PROCESS FOR INCREASING THE LIFE OF REFRACTORY LININGS FOR METALLURGICAL FURNACES

Abstract: 1. Process for improving the durability of refractory linings of metallurgical furnaces for the melting and holding warm of, in particular, iron and steel, a powder mixture of the following composition. 40 to 80% by weight of the same material of which the lining consists, and 60 to 20% by weight, as the remainder, of a natural and/or synthetic alkali metal and/or alkaline earth metal compound, the melting point of which is more than 300 degrees C below that of the lining material and which, when mixed with the lining material, has a melting point (liquidus temperature) lying between the melting point of the lining material and that of the alkali metal and/or alkaline earth metal compound, including usual proportions of additives, being applied to those newly lined surfaces of the lining which face the furnace interior and being heated there to at least its melting point (liquidus temperature).

Description: Verfahren zur Verbesserung der Haltbarkeit feuer fester Zustellungen von metallurgischen Ofen Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbesserung der Haltbarkeit feuerfester Zustellungen von metallurgischen Ofen zum Schmelzen und Warmhalten, insbesondere von Eisen und Stahl und ein dafür geeignetes Versiegelungsgemisch. Aus den Beobachtungen und wissenschaftlichen Untersuchungen ergibt sich, dass die Lebensdauer einer feuerfesten Zustellung ganz entscheidend von Vorgängen beeinflusst wird, die in der ersten Zeit nach Inbetriebnahme des Ofens nach seiner Neuzustellung, d.h. beim ersten Kontakt der feuerfesten "jungfräulichen" Zustellung mit flüssigem Metall ablaufen. Bei diesen Vorgängen und Reaktionen hat die Entstehung von Metalloxiden in und auf der Metallschmelze und deren Eindringen in die Oberfläche der Zustellung und ihre Reaktion mit dem Zustellungsmaterial überragende Bedeutung. Bei Einsatz festen Metalls in einen Schmelzofen wird besonders viel Rost und Zunder eingebracht, wenn die Oberfläche des Metalleinsatzes gross ist. Das ist beim Einsatz von Stanzabfällen, Spänen, kleinstückigem Schrott oder dergleichen der Fall. Der durch den Einsatz hindurch rieselnde Rost führt zu lokal verstärkter Verschlackung und Tränkung des Futters im Unterofen. Bei kaltem Einsatz, beispielsweise in einen Drehtrommelofen, wird schon während des Beschickens ein Rostabrieb erzeugt, der durch die Beschickung hindurch in dem geneigten Ofen auf die tiefste Stelle hindurchrieselt. Bei Inbetriebnahme des Ofens, d.h. nach Einschalten der Brenner zum Aufheizen des kalten Einsatzes wird ausserdem eine grosse Menge von Zunder gebildet. Wenn wie üblich nach einer gewissen Vorwärmperiode der Ofen in schaukelnde bzw. drehende Bewegung gesetzt wird, wird dieser Zunder abgerieben und rieselt ebenfalls auf die bei Neuzustellung noch "jungfräuliche" Oberfläche der feuerfesten Zustellung. Gleiche Vorgänge spielen sich in Schmelzöfen, wie Tiegelöfen, Lichtbogen öfen, Flammöfen und dergleichen ab. Die aus körnigen Haufwerken aus feuerfesten Materialien durch Stampfen, Rütteln oder ähnliche Verdichtungsmassnahmen gebildeten feuerfesten Zustellungen von metallurgischen öfen werden zur Inbetriebnahme in situ gesintert. Die Körner werden oberflächlich angeschmolzen und verkleben miteinander. Man wählt ein Kornspektrum, das eine sehr hohe Packungsdichte sichert. Dadurch kann aber nur eine Annäherung an den monolithischen Zustand der Zustellung erreicht werden. In jedem Fall ist die Zustellung nach dem Sintern sowohl an ihrer Oberfläche als auch im Innern porös. Die Kornzwischenräume, d.h. das Porenvolumen, beträgt in der Regel mindestens etwa 20 bis 258. In diese Poren