AT334813B - Verfahren zur verbesserung der bindung von feuerfesten und warmeisolierenden zuschlagstoffen mittels wasserglas - Google Patents
Verfahren zur verbesserung der bindung von feuerfesten und warmeisolierenden zuschlagstoffen mittels wasserglasInfo
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Description
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Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Verbesserung der Bindung von feuerfesten und wärmeisolierenden Zuschlagstoffen, wie Quarzit, Zirkon, Tonerde, Schamotte, Magnesit, Forsterit, geblähter
Perlit, geblähter Ton, expandierter Vermiculit und Ziegelbruch, mittels Wasserglas in feuerfesten und wärmeisolierenden Massen.
Wasserglas wird seit langer Zeit als Bindemittel in feuerfesten, für mittlere Anwendungstemperaturen bestimmten Massen eingesetzt. Eine derartige Bindung ist sehr billig und technisch relativ einfach zu erhalten, weist jedoch mehrere Nachteile auf. Das Wasserglas, welches meist als hochprozentige viskose Lösung in die
Massen eingebracht wird, erhärtet ohne weitere Zusätze durch Reaktion der Alkalien, welche die Kieselsäure in
Lösung halten, mit der Kohlensäure der Luft. Dieser Erhärtungsmechanismus hat jedoch den Nachteil, dass bei den Massen mit Wasserglasbindung nach relativ kurzer Zeit an der Oberfläche eine Sperrschicht aus kolloidaler
Kieselsäure entsteht, wodurch die Erhärtung im Inneren hintangehalten wird. Die Körper bleiben daher im Kern weich und haben beim ersten Erhitzen eine sehr starke Tendenz zu blähen.
Die Bindung, welche durch die kolloidale Kieselsäure zustandekommt, ist nicht wasserbeständig, bei längerem Kontakt mit Feuchtigkeit quillt SiO2 stark auf und die Festigkeit fällt auf ein Drittel oder ein Viertel der Festigkeit im trockenen Zustand.
Es hat nicht an Bemühungen gefehlt, diese Nachteile der Wasserglasbindung durch Zusätze, welche mit dem
Wasserglas reagieren sollen, auszuschalten. Zu diesem Zweck wurden vorgeschlagen CaO, Ca (OH) 2, Zement,
Schlacken, MgO, ZnO u. a. Oxyde. Als bei weitem günstigster Zusatz hat sich Natriumsilicofluorid NaSi F6 erwiesen. Ein Zusatz von 10% Na2SiF6, bezogen auf das Wasserglas, bewirkte auch ohne CO2 eine Durchhärtung des Körpers und eine viel bessere Wasserbeständigkeit. Allerdings wirkt Na2SiF6 als starkes Flussmittel und reduziert noch weiter die an sich schlechte Druckfeuerbeständigkeit der Wasserglasbindung.
Die Wasserglasbindung hat jedoch noch einen weiteren Nachteil. Es ist sehr schwer möglich, ein Feinstkorn zu finden, welches mit dem flüssigen Wasserglas die plastische Matrix bildet, da Aluminiumsilikate mit Alkalisilikat noch niedriger schmelzende Phasen bilden. Verwendet man das flüssige Wasserglas allein als Bindemittel, so erhält man eine sehr wenig bildsame,"kurze"Masse, welche nach dem Formen sehr viel Haufwerksporosität aufweist und eine sehr hohe Gasdurchlässigkeit hat. Körper mit diesem Bindematerial beginnen bereits bei niedrigen Temperaturen zu erweichen, indem die Kittsubstanz zwischen den Körnern, nämlich das Wasserglas, bei Temperaturen um etwa 800 C, plötzlich erweicht.
Erfindungsgemäss ist es gelungen, die oben genannten Nachteile der Wasserglasbildung zu beseitigen, indem an Stelle des reinen Wasserglases eine Paste aus flüssigem Wasserglas und feindisperser Kieselsäure, wie sie bei einigen chemischen Fällungsprozessen anfällt, eingesetzt wird.
Erfindungsgemäss haben Gemische aus flüssigem Wasserglas und 5 bis 100, vorzugsweise 10 bis 60 Gew.-Teilen gefällter Kieselsäure auf 100 Gew.-Teile Wasserglas, eine sehr gute pastenartige Konsistenz, lassen sich leicht mit körnigem Material mischen und ergeben Massen, welche sich durch Pressen, Stampfen oder Einrütteln gut formen lassen.
