DE2149767B2 - Auskleidungs werkstoff für eine Düse - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Auskleidungswerkstoff für eine Düse zur Zufuhr einer Kupferschmelze beim Stranggießen, der aus mit Magnesiumoxid stabilisiertem Zirkonoxid besteht.

An den Auskleidungswerkstoff solcher Düsen werden hinsichtlich Verschleißfestigkeit, Oxidationsbeständigkeit und Stabilität hohe Ansprüche gestellt. In der Praxis haben sich Keramikwerkstoffe als besonders geeignet herausgestellt. Eine bekannte Keramik (FR-PS 1 593 602) besteht aus 3 bis 6 Gewichtsprozent Magnesiumoxid und 97 bis 94 Gewichtsprozent Zirkonoxid, die die obenerwähnten Eigenschaften zeigt.

Dieser keramische Werkstoff hat allerdings den Nachteil, daß er einen verhältnismäßig großen, temperaturabhängigen thermischen Ausdehnungskoeffizienten besitzt, was bei Berührung mit den geschmolzenen Metallen zu so hohen Wärmespannungen führt daß der keramische Auskleidungswerkstoff springt und damit unbrauchbar wird. Der Anwendung dieses bekannten Materials sind daher enge Grenzen gesetzt, wobei seine wirtschaftliche Verwendbarkeit begrenzt ist.

Durch die Erfindung soll daher ein Auskleidungswerkstoff für eine Düse beim Stranggießen geschaffen werden. Her neben Oxidationsbeständigkeit und Verschleißfestigkeit auch geringere Wärmeausdehnung besitzt einfach sowie billig in der Herstellung ist und eine große Betriebsdauer hat.

Nach der Erfindung wird dies dadurch erreicht, daß der Auskleidungswerkstoff einen Anteil von 2,8 Gewichtsprozent Magnesiumoxid, höchstens 1 Gewichtsprozent Verunreinigungen, Rest Zirkonoxid aufweist.

Eine aus diesem erfindungsgemäßen Material bestehende Auskleidung einer Düse weist einen kleinen und nahezug konstanten thermischen Ausdehnungskoeffizienten bei den bei geschmolzenen Metallen auftretenden Temperaturen auf, so daß die bei Berührung mit den Metallschmelzen auftretenden Wärmeausdehnungen und die Änderungen der Wärmeausdehnung mit der Temperatur des Auskleidungswerkstoffes stark vermindert werden. Auf diese Weise werden die Wärmespannungen verringert und ein Versagen des Werkstoffes durch Springen nahezu ausgeschlossen.

Da beim Durchtreten der Metallschmelze durch die Düse im Auskleidungswerkstück ein hoher Temperaturgradient entsteht, ist bei einer Düse mit einem erfindungsgemäßen Auskleidungswerkstoff eine Heizungsvorrichtung, vorzugsweise an den Enden der Düse vorgesehen. Diese Heizvorrichtung dient zur Vorheizung der Düse und verhindert dadurch, daß die Metallschmelze infolge dieses Temperaturgradienten innerhalb der Düse erstarrt Außerdem bewirkt sie einen Temperaturausgleich in der Auskleidung, wodurch die Wärmespannungen verringert werden.

Weiterhin ist vorgesehen, daß der aus dem Auskleidungswerkstoff bestehende, die Schmelze führende Teil zumindest teilweise mit einer Ummantelung aus wärmeleitendem Werkstoff versehen ist Dadurch ist es möglich, den Vorheizfluß zu steigern und den Temperaturgradienten in der Düse noch weiter zu verringern.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispieles näher beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 die Temperatur als Funktion des Abstandes vom Austrittsende einer erfindungsgemäßen Düse in cm, und zwar für eine Düse mit und ohne Metallbüchsen an jedem Ende, wobei die Temperaturverteilung an der Innenwandung längs der Achse der Düse angegeben ist,

F i g. 2 die prozentuale Wärmeausdehnung als Funktion der Temperatur zur Veranschaulichung der Wärmeausdehnungskennwerte einiger Stoffe mit verschiedener Gehalten von Magnesiumoxid in Zirkonoxid, und

Fig.3 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Düse im Axialschnitt, wobei ein Keramikzylinder aus mit Magnesia stabilisiertem Zirkonoxid veranschaulicht ist und Metallbüchsen an jedem Ende des Keramikzylinders sowie einer Heizvorrichtung den Ke ramikzylinder umgeben.

