Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft einen Ofen mit einer Innenwandung, einer Außenwandung und einer zwischen der Innenwandung und der Außen¬ wandung angeordneten Wärmeisolierung, ein Verfahren zur Her¬ stellung eines Ofens und die Verwendung eines anorganischen Schaums, der aus einer anorganischen aushärtbaren Masse aufge¬ schäumt und ausgehärtet wird, für die Isolierung von Öfen und als Frontmaterial in Schmelz-, Warmhalte- und Dosieröfen und zum Auskleiden und Beschichten von Ofenzubehör.

Die Erfindung betrifft insbesondere Öfen für Metallschmelzen wie Warrohalte-, Dosier- und Schmelzöfen, insbesondere im NE- (Nichteisen-)Bereich.

Metall schmelzende Öfen sowie sonstige Öfen sowohl im Flüssig¬ metallbereich als auch im Heiz- und Brennerbereich erfordern eine hochwirksame und temperaturbeständige Isolierung. Dies ist sowohl aus prozeßtechnischen Gründen als auch aus Gründen der Energieeinsparung notwendig.

Stand der Technik

Bei einem üblichen Verfahren zur Herstellung von Öfen für Metallschmelzen wie Warmhalte-, Dosier- und Schmelzöfen wird zunächst eine Außenwanne aus Stahl hergestellt, die innen mit mehreren, sich jeweils überlappenden Schichten von Isolierplat¬ ten oder -matten aus z. B. Keramikfasern ausgekleidet wird.

Nach dem Einbringen der Isolierung wird unter Bildung eines Zwischenraumes eine Innenverschalung eingesetzt. In diesen Zwi¬ schenraum zwischen der Faserplattenisolierung und der Innenver¬ schalung wird anschließend ein Feuerfestbeton gegossen, der nach Aushärtung die Innenwandung des Ofens darstellt.

Dieses Aufbringen von z. B. Isolierfaserplatten ist außeror¬ dentlich arbeitsintensiv, da die Faserplatten wegen der relativ komplizierten Geometrie der Öfen jeweils genau zugeschnitten, eingepaßt und von Hand befestigt werden müssen. Auf diese Iso-

lierung fallen in der Praxis nicht selten mehr als 50 % der gesamten Herstellkosten eines solchen Ofens.

Auch verbleiben hierbei stets nicht gewünschte Spalten und Lük- ken, wodurch einerseits die Festigkeit der Isolierschicht nach¬ teilig beeinflußt wird, andererseits Wärmebrücken entstehen, die neben den Energieverlusten auch zu Schäden an der Ofenkon¬ struktion und bei einem Austreten von flüssigem Metall zu Unfällen führen können.

Ein weiterer Nachteil der bekannten Öfen besteht darin, daß bei einem Riß oder einer sonstigen Beschädigung der Innenwandung flüssiges Metall in die Isolierschicht gelangen kann, wobei diese oft vollständig von der Metallschmelze penetriert und damit unbrauchbar wird. Eine Reparatur ist nur durch vollstän¬ digen Ersatz der gesamten Isolierung und der Innenwandung mög¬ lich.

Ebenfalls bekannt ist das Gießen aus Isolierbeton oder anderen Massen. Diese Lösungen sind von der Verarbeitung her sehr auf¬ wendig und vom Material her sehr teuer. Bei der Verarbeitung können außerdem Gesundheitsschaden auftreten.

Aufgabe Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Ofen mit einer zwischen einer Innen- und einer Außenwand angeordneten Wär¬ meisolierung zu schaffen, bei dem die Wärmeisolierung einfach und kostengünstig herzustellen ist, eine hohe Festigkeit auf¬ weist und die Bildung von Wärmebrücken vermeidet.

Ein weiteres Anliegen der Erfindung ist es, einen Ofen für flüssige Metalle zur Verfügung zu stellen mit einer Wärmeiso¬ lierung, die resistent und penetrationssicher gegenüber flüssi¬ gen Metallschmelzen ist.

Schließlich ist es ein weiteres Anliegen der Erfindung, ein Material zur Wärmeisolation von Metallöfen zur Verfügung zu stellen, daß neben der Isolierung der Ofenwanne auch zur Iso-

lierung von Ofenzubehör wie Hauben, Abdeckungen, Deckel, Kanä¬ len, Kaminen etc. geeignet ist.

Darstellung der Erfindung Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale der Ansprüche 1 und 11 sowie durch die Merkmale der Ansprüche 13, 14 und 15 gelöst.

