CZ139397A3

CZ139397A3 - Process for producing thin-walled monolithic structure formed by iron oxide, from steel and apparatus for making the same

Info

Publication number: CZ139397A3
Application number: CZ971393A
Authority: CZ
Inventors: Eugene Shustorovich; Richard Montano; Alexander Shustorovich; Konstantin Solntsev; Sergei Myasoedov; Vyacheslav Morgunov; Yuri Buslaev
Original assignee: American Scient Materials Tech
Priority date: 1994-11-09
Filing date: 1995-11-08
Publication date: 1997-09-17
Also published as: US5814164A; CN1169136A; CN1092161C; KR970707304A; CA2204877A1; WO1996016188A2; AU696512B2; IL115866A0; IL115866A; EP0784712A4; TW312706B; US5786296A; PL321134A1; JPH10508823A; ZA959456B; EP0784712A2; WO1996016188A3; MX9703441A; AU4404896A; BR9509719A

Description

Tento vynález se týká způsob výroby tenkostěnné oxidoželezité monolitické struktury z oceli pomocí tepelného zpracování ocelí a zařízení k provádění tohoto způsobu.

Dosavadní stav techniky

Tenkostěnné monolitické struktury, kombinované s různými tenkostěnnými profily s mechanickou pevností odpovídající monolitům, mají různé technologické a inženýrské využití. Obvyklé využití takovéhoto materiálu je například při výrobě děliče průtoku plynu či kapaliny, které se používají hlavně v tepelných výměnících, tlumičích, katalytických nosičích v různých chemických provozech a u řízení emisí vozidel, a podobně. V mnoha těchto případech provozní prostředí vyžaduje tenkostěnnou monolitickou strukturu, která bude dost účinná při zvýšených teplotách a/nebo v agresivním korozním prostředí.

V takovýchto nepříznivých podmínkách se obvykle mohou používat dva typy odolného materiálu, a to kov nebo keramický materiál. Oba dva však mají jisté nevýhody. U kovů, které jsou mechanicky pevné a relativně snadno se tvářejí do různých forem s odlišnou tloušťkou stěn, jsou to například špatné či nestálé vlastnosti za působení zvýšených provozních teplot, nebo jejich náchylnost ke korozi (obzvláště pak v prostředích, kde je přítomna kyselina, nebo příměsi zajišťující oxidaci). Naopak u keramických materiálů, které si dokáží udržet své vlastnosti i při těchto zvýšených teplotách a korozním prostředí mnohem lépe než kovy, to je například jejich nesnadné mechanické tváření, keramika trpí nedostatkem pevnosti ve srovnání s kovy a vyžaduje silnější stěny, aby bylo možné kompenzovat jejich relativní slabost ve srovnání s kovy. Navíc, chemické procesy pro výrobu keramických materiálů jsou často škodlivé vzhledem k životnímu prostředí. Takovéto procesy mohou zahrnovat rovněž toxické prvky a toxický odpad. Navíc, obvykle používané procesy pro výrobu keramických materiálů a struktur spékáním prášků, jsou poměrně složité výrobní procesy, které vyžadují použití velmi čistých prášků se zrnem obzvláštní velikosti, aby bylo možné zajistit požadované zhuštění materiálu při vysokých teplotách a vysokém tlaku. Často tento proces ústí ve zlomení či jiné poškození formované struktury.

Oxidy kovů jsou užitečné keramické materiály. Obzvláště oxidy železa ve svých vysoce oxidovaných stavech, jako například hematit (a-Fe₂O₃) a magnetit (Fe₃O₄) jsou tepelně stabilní a žáruvzdorné materiály. Například hematit je stabilní na vzduchu kromě teplot, které přesahují hodně přes hodnotu 1400°C a bod tání magnetitu je například 1594°C. Tyto oxidy železa jsou převážně chemicky stabilní v obvyklých kyselých, zásaditých a oxidačních prostředích. Oxidy železa jako je magnetit a hematit mají podobnou hustotu, vykazují podobné koeficienty tepelné roztažnosti a i podobnou mechanickou pevnost. Mechanická pevnost těchto materiálu je lepší, než mechanická pevnost keramických materiálů, jako je třeba kordierit a další aluminosilikáty. Hematit a magnetit se odlišují podstatně ve svých magnetických a elektrických vlastnostech. Hematit je prakticky nemagnetický a elektricky nevodivý materiál. Magnetit je naproti tomu feromagnetický při teplotách pod 575°C a je vysoce vodivý elektricky (asi lOOOOOOx více než hematit). Navíc, jak hematit, tak magnetit nejsou vzhledem k životnímu okolí škodlivé, což je dělá obzvláště vhodné pro použití tam, kde jsou potřebné ohledy právě na životní prostředí. Navíc, tyto materiály nemají žádné toxické nebo jiné omezení týkající se životního prostředí, jak je popisuje vyhláška U.S. OSHA.

Struktury z kovových oxidů byly tradičně vyráběny smícháním směsi prášku oxidu kovu (jako protiklad ke kovovým práškům) a zesilujících složek, zaformováním této hmoty do požadovaného tvaru a pak spečením (/slinutím) prášku do konečné podoby. Nicméně tyto procesy s sebou přinášejí mnoho nevýhod, včetně některých, které jsou spojené se zpracováním jiných keramických materiálů. Obzvláště tyto materiály trpí rozměrovými změnami, obvykle vyžadují vazač nebo mazivo, které by zajistilo zformování prášku, který má být spékán a trpí dále sníženou pórovitostí a zvýšenou smrštivostí při vyšších slinovacích teplotách.

Použití kovových prášků bylo známo i pro výrobu kovových struktur. Nicméně formování kovových oxidů slinováním kovových prášků nebylo považováno za žádoucí. Samozřejmě, formování oxidů kovu během slinování kovových prášků je považováno za škodlivý efekt, který zabraňuje požadovanému vytváření metalických vazeb. „Oxidace a obzvláště reakce kovů a neoxidové keramiky s kyslíkem, byla obecně považována za nežádoucí rys, který je potřeba potlačovat. Tak praví „Stručná encyklopedie progresivních keramických materiálů, od R.J. Brooka, editor Max-PlanckInstitut fur Metalforschung, Pergamon press, strany 124-125, z roku 1991.

U dalšího předchozího provedení uvedeného způsobu bylo nepřijatelné použití oceli jako počátečního materiálu k výrobě uniformních monolitických struktur z oxidu železa, alespoň částečně protože oxidace byla nekompletní u těchto procesů předchozího způsobu. Navíc, povrchové vrstvy oxidu železa, vyrobeného dle tohoto dřívějšího procesu, trpěly snadným odpadáváním z ocelového tělesa.

Tepelné zpracování ocelí bylo často odkazováno na žíhání. Ačkoliv žíhací procedury jsou rozmanité a mohou být velmi modifikované a mohou zlepšovat vlastnosti některých ocelí, má však žíhání samotné jen málo co dočinění se změnami chemického složení oceli. Při zvýšených teplotách v přítomnosti kyslíku, obzvláště na vzduchu, uhlíkové a nízkolegované oceli mohou být obzvláště oxidovány, ale tato penetrační oxidace byla univerzálně považována za škodlivou. Takováto částečná oxidace oceli byla považována za nepoužitelnou a charakterizována jako „spalovací, což vedlo k výroku, že „spálená ocel může být zřídkakdy zachráněna a

publikace a to ,,Ρΐ
metalurgie	, ASM, I
Jeden	pokus
parentního	kovu
NO.4713360	. Tato
keramické	těleso,
kovu tak,	aby
skládaj ící	se
parentního	kovu s

znovu využita, místo toho musí být obvykle vyhozena, jak praví publikace „Výroba, formování a testování ocelí U.S. oceli, 10. vydání, část 3., strana 730. Žíhání se používá [] k odnímání tenké oxidační vrstvy z prášku, u kterého došlo ke ztrátě lesku z důvodu prodlouženého skladování, nebo vlivu zvýšené vlhkosti, takto praví pro změnu další to „Příručka kovů, díl 7., strana 182, Prášková ASM, (9. vydání, z roku 1984).

pokus vyrobit kovový oxid pomocí oxidace je popsán v U.S. patentové přihlášce patentová přihláška popisuje samopodpůrné vyrobené oxidací roztaveného parentního byl vytvořen polykrystalický materiál, v podstatě z produktu oxidační reakce odpařeným oxydantem a volitelně, jedním či několika neoxidačními součástmi parentního kovu. Patentová přihláška No.4713360 popisuje dále, že parentní kov a oxydant zjevně vytvářejí vhodný produkt polykrystalické oxidační reakce, který je ve vztahu s povrchovou volnou energií a s nataveným parentním kovem a to tak, že v rozsahu jisté části teplotní oblasti, ve které je nataven parentní kov, alespoň některé průsečíky zrn (tj . hranice zrn, nebo třízrnné průsečíky) produktu polykrystalické oxidační reakce jsou nahrazeny planárními či lineárními kanály nataveného kovu.

