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Feuerfester saurer Schamottestein und Verfahren zu seiner Herstellung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen verbesserten feuerfesten sauren Schamottestein (Semi-Silikastein) zur Verwendung in Öfen, wie Warmebehandlungsöfen bzw. Vergütungsöfen und Hoch- öfen, in welchen eine Widerstandsfähigkeit und Festigkeit gegen eine Warmdruckdeibrmation und Temperaturwechsel erforderlich sind sowie auf ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Steines.
EMI1.1
gen. Gemäss dieser Klassifikation darf sich der saure Schamottestein nicht um mehr als 1, 5% bei einer
Temperatur von 13500C deformieren, muss einen Bruchmodul von 21, 0 kg/cm2 und einen minimalen Kie- selsäuregehalt von 72% haben.
Saure Schamottesteine werden üblicherweise entweder aus hochkieselsäurehaltigem Ton, der mitun- ter als "Jersey-Ton" bezeichnet wird, oder durch Brennen einer Mischung von Fire-clay und Kohlensandstein (Ganister) oder Quarz, wobei Grog gebildet und dann dieser Grog als Hauptbestandteil des feuerfesten Steines verwendet und vor dem Formen zum feuerfesten Stein mit kieselsäurehaltiger Schamotte vermischt wird, hergestellt.
In der USA-Patentschrift Nr. 2, 384, 180, betreffend "Semi-Silikasteine", ist ein feuerfester Stein mit einem Gehalt von 80 bis 90% an Kieselsäure beschrieben, der durch Vermischen von Quarzit oder Ganister mit einem Ton von niedrigem Alkaligehalt zur Erzeugung einer Mischung, die 10% Teilchen zwischen 0 und 4 Maschen (4,699 mm), 16, 2% Teilchen zwischen 6 (3,327 mm) und 10 Maschen (1,651 mm), 20, 7% Teilchen zwischen 10 (1,651 mm) und 28 Maschen (0,589 mm), 17, 1% Teilchen zwischen 28 (0,589 mm) und 65Maschen (0,208 mm) und 36, 0% Teilchen, die kleiner sind als 65 Maschen (0,208 mm), enthält, erhalten wird.
Bei Verwendung der in dieser Patentschrift beschriebenen Mischung ist es nicht möglich, einen ausreichend hohen Bruchmodul zu erhalten, um den oben erwähnten Angaben der American Society for Testing Materials von 21, 0 kg/cm zu entsprechen.
Ein Zweck der vorliegenden Erfindung besteht darin, bessere physikalische Eigenschaften bei einem feuerfesten sauren Schamottestein zu erhalten.
Ein weiteres Ziel ist darin gelegen, einen strukturell festen, feuerfesten sauren Schamottestein mit geringeren Prozentgehalten an vorher gebranntem Material zu erzeugen, wobei rohe kieselsäurehaltige Mineralien in Form von gewaschenen Quarzkieseln oder gewaschenem Ganister, der in dem Sinne roh ist, dass er vorher nicht gebrannt worden ist, verwendet und dadurch die Herstellungskosten verringert werden, da nur geringe Mengen von vorgebrannten Materialien erforderlich sind.
Ein weiterer Zweck ist es, die Teilchengrösse der Quarzkiesel oder des kieselsäurehaltigen Minerals zu verringern und dadurch die Scherfestigkeit eines feuerfesten sauren Schamottesteines, wie sie durch den Bruchmodul gemessen wird, zu verbessern.
Als Ergebnis einer ausgedehnten Untersuchung der Eigenschaften von Kombinationen von Kaolin, Fire-clay und gewaschenem Quarz ist festgestellt worden, dass ein stark verbesserter Bruchmodul durch Verwendung der folgenden Kombination von Bestandteilen und Teilchengrössen in einem feuerfesten sauren Schamottestein erhalten werden kann :
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EMI2.1
<tb>
<tb> Gewaschener <SEP> Quarz, <SEP> durch <SEP> 28 <SEP> Maschen <SEP> (0, <SEP> 589 <SEP> mm) <SEP> 50-70%
<tb> Gebranntes <SEP> Kaolin, <SEP> durch <SEP> 10 <SEP> Maschen <SEP> (1, <SEP> 651 <SEP> mm) <SEP> 10 <SEP> - <SEP> 30%
<tb> Rohes <SEP> Kaolin, <SEP> durch <SEP> 20 <SEP> Maschen <SEP> (0, <SEP> 833 <SEP> mm) <SEP> 10-30%
<tb> Roher, <SEP> plastischer <SEP> Fire-clay, <SEP> durch <SEP> 20 <SEP> Maschen <SEP> (0, <SEP> 833 <SEP> mm) <SEP> 2-10%
<tb>
Alle hier vorkommenden Prozentangaben beziehen sich auf Gewichtsprozente. mit Ausnahme der Prozentangabe bezüglich der Deformation unter Belastung.
