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Verfahren zur Herstellung von leicht zu zerkleinernden, feinkristallinen
Stücken aus geschmolzenen und wieder erstarrten Metalloxyden Die Erfindung betrifft
ein neues VerfpLhren zur Herstellung von leicht zu zerkleinernden, feinkristallinen
Stücken aus gesch:rolzenen und wieder erstarrten, weitgehend kieselsäurefreien Metalloxyden,
beispielsweise aus Korund" Zirkonkorund, Mullit, Chrommagnesia und Spinell.
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D e se Metalloxyde werden als gekörnte Werkstoffe gleicher oder unterschiedlicher
Korngröße in der keramischen Industrie verwendet, um die Widerstandsfähigkeit von
feuerfesten Formkörpern gegen den Angriff von Schmelzen und Metalldämpfen zu steigern
und die Feuerfestigkeit zu erhöhen. Körnungen aus Schmelzkorund und Zirkonkorund
haben außerdem regen ihrer Härte eine große Bedeutung für die Schleifmitteli.ndustrie.
Damit diese Eigenschaften der feuerfester.. Formkörper tatsächlich auch immer erreicht
werden, ist eine gleichbleibende Qualität sowie eine feinkristalline Struktur und
äußerst geringe Porosität der gekörnten Werkstoffe erforderlich.
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Bekanntlich durchläuft eine Metalloxydschmelze beim Abkühlen ein Kristallisationsmaximum?
die Größe der gebildeten
Kristalle ist von der Verweilzeit in diesem
Maximum ahhZ#ngig. Da aber heim Abkühlen der Schmelze der Kern langsamer erstarrt
als die Randschichten, ist die t?err:eilzeit im Kristallisationsmaximum unterschiedlich,
und die Kristalle wachsen im Kern weiter, his die untere Temperaturgrenze des Kristallisationshereiches
erreicht ist. Hierauf ist zurückzuführen, daß im Kern vorzugsweise ein grohkristallines
und in der Randschicht ein feinkristallines Gefüge entsteht, deren Unterschiede
die Qualität der Werkstoffe ungünstig beeinflussen. Deren homogenes Gefüge wird
weiterhin dadurch beeinträchtigt, daß die aus den Verunreinigungen der Rohstoffe
entstehende Matrix vor der Kristallisationsfront nach innen wandert und sich dort
ansammelt. Enthält die Schmelze mehrere Metalloxyde, so haben die erstarrten Gußstücke
Bereiche unterschiedlicher Zusammensetzung, da die Schmelze an dem Metalloxyd verarmt,
das zuerst auskristallisiert. Auch hierrei schreitet die Entmischung von außen nach
irren derart fort, daß im Kern eine Restschmelze anderer Zusammensetzung verbleibt,
Ein weiterer Nachteil ist darin zu sehen, daß manche Schmelzer. stark ausgasen,
so daß ein porenhaltiges Gefüge entsteht.
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Es muß außerdem berücksichtigt werden, daß auch die chemische Zusammensetzung
der Schmelze beim Abkühlen häufig eine entscheidende Rolle spielt, selbst wenn deren
Einfluß bei den Metalloxyden nicht so ausgeprägt ist wie hei den Caleium-Aluminium-Silikaten,
zu deren die Hochofenschlacke gehört und die mit den Gläsern verwandt sind; denn
bei dielen bildet sich bei schneller Abkühlung eine glasartige Struktur aus.
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Ein feinkristallines Gefüge ist an sich anzustreben, weil dadurch
Hirte und Widerstandsfähigkeit der Werkstoffe gegen chemische und mechanische Einflüsse
erhöht wird. Dieses feinkristalline Gefüge erschwert aber das Zerkleinern
der
erstarrten Schmelze ganz erheblich. Während nämlich glasartig erstarrte Schmelzen
temperaturwechselempfindlich sind und infolgedessen bei der Abkühlung leicht zerspringen,
sind kristallin erstarrte Schirelzen x-esentlich widerstandsfähiger. Bei diesen
sind indessen die grotkristallinen weniger fest und zerspringen beim Abkühlen leichter
als die feinkristallinen erstarrten Schmelzen. Gekörnte feuerfeste Metalloxyde stellt
man bisher meist so her. daß man einen großen Bleck von mehreren Tonnen Gewicht
schm:i-lzt und auf diesen eine schwere Eisenbirne aus großer Höhe viele Male fallen
läßt. Die abgesprengten Teile zerschlägt man mit einem Vorschlaghammer bis zu der
Grcße, die vom Backenbrecher tewältigt werden kann. A.a`i@'= ießerÜ t-zerden brauchbare
Stücke aussortiert.
