DE102012200967A1

DE102012200967A1 - Speiser und formbare Zusammensetzung zu deren Herstellung enthaltend kalzinierte Kieselgur

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Publication number: DE102012200967A1
Application number: DE201210200967
Authority: DE
Inventors: Ulrich Recknagel; Rolf Stöcklein; Wolfgang Seelbach; Ulrich Lanver
Original assignee: Chemex GmbH
Current assignee: Chemex GmbH
Priority date: 2012-01-24
Filing date: 2012-01-24
Publication date: 2013-07-25

Abstract

Beschrieben wird die Verwendung kalzinierter Kieselgur, vorzugweise einer imprägnierten kalzinierten Kieselgur, als Formstoffkomponente in einer formbaren Zusammensetzung für die Herstellung von Speisern bzw. Speiserbauteilen für die Gießereiindustrie nach dem Polyurethan-Cold-Box-Verfahren.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft die Verwendung kalzinierter Kieselgur als Formstoffkomponente in einer formbaren Zusammensetzung für die Herstellung von Speisern bzw. Speiserbauteilen für die Gießereiindustrie, eine entsprechende formbare Zusammensetzung und ihre Herstellung sowie einen Speiser bzw. ein Speiserbauteil für die Gießereiindustrie und dessen Herstellung sowie zur Verringerung ihres Wasseraufnahmevermögens imprägnierte kalzinierte Kieselgur und Verfahren zu deren Herstellung. Der Begriff ”Speiserbauteil” umfasst dabei im Rahmen des vorliegenden Textes sowohl Speiserumhüllungen, Speisereinsätze und Speiserkappen als auch Heizkissen.
Bei der Herstellung von metallischen Formteilen in der Gießereiindustrie wird flüssiges Metall in eine Gießform eingefüllt und erstarrt dort. Der Erstarrungsvorgang ist mit einer Verringerung des Metallvolumens verbunden; und es werden deshalb regelmäßig Speiser in oder an der Gießform eingesetzt, um das Volumendefizit bei der Erstarrung des Gussstücks auszugleichen und so eine Lunkerbildung im Gussstück zu verhindern. Die Speiser sind mit dem Gussstück bzw. mit dem gefährdeten Gussstückbereich verbunden und befinden sich für gewöhnlich oberhalb und/oder an der Seite des Formhohlraums.
Hinsichtlich der bisher bekannten Zusammensetzungen zur Herstellung von Speisern für die Gießereiindustrie werden zwei Hauptgruppen unterschieden:

A. Isoliermassen, d. h. formbare und härtbare Zusammensetzungen (Massen) zur Herstellung von wärmeisolierenden Speiserumhüllungen oder Isolierkissen bzw. -taschen. Die (gehärtete) Isoliermasse nimmt beim Abgießen der Form zuerst etwas Wärme aus dem flüssigen Metall auf, bis sich ein Temperaturausgleich einstellt; von diesem Zeitpunkt an schützt die Isoliermasse das flüssige Gießmetall für eine gewisse Zeit gegen weitere Wärmeverluste. Aus Isoliermassen geformte Speiser oder Isoliertaschen verzögern somit den Erstarrungsbeginn und fördern die Dichtspeisung eines Gussstücks. Isoliermassen umfassen regelmäßig mindestens eine partikulare Formstoffkomponente und ein Bindemittel.
B. Exotherme Speiserheizmassen, d. h. form- und härtbare exotherme Zusammensetzungen (Massen), die sich durch eine aluminothermische oder ähnliche Reaktion während des Abgießens der Form selbst erwärmen. Aus exothermen Speiserheizmassen (auch exotherme Formstoffe genannt) lassen sich Speiser herstellen, die in die Form eingesetzt werden und in Berührung mit der Schmelze Wärme erzeugen können. Die Wärmeabgabe erfolgt dabei aufgrund der aluminothermischen oder ähnlichen Umsetzungsreaktion in der Heizmasse. Die frei werdende Wärme dient in Ausnahmefällen zur Aufheizung des flüssigen Metalls im Speiser, in jedem Falle aber zur (teilweisen) Kompensation der Wärmeverluste. Bei Verwendung von Speisern mit exothermen Heizmassen bleibt das Metall im Vergleich zu Speisern auf der Basis von Isoliermassen (siehe oben A) länger flüssig. Man kann deshalb die Dichtspeisung eines Gussstücks verbessern und gegebenenfalls kleinere Speiser verwenden, so dass der Kreislaufanteil gesenkt und das Gussausbringen erhöht wird. Exotherme Speiserheizmassen sind aber deutlich teurer als Isoliermassen. Exotherme Speiserheizmassen umfassen regelmäßig mindestens eine partikulare Formstoffkomponente, ein Bindemittel, einen relativ hohen Anteil an einem oxidierbaren Metall sowie ein Oxidationsmittel für das oxidierbare Metall (z. B. Kalium- oder Natriumnitrat). Das oxidierbare Metall ist vorzugsweise ein unedles Metall. Bevorzugt ist das oxidierbare Metall ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Aluminium, Magnesium, Calcium und Silicium.

Aus der DE 10 2005 025 771 ist ein isolierender Speiser umfassend keramische Hohlkugeln, Glas-Hohlkugeln mit einer Schüttdichte von weniger als 0,3 g/cm³, gehärtetes Bindemittel und gegebenenfalls Fasermaterial bekannt. Das Gewichtsverhältnis von keramischen Hohlkugeln zu Glas-Hohlkugeln liegt dabei im Bereich von 1:1 bis 10:1, vorzugsweise im Bereich von 2:1 bis 6:1, und die Gesamtmenge von Glas-Hohlkugeln und keramischen Hohlkugeln liegt im Bereich von 40 bis 80 Gew.-%, vorzugsweise im Bereich von 40 bis 60 Gew.-%, bezogen auf die Gesamtmasse des Speisers. Gegebenenfalls enthält der Speiser gemäß DE 10 2005 025 771 weitere Formstoffkomponenten.
Für den Einsatz in Speisern bzw. Speiserbauteilen geeignete Hohlkugeln sind nicht uneingeschränkt verfügbar. Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Formstoffkomponente anzugeben, die in einer formbaren Zusammensetzung für die Herstellung von Speisern bzw. Speiserbauteilen für die Gießereiindustrie als Ersatz für die derzeit vorwiegend verwendeten Hohlkugeln dienen kann, sowie eine entsprechende formbare Zusammensetzung und einen entsprechenden Speiser bzw. ein entsprechendes Speiserbauteil bereitzustellen. Durch den Ersatz der Hohlkugeln sollte weder die Isolierwirkung noch die Festigkeit des Speisers beeinträchtigt werden. Die Formstoffkomponente sollte daher die folgenden primären Anforderungen erfüllen:

– thermische Stabilität auch bei Temperaturen von mehr als 1300°C, vorzugsweise bei Temperaturen von mehr als 1400°C;
– ausreichende mechanische Stabilität auch bei Temperaturen von mehr als 1300°C, vorzugsweise bei Temperaturen von mehr als 1400°C;
– geringe oder keine Staubanhaftung;
– Schüttdichte unter 800 g/Liter;
– Wärmeleitfähigkeit unterhalb vom 0,15 W/mK bei 100°C und unterhalb von 0,5 W/mK bei 1000°C.

Darüber hinaus soll die Formstoffkomponente sowohl für isolierende als auch für exotherme Speiser bzw. Speiserbauteile geeignet sein.
Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Verwendung von kalzinierter Kieselgur, vorzugweise einer zur Verringerung ihres Wasseraufnahmevermögens imprägnierten kalzinierten Kieselgur, als Formstoffkomponente in einer formbaren Zusammensetzung für die Herstellung von Speisern bzw. Speiserbauteilen für die Gießereiindustrie nach dem Polyurethan-Cold-Box-Verfahren.
Die vorliegende Erfindung betrifft außerdem

– einen Polyurethan-Cold-Box-gebundenen Speiser bzw. ein Polyurethan-Cold-Box-gebundenes Speiserbauteil zur Verwendung in der Gießereiindustrie,
– eine formbare Zusammensetzung für die Herstellung von Speisern bzw. Speiserbauteilen für die Gießereiindustrie nach dem Polyurethan-Cold-Box-Verfahren,
– ein Verfahren zur Herstellung einer formbaren Zusammensetzung für die Herstellung von Speisern bzw. Speiserbauteilen für die Gießereiindustrie nach dem Polyurethan-Cold-Box-Verfahren,
– ein Verfahren zur Herstellung eines Speisers oder Speiserbauteils für die Gießereiindustrie,
– zur Verringerung ihres Wasseraufnahmevermögens imprägnierte kalzinierte Kieselgur als Formstoffkomponente zur Herstellung von Polyurethan-Cold-Box-gebundenen Speisern bzw. Speiserbauteilen für die Gießereiindustrie, sowie ein Verfahren zu deren Herstellung.

Ein erfindungsgemäßer Polyurethan-Cold-Box-gebundener Speiser bzw. ein erfindungsgemäßes Polyurethan-Cold-Box-gebundenes Speiserbauteil zur Verwendung in der Gießereiindustrie umfasst

(a) kalzinierte Kieselgur,
(b) gehärtetes Polyurethan-Cold-Box-Harz,
(c) optional Fasermaterial,
(d) gegebenenfalls eine oder mehrere weitere Formstoffkomponenten,
(e) optional (für exotherme Speiser bzw. exotherme Speiserbauteile) (e1) ein oder mehrere oxidierbare Metalle und (e2) ein oder mehrere Oxidationsmittel für das bzw. die oxidierbaren Metalle.

Eine erfindungsgemäße formbare Zusammensetzung für die Herstellung von Speisern bzw. Speiserbauteilen für die Gießereiindustrie umfasst

(a) kalzinierte Kieselgur, wobei bezogen auf die Gesamtmasse der formbaren Zusammensetzung der Anteil dieser kalzinierten Kieselgur bevorzugt im Bereich von 20 bis 50 Gew.-%, besonders bevorzugt vorzugsweise 20 bis 30 Gew.-% liegt,
(b) Polyurethan-Cold-Box-Bindemittelkomponenten,
(c) optional Fasermaterial,
(d) gegebenenfalls eine oder mehrere weitere Formstoffkomponenten,
(e) optional (für exotherme Speiser bzw. exotherme Speiserbauteile) (e1) ein oder mehrere oxidierbare Metalle (wie Aluminium, Magnesium oder Silicium) und (e2) ein oder mehrere Oxidationsmittel für das bzw. die oxidierbaren Metalle.