Die chemische Analyse des gewaschenen Quarzes oder Ganisters ergibt mindestens 97% Kieselsäure, während der Rest Verunreinigungen, wie Tonerde, Eisenoxyd, Titanoxyd und Alkali, enthält.
Das Kaolin, auswelchem das gebrannte Kaolinunddas rohe Kaolin stammen, ist vorzugsweise Kaolin aus Georgia mit einer typischen Analyse und typischen unteren und oberen Grenzwerten, die im folgenden wiedergegeben sind :
EMI2.2
<tb>
<tb> Typische <SEP> Analyse <SEP> Minimum <SEP> Maximum
<tb> % <SEP> % <SEP> %
<tb> Glühverlust <SEP> 13,77 <SEP> 12,0 <SEP> 15,0
<tb> Kieselsäure <SEP> (SiO2) <SEP> 44, <SEP> 60 <SEP> 40, <SEP> 0 <SEP> 48, <SEP> 0 <SEP>
<tb> Ferrioxyd <SEP> (fie20.) <SEP> 0,98 <SEP> 0,5 <SEP> 1,5
<tb> Tonerde <SEP> (Al2O3) <SEP> 37,17 <SEP> 35,0 <SEP> 40,0
<tb> Titandioxyd <SEP> (Ti02) <SEP> 2, <SEP> 35 <SEP> 2, <SEP> 0 <SEP> 3, <SEP> 0 <SEP>
<tb> Kalk <SEP> (CaO) <SEP> 0, <SEP> 12 <SEP> 0.
<SEP> 05 <SEP> 0, <SEP> 4 <SEP>
<tb> Magnesia <SEP> (MgO) <SEP> 0, <SEP> 25 <SEP> 0, <SEP> 10 <SEP> 0, <SEP> 6 <SEP>
<tb> Alkalien <SEP> (nua, <SEP> und <SEP> K2O) <SEP> 0,25 <SEP> 0,10 <SEP> 1,0
<tb>
Das gebrannte Kaolin wird zweckmässig bei einer Temperatur von mindestens etwa 14500C und vorzugsweise etwa 15200C während eines Zeitraumes von mindestens 1 Stunde gebrannt.
Der plastische Fire-clay ist zweckmässig ein plastischer feuerfester Ton von der Art, wie er als plastischer Fire-clay aus Missouri, Pennsylvania, Kentucky, Colorado oder Alabama bekannt ist, der eine typische Analyse und typische untere und obere Grenzwerte aufweist, wie sie im folgenden wiedergegeben sind :
EMI2.3
<tb>
<tb> Typische <SEP> Analyse <SEP> Minimum <SEP> Maximum
<tb> 0/0 <SEP> % <SEP> %
<tb> Gliihverlust <SEP> 8, <SEP> 09 <SEP> 7, <SEP> f > <SEP> 12, <SEP> 5 <SEP>
<tb> Kieselsäure <SEP> (SiO2) <SEP> 56, <SEP> 84 <SEP> 52, <SEP> 0 <SEP> 60, <SEP> 0 <SEP>
<tb> Ferrioxyd <SEP> (Fe2O3) <SEP> 1,82 <SEP> 1,0 <SEP> 2,5
<tb> Tonerde <SEP> (AlP3) <SEP> 27,40 <SEP> 25,0 <SEP> 33,0
<tb> Titandioxyd <SEP> (TiO) <SEP> 1, <SEP> 28 <SEP> 1, <SEP> 0 <SEP> 2, <SEP> 0 <SEP>
<tb> Kalk <SEP> (CaO) <SEP> 0, <SEP> 30 <SEP> 0, <SEP> 1 <SEP> 0, <SEP> 5 <SEP>
<tb> Magnesia <SEP> (MgO) <SEP> 0, <SEP> 91 <SEP> 0, <SEP> 5 <SEP> 1, <SEP> 5 <SEP>
<tb> Alkalien <SEP> (Na2O <SEP> und <SEP> K20) <SEP> 2, <SEP> 99 <SEP> 1, <SEP> 5 <SEP> 3, <SEP> 5 <SEP>
<tb>
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Gegebenenfalls kann Bentonit in einer Menge von 0, 25 bis. verwendet werden,
der folgende typische Analyse hat :
