CZ294854B6

CZ294854B6 - Šamotová cihla velkého formátu a způsob její výroby

Info

Publication number: CZ294854B6
Application number: CZ19992694A
Authority: CZ
Inventors: Hans Petschauer; Franz Prof. Dr. Gebhardt
Original assignee: Vgt Industriekeramik Gmbh
Priority date: 1998-08-04
Filing date: 1999-07-29
Publication date: 2005-03-16
Also published as: DE59900972D1; EP0978496B1; ES2172966T3; KR100578858B1; ATE214358T1; CZ269499A3; PT978496E; DE19936163A1; JP2000072534A; PL334744A1; US6239053B1; DE19936163C2; KR20000017027A; EP0978496A1

Abstract

Šamotová cihla velkého formátu, zejména cihla pro cínové lázně, sestávající z materiálu systému Al.sub.2.n.O.sub.3.n. - SiO.sub.2.n. a tvořená blokovým tělesem s povrchem, přicházejícím do styku s cínovou lázní. Materiál vykazuje frakci jemného zrna < 0,075 mm s > 65 % hmotnostními SiO.sub.2.n. a < 35 % hmotnostními Al.sub.2.n.O.sub.3.n., která prostřednictvím zmenšeného podílu Al.sub.2.n.O.sub.3.n. a zvětšeného podílu alkalických a křemičitých kyselin slouží k vytvoření skleněné fáze v této frakci jemného zrna, a materiál má frakci hrubého zrna > 1,500 mm s < 65 % hmotnostními SiO.sub.2.n. a > 35 % hmotnostními Al.sub.2.n.O.sub.3..n.ŕ

Description

Vynález se týká šamotové cihly velkého formátu, zejména cihly pro cínové lázně z materiálu systému A1₂O₃ - SiO₂, z blokového tělesa s povrchem, přicházejícím do styku s cínovou lázní. Taková šamotová cihla velkého formátu má přísně kvádrový tvar s jednou stranou povrchu, odvrácenou od cínové lázně, čtyřmi bočními stranami a s jednou stranou povrchu, přicházející do styku s cínovou lázní. Všech šest ploch této šamotové cihly velkého formátu se po vypálení opracovává broušením na konečný rozměr, čímž se získají požadované rozměry.

Dosavadní stav techniky

Takové šamotové cihly velkého formátu, které slouží jako vyzdívka pro vany cínových lázní a sestávají z materiálu systému A1₂O₃ - SiO₂, jsou známé ze spisu DE 42 06 734 C2. Cihla pro cínové lázně má 33 až 43 % hmotnostních A1₂O₃, 1 až 3 % hmotnostní alkalioxidu, pevnost v tlaku od 35 do 60N/mm², modul pružnosti v tlaku od 3000 dolO 000 N/mm², otevřenou poréznost od 19,7 do 25 objemových, propustnost plynů pod 3 nPm a difúzi vodíku od < 1,471,5 Pa. Část zařízení na výrobu skla, o kterou se jedná, má ve spodní oblasti ocelovou vanu, která je vyložena šamotovými cihlami velkého formátu. Vzniká tak vana, která se plní tekutým cínem. Na cín se vylévá roztavené tekuté sklo, které vytéká na povrch cínové lázně a stahuje se přes cínovou lázeň jako tenký, široký pás. Tímto způsobem se vyrábí jak známo, ploché sklo. Ploché sklo obsahuje až 15 % Na₂O. Na dotykové ploše mezi sklem a tekutým cínem difunduje Na₂O v tekutý kov. V cínové lázni se nyní rozpouští sodík a atomární kyslík. Rozpustnost sodíku a atomárního kyslíku v cínu je funkcí teploty. Při výrobě plochého skla panují podle měřicího místa v zařízení teploty v hodnotách od 1200 °C do 600 °C. Na základě termicky a mechanicky indikovaných proudění tekutého cínu v cínové lázni se sodíkem nasycené objemové díly cínu nanášejí na povrch těles šamotových cihel, který přichází do styku s cínovou lázní. Tak dochází k výměně sodíku mezi cínem a žáruvzdorným materiálem šamotových cihel. Atomární sodík proniká do žáruvzdorného materiálu a reaguje tam nejprve s dioxidem křemičitým skleněné fáze šamotových cihel, při tvoření oxidu sodíku. Redukci fází obsahujících dioxid křemičitý dochází u omezeného podílu šamotových cihel k šedému až černému zabarvení.

