FLUCH, Bernhard (7 Franz Gehrerstraße, Baden, Baden, A-2500, AT)
PISCHEK, Stefan (20 Sonnenring, Hönigsberg, Hönigsberg, A-8682, AT)
BUGAJSKI, Margareta (6 Magnesitstraße, Leoben, Leoben, A-8700, AT)
SEITZ, Patrick (24/9 Niedermoarsiedlung, St. Peter-Freienstein, A-8793, AT)
FLUCH, Bernhard (7 Franz Gehrerstraße, Baden, Baden, A-2500, AT)
PISCHEK, Stefan (20 Sonnenring, Hönigsberg, Hönigsberg, A-8682, AT)
BUGAJSKI, Margareta (6 Magnesitstraße, Leoben, Leoben, A-8700, AT)
| Hochtemperatur-Dichtung P a t e n t an s p rü c h e Hochtemperatur-Dichtung mit folgenden Merkmalen: 1.1 einer keramischen refraktären Dichtmasse, 1.2 einer die refraktäre Dichtmasse umgebenden Umhüllung, 1.2.1 die Umhüllung zersetzt sich bei Temperaturen zwischen >50 und <2000 Grad Celsius und 1.2.2 bildet nach der Zersetzung im Oberflächenbereich der keramischen Dichtmasse eine Kohlenstoff-Schicht, 1.3 die Umhüllung weist außenseitig zumindest partiell Klebestellen auf. Hochtemperatur-Dichtung nach Anspruch 1, deren Umhüllung feuchtigkeitsdicht ist. Hochtemperatur-Dichtung nach Anspruch 1, deren Umhüllung aus mindestens einem Material aus der Gruppe: Silikonkautschuk, Silikongummi, Naturkautschuk, Polyurethan, Polyethylen, Polypropylen, Polycarbonate, Polyethylenterphtalat besteht. Hochtemperatur-Dichtung nach Anspruch 1, deren Umhüllung mehrschichtig ist. Hochtemperatur-Dichtung nach Anspruch 1, bei der die Klebestellen auf Basis eines Kohlenstoff-hältigen Klebstoffs ausgeführt sind. 6. Hochtemperatur-Dichtung nach Anspruch 1 , deren Klebestellen von einem mit einer lösbaren Schutzfolie abgedeckten Klebestreifen ( 1 3 ) gebildet werden. 7. Hochtemperatur-Dichtung nach Anspruch 1 , deren refraktäre Dichtmasse wie folgt aufgebaut ist: 7. 1 30 bis 70 Masse-% einer körnigen refraktären Komponente, und 7.2 70 bis 30 Masse-% einer Si02-hältigen Komponente, die im Temperaturbereich bis etwa 100° C weitestgehend stabil ist und sich bei Temperaturen > 100° C unter Bildung von freiem Si02 zumindest tei lweise zersetzt. 8. Hochtemperatur-Dichtung nach Anspruch 7, dessen Si02-hältige Komponente ein Stoff aus der Gruppe: Silikonöl, Silikonharz, Silikonkautschuk ist. 9. Hochtemperatur-Dichtung nach Anspruch 1 , bei der feste Bestandteile der refraktären Dichtmasse in einer Kornfraktion d50 < 250 μιτι vorliegen. 10. Hochtemperatur-Dichtung nach Anspruch 1 , deren refraktäre Dichtungsmasse mindestens eine refraktäre Komponente aus der Gruppe : Magnesia, Doloma, Tonerde, Bauxit, Zirkonoxid, Kohlenstoff, Chromoxid, Korund enthält. 1 . Hochtemperatur-Dichtung nach Anspruch 1 , deren Umhüllung eine der folgenden Formgebungen aufweist; Kissen, Manschette, Schal, Teller, Rohr, Trichter, Ring. |
B e s c h r e i b u n g
Die Erfindung betrifft eine Dichtung für Hochtemperaturanwendungen.
Im Besonderen ist der Erfindungsgedanke auf eine Dichtung und ein
Dichtungsmaterial gerichtet, welches zur Dichtung/Abdichtung feuerfester keramischer Bauteile oder als Dichtung/Abdichtung zwischen feuerfesten keramischen Bauteilen eingesetzt werden kann.