Struktury vytvořené podle způsobu popsaného v patentové přihlášce No.4713360, vyžadují vytvoření roztaveného kovu ještě před oxidací kovu. Navíc, materiály vytvořené podle takovéhoto procesu nijak významně nevylepšují pevnost ve srovnání se slinovacím procesem, který je všeobecně na tomto poli znát. Kovové struktury původně přítomné, nemohou být udržovány protože kov musí být roztaven, aby bylo možné vytvořit oxid kovu. Tak poté, co je vytvořena keramická struktura, jejíž tloušťka není nijak specifikována, je tato struktura dotvarována do koncového výrobku.

Další pokus vyrobit oxid kovu oxidací parentního kovu je popsán v U.S. patentové přihlášce No.5093178. U.S. patentová přihláška No.5093178 popisuje dělič průtoku, který, jak zde psáno, může být vyroben vytvarováním z hliníku pomocí protlačování či navíjení. Dále pak jeho konverzí na hydratovaný oxid hlinitý pomocí anodické oxidace, zatímco se produkt pomalu ponořuje do elektrolytické lázně a nakonec jeho konverzí na a-oxid hlinitý pomocí tepelného zpracování. U.S. patentová přihláška No.5093178 uvádí neřízený elektrochemický proces, který je nákladný a vyžaduje použití silných kyselin, které způsobují korozi a jsou nebezpečné životnímu prostředí. Proces vyžaduje pomalé ponořování struktury do elektrolytu, zjevně proto, aby bylo možné poskytnout čerstvý povrch pro oxidaci a dovolit jenom částečnou oxidaci. Navíc oxidační krok v procesu podle U.S. patentové přihlášky No.5093178 produkuje hydratovaný oxid, který pak musí být opečováván dále, aby došlo k vyprodukování použitelného výrobku. Navíc, popis podle U.S. patentové přihlášky No.5093178 je omezen na zpracování hliníku a nenabízí žádnou možnost, jak by proces mohl být použit u železa. Viz také „Přímá oxidace kovů, „Encyklopedie progresivních materiálů, díl 1., strana 641, (Bloor a spol, 1994) .

Podle toho zde existuje potřeba monolitické struktury z oxidu železa, která by měla vysokou pevnost, byla účinně a levně vyrobítelná výrobním postupem, který by neovlivňoval nepříznivě životní prostředí a byla by schopná zajistit ohnivzdorné charakteristiky, jaké jsou vyžadovány pro prostředí s vysokými provozními teplotami či v chemicky agresivním prostředí. Rovněž zde vyvstává potřeba monolitické struktury z oxidu železa, která by byla schopná provozu v náročných prostředích a měla by množství tvarů a volbu tloušťky stěny struktury.

Podstata vynálezu

Ve světle předchozího výkladu je úkolem uvedeného vynálezu poskytnout monolitickou strukturu z oxidu železa, která by měla vysokou pevnost, byla účinně vyrobítelná a byla by schopná zajistit ohnivzdorné charakteristiky, jaké jsou vyžadovány pro prostředí s vysokými provozními teplotami či v chemicky agresivním prostředí. Dalším úkolem uvedeného vynálezu je poskytnout monolitickou strukturu z oxidu železa, která by byla schopná provozu v náročných prostředích a měla by množství tvarů a volbu tloušťku stěnu struktury. Dalším úkolem zmíněného vynálezu je získat strukturu z oxidu železa přímo z obyčejné ocelové struktury a udržet v podstatě fyzický tvar této ocelové struktury.

Těchto a dalších úkolů zmíněného vynálezu je dosaženo tenkostěnnou monolitickou kovovou strukturu obsahující železo (jako například ocelovou strukturou) a nahřátím této tenkostěnné monolitické kovové struktury obsahující železo na teplotu pod bodem tání železa, aby došlo k oxidaci této struktury obsahující železo a přímé transformaci železa na oxid železa, tak, aby si tato struktura z oxidu železa udržela v podstatě stejný fyzický tvar, jako původní kovová struktura, obsahující železo. U jednoho z provedení vynálezu je tenkostěnná monolitická kovová struktura obsahující oxid železa vyrobena poskytnutím monolitické kovové struktury obsahující železo (jako je například ocelová struktura), a nahřátím této monolitické kovové struktury obsahující železo na teplotu pod bodem tání železa tak, aby došlo k oxidaci struktury obsahující železo a přímé transformaci železa na hematit a pak k chemické redukci hematitové struktury na strukturu magnetitovou. Kovová struktura obsahující oxid železa podle uvedeného vynálezu může být vyrobena přímo z obyčejných ocelových struktur a bude si v podstatě udržovat tvar této struktury z obyčejné oceli, ze které byla původně vyrobena.

Tenkostěnné monolitické struktury obsahující oxid železa podle zmíněného vynálezu mohou být použity v mnoha různých aplikacích, včetně děličů průtoku, korozivzdorných součástkách automobilových výfukových systémů, katalytických podpor, filtrů, teplotně izolačních materiálů a zvukově izolačních materiálů. Struktura z oxidu železa podle uvedeného vynálezu obsahující převážně magnetit, který je magnetický a elektricky vodivý, může být elektricky zahřátá a proto může být použitelná v těch výrobcích, jako jsou elektricky vyhřívané tepelné izolace, elektrické vytápění kapalin a plynů, procházejících skrze kanály a různých zářičů, které jsou na vzduchu stabilní. Navíc může být rovněž vyrobena kombinace struktur, a to při použití jak magnetitu, tak i hematitu. Například materiály podle zmíněného vynálezu mohou být kombinovány v magnetický vyhřívací element, obklopený hematitovou izolací.

Seznam obrázků na výkresech

Další podstatné rysy vynálezu budou zřejmější při pohledu na podrobný popis provedení vynálezu a s ohledem na obrázky na připojených výkresech, na kterých

Obr.l je pohled v nárysu na příklad provedení ocelové struktury, tvarované jako válcovitý dělič průtoku a vhodné jako počáteční materiál pro výrobu struktury z oxidu železa v provedení dle uvedeného vynálezu.

Obr.2 je pohled v průřezu na strukturu z oxidu železa podle uvedeného vynálezu, tvarovanou jako válcovitý dělič průtoku.

Obr. 3 je schematický pohled na krychlový vzorek struktury z oxidu železa v provedení podle uvedeného vynálezu, který je tvarovaný jako válcovitý dělič průtoku, s nakreslenými souřadnicovými osami a směry působících sil.

Příklady provedení vynálezu

Uvedený vynález se týká přímé transformace struktury, vyrobené z materiálů obsahujících železo, jako je například tenká ocelová fólie, proužky, gázy, dráty a podobně, na strukturu, tvořenou oxidem železa, jako je například hematit, magnetit a jejich kombinace. Tloušfka stěny počáteční struktury obsahující železo je důležitá, přednostně by měla být menší než 0,6 milimetrů, lépe však by tloušúka měla být 0,3 milimetrů a nejlépe pak méně než 0,1 milimetrů. Proces pro provádění takovéto transformace se skládá z tváření materiálu obsahujícího železo do požadovaného tvaru struktury a pak nahříváním tohoto materiálu obsahujícího železo na teplotu pod bodem tání železa tak, aby došlo k vytvoření struktury z oxidu železa, mající v podstatě stejný tvar, jako původní počáteční struktura obsahující železo. Oxidace přednostně nastává dost daleko pod bodem tání železa, což je asi kolem 1536°C. Vytváření hematitové struktury přednostně nastává na vzduchu při asi 725°C až 1350°C a ještě lépe při teplotě od 800°C do 1200°C.

Ačkoliv magnetitová struktura může být vyrobena přímou transformací struktury obsahující železo na strukturu magnetitovou, tak tato magnetitová struktura je nejlépe získána chemickou redukcí hematitové struktury nahřátím na vzduchu při teplotě asi 1420°C až do 1550°C. Proces uvedené výroby v provedení podle vynálezu je jednoduchý, účinný a neničí nijak životní prostředí, protože neobsahuje používání žádných toxických látek, ani nevytváří toxický odpad.

Jednou význačnou výhodou uvedeného vynálezu je to, že je možné používat relativně levné a hojné počáteční materiály, jako je obyčejná ocel, pro vytváření struktur z oxidu železa. Při použití v této aplikaci se výraz obyčejná ocel týká slitin, které obsahují železo a méně než 2 hmotnostní procenta uhlíku, s nebo bez dalších legur, které mohou být nalezeny v těchto ocelích. Obecně jakákoliv ocel nebo jiný železo obsahující materiál, který může být okyslicen na oxid železa pomocí tepelného zpracování daleko pod teplotou bodu tání železného kovu, patří do pole působnosti uvedeného vynálezu.

