DE102006053155B4

DE102006053155B4 - Offenporiger Keramikschaum sowie dessen Verwendung

Info

Publication number: DE102006053155B4
Application number: DE200610053155
Authority: DE
Inventors: Reinhard Dr. Stötzel; Andreas Marpert; Ulrich Kopp; André Gerhards
Original assignee: Luengen As GmbH; AS Luengen GmbH and Co KG
Current assignee: Luengen As GmbH; AS Luengen GmbH and Co KG
Priority date: 2006-11-10
Filing date: 2006-11-10
Publication date: 2009-05-07
Anticipated expiration: 2026-11-11
Also published as: DE102006053155A1; WO2008055707A1

Abstract

Offenporiger Keramikschaum, wobei der Keramikschaum einen Anteil von zumindest 30 Gew.-% Enstatit umfasst.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen offenporigen Keramikschaum. Der erfindungsgemäße Keramikschaum ist zur Herstellung von Filtern zum Filtrieren schmelzflüssiger Leicht- und Buntmetalle geeignet.
Offenporige Keramikschäume zur Herstellung von Filtern zum Filtrieren schmelzflüssiger Leichtmetalle sind im Stand der Technik bekannt. Derartige Keramikschäume werden in der Regel hergestellt, indem zunächst eine abbrennbare Schaumstruktur, üblicherweise eine organische Schaumstruktur wie beispielsweise ein Polyurethanschaum, mit einer wässrigen, Bestandteile zur Ausbildung einer Keramik enthaltenden Suspension imprägniert wird. Danach wird die imprägnierte Schaumstruktur von überschüssiger Suspension befreit, zur Entfernung von Wasser getrocknet und anschließend bei einer Temperatur kalziniert, bei welcher die Schaumstruktur verbrennt und die auf der Schaumstruktur abgeschiedenen Bestandteile der Suspension zu einer Keramik zusammensintern.
Geformte Filter aus offenporigen Keramikschäumen können auf direktem oder indirektem Wege hergestellt werden. Bei der Herstellung von geformten Filtern aus Keramikschäumen auf direktem Wege werden in das wie vorstehend beschriebene Verfahren abbrennbare Schaumstrukturen eingesetzt, welche Form und Abmessungen des gewünschten Filters aufweisen. Bei der Herstellung auf indirektem Wege wird aus einer Lage eines offenporigen Keramikschaums ein entsprechendes Stück ausgeschnitten und dieses zu einem Filter gewünschter Form verarbeitet. Die Herstellung entsprechender Filter auf indirektem Wege erfordert in der Regel daher eine gewisse Flexibilität des verwendeten Keramikschaums.
US 3,524,548 A beschreibt einen starren Filter zur Entfernung eingeschlossener Festkörper aus geschmolzenem Aluminium, wobei der Filter im Wesentlichen aus einer geformten, gebrannten Mischung aus

a) feuerbeständigen, geschmolzenem Aluminium widerstehenden Partikeln, die einen mittleren maximalen Durchmesser von ungefähr 0,165 mm bis ungefähr 2,8 mm aufweisen, und
b) 4 bis 20 Gew.-% eines vorgeschmolzenen glasartigen Materials, bezogen auf das Gesamtgewicht der gebrannten Mischung, wobei das Material im Wesentlichen aus 15 bis 80 Gew.-% Boroxid, 5 bis 50 Gew.-% Calciumoxid, 2 bis 60 Gew.-% Aluminiumoxid und nicht mehr als 10 Gew.-% Siliziumoxid gebildet ist;

GB 1,428,437 A betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Filtermediums einer bestimmten Güte, Schüttdichte sowie einer bestimmten Porosität. Das Verfahren umfasst

– das Zusammenmischen von 100 Gew.-Teilen aggregierter Teilchen von geschmolzener Tonerde, gesinterter Tonerde, Siliziumcarbid und/oder Siliziumnitrid, 5 bis 18 Gew.-Teilen eines anorganischen Bindematerials mit einer chemischen Zusammensetzung von 10 bis 50 Gew.-% SiO₂ und von 5 bis 20 Gew.-% B₂O₃, wobei zumindest 70 Gew.-% des anorganischen Bindematerials nicht glasartig sind, sowie 3 bis 15 Gew.-Teilen einer brennbaren Substanz;
– Kneten der Mischung mit einem zusammenbackenden Material und Wasser;
– Formen der gekneteten Mischung;
– Trocknen des geformten Materials und
– Kalzinieren desselben bei einer Temperatur von > 1100°C.