EMI3.1
<tb>
<tb> Glühverlust <SEP> 4,87%
<tb> Kieselsäure <SEP> (SiO2) <SEP> 60, <SEP> 89% <SEP>
<tb> Tonerde <SEP> (Al2O3) <SEP> 22,17%
<tb> Eisenoxyd <SEP> (Fe20) <SEP> 3, <SEP> 69% <SEP>
<tb> Titandioxyd <SEP> (TiO.) <SEP> 0,18%
<tb> Kalk <SEP> (CaO) <SEP> 1, <SEP> 28% <SEP>
<tb> Magnesia <SEP> (MgO) <SEP> 2, <SEP> 770/0 <SEP>
<tb> Alkalien <SEP> (Na20 <SEP> und <SEP> K20) <SEP> 2, <SEP> 89% <SEP>
<tb>
Beispiel l :
Die bevorzugte Zusammensetzung für den Stein ist wie folgt :
EMI3.2
<tb>
<tb> Gewaschener <SEP> Quarz, <SEP> durch <SEP> 28 <SEP> Maschen <SEP> (0, <SEP> 589 <SEP> mm) <SEP> 55%
<tb> Gebranntes <SEP> Kaolin, <SEP> durch <SEP> 10 <SEP> Maschen <SEP> (1, <SEP> 651 <SEP> mm) <SEP> 20%
<tb> Rohes <SEP> Kaolin, <SEP> durch <SEP> 20 <SEP> Maschen <SEP> (0,833mm) <SEP> 20%
<tb> Plastischer <SEP> Fire-clay, <SEP> durch <SEP> 20 <SEP> Maschen <SEP> (0, <SEP> 833 <SEP> mm) <SEP> 5, <SEP> 0% <SEP>
<tb>
Das Kaolin war Georgia-Kaolin und der plastische Fire-clay in diesem Beispiel war plastischer Ton aus Missouri.
Die Siebanalyse der Bestandteile in gewaschenem Zustand ist wie folgt :
EMI3.3
<tb>
<tb> kleiner <SEP> als <SEP> grösser <SEP> als <SEP> gebranntes <SEP> Kaolin <SEP> rohes <SEP> Kaolin <SEP> und <SEP> gemahlener, <SEP> ge-
<tb> (Maschen) <SEP> (Maschen) <SEP> plastischer <SEP> Fire-clay <SEP> waschener <SEP> Quarz
<tb> in <SEP> % <SEP> in <SEP> % <SEP> in <SEP> % <SEP>
<tb> 8 <SEP> (2,362mm) <SEP> 10 <SEP> (1,651 <SEP> mm) <SEP> 2,4
<tb> 10 <SEP> (1, <SEP> 651 <SEP> mm) <SEP> 14 <SEP> (1, <SEP> 168 <SEP> mm) <SEP> 10, <SEP> 8 <SEP>
<tb> 14 <SEP> (1, <SEP> 168 <SEP> mm) <SEP> 20 <SEP> (0, <SEP> 833 <SEP> mm) <SEP> 12, <SEP> 8 <SEP>
<tb> 20 <SEP> (0, <SEP> 833 <SEP> mm) <SEP> 28 <SEP> (0, <SEP> 589 <SEP> mm) <SEP> 16, <SEP> 8 <SEP> 0, <SEP> 4 <SEP> 7, <SEP> 6 <SEP>
<tb> 28 <SEP> (0, <SEP> 589 <SEP> mm) <SEP> 35 <SEP> (0, <SEP> 417 <SEP> mm) <SEP> 14, <SEP> 4 <SEP> 2,
<SEP> 4 <SEP> 20, <SEP> 0 <SEP>
<tb> 35 <SEP> (0, <SEP> 417 <SEP> mm) <SEP> 48 <SEP> (0, <SEP> 295mm) <SEP> 11,2 <SEP> 2,0 <SEP> 12,8
<tb> 48 <SEP> (0, <SEP> 295 <SEP> mm) <SEP> 65 <SEP> (0, <SEP> 208 <SEP> mm) <SEP> 9, <SEP> 2 <SEP> : <SEP> 2, <SEP> 0 <SEP> 9,6
<tb> 65 <SEP> (0, <SEP> 208 <SEP> mm) <SEP> 100 <SEP> (0, <SEP> 147 <SEP> mm) <SEP> 6,0 <SEP> 1,2 <SEP> 11,2
<tb> 100 <SEP> (0, <SEP> 147 <SEP> mm) <SEP> 150 <SEP> (0, <SEP> 104 <SEP> mm) <SEP> 2,8 <SEP> 1, <SEP> 2 <SEP> 8, <SEP> 8 <SEP>