Bylo zjištěno, že proces podle uvedeného vynálezu je použitelný u ocelí majících širokou škálu obsahu uhlíku, například od hodnoty 0,04% do asi 2% hmotnostních. Obzvláště vysokouhlíkové oceli, jako je třeba Ruská ocel 3, a nízkouhlíkové oceli, jako je třeba ocel AISI-SAE 1010, jsou použitelné pro proces podle zmíněného vynálezu. Ruská ocel 3 obsahuje více než 97% hmotnostních železa, méně než 2% a méně než 1% hmotnostní dalších (legur) - včetně asi 0,3% až 0,7% hmotnostních manganu, asi 0,2 až 0,4% hmotnostních křemíku, asi 0,01 až 0,05% hmotnostních fosforu, a asi 0,01 až 0,04% hmotnostních síry. Ocel AISI-SAE 1010 obsahuje více než 99% hmotnostních železa, od 0,08 do 0,13% hmotnostních uhlíku, asi 0,3 až 0,6% hmotnostních manganu, asi 0,4% hmotnostních fosforu a asi 0,05% hmotnostních síry.

K vylepšení účinnosti a kompletnosti transformace počátečního materiálu na oxid železa je důležité, počáteční struktura byla hmotnostní uhlíku přísadových prvků aby

Je dostatečně tenká.

upřednostňováno, aby počáteční struktura byla méně než 0,6 milimetrů silná, lépe však, aby byla její tloušťka menší než 0,3 milimetrů, avšak nejlépe bude, když tloušťka struktury nepřekročí 0,1 milimetrů. Počáteční materiál může mít v podstatě jakýkoliv vhodný tvar finálního výrobku, jako například tenká fólie, pruhy, gáza, sítě, dráty a podobně.

V podstatě není nutné u jakéhokoliv organického nebo anorganického pojivá či matric, aby byly přítomny k udržování struktury oxidu, vytvořené během procesu, který je předmětem vynálezu. Tak teplotní stabilita, mechanická pevnost a uniformita tvaru a tloušťky konečného produktu může být velmi vylepšena pomocí produktů, zahrnujících takováto pojivá.

Běžná ocel má hustotu asi 7,9 g.cm'³, zatímco hustota hematitu a magnetitu je 5,2 g.cm ³, respektive 5,1 g.cm'³. Protože hustota oceli, jako počátečního materiálu, je vyšší, než u výrobku z oxidu železa, stěny struktury z oxidu železa budou obvykle silnější, než stěny počátečního materiálu struktury, jak je vykresleno daty v Tabulce 1., uvedené v Příkladu 1. dále v textu. Stěna struktury z oxidu rovněž obvykle obsahuje vnitřní štěrbinu, jejíž šířka odpovídá tloušťce stěny počátečního materiálu. Bylo zjištěno, že počáteční struktury se slabší stěnou budou mít obecně menší vnitřní štěrbinu po oxidaci ve srovnání s počátečními strukturami se stěnou silnější. Například, jak je vidět v Tabulce 1. v Příkladu 1., šířka štěrbiny byla 0,04, respektive 0,015 milimetrů u struktur z oxidu železa, vyrobených z fólií o tloušťce 0,1 a 0,025 milimetrů.

Obzvláště je upřednostňováno, aby maximální množství povrchové plochy struktury bylo vystaveno oxidační atmosféře během ohřívací fáze procesu při vytváření hematitu. U jednoho z upřednostňovaných provedení vynálezu je počáteční struktura válcovitý ocelový kotouč, tvarovaný jako dělič proudu a jako takový je nakreslen na obr.l. Takovýto dělič proudu může být užitečný například u automobilového katalyzátoru. Obvykle se tento kotouč skládá z prvního plochého ocelového plátu přilehlého k druhému, zvrásněnému plátu oceli, které tak tvoří dohromady trojúhelníkovité buňky (síť) , které jsou pak stočeny dohromady a tvoří kotouč odpovídajícího potřebného průměru. Stáčení je přednostně dost těsné a pevné k tomu, aby zajistilo fyzický kontakt mezi přiléhajícími plechy. Alternativně se kotouč může skládat ze tří přilehlých plátů oceli a to tak, že plochý plech přiléhá k prvnímu zvlněnému plechu, jenž je přilehlý ke druhému zvlněnému plechu. Tyto zvlněné plechy mají odlišnou velikost trojúhelníkovitých buněk.

Velikost struktur, které mohou být vyrobeny nej obvyklejšími keramickými procesy, je omezena. Nicméně zatím neexistují žádná významná omezení velikosti u struktur, které jsou vyráběny podle uvedeného vynálezu. Například ocelové děliče proudu takové konstrukce, které jsou vhodné u tohoto vynálezu, se mohou měnit v závislosti na velikosti použité pece, požadavcích na finální produkt a dalších faktorech. Ocelové děliče proudu mohou mít například velikost v rozsahu od 50 do asi 100 milimetrů v průměru a asi kolem 35 do přibližně 75 milimetrů na výšku. Tloušťka plochých plechů může být v rozsahu od 0,025 až do přibližně 0,1 milimetrů a tloušťka zvlněných plechů může být v rozsahu od 0,025 až do přibližně 0,3 milimetrů. Trojúhelníkovitá buňka, vytvořená pomocí plochých a zvlněných plechů u uvedeného příkladu děliče proudu, může být nastavena tak, aby odpovídala požadovaným specifickým charakteristikám na strukturu z oxidu železa, která má být vyrobena, a to v závislosti na tloušťce fólie a konstrukci použitého vybavení (jako například ozubeného válečku), které se používá při výrobě uvedených zvlněných plechů. Například pro fólie, jejichž tloušťka by byla v rozsahu od 0,1 milimetrů do hodnoty téměř 0,3 milimetrů, by základna zmíněné buňky mohla být 4,0 milimetrů a výška této buňky přibližně 1,3 milimetrů. Pro fólie, jejichž tloušťka by byla v rozsahu od 0,025 milimetrů do hodnoty téměř 0,1 milimetrů, by základna zmíněné buňky, teď již o něco menší, mohla být 1,9 milimetrů až přibližně 2,2 milimetrů a výška této buňky by se mohla měnit v rozsahu od přibližně 1,0 až do hodnoty 1,1 milimetrů. Alternativně pro fólie, jejichž tloušťka by byla v rozsahu od 0,025 milimetrů do hodnoty téměř 0,1 milimetrů, by základna zmíněné buňky, teď ještě o něco menší, mohla být 1,4 milimetrů až přibližně 1,5 milimetrů a výška této buňky by se mohla měnit v rozsahu od přibližně 0,7 až do hodnoty 0,8 milimetrů. Pro různé odlišné aplikace, nebo pro různé velikosti pecí se rozměry mohou lišit od těch, které jsou uvedené výše v textu.

Oxidační atmosféra by měla poskytnout dostatečnou dodávku kyslíku, jenž umožňuje transformaci železa na oxid železa. Patřičné množství kyslíku, zdroj, koncentrace a velikost a rychlost jeho dodávky, mohou být nastaveny v souladu s charakteristikami počátečního materiálu, požadavcích na finální produkt, použitém vybavení a na detailech celého procesu zpracování. Jednoduchá oxidační atmosféra je samozřejmě vzduch. Vystavení obou stran plechu struktury daným vlivům pak umožňuje oxidaci, aby nastala právě na obou stranách, čímž dochází k nárůstu účinnosti a rovnoměrnosti oxidačního procesu . Bez toho, že bychom si přáli býti svazováni teorií, uvažuje se, že oxidace železa v počáteční struktuře nastává pomocí difúzního mechanismu, nejpravděpodobněji pak difúzí atomů železa z mřížky kovu do povrchu, kde dochází k jejich oxidaci. Tento mechanismus je postupný, s vytvářením vnitřní štěrbiny ve struktuře během oxidačního procesu. Tam, kde oxidační proces nastává na obou stranách kovového plechu 10. tam vnitřní štěrbina 20 může být vidět v pohledu řezem struktury a to tak, jak je to ukázáno na obr.2.

Kde železná struktura obsahuje oblasti, které se mění v jejich otevřenosti k průtoku vzduchu, byly nalezeny integrální štěrbiny s větším rozměrem - širší, v nejotevřenějších oblastech struktury, což naznačuje, že oxidace může nastat rovnoměrněj i na obou stranách struktury obsahující železo, než v jiných oblastech struktury. V méně otevřených oblastech železné struktury, obzvláště v bodech doteku mezi plechy struktury ze železa, byly zjištěny štěrbiny poněkud užší, nebo téměř skoro neviditelné. Podobně, dráty ze železa mohou vytvořit dutou trubici z oxidu železa s centrální válcovitou dutinou, analogicky k vnitřní štěrbině, kterou je možné nalézt na plechu z oxidu železa.

