DD231738A5 - Filter aus keramik mit offenzelliger schaumstruktur - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft Filter und ein Herstellungsverfahren fuer Filter aus Keramik mit offenzelliger Schaumstruktur, hergestellt durch impraegnieren eines Polymerschaumes mit einem keramischen Schlicker enthaltend ein Phosphatbindemittel, Abpressen des ueberschuessigen Schlickers, Trocknen und Brennen des Schaummaterials bei Temperaturen von 1 660C und mehr, oder bei gleicher Verfahrensfuehrung durch Anwendung eines Schlickers, enthaltend ein geliertes Aluminiumhydroxid und Brennen bei wenigstens 1 093C. Es werden Filter aus Keramik mit offenzelliger Schaumstruktur geschaffen, wobei die Keramik im wesentlichen phosphatfrei ist und die einzelnen Kristalle der Keramik untereinander fest zusammengesintert sind. Die Filter eignen sich zur Filtration von Metallschmelzen und insbesondere zur Filtration von Eisen- und Stahlschmelzen.

Description

— Λ" Berlin, den 6. 5, 85 65 268 17

Filter aus Keramik mit offenzelliger Schaumstruktür Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft einen Filter aus Keramik mit offenzelliger Schaumstruktur zum Filtrieren von Metallschmelzen, wobei die Keramik im wesentlichen phosphatfrei ist und die einzelnen Kristalle der Keramik untereinander zusammengesintert sind und kein Bindematerial zwischen den Kristallen vorhanden ist und die Filter derart hergestellt werden, daß ein offenzelliger organischer Polymerschaum mit einem wäßrigen, thixotrope Eigenschaften aufweisenden Schlicker aus keramischen Werkstoffen imprägniert wird* daß der überschüssige Schlicker entfernt, der beschichtete Polymerschaum getrocknet und erhitzt wird, wobei der organische Polymerschaum zersetzt und verflüchtigt wird, daß der resultierende keramische Schaum bei erhöhter Temperatur gebrannt und dabei gesintert wird, wobei eine Keramik mit offenzelliger Schaumstruktur entsteht. Im weiteren umfaßt die Erfindung das Verfahren zur Herstellung derartiger Filter und deren Verwendung*

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Aus dem Stande der Technik ist bekannt, poröse keramische Schaummaterialien als Filter für schmelzflüssige Metalle, insbesondere Aluminium zu verwenden, beispielsweise besenrieben in US-PS 3 893 917, ο 947 363, 3 962 081, 4 024 056, 4 024 212, 4 075 303, 4 265 659, 4 342 644 und 4 343 704# Diese Filter werden in erster Linie aus phosphat-

gebundenen feuerfesten Materialien, unter Zufügung verschiedener anderer Zuschlagstoffe, und durch Brennen bei Temperaturen von ungefähr 1093 ⁰C, um die Bindung zu festigen, hergestellt. Ein entsprechendes Verfahren wird in der US-PS 3 962 081 beschrieben. Derartige feuerfeste Materialien sind geeignet für die Verwendung in der Aluminiumindustrie und widerstehen leicht den meisten Aluminium-Legierungen, die üblicherweise bei 704 C vergossen werden, sis sind aber ungeeignet für viele andere potentielle Anwendungen auf Grund der geringen Festigkeit und geringen chemischen Beständigkeit,

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, den begrenzten Anwendungsbereich der bekannten Filter, ihre geringe Festigkeit und geringe Beständigkeit zu überwinden.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Material zu entwickeln, welches die gewünschten Eigenschaften der bekannten keramischen Materialien hat, insbesondere die hohe Porosität, den niedrigen Druckverlust, die große geometrische Oberfläche und gewundenen Fließpfade, welches aber die genannten Machteile wie mechanische und thermische Festigkeitsmängel und mangelnde chemische Beständigkeit überwindet» Zusätzlich war es wünschenswert,, ein spezielles Material zu entwickeln, das relativ einfach hergestellt werden kann und für eine Vielzahl von Anwendungen geeignet ist, wobei spe-

ziell auf Anwendungen im Hochtemperaturbereich und für Anwendungen mit Eisenraetallen und insbesondere für Filtrationsanwendungen, abgezielt wurde·

Die erfindungsgetnäßen Produkte sollen sich demnach vor allemdurch hohe Festigkeit und besondere chemische Eigenschaften auszeichnen, d. h. gegenüber bisher bekannten keramischen Schaumstoffen bessere mechanische, thermische und chemische Eigenschaften anbieten«

Erfindungsgemäß sind die Filter dadurch gekennzeichnet, daß die Keramik aus einem Schlicker enthaltend zumindest 8 Gew„- % Phosphatbindemittel hergestellt wird und die Keramik offenzelliger Schaumstruktur aus im wesentlichen phosphatfreiem, keramischem Material besteht, dessen einzelne Kristalle aus keramischem Material untereinander fest zusammengesintert sind, um die Porosität zwischen den Kristallen zu minimieren, oder daß die Keramik aus einem Schlicker enthaltend 3 bis 15 Gew.-% eines gelierten Aluminiumhydroxid-Binders hergestellt wird und der keramische Schaum bei erhöhten Temperaturen gesintert wird, so daß die Keramik mit offenzelliger Schaurastruktur aus keramischem Material mit fest gesinterter Bindung besteht.

In einer vorzugsweisen Ausführungsform können die Filter aus einer Keramik bestehen, die aus einem Schlicker, enthaltend zumindest 8 Gew.-% Phosphatbinderaittel,. hergestellt wurde und di3 Keramik mit offenzelliger Schaumstruktur aus im wesentlichen phosphatfreiem keramischem Material uesteht, dessen einzelne Kristalle aus keramischem Material zusammengesintert sind, um die Porosität zwischen den Kristallen zu

minimalisieren.