EP 0 388 010 A1 beschreibt offenporige keramische Filter zur Filtration schmelzflüssiger Leichtmetalle, wobei der zelluläre Körper aus einer Zusammensetzung gebildet ist, die zumindest ein Flussmittel für ein Leichtmetall enthält.
EP 0 507 463 A2 beschreibt einen aus einem vernetzten Schaum bestehenden Filter zum Filtrieren schmelzflüssiger Leichtmetalle, wobei der vernetzte Schaum aus einer Graphit, Wollastonit, Kieselsäure und einer ein Alkaliphosphatglas enthaltenden Zusammensetzung gebildet ist, wobei der vernetzte Schaum 20 bis 80 Gew.-% Graphit, 1 bis 10 Gew.-% Wollastonit, 1 bis 20 Gew.-% Kieselsäure und 1 bis 10 Gew.-% Alkaliphosphatglas enthält.
DE 101 02 865 A1 beschreibt offenzellige keramische Schaummonolithe als Katalysatorträger und Verfahren zu ihrer Herstellung, wobei ein offenzelliger Polymerschaum mit einem Schlicker imprägniert und der so erhaltene Grünkörper getrocknet und dann an Luft bei Temperaturen bis 2000°C getempert wird, wobei Wasser und alle anorganischen Bestandteile des Grünkörpers als flüchtige Gase entfernt werden und die anorganischen Bestandteile des Schlickers durch chemische Reaktion miteinander eine oder mehrere neue Phasen bilden
Den im Stand der Technik beschriebenen offenporigen Keramikschäumen zur Herstellung von Filtern zum Filtrieren schmelzflüssiger Leichtmetalle ist gemein, dass sie eine verhältnismäßig geringe Flexibilität aufweisen. Aufgrund der verhältnismäßig geringen Flexibilität der bekannten Keramikschäume lassen sich diese nicht oder nur besonders kostenaufwendig auf indirektem Wege zu geformten Filtern verarbeiten.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, einen offenporigen Keramikschaum zur Herstellung von Filtern zum Filtrieren schmelzflüssiger Leichtmetalle bereitzustellen, der eine verhältnismäßig hohe Flexibilität aufweist und somit wirtschaftlich auf indirektem Wege zu geformten Filtern verarbeitbar ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen offenporigen Keramikschaum gelöst, der einen Anteil von zumindest 30 Gew.-% Enstatit umfasst.
Der vorstehend genannte erfindungsgemäße offenporige Keramikschaum weist eine verhältnismäßig hohe Flexibilität auf, so dass er fertigungstechnisch einfach und damit kostengünstig auf indirektem Wege zu geformten Filtern verarbeitet werden kann.
Darüber hinaus wurde überraschenderweise aufgefunden, dass sich der erfindungsgemäße offenporige Keramikschaum durch eine verhältnismäßig hohe Temperaturstabilität auszeichnet, so dass entsprechende Filter nicht nur zum Filtrieren schmelzflüssiger Leichtmetalle, sondern auch zum Filtrieren von Buntmetallen sowie Legierungen von Leicht-, Bunt- und von Leicht- mit Buntmetallen geeignet sind.
Aufgrund der verhältnismäßig hohen Erweichungstemperatur des erfindungsgemäßen Keramikschaums weisen unter Verwendung des erfindungsgemäßen Schaums hergestellte Filter beim Filtrieren von Leichtmetallen und deren Legierungen eine größere Prozesssicherheit auf.
Bevorzugt ist der erfindungsgemäße Keramikschaum zur Herstellung von Filtern zum Filtrieren schmelzflüssiger Leicht- und Buntmetalle geeignet.
Bevorzugt ist es, wenn der Keramikschaum einen Anteil von 30 bis 50 Gew.-% Enstatit umfasst. In diesem Bereich zeichnet sich der erfindungsgemäße Keramikschaum durch eine besonders hohe Flexibilität bei gleichzeitig hoher Festigkeit aus.
Ferner kann es bevorzugt sein, wenn der Keramikschaum einen Anteil von bis zu 30 Gew.-% Quarz umfasst, vorzugsweise einen Anteil von 5 bis 25 Gew.-% und bevorzugt einen Anteil von 10 bis 20 Gew.-%. Durch einen entsprechenden Anteil an Quarz wird die Festigkeit des erfindungsgemäßen Schaums deutlich erhöht.
Besonders bevorzugt ist es, wenn der Keramikschaum einen SiO₂-Gehalt von 50 bis 60 Gew.-%, einen Al₂O₃-Gehalt von 10 bis 20 Gew.-% und einen MgO-Gehalt von 20 bis 30 Gew.-% aufweist.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen offenporigen Keramikschaums enthält der Keramikschaum die Anteile an SiO₂, MgO und gegebenenfalls Al₂O₃ in Form einer gesinterten Mischung von Talk, Kieselsäure und Kaolinit. Dadurch wird eine erhöhte Dimensionsstabilität des erfindungsgemäßen Keramikschaums bei hohen Temperaturen gewährleistet.
