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Hintergrund der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft die Herstellung von keramischen Medien,
insbesondere von Medien, die nützlich
bei Massentransporteinsätzen sind,
in denen die Medien wiederholten thermischen Abläufen ausgesetzt sind. Ein wichtiges
Beispiel, in denen die verbesserten Medien nützlich sind, ist das Gebiet
im Zusammenhang mit regenerativen, thermischen Oxidationsmitteln
(„RTOs”). Konventionelle Medien,
die thermischen Abläufen
ausgesetzt sind, erfahren während
thermischen Abläufen Änderungen in
der Volumengröße, was
zu Schwäche
und letztendlich zum Verlust der körperlichen Unversehrtheit führen kann,
insbesondere wenn sie Schleifkräften oder
statischen Kräften
von der Last der Medien in einem thermischen Oxidationsmittel oder
anderen industriellen Prozesssäulen
ausgesetzt sind. Medien mit einer verminderten Anfälligkeit
für Größenveränderungen
während
thermischer Abläufe
würden
daher einen bedeutenden Vorteil haben.
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Ein
weiteres Problem mit konventionellen keramischen Medien ist, dass
sie beim Brennen naturgemäß große Volumensänderungen
erfahren. Solche Medien sind üblicher
Weise aus einem geeigneten Gemisch aus Keramik bildenden Ausgangsmaterialien
wie z. B. Ton, Feldspat, Talk, Tafelspat, Zirkonsand und anderen
Mineralien hergestellt. Dieses Gemisch wird dann in ein gestaltbares
Gemisch und in sogenannte „Grünlinge” („greenware”) geformt,
welche die Gestaltungen der gewünschten
keramischen Medien aufweisen, aber nicht die physikalischen Eigenschaften
aufweisen, und durch Brennen der Grünlinge bei einer erhöhten Temperatur
werden sie in die gewünschten
Medien umgewandelt. Während des
Brennens Wechselwirken die Komponenten durch eine Kombination aus
Festkörper-,
Flüssigphasen-
und Gasphasen-Sintermechanismen, um das gewünschte keramische Material
zu bilden. Problematisch ist, dass bei dem Brennen des gestalteten Grünlings eine
Volumenänderung
auftritt, die leicht zwischen 25 und 35% liegen kann. Das Brennen
erfolgt in einem Brennofen von begrenzter Größe. Daher kann in ihm nur ein
Keramikprodukt hergestellt werden, dessen Volumen ¾ oder
2/3 des Volumens des zugeführten
Grünling
ist. Das macht den Prozess sehr ineffizient.
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Zum
Beispiel offenbart die Druckschrift
JP 56109869 A ein Gemisch mit 50–95% Glas
(SiO
2 68,5, Al
2O
3 19,8, Li
2O 3,7,
TiO
2 1,9, ZrO
2 2,0
und P
2O
5 1,2%),
3–30%
Kaolinton, und 2–30%
Feldspat, das bei 1000–1300°C gebrannt
wird.
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Daneben
offenbart eine Zusammenfassung der Chinesischen Offenlegungsschrift
CN 1049839 Porzellane zur
Verwendung in Haushaltswaren die eine hohe Stabilität aufweisen
sollen. Das Ausgangsmaterial zur Herstellung dieser Porzellane weist
u. a. neben 5 bis 15 Gew.-% Spodumen, 40–50 Gew.-% Ton, 15–30 Gew.-%
Kaliumfeldspat, 10 bis 40 Gew.-%
Alaun (alum) auf.
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Ein
Ausgangsgemisch und ein Brennprozess sind nun entwickelt worden,
aus denen sich eine Keramik mit aus den thermischen Abläufen resultierender
kleiner Volumenänderung
oder Verschlechterung der physikalischen Eigenschaften und mit geringen bzw.
keinen Produktivitätseinbußen als
Folge der Verringerung des Produktvolumens während des Brennens ergibt.
