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Verfahren zur Herstellung von nichtporösen, feuerfesten Gegenständen.
Die Erfindung betrifft die Herstellung von feuerfestem Material, insbesondere von feuerfesten
Gegenständen, wie Ziegeln, Blöcken und Glashäfenteilen, welche der zerstörenden Wirkung von Flüssigkeiten und Gasen, z. B. des geschmolzenen Glases oder der geschmolzenen Schlacke, widerstehen müssen.
Zweck der Erfindung ist, feuerbeständige Gegenstände herzustellen, welche nicht porös, sondern kristallinisch und dicht und bei höheren Temperaturen sowie gegenüber den oben erwähnten zerstörenden Einwirkungen widerstandsfähiger sind als die feuerfesten Gegenstände, welche bisher im Gebrauche sind.
Ein weiterer Zweck besteht darin, feuerfeste Gegenstände herzustellen, welche gleichmässig und frei von Sprüngen sind, auch kein Bindemittel für das feuerfeste Material benötigen, aus dem der Gegenstand hergestellt ist.
Das Verfahren gemäss der Erfindung besteht darin, dass man das Rohmaterial zweckmässig in einem elektrischen Ofen niederschmilzt, das geschmolzene Material in eine Gussform bringt und dann langsam abkühlt, insbesondere beim Übergang aus dem halbplastischen in den festen Zustand, so dass die durch die Kristallisation und die Temperaturänderungen erzeugten inneren Spannungen durch die örtliche Formänderung des plastischen Materials soweit verringert oder beseitigt werden, dass das Auftreten von Sprüngen und Brüchen an dem Gussstück verhindert ist, wobei als Material Tonerde und Kieselsäure in reiner Form oder in Form von Tonerde und Kieselsäure enthaltenden Rohstoffen verwendet werden.
Man hat wohl bereits vorgeschlagen, Tonerde oder Kieselsäure zu schmelzen, allenfalls unter Zusatz von Oxyden des Zirkons oder anderer Elemente, die eine grosse Widerstandskraft gegen Hitze ergeben. Bei langsamer Abkühlung des Gussstückes nimmt dieses eine kristallinische Struktur an, während eine rasche Abkühlung eine amorphe Struktur ergibt.
Nach dem vorliegenden Verfahren werden als Rohmaterial Tonerde und Kieselsäure in reiner Form oder in Form von Tonerde und Kieselsäure enthaltenden Rohstoffen verwendet. Die Gussstücke haben zweierlei Struktur, sie ist teilweise kristallinisch, teilweise amorph, indem die Kristalle in ein glasiges amorphes Bindemittel eingebettet sind. Sie werden getempert, wodurch sie spannungsfrei werden und vor der Rissbildung und dem Springen bewahrt bleiben.
Gute Ergebnisse werden erzielt, wenn Tonerde und Kieselsäure im Molekularverhältnisse von wenigstens 3 : 2 verwendet werden.
Zur Erzeugung der feuerfesten Gegenstände werden die Materialien, beispielsweise eine Mischung von Tonen oder eine Mischung von Tonerde und Sand, zweckmässig in einem elektrischen Ofen niedergeschmolzen, aus dem durch Kippen desselben die geschmolzene Masse in eine Gussform entleert wird, wodurch der Gegenstand sofort die fertige Gestaltung erhält.
Unter den Gegenständen, welche mit Vorteil nach diesem Verfahren hergestellt werden konnten, bei welchen Öfen von 30 KW und 100 KW benutzt werden, befinden sich Blöcke von 30 x 45 x 20 cm für Wannenöfen ; Ziegel von 5 x10 x 221/2 cm ; Platten von 7'5 x30 x45 cm ; Röhren von 10 cm innerem Durchmesser, 15 cm äusserem Durchmesser und 30 cm Länge ; Auslasse und Nadeln zum Gebrauch in selbsttätigen Glasspeisern ; Tiegel von 15 cm Durchmesser und 9 mm Dicke bis zu 30'6 mm Durchmesser und 3 mm Dicke.