Vorzugsweise beträgt der Anteil der Komponenten (a) sowie (c), (d) und (e) an der erfindungsgemäßen formbaren Zusammensetzung 65 Gew.-% oder mehr.
In einer besonders bevorzugten Variante umfasst eine erfindungsgemäße formbare Zusammensetzung für die Herstellung von exothermen Speisern bzw. Speiserbauteilen für die Gießereiindustrie

(a) 20 bis 30 Gew.-% kalzinierte Kieselgur,
(b) 10 bis 20 Gew.-% Polyurethan-Cold-Box-Bindemittelkomponenten,
(d) 15 bis 25 Gew.-% weitere Formstoffkomponenten,
(e1) 25 bis 35 Gew.-% eines oxidierbaren Metalls, z. B. in Form von Aluminiumgrieß,
(e2) 5 bis 10 Gew.-% Eisenoxid und 10 bis 20 Gew.-% weiterer Oxidationsmittel,

Kieselgur, auch als Diatomeenerde oder Terra silicea bezeichnet, ist ein sehr feinkörniges, lockeres, leichtes, kreideähnliches, meist weißes bis hellgraues, zu den Kieselgesteinen gehörendes Sediment. Der Hauptbestandteil von Kieselgur ist aus den formenreichen Gerüsten mikroskopisch kleiner, seit der Trias in Süß-, Brack- und Salzwasser lebender Diatomeen (Kieselalgen) bzw. Fragmenten dieser Gerüste gebildet. Die Gerüste der Kieselalgen bestehen zum größten Teil aus amorphem Siliciumdioxid in Form von biogenem Opal und weisen eine Struktur umfassend eine Vielzahl feiner Rillen, Vertiefungen, Kanäle u. ä. auf. Daraus resultieren eine geringe Dichte (Kieselgur schwimmt auf Wasser) und ein hohes Aufsaugvermögen für Flüssigkeiten. Daher zeichnet sich Kieselgur durch eine geringe Wärmeleitfähigkeit und eine hohe Filterleistung aus. Als weitere Bestandteile enthält Kieselgur Wasser, organische Beimengungen (z. B. Bitumen) und häufig einen oder mehrere weitere Bestandteile, insbesondere aus der Gruppe bestehend aus Quarz, Calciumcarbonat CaCO₃, Calciummagnesiumcarbonat CaMg(CO₃)₂ und Tonmineralien. Im Rahmen des vorliegenden Textes wird die Gesamtheit (i) der aus den Gerüsten der Diatomeen bzw. den Fragmente dieser Gerüste gebildeten Bestandteile und (ii) der oben erwähnten natürlicherweise je nach Lagerstätte mit diesen vermischten weiteren Bestandteile als Kieselgur bezeichnet. Erfindungsgemäß wird vorzugsweise Kieselgur eingesetzt mit einem Anteil an (i) aus den Gerüsten der Diatomeen bzw. den Fragmenten dieser Gerüste gebildeten Bestandteilen von 80 Gew.-% oder mehr.
Diatomeen schweben im Wasser, sinken nach dem Absterben zu Boden und bilden allmählich dicke Ablagerungen. Durch geologische Veränderungen, wie etwa Bodenerhebungen, gelangten sie an manchen Stellen später an die Erdoberfläche oder in die Nähe der Erdoberfläche und können z. B. im Tagebau abgebaut werden. Die so gewonnene rohe Kieselgur wird üblicherweise zunächst zur Verminderung des Wassergehalts getrocknet und anschließend zur Entfernung organischer Bestandteile kalziniert. Die Kalzinierung erfolgt bei Temperaturen um 750°C. Der Vorgang des Kalzinierens wird auch als „Brennen” oder „Glühen” bezeichnet. Je höher die Temperatur und/oder je länger die Dauer der Kalzinierung, desto härter werden die Diatomeengerüst-Fragmente, und desto ausgeprägter ist die Bildung von Agglomeraten aus durch Sinterbrücken verbundenen Partikeln.
Getrocknete Kieselgur enthält üblicherweise (je nach Lagerstätte) 72 bis 88 Gew.-% Siliciumdioxid (ermittelt durch chemische Analyse), wobei dieser Siliciumdioxid-Anteil sowohl amorphes Siliciumdioxid (Opal) aus den Gerüsten der Diatomeen als auch kristallines Siliciumdioxid, z. B. in Form von Quarz, umfasst. Durch den Glühverlust beim Kalzinieren, der im Bereich von 2 bis 6 Gew.-% der getrockneten Kieselgur liegt, erhöht sich in kalzinierter Kieselgur der Anteil des Siliciumdioxids auf 88 bis 92 Gew.-%. Weitere durch chemische Analyse feststellbare Bestandteile kalzinierter Kieselgur sind Al₂O₃, Fe₂O₃, CaO, MgO, Na₂O und K₂O.
Die erfindungsgemäß einzusetzende kalzinierte Kieselgur besitzt vorzugsweise eine Partikelgrößenverteilung mit einen Anteil von 90 Gew.-% oder mehr, bevorzugt 95 Gew.-% oder mehr mit einer Partikelgröße im Bereich von 0,2 bis 0,8 mm.
Üblicherweise wird bei der Aufbereitung von roher Kieselgur so vorgegangen, dass die Gerüststrukturen der Diatomeen möglichst wenig beeinträchtigt werden, z. B. Hohlräume nicht zerstört und Poren nicht blockiert werden (wie dies z. B. durch beim Kalzinieren ablaufende Sinterprozesse geschehen kann), denn für viele herkömmliche Anwendungen von Kieselgur (z. B. zur Filtration, Isolation und Absorption) ist die Existenz dieser Strukturen eine unverzichtbare Voraussetzung.
Im Gegensatz dazu ist es erfindungsgemäß bevorzugt, dass die kalzinierte Kieselgur gesintert ist. Gesinterte kalzinierte Kieselgur unterscheidet sich von kalzinierter Kieselgur, die nicht gesintert ist, dadurch, dass gesinterte kalzinierte Kieselgur Agglomerate aus durch Sinterbrücken miteinander verbundenen Partikeln enthält, denn während des Sinterprozesses bilden sich zwischen einzelnen Partikeln Kontakte in Form vom Sinterbrücken aus. Vorzugsweise wird durch den Sinterprozess eine Verdichtung (Kompaktierung) der Kieselgur erreicht, so dass sich die Porosität der Kieselgur vermindert. Die Verminderung der Porosität zeigt sich in einem verminderten Wasseraufnahmevermögen der Kieselgur. Die Bestimmung des Wasseraufnahmevermögens von Kieselgur erfolgt üblicherweise mittels der Westinghouse-Methode (siehe unten).
Die Porosität eines Feststoffs korreliert mit seiner Fähigkeit, Flüssigkeiten zu binden. Wird eine Formstoffkomponente umfassend Partikel mit einer hohen Porosität zur Herstellung von Speisern bzw. Speiserbauteilen mit üblichen flüssigen Bindemittelkomponenten, z. B. den Komponenten eines Polyurethan-Cold-Box-Harzes versetzt, so wird ein großer Anteil dieser flüssigen Bindemittelkomponenten von den porösen Partikeln der Formstoffkomponente absorbiert. Dieser absorbierte Anteil der Bindemittelkomponenten steht nicht zur Ausbildung von Bindungen zwischen den Partikeln der Formstoffkomponente zur Verfügung. Daher bedingt eine Formstoffkomponente mit hoher Porosität einen zusätzlichen Bedarf an Bindemittelkomponenten, und führt dadurch zu höheren Kosten.
Erfindungsgemäß bevorzugt umfasst der erfindungsgemäße Speiser bzw. das erfindungsgemäße Speiserbauteil sowie die erfindungsgemäße formbare Zusammensetzung kalzinierte Kieselgur, die herstellbar ist durch thermisches Behandeln von Kieselgur bei einer Temperatur im Bereich von 950 bis 1150°C, vorzugsweise 950 bis 1050°C, oder hergestellt worden ist durch thermisches Behandeln von Kieselgur bei einer Temperatur im Bereich von 950 bis 1150°C, vorzugsweise 950 bis 1050°C. Die Dauer der thermischen Behandlung beträgt vorzugsweise eine Stunde oder mehr, besonders bevorzugt vier Stunden oder mehr, z. B. bis zu acht Stunden. Die thermische Behandlung erfolgt beispielsweise in einem Drehrohrofen oder in einem Kammerofen. Eigene Untersuchungen haben gezeigt, dass durch die bei einer solchen thermischen Behandlung ablaufenden Sinterprozesse die gewünschte Kompaktierung und Reduzierung der Porosität der Kieselgur erreichbar ist.
Für die oben beschriebene thermische Behandlung der Kieselgur stehen zwei alternative Verfahrensweisen zur Verfügung. Entsprechend der ersten Alternative erfolgt die thermische Behandlung im Zuge der Kalzinierung der getrockneten Kieselgur, d. h. getrocknete Kieselgur wird bei einer Temperatur im Bereich von 950 bis 1150°C, vorzugsweise 950 bis 1050°C, kalziniert. Dabei kann der Kalzinierungsprozess selbstverständlich auch Verfahrensstufen umfassen, bei denen die getrocknete Kieselgur einer geringeren Temperatur ausgesetzt ist. Alternativ wird eine Kieselgur, die bei niedrigeren Temperaturen, z. B. bei 750°C kalziniert worden ist, bereitgestellt und wie oben beschrieben bei einer Temperatur im Bereich von 950 bis 1150°C, vorzugsweise 950 bis 1050°C, thermisch behandelt.
Im Verlaufe von Sinterprozessen kommt es zu einer Kompaktierung der Kieselgur, so dass deren Schüttdichte ansteigt. Bevorzugt umfasst der erfindungsgemäße Speiser bzw. das erfindungsgemäße Speiserbauteil sowie die erfindungsgemäße formbare Zusammensetzung kalzinierte Kieselgur, deren Schüttdichte 600 g/Liter oder mehr, bevorzugt 600 g/Liter bis 700 g/Liter, weiter bevorzugt 650 g/Liter bis 700 g/Liter, besonders bevorzugt 670 g/Liter bis 700 g/Liter beträgt.
Es ist zudem bevorzugt, dass die Wärmeleitfähigkeit der in dem erfindungsgemäßen Speiser bzw. Speiserbauteil sowie in der erfindungsgemäßen formbaren Zusammensetzung einzusetzenden kalzinierten Kieselgur im Bereich von 0,14 bis 0,15 W/mK bei einer Probentemperatur von 100°C und/oder im Bereich von 0,25 bis 0,35 W/mK bei einer Probentemperatur von 950°C liegt. Die Wärmeleitfähigkeit wird an einer binderlosen Schüttung (lose Füllung) der kalzinierten Kieselgur nach dem Rohrverfahren gemäß DIN EN ISO 8497 bestimmt.
Hinsichtlich der Wärmeleitfähigkeit weist die in dem erfindungsgemäßen Speiser bzw. Speiserbauteil sowie in der erfindungsgemäßen formbaren Zusammensetzung bevorzugt einzusetzende kalzinierte Kieselgur überraschenderweise vergleichbare Werte auf wie die häufig als partikuläre Formstoffkomponente eingesetzten keramischen Hohlkugeln, die jedoch wie oben erwähnt nicht uneingeschränkt verfügbar sind.
Es ist zudem bevorzugt, dass das Wasseraufnahmevermögen der in dem erfindungsgemäßen Speiser bzw. Speiserbauteil sowie in der erfindungsgemäßen formbaren Zusammensetzung einzusetzenden kalzinierten Kieselgur im nicht imprägnierten Zustand 90 bis 115% beträgt, bestimmt mittels der Westinghouse-Methode. Hinsichtlich des Begriffs „nicht imprägnierter Zustand” wird auf die weiter unten folgenden Ausführungen betreffend eine imprägnierte kalzinierte Kieselgur verwiesen, die eine Imprägnierung aufweist, welche eine Verminderung des Wasseraufnahmevermögens bewirkt. Kalzinierte Kieselgur mit einem Wasseraufnahmevermögen im Bereich von 90 bis 115% ist beispielsweise durch die oben beschriebene thermische Behandlung bei einer Temperatur im Bereich von 950 bis 1150°C, vorzugsweise 950 bis 1050°C, erhältlich. Kalzinierte Kieselgur, die nicht in der oben beschriebenen Weise thermisch behandelt worden ist und erfindungsgemäß nicht bevorzugt eingesetzt wird, weist in der Regel ein Wasseraufnahmevermögen 130% oder mehr auf.
Die Westinghouse-Methode wird zur Bestimmung des Öl- oder Wasseraufnahmevermögens sogenannter Adsorptionsmaterialien (Adsorber) benutzt, wobei hier der Begriff „Adsorber” allgemein Materialien bezeichnet, die in der Lage sind, Flüssigkeiten aufzunehmen, unabhängig davon, ob dies durch Adsorption, Absorption oder eine Kombination beider Mechanismen erfolgt. Bei dieser Methode werden 20 g des zu untersuchenden Materials in ein kegelförmiges Messsieb aus einem Drahtgeflecht mit einer Maschenweite von 0,25 mm (60 mesh) eingefüllt. Die Öffnung des Messsiebs hat einen Durchmesser von 7 cm, die Höhe des Messsiebs beträgt 7,6 cm. Das gefüllte Messsieb wird dann 20 Minuten lang vollständig in die Flüssigkeit eingetaucht, für die das Aufnahmevermögen ermittelt werden soll, z. B. Wasser. Anschließend wird das Messsieb bei Raumtemperatur für eine bestimmte, von der verwendeten Flüssigkeit abhängige Zeit abtropfen gelassen. Für die Bestimmung des Wasseraufnahmevermögens beträgt die Abtropfzeit 20 Minuten. Die Flüssigkeitsaufnahme (in %) wird wie folgt berechnet:
Eine Flüssigkeitsaufnahme von 100% bedeutet demnach, dass die Probe in der Lage ist, so viel Wasser aufzunehmen, wie ihrem eigenen Gewicht entspricht. Je geringer das Wasseraufnahmevermögen, desto geringer ist die Porosität und damit auch das Aufnahmevermögen für andere flüssige Materialien, z. B. Bindemittelkomponenten. Da von den Poren der Partikel der Formstoffkomponente aufgenommene Bindemittelkomponenten nicht zur Ausbildung von Bindungen zwischen den Partikeln der Formstoffkomponente zur Verfügung stehen, ist erfindungsgemäß eine geringe Porosität erwünscht (siehe oben). Diese zeigt sich durch ein niedriges Wasseraufnahmevermögen.
Besonders bevorzugt umfasst der erfindungsgemäße Speiser bzw. das erfindungsgemäße Speiserbauteil sowie die erfindungsgemäße formbare Zusammensetzung kalzinierte Kieselgur mit einer Schüttdichte von 600 g/Liter oder mehr, bevorzugt 600 bis 700 g/Liter, weiter bevorzugt 650 g/Liter bis 700 g/Liter, besonders bevorzugt 670 g/Liter bis 700 g/Liter, einer Wärmeleitfähigkeit im Bereich von 0,14 bis 0,15 W/mK bei einer Probentemperatur von 100°C und im Bereich von 0,25 bis 0,35 W/mK bei einer Probentemperatur von 950°C sowie einem Wasseraufnahmevermögen im nicht imprägnierten Zustand von 90 bis 115%.
Erfindungsgemäß ist es bevorzugt, dass der erfindungsgemäße Speiser bzw. das erfindungsgemäße Speiserbauteil sowie die erfindungsgemäße formbare Zusammensetzung kalzinierte Kieselgur umfasst, die