Když je železo (atomová váha 55,85) oxidováno na Fe₂O₃(molekulová hmotnost 159,69), nebo Fe₃O₄ (molekulová hmotnost 231,54), obsah kyslíku, který zaznamenává teoretický hmotnostní zisk, je 30,05%, respektive 27,64%, finálního produktu. Oxidace nastává s výrazně se snižující intenzitou v závislosti na čase. To tedy znamená, že v ranných dobách, během ohřívacího procesu, je rychlost oxidace relativně vysoká, ale snižuje se současně s tím, jak celý proces pokračuje v čase. To je ovšem ve shodě s difůzním oxidačním mechanismem, o kterém se předpokládá, že nastává právě při procesu, a to protože délka difůzní cesty pro atomy železa se s postupujícím časem prodlužuje. Kvantitativně se vytváření hematitu rovněž mění a to v závislosti na faktoru takovém, jakým je nahřívací režim, a dalších detailech konstrukce struktury obsahující železo, jako například na tloušfce fólie a velikosti jednotlivých buněk. Například, když je nahřívána struktura obsahující železo, vyrobená z ploché a zvlněné plechové ocelové fólie o tloušfce 0,1 milimetru a dále mající velikost jednotlivých buněk takovou, jak bylo popsáno již výše, na teplotu asi kolem 850°C, více než čtyřicet procent obsaženého železa může být zoxidováno za jedinou hodinu. U takové struktury může být dále více jak šedesát procent obsaženého železa zoxidováno za čtyři hodiny, zatímco celkové zoxidování obsaženého železa ve struktuře (tedy v podstatě celých 100%) na hematit zabere asi kolem 100 hodin celkového času.

Nečistoty v ocelové počáteční struktuře, jako je například fosfor P, křemík Si a mangan Mn, mohou vytvářet tuhé oxidy, které lehce kontaminují finální strukturu z oxidu železa. Dále, použití azbestové izolační vrstvy při procesu podle uvedeného vynálezu může rovněž přidat nějaké nečistoty do finální struktury z oxidu železa. Faktory jako byl například tento mohou ovšem vést ke zvýšení skutečné hmotnosti o něco více, než by byl teoretický hmotnostní zisk 30,05%, nebo respektive 27,64%, při vytváření hematitu nebo magnetitu. Nekompletní oxidace železa může vést k menšímu zisku hmotnosti, než je teoretický hmotnostní zisk uvedených 30,05%, nebo respektive 27,64%, při uvedeném vytváření hematitu nebo magnetitu. Rovněž v případě, když je vytvářen magnetit dezoxidací hematitu, může vést nekompletní dezoxidace hematitu ke hmotnostnímu zisku většímu, než je uvedených 27,64 procent, při vytváření magnetitu. Proto z praktických důvodů termíny struktura z oxidu železa, hematitové struktura a magnetitová struktura, tak, jak jsou používány zde, jsou vztaženy na struktury, obsahující v podstatě uvedený oxid železa, hematit a nebo respektive magnetit.

Obsah kyslíku a ohyb spektra rentgenových paprsků může poskytnout užitečnou indikaci o vytváření struktur oxidu železa podle uvedeného vynálezu, a to ze struktur obsahujících původně pouze železo. V souladu s tímto zmíněným vynálezem, zahrnuje uvedený termín hematitové struktura takové struktury, které jsou při pokojové teplotě v podstatě nemagnetické a v podstatě elektricky nevodivé a obsahují více než 29 hmotnostních procent kyslíku. Obvyklý ohyb spektra rentgenových paprsků pro hematitový prášek je vidět v Tabulce IV u Příkladu 1, ukázaného níže v textu. Magnetitová struktura znamená struktury, které jsou při pokojové teplotě magnetické a elektricky vodivé a obsahují od 27 do 29 hmotnostních procent kyslíku. Pokud je magnetit vytvořen dezoxidací hematitu, může tento hematit být rovněž přítomen v konečné konstrukci, jak je vidět například u vypsaných v Tabulce V u rentgenových dat, ukázaného níže v textu. V závislosti

Příkladu 2, požadovaných na charakteristikách a použití konečného produktu, může proces dezoxidace pokračovat do té doby, než je vytvořeno dostatečné množství magnetitu.

Může být požadováno přiblížení stechiometrického obsahu kyslíku v oxidu železa přítomného v konečné struktuře. Tohoto může být dosaženo řízením takových faktorů procesu, jako je nahřívací rychlost, teplota, již má být při nahřívání dosaženo, nahřívací čas, průtok vzduchu a tvar počáteční struktury obsahující železo, stejně jako volbou dané izolační vrstvy.

Vytváření hematitu je přednostně prováděno nahříváním ocelového materiálu na teplotu menší, než je bod tání železa, což činí kolem 1536°C, lépe je však, aby tato teplota nepřesáhla hodnotu kolem 1350°C, ještě lepší je, pokud teplota dosáhne maximální hodnoty mezi 725°C a 1200°C a nejlépe je nakonec, pokud teplota nahřívání nepřekročí hodnotu od 750°C do 850°C. Oxidace při teplotách pod hranicí 700°C může být příliš pomalá na to, aby byla považována za prakticky vhodnou. Naproti tomu oxidace železa na hematit při teplotách nad hodnotou 1400°C může vyžadovat pečlivé řízení, aby se bylo možné vyhnout lokálnímu přehřívání struktury a tedy i částečnému tání hmoty díky silné exotermicitě oxidační reakce.

Teplota, při které je oxidováno železo na hematit, je inverzně vztažena k ploše povrchu obdrženého produktu. Například oxidace při asi 750°C až 850°C může vést k hematitové struktuře, mající plochu povrchu asi čtyřnásobně větší, než je plocha, získaná při teplotě 1200°C.

Vhodná a použitelná pec, ve které je možné provádět nahřívání počáteční struktury, je obvykle konvenční konvekční pec. Přístup vzduchu do konvenční konvekční pece je zajištěn primárně ze spodní strany této pece. Elektricky vyhřívané kovové články mohou být umístěny kolem dokola struktury, jenž má být nahřáta, aby bylo zajištěno relativně rovnoměrné prohřívání struktury, přednostně do celkového rozdílu ne většího, než je 1°C. Proto, aby bylo možné poskytnout tuto relativně rovnoměrnou rychlost prohřívání, může zde být umístěn elektronický řídící panel, který rovněž může vypomáhat při zajišťování tohoto relativně rovnoměrného prohřívání struktury. Nepředpokládá se, že by byla nutná jakákoliv obzvláštní konstrukce pro zahřívání struktury, pokud ovšem je zajištěno oxidační prostředí a nahřívání na požadovanou teplotu pro počáteční strukturu ve všech ohledech.

Počáteční struktura může být umístěna uvnitř přebalu, který může sloužit k pevnému uchycení vnějšího rozměru této struktury. Například válcovitý kotouč může být umístěn uvnitř válcovité krystalické trubice, jenž slouží jako uvedený přebal. Pokud je tento přebal používán pro počáteční strukturu, je izolační vrstva přednostně rozložena mezi vnější povrch počáteční struktury a vnitřní povrch přebalu. Izolační materiál může být tvořen jakýmkoliv materiálem, který slouží k tomu, aby zabraňoval vnějšímu povrchu vytvořené struktury z oxidu železa, aby se navařil během oxidačního procesu na vnitřní povrch zmíněného přebalu.

Azbest je k tomuto vhodný izolační materiál.

Pro snadnější manipulaci může být počáteční struktura umístěna do pece, nebo nahřívací oblasti v době, kdy je pec pořád ještě vychladlá. Pak teprve je možné pec zahřát na požadovanou pracovní teplotu a tuto teplotu udržovat po dobu nahřívací periody. Alternativně může být pec, nebo nahřívací oblast nahřáta na pracovní teplotu a pak do ní může být vložena počáteční struktura, a ponechána zde po požadovanou zahřívací periodu. Rychlost, se kterou je pec či nahřívací oblast přivedena na požadovanou nahřívací teplotu, není příliš důležitá a obvykle se liší vzhledem ke konstrukci použité pece. Pro vytváření hematitu za použití konvekční pece při pracovní teplotě asi 790 °C je upřednostňováno, aby pec byla zahřát a na pracovní teplotu za dobu 24 hodin, což činí rychlost zahřívání přibližně 35°C za jednu hodinu.

Čas pro nahřívání struktury (nahřívací perioda) se mění s takovými faktory, jako je konstrukce použité pece, velikost průtoku vzduchu (kyslíku) pecí a hmotnost, tloušřka stěny, tvar, velikost a otevřený průřez počátečního materiálu. Například pro vytváření hematitu z ocelových fólií silných asi 0,1 milimetrů v konvekční peci je nej lepší nahřívací čas kratší, než jeden den, lépe však v délce od 3 do 5 hodin, a to pro válcovité kotoučovité struktury s průměrem asi 20 milimetrů a asi 15 milimetrů vysokých, které váží přibližně 5 gramů. Pro větší vzorky by měl být nahřívací Čas delší. Například pro vytváření hematitu z výše zmíněných ocelových fólií v konvekční peci je upřednostňován nahřívací čas kratší, než 10 dnů a nejvhodnější je nahřívací čas od 3 do 5 dnů, a to pro kotoučovité struktury s průměrem asi 95 milimetrů, asi 70 milimetrů vysokých a vážících kolem 1000 gramů.