Die Art der benutzten Form, die Länge der Zeit, während welcher der Gegenstand in der Gussform verbleibt, und die nachfolgende Wärmebehandlung hat, wenn der Gegenstand aus der Gussform entfernt ist, einen entscheidenden Einfluss auf die physikalischen Eigenschaften des Gegenstandes.
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Zunächst sind eiserne Gussformen unzweckmässig, ausgenommen in dem Falle, wo es sich um kleine und verhältnismässig dünne Gegenstände handelt, wie z. B. Tiegel oder Ghsleiter. Zur Herstellung derartiger Gegenstände wird das Gussstück aus der Form entfernt, sobald die Oberfläche genügend erstarrt ist, worauf es, wie weiter unten beschrieben, behandelt werden muss.
Die geeignetste Gussform für die meisten Zwecke, namentlich zur Herstellung von Ziegeln und, Blöcken für Wannenöfen, besteht aus Glassand mit einem passenden Bindemittel, wie beispielsweise Leinsamenöl. Sie wird vor der Verwendung gebrannt. Derartige Sandformen besitzen unter anderen Vorzügen den, dass sie nicht mit dem Guss zusammenschmelzen. Das Innere der Form wird zweckmässig vor dem Gusse mit Graphit angestrichen, um ein Anhaften des Formsandes am Gussstück zu verhindern.
Bei der Herstellung grösserer oder kleinerer Gegenstände müssen die Formwände in ihren linearen Abmessungen dicker oder dünner entsprechend dem herzustellenden Gegenstande gemacht werden. Die gebrannte Sandgussform wird zweckmässig auf eine Unterlage aus Sil-o-cel (einem Aluminiumsilikat) aufgestellt und auf allen Seiten sowie am Boden und an der Decke isoliert, was durch Auflegen einer 7'5-10 cm starken Schicht von Sil-o-cel-Pulver geschieht, das in einem besonderen Mantel aus Eisenblech enthalten ist.
Bei Auswahl der zweckmässigsten Gussform und des Verfahrens der Hitzebehandlung sind die folgenden Bedingungen zu berücksichtigen :
Um gute Güsse aus feuerfestem Material zu erhalten, ist es notwendig, dieses langsam zu kühlen, im besonderen durch allmähliches Absenken der Temperatur bis zu der Grenze, in welcher die Güsse aus dem halbplastischen in der festen Zustand übergehen Durch diese Behandlung werden alle Spannungen, welche während des Eingiessens und der ursprüngliclum Berührung mit den Wänden der Form erzeugt sind, aufgehoben, und diejenigen Spannungen, welche während des langsamen Abkühlens infolge der Temperatursenkung auftreten, sind nicht hinreichend, um Risse auftreten zu lassen.
Entsprechend dem ähnlichen Verfahren, durch welches der Bruch von Glas verhindert wird, wird das neue Verfahren zur Behandlung von Gussstücken, um ihren Bruch zu vermeiden, zweckmässig" Temperverfahren" genannt werden. Es sei bemerkt, dass der Zweck dieses Temperverfahrens darin besteht, ausserordentlich grosse Spannungen, wie beispielsweise bei Glas, zu verhindern, ohne jedoch die Kristallbildung zu verändern, wie beim Verfahren zum Tempern von Metallgüssen. Es sei jedoch daran erinnert, dass gegossenes feuerfestes Material sich von Glas und Schlacke bedeutend unterscheidet, da es stark
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haitigen Materialien bestehende, feuerfeste Stoffe liegt die Erstarrungstemperatur in der Höhe von 1550 C.
Die drei nachfolgenden Verfahren des Temperns von feuerfesten Materialien haben gute Ergebnisse gezeigt :
1. Tempern in einem Ziegelbrennofen. Das Gussstück wird hiebei in der Form nur so lange gelassen, bis die Aussenfläche ein Handhaben gestattet ; dann wird es schnell in einen Ziegelbrennofen übergeführt, der bereits auf eine Temperatur gebracht ist, die nahe der Temperungstemperatur des feuerfesten Materials liegt. Nachdem eine genügende Anzahl von Gussstücken in den Ofen eingebracht ist, wird die Temperatur einige Stunden hindurch auf dem Tempergrade erhalten und dann allmählich ganz langsam auf Zimmertemperatur herabgesetzt, wobei die zulässige Schnelligkeit hauptsächlich von der Dicke des Gussstückes
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des Temperns ist teuer.