Erfindungsgemäss wird für die Kombination mit dem Wasserglas die amorphe Kieselsäure, welche bei der Reaktion zwischen Kieselfluorwasserstoffsäure und Aluminiumhydroxyd bei der grosstechnischen Herstellung des Aluminiumfluorids nach HSiFg + 2A1 (OH) s-2A1F3 + SiO + 4H20 entsteht, genommen. Diese Kieselsäure fällt als feuchter Filterkuchen an und enthält noch nicht ausgewaschene Spuren an Aluminiumfluorid, Aluminiumhydroxyd und Kieselfluorwasserstoffsäure. Diese Spuren bewirken eine Erhärtung des Wasserglases auch im Inneren des Körpers, wohin das CO2 der Luft schlecht eindringen kann.
Erfindungsgemäss wird dadurch die Gefahr vermieden, dass beim ersten Erhitzen des Körpers dieser durch Dampfentwicklung aufgebläht wird.
Erfindungsgemäss wird durch die Kombination Wasserglas und gefällte Kieselsäure die Druckfeuerbeständigkeit des feuerfesten Materials stark erhöht. Bei den Wassergläsern handelt es sich jeweils um
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zugegeben wird, der Schmelzpunkt im Gleichgewicht sehr stark ansteigt. Es ist nun wesentlich, die richtige Form des zuzusetzenden SiO2 zu finden. Quarzmehl beispielsweise ist sehr reaktionsträge und hat bei 573 C die bekannte Gitterumwandlung ssa-Quarz, bei welcher während des Erhitzens eine plötzliche Volumszunahme um etwa 1, 8% eintritt. Der umgekehrte Vorgang geht beim Abkühlen vor sich. Dieser "Quarzsprung" verursacht bei mehrmaligem Temperaturwechsel eine starke Schwächung des Gefüges und somit der Festigkeit.
Die Wahrscheinlichkeit, dass Quarz durch Reaktion mit dem Wasserglas verbraucht wird, ist sehr gering, so dass die Zugabe von feinem Quarzmehl zum Wasserglas nicht verbessernd wirkt.
Der erfindungsgemässe Zusatz der gefällten Kieselsäure zeigt die oben genannten Nachteile des Quarzes nicht. Das chemisch gefällte SiO ist amorph, zeigt nicht den Quarzsprung und wandelt sich erst bei längerem
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Erhitzen auf Temperaturen von über 1100 C in Cristobalit um. Bei der erfindungsgemässen Kombination mit Wasserglas findet jedoch eine Auflösung dieser sehr reaktionsfähigen Kieselsäure im Wasserglas statt und es stellt sich das Gleichgewicht laut Phasendiagramm prompt ein. Dadurch wird der Schmelzpunkt der erfindungsgemässen Kombination stark erhöht, so dass die Standfestigkeit der feuerfesten Massen mit der erfindungsgemässen Wasserglasbindung viel besser ist.
Erfindungsgemäss wird bei einem Zusatz von 10 Gew.-% gefällter Kieselsäure (berechnet als trockenes Si02 und bezogen auf das Gewicht des flüssigen Wasserglases) der Schmelzpunkt des Gemisches laut Phasendiagramm auf 13000C im System NaO-SK bzw. auf 14000C im System K2O-Si02 erhöht. Dieses Gleichgewicht stellt sich zwar nicht schon beim ersten Erhitzen ein, bei längerem Betrieb auf höhere Temperaturen findet jedoch
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erfindungsgemäss vorgeschlagenen Kombination Wasserglas-gefällte Kieselsäure, die Verbesserung der
Standfestigkeit bei hohen Temperaturen ist jedoch auch hier stark.
Das erfindungsgemäss vorgeschlagene Bindemittel aus Wasserglas und gefällter Kieselsäure kann mit allen feuerfesten Zuschlagstoffen, wie Quarzit, Zirkon, Tonerde, Schamotte, geblähter Perlit, geblähter Ton,
Ziegelbruch, Asbest, Vermiculit, kombiniert werden. Die Verarbeitung der Masse zu Körpern kann in beliebiger
Art erfolgen. Die Topfzeit beträgt 1 bis 2 h, so dass man die Massen, welche unter Einsatz des erfindungsgemäss vorgeschlagenen Bindemittels erhalten werden, nach der üblichen Technologie entweder zu Formkörpern oder, in situ, als Stampfmasse verarbeiten kann.
Will man eine schnellere Erhärtung der das erfindungsgemäss vorgeschlagene Bindemittel enthaltenden
Massen erreichen, so kann man noch zusätzlich 3 bis 15, vorzugsweise 5 bis lOGew.-Teile Na SiFg auf
100 Gew.-Teile Wasserglas einführen. Es ist zweckmässig, das Wasserglas als Flüssigkeit vorzulegen, die feuchte, feindisperse gefällte Kieselsäure allein oder im Gemisch mit NaSiFg bis zur Pastenkonsistenz einzuarbeiten, um dann die übrigen feuerfesten Zuschlagstoffe zuzugeben.