dringen Metall und Schlacke im Laufe der ersten Stunden nach Inbetriebnahme des Ofens ein. Bei intermittierendem Betrieb, d.h. beim Abkühlen und Wiederaufheizen, aber auch beim Chargieren von kaltem, insbesondere grobstückigem Metall auf die heisse Zustellung kommt es zu Rissen an der Oberfläche. Diese Risse werden bei der Er wärmung zwar wieder zugedrückt, und sie werden bei weiterem Betrieb auch durch Tränkung mit Schlackenbestandteilen rein physikalisch gesehen wieder geschlossen. Die hierbei unvermeidlichen chemischen Reaktionen der eindringenden Schlackenbestandteile mit dem Zustellungsmaterial führen jedoch zu lokalen Angriffen. An diesen Stellen wird im allgemeinen ein starkes Vordringen der Tränkung, Infiltration, Korrosion und Erosion der Zustellung beobachtet, was schliesslich zur Ausserbetriebnahme des Ofens führt. Den verwendeten keramischen Massen wird meist ein geeignetes Sinterhilfsmittel zugesetzt. Bei Quarzitmassen ist dies in der Regel Borsäure oder Borsäureanhydrit. Bei basischen Massen wird im allgemeinen eine Ton- oder auch Phosphatbindung praktiziert. Damit wird der Zweck verfolgt, das Anschmelzen (Sintern) der Körner des feuerfesten Zustellungsmaterials zu erleichtern. Durch die den feuerfesten Massen zugemischten Sinterhilfsmittel wird aber die Porosität der Zustellung nicht verringert. Bisherige Bemühungen, die Haltbarkeit einer feuerfesten Zustellung deutlich zu verbessern, betreffen in erster Linie eine Begrenzung der in der feuerfesten Masse zuzulassenden Flussmittel, z.B. Alkalien. Diese Gehalte sind im allgemeinen auf maximal 0,2 begrenzt (vgl. z B. J. Sczimarowsky und U. Agst: Die feuerfesten Baustoffe 1967, dort z.B. S. 121, sowie Svenska Silika, Stampfmassen-Tagung 1976, Düsseldorf, dort S. 44, Tabelle 2, S. 201. Ferner K.-H. Brockmeier, Induktives Schmelzen, BBC 1966, Mannheim, dort S. 79). Dadurch soll die Hitzebeständigkeit der Zustellung erhöht werden. Seit Beginn der industriellen Erschmelzung von Metallen in Öfen ist das Ofenfutter durchweg so aufgebaut, dass die Stoffe bzw. Schichten mit dem höchsten Schmelzpunkt, also mit der höchsten Feuerfestigkeit, an der zum Metall hingewandten Seite der Ofeninnenwand angeordnet sind. Niedriger schmelzende Grundmaterialien, die dann auch weniger kostspielio sind, werden dahinter angeordnet, und schliesslich wird nach aussen hin zur tragenden Konstruktion im allgemeinen mit Isoliermaterialien gearbeitet, die den niedrigsten Schmelzpunkt und die geringste Feuerfestigkeit haben. Diese Vorgehensweise ist schon in der Literatur des 19. Jahrhunderts verankert, beispielsweise "Handbuch der Eisen- und Stahlgiesserei" von C. Geiger, Springer-Verlag, Berlin 1911 bzw. 1928, aber auch in der neueren Literatur, z.B. Docenko, V.I.: Litejnoe proizvodstvo 1979, Nr. 11, S. 32/33. Zur Erhöhung der Haltbarkeit von Drehtrommelofenfutter ist eine Methode vorgeschlagen worden, die unter dem Namen "hot fritting" bekannt wurde. Hierzu wird eine hochschmelzende Masse in den Ofen eingebracht und sodann der 0 Ofen auf Temperaturen erhitzt, die um 100-150 C über der normalen Betriebstemperatur liegen. Dabei wird die eingebrachte Masse teigig und bedeckt ein Segment des Drehtrommelofens in Längsrichtung der Achse. Dieser Vorgang muss sooft wiederholt werden, bis das Innere eines Drehtrommelofens mit lauter solchen Auflagen in Längsrichtung der Achse bedeckt ist. Der Ofenquerschnitt hat dann nicht mehr kreisrunde Form, sondern die Gestalt eines Polygons. Das Aufbringen einer derartigen hochschmelzenden Masse ist nicht durch Drehen des Ofens möglich, weil sich die zähflüssige Masse beim Drehen vom Untergrund ablösen würde und dann als "Wurst" im Ofen liegen bliebe. Das Einbringen so hochschmelzender Massen zur Innenauskleidung ist im übrigen mit einem unverhältnismässig hohen Energieaufwand verbunden. (W. J. Roscow, Brit. Foundrym. 