Ein solches Dichtungsmaterial muss verschiedene Aufgaben erfüllen: es muss zum einen eine gewisse Verformbarkeit zulassen, um beispielsweise thermische Dehnungen und Kontraktionen benachbarter, insbesondere feuerfester Bauteile zu kompensieren, ohne die Dichtungsfunktion zu verlieren. Dies gilt für Anwendungen bei konstanter Betriebstemperatur ebenso wie für Anwendungen, bei denen es zu Temperaturwechseln kommt. Das Dichtungsmaterial muss darüber hinaus zumindest über eine gewisse Zeit formbeständig sein und selbst eine gewisse Feuerfestigkeit aufweisen. Es soll vorzugsweise austauschbar/erneuerbar sein.
Diese Forderungen widersprechen sich aus technischer Sicht zumindest teilweise . Insoweit ist immer wieder versucht worden, einen Kompromiss zwischen einer Verformbarkeit einerseits und einer Temperaturbeständigkeit andererseits zu finden.
Aus der Praxis ist es bekannt, feuerfeste keramische Mörtel (Betone) als Dichtungsmaterial zu verwenden. Diese verspröden j edoch mit der Zeit und unterliegen einem erheblichen Verschleiß. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass der Dichtungsmörtel am benachbarten feuerfesten Bauteil anhaftet und/oder mit diesem versintert. Hierdurch wird die Demontage und der Wechsel von Bauteil und Dichtung erschwert.
Ebenfalls aus der Praxis sind Dichtungen aus Glasfasern, Gesteinsfasern oder keramischen Fasern bekannt, wobei die Fasern mit einem Bindemittel fixiert werden, welches häufig nicht temperaturbeständig ist, so dass die Dichtungen ihre Formbeständigkeit insbesondere bei höheren Temperaturen verlieren.
Die DE 1 0 2007 037 873 A I beschreibt eine Dichtung aus einer strangge- pressten keramischen Masse und einem C-Träger mit 1 5 -45 M.-% Kohlenstoff, wobei die Dichtung in einer Kohlenstoff-Umhüllung konfektioniert ist.
Aufgabe der Erfindung ist es demnach, eine Dichtung für Hochtemperaturanwendungen bereitzustellen, welches die beschriebenen
Nachteile des Standes der Technik vermeidet.
Dem Erfindungsgegenstand liegen folgende Überlegungen zugrunde:
Es hat große anwendungstechnische Vorteile, wenn die Dichtung„ready to use" bereitgestellt wird. Anders ausgedrückt: Die Dichtungsmasse sollte so vorbereitet sein, dass sie insbesondere ohne weitere Aufbereitung/Behandlung eingesetzt werden kann. Dazu soll die Dichtung eine Verformbarkeit in dem Sinne aufweisen, dass sie sich während des Einbaus der Form korrespondierender Bauteile möglichst vollständig angleicht. Anders ausgedrückt: Die Dichtung soll sich so verformen lassen, dass sie optimiert ihre Dichtfunktion erfüllen kann. Insoweit ist die Dichtungsmasse beispielsweise feucht konfektioniert und/oder in einer feuchtigkeitsdichten Umhüllung konfektioniert. Die Feuchtigkeit kann Wasser sein, welches zum Anmischen der Masse benutzt wurde, ein flüssiges Bindemittel, ein flüssiges Additiv oder dergleichen. Die Feuchtigkeit kann auch Kristal lwasser aus den refraktären Komponenten der Masse sein, das unter Wärme freigesetzt wird. Die Umhüllung verhindert, dass Luft an die Dichtungsmasse kommt beziehungsweise verhindert, dass die feuchte keramische Masse austrocknet, erhärtet oder versprödet. Über die Art und Menge der Feuchtigkeit kann die Verformbarkeit anwendungsspezifisch eingestellt werden.