Po nahřátí je struktura ochlazena. Přednostně je přívod tepla vypnut v peci a struktuře je jednoduše umožněno vychladnout uvnitř pece za stálých okolních podmínek a to po dobu asi 12 až 15 hodin. Chladnutí by nemělo být rychlé, aby bylo možné minimalizovat jakýkoliv nepříznivý účinek na integritu či mechanickou pevnost struktury z oxidu železa. Kalení struktury z oxidu železa by nemělo být obvykle prováděno.

Monolitické hematitové struktury v provedení podle zmíněného vynálezu prokázaly význačnou mechanickou pevnost, jak je možné vidět v Tabulce III a v Tabulce VI u níže uvedených Příkladů. Pro hematitové struktury tvarované jako děliče proudu, struktury mající menší velikost buněk a větší tloušťku stěny pak vykazují pevnost největší. Z těchto dvou charakteristik, jak může být vidět v Tabulce III a Tabulce VI, má primární pevnost kořeny ve velikosti buňky, nikoliv v tloušťce stěny. Proto hematitové struktury podle uvedeného vynálezu jsou obzvláště vhodné pro použití jako lehké děliče průtoku, mající velké otevřené průřezy.

Obzvláště slibná je aplikace monolitických struktur v provedení podle vynálezu jako keramických podpor v automobilových katalyzátorech. Současným průmyslovým standardem je kordieritový dělič průtoku, mající bez základního reaktivního nátěru tloušťku stěny asi kolem 0,17 milimetrů, otevřený průřez 65% a mezní pevnost asi 0,3 MPa. Tak praví P.D. Strom a kolektiv, Listy SAE 900500, strany 40-41, „Současné trendy v řízení automobilových emisí. Jak je možné vidět v Tabulce I a v Tabulce III dále v textu, uvedený vynález může být použit k výrobě hematitového děliče průtoku, majícího stěny tenčí (přibližně 0,07 milimetrů), větší otevřený průřez (přibližně 80 procent) a dvojnásobně velkou mezní pevnost (přibližně 0,5 až 0,7 MPa) ve srovnání s výrobkem z kordieritu. Hematitové děliče průtoku mající tenké stěny, jako například s tloušťkou od 0,07 do 0,3 milimetrů, mohou být získány při aplikaci uvedeného vynálezu.

Upřednostňovaný způsob vytváření magnetitických struktur v provedení podle uvedeného vynálezu se skládá nejprve z transformace struktury obsahující železo na hematit, jak již bylo popsáno výše a pak dezoxidací hematitu na magnetit. Vzhledem k oxidaci počáteční struktury na hematit, může být tento dezoxidován na hematit nahříváním na teplotu kolem 1350°C až do 1550°C. Volitelně, po nahřívání, jehož účelem bylo vytvořit hematitickou struktury, je tato struktura zchlazena, a to na teplotou pokojovou, nebo na hodnotu o něco vyšší, než je tato pokojová teplota a to v souladu s tím, co je požadováno z hlediska praktického pro manipulaci se strukturou, ještě před dezoxidací hematitu na magnetit. Alternativně hematitová struktura nemusí být zchlazována před dezoxidací na magnetit.

Nahřívací čas, dostatečný k dezoxidací hematitu na magnetit obecně, je mnohem kratší, než doba, nutná k oxidaci materiálu na hematit v počátku procesu. Přednostně pro použití u hematitových struktur, jak bylo popsáno výše, je doba, potřebná k dezoxidací na magnetitickou strukturu, kratší, než asi 24 hodin a v mnoha případech je ještě lépe kratší, než asi 6 hodin nutných k tomu, aby vznikla struktura, obsahující vhodný magnetit. Nahřívací doba kratší než asi 1 hodina pro dezoxidací může být rovněž v mnoha případech dostatečně dlouhá.

Jednoduchou dezoxidační atmosférou je vzduch. Alternativou k této atmosféře může být vhodně vzduch, obohacený dusíkem, čistý dusík (nebo jiný, skutečně inertní plyn) nebo i vakuum. Přítomnost redukčních složek, jako je například oxid uhelnatý, může účinně vypomáhat při dezoxidační reakci.

Magnetitová struktura může být rovněž vytvořena přímo ze struktury obsahující železo a to nahříváním této struktury obsahující železo v oxidační atmosféře. Aby bylo možné se vyhnout přítomnosti hematitu v koncovém produktu, jsou upřednostňované pracovní teploty pro přímou transformaci struktur obsahujících magnetit v oblasti kolem 1350°C do 1500°C. Protože oxidační reakce je silně exotermická, existuje zde velké riziko, že teplota v lokálních plochách může vyrůst až nad teplotu bodu tání železa, což e přibližně 1536°C, a toto může mít dále za následek lokální natavení struktury. Protože dezoxidace hematitu na magnetit je endotermická, je zde riziko lokálního natavení struktury minimalizováno v případě, že je železo nejprve oxidováno na hematit a pak dezoxidováno na magnetit. Proto vytváření magnetitické struktury pomocí oxidace struktury obsahující železo na strukturu hematitovou při teplotách pod hodnotou 1200°C, následované dezoxidací hematitu na magnetit, je upřednostňovaným provedením vynálezu.

Tenkostěnné struktury z oxidu železa v provedení podle uvedeného vynálezu mohou být použity u mnoha různých aplikací. Relativně velká plocha otevřeného průřezu, kterou je možné získat, může učinit produkt užitečným jako katalytické podpory, filtry, tepelné izolační materiály a zvukové izolační materiály.

Oxidy železa podle vynálezu, jako hematit a magnetit, mohou být užitečné v takových aplikacích, jako děliče průtoku plynů a kapalin, součásti se zvýšenou korozivzdorností v automobilových výfukových systémech, jako například tlumičích, katalyzátorech, apod. Dále je možné je použít jako konstrukční materiály (jako například trubky, stěny, stropy, atd.), dále filtry, například pro čištění vody, potravinářských výrobků, lékařských výrobků a pro částice, jenž mohou být regenerovány zahříváním, dále pro tepelnou izolaci v prostředích s vysokými teplotami (například pece) a/nebo v chemicky korozívních prostředích a pro zvukovou izolaci. Oxidy železa v provedení podle uvedeného vynálezu, které jsou elektricky vodivé, tedy například magnetit, mohou být elektricky nahřívány a proto mohou být i použitelné v takových aplikacích, jako jsou elektricky ohřívané tepelné izolátory, elektrické vyhřívání kapalin a plynů, procházejících skrze odpovídající kanály a dále tepelné zářiče. Navíc, může být rovněž uskutečněna kombinace struktur, tedy použití magnetitu a hematitu. Například je možné, aby materiály vyrobené procesem podle uvedeného vynálezu, byly zkombinovány do magnetitového vyhřívacího článku, obklopeného hematitovou tepelnou izolací.

Následující příklady by zde měly být podány k lepšímu vykreslení principů uvedeného vynálezu.

Příklad 1

Monolitické hematitové struktury ve tvaru válcovitého děliče průtoku byly vyrobeny nahříváním počáteční struktury, vyrobené z běžné oceli na vzduchu, jak bude popsáno níže. Pět odlišných vzorků ocelové struktury bylo vytvořeno a pak následovně transformováno na struktury hematitové. Vlastnosti uvedených struktur a podmínky panující při průběhu celého procesu pro všech pět pokusů, jsou uvedeny v Tabulce I.

Tabulka I. - Vlastnosti děliče průtoku a podmínky při procesu

	1	2	3	4	5
Průměr ocelového kotouče, mm	92	52	49	49	49
Výška ocelového kotouče, mm	76	40	40	40	40
Objem ocelového kotouče, cm³	505,2	84,9	75,4	75,4	75,4
Tloušťka ocelové fólie, mm	0,025	0,1	0,051	0,038	0,025
Základna buňky, mm	2,15	1,95	2,00	2,05	2,15
Výška buňky, mm	1,07	1,00	1,05	1,06	1,07
Hmotnost oceli, gramů	273,4	162,0	74,0	62,3	46,0
Délka ocelového plechu, cm	1714	446	450	458	480
Plocha oceli jedna strana, cm²	13920	1784	1800	1832	1920
Objem oceli, cm	34,8	20,6	9,4	7,9	5,9
Otevřený průřez ocelového kotouče,	93	76	87	89	92

procenta
Nahřívací čas, hodiny	96	120	96	96	96
Nahřívací teplota, °C	790	790	790	790	790
Hmotnost hematitu, gramů	391,3	232,2	104,3	89,4	66,1
Zisk na hmotnosti hematitu, hmotnostní procenta	30,1	30,2	29,1	30,3	30,3
Typická skutečná tloušťka hematitu, mm	0,072	0,29	0,13	0,097	0,081
Typická hematitová štěrbina, mm	0,015	0,04	0,02	0,015	0,015
Typická tloušťka hematitu bez štěrbiny, mm	0,057	0,25	0,11	0,082	0,066
Objem hematitu bez štěrbiny, cm³ ♦	74,6	44,3	19,9	17,1	12,6
Skutečný objem hematitu se štěrbinou, cm³ ♦♦	93,8	51,7	23,4	20,1	15,6
Otevřený průřez struktury hematitu, bez štěrbiny, procent	85	48	73	77	83
Skutečný průřez, se štěrbinou, procent	81	39	69	73	79

♦ “ vypočteno ze hmotnosti oceli nebo hematitu za použití hustoty 7,86 g.cm’³ pro ocel a 5,24 g.cm³ pro hematit.

