumcarbid eine Teilchengröße von weniger als 200 µm hat.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die feuerfesten Oxidteilchen wenigstens ein Oxid enthalten aus welchem der feuerfeste Körper gebildet ist.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der feuerfeste Oxidkörper aus aluminiumoxidhaltigen Körpern und magnesiumoxidhaltigen Körpern gewählt ist.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß ein Hauptteil des Pulvergemischs aus feuerfesten Oxidteilchen gebildet ist, die aus Magnesiumoxid, Aluminiumoxid und Gemischen davon gewählt sind.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der zu reparierende feuerfeste Körper Teil einer Stahlgießpfanne ist.

8. Pulvergemisch für die Reparatur von feuerfesten Körpern auf Oxidba­ sis, wobei das Gemisch enthält:

• - 80 bis 95 Gew.-% feuerfeste Teilchen, die ein feuerfestes Oxid enthalten, und
• - 5 bis 20 Gew.-% Brennstoffteilchen, die in exothermer Weise mit dem Sauerstoff unter Bildung eines feuerfesten Oxids reagie­ ren,

dadurch gekennzeichnet, daß diese Brennstoffteilchen ausgewählt sind aus Magnesium, Aluminium, Silicium und Gemischen davon, und daß die feuerfesten Teilchen bis zu 10 Gew.-%, bezogen auf Gesamtge­ misch, Siliciumcarbidteilchen umfassen.

9. Pulvergemisch nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß es

• - 80 bis 94 Gew.-% feuerfeste Teilchen, ausgewählt aus Teilchen von Aluminiumoxid, Magnesiumoxid und Gemischen davon,
• - 1 bis 5 Gew.-% Siliciumcarbidteilchen, und
• - 5 bis 15 Gew.- % Brennstoffteilchen enthält.