69 (1976) Nr. 4, S. 81/88.) Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein einfaches und wirksames Verfahren zur Verbesserung der Haltbarkeit von feuerfesten Zustellungen metallurgischer Öfen für schmelzflüssiges Metall zu schaffen und ein geeignetes Versiegelungsmaterial anzugeben. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die in den Ansprüchen gekennzeichneten Massnahmen gelöst. Grundgedanke der erfindungsgemässen Lösung ist eine Versiegelung der an sich porösen Oberfläche der feuerfesten Zustellung durch ein geeignetes Material. Erfindungsgemäss werden zur Versiegelung niedrig schmelzende Stoffe bzw. Stoffgemische verwendet, die mit dem feuerfesten Material der Zustellung unter starker Schmelzpunkterhöhung der Reaktionsprodukte an der Grenzfläche reagieren. Die Auswahl hat dabei insbesondere zu berücksichtigen, dass zwischen dem feuerfesten Material der Zustellung einerseits und den aufzubringenden Stoffen durch Reaktion nicht niedriger schmelzende Eutektika den Schmelzvorgang bestimmen. Wenn nämlich diese bei üblichen keramischen für die Benutzung als Geschirr vorgesehenen Erzeugnissen durchaus gewünschten Schmelzpunkterniedrigungen auftreten würden, müsste mit einem teilweisen oder vollständigen Abfliessen der Auftragsschicht gerechnet werden und ein enormer Angriff auf das Futter dort auftreten, wo die abfliessenden Massen sich sammeln. Die zu verwendenden Versiegelungsmaterialien müssen ferner guten Widerstand gegen die Entstehung von Wärmespannungsrissen aufweisen. Die nach der Erfindung zur Anwendung kommenden Versiege lungsmaterialien, nämlich als eine Komponente der Pulvermischung dasselbe Material, aus dem die Zustellung besteht, und als zweite Komponente eine mit diesem reaktionsfähige Alkali- und/oder Erdalkaliverbindung mit einem um mehr als 3000 C unterhalb dem Schmelzpunkt des Zustellungsmaterials liegenden Schmelzpunkt, erfüllen insbesondere die Forderung nach guter Haftfestigkeit auf der Oberfläche der Zustellung, wobei ein Teil des zuerst flüssig werdenden Bestandteils der Auftrags-Pulvermischung in die Poren an der Oberfläche der Zustellung eindringt, der die sich auf der Oberfläche der Zustellung aufbauende Versiegelungsschicht an der Zustellung verankert. Ein entscheidender Vorteil ergibt sich bei Anwendung des erfindungsgemässen Verfahrens dadurch, dass sich die Versiegelungsschicht auf der dem Metall zugewandten Oberfläche der Zustellung quasi selbst erhält. Zwar wird auch die nach dem erfindungsgemässen Verfahren aufgebrachte Versiegelungsschicht nach und nach abgetragen, jedoch geschieht dies einmal sehr gleichmässig, und vor allem dringt der bei niedrigerer Temperatur als die feuerfeste Zustellung schmelzende Bestandteil aus der Versiegelungsschicht und der beim Aufbringen der Versiegelungsschicht bereits in die Poren an der Oberfläche der Zustellung eingedrungene Teil in dem Masse tiefer in die Zustellung ein wie sich die Temperatur in der Zustellung durch höhere Betriebstemperaturen im Ofen und/oder durch Verschleiss erhöht, so dass die jeweils an der Oberfläche der Zustellung befindlichen Poren von dem Versiegelungsgemisch stets verschlossen bleiben. Dadurch dringen auch bei längerer Betriebszeit des Ofens Metalloxide und Schlacke nicht in die Zustellung und können nicht die bekannte zerstörende Wirkung auf die Zustellung ausüben. Dieser Vorteil drückt sich in einer um etwa das 10fach erhöhten Lebensdauer einer nach dem erfindungsgemässen Verfahren hergestellten Ofen-Zustellung aus. Während die Futterhaltbarkeiten bei bestimmten Betriebsbedingungen