DD294931A5

DD294931A5 - Siliciumcarbid-steine mit hoher thermischer und mechanischer bestaendigkeit

Info

Publication number: DD294931A5
Application number: DD34118190A
Authority: DD
Inventors: Hans-Rainer Chudak; Detlef Hinze; Bernd Ott; Hans-Georg Boege; Reinhard Ulbricht
Original assignee: Wetro Feuerfestwerke
Priority date: 1990-05-31
Filing date: 1990-05-31
Publication date: 1991-10-17

Abstract

Die Erfindung betrifft Siliciumcarbid-Steine mit hoher thermischer und mechanischer Bestaendigkeit fuer die Zustellung von pyrotechnischen Anlagen mit Formsteinausmauerung. Erfindungsgemaesz werden einer Masse zur Herstellung von Siliciumcarbid-Steinen, bestehend aus verschiedenen Siliciumcarbidkoernungen einschlieszlich einer feinkoernigen Fraktion und plastischem Bindemittel in Form von geschlaemmtem Kaolin und/oder feuerfestem Bindeton, zusaetzlich feingemahlene Tonerde mit einem a-Al2O3-Anteil zwischen 85 und 95% und pyrogene Kieselsaeure in Form des Anfallproduktes der Entstaubungsanlage der Ferrosiliciumproduktion und/oder Kieselsol mit einem SiO2-Anteill um 30% sowie gegebenenfalls feinkoerniges Silicium zugegeben. Beim Erzeugnisbrand der aus der Masse hergestellten Formlinge, der bei einem Kegelfallpunkt von vorzugsweise PK 146 bis 156 vorgenommen wird, entsteht aus dem amorphen SiO2 der pyrogenen Kieselsaeure bzw. des Kieselsols und der feingemahlenen Tonerde Mullit. Die Tonerde mit dem a-Al2O3-Anteil zwischen 85 und 95% ist einerseits noch so reaktiv, dasz eine gute Mullitausbildung erfolgen kann, andererseits aber so stabil, dasz die Gefuegewerte und Festigkeiten der SiC-Steine nicht durch Schwindung der Tonerde herabgesetzt werden. Das feinkoernige Siliciumcarbid bzw. das Silicium wird bei Sintertemperatur teilweise oxidiert, wobei das SiO2 in statu nascendi die Mullitausbildung zusaetzlich verstaerkt. Die sich ausbildende Mullitbindematrix verleiht dem Stein ein dichtes Gefuege, hohe Kaltdruck- und Heiszbiegefestigkeiten sowie eine gute Druckfeuerbestaendigkeit. Auszerdem wird das Siliciumcarbid durch die dichte Bindematrix weitestgehend gegen Oxidation geschuetzt.{Siliciumcarbid-Steine; pyrotechnische Anlagen; Formsteinausmauerung; Tonerde; a-Al2O3-Gehalt pyrogene Kieselsaeure; Kieselsol; amorphes SiO2; Mullit; Gefuege; Kaltdruckfestigkeit; Heiszbiegefestigkeit}

Description

durch die dichte Bindematrix weitestgehend gegen Oxidation geschützt. Vorteilhafterweise wird den Massen zur Steinherstellung ein Tonerdeüberschuß zugegeben, der mit dem bei Einsatzbedingungen dennoch aus dem SiC entstandenen SiO₂ sofort zu MuIUt reagiert. Durch den Oxidationsschutz des SiC bzw. die rasche Umwandlung des SiO₂ zu Muilit bleiben Wärmeleitfähigkeit und vor allem die guten mechanischen Eigenschaften über einen langen Zeitraum auch bei Einsatz in oxidierender Atmosphäre erhalten.

Durch die Zugabe der feingemahlenen Tonerde und der pyrogenert Kieselsäure bzw. des Kieselsols zur Preßmasse wird zusätzlich die Grünfestigkeit der Formlinge erhöht.