Wesentliches Merkmal der Erfindung ist es, daß die Wärmeisolie- rung in situ, d. h. unmittelbar an der zu isolierenden Stelle im Ofen, aufgeschäumt und ausgehärtet wird. Nach einem bevor¬ zugten Verfahren zur Herstellung eines Ofens werden zunächst die Außenwandung, z. B. in bekannter Weise aus Stahl, und die Innenwandung getrennt hergestellt. Die Innenwandung kann in dem Fachmann bekannter Weise im Gieß-, Stampf- oder Spritzverfahren aus Feuerfestbeton oder anderen feuerfesten Massen oder durch Mauern aus Feuerfest-Steinen erstellt werden. Grundsätzlich kann die Innenwanne auch auf andere dem Fachmann bekannte Weise hergestellt werden, z. B. aus keramischen Platten, die itein- ander verschraubt und gegeneinander abgedichtet werden. Die fertig ausgehärtete und bevorzugt getemperte Innenwandung wird dann so in die Außenwandung gestellt, daß ein Abstand zwischen der Außen- und der Innenwandung verbleibt, der der gewünschten Dicke der Isolierung entspricht. In diesen Zwischenraum wird anschließend eine Mischung aus reaktivem Feststoff, wasserhal¬ tigem alkalischen Härter, Füllstoffen und Treibmittel gegossen, wobei je nach eingestelltem Schäumfaktor (Menge des Treibmit¬ tels) nur etwa 10 bis 30 Volumenprozent benötigt werden. Ggf. kann der Ofen dabei leicht ( ax. ca. 50 bis 80 °C angewärmt werden, um die Aushärtung zu beschleunigen. In der Regel kann aber bei Raumtemperatur gearbeitet werden, da durch die Zerset¬ zung des Schäummittels (bevorzugt H ₂ θ2) und durch die exotherme Reaktion der Masse genügend Wärme freigesetzt wird, um die ge¬ schäumte Masse auf etwa 60 bis 90 °C zu erwärmen und innerhalb von 0,5 bis 5 Stunden auszuhärten.

Durch die Verwendung eines anorganischen Schaums für die Wär¬ meisolierung, der aus einer anorganischen aushärtbaren Masse in situ aufgeschäumt und ausgehärtet wird, entsteht eine zusammen-

hängende, durchgängige und dadurch relativ feste Isolier¬ schicht, die die Bildung von Wärmebrücken verhindert. Das Ein¬ füllen der anorganischen aushärtbaren Masse in die Hohlräume bzw. das Auftragen auf die zu isolierenden Flächen erfordert nur geringen Aufwand. Die erfindungsgemäß eingesetzten anorga¬ nischen aufschäumbaren und aushärtbaren Massen sind grundsätz¬ lich bekannt, siehe z. B. DE-C2 35 12 515, WO 89/05783, EP-A2 0 199 941, EP-Bl 0 148 280, jedoch ist ihre Eignung zur in-situ- Isolierung von Öfen nicht zu erwarten gewesen.

Es hat sich überraschend herausgestellt, daß die erfindungsge¬ mäß eingesetzte schäum- und aushärtbare Masse im ausgehärteten Zustand absolut resistent und dicht gegenüber Metallschmelzen ist. Somit wird selbst bei einer Undichtigkeit der Ofen-Innen- wand die Isolationswirkung nicht beeinträchtigt.

Der Schaum hat eine gute Isolierwirkung, ist leicht, preisgün¬ stig und im ausreagierten Zustand nicht gesundheitsschädlich. Ausbruch muß nicht auf Sondermülldeponien gelagert werden. Der Schaum ist gegen viele Stoffe resistent und hat je nach Zusam¬ mensetzung eine Temperaturbeständigkeit bis zu 1200 °C.

Bevorzugte Rezepturen für die schäumbare Masse sind in den Ansprüchen 4 bis 6 angegeben. Sie sind als Handelsprodukt unter der Bezeichnung TROLIT ^R -Härter bzw. TROLIT ^R -Feststoff von der Fa. Hüls Troisdorf AG lieferbar.

Die für die Herstellung eines Ofens, bei dem die Isolierung zwischen einer Innenwandung und einer Außenwandung angeordnet ist, erforderliche Masse, die unter Volumenvergrößerung zu einem unbrennbaren Schaumstoff aufgeschäumt und ausgehärtet wird, wird durch Mischen der Komponenten entweder von Hand oder maschinell vorbereitet. Die Masse enthält auf 100 Gew.-Teile eines reaktiven Feststoffes (steinbildende Komponente) 40 bis 250 Gew.-Teile eines wasserhaltigen Härters, der die Härtungs¬ reaktion des reaktiven Feststoffes im alkalischen Bereich bewirkt, 40 bis 250 Gew.-Teile Füllstoffe sowie ein Treibmit¬ tel. Die Masse wird in die zu isolierenden Hohlräume des Ofens bzw. zwischen Innenwandung und Außenwandung eingefüllt, und

schäumt durch die einsetzende chemische Reaktion unter einer erheblichen VolumenVergrößerung auf, wodurch die Hohlräume völ¬ lig ausgefüllt werden. Ein Verbleiben von Spalten und Lücken ist ausgeschlossen. Die Masse härtet anschließend in exothermer Reaktion aus.