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Beschreibung der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung stellt Grünlinge zum
Bilden von keramischen Medien mit geringer Schrumpfung beim Brennen
bereit, gestaltet durch ein Gemisch mit 5 bis 60 Gew.-%, vorzugsweise
5 bis 20 Gew.-%, Spodumen, und 95 bis 40 Gew.-%, vorzugsweise 95
bis 80 Gew.-%, anderer Keramik bildenden Komponenten, die aus 50
bis 95 Gew.-% Ton und 5 bis 50 Gew.-% Feldspat, sowie gegebenenfalls natürlichen
Verunreinigungen an Quarz, Zirkonsand, feldspathaltigem Ton, Montmorillonit
und Nephelinsyenit, bestehen, auf Basis der gemeinsamen Gewichte
dieser Komponenten, wobei besagte Medien nach dem Brennen bei einer
Temperatur von 1100°C
bis 1300°C
im Vergleich zu den Ausmaßen
der Grünlinge
vor dem Brennen eine lineare Schrumpfung von weniger als 2,5%, aufweisen.
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Die
Erfindung umfasst des Weiteren ein Verfahren zur Herstellung von
keramischen Medien, welches umfasst:
- a) Formen
eines Gemisches mit 5 bis 60 Gew.-%, vorzugsweise 5 bis 20 Gew.-%,
Spodumen und 95 bis 40 Gew.-%, vorzugsweise 95 bis 80 Gew.-%, anderer
Keramik bildenden Komponenten, die aus 50 bis 95 Gew.-% Ton und
5 bis 50 Gew.-% Feldspat, sowie gegebenenfalls natürlichen
Verunreinigungen an Quarz, Zirkonsand, feldspathaltigem Ton, Montmorillonit
und Nephelinsyenit, bestehen, auf Basis der gemeinsamen Gewichte
dieser Komponenten, wobei alle Gewichte auf dem Gesamtgewicht der
Keramik bildenden Komponenten basieren, zu Grünlingen, die eine gewünschte Gestaltung
aufweisen; und
- b) Brennen der Grünlinge
bei einer Temperatur von 1100°C
bis 1300°C,
um keramische Medien herzustellen;
wobei die Keramik bildenden
Medien so gewählt sind,
dass nach dem Brennen die linearen Ausmaße der Grünlinge nicht mehr als 2,5%
reduziert sind.
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Besonders
bevorzugte Gemische umfassen 5 bis 20 Gew.-%, insbesondere 10 bis
15 Gew.-%, Spodumen; und 95 bis 80 Gew.-%, insbesondere 90 bis 85
Gew.-% andere Keramik bildende Komponenten, von denen 30 bis 95
Gew.-% und vorzugsweise 50 bis 90 Gew.-% Kaolinitton ist; und 5
bis 70 Gew.-%, insbesondere 10 bis 50 Gew.-%, ist ein Feldspat,
wobei alle Prozentangaben auf Basis des Gesamtgewichtes der anderen
Keramik bildenden Komponenten angegeben sind.
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Spodumen
ist ein natürlich
vorkommendes Mineral, das ein Gemisch der Aluminiumsilicate von Lithium
und Natrium ist, und zwei der üblichen
Mineralien sind „Kuntzit” und „Hiddenit”. Der allgemeine Name
ist „Triphan”. Das bevorzugte
vorherrschende Mineral ist Lithium-Aluminiumsilicat und der Lithiumgehalt
des Minerals liegt, gemessen als Lithiumoxid, ungefähr zwischen
7,15 und 7,75 Gew.-%.
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Tone
sind im Allgemeinen gemischte Oxide von Aluminiumoxid und Siliziumoxid
und enthalten Materialien wie z. B. Kaolin, Bindeton, Feuerton,
weißen
Ton und Ähnliche.
Bevorzugte Tone sind Tone mit hoher Plastizität wie zum Beispiel Bindeton
und Feuerton. Besonders bevorzugte Tone haben einen Methylenblauindex
(„MBI”) von ungefähr 11 bis
13 meq/100 g.
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Der
Begriff „Feldspat” wird hierin
benutzt um Silikate von Aluminiumoxid mit Natriumcarbonat, Kaliumcarbonat
und Kalk zu beschreiben.
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Andere
Bestandteile wie z. B. Quarz, Zirkonsand, feldspathaltiger Ton,
Montmorillonit, Nephelinsyenit und Ähnliche können als natürliche Verunreinigungen
ebenfalls in den anderen Keramik bildenden Komponenten in den erfindungsgemäßen Ausgangsgemischen
enthalten sein, sofern das resultierende Ausgangsgemisch die oben
dargelegten Erfordernisse der Größenveränderung
erfüllt.