zwischen 20 und 40 Chargen lagen, können unter sonst gleichen Bedingungen nach dem erfindungsgemässen Verfahren zugestellte Öfen 450 bis 520 Chargen überdauern. Das erfindungsgemässe Verfahren weicht von vorerwähnten bisher praktizierten Zustellungsverfahren insofern grundlegend ab, als auf der dem Metall zugewandten Fläche nach der Erfindung eine Schicht aus einem bei wesentlich niedrigerer Temperatur als die Zustellung schmelzenden Material aufgebracht wird. Dagegen hat man wie schon erwähnt bisher die innerste Schicht immer aus dem höchstschmelzenden Material hergestellt. Auch gegenüber Temperaturwechsel ist eine nach dem erfindungsgemässen Verfahren hergestellte Versiegelungsschicht sehr widerstandsfähig. Dies wird damit erklärt, dass die in der Grenzschicht, also in der heissesten Zone, vorhandene flüssige oder teigige Phase die Spannungen abbaut, die normalerweise zum Platzen oder Reissen der Zustellungs Oberfläche führen. Selbst wenn solche versiegelten Oberflächen anreissen, wird doch beim Wiederaufheizen durch die früher schmelzende Komponente des Versiegelungsgemisches erneut eine Bindung hergestellt, die die Risse schliesst. Für die Auswahl der Stoffe, Alkali- und/oder Erdalkaliverbindungen, die in Verbindung mit dem Material, aus dem die Zustellung besteht, das Versiegelungsgemisch bilden gibt es eine Reihe von Möglichkeiten, wobei bevorzugte Kombinationen der die Pulvermischung bildenden Komponenten nach Menge und Zusammensetzung in den Ansprüchen angegeben sind. Durch Reaktion der Pulverkomponenten nach Erhitzen auf den unterhalb des Schmelzpunkts des Zustellungsmaterials liegenden Schmelzpunkt (Liquidus-Temperatur) friert das Versiegelungsgemisch an der Oberfläche der Zustellung an, wobei der früher schmelzende Bestandteil teilweise in die Oberfläche der Zustellung eindringt. Bevorzugt wird die Versiegelungsschicht derart erzeugt, dass das Versiegelungs-Pulvergemisch mit dem Hauptanteil ihrer Komponenten im Kornspektrum von 1 bis 3 mm in kaltem Zustand auf die heisse Oberfläche der Zustellung aufgebracht wird. Am geeignetsten ist es dabei, die Versiegelungsschicht unmittelbar anschliessend an das Sintern der Zustellung zu erzeugen, wenn die Zustellung noch heiss ist und das kalt aufgebrachte Versiegelungs-Pulvergemisch zum Schmelzen bringt. Es ist dann auch keine zusätzliche Energie zum Aufschmelzen der Versiegelungsschicht erforderlich. Die Temperatur, bei der die Versiegelungsschicht aufgeschmolzen wird, hängt massgeblich vom Material der Zustellung ab. Bei Quarzit werden Temperaturen von 1300 bis 1400 C, bei basischem Futter, wie Magnesit und bei neutralem Futter, wie Korund, werden etwas höhere Temperaturen von etwa 14500 C eingestellt. Das Versiegelungsgemisch kann auch mit Hilfe von Wasserglas auf die Aussenwand einer Zustellungsschablone aufgebracht werden. Danach wird die Zustellung wie üblich mit Schablone gesintert. Bei dieser Sinterung schmilzt das auf die der Zustellung zugewandten Fläche der Schablone aufgebrachte Versiegelungsgemisch auf und verbindet sich mit der Oberfläche der Zustellung. Besonders kostengünstig ist die Verwendung einer Zustellung aus Quarzit und/pder Klebsand in Verbindung mit einem Versiegelungsgemisch aus 60 bis 70% Quarzit und/oder Klebsand und 30 bis 40% als Rest Alkalisilikate enthaltende preiswerte zerkleinerte Glasabfälle. Anstelle der genannten Gesteine und Abfallstoffe mit üblichen durch die geologischen Verhältnisse oder die Technologie des Herstellungsprozesses vorgegebenen Verunreinigungen und Begleitstoffen, wobei die Summe der Metalloxide allerdings auf maximal 5% zu beschränken ist, können natürlich auch die Verbindungen zur Verwendung kommen, aus denen sie bestehen.