– einen Sinterbeginn bei einer Temperatur im Bereich von 1150 bis 1200°C aufweist sowie vorzugsweise
– ein Sinterende bei einer Temperatur im Bereich von 1210 bis 1260°C und/oder
– einen Fließbeginn bei einer Temperatur im Bereich von 1270 bis 1310°C und/oder
– einen Halbkugelpunkt bei einer Temperatur im Bereich von 1370 bis 1410°C und/oder
– ein Fließende bei einer Temperatur von 1480 bis 1520°C.

Die Bestimmung des Sinterbeginns, des Sinterendes, des Fließbeginns, des Halbkugelpunktes und des Fließendes der erfindungsgemäß einzusetzenden kalzinierten Kieselgur erfolgt mit einem Erhitzungsmikroskop bei einer Aufheizgeschwindigkeit von 10 K/min. Zur Bestimmung des Sinterbeginns sind auch die im VDG-Merkblatt P 26 für Quarzsand beschrieben Methoden (Tiegelmethode, Schiffchenmethode) anwendbar. Eigene Untersuchungen haben gezeigt, das für Proben erfindungsgemäß einzusetzender kalzinierter Kieselgur, deren mit einer der Methoden aus dem VDG-Merkblatt P 26 bestimmter Sinterbeginn in den Bereich von 1150 bis 1200°C fällt, bei einer Überprüfung mit dem Erhitzungsmikroskop ebenfalls ein in diesen Bereich fallender Sinterbeginn festgestellt wird.
Hinsichtlich des Sinterbeginns weist die in dem erfindungsgemäßen Speiser bzw. Speiserbauteil sowie in der erfindungsgemäßen formbaren Zusammensetzung einzusetzende kalzinierte Kieselgur überraschenderweise vergleichbare Werte auf wie die häufig als Formstoffkomponente eingesetzten keramischen Hohlkugeln, die jedoch wie oben erwähnt nicht uneingeschränkt verfügbar sind.
Die erfindungsgemäß bevorzugte thermische Behandlung der kalzinierten Kieselgur bewirkt wie oben beschrieben eine Verminderung des Wasseraufnahmevermögens im Vergleich zu kalzinierter Kieselgur, die nicht in der oben beschriebenen Weise thermisch behandelt worden ist. Jedoch ist es aus den oben beschriebenen Gründen eines möglichst effizienten Einsatzes der Bindemittelkomponenten erwünscht, die Porosität und damit das Wasseraufnahmevermögen der erfindungsgemäß einzusetzenden Kieselgur noch weiter zu reduzieren. Daher ist es erfindungsgemäß bevorzugt, dass die erfindungsgemäß einzusetzende kalzinierte und gegebenenfalls gesinterte, insbesondere in der oben beschriebenen Weise thermisch behandelte Kieselgur eine Imprägnierung aufweist, die eine Verringerung des Wasseraufnahmevermögens der Kieselgur bewirkt. Der Begriff „Imprägnierung” bezeichnet im Rahmen des vorliegenden Textes den als Resultat eines Prozesses umfassend das Aufbringen eines geeigneten Imprägniermittels auf die Partikel der kalzinierten Kieselgur und das Härten des in dem Imprägniermittel enthaltenen Haftvermittlers erhältlichen Zustand der kalzinierten Kieselgur. Kalzinierte Kieselgur im imprägnierten Zustand (nachstehend auch als imprägnierte kalzinierte Kieselgur bezeichnet) zeichnet sich durch eine im Vergleich zu dem oben erwähnten nicht imprägnierten Zustand verminderte Porosität aus, die sich in einem verminderten Wasseraufnahmevermögen zeigt.
Erfindungsgemäß besonders bevorzugt sind deshalb ein erfindungsgemäßer Polyurethan-Cold-Box-gebundene Speiser bzw. ein erfindungsgemäßes Polyurethan-Cold-Box-gebundenes Speiserbauteil sowie eine erfindungsgemäße Formstoffmischung umfassend kalzinierte Kieselgur (a), wobei die kalzinierte Kieselgur (a) zur Verringerung ihres Wasseraufnahmevermögens eine Imprägnierung aufweist, wobei die Imprägnierung vorzugsweise

– ein Oxid umfasst, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Siliciumdioxid, Zirkoniumdioxid, Aluminiumoxid und deren Mischungen, und
– einen gehärteten Haftvermittler umfasst, wobei der gehärtete Haftvermittler ein gehärtetes Phenolharz umfasst.

