<Desc/Clms Page number 1>
Verfahren zur Umwandlung eines körnigen, keramischen
Materiales in eine harte Masse
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Umwandlung eines körnigen, keramischen Materiales in eine harte Masse durch Mischen des körnigen, keramischen Materiales mit einem Metallpulver und einer oxydierenden Chromverbindung, Verfestigen der Mischung in die gewünschte Gestalt und Erhitzen derselben, um die Reaktion des Metalles mit dem Oxydationsmittel und die Verfestigung der Mischung zu bewirken.
Das erfindungsgemässe Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass als Metallpulver Aluminium oder Magnesium oder Kalzium oder eine Mischung oder Legierung hievon verwendet wird, wobei das oxydierbare Metallpulver in einer Menge bis zu 6% vorliegt, die zu gering ist, um die ganze Masse auf Sintertemperatur zu erhitzen, und dass die Verfestigung im wesentlichen durch ein aus einem feuerfesten, chromhaltige Reaktionsprodukt bestehendes Bindemittel bewirkt wird.
Es ist anzunehmen, dass die Verfestigung auf einem Schmelzen der Reaktionsteilnehmer und einer darauffolgenden Bildung eines Reaktionsproduktes mit höherem Schmelzpunkt, das die keramischen Körner aneinander bindet, erfolgt, da die Mengen der verwendeten exotherm reagierenden Stoffe nicht ausreichen, die Gesamtheit des Materiales auf die Sintertemperatur zu erhitzen. In der Tat ist die Wärmeanwendung von aussen nicht nur für die Einleitung der Reaktion, sondern manchmal auch zur Aufrechthaltung derselben erforderlich. Die chromhaltige Rückstände der thermischen Reaktion verleihen der resultierenden Masse Starrheit und Festigkeit, möglicherweise durch die Ausbildung von Spinellen oder andern komplexen Strukturen, die Bindekräfte entfalten.
Das Verfahren soll nicht mit dem wohlbekannten Thermitverfahren verwechselt werden, bei dem eine grössere Menge eines oxydierbaren Metalles verwendet wird und die Temperatur auf etwa 20000C ansteigt, wonach die Bindung zwischen den keramischen Teilchen durch Sinterung, d. h. teilweises Schmelzen wenigstens an den Oberflächen der keramischen Teilchen, erfolgt.
Im Gegensatz dazu verläuft das erfindungsgemässe Verfahren bei tiefer Temperatur und das Bindemittel zwischen den keramischen Teilchen besteht aus Reaktionsprodukten des Metallpulvers und der oxydierenden Chromverbindung, wobei keine Sinterung erforderlich ist. Vorteile der Erfindung sind, dass die Verwendung nur kleiner Anteile der Reaktionsteilnehmer geringere Kosten verursacht als die für das Thermitverfahren erforderlichen, verhältnismässig grossen Mengen, dass weiters die Anwendung tiefer Temperaturen die Bruchgefahr während des Abkühlens vermindert und teure Glühverfahren überflüssig macht und dass ferner das Material vor dem Erhitzen ohne Gefahr einer umfassenden Deformierung während der Stufe der Erhitzung zu einer beliebigen Gestalt geformt werden kann.
Das Erhitzen zum Hervorrufen und Aufrechterhalten der Reaktion zwischen dem Metall und der Chromverbindung ist vorzugsweise genügend intensiv, um sowohl das Metall als auch die Chromverbindung zu schmelzen. Es ist anzunehmen, dass dieses Schmelzen zu einer raschen Reaktion und der Ausbildung eines harten, kristallinen Bindemittels beiträgt.
<Desc/Clms Page number 2>
Das Verfestigen der Mischung kann vor oder während des Erhitzens vorgenommen werden.
Die oxydierende Chromverbindung kann ein Chromat, wie Kalziumchromat, ein Bichromat, wie Kaliumbichromat, oder Chromsäureanhydrid sein. Für Produkte, die wasserfest sein sollen, sind Alkalibichromate weniger geeignet als Chromsäureanhydrid und Kalziumchromat. Die Anteile der Bestandteile liegen vorzugsweise in folgenden Gewichtsbereichen :
EMI2.1
<tb>
<tb> Besonders
<tb> Bevorzugter <SEP> Bereich <SEP> bevorzugter <SEP> Bereich
<tb> Keramisches <SEP> Material <SEP> 58-98% <SEP> 64-84% <SEP>
<tb> Chromverbindung <SEP> 1, <SEP> 5-36% <SEP> 14-30% <SEP>
<tb> Metallpulver <SEP> 0, <SEP> 5-6le <SEP> 2-6% <SEP>
<tb>
Diese Werte gelten mit dem Vorbehalt, dass die Anteile der Chromverbindung oder des Metallpulvers oder beider nicht ausreichen, eine exotherme Reaktion hervorzurufen, die genug Wärme für eine Sinterung des keramischen Materiales liefert.
Die Beschaffenheit der Bestandteile und die Korngrössenverteilung des keramischen Materiales werden je nach dem besonderen Verwendungszweck ausgewählt.