<tb> kleiner <SEP> als <SEP> 150 <SEP> (0, <SEP> 104 <SEP> mm) <SEP> 7,6 <SEP> 90, <SEP> 8 <SEP> 30, <SEP> 0 <SEP>
<tb>
Wenn die in der oben angeführten Tabelle gegebenen Werte zusammengefasst werden, dann ist die Siebanalyse der Mischung aller gewaschenen Bestandteile wie folgt :
EMI3.4
<tb>
<tb> kleiner <SEP> als <SEP> grösser <SEP> als
<tb> (Maschen) <SEP> (Maschen)
<tb> 8 <SEP> (2,362 <SEP> mm) <SEP> 10 <SEP> (1,651 <SEP> mm) <SEP> Spur
<tb> 10 <SEP> (1,651 <SEP> mm) <SEP> 14 <SEP> (1,168 <SEP> mm) <SEP> 1,0%
<tb> 14 <SEP> (1,168 <SEP> mm) <SEP> 20 <SEP> (0,833 <SEP> mm) <SEP> 1,0%
<tb> 20 <SEP> (0,833 <SEP> mm) <SEP> 28 <SEP> (0,589 <SEP> mm) <SEP> 4,0%
<tb> 28 <SEP> (0, <SEP> 589 <SEP> mm) <SEP> 35 <SEP> (0, <SEP> 417 <SEP> mm) <SEP> 10, <SEP> 0%
<tb> 35 <SEP> (0,417 <SEP> mm) <SEP> 48 <SEP> (0,295 <SEP> mm) <SEP> 10,0%
<tb> 48 <SEP> (0,295 <SEP> mm) <SEP> 65 <SEP> (0,208 <SEP> mm) <SEP> 9,0%
<tb> 65 <SEP> (0,208 <SEP> mm) <SEP> 100 <SEP> (0,147 <SEP> mm) <SEP> 8,0%
<tb> 100 <SEP> (0,147 <SEP> mm) <SEP> 150 <SEP> (0,104 <SEP> mm) <SEP> 6,0%
<tb> kleiner <SEP> als <SEP> 150 <SEP> (0, <SEP> 104mm) <SEP> 50,
<SEP> 0% <SEP>
<tb>
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Es ist festgestellt worden, dass es sehr erwünscht ist, in der Mischung mindestens 45% an Teilchen zu verwenden, die durch ein Sieb mit 150 Maschen (0, 104 mm) hindurchgehen, um die verbesserten mecha- nischen Eigenschaften bei den Steinen gemäss der vorliegenden Erfindung zu erhalten.
Jeder der Bestandteile wurde getrennt gemahlen und gesiebt. Die genaue Menge eines jeden Bestandi teiles wurde ausgewogen und die Mischung wurde mit etwa 61o Wasser in einem Mischer von der Muller-
Type oder in einer Mischtrommel vermischt. Die Mischung wurde in einer üblichen Trocken- oder Nass- pfanne, wie sie an sich wohlbekannt ist, angemacht, um die für die Verformung gewünschte Konsistenz zu erhalten.
Die angemachte Mischung wurde mit Hilfe einer Presse auf eine beim Nassverformen vorliegende mi- nimale Dichte von 2, 25 gled verformt. Die verpressten Steine wurden in einem Tunnelofen bei einer
Temperatur von 13500C gebrannt. Gegebenenfalls kann ein periodisch arbeitender Brennofen verwendet werden. Die Brenntemperatur kann eine beliebige Temperatur zwischen einschliesslich 1260 und 14100C sein.
Der Bruchmodul der nach dem Verfahren gemäss diesem Beispiel erhaltenen sauren Schamottesteine lag zwischen etwa 32, 06 und 40,74 kg/cmZ und im Durchschnitt bei 36, 96 kg/cm%. Die Deformation un- ter Belastung bei 13500C betrug 0, 0%.