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Die
Komponenten, die zusammen gebrannt werden, um das erfindungsgemäße Produkt
herzustellen, werden vorzugsweise in feiner Pulverform bereitgestellt,
und werden durch den Zusatz von Wasser und/oder Extrudierhilfsmitteln
zu einem gestaltbaren Gemisch gemacht. Das Gestalten kann durch
Formen erfolgen, aber aus wirtschaftlichen Gründen werden die Gestaltungen üblicher
Weise zunächst
durch ein Extrusionsverfahren gefertigt, auf das ein zu der Richtung
der Extrusion senkrechtes Schneiden in die gewünschten Längen folgt.
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Die
gebrannten keramischen Materialien haben eine scheinbare Offenporigkeit,
gemessen nach ASTM C-373, die kleiner als 8 Vol.-% und bevorzugt kleiner
als 4 Vol.-% ist. Die Menge an absorbiertem Wasser ist kleiner als
4 Gew.-% und bevorzugt kleiner als 2 Gew.-%, gemessen nach dem in ASTM-C-373
beschriebenen Verfahren.
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Das
Verfahren, durch das die keramischen Medien hergestellt werden können, umfasst
das Mischen der Komponenten mit einem Mischmedium, wie z. B. Wasser,
und das Gestalten des Gemisches in die gewünschte Gestalt, z. B. durch
Extrudieren oder Formen, um Grünlinge
zu bilden, und dann das Trocknen der Grünlinge über einen Zeitraum von vorzugsweise
einigen Stunden bei einer Temperatur, die ausreicht, um das gebundene
Wasser zu auszutreiben. Dadurch wird vermieden, dass die schwache Struktur
der Grünlinge
zerstört
wird, und es wird normaler Weise unter ungefähr 120°C und häufig unter ungefähr 70°C für die Dauer
von ungefähr
5 Stunden durchgeführt.
Die getrockneten Grünlinge
werden dann bei einer erhöhten
Temperatur gebrannt, z. B. zwischen 1100 bis 1300°C, die über eine
Zeitspanne von ungefähr
3 bis 20 Stunden sukzessive erreicht und normaler Weise für 1 bis
5 Stunden gehalten wird, bevor ein sukzessives Abkühlen auf
Raumtemperatur durchgeführt
wird.
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Die
erfindungsgemäßen keramischen
Medien können
die Form von Monolithen haben mit vielen Durchgangen, aber geeigneterer
Weise haben sie die Form von zufälligen
oder ausgeworfenen Füllkörpern mit
Gestaltungen wie z. B. Ringen, Zylindern, Kugeln, Pellets und Ähnlichem.
Medien in dieser Form werden auf eine zufällig Art und Weise in eine Wärmetauscheinheit
platziert, wobei so viele eingebracht werden, wie in dem Raum unterbringbar
sind.
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Die
erfindungsgemäßen keramischen
Medien weisen einen zusätzlichen,
unerwarteten Vorteil auf: Sie verlieren typischer Weise weniger
als 10%, vorzugsweise weniger als 5%, der Bruchfestigkeit, nachdem
sie einem Temperaturzyklus von 800°C ausgesetzt waren. Tatsächlich scheinen
sie des Öfteren
ihre Bruchfestigkeit zu erhöhen.
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Beschreibung der bevorzugten
Ausführungsformen
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Die
Erfindung wird nun unter genauer Bezugnahme auf die folgenden Beispiele
beschrieben, welche die verschiedenen Aspekte der Erfindung darstellen,
sie aber nicht begrenzen sollen.
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Die
in den Beispielen benutzten Materialien sind wie folgt:
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Tone:
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Bindeton:
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Zur
Verfügung
gestellt als „high
plasticity”-Tone
(Tone mit hoher Plastizität)
von Unimin Co. oder der K. T. Clay Co. In beiden Fällen haben
sie einen Methylenblauindex (MBI) von ungefähr 11–13 meq/100 g. Der Ton liegt
in Pulverform mit einer solchen Partikelgröße, dass mehr als 90 Gew.-%
feiner als 10 μm
sind, vor.