Der Filter ist dadurch gekennzeichnet, daß er im wesentlichen phosphatfrei ist, und bevorzugt weniger als 2 Gew.-% Phosphat - ausgedrückt als ^p ₂°5 " ^ent'ⁿ3^^{t unc}* vorzugsweise die einzelnen Keramikkörnchen dicht zusammengesintert sind, um die Porosität zwischen den Körnchen so gering wie möglich zu halten und eine Mikroporosität auszubilden. Diese Mikroporosität soll weniger als etwa 5 % betragen.

Die Keramiken*aus denen die Filter bestehen können, werden vorzugsweise aus einem Schlicker, enthaltend 8-30 Gew.-%, vorzugsweise 10 - 25 Gew,-%, Phosphatbindemittel hergestellt.

Ein bevorzugtes Bindemittel ist Aluminiumorthophosphat, es können aber auch andere Bindemittel verwendet werden» wie z. B, Phosphorsäure, Aluminiumphosphat, Alkalimetallphosphate wie Natriumhexametaphosphat, etc· Der Schlicker kann zumindest 8 Gew.-%, bevorzugt mehr als 10 Gew«-% Phosphatbindemittel aufweisen, bezogen auf die Menge der keramischen Werkstoffe in fester Form. Die Mengenangaben basieren auf Aluminiumorthophosphat; werden andere Phosphat-bindernittel eingesetzt, muß deren Menge, basierend auf Alurainiuraorthophosphat, errechnet werden.

In einer weiteren vorzugsweisen Ausfuhrungsforra können die Filter aus einer Keramik bestehen, die aus einem Schlicker, enthaltend 3 bis 15 Gew,-% eines gelierten Aluminiumhydroxid-Binders hergestellt wird und der keramische Schaum bei erhöhten Temperaturen gesintert wird, so daß die Keramik mit of-

fenzelliger Schaumstruktur aus keramischem Material mit fest gesinterter Bindung besteht. Ein derartiger Filter ist im wesentlichen binderfrei, d, h. frei von glasigen Phasen, welche die Festigkeit des Produktes verringern. Die Struktur weist demnach eine auch als trockene Sinterung bezeichnete Form der mechanischen Verfestigung auf.

Die Keramik wird vorzugsweise aus einem Schlicker, enthaltend 8 ·,, 30 Gew,-%, vorzugsweise 10 , .» 25 Gew.-%, Phosphatbindemittel hergestellt.

Dabei sind die einzelnen Kristalle aus keramischem Material zusammengesintert und die Porosität zwischen den Körnchen ist so gering gehalten, daß eine Mikroporosität entsteht. Diese beträgt vorzugsweise weniger als 5 %,

Als Phosphatbindemittel wird vorteilhaft Aluminiumorthophosphat eingesetzt· Dabei weist die Keramik mit offenzelliger Schaumstruktur zweckmäßig weniger als 2 Gew,-% Phosphat, ausgedrückt als ^ρο°5' ^aui=*

Die Keramik der Filter kann auch aus einem Schlicker, enthaltend 3 bis 15 Gew,-% geliertes Böhmit, hergestellt werden.

Für die Keramik der Filter wird als keramischer Werkstoff vorzugsweise Tonerde oder Aluminiumoxid eingesetzt.

Die Mengenangabe bezüglich der Binder bezieht sich immer auf die ganze Menge trockenen Materials der keramischen Zusammensetzung, d» h« ohne Berücksichtigung des Anmachwassers des Schlickers·

Das Verfahren zur Herstellung der Filter wird derart ausgeführt, daß ein netzartig ausgebildeter, offenzelliger organischer Polymerschaum mit wässerigem, thixotrope Eigenschaften aufweisenden Schlicker, enthaltend die keramischen Materialien und Bindemittel* imprägniert wird, daß dann der überflüssige Schlicker entfernt sowie der beschichtete Polymerschaum getrocknet und erhitzt wird, wobei der organische Polymerschautn sich zersetzt und verflüchtigt, daß der resultierende keramische Schaum bei erhöhter Temperatur gebrannt wird, wobei ein keramischer Schaum entsteht, dessen Netzwerk aus keramischem Material besteht, und daß der Filter eine offenzellige Struktur aus einer Vielzahl untereinander verbundener, von einem Netzwerk aus Keramik umgebenen Hohlräumen aufweist.

In Obereinstimmung mit dem Verfahren vorliegender Erfindung wird ein hydrophober, offenzelliger organischer Polymerschaum, vorzugsweise ein Polyurethanschaum angewendet.

Als Bindemittel enthält der Schlicker zumindest 8 Gew.-;£ Phosphatbindemittel und es wird derart gesintert, daß eine Keramik mit offenzelliger Schaumstruktur aus im wesentlichen phosphatfreiera Material entsteht, deren einzelne Kristalle aus keramischem Material zusammengesintert werden, um die Porosität zwischen den Kristallen zu minimieren, oder der Schlicker enthält 3 bis 15 Gew,-% eines gelierten Aluminiumhydroxid-Binders und der keramische Schaum wird bei erhöhten Temperaturen derart gesintert,, daß eine Keramik mit offenzelliger Schaumstruktur aus keramischem Material mit fest gesinterter Bindung entsteht.

Nach einem Verfahren nach der Erfindung kann ein hydrophober, netzartiger, organischer Polymerschaum, vorzugsweise PoIyurethanschaura, mit einem wäßrigen und thixotrope Eigenschaften aufweisenden Schlicker aus keramischen Materialien und mindestens 8 Gew.-%, vorzugsweise mehr als 10 Gew.-% Phosphatbindemittel imprägniert, getrocknet und erhitzt, um den organischen Polymerschaum _zu entfernen, und bei erhöhter Temperatur zur Verflüchtigung des Phosphats gebrannt werden, wobei ein im wesentlichen phosphatfreies Material entsteht, wonach das feuerfeste Material gesintert wird, um einen Werkstoff herzugstellen, dessen einzelne Keramikkörnchen so dicht verschmolzen sind, daß die Porosität zwischen den Körnchen so gering wie möglich gehalten wird.