Bei der Herstellung von Öfen werden vorzugsweise auf die Innen¬ wandung in wenigsten einem Teilbereich ihrer Fläche Mineral¬ bzw. Keramikfaserplatten oder -matten aufgebracht, bevor anschließend der verbleibende Zwischen- oder Hohlraum ausge¬ schäumt wird. Die Faserplatten bzw. -matten weisen eine höhere Bruchdehnung als der ausgehärtete Schaum auf, wodurch die Temperaturwechselfestigkeit gesteigert und die Rißneigung bei Temperaturwechselbeanspruchung verringert wird. Der ausgehär- tete anorganische Schaum ist wenigstens weitgehend geschlossen- zellig ausgebildet.

Der anorganische Schaum bildet bevorzugt - mit Ausnahme von

Durchbrüchen in den Wandungen - eine in sich vollständig geschlossene Fläche zwischen der Innenwandung und der Außenwan¬ dung des Ofens.

Die Öfen mit einer derartigen Wärmeisolierung sind für die unterschiedlichsten Anwendungsbereiche herstellbar, insbeson- dere für Schmelz-, Warmhalte- und Dosieröfen.

Die in der anorganischen aushärtbaren Masse enthaltenden reak¬ tiven Feststoffe (steinbildende Komponenten) enthalten bevor¬ zugt einen oder mehrere reaktionsfähige Feststoffe aus der Gruppe

I eines feinteiligen Oxidgemisches mit Gehalten von amorphem Siliziumdioxid und Aluminiumoxid, insbesondere als Elekto- filterstaub aus der Elektrokorundherstellung,

II einer glasartigen, amorphen Elektrofilterasche, III eines gemahlenen kalzinierten Bauxit,

IV einer Elektrofilterasche aus Braunkohlekraftwerken,

V eines ungelösten, amorphen Siliziumdioxids (Siθ2), insbe¬ sondere aus einer amorphen, dispers-pulverförmigen, ent-

wässerten oder wasserhaltigen Kieselsäure oder aus Hoch¬ temperaturprozessen (Silica Fume), VI eines Metakaolin.

Der in der anorganischen aushärtbaren Masse zur Bildung des anorganischem Schaums vorhandene wasserhaltige Härter ist vor¬ zugsweise eine Alkalisilikatlösung mit 1,2 bis 2,5 mol Siθ2 je

Als Füllstoffe in der aufschäumbaren und aushärtbaren anorgani¬ schen Masse werden insbesondere Glimmer und feinkörniges Talkum verwendet.

Nachdem der Schaum aus der aushärtbaren anorganischen Masse aufgeschäumt und gehärtet wurde, weist er eine Dichte von 120 bis 350 kg/m^ auf, wobei die gewünschte Dichte über die Menge des Treibmittels in relativ weiten Grenzen eingestellt werden kann.

Die aus dem anorganischen Schaum bestehende Wärmeisolierung ist nicht nur für die Verwendung in Öfen geeignet, sondern auch für deren Zubehör. Die in Frage kommenden Ofenanlagen sind bei¬ spielsweise Ofenanlagen für Gießereien zur Metallbehandlung von festen und flüssigen Metallen, insbesondere AI-, Zn-, GG-, GS- Schmelz-, Warmhalte- und Dosieröfen für Metallschmelzen, wobei der anorganische Schaum undurchlässig für und resistent gegen die Metallschmelze ist, oder Ofenanlagen für Recyclingvorgänge, wie Spänetrocknung, Sandregenerierung, Ausbrennöfen (Epoxilite) und für die thermische Nachverbrennung.

Das Zubehör für diese Ofenanlagen, das mit dem anorganischen Schaum ausgekleidet oder beschichtet ist, sind z. B. Hauben, Abdeckungen, Deckel, Kanäle, Türen und Kamine sowie Transport¬ pfannen für Flüssigmetall und Vorheizanlagen.

Der Schaum dient nicht nur als Isolierung gegen Wärmeverlust, sondern gleichzeitig als Schalldämmung.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbei- spiels sowie der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen dabei Fig. 1 einen erfindungsgemäß hergestellten Ofen für Metall- schmelzen im Vertikalschnitt,

Fig. 2 einen erfindungsgemäß hergestellten Ofen für Metall¬ schmelzen im Horizontalschnitt, Fig. 3 die Einzelheit X gemäß Fig. 1,

Fig. 4 Einzelheit X gemäß Fig. 1 nach einer alternativen Ausführung der Erfindung.