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Bei. den Calcium-Illurninium-Silikaten ist es außerdem bekannt. Hochofenschlacke,
die für die Zementherstellung Lest immt ist, in eine Kokill- zu gießen, deren Querschnitt
so ausgetildet ist, daß die ganze Masse in glasigem Zustand erkaltet und hierbei
durch Spannungsauslösung eire weitgehende Zerspii.terung eintritt Weiterhin ist
es bekannt, die Schlacke, wenn sie für Baustoffe verwendet werden soll. auf einem
Gießbett in dünner Schicht von etwa 2'3 cm Stärke auszugießen und anschließend zu
Schotter zu =per arteten.
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ras Erstarren einer Schmelze in Form eines großen Blöckes hat den
Nachteil, daß der Kern infolge des großen ttes unter der Einuirkung des Lichtbogens
heiß bleibt und nur langsam erstarrt, während die Randschichten, bewcnderG wenn
sie gekühlt werden, um den Eisenmantel des Schmelzgefäßes vor einem Durchbruch zu
schützen, schnell erstarren. Auf diese Weise entsteht in den Randschichten e_n feinkristallines
Gefüges das zum Kern hin in Kristalle
vvn mehr als der zehnfachen
Größe übergeht. Außerdem ist es unvermeidlich, daß sich die Zusammensetzung der
erstarrenden Schmelze durch Ausseigern der Matrix und Ausscheiden von Metalloxyden
mit höherer Kristallisationsgeschwindigkeit verändert. Auf diesem Wege ist somit
kein hcmogenes feinkrIstallIreN Gefüge zu erhalten, und man ist gezvrarger" die
minderwertigen Körnungen auszulesen und zu Jerwerfeno Wie bereits erwähnt, ist es
zwar beim Gießen von Hochofenschlacke, die zu Zement verarbeitet werden soll und
nach dem Abkühlen in überwiegend glasigem Zustand vorliegen muß, bereits bekannt.
die Schlackenschmelze in gut wärmeleitenden festen Formen in geringer, ihrer Neigung
zur Unterkühlung angepaßten Querschnitten erstarren zu lassen und weiterhin schnell
abzukühlen, so daß die ganze Masse in überwiegend glasigem Zustand erstarrt und
aufgrund der entstehenden Spannungen leicht zersplittert. Würde man aber Schmelzen,
die unter Kristallisation erstarren, derart abkühlen, so würden vom Gutkörper nur
ein paar Ecken und Kanten abspringen, da kristallisierte Stücke wesentlich temperaturwechselbeständiger
sind als Glas.
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Wie ebenfalls bereits erwähnt, ist es bekannt, die Schlacke in dünner
Schicht auf Gießbetten auszugießen, doch muß diese Schlacke dann anschließend von
Hand aufbereitet werden. Die-.
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Gesamtporosität einer solchen Schlacke liegt bei etia 24 bis 38 $;
diese Porosität ist für Metalloxyde aber viel zu hoch, da bei diesen die Gesamtporosität
beispielsweise nur 10 9d betragen darf, um die gewünschte Qualität zu erreichen.
Kurde man mehrere dünne Schichten übereinander gießen, so bestände außerdem die
Gefahr, daß die untere Schicht von neuem ausgast und daß ihre Kristalle wachsen.
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Es wurde nunmehr gefunden, daß es unter bestimmten Voraussetzungen
möglich ist, feinkristalline Stücke aus geschmolzenen
und wieder
erstarrten, weitgehend kieselsäurefreien Metalloxyden herzustellen, die sich leicht
zerkleinern lassen. Das neue Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß man die Metalloxydschmelze
in Form kleiner Gußaggregate durch vielseitiges -Abkühlen mit Zonen unterschiedlichen
Schwundes erstarren läßt.
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Mit Hilfe zweckmäßig und erfindungsgemäß gebauter Gießformen kann
man Kühlgeschwindigkeiteund Kristallisationsgeschwindigkeit so aufeinander abstimmen,
daß in den Stücken ein feinkristallines Gefüge entsteht und.'--gleichzeitig durch
vielseitiges Abkühlen mit Zonen unterschiedlichen Schirundes Spannungen erzeugt
werden, die die Stücke auseinandersprengen oder aber zumindest,ihr Zerkleinern erleichtern.
Mit dieser gesteuerten Abkühlung wird vermieden, daß man die Gußkörper ohne Rücksicht
auf den Kristallisationsfort- -schritt schnell abkühlen muß, damit sie zerspringen
oder leicht zerteilt werden können. Die Kühlgeschwindigkeit läßt sich erfindungsgemäß
so einstellen, daß die Gußkörper feinkristallin und homogen und gleichzeitig leicht
zu zerkleinern sind.