In Fällen, wo von der Mischung verlangt wird, dass sie vor der Reaktion zusammenhängend ist, z. B. im Falle von tragfähigen Massen, die vor der Reaktion gehandhabt werden müssen, kann ein Bindematerial wie Wasser, Wachs, Öl, Magnesiumsulfatlösung, Zucker oder Melasse verwendet werden. Vorzugsweise sollte das Bindematerial nach dem Erhitzen keine Zersetzungsrückstände hinterlassen, welche die gewünschten Eigenschaften des Produktes beeinträchtigen könnten.
Die Korngrösse des keramischen Materiales soll so ausgewählt werden, dass die Dichte der mittels des Verfahrens hergestellten Masse dem beabsichtigten Verwendungszweck entspricht, wobei z. B. durch geeignetes Mischen von groben und feinen Körnern eine hohe Dichte erzielt werden kann.
Das kömige, keramische Material kann aus basischem oder neutralem, feuerfestem Material bestehen, in welchem Falle die entstehenden starren Massen feuerfeste Blöcke, Ziegel oder andere Formlinge oder auch monolithische Ofenauskleidungen sein können.
Die Erfindung kann auf irgendein basisches oder neutrales Material, wie es für feuerfeste Artikel verwendet wird, angewendet werden. Kalzinierter Magnesit und kalzinierter Dolomit sind Beispiele für geeignete basische Materialien, Tonerde, Chromit, Chrommagnesit, Spinell und Siliziumcarbid sind Beispiele für geeignete neutrale Materialien. Solche Materialien sind hochresistent gegen den Angriff durch viele metallurgische Schlacken und sind hoch feuerfest, da ihre Erweichungspunkte im Bereich von 1700 bis 22000C liegen.
Wenn eine Ofenauskleidung von monolithischer Art ist und ein Former verwendet wird, dann ist zum Zusammenhalt des Materiales, bevor es gebrannt wird, ein Bindemittel nicht erforderlich. In einem solchen Fall liefert die Massnahme des Ausbrennens des Formers genügend Wärme, um die exotherme Reaktion zu starten und aufrechtzuerhalten.
In einem Induktionsschmelzofen kann die trockene, körnige Mischung um eine zylindrische Metallschalung gerammt werden, die die Gestalt des Bades oder Tiegels besitzt. Es ist oft ratsam, dass nächst der Induktionsspule eine Lage von losem feuerfestem Material ohne Metallpulver vorhanden ist, so dass diese Schicht nicht elektrisch leitfähig ist, aber die innere Fläche nächst der Schalung erfordert ein hartes, gebundenes, feuerfestes Material, da diese Fläche in Berührung mit dem geschmolzenen Metall und der Schlacke sein wird. Das Ausfütterungsgemisch, das gemäss der Erfindung hergestellt wird, wird um die Schalung gerammt und darüber wird eine Schicht feuerfesten Materials frei von Metallpulver und Chromverbindung aufgebracht.
Die resultierende Ausfütterung wird daher aus zwei Schichten bestehen, nämlich einer losen nicht gebundenen Schichte an der Aussenseite der Ausfütterung nächst der Spule und dem harten gebundenen Material, das das zylindrische Badgefäss oder den Tiegel bildet. Die Reaktion kann in diesem Fall durch Erhitzen der Metallschalung mittels des induzierten Stromes von der Spule gestartet und aufrechtgehalten werden. Die Schalung kann geschmolzen und in der ersten Schmelze einverleibt werden.
Andere starre Massen sind z. B. Schleifscheiben, in welchem Falle Schleifmittel, wie Siliziumcarbid-Grundmaterialien, Korund und Alundum, geeignete körnige, keramische Materialien sind.
<Desc/Clms Page number 3>
Diese können in jedem gewünschten Korngrössenbereich und in jeder Verteilung verwendet werden.
Die aktive Mischung kann sowohl hinsichtlich des Metalles als auch des Oxydationsmittels variiert werden ; wenn aber die Scheibe mit einem wässerigen Kühlmittel verwendet wird, ist es notwendig, die Auswahl des Oxydationsmittels auf ein solches zu beschränken, welches unlösliche Reduktionsprodukte ergibt, z. B. Chromsäureanhydrid oder Kalziumchromat.
Die Pressdrücke und Mischungszusammensetzungen können variiert werden, um Produkte von unterschiedlicher Porosität und Festigkeit zu erhalten. Einige Vorteile dieser Methode gegenüber der üblichen Schleifscheibenerzeugung sind die niedrige Temperatur und die kurze erforderliche Zeit für das Brennen der Scheiben sowie die geringe Dimensionsänderung beim Brennen, die nur etwa 1% Ausdehnung beträgt.
Die folgenden Beispiele sollen die Erfindung näher erläutern, wobei in diesen Beispielen die Prozentangaben Gewichtsprozente bedeuten.