Ausführungsbeispiel 1 In ein Mischaggregat, vorzugsweise einen Gegenstromschnellmischer werden

35 Ma.-% Siliciumcarbid, Kornfraktion 1 bis 2,5 mm und 30 Ma.-% Siliciumcarbid, Kornfraktion 0,1 bis 1 mm

gegeben, trocken yorgemischt und anschließend mit Tonschlicker versetzt. Danach werden 10 Ma.-% feuerfester Bindeton und 25 Ma.-% Siliciumcarbid, Kornfraktion <0,3mm untermischt. Die fertige Masse wird auf einer hydraulischen Presse mit einem spezifischen Preßdruck von 50 MPa zu Formsteinen verarbeitet. Die Formsteine werden nach dem Trocknen in einem Tunnelofen bei einem Kegelfallpunkt von PK146 gesintert. Diese herkömmliche Siliclumcarbid-Variante hat folgende Gütewerte:

SiC-Gehalt 76,3%

Kaltdruckfestigkeit 50,3MPa Offene Porosität 20,5% Rohdichte 2,43 g/cm³ Druckfeuerbeständigkeit, T_A 158O⁰C Ausfuhrungsbelsplel 2 Wie in Ausführungsbeispiel 1 werden in einem Gegenstromschnellmischer

35,0 Ma.-% Siliciumcarbid, Kornfraktion 1 bis 2,5 mm 30,0 Ma.-% Siliciumcarbid, Kornfraktion 0,1 bis 1 mm 17,5 Ma.-% Siliciumcarbid, Kornfraktion < 0,3 mm 15,0Ma.-% feuerfester Bindeton 0,5 Ma.-% pyrogene Kieselsäure in Form des Anfallproduktes der Entstaubungsanlage der Ferrosiliciumproduktion mit folgenden durchschnittlichen Eigenschaften:

SiOj-Gehalt 97,33%

Fe₂O₃-Gehalt 0,30%

AI₂O₃-u. TiO₂-Gehalt .0,31% Na₂O-u.K₂O-Gehalt 0,21% MgO-u.CaO-Gehait 1,32%

P₂O₆-Gehalt 0,06%

spezifische Oberfläche (BET) 2OmVg

und 2,0 Ma.-% feingemahlene Tonerde mit einem a-AI₂O₃-Anteil zwischen 85 und 95 %

mit Tonschlicker gemischt und auf einer hydraulischen Presse mit einem spezifischen Preßdruck von 60 MPa zu Formsteinen verarbeitet. Die Formsteine werden nach dem Trocknen in einem Tunnelofen bei einem Kegelfallpunkt von PK146 gesintert. Die resultierende Steinqualität wird durch folgende GUtewerte charakterisiert:

SiC-Gehalt	72,4%
Kaltdruckfestigkeit	58,6MPa
Offene Porosität	19,4%
Rohdichte	2,42 g/cm³
Druckfeuerbeständigkeit, Ta	1580^eC

Ausführungsbeispiel 3 Wie in Ausführunqsbeispiel 1 werden in einem Gegenstromschnellmischer

35Ma.-% Siliciumcarbid, Kornfraktion 1 bis3 mm 30Ma.·% Siliciumcarbid, Kornfraktion 0,1 bis 1 mm 16Ma.-% Siliciumcarbid, Kornfraktion < 0,3mm 5Ma.-% feuerfester Bindeton 4 Ma.-% pyrogene Kieselsäure in Form des Anfallproduktes der Entstaubungsanlage der Ferrosiliciumproduktion

mit den im Ausführungebeispiel 2 beschriebenen Eigenschaften und 10Ma.-% feingemahlene Tonerde mit einem a-AI₂O₃-Antell zwischen 85 und 95%

mit Tonschlicker gemischt und auf einer hydraulischen Presse mit einem spezifischen Preßdruck von 60 MPa verpreßt. Nach dem Abbrand im Tunnelofen bei PK146 werden Steine mit folgenden Gütewerten erhalten:

SiC-Gehalt	74,8%
Kaltdruckfestigkeit	115,3MPa
Offene Porosität	15,3%
Rohdichte	2,61 g/cm³
Druckfeuerbeständigkeit, Ta	>1700°C

Ausführungsbeispiel 4 Wie in Ausführungsbeispiel 1 werden

35Ma.-% Siliciumcarbid, Kornfraktion 1 bis 2,5 mm

25 Ma.-% Siliciumcarbid, Kornfraktion 0,1 bis 1 mm

5 Ma.-% Siliciumcarbid, Kornfraktion < 0,3 mm

2Ma.-% feuerfester Bindeton

8 Ma.-% pyrogene Kieselsäure in Form des Anfallproduktes der Entstaubungsanlage der Ferrosiliciumproduktion

mit den im Ausführungsbeispiel 2 beschriebenen Eigenschaften

und 25Ma.-% feingemahlene Tonerde mit einem a-AI₂O₃-Anteil zwischen 85 und 95%

mit Wasser und Sulfitablauge gemischt und auf einer hydraulischen Presse mit einem spezifischen Preßdruck von 60 MPa zu verpreßt. Die Steine haben nach dem Abbrand im Tunnelofen bei PK folgende Werte:

SiC-Gehalt	52,3%
Kaltdruckfestigkeit	96,4MPa
Offene Porosität	17,8%
Rohdichte	2,69 g/cm³
Druckfeuerbeständigkeit, Ta	>1700'C

Ausführungsbeispiel 5 In einem Gegenstromschnellmischer werden

35 Ma.-% Siliciumcarbid, Kornfraktion 1 bis 2,5 mm 28 Ma.-% Siliciumcarbid, Kornfraktion 0,1 bis 1 mm 12Ma.-% Siliciumcarbid, Kornfraktion <0,3mm 6Ma.-% feuerfester Bindeton und 14 Ma.-% feingemahlene Tonerde mit einem a-AljOj-Anteil zwischen 85 und 95 %

rocken vorgemischt. Anschließend werden 5 Ma.-% Kieselsol mit einem SiOj-Antell von 30% untermischt und die fertige Masse auf einer hydraulischen Presse mit einem spezifischen Preßdruck von 60 MPa verpreßt. Die Formlinge werden nach dem Trocknen in einem Tunnetofen bei einem Kegelfallpunkt von PK146 gesintert. Folgende Güteparameter werden erhalten:

SiC-Gehalt	72,3%
Kaltdruckfestigkeit	103,6MPa
Offene Porosität	15,4%
Rohdichte	2,68 g/cm³
Druckfeuerbeständigkeit,TA	>1700^cC

Ausführungsbelsplel β Wie in Ausführungsbeispiel 1 werden

35 Ma.-% Siliciumcarbid, Kornfraktion 1 bis 2,5 mm 30 Ma.-% Siliciumcarbid, Kornfraktion 0,1 bis 1 mm 7 Ma.-% Siliciumcarbid, Kornfraktion < 0,3 mm 5Ma.-% feuerfester Bindeton 4 Ma.-% pyrogene Kieselsäure in Form des Anfallproduktes der Ferrosiliciumproduktion mit den im

Ausführungsheispiel 2 beschriebenen Eigenschaften

15 Ma.-% feingemahlene Tonerde mit einem Ci-AI₂O₃-An' ΛΙ zwischen 85 und 95 %

und 4 Ma.-% FeSi 95 nach TGL6782 (durchschnittlicher Eisengehalt um 0,5%), aufgemahlen auf einen Siebrückstand

von 50,2 % auf dem 0,04 mm Sieb

mit Tonschlicker gemischt, verpreßt und bei einem Kegelfallpunkt um PK146 gesintert. Die Steinqualität hat folgende Gütewerto:

SiC-Gehalt	65,2%
Kaltdruckfestigkeit	125,4MPa
Offene Porosität	16,1%
Rohdichte	2,61 g/cm*
Druckfeuerbeständigkeit, Ta	> 1700 "C

Claims

Siliciumcarbid-Steine mit hoher thermischer und mechanischer Beständigkeit auf der Basis einer Masse von 60 bis 90 Ma.-%grob- und mittelkörnigem Siliciumcarbid, 5 bis 20 Ma.-% feinkörnigem Siliciumcarbid und 2 bis 15 Ma.-% plastischem Bindemittel in Form von geschlämmtem Kaolin und/ oder feuerfestem Bindeton und bei denen der Erzeugnisbrand bei einem Kegelfallpunkt von vorzugsweise bei PK146 bis PK156 erfolgt, gekennzeichnet dadurch, daß zusätzlich

0₍5bis8Ma.-% pyrogene Kieselsäure in Form des Anfallproduktes der

Entstaubungsanlage der Ferrosiliciumproduktion und/oder 1,5bis6Ma.-% Kieselsol mit einem SiO₂-Anteil von 30%
2,0 bis 25 Ma.-% feingemahleneTonerde mit einem a-AI₂O₃-Anteil zwischen 85 und 95 % und 0bis4Ma.-% feinkörniges Silicium

enthalten sind.