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Feuerton:
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Zur
Verfügung
gestellt von Cedar Heights Clay Co. Er weist einen MBI von ungefähr 7 bis
8 meq/100 g und Partikelgrößen von
0,5 μm bis
20 μm mit
einer durchschnittlichen Partikelgröße von ungefähr 3 bis
4 μm auf.
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Spodumen:
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Spodumenkonzentrat
wird von Gwaila Co. oder der Tantalum Mining Co. in Pulverform mit
Partikelgrößen von
ungefähr
20 bis 200 μm,
mit einer durchschnittlichen Partikelgröße von ungefähr 85 bis 95 μm, und einem
Lithiumgehalt, gemessen als Lithiumoxid, von 7,15 bis 7,75 Gew.-%,
zur Verfügung
gestellt.
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Andere Mineralien:
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Feldspat:
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- a) verarbeitete 0,59 mm (30 mesh) Korngröße mit einer
Partikelgröße von mindestens
10% gröber als
0,42 mm (40 mesh) und mindestens 70% gröber als 0,15 mm (100 mesh).
Der Gesamtgehalt an Natrium und Kalium, gemessen als deren Oxide,
ist zumindest 10 Gew.-%.
- b) 0,075 (200 mesh) Natriumfeldspat mit einem Natriumoxidgehalt
von 6,5 Gew.-% und
einem Kaliumoxidgehalt von ungefähr
4,1 Gew.-%.
- c) feldspathaltige Konglomerate.
- d) Nephelinsyenit.
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Beispiel 1 (nicht zur Erfindung gehörig)
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In
diesem Beispiel wird die relativ geringe Schrumpfung, die unter
Benutzung eines Ausgangsgemisches zur Anfertigung von Füllkörperelementen erhalten
wird, verglichen mit der ähnlicher
Elemente, die unter Benutzung von herkömmlichen keramischen Ausgangsgemischen
angefertigt werden.
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Die
Ausgangsgemischcharge mit 3814 g Bindeton (60 Gew.-%) und 2542 g
Spodumen (40 Gew.-%) wurde hergestellt und zwei Minuten mit Hilfe einer
Hochleistungs-Mischmaschine gemischt. Wasser (1300 g oder 20,45
Gew.-%, bezogen auf das Trockengewicht der Ausgangsgemisches) wurde
zusammen mit 64 g Polyethylenglycol hinzugefügt, und das Mischen wurde für weitere
zwei Minuten fortgesetzt, um ein extrudierbares Gemisch herzustellen. Dieses
wurde dann in einen für
Vakuumentlüftung geeigneten
Einkolbenlaborextruder gegeben und durch ein Mundstück extrudiert,
um ein Extrudat mit einer fassonierten Gestaltung und durchführenden Öffnungen
und einer maximalen Größe von 53,3
mm herzustellen. Das Extrudat wurde dann in Stücke geschnitten, um die keramischen,
zum Brennen bereiten Grünlinggestaltungen
herzustellen.
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Die
Grünlinggestaltungen
wurden bei 110°C etwas
mehr als vier Stunden lang getrocknet und dann in Brennkapseln gelegt
und in einem elektrisch betriebenen Brennofen mit einer Aufheizgeschwindigkeit
von 3°C/min
bis zum Erreichen der maximalen Temperatur von 1225°C gebrannt.
Die Temperatur wurde für
eine Stunde auf dieser Höhe
gehalten, bevor sie mit einer zur Aufheizgeschwindigkeit vergleichbaren
Abkühlgeschwindigkeit
bis zum Erreichen der Raumtemperatur verringert wurde. Die gebrannten
Gestaltungen wurden dann an mindestens fünf Stellen auf mindestens fünf Probestücken entlang
ihrer größten Abmessung
durch Mikrometerschraubenmessungen gemessen, und die Ergebnisse
wurden gemittelt. Der Durchschnitt wurde dann verglichen mit der
exakten Messung der entsprechenden Größe des Mundstücks, durch
das sie extrudiert wurden. Die Größe des Mundstücks war 53,264
mm. Die durchschnittliche Größe der Probestücke war
53,111 mm, was eine lineare Schrumpfung von nur 0,33% darstellt.