Gemäß der Erfindung wird die Keramik mit offenzelliger Schaumstruktur ausgehend von einem offenzelligen, vorzugsweise hydrophoben, flexiblen organischen Schaumstoff hergestellt. Geeignete Werkstoffe sind Polymerschäume, wie z. B. Polymerurethan-Schäume und Zellulosederivat-Schäume. Normalerweise eignet sich jeder brennbare und verformbare organische Schaum, der elastisch ist und nach einer Verformung seine ursprüngliche Form wiedergewinnen kann· Der Schaum kann zwischen 2 bis 40, vorzugsweise zwischen 20 und 30 Poren je linearen cm Länge aufweisen. Der Schaum muß bei einer Temperatur ausbrennen oder sich verflüchtigen, die unter der Brenntemperatur des verwendeten keramischen Materials liegt.

Der verwendete wäßrige, keramische Schlicker ist thixotrop und soll ein gutes Fließverhalten aufweisen sowie die im ke-

ramischen Schaum zur Verwendung vorgesehenen keramischen Materialien suspendiert im Wasser, dessen Anteil nicht kritisch ist und IO - 50 Gew»-% betragen soll, enthalten« Typische :'keramische Werkstoffe, die verwendet werden können, beinhalten Aluminiumoxid, Tonerde, Zirkondioxid, Zirkonsand, Mullit und Siliziumkarbid oder Mischungen davon. Die Korngröße soll entsprechend 75 mesh und feiner und bevorzugt 270 bis 400 mesh und feiner betragen. Tonerde wird zwar als feuerfestes Material bevorzugt, jedoch kann jedes feuerfeste Material verwendet werden, das sich für den Gebrauch mit einem Phosphatbindemittel eignet und eine Sintertemperatur aufweist, die höher liegt als die zum Austreiben des Phosphors benötigte Temperatur.

Ein Stück flexiblen organischen Schaumstoffs wird derart mit wäßrigem keramischem Schlicker imprägniert, daß dessen Netzwerk damit überzogen und die Hohlräume damit gefüllt werden, üblicherweise wird der Schaum einfach für eine kurze Zeitdauer, die ausreicht, um eine vollständige Imprägnierung des Schaumes sicherzustellen, in den Schlicker eingetaucht und gegebenenfalls zusammengedrückt und ausdehnen gelassen.

Der imprägnierte Schaum wird dann ausgepreßt, um soviel vom Schlicker zu entfernen, daß das Netzwerk des organischen Schaumes mit Schlicker überzogen bleibt und gleichmäßig sowie ohne Anhäufung, durch das ganze Schaumstoff stück hindurch verteilt, eine Anzahl von Poren durch den Schlicker geschlossen bleiben» Damit werden stark gewundene Durchflußkanäle im Endprodukt erreicht. So kann beispielsweise bei einem kontinuierlichen Verfahren der imprägnierte Schaum

durch eine oder mehrere voreingestellte Walzenpaare geführt werden, um die gewünschte Menge des Schlickers aus dem Schaumstück auszupressen und den gewünschten Imprägnierungsgrad zu erhalten. Natürlich kann das Abpressen auch manuell erfolgen, indem man den flexiblen Schaumstoff bis zum gewünschten Maß ausdrückt. In dieser Phase ist der Schaum immer noch flexibel und kann - falls erwünscht - in für spezifische Filtrationsaufgaben geeignete Strukturen geformt werden, d, h, gekrümmte Platten, Hohlzylinder, etc. Es ist dann notwendig, den geformten Schaum auf übliche Weise in der gegebenen Form festzuhalten bis das organische Substrat zerfallen ist, oder bevorzugt bis der Keramikstoff gesintert ist. Der imprägnierte Schaum wird dann durch an sich bekannte Maßnahmen getrocknet, beispielsweise auf dem Wege des Lufttrocknens, des Schnelltrocknens bei einer Temperatur von 100 - 700 C während eines Zeitraumes von 15 min bis 6 h oder durch Mikrowellentrocknen. Das Lufttrocknen erfordert ca« 8 bis 24 h. Nach dem Trocknen wird das behandelte Schaumstück gebrannt und bis zum Sintern des keramischen Oberzuges erhitzt.

Das Brennen soll bei einer Temperatur von mindestens 1660 C, bevorzugt bei mindestens 1676 ⁰C, erfolgen und diese Temperatur soll 15 min bis 10 h gehalten werden, um das Netzwerk des flexiblen organischen Schaumes zu zersetzen und auszutreiben, dann den Phosphatanteil auszutreiben und schließlich den keramischen Werkstoff zu sintern.

Das entstehende Produkt ist eine poröse, gesinterte Keramik in Schaumstruktur, die im wesentlichen phosphatfrei ist,

d. h. weniger als 2 Gew.-% Phosphat - ausgedrückt als ^P2°5 " aufweist, und durch bessere mechanische, thermische und chemische Eigenschaften gekennzeichnet ist als die der bisher bekannten, keramischen Schaumstoffe« Die Keramik in offenzelliger Schaumstruktur ist gekennzeichnet durch eine Vielzahl untereinander verbundener Hohlräume, die von einem Netzwerk aus Keramik umgeben sindi Im Netzwerk der Keramik sind die einzelnen Keramikkörnchen dicht gesintert, um die Porosität zwischen den Körnchen so gering wie möglich zu halten und eine Mikroporosität zu erzielen, die weniger als etwa 5 % betragen soll. Vorteilhaft weist die Keramik in of-· fenzelliger Schaumstruktur eine Anzahl regelmäßig durch die Struktur verteilter verschlossener Poren auf, was die Gewundenheit der Fließwege erhöht.

