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Kontaktmassen für Dehnfugen Die Erfindung betritt eine Kontaktmasse
für Dehnfugen, insbesondere Kohlenstoffstampfmassen, die durch Beimengung von stückigen
Metallteilchen bestimmter Formen und Abmessungen in variablen Mischungsverhältnissen
neben einer absoluten Erhöhung des Wärmeleitvermögens ein definiertes Porenvolumen
erhalten.
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Zwischen der Herd- oder Ofenraumausmauerung von Hochtemperaturöfen,
z. B. elektrothermischen Metallreduktions- oder Schmelzöfen, und der meist vollständig
geschlossenen Luft- oder wassergekühlten, stark armierten äußeren Blechwand verbleibt
stets eine Dehnfuge, die die thermische Ausdehnung des Mauerwerks aufnehmen soll.
Das in die Dehnfuge eingebrachte, auch als Kontaktmasse bezeichnete Füllmaterial
muß daher eine hohe prozentuale Stauehung zulassen und außerdem ein gutes Wärmeleitvermögen
besitzen.
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Bisher wurde diese Dehnfuge mit losen Füllmaterialien, z. B. Schamottemehl,
die meist eine sehr niedrige Wärmeleitzahl A, (unter 0,5 kcal/' C # h - m2) und
ein hohes, undefiniertes Porenvolumen haben, ausgefüllt. Das Füllmaterial der Dehnfuge
muß ein bestimmtes nutzbares Porenvolumen besitzen, das im allgemeinen nicht wesentlich
größer sein soll als die Volumenverminderung der Dehnfuge durch die Ausdehnung des
Ofenmauerwerks, damit nach beendigter Ausdehnung das Ofenmauerwerk über die kompriinierteHinterfüllmasse
die Druckfestigkeit derAußenarmierung voll ausnutzt. Durch die hierdurch bedingte
höhere Versparmung des Ofenmauerwerks ist eine beträchtliche Verlängerung der Lebensdauer
des Mauerwerks zu erzielen. Von gleicher, wenn nicht sogar noch größerer Wichtigkeit
ist ein gutes W firmeleitvermögen der Hinterfüllmasse, damit der Wärmewiderstand
der Dehnfuge klein ist; je kleiner der Wärmewiderstand in der Dehnfuge ist, desto
kleiner ist der Temperaturabfall an der Dehnfuge, bezogen auf gleichen Wärmestrom,
und der Temperaturgradient im Mauerwerk steigt dadurch an. Dem geringsten Verschleiß
an der Hochtemperaturseite unterliegt derjenige Ofenstein, der .bei sonst gleichen
Verhältnissen im Ofen und gleicher Steindicke den höchsten Temperaturgradienten
besitzt. Die Füllmasse sollte eine Wärmeleitzahl besitzen, die etwa so hoch wie
die des Mauersteines ist (für Schamottestein A > 1, für Kohlenstoffsteine Z. _>
2,5). Diese Bedingung wird jedoch im allgemeinen nicht erfüllt, weil die Forderungen
nach einem hohen Stauchungsvermögen und einer großen Wärmeleitzahl sich in gewisser
Weise ausschließen; denn ein großes Stauchvermögen wird mit einem entsprechend hohen
Porenvolumen erkauft, und eine Zunahme des Porenvolumens be"virkt stets eine Abnahme
des Wärmeleitvermögens. Man muß also das nutzbare Porenvolumen auf das benötigte
Mindestmaß beschränken und außerdem ein Füllmaterial mit hoher Wärmeleitzahl verwenden
oder versuchen, die Wärmeleitzahl von Materialien mit schlechtem Wärmeleitvermögen
durch Zusätze mit gutem Wärmeleitv ermögen zu verbessern.
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Es ist bekannt, Schamottemehlhinterfüllmassen mit Metalldrehspänen
zu versetzen, um die Wärmeleitzahl zu verbessern.
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Dieses Verfahren hat folgende Mängel: Die Wärmeleitzahl von geschütteter
Schamottehinte-rfüllmasse liegt, wie durch Messung der Wärmeleitzahl gefunden wurde,
unter 0,5 und steigt auch in lockeren Schüttungen, die mit 5 bis 10' Volumprozent
Ei.sendrehspänen versetzt sind, nicht an. Offensichtlich steigt durch den Einbau
sperriger Eisendrehspäne das die Wärmeleitung vermindernde Porenvolumen so stark
an, daß sich die bessere Wärmeleitung der Drehspäne nicht auswirken kann. Außerdem
ist ein höherer Prozentsatz als 10 bis 11 Volumprozent Eisendrehspäne auch bei sorgfältiger
Schichtung nicht unterzubringen. Die Wärmeleitfähigkeit von Schamottemehl mit Drehspänen
steigt erst bei stärkeren Preßdrücken, z. B. über 1 kg/cm2, über die des reinen
Schamottemehls an, und zwar von etwa 0,8 auf 1,0. Der Absolutwert von 1,0 ist aber
noch viel zu gering im Hinblick auf die hohe Wärmeleitfähigkeit der Ofensteine.