Známé šamotové cihly, které se používají u takových zařízení na výrobu skla, mohou mít délku 1000 mm, šířku 600 mm a výšku 300 mm. Sestávají z šamotových zrn s různým rozptýlením, hlíny a alkalického silikátu. Po vypálení je mineralogicky pozorovatelný zejména mulit (žáruvzdorná hmota), částečně kristobalit a skleněná fáze. Podíl na skleněné fázi takové šamotové cihly se určuje prostřednictvím obsahu oxidů sodíku a draslíku. Stejně tak tyto oxidy podstatně ovlivňují chemické složení skleněné fáze. Poměr AhO₃ k SiO₂ v šamotové cihle rozhoduje o tom, které alkalické silikáty, nefelín nebo albit, se tvoří při působení kovového sodíku ve vrstvách blízkých povrchu šamotové cihly. Teplotní koeficient roztažnosti nefelínu je asi třikrát větší než koeficient roztažnosti mulitu. Dochází proto ke zvětšování a k růstu vrstev v šamotové cihle, které sousedí s povrchem, přicházejícím do styku s cínovou lázní. Přitom se tyto vrstvy o sebe opírají v důsledku přísně kvádrového tvaru šamotové cihly a vzájemně spojují. Vznikají odpovídající tlaky.

Na druhé straně je žádoucí udržovat spáry ve vazbě mezi šamotovými cihlami v oblasti bočních ploch jejich hladce broušených povrchů pokud možno malé a tím těsné, aby tekutý cín nevytékal těmito spárami dolů, přičemž by mohlo dojít ke zničení ocelové vany, vyložené šamotovými cihlami. Protože se nelze ve všech případech bezpečně vyhnout úniku tekutého cínu spárami, ocelová vana se z vnějšku chladí, aby se pronikající cín převedl do tuhého stavu.

-1 CZ 294854 B6

Zvětšováním objemu vrstev v oblasti povrchu šamotové cihly, který přichází do styku s cínovou lázní, dochází k odlupování v oblasti těchto vrstev, které se tvoří především v místech rohů a hran, kde se povrch dostává do styku s cínovou lázní. Protože keramický materiál šamotové cihly má menší specifickou hmotnost než cín, dochází k vyplavování těchto odloupaných částí šamotové cihly v cínové lázni. To může vést ke značným výpadkům při výrobě skla.

Ze spisu DE 195 49 057 Cl je známa šamotová cihla, která má na povrchu tělesa, přicházejícím do styku s cínovou lázní, polevu, obsahující alkalický silikát, aby se v polevě v porovnání s materiálem šamotové cihly zmenšením podílu A1₂O₃ a zvětšením podílu alkálií a kyseliny křemičité a jako substrát reakce sodíku, působícího z cínové lázně, vytvořila na povrchu tělesa těsnicí vrstva, podobající se glazuře. Tím se tvoření živců nebo zástupců živců značně redukuje, aby se zabránilo jevu odlupování při jejich použití jako obložení pro cínovou lázeň. Rozložením povlaku na povrchu tělesa, přicházejícím do styku s cínovou lázní, tedy alespoň na horní straně hlavní plochy a případně také v oblasti bočních ploch tělesa, se nakonec vytvoří z povlaku tenká glazura. Alkálie se používají jako tekutý prostředek, zejména ve vazbě se zvýšeným podílem SiO₂. Povlak se může skládat v nejjednodušší formě z jednoho nátěru, jednoho konečného nánosu štěrkové hmoty, postřiku nebo podobně. Glazura, vytvořená z povlaku, má tloušťku jen zlomek milimetru, ale na druhé straně je v pórech povrchu pevně ukotvena. Vytváření glazury se zvýhodňuje, respektive umožňuje přebytkem alkálií a kyseliny křemičité v tenké vrstvě povlaku a glazura tak sama dosahuje také jen nepatrné tloušťky, která je dost malá na to, aby se v cínové lázni odstranily jevy jako odlupování a vyplavování kousků glazury, tak zvané pulce. Povlak a z něho se tvořící glazura působí jako substrát reakce a vytvářejí těsnicí vrstvu, zpomalující reakci atomárního sodíku, takže ten sice difunduje ve vrstvě povlaku nebo glazury, ne však z hlouběji ležící matriční oblasti materiálu tělesa. Účinek těsnicí vrstvy spočívá v tom, že se při nanášení povlaku zaplňují otevřené póry povrchu tělesa a tak se dosáhne mechanického těsnicího účinku. Současně se tím povlak pevně zakotví v pórech povrchu tělesa. Omezením povlaku na jednu tenkou vrstvu se rozměry vrstvy uspoří, jak je typické pro odloupnuté a vyplavené kousky vrstvy při dosavadním stavu techniky. Nános povlaku představuje ale dodatečnou pracovní operaci, která výrobu šamotových cihel prodražuje. Je také obtížné zvládnout tloušťku vzniklé vrstvy glazury.