Das Erhitzen der frischgeformten Körper auf Temperaturen von 800 bis 110 C, wobei während der
Erhitzung ein Aufteiben der Masse durch Pressen vermieden wird, ermöglicht ein sehr rasches Herstellen von
Formkörpern mit dem erfindungsgemäss vorgeschlagenen Bindemittel nach diesem Verfahren kann man sehr schnell feuerhemmende Isolierplatten aus Perlit, Vermiculit, gegebenenfalls auch Asbestfasern, auf beheizten
Pressen herstellen.
Erfindungsgemäss verbessert der Zusatz der gefällten Kieselsäure auch die Feuerfestigkeit der mit Wasserglas gebundenen Massen aus Sintermagnesit und Forsterit. Aus den Phasendiagrammen ist ersichtlich, dass die
Konoden, welche Wasserglas und MgO bzw. 2MgO. Si02 verbinden, durch Bereiche mit niedriger
Schmelztemperatur gehen. Bei den Si02-reichen Alkalisilikaten ist dieses ungünstige Verhalten viel weniger ausgeprägt.
Einige Möglichkeiten des Einsatzes des erfindungsgemäss vorgeschlagenen Bindemittels aus Wasserglas und gefällter Kieselsäure sollen die nachfolgenden Ausführungsbeispiele illustrieren.
Ausführungsbeispiele 1) 1000 ml handelsübliches Natronwasserglas werden mit 400 g gefällter Kieselsäure, welche etwa 30% Feuchtigkeit enthält, zu einer Paste angesetzt, in welche 8000 g Schamotte mit einer Körnung von 0 bis 3 mm und einem optimalen Kornaufbau eingearbeitet werden. Man erhält ein plastisches Gemisch, welches auf Pressen geformt wird. Die Formkörper daraus werden nach einem Tage Lufttrocknung 18 h im Trockenschrank bei 1000C getrocknet und haben dann bei einem Raumgewicht von 1, 95 g/ml Festigkeiten von etwa 220 kp/cm2.
Nach Brennen auf 8000C (6 h) sinkt die Festigkeit nur geringfügig auf 190 kp/cm2. Die Druckfeuerbeständigkeit der Körper beträgt 1220 bis 12500 und ist um 2000 höher als die Festigkeit analoger Mischungen, jedoch ohne gefällter Kieselsäure. Die Gasdurchlässigkeit der Mischung mit gefällter Kieselsäure beträgt 6, 1 Nanoperm, gegen 160 Nanoperm bei den analogen Schamottekörpern ohne gefällter Kieselsäure.
2) 1000 ml handelsübliches Natronwasserglas werden mit 800 g gefällter Kieselsäure, welche etwa 50% Feuchtigkeit enthält, zu einer Paste angesetzt, in welche 20 kg Quarzit mit einer Körnung von 0 bis 3 mm eingearbeitet werden. Mit diesem Gemisch wird der über dem Schmelzbad liegende Teil des Tiegels des Induktionsschmelzofens zugestellt. Schon nach Lufttrocknung ist die Masse sehr fest und zeigt während des Schmelzbetriebes keine Erweichung. Aus dem gleichen Material können auch Ausgüsse und Rinnen für die Eisenschmelze hergestellt werden. Reduziert man den Anteil des Bindemittels, so kann man mit dieser Quarzitmasse auch Giesspfannen zustellen.
3) 11 Wasserglas (Natron) wird mit 2 kg gefällter Kieselsäure (entsprechend 1 kg Trockensubstanz) zu einer Paste angesetzt. In diese werden 1 kg Vermiculit eingerührt und man erhält eine erdfeuchte Masse. Diese
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gleiche Menge Perlit, erhält man leichtere Körper mit 0, 25 bis 0, 35 g/ml Raumgewicht und 8 bis 10 kp/cm2 Druckfestigkeit.
Claims (1)
- PATENTANSPRUCH : Verfahren zur Verbesserung der Bindung von feuerfesten und wärmeisolierenden Zuschlagstoffen, wie Quarzit, Zirkon, Tonerde, Schamotte, Magnesit, Forsterit, geblähter Perlit, geblähter Vermiculit, expandierter EMI3.1 Massen verarbeitet werden, welches durch Zusatz von gefällter Kieselsäure, wie sie bei der Erzeugung des Aluminiumfluorids aus Kieselfluorwasserstoffsäure anfällt, zu handelsüblichem Kali- oder Natronwasserglas in einer Menge von 5 bis 100 Gew.-%, vorzugsweise 10 bis 60 Gew.-%, gerechnet als Trockensubstanz und bezogen auf das Gewicht des flüssigen Wasserglases, erhalten wird.
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