So haben Hartschamottesteine ,-Werte um 1,5 und große Kohlenstoffrblöcke solche
um 3,0, und nur diejenigen Hinterfüllmassen, die eine gleiche oder höhere Wärmeleitzahl
besitzen, sind geeignet, die Ausmauersteine optimal zu schützen.
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Alle diese Forderungen werden von der vorliegenden Erfindung erfüllt,
ohne die oben aufgeführten Mängel der bekannten Massen bzw. Verfahren aufzuweisen.
Gegenstand dieser Erfindung ist eine Kontaktmasse für Dehnfugen für Hochtemperaturöfen,
z. B. elektrothermische Metallreduktions- oder -schmelzöfen, die dadurch gekennzeichnet
ist, daß sie aus einer Kohlenstoffstampfmasse mit stückigen metallischen
Beimengungen,
z. B. Plättchen, vorzugsweise mit einem Durchmesser von etwa 25 mm und einer Dicke
von etwa 5 mm, oder Stäbchen, vorzugsweise mit einem Durchmesser von etwa 5 mm und
einer Länge von 20- bis' 50 mm, besteht.
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Diese Beimengungen metallischer Teile mit einem Verhältnis von Länge
zu Durchmesser möglichst über 1, z. B. runde Eisenmetallplättchen, beispielsweise
mit einem Durchmesser von 20 mm und einer Dicke von 5 mm, dienen einmal der absoluten
Verbesserung der Wärmeleitung. DieWärmeleitung steigt ungefähr proportional mit
der ,Masse der Beimengungen an, z. B. von 2,0 auf 2,5 kcal/' C - h - m2 für etwa
20 Volumprozent Metallbeimengung. Das nutzbare Porenvolumen steigt ebenfalls etwa
linear mit den Beimengungen an, und zwar bis 20 Volumprozent Beimengung von 0 auf
100%.
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Unter nutzbarem Porenvolumen ist der Porenvolumenanteil zu verstehen,
der mit einem bestimmten Preßdruck, meistens dem maximalen Druck auf den Ofenpanzer,
also etwa 10 bis 20 kg/cm'!, noch zusammengestaucht werden kann. Das nutzbare Porenvolumen
von stark gepreßter Kohlenstoffstampfmasse, z. B. 10 bis 20 kg/cm2, mit einem spezifischen
Gewicht um 1,3 bis 1,5 g/em3 ist danach für diesen Druck gleich Null.
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Die Wärmeleitzahl verläuft für die porige Ausgangssubstanz umgekehrt
proportional zum Porenvolumen, und zwar findet man .l-Werte von 1,75 bei 20% Poren
und 1,5 bei 40% Poren, aber, bezogen auf den Feststoffanteil, den man nach der vollzogenen
Pressung mit 10 bis 20 kg/cm2 in der Dehnfuge erhält, resultiert eine höhere Wärmeleitzahl
(2. größer als 2,0) als in reiner, mit 10 :bis 20 kg/cm2 gepreßter Stampfmasse.
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Ergänzend sei angeführt, daß Metallbeimengungen von rein kugeliger
Form und großem Radius die Wärmeleitung kaum beeinflussen und daß bei Verwendung
von Kugeln mit kleinem und sehr kleinem Radius, z. B. Metallmehl, die Wärmeleitzahl
durchweg stark absinkt. Beispiel Die Dehnfuge eines mit Kohlenstoffblöcken gemauerten
rechteckigen Herdes eines 30 tato Zinkreduktion.sofens wird entsprechend einer benötigten
Zusammenstauchbarkcit der 14 cm breiten Fuge von 10 Volumprozent (nutzbares Porenvolumen)
mit Kohlenstoffstampfmasse aus gestampft, der 100% größere Metallstücke mit einem
Verhältnis von Länge zu Durchmesser > 1 für Stellen mit 10 Volumprozent nutzbaren
Porenvolumens beigemengt werden. Der wasserberieselte Panzer ist für einen Maximaldruck
von 10 kg/cm2 ausgelegt.
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Nach längerer Betriebsdauer des Ofens zeigt sich, daß die Wärmedehnung
des Mauerwerks voll durch Kompression des nutzbaren Porenvolumens aufgefangen wird.
Der Panzer hat sich nicht gedehnt. Der Wärmekontakt der Kohlenstoffsteine zur Blechwand
ist vorzüglich. Das Temperaturgefälle in den bis zu 1,5 m mächtigen Kohlenstoffsteinen
fällt praktisch im Stein linear ab von -der maximalen Ofenraumtemperatur von 1400'
C auf die Temperatur der gekühlten Blechwand von etwa 50' C. Wegen des guten Wärmekontaktes
treten auch kaum Verschleißerscheinungen am Herdboden und an den Herdwänden auf.
Die übliche Lebensdauer von etwa 2 bis 3 Monaten für solche Reaktionsöfen mit oxydhaltigen
Schlackenbädern wird weit überschritten.