Die Geometrie der Dichtung und die Menge der Dichtungsmasse lassen sich für j eden Anwendungsfall exakt einstellen. Damit wird beispielsweise eine definierte Fugenstärke zwischen zwei Bauteilen möglich. Zur Verfüllung der Fugen sind keine Spezialwerkzeuge notwendig.
Erfindungsgemäß hat die Umhüllung eine weitere wichtige Aufgabe, nämlich sich bei der Anwendung (unter Temperaturlast) zumindest teilweise zu zersetzen, wobei der Zersetzungsrückstand, insbesondere Kohlenstoff, ein Trennmittel ausbildet, welches ein unerwünscht starkes Anhaften der Dichtungsmasse am korrespondierenden Bauteil verhindert oder zumindest stark reduziert. Ebenso wird ein unerwünschtes Versintern zwischen Dichtungsmasse und Bauteil durch das Trennmittel (die
Trennschicht) verhindert. Unabhängig davon kann sich die Dichtungsmasse nach Aufbrechen der Umhüllung in gewünschter Weise verformen, um eine Abdichtung an einem feuerfesten keramischen Bauteil oder zwischen einem solchen Bauteil und einem weiteren Bauteil zu bilden. Im Oberflächenbereich des Dichtungsmaterials herrschen bei einer typischen Anwendung zwischen feuerfesten keramischen Formteilen eines metallurgischen
Schmelzgefäßes bei der Stahlproduktion Temperaturen zwischen 1 .500 und 1 .700° C . Je nach Abstand zur Stahlschmelze verringern sich die
Temperaturen, denen das Dichtungsmaterial ausgesetzt ist, auf Werte bis 200° C . Die Dichtung kann trotz des großen Temperaturintervalls ihre Dichtfunktion uneingeschränkt erfüllen. Die Hochtemperatur-Dichtung ist demnach wie folgt aufgebaut: Sie umfasst eine keramische refraktäre Dichtmasse und eine die refraktäre Dichtmasse umgebende Umhüllung, wobei die Umhüllung sich bei Temperaturen zwischen >50 und <2000 Grad Celsius zersetzt und dabei im
Oberflächenbereich der keramischen Dichtmasse eine Kohlenstoff-Schicht ausbildet.
Die Kohlenstoff- Schicht kann aus Teilflächen bestehen, zum Beispiel, wenn nur Teile der Umhüllung aus einem Material bestehen, das die gewünschte Kohlenstoff-Trennschicht bildet. Je nach Art und Masse der Umhüllung kann die Trennschicht dicker oder dünner ausgebildet werden. Dies kann für j eden Anwendungsfall ausgewählt werden.
Um die Dichtung an einem zugehörigen Bauteil, beispielsweise einem feuerfesten keramischen Bauteil wie einer Hülse, zu platzieren, ist es vorteilhaft, die Dichtung aufzukleben. Dazu weist die
Umhüllung außenseitig zumindest partiell Klebestellen auf, die
vorzugsweise von einem Klebstoff gebildet werden, der ebenfalls
Kohlenstoff enthält. Bei der Anwendung (zum Beispiel, wenn eine
Stahlschmelze durch die Hülse strömt), also nach einer deutlichen
Temperaturerhöhung gegenüber Raumtemperatur, wird auch der Klebstoff zumindest teilweise zerstört (die Klebefunktion ist dann auch nicht mehr relevant, weil die Dichtung vorher platziert wurde) und setzt zusätzliches Trennmittel wie Kohlenstoff frei, der sich ebenfalls im Oberflächenbereich des Dichtungsmaterials ansammelt und ein unerwünschtes Versintern von Bauteil und Dichtung verhindert.
Die Klebestellen können von einem doppelseitigen Klebestreifen gebildet werden, der auf der Außenseite eine lösbare Schutzfolie aufweist. Solche Klebestreifen können auf die Umhüllung leicht aufgeklebt werden. Ein geeignetes Umhüllungsmaterial sind Kunststoffe, beispielsweise aus der Gruppe Polyvinylchlorid (PVC), Polyurethan (PU), Polyethylen (PE), Polypropylen (PP), Polystyrol, Polycarbonat, Polyester, Polyactid,
Polyethylenterphtalat (PET), Cellulosehydrat, Celluloseacetat, Polyacrylat, Kautschuk, Gummi, Stärkeblend, oder dergleichen. Die Umhüllung kann ganz oder teilweise aus Kunststoff bestehen.