Anwendungsgebiet der Erfindung

Diese Erfindung betrifft Siliciumcarbid-Steine mit hoher thermischer und mechanischer Beständigkeit für die Zustellung von pyrotechniechen Anlagen mit Formsteinausmauerung.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Bekannt sind Siliciumcarbid-Steine für Feuerfestzwecke auf Basis verschiedener Siliclumcarbld-Körnungen, wobei als Bindemittel für die Preßmasse feuerfester Bindeton eingesetzt wird. Dabei werden die Siliciumcarbid-Körnungen mit dem feuerfesten Bindeton unter Zugabe von Tonschlicker zum Einstellen der Preßfeuchte gemischt und die Preßmasse auf hydraulischen oder Spindelpressen abgeformt. Nach dem Trocknen werden die Formlinge in Tunnel- oder Ringöfen bei einem Kegelfallpunkt um PK146 bei oxidierenden Bedingungen gesintert.

Diese Erzeugnisse besitzen nur geringe Kaltdruckfestigkeiten und ungenügende thermische Eigenschaften. Außerdem Ist das Siliciumcarbid nicht gegen die Umsetzung zu SiO₂ geschützt und bei Einsatz unter oxidierenden Bedingungen erfolgt durch diese Reaktion eine schnelle Herabsetzung der mechanischen Festigkeit und der Wärmeleitfähigkeit. Weiterhin bekannt sind reaktionsgebundene Siliciumcarbld-Feuerfesterzeugnisse, bei denen den Preßmassen Silicium und Kohlenstoff zugegeben werden und der Erzeugnisbrand reduzierend bei unterschiedlichen Bedingungen erfolgt. Die Produkte weisen zwar gute thermomechanische Eigenschaften aus, das Sinterverfahren In reduzierender Atmosphäre muß jedoch bei hohen Temperaturen erfolgen und ist technologisch sehr aufwendig.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, Siliciumcarbid-Steine mit hoher thermischer und mechanischer Beständigkeit mit den In der Feuerfestindustrie üblichen technologischen Schritten einschließlich des Sinterns In oxidierender Atmosphäre herzustellen. Die hohe thermische und mechanische Beständigkeit wird durch sehr gute Kaltdruck- und Heißbiegefestigkeiten und eine hohe Druckfeuerbeständigkeit gewährleistet.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es, die Zusammensetzung von Siliciumcarbid- Steinen zu verändern, um die Zielstellung zu erreichen.

Erfindungsgemäß werden einer Masse zur Herstellung von Siliciumcarbid-Steinen, bestehend aus verschiedenen Siliciumcarbidkörnungen einschließlich einer feinkörnigen Fraktion und plastischem Bindemittel in Form von geschlämmten Kaolin und/oder feuerfestem Bindeton, zusätzlich feingemahlene Tonerde mit einem a-AI₂O₃-Anteil zwischen 85 und 95% und pyrogene Kieselsäure in Form des Anfallproduktes der Entstaubungsanlage der Ferrosiliciumproduktion und/oder Kieselsol mit einem SiO₂-Anteil um 30% sowie gegebenenfalls feinkörniges Silicium zugegeben. Die Masse wird mit Sulfitablauge und Wasser und/oder Tonschlicker auf die gewünschte Preßfeuchte gebracht und nach dem Trockenpreßverfahren auf hydraulischen oder Spindelpressen abgeformt. Die Formlinge werden nach dem Trocknen vorzugsweise bei einem Kegolfallpunkt zwischen PK146 und PK156 gesintert. Das amorphe SiO₂ der pyrogenen Kieselsäure bzw. des Kieselsols reagiert bei Sintertemperatur mit der feingemahlenen Tonerde zu Mullit. Die feingemahlene Tonerde mit einem a-AI₂O₃-Anteil zwischen 85 und 95% ist durch den noch verbleibenden Gehalt an Übergangstonerden einerseits so reaktiv, daß eine gute Mullitausbildung bei Sintertemperatur gewährleistet ist. Andererseits ist der 0.-AI₂O₃-AnIeII Jedoch so hoch, daß die Gefügewerte und Festigkeiten der SiC-Stelne nicht durch Schwindung der Tonerde herabgesetzt werden. Ein Teil des feinkörnigen Siliciumcarbide der Masse oder das gegebenenfalls zugegebene Silicium wird beim Sintern oxidiert. Durch das SiO₂ in statu nascendi wird die Mullitausbildung zusätzlich verstärkt. Die sich ausbildende Mullitbindematrix verleiht dem Stein ein dichtes Gefüge, hohe Kaltdruck· und Heißbiegefestigkeiten sowie eine gute Druckfeuerbeständigkeit. Außerdem wird das Siliciumcarbid