♦♦ - vypočteno jako geometrická plocha (jedné strany) ocelového výrobku, násobeno skutečnou tloušťkou hematitu (se štěrbinou).

Detaily procesu, prováděného u vzorku 1 jsou uvedeny v textu níže. Vzorky 2 až 5 byly vytvořeny a otestovány podobným způsobem.

U příkladu č.l byl zkonstruován válcovitý dělič průtoku, podobný tomu, jenž byl popsán na obr.l a který měří asi 92 milimetrů v průměru a jeho výška je kolem 76 milimetrů. Tento byl proveden ze dvou ocelových plechů, který měl každý tloušťku 0,025 milimetrů, ocel byla typu AISI-SAE 1010, jeden plech byl plochý, rovný a druhý zvlněný. Tento uvedený zvlněný plech měl trojúhelníkovité buňky (články), jejichž základna byla veliká 2,15 milimetrů a jejich výška pak 1,07 milimetrů. Plechy byly sbaleny dost těsně tak, aby mezi nimi vznikl fyzický kontakt mezi přiléhajícím plochým a zvlněným plechem. Po jejich sbalení byl kolem dokola vnější vrstvy struktury umístěn dodatečný rovný plech, jehož úkolem bylo poskytnout snadnou možnost manipulace a zvýšenou pevnost struktury. Konečná hmotnost zmíněné struktury, byla stanovena na hodnotu kolem 273,4 gramů.

Ocelová struktura byla zabalena do izolačního pásu azbestu, přibližně 1 milimetr silného, a na těsno umístěna do válcovité krystalické trubice, která sloužila jako obal pro zafixování vnějšího rozměru struktury. Trubice obsahující ocelovou strukturu pak byla umístěna při pokojové teplotě na keramickou podporu v konvekční peci. Keramická podpora přidržovala ocelový vzorek ve výšce, v peci, která byla stanovena tak, aby se teplota kolem vzorku nemohla měnit ve větším rozsahu, než asi 1°C, a to v jakémkoliv bodu povrchu tohoto vzorku. Termočlánky byly použity k monitorování rovnoměrnosti teploty vzorku.

Po umístění vzorku do pece byla tato pec elektricky prohřívána po dobu asi 22 hodin rychlostí 35°C za 1 hodinu, a to až na pracovní teplotu 790°C. Vzorek byl pak udržován na této teplotě kolem 790°C po dobu 96 hodin v okolní vzduchové atmosféře. Žádné další speciální úpravy, které by měly ovlivňovat průtok vzduchu v peci (tedy jeho cirkulaci), nebyly provedeny. Po uvedených 96 hodinách zahřívání, bylo vyhřívání pece vypnuto, a pec byla ponechána v klidu, aby jí bylo umožněno vychladnout na pokojovou teplotu. Toto trvalo asi 20 hodin. Pak byla krystalická trubice z pece vyňata.

Struktura z oxidu železa byla snadno oddělena od zmíněné krystalické trubice a stopy po azbestové izolaci byly mechanicky sejmuty ze struktury z oxidu železa a to pomocí abrazivních (brusných) prostředků.

Hmotnost zmíněné struktury se pohybovala kolem 391,3 gramů, což odpovídalo hmotnostnímu zisku (obsah kyslíku) asi

30,1 hmotnostních procent. Velmi nízký nárůst hmotnosti nad teoretický limit 30,05 hmotnostních procent byl patrně způsoben nečistotami, které mohly být následkem vlivu azbestové izolace. Ohyb spektra rentgenových paprsků u prášku vyrobeného z vytvořené struktury demonstroval excelentní souhlas se standardním hematitový spektrem, tak, jak je to vidět v Tabulce IV. Struktura si obecně podržela tvar počáteční ocelové struktury, s výjimkou některých deformací trojúhelníkovitých buněk, které byly způsobeny větší tloušťkou stěny u těchto buněk. U hematitické struktury veškerý fyzický kontakt mezi přiléhajícími ocelovými plechy byl v podstatě zajištěn vnitřním „svarem, čímž vznikla monolitická struktura, nemající žádné viditelné praskliny či jiné podobné defekty. Tloušťka stěny hematitové struktury se pohybovala kolem 0,07 milimetrů až do 0,08 milimetrů, výsledkem čehož byla plocha otevřeného průřezu mající 80% tak, jak je to vidět v Tabulce I. V různých řezech strukturou, které byly prohlíženy pod mikroskopem, bylo u každého nalezeno několik tuctů buněk, jejichž vnitřní štěrbina mající rozměr od 0,01 milimetrů do téměř 0,02 milimetrů byla skoro vždy viditelná. BET plocha povrchu se pohybovala kolem 0,1 n^.g'¹.

Hematitová struktura byla nemagnetická, což bylo zkontrolováno pomocí běžného magnetu. Navíc, struktura nebyla elektricky vodivá, jak bylo zjištěno následujícím testem. Malá tyč, mající průměr kolem 5 milimetrů a délku asi 10 milimetrů byla od vytvořené struktury odříznuta. Tyč byla uvedena v kontakt s platinovými deskami, které sloužily jako elektrické kontakty. Elektrický zdroj, schopný dodávat elektrický výkon v rozsahu od 10 wattů do 60 wattů, byl připojen ke struktuře, a to bez jakéhokoliv detekovatelného účinku na tuto zmíněnou strukturu.

Monolitická hematitová struktura byla otestována na odolnost proti síře a to tak, že byl proveden následující test. Čtyři vzorky z vytvořené struktury byly umístěny do kyseliny sírové (pětiprocentní vodný roztok a desetiprocentní vodný roztok), jak je vidět v Tabulce II. Vzorek 1 a vzorek 2 zahrnovaly části vnějších povrchů plechu. Je možné, že tyto vzorky obsahovaly o něco více stop po zbytcích izolace, a/nebo byly ne docela okysličeny při průběhu nahřívacího procesu, kdy byl tento pozastaven. Vzorek 3 a vzorek 4 zahrnovaly pouze vnitřní části struktury. U všech čtyřech vzorků nebyly pozorovány stopy po povrchové korozi a to i po 36 dnech, po které byly vzorky ponořeny do kyseliny sírové a množství železa rozpuštěného v kyselině, které bylo měřeno standardní atomovou absorbční spektroskopií, bylo zcela zanedbatelné. Vzorky byly rovněž porovnávány se vzorky prášku, vyrobeného ze stejné monolitické hematitické struktury, rozmělněného (rozemletého) na podobnou kvalitu drti, jaká byl užita pro analýzu pomocí ohybu spektra rentgenovými paprsky, a pak namočeného do kyseliny sírové (H₂SO₄) asi na dobu 12 dní. Po dalším týdnu působení uvedených vlivů (celková doba tak činila 43 dní u monolitického vzorku a 19 dní u práškového vzorku), množství rozpuštěného železa zůstalo v podstatě nezměněné, což naznačuje, že bylo v podstatě dosaženo koncentrace nasycenosti. Relativní rozpuštění prášku bylo vyšší a to z důvodu plochy povrchu práškového vzorku, která byla rovněž vyšší, než plocha u jmenovaného vzorku tvořeného monolitickou strukturou. Nicméně, množství a procento rozpuštění bylo zanedbatelné u obou jmenovaných struktur - a to jak u monolitické struktury, tak i u práškové struktury, vytvořené z monolitu.