Claims: Ansprüche 1. Verfahren zur Verbesserung der Haltbarkeit feuerfe ster Zustellungen von metallurgischen Öfen zum Schmel zen und Warmhalten, insbesondere von Eisen und Stahl, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass eine Pulvermischung folgender Zusammensetzung: 40 bis 80 Gew.-% desselben Materials, aus dem die Zu stellung besteht, und 60 bis 20 Gew.-% als Rest einer natürlichen und/oder synthetischen Alkali- und/oder Erdalkaliverbindung, deren Schmelzpunkt mehr als 3000 C unterhalb des jenigen des Zustellungsmaterials liegt und die in Mi schung mit dem Zustellungsmaterial einen zwischen dem Schmelzpunkt des Zustellungsmaterials und dem der Alkali- und/oder Erdalkaliverbindung liegenden Schmelz punkt (Liquidus-Temperatur) hat, einschliesslich üb licher Anteile von Pegleitstoffen auf die dem Ofeninnern zugewandten neuzugestellten Flächen der Zustellung aufgebracht und dort mindestens auf ihren Schmelzpunkt (Liquidus-Temperatur) erhitzt wird. 2. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h ne t , dass ein 10 bis 60% Alkali und/oder Erdalkaliverbindungen enthaltender Stoff verwendet wird, dessen Schmelzpunkt mindestens 6000 C niedriger liegt als der des Zustellungsma terials. 3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die auf die Oberfläche der Zustellung aufgebrachte Pul vermischung auf eine um etwa 1000 C über ihrem Schmelzpunkt (Liquidus-Temperatur) liegende Tempe ratur erhitzt wird. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die kalte Pulvermischung auf die heisse Oberfläche der ge sinterten Zustellung aufgebracht wird. 5. Verfahren nach Anspruch 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass unmittelbar nach dem Sintern der Zustellung die Pulvermischung auf die noch heisse Oberfläche der Zustellung aufgebracht wird. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Hauptanteil beider Komponenten der Pulvermischung im Kornspektrum zwischen 1 und 3 mm liegt. 7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die 2 Pulvermischung in einer Menge von 5 bis 10 kg je m2 Oberfläche der Zustellung aufgebracht wird. 8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass eine Aufbauschicht von 1 bis 2 mm und eine 5 bis 10 mm tiefe Eindringschicht erzeugt wird. 9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass bei einer aus Quarzit bestehenden Zustellung eine Pul vermischung aus 40 bis 70 Gew.-t Quarzit und Rest in Form von Alkalisilikat enthaltenden zerkleinerten Glasabfällen verwendet wird. 10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass bei einer Zustellung aus Magnesit eine Pulvermischung aus 40 bis 60 Gew.-% Magnesit und Rest zu gleichen Teilen aus Talk (Steatit) und Bauxit jeweils in kalziniertem Zustand verwendet wird. 11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass bei einer Zustellung aus Korund eine Pulvermischung aus 40 bis 60 Gew.-% Korund und Rest Wollastonit oder zu gleichen Anteilen Bauxit und Enstatit oder andere Silikate aus der Gruppe der Pyroxene, Amphibole, Serpentine oder Zeolithe jeweils im kalzinierten Zu stand verwendet wird. 12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass bei einer Zustellung aus Mullit eine Pulvermischung aus 40 bis 70 Gew.