Die Imprägnierung, insbesondere eine bevorzugte Imprägnierung wie oben beschrieben, bewirkt eine Reduzierung der Porosität und damit auch des Aufnahmevermögens der erfindungsgemäß einzusetzenden kalzinierten Kieselgur-Partikel für Wasser bzw. flüssige Bindemittelkomponenten. Es wird derzeit angenommen, dass dieser Effekt auf einer Versiegelung der Poren beruht. Andererseits bewirkt die Imprägnierung keine signifikante Erhöhung des Schüttdichte der erfindungsgemäß einzusetzenden kalzinierten Kieselgur, so dass das oben erwähnte Kriterium für die Auswahl einer geeigneten Formstoffkomponente (Schüttdichte unter 800 g/Liter) auch dann erfüllt ist, wenn die erfindungsgemäß einzusetzende kalzinierte Kieselgur eine Imprägnierung wie oben beschrieben aufweist.
Die in der Imprägnierung enthaltenen Oxide zeichnen sich dadurch aus, dass sie unter den bei der Fertigung von Gussteilen auftretenden Extrembedingungen chemisch und thermisch inert sind, so dass die versiegelnde Wirkung auch beim Kontakt mit geschmolzenem Metall erhalten bleibt.
Der in der Imprägnierung enthaltene gehärtete Haftvermittler vermittelt eine feste Bindung zwischen dem imprägnierten Partikel der kalzinierten Kieselgur und den Partikeln des in der Imprägnierung enthaltenen Oxids. Bevorzugt umfasst die Imprägnierung einen gehärteten Haftvermittler, der gehärtetes Phenolharz in Form von gehärtetem Novolak umfasst. Novolake zeichnen sich dadurch aus, dass sie kostengünstig sowie einfach und unter milden Bedingungen härtbar sind. Phenolharze, insbesondere Novolake, binden in hervorragender Weise an die Oberfläche der kalzinierten Kieselgur-Partikel und sind zudem in der Lage, die oxidischen Bestandteile der Imprägnierung an das Kieselgur-Partikel zu binden.
Kalzinierte Kieselgur, die eine Imprägnierung wie oben beschrieben aufweist, ist erhältlich durch ein Verfahren umfassend das Aufbringen eines geeigneten Imprägniermittels auf die Partikel kalzinierter Kieselgur, bevorzugt wie oben beschrieben bei einer Temperatur im Bereich von 950 bis 1150°C, vorzugsweise 950 bis 1050°C, thermisch behandelter kalzinierter Kieselgur, und Härten des in dem Imprägniermittel enthaltenen Haftvermittlers. Das aufgebrachte Imprägniermittel verfestigt sich durch das Härten des enthaltenen Haftvermittlers, so dass eine Imprägnierung gebildet wird. Das Imprägniermittel ist vorzugsweise so gewählt, dass bei der Herstellung Polyurethan-Cold-Box-gebundener Speiser bzw. Speiserbauteile das Härten der Polyurethan-Cold-Box-Bindemittel-Komponenten nicht gestört wird und der Aufbau von Binderbrücken nicht oder nicht wesentlich behindert wird. Geeignete Imprägniermittel werden weiter unten beschrieben.
Durch eine Imprägnierung, insbesondere eine bevorzugte Imprägnierung wie oben beschrieben, lässt sich das Wasseraufnahmevermögen der erfindungsgemäß einzusetzenden kalzinierten Kieselgur soweit vermindern, dass es geringer ist als das Wasseraufnahmevermögen der herkömmlicherweise als Formstoffkomponente eingesetzten keramischen Hohlkugeln. Letzteres beträgt typischerweise 75 bis 110%.
Erfindungsgemäß besonders bevorzugt sind ein erfindungsgemäßer Polyurethan-Cold-Box-gebundener Speiser bzw. ein erfindungsgemäßes Polyurethan-Cold-Box-gebundenes Speiserbauteil sowie eine erfindungsgemäße formbare Zusammensetzung umfassend imprägnierte kalzinierte Kieselgur, deren Wasseraufnahmevermögen 30 bis 50% beträgt, bestimmt mittels der oben beschriebenen Westinghouse-Methode.
Ein erfindungsgemäßer Speiser bzw. ein erfindungsgemäßes Speiserbauteil umfasst gehärtetes Polyurethan-Gold-Box-Harz (b). Unter gehärtetem Polyurethan-Cold-Box-Harz (b) wird das Härtungsprodukt eines Bindemittelsystems verstanden, das als Bindemittelkomponenten Polyurethan-Cold-Box-Komponenten, d. h. ein oder mehrere Polyole und ein oder mehrere Poly-Isocyanate, umfasst. Durch Begasung mit einem tertiären Amin härtet dieses Bindemittelsystem zu einem Polyurethan aus. Bevorzugt umfasst ein erfindungsgemäßer Speiser bzw. ein erfindungsgemäßes Speiserbauteil gehärtetes Polyurethan-Cold-Box-Harz (b) aus Bindemittelkomponenten

(b1) ausgewählt aus der Gruppe der Polyole, vorzugsweise ausgewählt aus der Gruppe der freie Hydroxygruppen umfassenden Phenolharze, vorzugsweise ausgewählt aus der Gruppe der freie Hydroxygruppen umfassenden Phenol-Formaldehydharze mit Benzylethergruppen,

(b2) ausgewählt aus der Gruppe der Poly-Isocyanate, vorzugsweise ausgewählt aus der Gruppe der Polymere des 2,4'- und des 4,4'-Diphenylmethandiisocyanat.

Bevorzugt umfasst die erfindungsgemäße formbare Zusammensetzung Polyurethan-Cold-Box-Bindemittelkomponenten

(b1) ausgewählt aus der Gruppe der Polyole, vorzugsweise ausgewählt aus der Gruppe der freie Hydroxygruppen umfassenden Phenolharze, insbesondere vorzugsweise ausgewählt aus der Gruppe der freie Hydroxygruppen umfassenden Phenol-Formaldehydharze mit Benzylethergruppen,

(b2) ausgewählt aus der Gruppe der Polyisocyanate, vorzugsweise ausgewählt aus der Gruppe der Polymere des 2,4'- und des 4,4'-Diphenylmethandlisocyanat.

Bezogen auf die Gesamtmasse der formbaren Zusammensetzung des Speisers bzw. Speiserbauteils liegt die Menge des gehärteten Polyurethan-Cold-Box-Harzes (b) vorzugsweise im Bereich von 4 bis 35 Gew.-%.
Bei diesem Bindemittelsystem ist die Verwendung bestimmter Fettsäuremethylester als Lösungsmittel bevorzugt, wie sie in der Europäischen Patentanmeldung EP 0 804 980 A1 beschrieben sind; unter den Fettsäuremethylestern ist wiederum die Verwendung von Rapsölmethylester vorteilhalt. Die Anwendung des Cold-Box-Verfahrens zur Herstellung der erfindungsgemäßen Speiser bzw. Speiserbauteile ist aber nicht auf die in der EP 0 804 980 A1 beschriebenen Binde- und Lösungsmittel beschränkt, weitere für das Cold-Box Verfahren geeignete Bindemittelzusammensetzungen und Verfahrenstechniken können den Europäischen Patentschriften EP 0 888 199 B1 und EP 0 913 215 B1 entnommen werden. Die Offenbarung der genannten EP-Veröffentlichungen ist im Wege der Verweisung Bestandteil des vorliegenden Textes. Die dort jeweils offenbarten Zusammensetzungen der Speiser werden durch teilweisen oder vollständigen Austausch einer oder mehrerer dort angegebenen Formstoffkomponenten durch kalzinierte Kieselgur (a) wie oben beschrieben zu erfindungsgemäßen Zusammensetzungen.
Ein erfindungsgemäßer Speiser bzw. ein erfindungsgemäßes Speiserbauteil sowie eine erfindungsgemäße formbare Zusammensetzung umfasst in manchen Ausführungsformen neben der oben beschriebenen kalzinierten Kieselgur (a) weitere Formstoffkomponenten (d). Beispielsweise enthält der erfindungsgemäße Speiser bzw. das erfindungsgemäße Speiserbauteil sowie die erfindungsgemäße formbare Zusammensetzung neben der oben beschriebenen kalzinierten Kieselgur (a) auch (d) herkömmlicherweise als Formstoffkomponente verwendete Hohlkugeln (wie oben beschrieben), d. h. im Vergleich zu herkömmlichen Speisern bzw. Speiserbauteilen sowie herkömmlichen formbaren Zusammensetzungen zur Herstellung von Speisern bzw. Speiserbauteilen sind die Hohlkugeln (d) durch die oben beschriebene kalzinierte Kieselgur (a) teilweise ersetzt oder werden durch diese ergänzt. Enthält die erfindungsgemäße formbare Zusammensetzung als weitere Formstoffkomponente (d) Hohlkugeln, dann liegt bezogen auf die Gesamtmasse der formbaren Zusammensetzung die Gesamtmenge an (a) kalzinierter Kieselgur und (d) Hohlkugeln im Bereich von 5 bis 90 Gew.-%, bevorzugt von 5 bis 25 Gew.-%, wobei das Gewichtsverhältnis von (a) kalzinierter Kieselgur zu (d) Hohlkugeln mindestens 0,1 beträgt. Erfindungsgemäß besonders bevorzugt ist jedoch die ausschließliche Verwendung von kalzinierter Kieselgur (a) wie oben beschrieben. Weitere Formstoffkomponenten (d) sind ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Kaolin, Sand, Quarzsand, Schamottesand und/oder Koksgrieß sowie feindispersen, inerten Metalloxiden wie denen des Titan, Aluminium oder Silizium.
Die Anwesenheit von Fasermaterial (c) in einem erfindungsgemäßen Speiser bzw. Speiserbauteil und in einer erfindungsgemäßen Formmasse zur Herstellung von Speisern bzw. Speiserbauteilen für die Gießereiindustrie ist oft vorteilhaft, weil Fasern eine zusätzliche Armierung des Speisers bzw. Speiserbauteils bewirken. Bevorzugt werden organische Fasermaterialien eingesetzt, während auf den Einsatz anorganischer Fasermaterialien verzichtet werden sollte. Ein solcher Verzicht auf anorganische Fasermaterialien erlaubt eine gesundheitlich unbedenklichere Herstellung erfindungsgemäßer Speiser bzw. Speiserbauteile, da aus anorganischen Fasern lungengängige Partikel abbrechen können. Vorzugsweise werden in erfindungsgemäßen Speisern bzw. Speiserbauteilen Cellulosefasern eingesetzt, denn diese zeichnen sich durch ihr geringes Gewicht aus. Vorzugsweise liegt die Faserlänge der eingesetzten Cellulosefasern dabei im Bereich von 30 bis 800 μm.
Ein Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen formbaren Zusammensetzung, die für die Herstellung von Speisern bzw. Speiserbauteilen für die Gießereiindustrie nach dem Polyurethan-Cold-Box-Verfahren geeignet ist, umfasst die Schritte

– Bereitstellen oder Herstellen von (a) kalzinierter Kieselgur,
– Mischen der kalzinierten Kieselgur (a) mit (b) Polyurethan-Cold-Box-Bindemittelkomponenten, (c) optional Fasermaterial und (d) gegebenenfalls einer oder mehreren weiteren Formstoffkomponenten (e) optional (für exotherme Speiser bzw. exotherme Speiserbauteile) (e1) einem oder mehreren oxidierbaren Metallen und (e2) einem oder mehreren Oxidationsmitteln für das bzw. die oxidierbaren Metalle,

Vorzugsweise beträgt der Anteil der Komponenten (a) sowie (c), (d) und (e) an der erfindungsgemäßen formbaren Zusammensetzung 65 Gew.-% oder mehr.
Bevorzugt wird zur Herstellung der erfindungsgemäßen formbaren Zusammensetzung kalzinierte Kieselgur (a) bereitgestellt, welche herstellbar ist durch thermisches Behandeln von Kieselgur bei einer Temperatur im Bereich von 950 bis 1150°C, vorzugsweise 950 bis 1050°C; oder die zur Herstellung der erfindungsgemäßen formbaren Zusammensetzung einzusetzende kalzinierte Kieselgur wird hergestellt durch thermisches Behandeln von Kieselgur bei einer Temperatur im Bereich von 950 bis 1150°C, vorzugsweise 950 bis 1050°C.
Zudem bevorzugt wird zur Herstellung der erfindungsgemäßen formbaren Zusammensetzung kalzinierte Kieselgur (a) eingesetzt, die zur Verringerung ihres Wasseraufnahmevermögens eine Imprägnierung aufweist, wobei die Imprägnierung vorzugsweise

Als Polyurethan-Cold-Box-Bindemittelkomponenten (b) werden in dem Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen formbaren Zusammensetzung bevorzugt eingesetzt:

(b1) eine erste Komponente ausgewählt aus der Gruppe der Polyole, vorzugsweise ausgewählt aus der Gruppe der freie Hydroxygruppen umfassenden Phenolharze, insbesondere vorzugsweise ausgewählt aus der Gruppe der freie Hydroxygruppen umfassenden Phenol-Formaldehydharze mit Benzylethergruppen,

(b2) eine zweite Komponente ausgewählt aus der Gruppe der Polyisocyanate, vorzugsweise ausgewählt aus der Gruppe der Polymere des 2,4'- und des 4,4'-Diphenylmethandiisocyanat.