Tabulka II. - Odpor ke korozi, způsobené vlivem působení kyseliny sírové (H-, SOJ

	Vzorek 1	Vzorek 2	Vzorek 3	Vzorek 4
Hmotnost Fe₂O₃, gramů	14,22	16,23	13,70	12,68
Hmotnost Fe, gramů	9,95	11,36	9,59	8,88
Procento (%) H₂SO₄	5	10	5	10

Hmotnost Fe rozpuštěného, miligramů, 8 dní	4,06	4,6	1,56	2,19
Hmotnost Fe ro zpuštěného, miligramů, 15 dní	5,54	5,16	2,40	3,43
Hmotnost Fe rozpuštěného, miligramů, 36 dní	6,57	7,72	4,12	4,80
Celkem hmotnostních procent (%) Fe rozpuštěného, 36 dní	0,066	0,068	0,043	0,054
Celkem hmotnostních procent (%) Fe rozpuštěného, 12 dní, z prášku	0,047	0,047	0,041	0,046

Průměrný odpor ke korozním vlivům založený na získaných datech uvedených v Tabulce I. a v Tabulce II. pro monolitickou strukturu, činí u vzorků hodnotu menší než 0,02 mg.cm'² a rok. Tato hodnota je v publikaci ASM považována za nekorozívní materiál. Tak je uvedeno v publikaci „ASM inženýrská materiálová referenční příručka, ASM International, Metals Park, Ohio 1989.

Hematitová struktura uvedených vzorků byla rovněž testována při mechanických zkouškách drcením (tlakem) a to následujícím postupem. Sedm standardních krychlových vzorků, každý měřící 25,4x25,4x25,4 milimetrů (lxlxl stopa), bylo odřezáno diamantovou pilkou od monolitické struktury. Obr. 3 popisuje pohled na schématický průřez testovanými vzorky a rovněž souřadnicové osy a směr sil. Osa A je rovnoběžná k ose kanálu, osa B je normálná vzhledem k ose kanálu a kvaziparalelní k ploše plechu, a nakonec osa £ je normálná k ose kanálu a kvazinormálná k ploše plechu. Napětí v tlaku je uvedeno v Tabulce III.

Tabulka III.

Mechanická pevnost monolitických struktur z hematitu

Vzorek	Testovaná osa	Napětí v tlaku (MPa)
1	a	24,5
2	b	1,1
3	c	0,6
4	c	0,5
5	c	0,7
6	c	0,5
7	c	0,5

Vzorek 4 z Tabulky III. se rovněž vyznačoval použitím technologie difrakce rentgenových paprsků spektra prášku. Tabulka IV. ukazuje ohyb spektra prášku pod rentgenovými paprsky (Cu záření) u vzorku, jak byl naměřen za použití rentgenového difraktometru HZG-4 (Karl Zeiss), a to ve srovnání se standardními difrakčními daty pro hematit. V uvedené Tabulce představuje písmeno „d interplanární vzdálenosti a další písmeno „J představuje relativní intenzitu.

Tabulka IV. - Prášková difrakce (ohyb) rentgenových paprsků pro hematit

Vzorek	Standard
d, A	J, %	d, A	J, %
3,68	19	3,68	30
2,69	100	2,7	100
2,52	82	2,52	70
2,21	21	2,21	20
1,84	43	1,84	40
1,69	52	1,69	45

* - datový soubor 33-0664, Mezinárodní centrum pro difrakční data, Newton square, Pa..

Příklad 2

Monolitická magnetitová struktura byla vyrobena dezoxidací monolitické hematitové struktury. Magnetitová struktura si v podstatě udržela svůj původní tvar, velikost a tlouštíku stěn takovou, jako byly stejné parametry u struktury hematitové, ze které byla magnetitová struktura posléze vyrobena.

Hematitová struktura byla vyrobena podle procesu, který je v podstatě shodný s tím, jenž byl uveden již pro Příklad

1.. Ocelová fólie, ze které byl vyroben hematitový dělič průtoku, měla tlouštíku 0,1 milimetrů. Ocelová struktura byla nahřívána v peci na pracovní teplotu okolo 790 °C a to asi po dobu 120 hodin. Výsledný hematitový dělič proudu měl tlouštíku stěny asi 0,27 milimetrů a obsah kyslíku činil 29,3 procent.

V podstatě válcová část hematitové struktury měla průměr asi 5 milimetrů, byla asi 12 milimetrů dlouhá a vážila kolem 646,9 miligramů. Tato část byla odříznuta od hematitového děliče průtoku ve směru podélné osy a z ní byla později vyrobena magnetitová struktura. Vzorek byl umístěn do chemického kelímku a posléze do diferenciálního termogravimetrického analyzátoru TGD7000 (Sinku Riko, Japonsko) při pokojové teplotě. Vzorek byl zahřátý ve vzduchu rychlostí asi 10 °C za minutu na hodnotu teploty 1460°C. Vzorek získal celkově asi 1,2 mg hmotnosti (asi 0,186%) do teploty 1180°C a obsah kyslíku asi 29,4 hmotnostních procent. Od teploty 1180°C do teploty 1345°C nezískal vzorek žádný měřitelný hmotnostní přírůstek. Při teplotě asi nad 1345°C začal vzorek hmotnost ztrácet. Při teplotě kolem 1420°C byl pozorován silný endotermický efekt na spektrální křivce rozdílů teplot. Při teplotě 1460°C činila celková hmotnostní ztráta ve srovnání s hematitovou počáteční strukturou asi 9,2 miligramů. Vzorek byl udržován na této teplotě asi 1460°C po dobu 45 minut, což vedlo k další hmotnostní ztrátě asi 0,6 miligramů, a celková ztráta hmotnosti vzrostla na 9,8 miligramů. Další zahřívání na teplotě asi 1460°C po dobu dalších 15 minut již nemělo žádný vliv na hmotnost vzorku. Přívod tepla byl vypnut, vzorku bylo umožněno pomalu vychladnout (bez kalení) na teplotu okolního prostředí, což trvalo několik hodin. Pak byl vzorek z analyzátoru vyjmut.

Obsah kyslíku ve finálním výrobku činil 28,2 hmotnostních procent. Výrobek si v podstatě udržel tvar a velikost počátečního hematitového vzorku, obzvláště co se týče tloušfky stěny a vnitřních štěrbin. Jako kontrast vzhledem k hematitovému vzorku byl uvedený finální produkt magnetický, což bylo překontrolováno obyčejným magnetem. Rovněž byl tento finální produkt elektricky vodivý. Spektra rentgenových paprsků, jak jsou vidět v Tabulce V., demonstrují charakteristické vrcholky magnetitu společně s několika vrcholky charakteristickými pro hematit.

Struktura byla otestována na elektrickou vodivost nejprve očištěním povrchu vzorku diamantovým brusným pásem, pak byly ke vzorku připojeny platinové desky, které sloužily jako elektrické kontakty a nakonec došlo k přivedení elektrického proudu o výkonu od 10 wattů do 60 wattů (při průtoku proudu od 1 ampéru do 5 ampérů a potenciálu 10 až asi 12 voltů) do struktury a to na dobu asi 12 hodin. Během této testovací periody došlo u struktury k rozpálení, od sytě červené barvy (na povrchu) do barvy bílé (uvnitř) a to v závislosti na výkonu elektrického proudu, který byl přiváděn do struktury.

Tabulka V. ukazuje prášková rentgenová spektra (Cu K_azáření) vzorku, jak byla naměřena za použití rentgenového práškového difraktometru HZG-4 (Karl Zeiss), ve srovnání se standardními daty pro magnetit. V Tabulce představuje písmeno „d interplanární vzdálenosti a písmeno „J pak představuje relativní intenzitu.

Tabulka V. - Prášková difrakce (ohyb) rentgenových paprsků pro magnetit

Vzorek	Standard
d, A	J, %	d, A”	J, %
2,94	20	2,97	30
2,68'“	20
2,52	100	2,53	100
2,43	15	2,42	8
2,19“	10
2,08	22	2,10	20
1,61	50	1,62	30
1,48	75	1,48	40
1,28	10	1,28	10

* - datový soubor 19-0629, Mezinárodní centrum pro difrakční data, Newton square, Pa..

** - vrcholy, charakteristické pro hematit. Žádné významné vrcholy, jiné než ty, které jsou charakteristické pro hematit nebo pro magnetit, nebyly pozorovány.

Příklad 3.

Dva hematitové děliče průtoku byly vyrobeny z ruské obvyklé oceli 3 a byla testována jejich mechanická pevnost. Vzorky byly vyrobeny za použití těch samých technologií, jaké byly naznačeny v Příkladu 1.. Ocelové plechy byly asi 0,1 milimetrů silné a oba uvedené ocelové děliče průtoku měly průměr asi 95 milimetrů a výšku asi 70 milimetrů. První ocelová struktura měla trojúhelníkovité buňky se základnou asi 4,0 milimetry a výšku asi 1,3 milimetrů. Druhá ocelová struktura měla trojúhelníkovité buňky se základnou asi 2,0 milimetry a výšku asi 1,05 milimetrů. Každá z uvedených ocelových struktur byla zahřívána na teplotu kolem 790°C a to po dobu přibližně 5 dnů. Hmotnostní zisk u každé struktury činil 29,8 hmotnostních procent. Tloušťka stěny u každé finální hematitové struktury byla asi 0,27 milimetrů.