Podstata vynálezu

Úkolem vynálezu je připravit šamotovou cihlu velkého formátu způsobem, popsaným v úvodu, při kterém je dále omezen sklon k jevům, jako je odlupování a vyplavování kousků glazury, tak zvaným pulcům, takže je umožněno, aby šamotová cihla měla v porovnání s dosavadním stavem techniky prodlouženou životnost. Podle vynálezu je to šamotová cihla velkého formátu, zejména cihla pro cínové lázně, z materiálu systému A1₂O₃ - SiO₂, z blokového tělesa s povrchem, přicházejícím do styku s cínovou lázní, s materiálem, který vykazuje frakci jemného zrna od < 0,075 mm s > 65 % hmotnostními SiO₂ a < 35 % hmotnostními A1₂O₃, který pomocí zmenšeného podílu A1₂O₃ a zvýšeného podílu alkalických a křemičitých kyselin slouží k vytvoření skleněné fáze v této oblasti jemného zrna, a dále vykazuje frakci hrubého zrna od > 1,500 mm s < 65 % hmotnostními SiO₂ a > 35 % hmotnostními A1₂O₃, aby se v hrubém zrnu dosáhlo snížení tvorby skleněné fáze.

Materiál může vykazovat zejména frakci jemného zrna v podílu od > 50 % hmotnostních s asi 65 až 95 % hmotnostními SiO₂ a asi 35 až 5 % hmotnostních A1₂O₃. Zejména může mít materiál frakci hrubého zrna s asi 35 až 65 % hmotnostními SiO₂ a asi 65 až 35 % hmotnostními A1₂O₃. Rozumí se, že znečištění jsou nevyhnutelná a musí se odpovídajícím způsobem zohlednit.

Vynález vychází z myšlenky, že při výrobě šamotových cihel se vyskytují dvě rozdílné frakce, které se nejdříve vyrábějí odděleně od sebe. Na jedné straně se jedná o frakci jemného zrna a na straně druhé o frakci hrubého zrna. Obě tyto frakce reagují rozdílně na sodík, difundující při provozu v šamotové cihle.

-2CZ 294854 B6

V oblasti jemného zrna je podíl SiO₂ relativně vysoký a podíl A1₂O₃ relativně nízký. Zde se vědomě usiluje o tvorbu albitu (Na₂O.Al₂O₃.6.SiO₂), aby se využil jeho poměrně nízký koeficient roztažnosti (7,3.10^-6 K^-1). Za odpovídajícího působení teploty v provozu sklářské vanové pece se vytváří skleněná fáze, tedy glazura, která se objevuje nejen na povrchu cihly ale také uvnitř. Ve frakci jemného zrna se podporuje vytváření albitu a potlačuje se, případně zpomaluje tvorba nefelínu. Jemné zrno obklopuje hrubé zrno a s jeho skleněnou fází vytváří albitický obal hrubého zrna, který zpomaluje za provozních podmínek difúzi sodíku do hrubého zrna. Albitický obal vytváří také těsnicí mikrovrstvu. Protože bod tání albitu je 1118 °C, dosahuje se skleněné fáze v cihle za provozních podmínek na mnoha místech, na jiných místech nikoliv. Na místech, ve kterých je albit tekutý, to tak jako tak nepřekáží. Na jiných místech se získávají výhodnější vlastnosti než má nefelín.

Zakládá se hrubé zrno, které má poměrně vyšší obsah A1₂O₃ a poměrně nižší obsah SiO₂. Na povrchu hrubého zrna se podle složení vytváří nefelín (Na₂O.Al₂O₃.2.SiO₂), a to při zvětšování objemu a odpovídajících projevů tepelné roztažnosti. Na základě poměrně vysokého koeficientu roztažnosti (17.4.10^-6 K^-r) je tvorba nefelínu sama o sobě nežádoucí, ale nakonec se jí za podmínek dlouhého časového intervalu nelze vyhnout. Pomocí albitické těsnicí mikrovrstvy, která obklopuje hrubé zrno, se difúze sodíku v hrubém zrnu silně zpomaluje. Těsnicí mikrovrstvou obalené hrubé zrno je ale chráněno proti difúzi sodíku. Kromě toho se hrubé zrno zachycuje nájemném zrnu, takže je bráněno odloupávání a vyplavování. Nadto existují albit a nefelín, které se za podmínek dlouhého časového intervalu přece jen tvoří, vedle sebe. Tím se koeficienty roztažnosti, které leží poměrně blízko u sebe, využívají kpotlačení odlupování.