Das genannte erfindungsgemäße Verfahren führt dazu, daß die ganze Struktur bis zu 15 % pro Längendehnung schwindet und es ergeben sich Keramikkörper, die, ausgehend von Polyraerschäumen mit 2 bis 40 Poren je cm Länge, 1,7 - 40 Poren je cm Länge aufweisen und es erfolgt eine Herabsetzung der Makroporosität oder Grobporosität des gesamten Filterkörpers. Bei einem nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Filter beträgt die Makroporosität etwa 85 %, ohne die erfindungsgemäßen Verfahrensschritte hingegen 90 %,

Weiterhin kann das Verfahren nach vorliegender Erfindung derart ausgeführt werden, daß im wesentlichen statt des Phosphatbindemittels ein gelierter Aluminiumhydroxid-Binder angewendet wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird an sich wie obengenannt

ausgeführt, die sich ergebenden Änderungen sind aus den nachfolgenden Erläuterungen ersichtlich«

In Obereinstimmung mit vorliegender Erfindung wird die Keramik mit offenzelliger Schaumstruktur aus einem offenzelligen_f vorzugsweise hydrophoben, flexiblen Schaummaterial hergestellt, das eine Vielzahl von miteinander verbundenen Hohlräumen, umgeben von einem Netz dieses flexiblen Schaummaterials, aufweist. Typisches Material, das verwendet werden kann, umfaßt polymere Schäume, wie Polyurethanschaum und cellulosische Schäume. Generell kann jeder brennbare organische Plastikschaum verwendet werden, der die Rückformkraft und Fähigkeit hat, sich in seine ursprüngliche Form zurückzubilden, Der Schaum muß ausbrennen oder verdampfen bei Temperaturen, die unter der Brenntemperatur des verwendeten keramischen Materials liegt.

Der wäßrige keramische Schlicker, der angewendet wird, soll sin strukturviskoses Verhalten aufweisen und thixotrop sein, einen relativ hohen Grad an Fließfähigkeit haben und aus einer wäßrigen Suspension der Keramik im vorgesehenen Material bestehen. Typische keramische Materialien, die verwendet werden können, umfassen vorzugsweise Aluminiumoxid und Tonerde und ebenso andere, wie Zirkonoxid, Zirkonsand, Chromoxid, Cordierit, Mullit, etc., jeweils in einer Korngröße entsprechend 75 mesh und feiner und vorzugsweise von 270 bis 400 mesh und feiner,

Die Anwendung eines Phosphates oder eines anderen anorganischen Binders ist nach dieser Verfahrensführung nicht not-

Der wäßrige Schlicker enthält ein geliertes Aluminiumhydroxid (Alurainiumoxidhydrat)♦

In Übereinstimmung mit dieser Verfahrensführung werden Aluminiumhydroxide, vorzugsweise Böhmit, aber auch die weiteren Aluminiumoxid-Monohydrate (Aluminiumoxidhydroxide) und AIuminiumoxid-Trihydrate (Aluminiumhydroxid), als temporäre Binder und rheologisches Mittel angewendet, Zuerst wird eine kollidale Dispersion mit einer Säure, die im wesentlichen unter Brenntemperatur flüchtig ist, vorzugsweise Salpetersäure, aber auch Salzsäure, Schwefelsäure oder andere, hergestellt. Auf diesen Verfahrensschritt folgt die Herstellung eines strukturviskosen und thixotropen Schlickers aus dem gewünschten keramischen Material, vorzugsweise Aluminiumoxid.

Allgemein wendet man 3-15 Gevu-% Aluminiumhydroxid, bezogen auf die trockenen Materialien und ein Hydrat : Säure-Verhaltnis von 2 : 1 bis 5 : 1, vorzugsweise 3:1, basierend auf 70 % Säure, ab. In der nachfolgenden Herstellung des thixotropen Schlickers kann man falls gewünscht, kleine Mengen von organischen Zusätzen, zum Beispiel Theologische Zusätze, zusätzliche Binder, Dispergiermittel und ähnliches zufügen« Der Wassergehalt ist nicht speziell kritisch, beispielsweise können 10 - 50 Gevu-% Wasser, bezogen auf das Gesamtgewicht des Schlickers, verwendet werden« Die Viasserkomponente erzeugt auf einfache Weise die gewünschte Fluidität, um den Polymerschaum zu imprägnieren und das organische Netzwerk zu beschichten.

Ein Vorteil dieser Verfahrensführung und der resultierenden Produkte ist, daß keine Rückstände wie Phosphate, die potentiell reaktiv mit geschmolzenen Metall sind, im Endprodukt zurückbleiben.

So, in Übereinstimmung mit der Ausführung des Verfahrens vorliegender Erfindung, wird man zuerst das Aluminiumhydroxid mit der Säure gelieren und gibt dann die keramischen Komponenten und das Wasser zu,um den Schlicker zu bilden. Falls gewünscht, können alle Komponenten zusammen gemischt werden« Der Schlicker wird dann für die Herstellung der Keramik mit offenzelliger Schaumstruktur verwendet.

Das flexible Schaummaterial wird mit dem wäßrigen keramischen Schlicker derartig imprägniert, daß das netzartige Gerüst damit beschichtet wird, und daß die Hohlräume damit gefüllt werden» Normalerweise wird dem Verfahren der Vorzug gegeben, den Polymerschaum einfach für kurze Zeit in den Schlicker einzutauchen, um eine vollständige Imprägnierung des Schaumes zu erreichen.