Bezüglich der Herstellung und/oder weiterer Eigenschaften und Merkmale der für das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen formbaren Zusammensetzung einzusetzenden kalzinierten Kieselgur (a) sowie bevorzugten Polyurethan-Cold-Box-Bindemittelkomponenten (b), Fasermaterialien (c) und weiteren Formstoffkomponenten (d) wird auf die vorstehenden Ausführungen verwiesen.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines Speisers bzw. Speiserbauteils für die Gießereiindustrie, verzugsweise eines erfindungsgemäßen Speisers bzw. eines erfindungsgemäßen Speiserbauteils wie oben beschrieben, umfasst die folgenden Schritte:

– Bereitstellen einer erfindungsgemäßen formbaren Zusammensetzung wie oben beschrieben oder Herstellen einer erfindungsgemäßen formbaren Zusammensetzung wie oben beschrieben,
– Formen der erfindungsgemäßen formbaren Zusammensetzung zu einem ungehärteten Speiser bzw. einem ungehärteten Speiserbauteil,
– Härten des geformten ungehärteten Speisers bzw. des geformten ungehärteten Speiserbauteils durch Kontaktieren der in der formbaren Zusammensetzung enthaltenen Polyurethan-Cold-Box-Bindemittelkomponenten mit einem Katalysator.

Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Formstoffkomponente, die für die Herstellung von Polyurethan-Cold-Box-gebundenen Speisern bzw. Speiserbauteilen für die Gießereiindustrie geeignet ist, sowie ein Verfahren zu deren Herstellung.
Als erfindungsgemäße Formstoffkomponente wird imprägnierte kalzinierte und gegebenenfalls gesinterte, insbesondere in der oben beschriebenen Weise thermisch behandelte Kieselgur eingesetzt, wobei die imprägnierte kalzinierte und gegebenenfalls gesinterte Kieselgur eine Imprägnierung aufweist, die eine Verringerung des Wasseraufnahmevermögens der kalzinierten und gegebenenfalls gesinterten Kieselgur bewirkt, wobei die Imprägnierung vorzugsweise

– ein Oxid umfasst, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Siliciumdioxid, Zirkoniumdioxid, Aluminiumoxid und deren Mischungen, und
– einen gehärteten Haftvermittler umfasst, wobei der gehärtete Haftvermittler ein gehärtetes Phenolharz umfasst,

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer zur Verringerung ihres Wasseraufnahmevermögens imprägnierten kalzinierten Kieselgur, insbesondere einer erfindungsgemäßen imprägnierten kalzinierten Kieselgur (wie oben beschrieben), umfasst die Schritte:

– Bereitstellen kalzinierter Kieselgur,
– Aufbringen eines Imprägniermittels auf die Partikel der kalzinierten Kieselgur, wobei das Imprägniermittel vorzugsweise – ein Oxid umfasst, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Siliciumdioxid, Zirkoniumdioxid, Aluminiumoxid und deren Mischungen, und/oder ein oder mehrere zu einem solchen Oxid umsetzbaren Prekursor-Materialien und – einen härtbaren Haftvermittler umfasst, wobei der härtbare Haftvermittler ein härtbares Phenolharz umfasst,
– Härten des in dem auf die Partikel der kalzinierten Kieselgur aufgebrachten Imprägniermittel enthaltenen Haftvermittlers, so dass eine Imprägnierung gebildet wird.

Bezüglich der Eigenschaften der zu imprägnierenden kalzinierten Kieselgur, der Zusammensetzung der Imprägnierung und der Wirkung der Imprägnierung wird auf die vorstehenden Ausführungen verwiesen. In dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die erfindungsgemäß einzusetzende kalzinierte Kieselgur vorzugsweise so imprägniert, dass ihr Wasseraufnahmevermögen im Vergleich zum nicht imprägnierten Zustand zumindest um die Hälfte reduziert wird. Eine erfindungsgemäß besonders bevorzugte Formstoffkomponente ist imprägnierte kalzinierte Kieselgur, deren Wasseraufnahmevermögen 30 bis 50% beträgt, bestimmt mittels der oben beschriebenen Westinghouse-Methode.
Es ist erfindungsgemäß bevorzugt, die kalzinierte Kieselgur, bevor sie mit der oben beschriebenen Imprägnierung versehen wird, wie oben beschrieben thermisch zu behandeln. Aufgrund der dabei ablaufenden Sinterprozesse wird die Porosität der Kieselgur bereits merklich vermindert, so dass die gewünschte Verminderung des Wasseraufnahmevermögens mit einer geringeren Menge an Imprägniermittel erreichbar ist als bei kalzinierter Kieselgur, die nicht in der oben beschriebenen Weise thermisch behandelt worden ist. In eigenen Untersuchungen wurde festgestellt, dass bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung einer zur Verringerung ihres Wasseraufnahmevermögens imprägnierten kalzinierten Kieselgur die zur Verminderung des Wasseraufnahmevermögens auf 50% (bestimmt mittels der oben beschriebenen Westinghouse-Methode) benötigte Menge an Imprägniermittel (bezogen auf das Gewicht der kalzinierten Kieselgur im nicht imprägnierten Zustand) geringer ist, wenn die zu imprägnierende kalzinierte Kieselgur wie oben beschrieben thermisch behandelt worden ist. Bevorzugt wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren eine Menge an Imprägniermittel von 15 bis 80%, bevorzugt von 20 bis 50% eingesetzt, bezogen auf das Gewicht der kalzinierten Kieselgur im nicht imprägnierten Zustand.
Erfindungsgemäß bevorzugt ist daher ein Verfahren zur Herstellung einer imprägnierten kalzinierten Kieselgur, bei dem die kalzinierte Kieselgur

– bereitgestellt wird und herstellbar ist durch thermisches Behandeln von Kieselgur bei einer Temperatur im Bereich von 950 bis 1150°C, vorzugsweise 950 bis 1050°C

– hergestellt wird durch thermisches Behandeln von Kieselgur bei einer Temperatur im Bereich von 950 bis 1150°C, vorzugsweise 950 bis 1050°C.