Es ist jedoch das einzige Verfahren, welches sich bei kleinen und verhältnismässig dünnen Gussstücken wie Tiegeln und Glasleitern anwenden lässt. Bei diesen Verfahren können eiserne, offene oder auch geschlossene Formen benutzt werden, vorausgesetzt, dass der Guss entfernt wird, bevor er zu sehr abgekühlt ist.
2. Tempern in Wärmeisolierpulver (wie beispielsweise Sil-o-eel). Verhältnismässig schwere Artikel, wie Blöcke für Wannenöfen, können dadurch getempert werden, dass man sie, so bald ihre äussere Fläche soweit erstarrt ist, dass sie gehandhabt werden können, aus der Gussform, die aus Glassand und Leinsamenöl bestehen kann, entfernt, und in einen Behälter bringt, welcher Wärmeisolierpulver enthält ; auch kann nach Entfernung der Gussform ein Behälter um das Gussstück gestellt werden und der Raum zwischen dem Gussstück und dem Behälter mit Wärmeisolierpulver ausgefüllt werden. Im letzteren Falle wird der Boden der Gussform nicht entfernt ; wird jedoch die Gussform auf isolierende Ziegel gestellt, so ist dies nicht notwendig.
Wiegt ein derartiger Block ungefähr 100 leg, so genügt die in ihm enthaltene Wärmemenge, um die Oberfläche wieder zu erhitzen, nachdem sie durch die Gussform und das Aussetzen an der Luft abgekühlt war, so dass sie über die Temperungstemperatur steigt. Alsdann wird infolge der Wärmeisoliermasse der gesamte Block langsam von der Temperungstemperatur bis hinab zur Zimmertemperatur sich abkühlen. Der einzige Nachteil dieses Verfahrens besteht darin, dass das Entfernen der Gussform und das Hinzufügen des Wärmeisolierpulvers Umstände verursacht und das ganze Verfahren nicht so wirksam ist, wie das nachfolgende dritte Verfahren.
3. Tempern in einer mit dünnen Isolationswandungen versehenen Form. Besitzt das Gussstück grosse Abmessungen, dann ist es das beste, eine mit dünnenWandungen versehene und gut isolierte Sandform zu verwenden, wie sie oben beschrieben ist. Die Wände müssen stark genug sein, um ihre Gestalt bei-
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da sonst die Schnelligkeit der Abkühlung zu gross wird.
Werden jedoch die Wände dünn genommen, so ist die Aufnahmsfähigkeit der Gussformen für Wärme so gering mit Rücksieht auf den Wärmeinhalt des Gussstückes, dass die innere Fläche der Gussform bis zur Temperungstemperatur erwärmt wird, bevor noch das Gussstück selbst sich unter diese Temperatur abgekühlt hat ; infolge der Wärmeisolation wird dann das Gussstück sich selbst tempern, da es langsam abkühlt. Nachdem die geschmolzene Masse ausgegossen ist, wird Sil-o-cel-Pulver auf die Form geschaufelt ; in etwa einer halben Stunde ist das Äussere des Gussstückes erstarrt, obgleich das Innere noch flüssig ist, und die Gussform ist infolge des Ausbrennens des Bindemittels stark auseinandergefallen.
Die Abkühlungsperiode dauert bei einem für einen Wannenofen bestimmten Block von 30x45x2Ce ! m Kantenlänge, welcher annähernd 857su wiegt, ungefähr vier Tage, wenn er in Sil-o-cel-Pulver eingebettet ist. Er wird darauf aus dem Isolationsmaterial entfernt
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werden. Im Falle unregelmässig gestaltete Gegenstände hergestellt werden sollen, wie z. B. Schiffchen, deren Dicke weniger als 5 cm beträgt, ist es jedoch kaum praktisch, dieses Verfahren zu benutzen, und das Tempern in einem Ziegelbrennofen muss hier vorgezogen werden.