Der imprägnierte Schaum wird dann zusamraerigedrück, um einen Teil des Schlickers derart auszupressen, daß der verbleibende Teil des Schlickers das netzartige Gerüst bedeckt und auch eine Vielzahl gleichmäßig im Körper verteilter, blo!<_ kierter Poren bildet, die eine Gewundenheit der Fließwege erzeugen, wobei die blockierten Poren gleichmäßig verteilt und nicht angehäuft im keramischen Körper vorliegen sollen. Im nachfolgenden Verfahren kann man den imprägnierten Schaum durch voreingestellte Rollen führen, um das gewünsch-

te Maß des Abpressens des Schlickers aus dem Schaum zu erreichen und das gewünschte Maß an Imprägnierung zu erzielen» Natürlich kann dies auch von Hand geschehen, durch einfaches manuelles Ausquetschen des flexiblen Schaummaterials bis zum gewünschten Maß» In diesem Stadium ist der Schaum immer noch flexibel und kann, falls gewünscht, in verschiedene Formen, geeignet für spezifische Filterzwecke geformt werden, z, B, in gebogene Platten, hohle Zylinder etc. Es ist dann notwendig, den geformten Schaum durch bekannte Maßnahmen in .Form zu halten, bis das organische Gerüst zersetzt ist oder vorzugsweise bis die Keramik gesintert ist. Der imprägnierte Schaum wird dann auf geeignete Weise getrocknet, wie Lufttrocknen, beschleunigtes Trocknen bei Temperaturen von 100 700 ⁰C für Zeiten von 15 min bis 6 h oder durch Mikrowellentrocknen« Das Lufttrocknen benötigt 8 - 24 h. Mach dem Trocknen wird das Material auf erhöhte Temperaturen gebracht, um die keramische Beschichtung auf dem netzartigen Gerüst zu sintern und eine Vielzahl von gleichmäßig verteilten blockierten Poren zu hinterlassen, wie oben beschrieben.

In Obereinstimmung mit vorliegender Erfindung führt das Trocknungsverfahren bei der Anwendung eines Aluminiumhydroxides zuerst zu Kristalliten des Aluminiumoxids, anfänglich zu Gamma-Aluminiumoxid und schließlich umgewandelt zu Alpha-Aluminiumoxid, Das ergibt eine genügende Grünfestigkeit zum Verarbeiten und Brennen,

Die jeweiligen Brennbedingungen hängen vom keramischen Material ab. Gewöhnlich werden Temperaturen von über 10-93 ⁰C und vorzugsweise von über 1371 ⁰C für mindestens 15 min und

gewöhnlich mindestens 1 h und gewöhnlich weniger als 10 h angewendet, um das Gerüst des flexiblen Schaumes auszutreiben und die Keramik zu sintern, um eine feste gesinterte keramische Bindung auszubilden.

Das resultierende Produkt ist ein poröses, fest gesintertes keramisches Schaummaterial, das im wesentlichen von Phosphat und organischen Komponenten frei ist, und gekennzeichnet ist, durch mechanische, thermische und chemische Eigenschaften, die bekannten keramischen Schaummaterialien überlegen sind* Der keramische Schaum ist gekennzeichnet durch eine offene Zellstruktur mit einer Vielzahl von untereinander verbundener Hohlräume, umgeben von einem Gerüst aus Keramik, 'welche trocken gesintert und absolut frei ist von potentiell gefährlichen Bindermaterialien oder Glas- oder Tonphasen, Die Keramik in Form einer offenzelligen Schaumstruktur ist ein festes gesintertes Produkt, besonders geeignet für Hochtemperaturanwendungen, wie Eisen-, Eisenlegierungs- und Stahlfiltration.

Die vorgenannte Struktur weist eine Erhöhung der gewünschten physikalischen Eigenschaften auf, wie erhöhte mechanische, thermische und chemische Eigenschaften, Irgendwelche kleinen Anteile an organischen Zusätzen werden beim Brennprozeß ausgetrieben. Die kleine Menge an Zusätzen, die, falls gewünscht, angewendet werden können, würden die Eigenschaften nicht verschlechtern, z« ß, weniger als jeweils 1-3 Gevw% Sinterhilfsmittel, wie Zinkoxid, Kornwachstumsinhibitoren, wie Magnesiumoxid oder anorganische Theologische Hilfsmittel, wie Tone, Montmorillonit, Bentonit, Kaolin oder organische

- 16 rhsologische Hilfsmittel»

Verschiedene Verfahren zum Herstellen von keramischen Schäumen für Filter für Metallschmelzen werden auch in US-PS 3 962 081., US-PS 4 075 303 und US-PS 4 024 212· beschrieben, deren Lehre sinngemäß für vorliegende Erfindung ebenfalls angewendet werden kann.

Die erfindungsgemäßen Filter sind auf Grund besonderer mechanischer, thermischer und chemischer Eigenschaften geeignet, zur Filtration von Metallschmelzen, "wie Eisen-, Eisenlegierungen und Stahlschmelzen«

Ausführunqsbeispiel Beispiel 1

Verfahrensführung mit Phosphatbinder:

Verschiedene Proben wurden durch Imprägnierung eines handelsüblichen, hydrophoben, offenzelligen Polyurethanschaumstoffes mit keramischem Schlicker präpariert, der als Feststoff 98 Gevu-% Tonerde und 2 Gevi,-% Montmorillonit als Theologische Hilfe enthält. Hinzugefügt wurden etwa 30 Gew.- % Aluminiumorthophosphat in einer 50 Gew,-% wäßrigen Lösung, ausgehend vom Gesamtgewicht. Dia Proben wurden getrocknet und bei Temperaturen von 1093 ⁰G₁ 1577 ⁰C, 1635 ⁰C, 1660 ⁰C, 1676 C und 1699 C während eines Zeitraumes von 5 h gebrannt« "Die Proben wurden danach einer chemischen Analyse und Prüfung bezüglich der Druckfestigkeit und chemischen

Beständigkeit unterzogen« Die Ergebnisse werden nachstehend erläutert.

Die Ergebnisse zeigen deutlich, daß bei etwa 1093 G gebrannte Proben im wesentlichen über 2 Gevv»-^ Phosphat - ausgedrückt als P₂°5 - enthielten, aber bei 1660 ⁰C und höher gebrannte Proben im wesentlichen phosphatfrei waren, d. h. weniger als 2 Gevu-% Phosphat - ausgedrückt als ^ρ ₂^5 ~ enthielten. Ferner-waren in allen Fällen die bei 1660 C und höher gebrannten Proben dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Keramikkörnchen dicht verschmolzen waren und sich die Porosität zwischen den Körnchen als minimal erwies, wobei die Mikroporosität weniger als 5 % betrug.