Im allgemeinen wird bei der erfindungsgemäßen Herstellung imprägnierter kalzinierter Kieselgur analog zu der in der Patentanmeldung DE 10 2010 303 451 beschriebenen Herstellung oberflächenversiegelter Schamotte vorgegangen. Die Offenbarung der genannten DE-Patentanmeldung ist im Wege der Verweisung Bestandteil des vorliegenden Textes.
Das zu einem Oxid ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Siliciumdioxid, Zirkoniumdioxid und Aluminiumoxid umsetzbare Prekursor-Material ist bevorzugt ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Kieselsäure und deren Kondensationsprodukten, Kieselsolen, Aluminiumhydroxid und dessen Kondensationsprodukten, Estern oder Carboxylaten der Ortho-, Di- und Polykieselsäuren und Verbindungen der Formel SiR_nOR'_4-n, wobei R und R' unabhängig voneinander ein Alkyl- oder Arylrest, bevorzugt Methyl oder Ethyl sind. Besonders bevorzugt sind zu Siliciumdioxid umsetzbare Prekursor-Materialen ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Kieselsolen, Tetramethoxysilan, Tetraethoxysilan, Methyltrimethoxysilan, Methyltriethoxysilan, Ethyltrimethoxysilan, Ethyltriethoxysilan, Dimethyldimethoxysilan, Dimethyldiethoxysilan, Diethyldimethoxysilan, Diethyldiethoxysilan, Trimethylethoxysilan und Triethylmethoxysilan. Solche Prekursor-Materialien eignen sich in besonderer Weise zur Herstellung einer zur Verminderung ihres Wasseraufnahmevermögens imprägnierten kalzinierten Kieselgur, da sie bei moderaten Temperaturen trocknen und/oder reagieren und dabei die oben genannten besonders bevorzugten Metalloxide ergeben. Hierzu genügen in der Regel Temperaturen von bis zu 400°C, meist in einem Bereich von 100 bis 400°C. Zudem sind diese Prekursor-Materialien mit Phenolharzen gut mischbar und reagieren mit diesen und mit der Oberfläche des kalzinierten Kieselgur-Partikels ebenfalls bei moderaten Temperaturen von bis zu 400°C, meist in einem Bereich von 100 bis 400°C, zu einem mechanisch festen Verbundmaterial. Dies gilt in besonderem Maße, wenn das Prekursor-Material zumindest einen Rest enthält, der ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus der Hydroxygruppe und Alkoxygruppen (-OR), die mit einem Metallatom des anorganischen Materials verbunden sind, wobei R vorzugsweise ein Methyl-, Ethyl-, n-Propyl- oder n-Butylrest ist. Diese Prekursor-Materialien sind daher besonders bevorzugt. Ganz besonders bevorzugt ist ein Imprägniermittel, enthaltend ein zu Siliciumdioxid umsetzbares Prekursor-Material ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Kieselsolen, Tetraethoxysilan und Tetramethoxysilan.
Unter den als Haftvermittler bevorzugten Phenolharzen sind Novolake häufig am besten geeignet. Bevorzugt ist daher ein erfindungsgemäßes Verfahren wie vorstehend beschrieben, wobei ein Imprägniermittel eingesetzt wird umfassend ein Novolak und ein oder mehrere zu Siliciumdioxid umsetzbare Prekursor-Materialien ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Estern oder Carboxylaten der Ortho-, Di- und Polykieselsäuren und Verbindungen der Formel SiR_nOR'_4-n, wobei R und R' unabhängig voneinander Alkyl- oder Arylreste, bevorzugt Methyl oder Ethyl sind, wobei bevorzugt eines oder mehrere Prekursor-Materialien ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Tetramethoxysilan, Tetraethoxysilan, Methyltrimethoxysilan, Methyltriethoxysilan, Ethyltrimethoxysilan, Ethyltriethoxysilan, Dimethyldimethoxysilan, Dimethyldiethoxysilan, Diethyldimethoxysilan, Diethyldiethoxysilan, Trimethylethoxysilan und Triethylmethoxysilan. Ganz besonders bevorzugt ist ein Imprägniermittel umfassend ein Novolak und Tetraethoxysilan.
Das Härten des in dem auf die Partikel der kalzinierten Kieselgur aufgebrachten Imprägniermittel enthaltenen Haftvermittlers kann durch verschiedene Methoden erfolgen. In der Regel wird der Haftvermittler durch Trocknung und/oder chemische Reaktion gehärtet, häufig durch eine Kombination aus Trocknung und chemischer Reaktion. Enthält das Imprägniermittel z. B. Kieselsole bzw. Lösungen von Aluminiumhydroxid, so wird durch Trocknung zunächst das Wasser des Lösungsmittels entfernt und danach werden sukzessive die Silicium- bzw. Aluminiumhydroxide unter Wasserabspaltung zu den entsprechenden Oxiden kondensiert. Auch z. B. bei einem Imprägniermittel umfassend ein Tetraalkoxysilan als zu Siliciumdioxid umsetzbares Prekursor-Material wie vorstehend beschrieben wird einerseits etwaig vorhandenes Wasser des Phenolharzes entfernt und andererseits werden die Hydroxy-Gruppen des Phenolharzes unter Umesterung mit den Tetraalkoxysilanen zur Reaktion gebracht. Die dabei entstehenden Alkohole können aus der Reaktionsmischung entfernt werden.
Besonders bevorzugt ist ein erfindungsgemäßes Verfahren wie vorstehend beschrieben und bevorzugt wie vorstehend als bevorzugt bezeichnet, wobei das Imprägniermittel vor dem Aufbringen auf die Partikel der kalzinierten Kieselgur in einem Lösungs- bzw. Verdünnungsmittel gelöst, dispergiert oder suspendiert wird, wobei lösen bevorzugt ist. Besonders bevorzugt ist dabei ein Imprägniermittel, umfassend ein zu einem Oxid ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Siliciumdioxid, Zirkoniumdioxid und Aluminiumoxid umsetzbares Prekursor-Material, wobei das Prekursor-Material in einem Lösungsmittel löslich ist. Ein Lösungs- bzw. Verdünnungsmittel kann in besonderer Weise das Eindringen des Imprägniermittels in die Poren an der Oberfläche der Partikel der kalzinierten Kieselgur begünstigen und einen gleichmäßigen Verschluss dieser Poren fördern. Die Verwendung von Lösungs- bzw. Verdünnungsmitteln hat aber offensichtlich den Nachteil, dass weitere Stoffe eingebracht werden, die nicht nur einen zusätzlichen ökonomischen Aufwand bedeuten, sondern gegebenenfalls auch zu einer erhöhten Umweltbelastung führen und den Gießvorgang stören können. Die Entfernung der Lösungs- bzw. Verdünnungsmittel kann weiteren Aufwand verursachen. Der Fachmann wird aufgrund seiner Erfahrung und/oder durch einfache Vorversuche geeignete Lösungsmittel bestimmen. Besonders bevorzugt sind Alkohole und Wasser und Mischungen von Alkoholen mit Wasser als Lösungsmittel. Unter den Alkoholen ist Ethanol wegen seiner geringen Giftigkeit bevorzugt. Am meisten bevorzugt ist Wasser als Lösungsmittel. Wird das Imprägniermittel in in einem Lösungsmittel gelöster Form eingesetzt, so beträgt der Anteil des Imprägniermittels an der das Imprägniermittel (wie oben beschrieben) und das Lösungsmittel umfassenden Imprägnierlösung üblicherweise 65 bis 90 Gew.-%.
Beim Mischen der Partikel der kalzinierten Kieselgur mit dem Imprägniermittel werden nicht nur die Poren der Partikel, sondern auch ihre Außenflächen mit dem Imprägniermittel benetzt. Bei gegenseitigem Kontakt zwischen den mit dem Imprägniermittel benetzten Partikeln der kalzinierten Kieselgur können entsprechend zwei oder mehr Partikel der kalzinierten Kieselgur durch das Imprägniermittel miteinander aggregiert werden. Die Partikel der kalzinierten Kieselgur können auch agglomerieren oder in sonstiger Weise während des Herstellungsprozesses verbunden werden. Da die Partikel der kalzinierten Kieselgur jedoch üblicherweise bereits in einer für die Verwendung zur Herstellung von Speisern bzw. Speiserbauteilen geeigneten Größe und Form eingesetzt werden, ist es in der Regel unerwünscht, dass diese aggregieren, agglomerieren oder in sonstiger Weise verbunden werden. Es ist daher bevorzugt, wenn solche während der Herstellung der erfindungsgemäßen Formstoffkomponente entstandenen Aggregate, Agglomerate oder in sonstiger Weise verbundenen Teilchen wieder in Primärteilchen getrennt werden. Bevorzugt ist daher ein erfindungsgemäßes Verfahren wie vorstehend beschrieben und bevorzugt wie vorstehend als bevorzugt bezeichnet, wobei zumindest ein Teil der während der Härtung des Haftvermittlers miteinander aggregierten, agglomerierten oder in sonstiger Weise verbundenen Primärpartikel der kalzinierten Kieselgur während des Härtens oder nach dem Härten des Haftvermittlers durch Einwirkung von mechanischer Energie voneinander getrennt werden.
Besonders bevorzugt ist ein erfindungsgemäßes Verfahren wie vorstehend beschrieben, wobei die Einwirkung von mechanischer Energie durch Mischen in einem mechanischen Mischer erfolgt. Dies ist ein besonders einfaches und effizientes Verfahren, das zur Trennung der meisten aggregierten, agglomerierten oder in sonstiger Weise verbundenen Teilchen geeignet ist, die in dem erfindungsgemäßen Verfahren entstehen.
Das Aufbrechen gebildeter Aggregate, Agglomerate oder sonstiger Verbindungen wird vorzugsweise nur durchgeführt, wenn sich Aggregate, Agglomerate oder sonstige Bindungen gebildet haben und die Größe der (durch Aggregation, Agglomeration, etc. entstandenen) Partikel für die Herstellung von Polyurethan-Cold-Box-gebundenen Speisern bzw. Speiserbauteilen ungeeignet erscheint.
Für das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer zur Verringerung ihres Wasseraufnahmevermögens imprägnierten kalzinierten Kieselgur eigenen sich handelsüblichen Umhüllungsanlagen, insbesondere zum Beispiel eine WEBAC-Sandumhüllungsanlage (erhältlich von der WEBAC Gesellschaft für Maschinenbau mbH, Euskirchen).
Die vorliegende Erfindung betrifft außerdem eine imprägnierte kalzinierte Kieselgur; die nach dem oben beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren, insbesondere in dessen bevorzugten Varianten, herstellbar oder hergestellt ist.
Ausführungsbeispiele
In den nachstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen wird Kieselgur in Form des Produkts Insumol IN 10 K (Hersteller: Damolin Group) eingesetzt. Der Rohstoff für dieses Material ist Molererde, die aus Lagerstätten in Dänemark gewonnen wird. Dieser Rohstoff wird in den Produktionsanlagen der Damolin Group homogenisiert, granuliert und in Drehrohröfen getrocknet und kalziniert. Zur Herstellung des Produkts Insumol IN 10 K wird eine Kalzinierung bei 750°C durchgeführt. Das Produkt Insumol IN 10 K umfasst einen Anteil von 90 Gew.-% oder mehr an Partikeln mit einer Partikelgröße von 0,2 bis 0,8 mm. Dieses Produkt wird nachstehend als „kommerziell erhältliches Insumol IN 10 K” bezeichnet, sofern es nicht erfindungsgemäß bei einer Temperatur im Bereich von 950 bis 1150°C, vorzugsweise 950 bis 1050°C, thermisch behandelt worden ist.
Kommerziell erhältliches Insumol IN 10 K zeichnet sich aus durch eine hohe Feuerfestigkeit, ein niedriges Schüttgewicht und eine niedrige Wärmeleitfähigkeit (Werte siehe unten) und erfüllt damit bereits einige wichtige Anforderungen an eine Formstoffkomponente für Speiser bzw. Speiserbauteile. Allerdings weist Insumol IN 10 K eine sehr hohe Porosität und dadurch bedingt ein hohes Wasseraufnahmevermögen auf. Dies ist wie oben erläutert ungünstig, wenn Polyurethan-Cold-Box-Harze als Bindemittel für die formbare Zusammensetzung verwendet werden.
Durch thermisches Behandeln bei einer Temperatur im Bereich von 950 bis 1150°C, vorzugsweise 950 bis 1050°C, und gegebenenfalls durch Aufbringen eines geeigneten Imprägniermittels auf die Partikel der kalzinierten Kieselgur und Härten des in dem Imprägniermittel enthaltenen Haftvermittlers lassen sich erfindungsgemäß mehrere für die Eignung als Formstoffkomponente in Speisern bzw. Speiserbauteilen, insbesondere in Verbindung mit Polyurethan-Cold-Box-Harzen als Bindemittel, relevante Eigenschaften von kommerziell erhältlichem Insumol IN 10 K positiv beeinflussen, während andererseits die bereits vorhandenen positiven Eigenschaften des Ausgangsmaterials nicht nachteilig beeinflusst werden. Dazu wurden Proben des kommerziell erhältlichen, d. h. bei einer Temperatur von 750°C kalzinierten Materials Insumol IN 10 K bei 1000°C einer thermischen Behandlung unterzogen, wobei die Dauer der Behandlung und die Art des eingesetzten Ofens variiert wurde.
Einige der bei 1000°C thermisch behandelten Proben wurden mit einer Imprägnierung versehen, so dass eine erfindungsgemäße Formstoffkomponente erhalten wurde. Dabei wurde die Menge des eingesetzten Imprägniermittels bezogen auf das Gewicht des bei 1000°C thermisch behandelten Insumol IN 10 K im nicht imprägnierten Zustand variiert.
1. Schüttdichte

In Tabelle 1 sind die Werte der Schüttdichte von kommerziell erhältlichem Insumol IN 10 K sowie von Proben von Insumol IN 10 K, die jeweils einer erfindungsgemäßen thermischen Behandlung unterzogen worden sind, zusammengestellt. Tabelle 1:

Probe	Schüttdichte [g/Liter]
Insumol IN 10 K wie kommerziell erhältlich	560
4 Stunden thermische Behandlung bei 1000°C im Kammerofen	678
8 Stunden thermische Behandlung bei 1000°C im Kammerofen	670
0,5 Stunden thermische Behandlung bei 1000°C im Drehrohrofen	670