Bester Weg zur Ausführung der Erfindung

Zur Herstellung eines Aluminium-Warmhalte-Schöpfofens 1 mit ei¬ nem Fassungsvermögen von 750 kg Metallschmelze 6 wird zunächst die Außenwandung 3 aus 5 mm dickem Stahlblech erstellt.

Parallel hierzu wird die Innenwandung 2 aus Feuerfest-Beton mit einer Wandstärke von 100 mm gegossen und 5 bis 7 Tage bei 700°C getempert. Diese eigenstabile Wanne wird anschließend an den Seitenflächen 8 mit 30 mm dicken Isolierplatten 5 aus kerami¬ schen Fasern vollflächig vorisoliert (Einzelheit X , Figur 3).

In die Außenwanne aus Stahlblech (Außenwandung 3) werden einige Bodenstützen 7 mit einer Höhe von 220 mm gesetzt, auf die anschließend die Innenwanne gestellt wird, wobei jeweils ein Abstand von 220 mm zwischen der Innenwandung 2 und der Außen- wandung 3 verbleibt.

Für die aufschäumbare und aushärtbare Masse wird folgender Ansatz gewählt:

a) Reaktiver Feststoff: TROLIT ^R -ReaktionsStoff Type ROS

(Filterstaub einer Elektrofilter-Abgasreinigung eines

Elektroschmelzofens zur Herstellung von Elektrokorund; enthält ein feinteiliges Oxidgemisch mit Gehalten von amorphem Siliziumdioxid und Aluminiumoxid).

b) Füllstoff: 65,5 Gew.-% feinkörniges Talkum

33 Gew.-% Magnesiumglimmer (PHLOGOPIT) 1,5 Gew.-% alkaliresistente Glasfasern.

c) Härter: TROLIT ^R -Härter Type AOS (51,4 Gew.-% Wasser,

25,5 Gew.-% Si0 ₂ gelöst, 23,1 Gew.-% K ₂ Oj. d) Schäummittel: 10 Gew.-%-iges H2O2

Der Gesamtansatz besteht aus 22 Gew.-% reaktivem Feststoff 34 Gew.-% Füllstoff 36 Gew.-% Härter 8 Gew.-% Schäummittel.

Zunächst werden Feststoff, Füllstoff und der Härter in einem alkaliresistenten Mischer homogen miteinander vermischt. Erst unmittelbar vor dem Einbringen der etwas dickflüssigen Masse in den Zwischenraum zwischen der Innenwandung 2 und der Außenwan¬ dung 3 wird das Treibmittel dosiert beigegeben. Entweder wird kontinuierlich beim Einfüllen der Masse in den Zwischenraum das Schäummittel eingemischt (kombinierte Förder- und Dosierpumpe), oder die Masse wird portionsweise mit Treibmittel vermischt und sofort eingefüllt. Die benötigte Menge der aufschäumbaren Masse beträgt etwa 1/4 bis 1/5 des Volumens des auszufüllenden Zwi- schenraumes, je nach gewünschter Dichte.

Durch die Zersetzung des H2O2 wird die Masse innerhalb weniger Minuten aufgeschäumt und füllt nach ca. 10 Minuten das Volumen vollständig aus. Die exotherme Härtungsreaktion startet nach ca. 20 Minuten, verbunden mit einer merklichen Temperaturerhö¬ hung der Masse, und ist nach ca. 60 Minuten weitgehend abge¬ schlossen. Der entstandene Schaum weist folgende physikalische Daten auf:

Dichte: 300 kg/m ³

Wärmeleitfähigkeit bei 400°C: 0,2 W/m ^* K bei 800°C: 0,35 W/m ^* K

Der anorganische Schaum ist feinporig, geschlossenzellig sowie absolut dicht und resistent gegen alle Metallschmelzen.

Bei einer Temperatur der Metallschmelze 6 von 750°C beträgt die Temperatur der Außenwandung 3 maximal 60°C.

In Figur 4 ist die Einzelheit X nach einer alternativen Ausfüh¬ rung der Erfindung im Detail dargestellt. Hier wird die Innen¬ wandung aus Feuerfestbeton nicht, wie in Figur 3 dargestellt, zusätzlich mit einem Isoliermaterial 5 aus keramischen Fasern isoliert, die Wärmeisolierung 4 besteht vielmehr ausschließlich aus der aufgeschäumten Masse. Die Dicke der Wärmeisolierung 4 beträgt in diesem Ausführungsbeispiel 350 mm.

In Figur 1 ist ebenfalls dargestellt, daß weitere Teile des Ofens, wie der Deckel 9 für das Einfüllen der flüssigen Schmelze, der hintere Deckel 10 zur Entnahme des flüssigen Metalls, der Heizdeckel 11, die Abgashaube 12 sowie die Schall¬ dämmhaube 13 ebenfalls ganz oder teilweise aus dem erfindungs¬ gemäß eingesetzten Schaum bestehen.