Dia nachstehenden Tabellen I und II zeigen die verschiedenen Eigenschaften bei den verschiedenen Brenntemperaturen, wobei die Dicke des Ausgangsmaterials einheitlich jeweils 5,10 cm (2,01 inch) betrug.

- 18 Tabelle I

Druckfestigkeit, Rohdichte und Dicke der bei verschiedenen Temperaturen gebrannten keramischen Schäume

Brennen ⁰C 1093 1577 1635 1660 1676 1699

Zahl der geprüften

Proben 8 10 9 11 10 10

Druckfestigkeit

kg/cm² 10,28 11.01 9,70 10.12 14.30 18.52

ρsi ^X 146 157 138 144 203

Scheinbare Rohdichte

gm/cm³ 0,31 0.36 0.33 0,37 .0.37 0.39

lb/ft^{3 XX} 19.2 22.3 20.4 22.9 22.9 24.1

cm 5.10 4.87 4.82 4.64 4,41 4.48

in. ^XXX 2.01 1.92 1.90 1.33 1.74 1.77

χ psi = pound per square inch (Pfund pro 6,45 cm ) xx Ib = pound (Pfund); ft = foot = 30,5 cm xxx in. = Inch = 2,54 cm

Die oben in Tabelle I aufgeführten Festigkeitsdaten zeigen eine starke Zunahme bei Temperaturen über 1576 C, wogegen annehmbare Festigkeit bei 1660 C erreicht wird. Die Daten zeigen ferner, daß die scheinbare Dichte zunimmt und die Dicke abnimmt, was auf eine Schrumpfung hinweist, welche durch den Verlust der Porosität in den Wänden, d„ h* durch

die sich bildende Mikroporosität, verursacht ist

Tabelle II

Chemische Beständigkeit der bei verschiedenen Temperaturen gebrannten keramischen Schäume

Brenntemperatur Gewichtsverlust (%) in:

0F	°>	1OfSNaOH	10=^Ν03	10SH2SO4	lO&HCL 10	^CH3CCO
2000	1093	Prob	en zerf	ielen in d	en Lösungen
2870	1577	13.4	12.5	12.6	10.5	1.5
2980	1635	10.4	10.5	10.6	10.5	1.4
3020	1560	8.8	10.1	8.1	9.2	1.6
3050	1676	3.6	4.9	4.4	5.5	1.1
3090	1699	2.7	2.0	2.2	1.4	0.9

Die chemische Beständigkeit der Proben wurde bestimmt, indem man die vorher gewogenen Filterproben in die spezifischen Lösungen 5 1/2 Tage lang eintauchte. Die P_roben wurden dann aus den Lösungen entfernt, ausgewaschen, getrocknet und wieder gewogen. Die bei 1093 G gebrannten Proben zerfielen oder weichten soweit auf, daß sie nicht unversehrt aus den Lösungen entnommen werden konnten; daher wurden keine Gewichtsverlustdaten registriert. Für die anderen Proben sind die Gewichtsverluste oben aufgeführt. Bei 3660 ⁰C, und noch mehr bei 1676 C, scheint eine starke Änderung einzutreten.

Auf diese Weise erhält man, wie aus dem Vorstehenden er-

.- 20 -

sichtlich wird, einen keramischen Schaumstoff mit verbesserten Festigkeitseigenschaften und chemischer Haltbarkeit,

Beispiel 2

Verfahrensführung mit Aluminiumhydroxidbinder:

Ein thixotroper keramischer Schlicker wurde derart hergestellt, daß zuerst ein Gel bestehend aus:

1S35 g Böhmit

475 ml konzentrierter Salpetersäure 9060 ml Wasser

hergestellt wurde* Dieses Gel wurde "zu einer trockenen Pulvermischung aus:

74 kg Aluminiumoxid 79 g Magnesiumoxid

gegeben» Weitere 300 ml Wasser wurden zu der Mischung zugegeben und der ganze Ansatz wurde in einem Hochgeschvvindigkeitsmischer vollständig gemischt.

Der obengenannte thixotrope keramische Schlicker wurde zum Imprägnieren eines offenzelligen, flexiblen Polyurethanschaumblocks mit nominell 8 Poren je cm gebraucht, zu einer Gründichte von ungefähr 10 Gevv,-% der theoretischen Dichte, so daß das faserartige Gerüst des Schaumes damit bedeckt und die Hohlräume damit gefüllt sind. Die Imprägnation wurde

ausgeführt durch Eintauchen des Schaumes in den Schlicker und der Verwendung von voreingestellten Rollen, um den Schaum zusammenzudrücken und ein Teil des Schlickers auszutreiben, wobei der netzartige Gerüstteil mit Schlicker bedeckt bleibt, sich eine Vielzahl von blockierten Poren durch den Körper gleichmäßig verteilt, ausbildet, welche die Gewundenheit der Fließwege erhöhen.