Die erfindungsgemäße Düse nach F i g. 3 weist einen über die ganze Länge der Düse sich erstreckenden zylindrischen inneren Teil 11 auf, in dem die Metallschmelze geführt wird. Das untere und das obere Ende dieses inneren Teils 11 sind mit je einer Büchse 12 umgeben, deren Material eine große Wärmeleitfähigkeit besitzt. Mit Abstand von den Enden der Düse ist eine Heizdrahtwicklung 15 vorgesehen, die auf einem Keramikrohr 16 aufgewickelt ist, das den zylindrischen inneren Teil 11 und die beiden Büchsen 12 mit Spiel umgibt. Zwischen diesem inneren Teil U und der Heizvorrichtung 15, 16 liegt ein Luftraum 13. Die Heizvorrichtung 15, 16 wird von wärmeisolierendem Material 17 umgeben, das in einer die Außenseite der Düse bildenden, aus rostfreiem Stahl bestehenden Verkleidung 18 angeordnet ist. Zur Kontrolle der Temperatur ist auf der Außenseite der Düse ein Thermokreuz 19 vorgesehen.

Der innere, die Metallschmelze führende Teil 11 der Düse besteht aus einem Zirkonoxid als Keramikmaterial, dem eine kleinere Menge Magnesiumoxid zur Stabilisierung zugegeben wird. Dieser Werkstoff hat bei den hohen auftretenden Schmelztemperaturen nur eine geringe Wärmeausdehnung. Wie sich herausgestellt hat. liegt die bevorzugte Zusammensetzung dieses Keramikwerkstoffes bei 2,8 Gewichtsprozent Magnesiumoxid, 1 Gewichtsprozent Verunreinigungen und Rest Zirkonoxid. Diese Zusammensetzung hat darüber hinaus den Vorteil, daß sie in einem Temperaturbereich

von 700 bis etwa 1300⁰C. in dem die Temperaturen der meisten Kupferschmelzen liegen, einen nahezu konstanten thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist F i g. 2 zeigt die thermischen Ausdehnungswerte einiger verschiedener Konzentrationen an Magnesiumoxid enthaltender Zirkonoxid-Keramiken in Abhängigkeit von der Temperatur. Bei voll stabilisiertem Zirkonoxid, das etwa 5 Gewichtsprozent Magnesiumoxid enthält, zeigt die prozentuale Wärmeausdehnung über den interessierenden Temperaturbereich von 7Π0 bis w 1300⁰C einen steilen Anstieg. Das Keramikmaterial wird in dem Sinne voll stabilisiert, daß bei einer Kühlung von der Brenntemperatur das Keramikmaterial keinerlei Phasenumwandlungen unterworfen ist. Sogar eine Verringerung des Magnesiumoxid-Gehaltes auf 3,2 Gewichtsprozent beeinflußt die Wärmeausdehnung nicht wesentlich. Bei einem Gehalt von 2,8 Gewichtsprozent Magnesiumoxid wird die prozentuale Wärmeausdehnung zwischen 700 und 1300" C stark verringert und ändert sich in diesem Bereich nur innerhalb kleiner ao Grenzen, d. h., die prozentuale Wärmeausdehnung ist nahezu konstant. Das Keramikmaterial wird bei dieser Konzentration nur teilweise stabilisiert, wobei kleine Körner des Materials möglicherweise Phasenumwandlungen durchlaufen. Aus diesem Grunde werden die as Wärmeausdehnungskennwerte des teilweise stabilisierten Keramikmaterials durch sorgfältige Einstellung der Menge des Magnesiumoxids im Keramikmaterial beeinflußt. Die thermischen Ausdehnungswerte des Keramikmaterials hängen sehr stark von der Zusammenäetzung ab, so daß Verunreinigungen von größer als 1 Gewichtsprozent vermieden werden sollten.