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Überraschenderweise wurde festgestellt, daß Zonen unterschiedlichen
Schwundes ausreichen, um im Gußkörper die erforderlichen Spannungen zu erzeugen,
die ihn trotz einer feinkristallinen Struktur zu sprengen vermögen. So kann man
beispielsleise Gießformen mit nichtparallelen Wänden verwenden, in denen trapezförmige
Gußkörper hergestellt werden, die auch bei langsamer Abkühlung ausreichende innere
Spannungen erhalten. Diese entstehen dadurch, daß die schmale Zone des Querschnitts
stärker schwindet und schneller abkühlt als die breite Zone. Beim Schwund bilden
sich auf der einen Seite Druckspannungen, auf der anderen Zugspannungen aus und
der Gußkörper zerspringt. Da die Einstellung der Kühlgeschwindigkeit unabhängig
von dem Entstehen dieser Spannungen möglich ist, kann das Kristallv;
achstum
nach oben begrenzt und damit die Ausbildung einer grobkristallinen Struktur vermieden
werden.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand einiger einfacher Beispiele
im Zusammenhang mit der Zeichnung erläutert. Zn Fig. 1 ist ein Formkörper dargestellt,
der aus einer Korundschmelze gegossen wurde, die bei der Abkühlung von 2000°v auf
Raumtemperatur mit einem Schund von 1,8 % erstarrt. Zwischen der oberen und der
unteren Zone des Formkörpers liegt dann im Querschnitt, wenn die obere Kante (a)
400 mm die untere Kante (b) 200 mm mißt, eine Schwunddifferenz von 3,6 mm (0,018x
200j vor, wodurch im Formkörper ein durchgehender Riß entsteht; die Kante (a) klafft
um diesen Betrag auseinander. Da Korundformkörper eine sehr hohe innere Festigkeit
haben (Kaltdruckfestigkeit mehr als 2000 kg/cm 2), öffnet sich dieser Spalt nicht
allmählich, sondern der Körper springt infolge der inneren Spannungen. Diese werden
noch dadurch verstärkt, daß die untere Zone wegen des geringeren Raum- und Wärmeinhalts
schneller abkühlt als die obere. Man braucht den Gußkörper also nicht schnell abzukühlen,
damit er springt, sondern kann die Schmelze so erstarren lassen, daß-sie ausreichend
lange im Kristallisationsmaximum verweilt. In der Praxis zeigte es sich, daß mindestens
ein Winke. (a) des Gießquerschnitts größer sein muß als 100o, um das Zerspringen
zu sichern. Bei Schmelzen mit geringer Kristallisationsgeschwindigkeit empfiehlt
es sich, die Höhe des Trapezes des Formkörperquerschnitts zu vergrößern, während
man bei Schmelzen mit hoher Kristallisationsgeschwindigkeit die Höhe verringert,
um das Wachsen von großen Kristallen zu verhindern. Auch im Falle eventueller Ausseigerungen
sollte man die Querschnittshöhe gering halten, um das Vordringen der Kristallisationsfront
zum Zentrum zu erleichtern.
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Die Abkühlungsgeschwindigkeit der Gießform kann durch entsprechende
Isolation verringert.werden, beispielsi-:eise bei Graphitformen durch Einbetten
in Isoliermasse. Ftir schnellere Abkühlung verwendet man zweckmäßig Eisenformen,
vorzugsweise
aus Hämatiteisen. Die erhaltenen Formkörper können
im allgemeinen bereits ohne weiteres Zerkleinern dem Backenbrecher zugeführt werden.
Ihre Struktur entspricht den Anforderungen in bezug auf Homogenität und feinkristallinem
Gefüge. Man erreicht somit nicht nur eine Qualitätsverbesserung, sondern erhebliche
Arbeitsersparnis.
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Selbstverständlich wird die Qualität der Formkörper auch durch die
Beschaffenheit der Schmelze beim Abkühlen bestimmt, und deshalb sollte für ein gutes
Ausgasen gesorgt werden. Um dies zu erreichen, kann man die Gießform in Pendelschwingungen
versetzen oder in senkrechter Richtung stossen, so daß die Gasblasen aus der steifer
werdenden Schmelze herausgeschleudert werden. Letzteres lä.ßt sich in einfacher
Weise dadurch bewerkstelligen, daß man den Gießkragen während des Pendelns über
mehrere Höcker fahren läßt.
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Besonders vorteilhaft und vor allem auch platzsparend ist die in Fig.