Materiál může mít frakci jemného zrna v podílu od 50 do 65 % hmotnostních, zejména asi 60 % hmotnostních. Jak je patrné, je tak zvolen relativně vysoký podíl jemného zrna. Normálně obsahuje šamotová cihla asi 30 až 35 % hmotnostních podílu jemného zrna. S vědomím zvoleného vysokého podílu jemného zrna je k dispozici větší potenciál pro skleněnou fázi, aby mohla pro sodík déle působit jako těsnicí mikrovrstva. Z toho vyplývá zvýšení trvanlivosti šamotové cihly. Je však důležité nasazovat podíl jemného zrna vždy v souvislosti s podílem hrubého zrna. Není nutné také rezignovat na hrubé zrno.

Materiál může mít frakci středního zrna > 0,075 mm a < 1,500 mm v podílu až do 15 % hmotnostních, zejména 6 % hmotnostních. Ačkoli podle vynálezu záleží v podstatě na souhře frakcí jemného a hrubého zrna, není použití frakce středního zrna na závadu. Tato frakce středního zrna se může tvořit z větší frakce podílu jemného zrna a z menší, podsítné frakce podílu zrna hrubého. Frakce středního zrna má však mít co nejmenší trvanlivost, aby se kombinace frakce jemného zrna s frakcí hrubého zrna mohla zřetelně vytříbit.

Materiál může mít ve frakci středního zrna > 0,075 mm a < 1,500 mm podíl od 40 do 65 % hmotnostních SiO₂ a 60 až 35 % hmotnostních A1₂O₃. Frakce středního zrna se vytváří podobně nebo stejně jako frakce hrubého zrna. Frakce středního zrna směřuje ke zlepšení pevnosti a poréznosti. Frakce středního zrna slouží jako regulátor nebo přechodová oblast mezi frakcí jemného zrna a frakcí zrna hrubého.

Frakce jemného zrna materiálu může být syntetizována alespoň ze dvou surovinových komponentů. Jeden surovinový komponent může sestávat zejména z hlíny, bohaté na SiO₂ a jiné komponenty z alkalického silikátu. Mohou být ale také smysluplně vzájemně kombinovány jiné suroviny.

Obsahuje-li frakci jemného zrna doplňkové amorfní SiO₂ ve formě jemného podílu, zvýhodňuje to tvorbu skleněné fáze, bohaté na SiO₂.

Podle způsobu výroby šamotové cihly podle vynálezu se blokové těleso z materiálu systému A1₂O₃ - SiO₂ formuje, suší, vypaluje a brousí na konečný rozměr, přičemž materiál se zpracovává

-3CZ 294854 B6 z nejprve odděleně připravené frakce jemného zrna a stejně tak nejprve oddělené frakce hrubého zrna a potom homogenně mísí. Použije se sypná hmotnost hlíny > 500 g/1, živce >700 g/1, a mikrosilikátu > 300 g/1.

Příklady provedení vynálezu

Vynález se dále blíže vysvětluje v následující tabulce. V příkladu provedení 1 je 21 % podíl A1₂O₃ v jemném zrnu relativně malý a příslušný 78% podíl SiO₂ relativně vysoký. Znečištění je zhruba 5%. Ve frakci hrubého zrna je 36% podíl A1₂O₃ zvolen poměrně vysoký. Poměr podílu jemného zrna a podílu hrubého zrna je 61:34. Takto vyrobená cihla má vynikající pevnost v tlaku (KDF). 25% podíl A1₂O₃ v celé cihle je relativně nízký. Sklon kodlupování je nepatrný.

V příkladu 2 je použit ve frakci jemného zrna ještě poměrně vyšší, 23% obsah A1₂O₃. Ve frakci hrubého zrna je podíl A1₂O₃ relativně vysoký tak, že cihla celkem obsahuje asi 35% A1₂O₃.

V příkladu provedení 3 se nasazují frakce jemného zrna a frakce hrubého zrna asi v přibližně stejném poměru. Podíl A1₂O₃ v cihle se udává asi 40 %. Podíl SiO₂ se nachází v této cihle ve spodní oblasti. Také u této cihly se výhodně zvětšuje možnost použití.