Hematitové struktury byly posléze namáhány při testech mechanické pevnosti, jak bylo popsáno u Příkladu 1.. Krychlové vzorky, jak jsou ukázány na obr.3, měřily každý 25,4x25,4x25,4 milimetrů (lxlxl stopy) a byly odřezány každý diamantovou pilkou od vlastní struktury. Osm vzorků bylo odebráno z první struktury a devátý vzorek byl odebrán ze struktury druhé. Napětí v tlaku jsou dále ukázána v Tabulce VI. .

Tabulka VI. - Mechanická pevnost monolitických struktur z hematitu

Vzorek	Testovaná osa	Napětí v tlaku (MPa)
1	a	24,0
2	a	32,0
3	b	1,4
4	b	1,3
5	c	0,5
6	c	0,75
7	c	0,5
8	c	0,5
9	c	1,5

Claims

1. Způsob vyrábění monolitické struktury tvořené oxidem železa, který se skládá ze zajištění monolitické kovové struktury obsahující železo, ze zahřátí této kovové struktury obsahující železo v oxidační atmosféře na teplotu, která je pod bodem tání železa, kdy dochází k oxidaci struktury obsahující železo a k přímé transformaci železa na oxid železa, vyznačující se tím, že struktura z oxidu železa si udržuje stejný fyzický tvar, jaký měla původní kovová struktura obsahující železo.

2. Způsob vyrábění monolitické struktury tvořené oxidem železa podle nároku 1., vyznačuj ící se tím, že uvedený oxid železa je hematit.

3. Způsob vyrábění monolitické struktury tvořené oxidem železa podle nároku 1., vyznačuj ící se tím, že uvedený oxid železa je magnetit.

4. Způsob vyrábění monolitické struktury tvořené oxidem železa podle nároku 1., vyznaču j ící se tím, že uvedený oxid železa je kombinací hematitu a magnetitu.

5. Způsob vyrábění monolitické struktury tvořené oxidem železa podle nároku 1.,vyznačující se tím, že uvedená struktura obsahující železo, je obvyklá ocel.

6. Monolitická struktura tvořená oxidem železa podle nároku 5., vyznačující se tím, že uvedená ocel má obsah uhlíku od 0,04 hmotnostních procent do asi 2,0 hmotnostních procent.

7. Způsob vyrábění monolitické struktury tvořené oxidem

železa podle nároku 5., vy z n a č u j í c í s e tím, ž e uvedená ocel je ocel AISI -SAE 1010. 8 . Způsob vyrábění monolitické struktury tvořené oxidem železa podle nároku 5., vy z n a č u j í c í s e tím, ž e uvedená ocel je ruská ocel 3. 9. Způsob vyrábění monolitické struktury tvořené oxidem železa podle nároku 5., vy z n a č u j í c í s e tím, ž e uvedená ocelová struktura má tloušťku menší, než

0,3 milimetrů.

10. Způsob vyrábění monolitické struktury tvořené oxidem železa podle nároku 1., vyznačuj ící se tím, že oxidační atmosférou je vzduch.

11. Způsob vyrábění monolitické struktury tvořené oxidem železa podle nároku 1., vyznačuj ící se tím, že uvedená struktura obsahující železo je nahřáta na teplotu od 725°C do 1200°C, aby došlo k oxidaci železa na hematit.

12. Způsob vyrábění monolitické struktury tvořené oxidem železa podle nároku 1., vyznačuj ící se tím, že uvedená struktura obsahující železo je nahřáta na teplotu od 750°C do 850°C, aby došlo k oxidaci železa na hematit.

13. Způsob vyrábění monolitické struktury tvořené oxidem železa podle nároku 1., vyznačuj ící se tím, že železo je nejprve oxidováno na hematit, aby došlo k přetransformování struktury obsahující železo na strukturu hematitovou, a pak je monolitická hematitová struktura nahřáta na teplotu od 1350°C až do 1550°C, aby došlo k dezoxidací hematitu na magnetit a to tak, že magnetitová struktura si udrží shodný tvar, stejnou velikost a stejnou tloušťku stěny, jakou měla uvedená původní hematitová struktura.

14. Způsob vyrábění monolitické struktury tvořené oxidem železa podle nároku 13.,vyznačující se tím, že hematitová struktura je zahřáta na teplotu od 1420°C až do 1460°C, aby došlo k dezoxidací hematitu na magnetit.

15. Způsob vyrábění monolitické struktury tvořené oxidem železa podle nároku 1.,vyznačující se tím, že struktura obsahující železo je zahřáta na teplotu od 1350°C až do 1500°C, aby došlo k oxidaci železa na magnetit.

16. Způsob vyrábění monolitické hematitové struktury, který se skládá ze zajištění struktury, tvořené obvyklou ocelí, ze zahřátí této uvedené ocelové struktury v oxidační atmosféře na teplotu mezi 725°C až 1200°C, aby došlo k oxidaci uvedené ocelové struktury přímou transformací železa obsaženého v oceli na hematit a to tak, aby si hematitová struktura udržela shodný fyzický tvar, jaký měla struktura z obvyklé oceli.

17. Způsob vyrábění monolitické hematitové struktury podle nároku 16.,vyznačující se tím, že uvedená oxidační atmosféra je vzduch.

18. Způsob vyrábění monolitické hematitové struktury podle nároku 16.,vyznačující se tím, že uvedená struktura z obvyklé oceli je zahřáta na teplotu mezi

750°C až 850°C.

19. Způsob vyrábění monolitické magnetitové struktury, který se skládá ze zajištění struktury, tvořené obvyklou ocelí, z transformace uvedené ocelové struktury na strukturu hematitovou zahřátím této ocelové struktury v oxidační atmosféře na teplotu mezi 725°C až 1200°C, aby došlo k oxidaci struktury z obvyklé oceli, a to tak, že uvedená hematitové struktura si udržuje v podstatě shodný fyzický tvar, jaký měla původní struktura ocelová, a pak z dezoxidace hematitové struktury na strukturu magnetitovou a to zahřátím hematitové struktury v dezoxidační atmosféře na teplotu mezi 1350°C až 1550°C a to tak, že magnetitová struktura si uchová stejný tvar, shodnou velikost i shodnou tloušťku stěn, jakou měla původní hematitové struktura.

20. Způsob vyrábění monolitické magnetitové struktury podle nároku 19.,vyznačující se tím, že uvedená dezoxidační atmosféra je zvolena ze skupiny atmosfér čítajících vzduch, vzduch obohacený dusíkem, čistý dusík a vakuum.

21. Způsob vyrábění monolitické magnetitové struktury podle nároku 19.,vyznačující se tím, že uvedené železo je oxidováno na hematit zahřátím struktury z obvyklé oceli na teplotu mezi 750°C až 850°C a pak je hematit dezoxidován na magnetit zahřátím hematitové struktury na teplotu mezi 1420°C až 1460°C.

22. Monolitická struktura tvořená oxidem železa, která se skládá z monolitické struktury z oxidu železa, získané oxidací struktury, obsahující železo, při teplotě pod bodem táním železa, uvedená monolitická struktura z oxidu železa má shodný fyzický tvar jako původní železná struktura.

23. Monolitická struktura tvořená oxidem železa podle nároku 22., vyznačující se tím, že uvedený oxid železa je hematit.

24. Monolitická struktura tvořená oxidem železa podle nároku 22., vyznačující se tím, že uvedený oxid železa je magnetit.

25. Monolitická struktura tvořená oxidem železa podle nároku 22., vyznačuj ící se tím, že uvedený oxid železa je tvořený kombinací hematitu a magnetitu.

26. Monolitická struktura tvořená oxidem železa podle nároku 22., vyznačující se tím, že uvedená struktura obsahující železo je tvořená obvyklou ocelí.

27. Monolitická struktura tvořená oxidem železa podle nároku 25., vyznačující se tím, že uvedená ocel má obsah uhlíku od 0,04 hmotnostních procent do 2,0 hmotnostních procent.

28. Monolitická struktura tvořená oxidem železa podle nároku 26., vyznačující se tím, že uvedená ocel je ocel AISI-SAE 1010.

29. Monolitická struktura tvořená oxidem železa podle nároku 26., vyznačující se tím, že uvedená ocel je ruská ocel 3.

30. Monolitická struktura tvořená oxidem železa podle nároku 26., vyznačující se tím, že uvedená ocelová struktura má tloušťku menší, než asi 0,3 milimetrů.

31. Monolitický dělič průtoku, který je vytvořen z oxidu železa, vybraného ze skupiny zahrnující hematit, magnetit a jejich vzájemnou kombinaci a mající tloušťku stěny menší, než asi 1 milimetr.

32. Monolitický dělič průtoku podle nároku 31., vyznačující se tím, že uvedená tloušťka stěny se pohybuje od hodnoty 0,07 milimetrů do hodnoty 0,3 milimetrů.