Aus vorstehendem geht hervor, dass das Gussmaterial, in welchem die Kristalle erst vom Grund aus erzeugt werden, d. h. in ihre Lage aus der flüssigen Masse hineingewachsen sind, notwendigerweise dichter und freier von Poren ist.
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<tb>
<tb> Diaspor-Tonerde <SEP> Bauxite <SEP> Kaolin
<tb> AI, <SEP> Os........ <SEP> 65-6 <SEP> % <SEP> 55-5% <SEP> 28-2%
<tb> SiO,......... <SEP> 11-6 <SEP> IM <SEP> 53-4
<tb> Tira <SEP> 2-0 <SEP> 2-0 <SEP> 2-0
<tb> Fe20s........ <SEP> 0'45 <SEP> 1'8 <SEP> 1'6
<tb> Verschiedenes <SEP> 1-2-0-7
<tb> Verlust...... <SEP> 19-1 <SEP> 24-4 <SEP> 14-0
<tb> (Flüchtige <SEP> Bestandteile)
<tb>
Um beispielsweise Mullit (d. h. ein Aluminiumsilikat von der Zusammensetzung 3 AI. 2 SiO herzustellen, benutzt man einen Satz bestehend aus annähernd 2-5 Teilen Diaspor-Tonerde und einem Teil Kaolin.
Soll Sillimanit hergestellt werden, so muss der Satz gleiche Teile von Diaspor-Tonerde und Kaolin enthalten. Auch reine Diaspor-Tonerde und Mischungen derselben mit Kaolin in verschiedenen Verhältnissen, als auch reiner Bauxit und Mischungen desselben mit Kaolin in verschiedenen Verhältnissen sind nach vorliegendem Verfahren der Schmelze unterzogen worden.
Zu bestimmten Zwecken ist es wünschenswert, dass das feuerfeste Material einen Gehalt von 10-30% Zirkon aufweist. Ein derartiges feuerfestes Material kann leicht hergestellt werden, indem man den betreffenden Betrag an Zirkonerz dem Satz hinzufügt.
Wenn Rohmaterialien hauptsächlich aus Tonerde und Kieselsäure bestehen, wie beispielsweise aus Diaspor und Kaolin, um feuerfestes Material herzustellen, und diese Materialien zusammengeschmolzen und zu einem Gegenstand gemäss vorliegendem Verfahren ausgegossen werden, so besteht das Endprodukt aus Mullit und Korund-Kristallen, welche in einer glasartigen Masse eingebettet sind. Wenn andere Rohstoffe als die oben erwähnten verwendet werden, so entstehen Kristalle von Verbindungen derselben.
Wenn Materialien mit einem so hohen Temperpunkt zur Anwendung gelangen, dass eine Sandform nicht benutzt ist, kann die Form selbst auch aus feuerfestem Material hergestellt werden, das den gleichen oder noch einen höheren Schmelzpunkt als das zu giessende Material hat. Das zu der Form in diesem
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Falle verwendete Material wird so fein gemahlen, dass die Teilchen eben noch durch ein Sieb mit 9 Maschen auf 1 cm bzw. noch feiner hindurchgehen und mit Leinsamenöl oder einer andern organischen Substanz vermischt.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Herstellung von nichtporösen feuerfesten Gegenständen, die in der Hauptsache aus in eine glasige Masse eingebetteten Kristallen bestehen, dadurch gekennzeichnet, dass man das Rohmaterial zweckmässig in einem elektrischen Ofen niederschmilzt, das geschmolzene Material in eine Gussform bringt und dann langsam abkühlt, insbesondere beim Übergang aus dem halbplastischen in den festen Zustand, so dass die durch die Kristallisation und die Temperaturänderungen erzeugten inneren Spannungen
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das Auftreten von Sprüngen und Brüchen an dem Gussstück verhindert ist, wobei als Material Tonerde und Kieselsäure in reiner Form oder in Form von Tonerde und Kieselsäure enthaltenden Rohstoffen verwendet werden.