Die Umhüllung kann von einer ein- oder mehrschichtigen Folie gebildet werden. Dabei können einzelne oder alle Schichten aus Kunststoff bestehen. Verbundmaterialien unter Einsatz von weiteren Materialien (neben Kunststoffen) wie Papier (einschließlich beschichteter,
imprägnierter Papiere) sind möglich. Die Form der Umhüllung richtet sich nach dem j eweiligen Anwendungsfall. Beispiele sind: Kissen, Manschette, Schal, Teller, Rohr, Trichter, Ring.
Soll zum Beispiel eine zylindrische Umfangsfläche eines feuerfesten keramischen Rohres gegenüber Bauteilen abgedichtet werden, in denen dieses Rohr angeordnet ist oder welche dieses Rohr umgeben, so kann die
Dichtung in Form einer zylinderförmigen Manschette gestaltet werden. Die Manschette selbst kann doppelwandig sein, wobei zwischen einer Innen- und Außenhülle das Dichtungsmaterial beispielsweise aus einer refraktären Komponente und einer Si0 2 -hältigen Komponente, in viskoser Form angeordnet ist. Die Manschette lässt sich innerhalb gewisser Grenzen verformen und passend auf das Rohr aufsetzen.
Analog können Dichtungsbereiche von Schieberplatten, feuerfesten keramischen Ausgüssen, Gasspülsteinen etc. abgedichtet werden. Eine beispielhafte Zusammensetzung für die Dichtungsmasse umfasst (alle Angaben in Gewichtsteilen) :
Tabulartonerde (<0,3mm) : 34
Korund (<0,2mm) : 38
Chromoxid (<0,2mm) : 4
Ton: 6
Bindemittel (Monoaluminiumphosphat) : 13
Wasser: 5
Summe: 100
Die refraktäre Dichtmasse kann ebenfalls Kohlenstoff enthalten, j edoch als Versatzkomponente (batch component), insbesondere als elementarer Kohlenstoff, beispielsweise in Form von Russ, Graphit oder dergleichen.
Eine andere geeignete Dichtmasse ist wie folgt aufgebaut:
- 30 bi s 70 Masse-% körnige refraktäre Komponente
- 70 bis 30 Masse-% Si0 2 -hältige Komponente, die im Temperaturbereich bis etwa 100° C weitestgehend stabil ist und sich bei Temperaturen > 100° C unter Bildung von freiem Si0 2 zumindest teilweise zersetzt.
Die S i0 2 -hältige Komponente kann ein Stoff aus der Gruppe: Silikonöl, Silikonharz, Silikonkautschuk sein.
Die Si0 2 -hältige Komponente ist im Niedrigtemperaturbereich
(beispielsweise bei Raumtemperatur, aber auch bei Temperaturen bis ca. 100° C) weitestgehend stabil. Sie gibt in Mischung mit der refraktären körnigen Komponente dem Dichtungsmaterial j edoch eine gewisse
Verformbarkeit. Bei höheren Temperaturen zersetzt sich diese Komponente und bildet freies Si0 2 .Das freie Si0 2 selbst hat wiederum feuerfeste Eigenschaften und unterstützt im Hochtemperaturbereich die Stabilität des Dichtungsmaterials. Die Si0 2 -hältige Komponente kann als Suspension in viskoser Form mit der körnigen refraktären Komponente gemischt werden. Dies ergibt eine gute Verformbarkeit des Dichtungsmaterials.
Im Hochtemperaturbereich geht die Verformbarkeit dann teilweise verloren, nämlich parallel zur Zersetzung der Si0 2 -hältigen Komponente, ohne j edoch die Dichtungsfunktion zu verlieren.
Die festen Bestandteile der refraktären Dichtungsmasse können in einer Kornfraktion d 50 < 250 μηι vorliegen.