Das thermische Behandeln bei 1000°C bewirkt aufgrund der dabei ablaufenden Sinterprozesse eine Kompaktierung des Materials, so dass die Schüttdichte um 20% ansteigt. Die Schüttdichte liegt jedoch auch nach dem Erhitzen auf 1000°C noch unterhalb der für den Einsatz als Formstoffkomponente zur Herstellung von Speisern bzw. Speiserbauteilen kritischen Obergrenze von 800 g/Liter.
2. Wärmeleitfähigkeit
Nach Angaben des Herstellers hat das kommerziell erhältliche Produkt Insumol IN 10 K eine Wärmeleitfähigkeit von 0,14 W/m·K bei 100°C.
Die Wärmeleitfähigkeit von Insumol IN 10 K nach einstündigem thermischen Behandeln bei einer Temperatur von 1000°C wurde am Institut für Wärmetechnik und Thermodynamik an der TU Bergakademie Freiberg nach dem absoluten Rohrverfahren für Schüttgüter (binderlose Schüttung) ermittelt, sie beträgt 0,147 W/mK bei einer Probentemperatur von 100°C und 0,291 W/mK bei einer Probentemperatur von 950°C und liegt damit im für den Einsatz als Formstoffkomponente in einer formbaren Zusammensetzung für die Herstellung von Speisern bzw. Speiserbauteilen geeigneten Bereich.
3. Sinterverhalten

In Tabelle 2 sind die Temperaturen des Sinterbeginns von kommerziell erhältlichem Insumol IN 10 K sowie von Proben von Insumol IN 10 K, die einer erfindungsgemäßen thermischen Behandlung unterzogen worden sind, zusammengestellt. Die Bestimmung des Sinterbeginns erfolgte nach der im VDG-Merkblatt P 26 beschriebenen Schiffchenmethode.

Probe	Sinterbeginn VDG P 26
Insumol IN 10 K wie kommerziell erhältlich	1150–1200°C
1 Stunde thermische Behandlung bei 1000°C im Kammerofen	1150–1200°C
0,5 Stunden thermische Behandlung bei 1000°C im Drehrohrofen	1150–1200°C

Durch thermisches Behandeln bei 1000°C wird das Sinterverhalten und damit die Feuerfestigkeit von Insumol 10 K nicht signifikant verändert. Dieses Resultat wird durch die Resultate (Tabelle 3) der Untersuchung des Sinterverhaltens von Insumol IN 10 K im Erhitzungsmikroskop (Aufheizgeschwindigkeit von 10 K/min) bestätigt. Tabelle 3:

Thermische Behandlung	Sinterbeginn °C	Sinterende °C	Fließbeginn °C	Halbkugelpunkt °C	Fließende °C
Insumol IN 10 K wie kommerziell erhältlich	1150	1250	1300	1400	1500
1 Stunde thermische Behandlung bei 1000 °C im Kammerofen	1150	1220	1280	1380	1500

4. Wasseraufnahmevermögen
Nach Angaben des Herstellers hat das kommerziell erhältliche Produkt Insumol IN 10 K ein durchschnittliches Wasseraufnahmevermögen (vom Hersteller bezeichnet als „Absorptionsfähigkeit für Wasser (Westinghouse)”) von 131%. Die thermische Behandlung von Insumol IN 10 K bei 1000°C im Kammerofen bzw. Drehrohrofen ermöglicht es, diesen Wert auf 90 bis 115% zu senken. Eine Möglichkeit der weiteren Reduzierung des Wasseraufnahmevermögens besteht erfindungsgemäß darin, das Material mit einer das Wasseraufnahmevermögen verringernden Imprägnierung zu versehen.
Dazu wird eine durch Mischen von

(i) einer alkoholhaltigen Lösung enthaltend 60 Gew.-% Novolak (bezogen auf das Gesamtgewicht dieser alkoholhaltigen Lösung)

(ii) Tetraethylorthosilikat (Tetraethoxysilan; vom Typ Dynasyl^TM A, erhältlich von der Firma Degussa AG, Marl, Deutschland)

Das Aufbringen der Imprägnierlösung auf die Partikel des bei 1000°C für einen Zeitraum von einer Stunde thermisch behandelten Materials Insumol IN 10 K erfolgte im gießereitypischen Chargenmischer durch Vermischen dieses Materials mit einer bestimmten Menge der nach der vorstehenden Vorschrift hergestellten Imprägnierlösung über einen Zeitraum von 3 Minuten. Nach dem Mischvorgang wurde das Mischgut ca. 24 Stunden an der Luft getrocknet (insbesondere zur Verdunstung des Lösungsmittels), dann die leichte Verfestigung der imprägnierten Partikel durch weiteres Mischen im Chargenmischer gebrochen und mit einem Sieb von 1 mm Maschenweite gesiebt. Das gesiebte Material wurde einer Wärmebehandlung bei 200 bis 300°C unterzogen, bis eine Farbveränderung und Verfestigung auftrat. Nach Abkühlen auf Raumtemperatur, Brechen der leichten Verfestigung durch Mischen und Sieben mit einem Sieb von 1 mm Maschenweite war das imprägnierte Material, das eine erfindungsgemäße Formstoffkomponente wie oben beschrieben darstellt, verwendungsfähig.

Um den Einfluss der Menge der eingesetzten Imprägnierlösung (und somit des eingesetzten Imprägniermittels) auf das Wasseraufnahmevermögen des bei 1000°C thermisch behandelten Materials Insumol IN 10 K zu ermitteln, wurden Proben von bei 1000°C thermisch behandeltem Insumol IN 10 K mit der oben beschriebenen Imprägnierlösung in abgestuften Mengen wie oben beschrieben behandelt, und nach dem Abkühlen auf Raumtemperatur wurde das Wasseraufnahmevermögen mittels der oben beschriebenen Westinghouse-Methode bestimmt. Tabelle 4 zeigt das Wasseraufnahmevermögen in Abhängigkeit von der Menge der eingesetzten Imprägnierlösung (Gew.-% bezogen auf das Gewicht des bei 1000°C thermisch behandelten Insumol IN 10 K im nicht imprägnierten Zustand). Tabelle 4:

Menge Imprägnierlösung (Gew.-% bezogen auf das Gewicht des bei 1000°C thermisch behandelten Insumol IN 10 K im nicht imprägnierten Zustand)	Wasseraufnahmevermögen (Westinghouse) in %
0	110
20	50
40	50
60	30
80	30
100	30

Die Daten in Tabelle 4 zeigen, dass eine Zugabe der Imprägnierlösung in einer Menge von 20 Gew.-% (bezogen auf das Gewicht des bei 1000°C thermisch behandelten Insumol IN 10 K im nicht imprägnierten Zustand) eine Reduzierung des Wasseraufnahmevermögens um mehr als 50% bewirkt, während Zugaben von Imprägnierlösung in einer Menge von 60 Gew.-% (bezogen auf das Gewicht des bei 1000°C thermisch behandelten Insumol IN 10 K im nicht imprägnierten Zustand) oder mehr zu keiner weiteren signifikanten Reduzierung des Wasseraufnahmevermögens führen.
5. Vergleich mit herkömmlichen Hohlkugeln
In Tabelle 5 werden die für den Einsatz als Formstoffkomponente in formbaren Zusammensetzungen zur Herstellung von Speisern bzw. Speiserbauteilen relevanten Eigenschaften folgender Materialien verglichen:

(i) Cenospheres SLX, eine für den Einsatz als Formstoffkomponente in formbaren Zusammensetzungen zur Herstellung von Speisern bzw. Speiserbauteilen besonders gut geeignete Sorte Hohlkugeln
(ii) Insumol IN 10 K, das bei 1000°C thermisch behandelt und wie unter Punkt 4 beschrieben mit einer Imprägnierung versehen wurde (erfindungsgemäße Formstoffkomponente)

Tabelle 5:

	Einheit	Cenospheres SLX	Insumol IN 10 K, thermisch behandelt bei 1000°C, imprägniert
Wasseraufnahmevermögen	%	110	50
Schüttdichte	g/l	400–600	600–700
Sinterbeginn (VDG P26)	°C	1100–1200	1150–1200
Wärmeleitfähigkeit	W/(m·K)
bei 100°C		0,15	0,1433
bei 1000°C		0,3	0,243
Partikelgrößenverteilung 90%		0,2–0,6	0,25–0,71

Der Vergleich der in Tabelle 5 zusammengestellten Werte zeigt, dass mit Ausnahme der Schüttdichte alle für den Einsatz als Formstoffkomponente in formbaren Zusammensetzungen zur Herstellung von Speisern bzw. Speiserbauteilen relevanten Kennwerte der erfindungsgemäßen Formstoffkomponente ähnlich bzw. günstiger sind als die entsprechenden Werte der herkömmlicherweise als Formstoffkomponente eingesetzten, aber nur in begrenztem Maße verfügbaren Cenospheres SLX.
Das im Vergleich zu den als Formstoffkomponente derzeit vorwiegend verwendeten Hohlkugeln deutlich geringere Wasseraufnahmevermögen der erfindungsgemäßen Formstoffkomponente stellt einen besonderen Vorteil dar, denn je geringer das Wasseraufnahmevermögen, desto geringer ist die Porosität der Formstoffkomponente und damit auch das Aufnahmevermögen für andere flüssige Materialien, z. B. Bindemittelkomponenten. Die Schüttdichte der erfindungsgemäßen Formstoffkomponente liegt unterhalb der für den Einsatz als Formstoffkomponente zur Herstellung von Speisern bzw. Speiserbauteilen kritischen Obergrenze von 800 g/Liter. Daher ist die erfindungsgemäße Formstoffkomponente in formbaren Zusammensetzungen für die Herstellung von Speisern als Ersatz für die derzeit vorwiegend verwendeten Hohlkugeln geeignet.
6. Herstellung und Verwendung von Speiserkapppen

Zwei erfindungsgemäße formbare Zusammensetzungen werden für die Herstellung von Speiserkappen eingesetzt. Die erste erfindungsgemäße formbare Zusammensetzung (Beispiel 6a, Tabelle 6a) stellt eine isolierende Speisermasse dar, bei der zweiten erfindungsgemäßen formbaren Zusammensetzung (Beispiel 6b, Tabelle 6b) handelt es sich um eine exotherme Speiserheizmasse. Zum Vergleich werden Speiserkappen aus einer herkömmlichen Isoliermasse bzw. einer herkömmlichen exothermen Speiserheizmasse hergestellt. Tabelle 6a (Beispiel 6a, GT = Gewichtsteile):

	Herkömmliche isolierende Speisermasse	Erfindungsgemäße isolierende Speisermasse
Hohlkugeln	100 GT	50 GT
Imprägnierte kalzinierte Kieselgur gemäß Beispiel 4	-	50 GT
Coldbox-Bindemittel	16 GT	16 GT

Tabelle 6b (Beispiel 6b, GT = Gewichtsteile):

	Herkömmliche exotherme Speiserheizmasse	Erfindungsgemäße exotherme Speiserheizmasse
Aluminiumgrieß	30 GT	30 GT
Eisenoxid	6 GT	8 GT
Oxidationsmittel	16 GT	16 GT
Füllstoff und Additiv	21 GT	18 GT
Hohlkugeln	27 GT
Imprägnierte kalzinierte Kieselgur gemäß Beispiel 4	-	28 GT
Coldbox-Binder	12 GT	16 GT

Die Herstellung der Speiserkappen umfasst unabhängig von der eingesetzten formbaren Zusammensetzung die Schritte

– homogenes Mischen der festen Komponenten der formbaren Zusammensetzung,
– Zugabe des Binders,
– Ausformen der Speiserkappe,
– Aushärten der Speiserkappe.