Entsprechend einer weiter bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Keramikschaums enthält der Keramikschaum 0,2 bis 2,0 Gew.-% Eisen. Dabei kann das Eisen in dem Keramikschaum in metallischer und/oder oxidischer Form enthalten sein.
Es kann vorgesehen sein, dass der erfindungsgemäße Keramikschaum 0,1 bis 1,5 Gew.-% CaO enthält.
Weiter kann es bevorzugt sein, wenn der erfindungsgemäße Keramikschaum 0,1 bis 1,5 Gew.-% Na₂O enthält.
Darüber hinaus kann es bevorzugt sein, wenn der erfindungsgemäße Keramikschaum 0,3 bis 3,0 Gew.-% K₂O enthält.
Ferner kann es gemäß einer weiter bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Keramikschaums vorgesehen sein, dass dieser in schmelzflüssigem Leicht- und Buntmetall aufschwimmt.
Der erfindungsgemäße Keramikschaum kann mittels einer wässrigen Suspension umfassend einen Talk, eine Kieselsäure sowie ein Kaolinit hergestellt werden.
Um unter anderem eine gute Verarbeitbarkeit der wässrigen Suspension zu gewährleisten, enthält die wässrige Suspension 20 bis 60 Gew.-% Talk, 3 bis 40 Gew.-% Kieselsäure sowie 3 bis 30 Gew.-% Kaolinit.
Ferner kann es vorgesehen sein, dass der in die Suspension einzusetzende Talk eine mittlere Körnung D50 von 1 bis 200 μm aufweist, vorzugsweise eine von 20 bis 80 μm. Bei dem Einsatz von Talk einer entsprechenden mittleren Körnung D50 weist die Suspension eine verhältnismäßig hohe Stabilität und damit eine gute Verarbeitbarkeit auf.
Ferner kann der Talk eine Schmelztemperatur im Bereich von 1100°C bis 1400°C aufweisen. Der Einsatz eines derartigen Talks bietet die Möglichkeit, den Feststoffanteil der Suspension bei einer verhältnismäßig hohen Temperatur zu kalzinieren, was die Ausbildung eines festen keramischen Gefüges begünstigt.
Um aus der Suspension einen Formkörper mit einer möglichst hohen Festigkeit zu erhalten, kann es vorgesehen sein, dass die Kieselsäure in Form eines Kieselsols oder einer Kieselsäuredispersion eingesetzt ist.
Ferner kann es bevorzugt sein, wenn die Kieselsäure eine spezifische Oberfläche von 30 bis 300 m²/g aufweist. Dadurch erhält ein aus der Suspension hergestellter Formkörper beim Kalzinieren ein besonders festes keramisches Gefüge.
Außerdem kann es vorgesehen sein, dass die einzusetzende Kieselsäure einen Feststoffgehalt von 20 bis 50 Gew.-% aufweist.
Ferner kann es vorgesehen sein, wenn das Kaolinit eine Schmelztemperatur im Bereich von 1200°C bis 1600°C aufweist. Dadurch ist die Möglichkeit gegeben, einen aus der Suspension hergestellten Formkörper bei verhältnismäßig hoher Temperatur zu kalzinieren und so ein sehr festes keramisches Gefüge zu erhalten.
Es kann bevorzugt sein, wenn die Suspension ein Bindemittel enthält, vorzugsweise mit einem Anteil von bis zu 10 Gew.-% bezogen auf das Gesamtgewicht der Suspension. Dadurch kann die Entwicklung der Grünfestigkeit von imprägnierten Schaumstrukturen sowie ein Abbinden während eines etwaigen Trocknungsschrittes und im Anfangsstadium des Kalzinierens verbessert werden.
Bevorzugte Bindemittel sind abbrennbare Bindemittel, vorzugsweise ein Kohlenhydratmaterial, insbesondere ein Dextrin, oder ein Polyacrylester. Derartige Bindemittel weisen bezüglich der Suspensionsbestandteile Talk, Kieselsäure und Kaolinit ein sehr gutes Abbindeverhalten auf und verbrennen beim Kalzinieren der imprägnierten Schaumstruktur, so dass sie keinen störenden Einfluss auf das keramische Gefüge ausüben können.
Zur Verbesserung der Verarbeitbarkeit der Suspension kann vorgesehen sein, dass die Suspension ein Fließmittel, vorzugsweise ein Verdickungsmittel, ein Dispergiermittel und/oder einen Entschäumer enthält, vorzugsweise mit einem Anteil von je 0,1 bis 2,0 Gew.-% bezogen auf das Gesamtgewicht der Suspension.
Der erfindungsgemäße offenporige Keramikschaum kann mittels eines Verfahrens hergestellt werden, umfassend die nachfolgenden Schritte:

a) Imprägnieren einer abbrennbaren, offenporigen Schaumstruktur mit einer wässrigen Talk, Kieselsäure sowie Kaolinit enthaltenden erfindungsgemäßen Suspension;
b) gegebenenfalls Entfernen von überschüssiger Suspension von der Schaumstruktur;
c) gegebenenfalls Trocknen der mit Suspension imprägnierten Schaumstruktur;
d) Kalzinieren der mit Suspension imprägnierten Schaumstruktur bei einer Temperatur, bei welcher die Schaumstruktur abbrennt und bei welcher der Talk, die Kieselsäure sowie der Kaolinit zusammensintern.

Das Imprägnieren der abbrennbaren offenporigen Schaumstruktur kann dabei beispielsweise durch Eintauchen der Schaumstruktur in die entsprechende Suspension erfolgen. Alternativ oder zusätzlich dazu kann die Imprägnierung erfolgen, indem die Suspension auf die Schaumstruktur aufgesprüht wird.
Ist die Schaumstruktur aus einem verhältnismäßig starren Material gebildet, so wird etwaige überschüssige Suspension vorzugsweise durch Ausblasen der Schaumstruktur von derselben entfernt. Ist hingegen die Schaumstruktur aus einem verhältnismäßig flexiblen Material gebildet, so ist es bevorzugt, wenn etwaige überschüssige Suspension durch Abquetschen von der Schaumstruktur entfernt wird.
Um einen offenporigen Keramikschaum mit einer möglichst hohen Festigkeit zu erhalten, kann vorgesehen sein, dass die mit Suspension imprägnierte Schaumstruktur bei einer Temperatur von 900°C bis 1300°C kalziniert wird, vorzugsweise bei einer Temperatur von 1050°C bis 1150°C.
Die Erfindung betrifft ferner die Verwendung des erfindungsgemäßen Keramikschaums zur oder bei der Herstellung eines Filters, insbesondere eines Filters zum Filtrieren schmelzflüssiger Leicht- und Buntmetalle.
Das nachfolgende Ausführungsbeispiel dient der Erläuterung der Erfindung.
Beispiel
Zunächst wurde eine wässrige Aufschlämmung als Suspension der folgenden Zusammensetzung hergestellt:

Kieselsäure (als Kieselsol) 25,00 Gew.-%

Talk 44,00 Gew.-%

Kaolinit 11,00 Gew.-%

Dispergiermittel 0,50 Gew.-%

Temporärer Binder 0,80 Gew.-%

Wasser 18,70 Gew.-%
Ein Stück aus einer Lage vernetzten offenporigen Polyurethanschaums mit einer Dicke von 22 mm und mit 395 Poren/m (= 10 ppi) wurde als abbrennbare Schaumstruktur mit der Aufschlämmung imprägniert und überschüssige Aufschlämmung durch Abquetschen von dem Polyurethanschaum entfernt. Danach wurde das Stück Polyurethanschaum eine Stunde bei 120°C getrocknet.
Nach der Trocknung wurde das Stück Polyurethanschaum mittels einer Sprühanlage von einer Seite mit der oben genannten Aufschlämmung in um 30% verdünnter Form nochmals imprägniert und 30 Minuten lang bei 120°C getrocknet.
Der vorgenannte Sprühvorgang wurde auf der anderen Seite des Stückes Polyurethanschaums wiederholt und anschließend der beschichtete Polyurethanschaum wiederum 30 Minuten lang bei 120°C getrocknet.
Danach wurde der beschichtete Schaum zwei Stunden lang bei 1050°C gebrannt.
Der so erhaltene offenporige Keramikschaum wies eine verhältnismäßig hohe Flexibilität sowie eine sehr hohe Temperaturbeständigkeit auf. Die Zusammensetzung der Keramik des Keramikschaums wurde bestimmt zu:

Komponente Anteil [Gew.-%]

SiO₂ 55,6

Al₂O₃ 14,4

Fe₂O₃ 1,4

CaO 0,8

MgO 24,2

Na₂O 0,6

K₂O 1,3
Die Eignung des erhaltenen Keramikschaums als Filter zum Filtrieren von schmelzflüssigen NE-Metallen wurde anhand von zwei verschiedenen Prüfmethoden beurteilt:
a) Gießtest Säule
Flüssiges Aluminium wurde über ein 500 mm hohes Rohr mit einem Durchmesser von 50 mm auf die wie vorstehend beschrieben erhaltenen Keramikschäume als Filter gegossen (analoger Versuchsaufbau, wie in der CA 2007450 A1 beschrieben). Die Filter wurden als gut beurteilt, wenn sie unter der Wirkung des flüssigen Metalls keine Zerfallserscheinungen zeigten.
Die ermittelten Ergebnisse sind nachfolgend tabelliert:

Medium Filter Gewicht [g] Gießzeit [s] Gießgewicht [kg] Beurteilung

Al 75 × 100 × 22 mm/10 ppi 47,2 26 35 gut

Al 75 × 100 × 22 mm/10 ppi 47,5 21 35 gut
b) Gießtest am realen Gussstück
Zur Verifizierung der erhaltenen Versuchsergebnisse unter a) wurden darüber hinaus Versuche mit den Filtern am realen Gussstück in einer Aluminiumgießerei durchgeführt.

Die ermittelten Ergebnisse sind nachfolgend tabelliert:

Medium	Filter	Gewicht [g]	Gießzeit [s]	Gießgewicht [kg]	Beurteilung
Al	75 × 100 × 22 mm/10 ppi	47,6	19	30	gut
Al	75 × 100 × 22 mm/10 ppi	48,1	18	30	gut
Al	75 × 100 × 22 mm/10 ppi	47,3	17	30	gut
Al	75 × 100 × 22 mm/10 ppi	48,5	20	30	gut

c) Gießtest Säule mit Rotguss
Ein flüssiger Rotguss (RG7 (CuSn7 ZnPb) (DIN 1705)) wurde bei einer Gießtemperatur von 1160°C über ein 500 mm langes Rohr mit einem Durchmesser von 50 mm auf die wie vorstehend beschrieben erhaltenen Keramikschäume als Filter gegossen. Die Filter wurden als gut beurteilt, wenn sie unter der Wirkung des flüssigen Metalls keine Zerfallserscheinungen zeigten.
Die ermittelten Ergebnisse sind nachfolgend tabelliert:

Medium Filter Gießzeit [s] Gießgewicht [kg] Beurteilung

Rotguss Gießtemperatur 1160°C 50 × 50 × 20 mm/10 ppi 32 80 gut

Rotguss Gießtemperatur 1160°C 50 × 50 × 20 mm/10 ppi 31 80 gut

Claims

Offenporiger Keramikschaum, wobei der Keramikschaum einen Anteil von zumindest 30 Gew.-% Enstatit umfasst.
Keramikschaum nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Keramikschaum einen Anteil von 30 bis 50 Gew.-% Enstatit umfasst.
Keramikschaum nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Keramikschaum einen Anteil von bis zu 30 Gew.-% Quarz umfasst.
Keramikschaum nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Keramikschaum einen SiO₂-Gehalt von 50 bis 60 Gew.-%, einen Al₂O₃-Gehalt von 10 bis 20 Gew.-% und einen MgO-Gehalt von 20 bis 30 Gew.-% aufweist.
Keramikschaum nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Keramikschaum die Anteile an SiO₂, MgO und gegebenenfalls Al₂O₃ in Form einer gesinterten Mischung von Talk, Kieselsäure und Kaolinit enthält.
Keramikschaum nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Keramikschaum 0,2 bis 2,0 Gew.-% Eisen enthält.
Keramikschaum nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Keramikschaum 0,1 bis 1,5 Gew.-% CaO enthält.
Keramikschaum nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Keramikschaum 0,1 bis 1,5 Gew.-% Na₂O enthält.
Keramikschaum nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Keramikschaum 0,3 bis 3,0 Gew.-% K₂O enthält.
Keramikschaum nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Keramikschaum in schmelzflüssigem Leicht- und Buntmetall aufschwimmt.
Verwendung eines Keramikschaums nach einem der Ansprüche 1 bis 10 zur oder bei der Herstellung eines Filters.