Die refraktäre Dichtungsmasse kann grundsätzlich aus jedem bei der
Anwendung feuerfesten Werkstoff bestehen und enthält beispielsweise mindestens eine refraktäre Komponente aus der Gruppe : Silika,
Alumosilikat, Magnesia, MA-Spinell, Doloma, Mullit, Tonerde, Korund, Bauxit, Zirkonoxid, Zirkonmullit, Zirkonkorund, Kohlenstoff, Chromoxid. Durch Zusätze wie Ton, flüssige Bindemittel und/oder Wasser können die spröden und prinzipiell nicht verformbaren refraktären Komponenten zu einer verformbaren Dichtungsmasse aufbereitet werden, wobei diese
Verformbarkeit durch die feuchtigkeitsdichte Umhüllung solange erhalten bleibt, bis die Umhüllung zerstört wird.
Diese Zerstörung kann durch eine thermische Zersetzung des
Kunststoffmaterials bei entsprechender Temperaturlast erfolgen. Der dabei gebildete Kohlenstoff-Rückstand bildet anschließend das gewünschte Trennmittel .
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Merkmalen der Unteransprüche sowie den sonstigen Anmeldungsunterlagen.
Die Erfindung wird nachstehend anhand verschiedener Ausführungsbeispiele näher erläutert. Dabei zeigen - jeweils in schematisierter Darstellung:
Figur la: eine Aufsicht auf eine erfindungsgemäße Dichtung in Form eines runden Kissens,
Figur lb: eine Schnittdarstellung gemäß A - A zu Figur 1.
Figur 2: einen Längsschnitt durch einen Schieberverschluss an einer
Gießpfanne.
In den Figuren sind gleiche oder gleich wirkende Bauteile teilweise mit gleichen Bezugszeichen dargestellt.
Figur la zeigt eine Dichtung 10 in Form eines in der Aufsicht etwa runden Kissens. Die Dichtung besteht aus einer Kunststofffolie 11 aus zwei Lagen 1 lu, 1 lo, wobei jede Lage etwa eine Kreisform aufweist. Umfangsseitig setzen sich die untere Folie llu und die obere Folie 11 o an zwei
gegenüberliegenden Abschnitten (bei 12, 14) mit stutzenartigen Ansätzen 10a fort.
Die Folien llu, 11 o sind, ausgenommen im Bereich ihrer Ansätze 10a, umfangsseitig miteinander verschweißt, wodurch sich eine umlaufende Schweißnaht 16 ergibt, die nur im Bereich der Ansätze 10a unterbrochen ist. Auf diese Weise bilden die Ansätze 10a eine Eingangs- beziehungsweise Ausgangsöffnung zur Einfüllung eines Dichtungsmaterials in den Bereich zwischen den Folien 1 lu, 1 lo.
Im Wesentlichen konzentrisch zur Umfangs-Schweißnaht 16 verlaufen nach innen versetzt mit Abstand weitere Schweißnähte 18, 20, 22. Die Schweiß- nähte 1 8 , 20 sind, wie die Umfangsschweißnaht 1 6, an zwei gegenüberliegenden Abschnitten unterbrochen (bei 1 8u, 20u), während die innere
Schweißnaht 22 eine durchgehende Ringform aufweist.
Die Dichtung gemäß Figur l a ist mit einem Dichtungsmaterial gefüllt, welches aus einer wässrigen Suspension besteht, die 50 Masse-% einer feinteiligen Schamotte (d 50 <250 μιη) und 50 Masse-% Silikonharz umfasst. Sie wurde bei geöffneten Ansätzen 1 0a im Bereich 1 2 eingefüllt und innerhalb der Ringräume zwischen den Schweißnähten 16, 1 8, 20, 22 verteilt, bis die in Figur l b dargestellten, im Schnitt etwa kreisförmigen Hohlräume H l , H2 und H3 mehr oder weniger vollständig mit Dichtungsmaterial verfüllt waren. Anschließend wurden die Folien l l u, 1 1 o im Bereich der Ansätze 1 0a miteinander verschweißt, um das Dichtungsmaterial vollständig
zwischen den Folien l l u, l l o in der endgültigen Formgebung zu konfektionieren.