Die eingesetzten erfindungsgemäßen formbaren Zusammensetzungen der Beispiele 6a und 6b erweisen sich als geeignet zur Herstellung von Speiserkappen. Bei Gießversuchen wurde festgestellt, dass sich Speiserkappen umfassend erfindungsgemäße formbare Zusammensetzungen hinsichtlich ihres Abkühlungsverhaltens trotz des geringeren Gehalts an Hohlkugeln kaum von Speiserkappen aus herkömmlichen Speisermassen unterscheiden. Dies zeigt z. B. der Vergleich der Abkühlkurven der Speiserkapppe umfassend eine erfindungsgemäße exotherme formbare Zusammensetzung und der Speiserkappe umfassend eine herkömmliche exotherme formbare Zusammensetzung aus Beispiel 6b (1).
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102005025771 [0004, 0004]
EP 0804980 A1 [0043, 0043]
EP 0888199 B1 [0043]
EP 0913215 B1 [0043]
DE 102010303451 [0059]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

DIN EN ISO 8497 [0023]

Claims

Polyurethan-Cold-Box-gebundener Speiser bzw. Polyurethan-Cold-Box-gebundenes Speiserbauteil zur Verwendung in der Gießereiindustrie, umfassend (a) kalzinierte Kieselgur, (b) gehärtetes Polyurethan-Cold-Box-Harz, (c) optional Fasermaterial, (d) gegebenenfalls eine oder mehrere weitere Formstoffkomponenten, (e) optional (e1) ein oder mehrere oxidierbare Metalle und (e2) ein oder mehrere Oxidationsmittel für das bzw. die oxidierbaren Metalle.
Formbare Zusammensetzung für die Herstellung von Speisern bzw. Speiserbauteilen für die Gießereiindustrie nach dem Polyurethan-Cold-Box-Verfahren, umfassend (a) kalzinierte Kieselgur, wobei bezogen auf die Gesamtmasse der formbaren Zusammensetzung der Anteil dieser kalzinierten Kieselgur im Bereich von bevorzugt 20 bis 50 Gew.-%, besonders bevorzugt 20 bis 30 Gew.-% liegt, (b) Polyurethan-Cold-Box-Bindemittelkomponenten (c) optional Fasermaterial, (d) gegebenenfalls eine oder mehrere weitere Formstoftkomponenten, (e) optional (e1) ein oder mehrere oxidierbare Metalle und (e2) ein oder mehrere Oxidationsmittel für das bzw. die oxidierbaren Metalle.
Speiser bzw. Speiserbauteil nach Anspruch 1 bzw. formbare Zusammensetzung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die kalzinierte Kieselgur herstellbar ist durch thermisches Behandeln von Kieselgur bei einer Temperatur im Bereich von 950 bis 1150°C, vorzugsweise 950 bis 1050°C.
Speiser bzw. Speiserbauteil nach einem der Ansprüche 1 und 3 bzw. formbare Zusammensetzung nach einem der Ansprüche 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass – die Schüttdichte der kalzinierten Kieselgur (a) 600 g/Liter oder mehr beträgt, bevorzugt 600 g/Liter bis 700 g/Liter, weiter bevorzugt 650 g/Liter bis 700 g/Liter, besonders bevorzugt 670 g/Liter bis 700 g/Liter; und/oder – die Wärmeleitfähigkeit der kalzinierten Kieselgur (a) im Bereich von 0,14 bis 0,15 W/mK bei einer Probentemperatur von 100°C und/oder im Bereich von 0,25 bis 0,35 W/mK bei einer Probentemperatur von 950°C liegt, und/oder – das Wasseraufnahmevermögen der kalzinierten Kieselgur (a) im nicht imprägnierten Zustand 90 bis 115% beträgt, bestimmt mittels der Westinghouse-Methode.
Speiser bzw. Speiserbauteil nach einem der Ansprüche 1, 3 und 4 bzw. formbare Zusammensetzung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die kalzinierte Kieselgur (a) zur Verringerung ihres Wasseraufnahmevermögens eine Imprägnierung aufweist, wobei die Imprägnierung vorzugsweise – ein Oxid umfasst, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Siliciumdioxid, Zirkoniumdioxid, Aluminiumoxid und deren Mischungen, und – einen gehärteten Haftvermittler umfasst, wobei der gehärtete Haftvermittler ein gehärtetes Phenolharz umfasst, wobei das Wasseraufnahmevermögen der imprägnierten kalzinierten Kieselgur vorzugsweise 30 bis 50% beträgt, bestimmt mittels der Westinghouse-Methode.
Verfahren zur Herstellung einer formbaren Zusammensetzung für die Herstellung von Speisern bzw. Speiserbauteilen für die Gießereiindustrie nach dem Polyurethan-Cold-Box-Verfahren, umfassend die Schritte – Bereitstellen oder Herstellen von (a) kalzinierter Kieselgur, – Mischen der kalzinierten Kieselgur (a) mit (b) Polyurethan-Cold-Box-Bindemittelkomponenten, (c) optional Fasermaterial und (d) gegebenenfalls einer oder mehreren weiteren Formstoffkomponenten (e) optional einem (e1) oder mehreren oxidierbaren Metallen und (e2) einem oder mehreren Oxidationsmitteln für das bzw. die oxidierbaren Metalle, so dass bezogen auf die Gesamtmasse der formbaren Zusammensetzung der Anteil der kalzinierten Kieselgur an der formbaren Zusammensetzung im Bereich von bevorzugt 20 bis 50 Gew.-%, besonders bevorzugt 20 bis 30 Gew.-% liegt.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei die kalzinierte Kieselgur – bereitgestellt wird und herstellbar ist durch thermisches Behandeln von Kieselgur bei einer Temperatur im Bereich von 950 bis 1150°C, vorzugsweise 950 bis 1050°C oder – hergestellt wird durch thermisches Behandeln von Kieselgur bei einer Temperatur im Bereich von 950 bis 1150°C, vorzugsweise 950 bis 1050°C.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass – die Schüttdichte der bereitgestellten oder der hergestellten kalzinierten Kieselgur (a) 600 g/Liter oder mehr, bevorzugt 600 g/Liter bis 700 g/Liter, weiter bevorzugt 650 g/Liter bis 700 g/Liter, besonders bevorzugt 670 g/Liter bis 700 g/Liter beträgt, und/oder – die Wärmeleitfähigkeit der bereitgestellten oder der hergestellten kalzinierten Kieselgur (a) im Bereich von 0,14 bis 0,15 W/mK bei einer Probentemperatur von 100°C und/oder 0,25 bis 0,35 W/mK bei einer Probentemperatur von 950°C beträgt, und/oder – das Wasseraufnahmevermögen der bereitgestellten oder der hergestellten kalzinierten Kieselgur (a) im nicht imprägnierten Zustand 90 bis 115% beträgt, bestimmt mittels der Westinghouse-Methode.
Verfahren zur Herstellung einer zur Verringerung ihres Wasseraufnahmevermögens imprägnierten kalzinierten Kieselgur umfassend die Schritte: – Bereitstellen kalzinierter Kieselgur – Aufbringen eines Imprägniermittels auf die Partikel der kalzinierten Kieselgur, wobei das Imprägniermittel vorzugsweise – ein Oxid umfasst, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Siliciumdioxid, Zirkoniumdioxid, Aluminiumoxid und deren Mischungen, und/oder ein oder mehrere zu einem solchen Oxid umsetzbaren Prekursor-Materialien und – einen härtbaren Haftvermittler umfasst, wobei der härtbare Haftvermittler ein härtbares Phenolharz umfasst, – Härten des in dem auf die Partikel der kalzinierten Kieselgur aufgebrachten Imprägniermittel enthaltenen Haftvermittlers, so dass eine Imprägnierung gebildet wird, wobei die kalzinierte Kieselgur vorzugsweise so imprägniert wird, dass ihr Wasseraufnahmevermögen im Vergleich zum nicht imprägnierten Zustand zumindest um die Hälfte reduziert wird.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei die kalzinierte Kieselgur – bereitgestellt wird und herstellbar ist durch thermisches Behandeln von Kieselgur bei einer Temperatur im Bereich von 950 bis 1150°C, vorzugsweise 950 bis 1050°C oder – hergestellt wird durch thermisches Behandeln von Kieselgur bei einer Temperatur im Bereich von 950 bis 1150°C, vorzugsweise 950 bis 1050°C.
Zur Verringerung ihres Wasseraufnahmevermögens imprägnierte kalzinierte Kieselgur zur Herstellung von Polyurethan-Gold-Box-gebundenen Speisern bzw. Polyurethan-Cold-Box-gebundenen Speiserbauteilen für die Gießereiindustrie, wobei die imprägnierte kalzinierte Kieselgur eine Imprägnierung aufweist, wobei die Imprägnierung vorzugsweise – ein Oxid umfasst, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Siliciumdioxid, Zirkoniumdioxid, Aluminiumoxid und deren Mischungen, und – einen gehärteten Haftvermittler umfasst, wobei der gehärtete Haftvermittler ein gehärtetes Phenolharz umfasst, wobei bevorzugt die Schüttdichte der imprägnierten kalzinierten Kieselgur 600 g/Liter oder mehr, bevorzugt 600 bis 700 g/Liter, weiter bevorzugt 650 g/Liter bis 700 g/Liter, besonders bevorzugt 670 g/Liter bis 700 g/Liter beträgt, und/oder herstellbar ist nach einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 9 und 10.
Verwendung kalzinierter Kieselgur, vorzugweise einer zur Verringerung ihres Wasseraufnahmevermögens imprägnierten kalzinierten Kieselgur, als Formstoffkomponente in einer formbaren Zusammensetzung für die Herstellung von Speisern bzw. Speiserbauteilen für die Gießereiindustrie nach dem Polyurethan-Cold-Box-Verfahren.