2 und Fig. 3 dargestellte Vorrichtung. Sie besteht aus einer langgestreckten, senkrecht
stehenden,.in der Längsrichtung geteilten Gießform 1, deren Wand 2 zahlreiche Stufen
3 hat. In dieser Form entsteht somit ein Gußkörper mit zahlreichen Querschnittsänderungen,
dessen Schwund bei der Abkühlung in jeder Stufe andere Werte hat, so daß Zug- und
Druckspannungen entstehen. Darüber hinaus wird durch die bogenförmige Ausbildung
des waagerechten Querschnitts erfahrungsgemäß die Rißbildung zusätzlich gefördert.
Kühlrohre 4 sind- vorgesehen, falls die Schmelze schnell kristallisieren und ein
übermäßiges @:achsen der Kristalle zu befürchten sein sollte oder falls Entmischungen
verhindert werden sollen. Die Wasserkühlung_5 am Einlauf der Gießform soll verhindern,
daü Eisen in Lösung geht. Nach dem Erstarren und Zerspringen des Gußstranges in
einzelne Segmente wird die Wand 2 der Gießform abgehoben, z.B. durch Betätigung
von Preßluftzylindern 6, worauf die einzelnen Stücke aus der Form herausfallen.
Um das Ausgasen zu erleichtern,
kann diese Form an Rädern aufgehängt,
gependelt und dabei über Höcker gefahren werden, oder man. kann sie in an sich bekannter
Weise mit Schwingfedern ausstatten und durch einen Exzenter antreiben.
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Ein weiteres Beispiel für eine Gießform zeigt Fig. 4. Sie besteht
aus der finit einer schwenkbaren Platte 8 verschlossenen Form 7 aus Hämatiteisen
mit dem Graphiteinsatz g. Sobald die Schmelze im unteren Teil der Formerstarrt,
wird die Verschlußplatte 8 ausgeschwenkt und der aus der Form austretende Gußstrang
von den Rollen 10 aufgefangen. Diese legen sich an den Gußstrang durch äußeren Druck
an und ziehen ihn mit Hilfe eines vorgeschalteten Getriebes nach unten. Durch die
Abkühlung entstehen im Gußstrang starke Spannungen infolge Schwunddifferenzen, die
den Strang zerspringen lassen. Man kann zusätzlich noch erstarrte Schmelzabfälle
in die Schmelze geben, die sich infolge der Erwärmung ausdehnen, während sich der
Gußstrang durch die Abkühlung zusammenzieht, so daß dann erhebliche Spannungen entstehen.
Die Schmelzabfälle fördern außerdem das Entgasen der Schmelze, verhindern aber das
Ausseigern und übermäßige Wachsender Kristalle sowie die Entmischung und wirken
als Kristallisationskeime. Diese Vorrichtung ist besonders vorteilhaft für eine
kontinuierliche Verfahrensführung.
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Ähnliche Vorteile bietet die in Fig. 5 dargestellte.Gießform mit senkrechten
Wänden 11 und Kühlrohr 12, das durch Rollen 13 bewegt wird und am unteren Ende mit
dem Boden llk der Gießform verbunden ist. Das Rohr kann gegebenenfalls eine Kühlflüssigkeit
oder Berieselungseinrichtungen enthalten. Der Einlauf der Gießform ist zweckmäßig
wassergeltühlt. Der Gußstrang wird, sobald ein Teil der Schmelze erstarrt ist, mit
dem Boden 14 nach unten gezogen und zerspringt aufgrund der dabei auftretenden Spannungen.
Diese
Gießform hat den besonderen Vorteil, daß die Schmelze beim
Erstarren unmittelbar an der Stelle beeinflußt wird, die am häufigsten zu Beanstandungen
Anlaß gibt, nämlich im Kern. Das Entstehen großer, Kristalle, das Entmischen und
Ausseigern-werden durch die allseitige Kühlung vermieden, deren Intensität variiert
werden kann, indem man die Innenseite des Rohres mit Wasser oder Luft kühlt. -Selbstverständlich
können die verschiedenen Gießformen auch in längeren Reihen kombiniert werden, beispielsweise
auf Förderbändern, um das Verfahren gemäß der Erfindung kontinuierlich durchzuführen,
wobei auch eine Automatisierung möglich ist. Hierzu wird beispielsweise ein aus
schalenförmigen Segmenten bestehendes Förderband eingesetzt, wobei-die Querwände
dieser Gießschalen heruntergezogen sein können, damit die Schmelze aus einer bereits
gefüllten Schale in die nächste ablaufen kann. Das Förderband kann aber auch eine
fortlaufende, mit'Trennwänden versehene Gießmulde bilden, in der die Schmelze in
Form kleiner, durch die Trennwände gebildeten Aggregate durch vielseitige Abkühlung
mit Zonen unterschiedlichen Schwundes erstarrt.