-% Mullit und Rest Enstatit oder andere Silikate aus der Gruppe der Pyroxene, Amphibole, Serpentine oder Zeolithe im kalzinierten Zustand ver wendet wird. 13. Pulvermischung zur Verbesserung der Haltbarkeit feu erfester Zustellungen von metallurgischen Öfen zum Schmelzen und Warmhalten, insbesondere von Eisen und Stahl, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h folgende Zusammensetzung: 40 bis 80 Gew.-% desselben Materials, aus dem die Zu stellung besteht, und 60 bis 20 Gew.-% als Rest einer natürlichen und/oder synthetischen Alkali- und/oder Erdalkaliverbindung, deren Schmelzpunkt mehr als 3000 C unterhalb des jenigen des Zustellungsmaterials liegt und die in Mi schung mit dem Zustellungsmaterial einen zwischen dem Schmelzpunkt des Zustellungsmaterials und dem der Alkali- und/oder Erdalkaliverbindung liegenden Schmelz punkt (Liquidus-Temperatur) hat, einschliesslich üb licher Anteile von Begleitstoffen. 14. Pulvermischung nach Anspruch 13, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass sie 10 bis 60 Gew.-% eines Alkali- und/oder Erdalkaliverbindungen enthal tenden Stoffes enthält, dessen Schmelzpunkt mindestens 6000 C niedriger liegt als der des Zustellungsmaterials. 15. Pulvermischung nach einem der Ansprüche 13 oder 14, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass beide Komponenten im Kornspektrum zwischen 1 und 3 mm vorliegen. 16. Pulvermischung nach einem der Ansprüche 13 bis 15 zur Verbesserung der Haltbarkeit einer Zustellung aus Quarzit, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass sie aus 40 bis 70 Gew.-% Quarzit und Rest aus Alkalisilikat enthaltenden zerkleinerten Glasabfällen besteht. 17. Pulvermischung nach einem der Ansprüche 13 bis 15 zur Verbesserung der Haltbarkeit von Magnesit-Zu stellungen, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass sie aus 40 bis 60 Gew.-% Magnesit und Rest zu gleichen Teilen aus Talk (Steatit) und Bauxit jeweils im kalzinierten Zustand besteht. 18. Pulvermischung nach einem der Ansprüche 13 bis 15 zur Verbesserung der Haltbarkeit einer Zustellung aus Korund, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass sie aus 40 bis 60 Gew.-% Korund und Rest Wollastonit oder zu gleichen Anteilen Bauxit und Enstatit oder andere Silikate aus der Gruppe der Pyroxene, Amphibole, Serpentine oder Zeolithe je weils im kalzinierten Zustand besteht. 19. Pulvermischung nach einem der Ansprüche 13 bis 15 zur Verbesserung der Haltbarkeit einer Zustellung aus Mullit, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass sie aus 40 bis 70 Gew.-% Mullit und Rest Enstatit oder andere Silikate aus der Gruppe der Pyroxene, Amphibole, Serpentine-oder Zeolithe jeweils im kalzinierten Zustand besteht.

Inventors: ORTHS, KURT, DR.
Applicants: BUCHHOLZ & CIE., FIRMA CHRISTIAN HELBLING, GEBR. PFEIFFER AG, GIENANTH-WERKE HOCHSTEIN AG, GIESSEREI TRIKES GMBH, ROMHELD & MOELLE GMBH
Application year: 1983
Main classification: F27D1
IPC codes: C04B35, F27B7, F27B1, F27D1