Beispiel 2: Es wurde die in Beispiel 1 beschriebene Arbeitsweise angewendet, wobei an Stelle von plastischem Fire-clay aus Missouri plastischer Fire-clay aus Pennsylvania verwendet wurde. Das Brennen erfolgte in einem periodisch arbeitenden Brennofen. Der Bruchmodul lag zwischen etwa 25, 76 und 39, 48 kg/cm% bei einem Durchschnitt von 32,70 kg/cm.
Beispiel 3 : Es wurde die Arbeitsweise gemäss Beispiel 1 durchgeführt, wobei eine Mischung ver- wendet wurde, in welcher nur 400/0 der Teilchen bei einer Siebanalyse in gewaschenem Zustand durch ein
Sieb mit 150 Maschen (0, 104 mm) hindurchgingen. Die Dichte war nicht so gross und der Bruchmodul be- trugim Durchschnitt nur etwa 17, 5 kg/crd. Weitere Versuche zeigten, dass eine bedeutende Verbesserung hin- sichtlich des Bruchmoduls erfolgte, wenn die Teilchen mit einer Grösse von unter 150 Maschen (0,104 mm) bei einer Siebanalyse in gewaschenem Zustand in einem Ausmass von über 45 Gew.-% vorlagen.
Beispiel 4: Es wird die folgende Mischung verwendet :
EMI4.1
<tb>
<tb> Gewaschener <SEP> Quarz, <SEP> durch <SEP> 28 <SEP> Maschen <SEP> (0,589 <SEP> mm) <SEP> 50%
<tb> Gebranntes <SEP> Kaolin, <SEP> durch <SEP> 10 <SEP> Maschen <SEP> (1, <SEP> 651 <SEP> mm) <SEP> 10%
<tb> Rohes <SEP> Kaolin, <SEP> durch <SEP> 20 <SEP> Maschen <SEP> (0, <SEP> 833 <SEP> mm) <SEP> 30% <SEP>
<tb> Roher, <SEP> plastischer <SEP> Fire-clay, <SEP> durch <SEP> 20 <SEP> Maschen <SEP> (0,833 <SEP> mm) <SEP> 10%
<tb>
Die Eigenschaften unterscheiden sich von denen gemäss Beispiel 1 insoferne, als der Kieselsäuregehalt niedriger werden kann als dies nach den Vorschriften der American Society for Testing Materials gestattet ist, jedoch für manche Zwecke noch wünschenswert sein kann.
Beispiel 5 : Es wird eine Mischung der folgenden Zusammensetzung verwendet, wobei anderseits die in Beispiel 1 dargelegte Arbeitsweise angewendet wird :
EMI4.2
<tb>
<tb> Gewaschener <SEP> Quarz, <SEP> durch <SEP> 28 <SEP> Maschen <SEP> (0,589 <SEP> mm) <SEP> 7rP/o
<tb> Gebranntes <SEP> Kaolin, <SEP> durch <SEP> 10 <SEP> Maschen <SEP> (1, <SEP> 651 <SEP> mm) <SEP> 10% <SEP>
<tb> Rohes <SEP> Kaolin, <SEP> durch <SEP> 20 <SEP> Maschen <SEP> (0,833 <SEP> mm) <SEP> 185ru
<tb> Roher, <SEP> plastischer <SEP> Fire-clay, <SEP> durch <SEP> 20 <SEP> Maschen <SEP> (0,833 <SEP> mm) <SEP> 2%
<tb>
Die Eigenschaften unterscheiden sich von den Eigenschaften gemäss Beispiel 1 dadurch, dass der Kieselsäuregehalt höher wird als in Beispiel 1, und dies ist die obere Grenze des Bereiches für den Kieselsäuregehalt.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Feuerfester saurer Schamottestein (Semi-Silikastein), dadurch gekennzeichnet, dass er aus 50 bis 70 Gew.-% gewaschenem Quarz, der durch 28 Maschen (0, 589 mm) hindurchgeht, 10-30 Gew.-% ge- branntem Kaolin einer Korngrösse von unter 10 Maschen (l, 651 mm), 10-30 grew.-% von rohen Kaolinteilchen einer Korngrösse von unter 20 Maschen (0, 833 mm) und 2-10 Gew.-% von rohem, plastischem Fire-clay einer Teilchengrösse von unter 20 Maschen (0, 833 mm) aufgebaut ist.