Die resultierenden imprägnierten Schäume werden getrocknet und erhitzt, um die organischen Komponenten zu entfernen und gebrannt, um eine feste gesinterte keramische Sindung durch aufheizen auf ungefähr 1648 G während 1 h, zu erreichen. Das resultierende Produkt ist ein poröses, gesintertes, keramisches Schaummaterial, im wesentlichen frei von organischen Komponenten und gekennzeichnet durch ausgezeichnete mechanische, thermische und chemische Eigenschaften, Die lineare Schrumpfung durch das Brennen betrug ungefähr 15 %, was bedeutet, daß der resultierende keramische Schaum eine gebrannte nominelle Porsnzahl von 9 Poren per laufenden cm und eine gebrannte Dichte von 15 % der theoretischen Dichte aufweist«

Beispiel 3

Keramische Schäume, hergestellt nach 3eispiel 1, mit einer GröZe von 5 χ 5 χ 2,5 cm nach dem Brennen, werden bei einem Präzisionsformgußverfahren zum Filtrieren von rostfreiem Stahl hoher Qualität eingesetzt« Die keramischen Filter werden direkt in der Gußöffnung plaziert und von unten angegossen. Die resultierenden Gußstücke sind frei von Defekten,

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verursacht durch Einschlüsse

3eispiel 4

Keramische Schäume, hergestellt nach Beispiel I₁ mit Abmessungen nach dem 3rennen von IO x IO χ 2,5 cm, werden zum filtrieren von Ventilatorgehäusen aus rostfreiem Stahl angewendet, dafür wird eine Einrichtung zum Eingießen von oben angewendet. Es wurde ein Hochqualitätsguß erreicht* Eine Schweißtemperatur, normalerweise notwendig für solchen Guß und verursacht durch Einschlüsse, wurde damit verhindert,

Seispiel 5

Keramische Schäume, hergestellt nach Beispiel 1, mit Abmessungen nach dem Brennen von 10 χ 10 χ 2,5 cm, werden als Filter für eine Hochtemperatur-Nickel-Aluminium-Bponze-Legierung Testguß verwendet. Ein Hochqualitätsguß wurde erreicht. Dieses Gußverfahren würde normalerweise mehrere Stunden SchweiSreparatur verlangen, im vorliegenden Fall resultierte ein Guß mit erheblich reduziertem Bedarf an Schweißarbeiten,

Beispiel 6

Ein thixotroper Schlicker wurde nach Beispiel i hergestellt und für die Impregnation eines nominal 4 Poren per laufenden ciii, offenzeliigen _t flexiblen Polyurethanschaumblockes verwendet, wie nach Beispiel 1, Der resultierende imprägnierte Schaum wurde mit Mikrowellen getrocknet und dann bei

1643 C gebrannt, um eine feste gesinterte keramische Bindung und ein poröses verschmolzenes keramisches Schaummaterial, im wesentlichen frei von organischen Komponenten, gekennzeichnet durch ausgezeichnete mechanische, thermische und chemische Eigenschaften, herzustellen. Der gebrannte keramische Schaum, mit den Abmessungen IO χ IO χ 2,5 cm und mit einer Porenzahl von 4,7 Poren je cm, wurde zum Filtrieren von niederlegiertem Stahl verwendet. Defekte aus Einschlüssen stammend, wurden eliminiert.

Somit, wie aus den vorhergehenden Angaben ersichtlich, wird ein keramischer Schaum mit besten Festigkeitseigenschaften und chemischer Beständigkeit erhalten.

Claims (23)

1. Erfindunqsanspruch

   1» Filter aus Keramik mit offenzelliger Schaurastruktur zum Filtrieren von Metallschmelzen/ wobei die Keramik im wesentlichen phosphatfrei ist und die einzelnen Kristalle der Keramik untereinander dicht gesintert sind und kein Bindematerial zwischen den Kristallen vorhanden ist und die Filter derart hergestellt werden, daß ein offenzelliger organischer Polymerschaum mit einem wäßrigen, thixotrope Eigenschaften aufweisenden Schlicker aus keramischen Werkstoffen imprägniert wird, daß der überschüssige Schlicker entfernt, der beschichtete Polymerschaum getrocknet und erhitzt wird, wobei der organische Polymerschaum zersetzt und verflüchtigt wird, daß der resultierende keramische Schaum bei erhöhter Temperatur gebrannt und dabei gesintert wird, wobei eine Keramik mit offenzelliger Schaumstruktur entsteht, gekennzeichnet dadurch, daß die Keramik aus einem Schlicker enthaltend zumindest 8 Gew.-^ Phosphatbindemittel hergestellt wird und die Keramik mit offenzelliger Schaumstruktur aus im wesentlichen phosphatfreiem keramischem Material besteht, dessen einzelne Kristalle aus keramischem Material untereinander fest zusammengesintert sind, um die Porosität zwischen den Kristallen zu minimalisieren, oder daß die Keramik aus einem Schlicker enthaltend 3 bis 15 Gew.-% eines gelierten Alurainiumhydroxid-3inders hergestellt wird und der keramische Schaum bei erhöhten Temperaturen gesintert wird, so daß die Keramik mit offenzelliger Schaumstruktur aus keramischem Material mit fest gesinterter Bindung besteht.
2. 2. Filter nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Keramik aus einem Schlicker, enthaltend zumindest 8 Gew.-^ Phosphatbindemittel hergestellt wird und die Keramik mit offenzelliger Schaumstruktur aus im wesentlichen phosphatfreiem keramischem Material besteht, dessen einzelnen Kristalle aus keramischem Material zusammengesintert sind, um die Porosität zwischen den Kristallen zu minimieren,
3. 3. Filter nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Keramik aus einem Schlicker» enthaltend 3 bis 15 Gavu-% eines gelierten Aluminiumhydroxid-Sinders hergestellt wird und der keramische Schaum bei erhöhten Temperaturen gesintert wird, so daß die Keramik mit offenzelliger Schaumstruktur aus keramischem Material mit fest gesinterter Bindung besteht,
4. 4. Filter nach Punkt 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß die Keramik aus einem Schlicker, enthaltend 8-30 Gew.-J - vorzugsweise 10 - 25 Gew.-% - Phosphatbindemittel, hergestellt wird.
5. 5. Filter nach Punkt 1 und Z, gekennzeichnet dadurch, daß die einzelnen Kristalle aus keramischem Material zusammengesintert sind und die Porosität zwischen den Körnchen so gering gehalten ist, daß eine Mikroporosität ent steht,
6. 6. Filter nach Punkt 1, 2» 4 und 5, gekennzeichnet dadurch, daß die Mikroporosität weniger als 5 ;o beträgt.
7. 7. Filter nach Punkt 1, 2-und 4 bis 6, gekennzeichnet dadurch, daß als Phosphatbindemittel Aluminiumorthophosphat eingesetzt wird.
8. 8. Filter nach Punkt 1, 2 und 4 bis 7, gekennzeichnet dadurch, daß die Keramik mit offenzelliger Schaumstruktur weniger als 2 Gevv.-% Phosphat - ausgedrückt als ^₂ ⁰S ~ aufweist«