Der in Figur 2 dargestellte Ausgussbereich einer Gießpfanne umfasst unter anderem einen Lochstein (well block) 50 mit einer zentralen Durchgangsöffnung 52, an die sich ein Durchflusskanal 54 einer Hülse 56 anschließt, die mit ihrem konischen Abschnitt 56k gegen eine erfindungsgemäße Dichtung 1 0 " und diese gegen einen korrespondierenden inneren konischen Abschnitt 50k des Lochsteins 50 anliegt.
Zwischen einer unteren Stirnfläche 56s der Hülse 56 und einer Oberseite 58o einer Schieberplatte 58 eines insgesamt mit 60 bezeichneten Schieberverschlusses liegt eine weitere erfindungsgemäße Dichtung 1 0"'.
Während die Dichtung 10 " nach Figur 2 die Form einer Manschette aufweist, i st die Dichtung 1 0 "' gemäß Figur 2 ähnlich der Dichtung 10 gemäß Figur 1 kissenartig gestaltet, hier allerdings ringförmig mit einer mittleren Öffnung, korrespondierend zur Durchgangsöffnung 54 der Hülse 56.
Eine korrespondierende Dichtung 10 "" ist zwischen einer unteren Schieberplatte 62 und einer Auslaufhülse 64 platziert.
Die Dichtungen gemäß Figur 2 bestehen aus einer Dichtungsmasse auf Basis Tabulartonerde, Ton, Monoaluminiumphosphat, wie im allgemeinen Teil der Beschreibung dargestellt.
Bei allen Dichtungen ist die Dichtungsmasse in einer Umhüllung aus einer Kunststofffolie 1 1 konfektioniert, die weitestgehend feuchtigkeitsdicht ist. „Weitestgehend feuchtigkeitsdicht" bedeutet, dass bei ordnungsgemäßer Lagerung die Feuchtigkeit in der Dichtungsmasse über mehrere Wochen/ Monate erhalten bleibt. Entsprechend können die Dichtungen als„ready to use"-Dichtungen beim Anwender auch mittelfristig und bei Bedarf - ohne weitere Maßnahmen - eingesetzt werden.
S ie werden dann auf die dargestellte Art und Weise an oder zwischen benachbarten feuerfesten Bauteilen platziert. Bei der Anwendung, also beispielsweise dann, wenn Stahl durch das benachbarte feuerfeste Bauteil fließt, erhöht sich zwangsläufig auch die Temperatur im Bereich der Dichtung wobei die Kunststoff-Umhüllung pyrolysiert und einen
Kohlenstoff-Rückstand bildet, der sich im Oberflächenbereich des keramischen Dichtungsmaterials ansammelt und die Funktion eines Trennmittels zwischen Dichtungsmasse und benachbartem feuerfesten Bauteil beziehungsweise benachbartem metallischen Bauteil erfüllt.
Daraus folgt, dass beispielsweise die Dichtung 1 0" gemäß Figur 2 bei einem Wechsel der Hülse 56 leicht vom Lochstein 50 und der Hülse 56 gelöst werden kann, da die Dichtungsmasse nicht oder nur in geringem Umfang mit den benachbarten Feuerfestteilen versintert ist.
Um eine exakte Positionierung einer Dichtung an einem zugehörigen Bauteil sicherzustellen, ist auf der Umhüllung (Kunststofffolie 1 1 ) zumindest partiell eine Klebeschicht aufgebracht, wie in Figur l b
schematisch mit dem Bezugszeichen 1 3 dargestellt. Hierbei handelt es sich um ein doppelseitiges Klebeband, welches mit einer Seite auf der Kunststofffolie 1 1 und mit der anderen Seite an dem benachbarten Bauteil fixiert wird. Das Kl ebeband i st außen mit einer Abdeckfolie versehen, die abgezogen werden kann, bevor die Verklebung erfolgt.
In Figur 2 ist die Position eines analogen ringförmigen Klebebandes mit dem Bezugszeichen 1 3 ebenfalls schematisch für die Dichtung 1 0" dargestellt.