	1	2	3
Jemné zrno 78 % SiO₂ 21 % A1₂O₃	61		—
Hrubé zrno 62 % SiO₂ 36 % A1₂O₃	34	—	—
Jemné zrno 76 % SiO₂ 23 % A1₂O₃		61	—
Hrubé zrno 39 % SiO₂ 60 % A1₂O₃	—	35	—
Jemné zrno 75 % SiO₂ 24 % A1₂O₃	—	—	52
Hrubé zrno 39 % SiO₂ 61 % A1₂O₃	—	—	45
Hustota materiálu (g/cm³)	2,05	2,10	2,12
Otevřené póry (obj. %)	21	22	24
KDF (pevnost v tlaku) (MPa)	45	35	40
GDL (propustnost plynů) (nPm)	1,5	2,5	2,0
Youngův modul (CPa)	0,50	0,40	0,45
A1₂O₃	25,2	35,3	39,6
SiO₂	68,5	59,7	55,9
TiO₂	2,0	2,1	2,1
Fe₂O₃	1,7	0,3	0,3
Na₂O	0,5	0,5	0,5
K₂O	0,9	0,4	0,3
CaO	0,3	0,2	0,2
MgO	0,5	0,2	0,2

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Šamotová cihla velkého formátu, zejména cihla pro cínové lázně, z materiálu systému A1₂O₃ - SiO₂, z blokového základního tělesa s povrchem, přicházejícím do styku s cínovou lázní, vyznačující se tím, že materiál vykazuje frakci jemného zrna od < 0,075 mm s > 65 % hmotnostními SiO₂ a < 35 % hmotnostními A1₂O₃, která pomocí zmenšeného podílu A1₂O₃ a zvýšeného podílu alkalických a křemičitých kyselin slouží k vytvoření skleněné fáze v této frakci jemného zrna, a že materiál vykazuje frakci hrubého zrna od > 1,500 mm s < 65 % hmotnostními SiO₂ a > 35 % hmotnostními A1₂O₃.
2. Šamotová cihla podle nároku 1, vyznačující se tím, že materiál vykazuje frakci jemného zrna v podílu od 50 do 65 % hmotnostních, zejména asi 60 % hmotnostních.
3. Šamotová cihla podle nároku 1 nebo 2, v y z n a č u j í c í se tí m , že materiál vykazuje frakci jemného zrna v podílu od > 50 % hmotnostních s asi 65 až 95 % hmotnostními SiO₂a 35 až 5 % hmotnostními A1₂O₃ a frakci hrubého zrna s asi 35 až 65 % hmotnostními SiO₂ a asi 65 až 35 % hmotnostními A1₂O₃.
4. Šamotová cihla podle jednoho z nároků 1 až 3, vyznačující se tím, že materiál vykazuje frakci středního zrna > 0,075 mm a < 1,500 mm v podílu až do 15 % hmotnostních, zejména 6 % hmotnostních.
5. Šamotová cihla podle nároku 4, vyznačující se tím, že materiál ve frakci středního zrna > 0,075 mm a < 1,500 mm vykazuje podíl od 40 do 65 % hmotnostních SiO₂a 60 až 35 % hmotnostních A1₂O₃.
6. Šamotová cihla podle jednoho z nároků 1 až 5, vyznačující se tím, že frakce jemného zrna materiálu sestává alespoň ze dvou surovinových komponentů.
7. Šamotová cihla podle nároku 6, vyznačující se tím, že surovinové komponenty se skládají z hlíny, bohaté na SiO₂ a ostatní surovinové komponenty z alkalického silikátu.
8. Šamotová cihla podle nároku 7, vyznačující se tím, že frakce jemného zrna obsahuje dodatkový amorfní SiO₂ v jemně rozdělené formě.
9. Způsob výroby šamotové cihly podle jednoho nebo více nároků 1 až 8 tak, že se blokové těleso formuje z materiálu systému A1₂O₃ - SiO, vysouší se, vypaluje se a brousí na konečný rozměr, vyznačující se tím, že materiál se skládá z nejprve odděleně připravené frakce jemného zrna od < 0,075 mm s > 65 % hmotnostními SiO₂ a < 35 % hmotnostními A1₂O₃ a nejprve právě tak odděleně připravené frakce hrubého zrna od > 1,500 mm s < 65 % hmotnostními SiO₂ a > 35 % hmotnostními A1₂O₃ a potom se homogenně smísí.
10. Způsob podle nároku 9, v y z n a č u j í c í se t í m , že se použije sypná hmotnost hlíny živce mikrosilikátu > 500 g/1, > 700 g/1, a > 300 g/1.