Ein besonderer Nachteil bei der Verwendung von Zirkonoxid in der Düse liegt in dessen niedriger Wärmeleitfähigkeit. Wenn daher das Zirkonoxid bei Raumtemperatur mit dem geschmolzenen Metall in Berührung kommt, so werden große Temperaturgradienten im Keramikmaterial geschaffen, die starke Wärmespannungen verursachen. In F i g. 1 ist das Temperaturprofil im Keramikmaterial dargestellt Die Meßergebnisse wurden mit den Thermokreuzen 19 ermittelt die an der Innenwandung des keramischen Teils der Düse angebracht wurden, wobei die Düse mit der Heizvorrichtung 15,16 vorgeheizt wurde. Wie F i g. 1 zeigt, ändert sich die Temperatur von etwa 205°C am Ende bis etwa 1650⁰C in der Mitte der Düse. Um dieses hohe Temperaturgefälle zu verringern, werden an jedem Ende des keramischen Teils der Düse Büchsen vorgesehen, die eine hohe Wärmeleitfähigkeit haben. Diese Büchsen 12 bestehen zweckmäßig aus Metallen, deren Schmelzpunkt höher liegt als die Temperatur der verwendeten Kupferschmelzen. Es kann aber auch mit Ionen imprägniertes metallisches Keramikmaterial verwendet werden. Dadurch wird, wie F i g. 1 zeigt der Temperaturgradient im Keramikmaterial wesentlich herangesetzt

Die Düse wird mit der Heizvorrichtung 15,16 vorgeheizt bevor diese mit der Metallschmelze in Berührung kommt Dadurch wird das Auftreten von hohen Temperaturgradienten verringert, wenn die Düse dem geschmolzenen Metall ausgesetzt wird. Eine weitere Verringerung des Temperaturgefälles in der Düse kann dadurch erreicht werden, daß die Wicklungen des Heizdrahtes 15 an den Enden der Düse enger vorgesehen werden als in der Mitte der Düse. Die Heizvorrichtung 15, 16 wird auch verwendet, um den keramischen Teii 11 der Düse auf hohen Temperaturen zu halten und eine WärmcEchwingung in der Düse zu verhindern, die sich auf einige Zusammensetzungen des Keramikmaterials nachteilig auswirkt.

Der erfindungsgemäße Auskleidungswerkstoff ist einfach und billig herzustellen. Er kann bei erhöhten Temperaturen eingesetzt werden, ohne daß eine Beschädigung des Werkstoffes durch unzulässig große Wärmespannungen zu befürchten ist. Darüber hinaus ist er auch für andere Schmelzenbehältnisse geeignet.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Auskleidungswerkstoff für eine Düse zur Zufuhr einer Kupferschmelze beim Stranggießen, der aus mit Magnesiumoxid stabilisiertem Zirkonoxid besteht, gekennzeichnet durch einen Anteil von 2,8 Gewichtsprozent Magnesiumoxid, höchstens 1 Gewichtsprozent Verunreinigungen. Rest Zirkonoxid.

2. Düse mit einem Auskleidungswerkstoff nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eins Heizvorrichtung (15, I6X die vorzugsweise an den Enden der Düse vorgesehen ist

3. Dfise nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der aus dem Auskleidungswerkstoff bestehende, die Schmelze führende Teil (11) zumindest teilweise mit einer Ummantelung (12) aus wärmeleitendem Werkstoff versehen ist

4. Düse nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich- ao net daß die Teile (12) als Büchsen ausgebildet sind, die die beiden Endabschnitte des die Schmelze führenden Teils umgeben.

5. Düse nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine Heizdrahtwicklung (15) als Heizvorrichtung.