   Q. Filter nach Punkt 1 und 3/ gekennzeichnet dadurch, daß die Keramik aus einem Schlicker, enthaltend 3 bis 15 Gevu-% geliertes Böhmit hergestellt wird.
9. 10. Filter nach Punkt 1 bis 8, gekennzeichnet dadurch, daß als keramischer sVerkstoff Tonerde oder Aluminiumoxid eingesetzt wird*
10. 11. Verfahren zur Herstellung eines Filters nach Punkt 1, indem ein offenzelliger organischer Polymerschaum mit einem wäßrigen, thixotrope Eigenschaften aufweisenden Schlicker aus keramischen Werkstoffen imprägniert wird, daß der überschüssige Schlicker entfernt, der beschichtete Polymerschaura getrocknet und erhitzt wird, wobei der organische Polymerschaum zersetzt und verflüchtigt wird, daß der resultierende keramische Schaum bei erhöhter Temperatur gebrannt und dabei gesintert wird, wobei eine Keramik mit offenzelliger Schaumstruktur entsteht» gekennzeichnet dadurch, daß der Schlicker zumindest 8 Gew*-% Phosphatbindemittel enthält und beim Sintern eine Keramik mit offenzelliger Schaurastruktur aus

    im wesentlichen phosphatfreiem Material entsteht, deren einzelne Kristalle aus keramischem Material untereinander fest zusammengesintert werden, um die Porosität zwischen den Kristallen zu minimalisieren, oder daß der Schlicker 3 bis 15 Gevi,-% eines gelierten Aluminiumhydroxid-Binders enthält und der keramische Schaum bei erhöhten Temperaturen gesintert wird, daß eine Keramik rait offenzelliger Schaumstruktur aus keramischem Material mit fest gesinterter Bindung entsteht,
11. 12. Verfahren nach Punkt 11, gekennzeichnet dadurch, daß der Schlicker zumindest 8 Gevu-% Phosphatbindemittel enthält und beim Sintern eine Keramik mit offenzelliger Schaumstruktur aus im wesentlichen phosphatfreiem Material entsteht, deren einzelne Kristalle aus keramischem Material zusammengesintert werden, um die Porosität zwischen den Kristallen zu minimalisieren.
12. 13. Verfahren nach Punkt 11, gekennzeichnet dadurch, daß der Schlicker 3 bis 15 Gevw-% eines gelierten Aluminiumhydroxid-Binders enthält und der keramische Schaum bei erhöhtem Temperaturen gesintert wird, daß eine Keramik mit

    . offenzelliger Schaumstruktur aus keramischem Material mit fest gesinterter Bindung entsteht,
13. 14. Verfahren nach Punkt 11 und 12, gekennzeichnet dadurch, daß die Brenntemperatur während eines Zeitraumes von 15 min bis 10 h zumindest 1660 ⁰C beträgt.
14. 15. Verfahren nach Punkt 11, 12 und 14, gekennzeichnet da-

    durch, daß die Brenntemperatur während eines Zeitraumes von 15 min bis IO h zumindest 1676 C beträgt.

    16* Verfahren nach Punkt 11, 12, 14 und 15, gekennzeichnet
    dadurch, daß als Phosphatbindemittel Aluminiumorthophosphat eingesetzt wird«
15. 17. Verfahren nach Punkt H₁ 12 und 14 bis 16, gekennzeichnet dadurch, daß 8 bis 30 Gew.-^, zweckmäßig mindestens 10 Gew,-% und vorzugsweise 10 bis 30 Gew,-%, Phosphatbindemittsl eingesetzt werden»
16. 18. Verfahren nach Punkt 11 und 12, gekennzeichnet dadurch, daß die kollidale Dispersion des Aluminiumhydroxids mittels einer Säure, die unter Brenntemperatur flüchtig
    ist, hergestellt wird und ein thixotroper Schlicker

    mit strukturviskosem Verhalten zusammen mit keramischem Material hergestellt wird.
17. 19. Verfahren nach Punkt 11, 12, 18, gekennzeichnet dadurch, daß als Aluminiumhydroxid Böhmit verwendet wird.
18. 20. Verfahren nach Punkt 11, 12, 18 und 19, gekennzeichnet
    dadurch, daß als Säure Salpetersäure angewendet wird.
19. 21. Verfahren nach Punkt 11, 12 und 13 bis 20, gekennzeichnet dadurch, daß die Brenntemperatur mindestens 1093 ⁰C während mindestens 15 Minuten beträgt,
20. 22. Verfahren nach Punkt 11, 12 und 18 bis 21, gekennzeichnet dadurch, daß die Brenntemperatur mindestens 1371 ⁰C

    während mindestens 15 Minuten beträgt,
21. 23. Verfahren nach Punkt 11, 12 und 18 bis 22, gekennzeichnet dadurch, daß die Brenntemperatur während 15 Minuten bis 10 h aufrechterhalten wird,

    24« Verfahren nach P_unkt 11 bis 23, gekennzeichnet dadurch, daß als keramischer Werkstoff Tonerde oder Aluminiumoxid eingesetzt wird*
22. 25. Verfahren nach Punkt 11 bis 24, gekennzeichnet dadurch, daß als Polymerschaum ein Polyurethanschaum: mit 2 bis
    20 Poren je cm Länge angewendet wird.
23. 26. Verwendung der Filter nach den Punkten 1 bis 10 zum
    Filtrieren von Eisenmetall-, Eisenmetalllegierungen und Stahlschmelzen.