Beispiel 1 : 7eu grober, gebrannter Magnesit, der auf einem Sieb mit 1, 003 mm Maschenweite zurückgehalten wird, wurde mit 11% feinem, gebranntem Magnesit, der durch ein Sieb mit 0, 152 mm Maschenweite durchging, vermischt. Hiezu wurden 16% Kaliumbichromatpulver und 3% Aluminiumpulver gefügt. Diese Mischung wurde nach Zusatz von 2% Feuchtigkeit zu einem Block gepresst und dieser in einen Ofen eingesetzt, in dem eine Temperatur von 9500C aufrechterhalten wurde. Sobald die Oberfläche des Blockes die Ofentemperatur erreichte, begann die exotherme Oxydation des Aluminiumpulvers, was Anlass zur Verfestigung des Blockes war, wobei dieser Block in 10 min zu einer harten, festen, feuerfesten Masse wurde.
Das Mischen, wie es beschrieben wurde, könnte auch auf andere Arten erfolgen. Beispielsweise könnte der feine Magnesit mit Aluminiumpulver und dem Bichromat gemischt werden, worauf nach gutem Vermischen der grobe Magnesit zugesetzt werden könnte.
Beispiel 2 : Eine Mischung aus 76, 2% geschmoIzenemMagnesiumoxyd, 20, 3% Kaiziumchromat (technische Qualität) und 3, 5% Aluminiumpulver wurde trocken zu einem Block gepresst. Der Block wurde auf 12000C erhitzt, worauf eine Reaktion erfolgte, die in einigen Minuten vollendet war. Das Produkt war ein fester, feuerfester Körper.
Beispiel 3 : Eine Mischung von 70, 0% gebrannter Tonerde (Sieb mit 0, 251 mm Maschenweite), 25, 0% Chromsäureanhydrid (technische Qualität) und 5, 0% Aluminiumpulver wurde trocken zu einem Block gepresst. Der Block wurde auf 9000C erhitzt, worauf eine Reaktion erfolgte, die in einigen Minuten vollendet war. Das Produkt war ein fester, feuerfester Körper.
Beispiel 4 : Eine Mischung aus 70% gebranntem Magnesit (grob),11% gebranntem Magnesit (fein), 16% Kaliumbichromat und 3% Aluminiumpulver wurde gepresst und bei 9500C gebrannt. Nach der Reaktion wurde ein Seger-Kegel aus dem Produkt geschnitten und in Luft auf eine Temperatur von mehr als 18500C erhitzt. Hernach war er nicht einmal an den scharfen Kanten geschmolzen. Ähnliche Stücke wurden auf etwa 13000C erhitzt und rasch in einem kalten Luftstrom abgekühlt. Sie zeigten keine Risse oder Brüche.
Beispiel 5 : Die folgende Mischung wurde in einer Stahlform in die Gestalt einer Schleifscheibe gepresst, wobei ein Druck von 1550 kg/cm angewendet wurde :
EMI3.1
<tb>
<tb> Tonerde <SEP> (Sieb <SEP> mit <SEP> 0, <SEP> 251 <SEP> mm <SEP> Maschenweite) <SEP> 70%
<tb> Chromsäureanhydrid <SEP> 25%
<tb> Aluminiumpulver <SEP> 5%
<tb> Wasser <SEP> 3% <SEP> zusätzlich
<tb>
Der gepresste Formling wurde ofengetrocknet und in einen auf 9000C erhitzten Ofen eingeführt. Das Brennen war nach einigen Minuten beendet, wobei die genaue Zeit von der Grösse der herzustellenden Scheibe abhängt.
Beispiel 6 : Eine Mischung aus :
EMI3.2
<tb>
<tb> Magnesiumpulver <SEP> l%
<tb> Kaliumbichromat <SEP> 4% <SEP>
<tb> Magnesia <SEP> (totgebrannt) <SEP> 95%
<tb>
wurde zu einem Block unter einem Druck von 1550 kg/cm gepresst und für 5min in einenOfen mit einer Temperatur von 9000C eingesetzt. Sogar bei diesem geringen Anteil an Magnesium war das Produkt hart, fest und feuerfest.
<Desc/Clms Page number 4>
Bezüglich der Abmessungen war eine geringe Änderung zwischen den gepressten Körpern vor dem Brennen und den erhaltenen Produkten festzustellen. Meist trat eine geringe Ausdehnung auf, die aber 10/0 nicht überschritt.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Umwandlung eines körnigen, keramischen Materiales in eine harte Masse durch Mischen des körnigen, keramischen Materiales mit einem Metallpulver und einer oxydierenden Chromverbindung, Verfestigen der Mischung in die gewünschte Gestalt und Erhitzen derselben, um die Reaktion des Metalles mit dem Oxydationsmittel und die Verfestigung der Mischung zu bewirken, dadurch gekennzeichnet, dafi aïs Metalipulver Aluminium oder Magnesium oder Kalzium oder eine Mischung oder Legierung hievon verwendet wird, wobei das oxydierbare Metallpulver in einer Menge bis zu 6% vorliegt, die zu gering ist, um die ganze Masse auf Sintertemperatur zu erhitzen, und dass die Verfestigung im wesentlichen durch ein aus einem feuerfesten, chromhaltigen Reaktionsprodukt bestehendes Bindemittel bewirkt wird.