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Um
eine Grundlage zum Vergleichen zu erstellen, wurde eine Reihe von
drei herkömmlichen Ausgangsgemischen
hergestellt, in denen die Spodumenkomponente auf einer Gramm-zu-Gramm Basis durch
a) feines Natriumfeldspat; b) ein feldspathaltiges Konglomerat;
und c) Nephelinsyenit ersetzt wurde. Diese drei Mengen wurden gemischt,
in Gestaltungen geformt, getrocknet und in exakt der gleichen Weise
gebrannt wie das erfindungsgemäße Ausgangsgemisch.
Die im Durchschnitt längste
Abmessung war 45,961 mm; 47,457 mm; und 44,160 mm. Daraus berechnen
sich lineare Schrumpfungswerte von 13,78%, 10,97% und 15,73%.
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Beispiel 2 (nicht zur Erfindung gehörig
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In
diesem Beispiel werden scheibenförmige Probenstücke mit
einer Minimalporigkeit bezüglich der
prozentualen linearen Größenveränderung
bei zwei verschiedenen Brenntemperaturen ausgewertet.
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Eine
Ausgangsgemischcharge aus 240 g Feuerton (80 Gew.-%) und 60 g Spodumen
(20 Gew.-%) wurde in einer Hochleistungs-Mischmaschine zwei Minuten
lang gemischt, und dann wurden 9 g Wasser (3 Gew.-% bezogen auf
das Trockengewicht der Menge) hinzugefügt und das Mischen für weitere zwei
Minuten fortgesetzt. Dies führte
zu einem fließfähigem Pulver,
das unter Benutzung einer hydraulischen Handpresse bei einem Druck
von ungefähr 82,7·106 N/m2 (12.000 psi)
in Scheiben mit einem Durchmesser von 25,4 mm gepresst wurde. Die Scheiben
wurden bei 110°C
mindestens vier Stunden lang getrocknet, bevor sie in dem gleichen
Brennofen und unter den gleichen Bedingungen wie in Beispiel 1 gebrannt
wurden. Der durchschnittliche Durchmesser von sechs auf diese Weise
hergestellten Scheiben wurde bestimmt, und es zeigte sich, dass
sich die Scheiben sogar um durchschnittlich 0,88% ausgedehnt hatten.
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Eine
weiterer Satz von sechs Scheiben wurde aus der gleichen Menge in
exakt der gleichen Weise hergestellt mit dem Unterschied, dass die
Maximaltemperatur im Brennofen bei 1150°C anstatt bei 1225°C erreicht
war. Diese wiesen eine durchschnittliche lineare Ausdehnung von
1,95% auf.
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Beispiel 3
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In
diesem Beispiel werden Probenstücke
unter Zugabe von einer Feldspatkomponente hergestellt und, zusätzlich zur
Auswertung des Größenveränderungseffektes,
wurde die Porigkeit der Probenstücke
untersucht. Die Messungen wurden bei zwei verschiedenen Brenntemperaturen
vorgenommen.
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Ein
Ausgangsgemisch wurde hergestellt mit 8,17 kg (36 Gew.-%) Bindeton,
9,08 kg (40% Gew.-%) Spodumen und 5,45 kg (24 Gew.-%) Feldspat.
Das Ausgangsgemisch wurde zwei Minuten lang in einer Hochleistungs-Mischmaschine
gemischt und dann wurden 3,52 kg (15,5% bezogen auf das Trockengewicht
des Ausgangsgemisches) Wasser hinzugefügt und das Mischen für weitere
zwei Minuten fortgesetzt. Dies führte
zu einer extrudierbaren Menge, die in den in Beispiel 1 verwendeten
Extruder gegeben wurde mit dem Unterschied, dass er mit einem quadratischen
12,7 mm Mundstück
ausgestattet war. Das Extrudat wurde in Abständen von 15,24 cm geschnitten,
um eine Reihe von Grünlingstäben herzustellen,
die dann bei 65,6°C
vier Stunden lang getrocknet wurden. Danach wurde die durchschnittliche Querschnittsabmessung
(Breite) bestimmt mit dem Ergebnis von 12,52 mm.
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Ein
Teil der getrockneten Grünlingstäbe wurde
bei einer Temperatur von 1210°C
gebrannt und ein weiterer Teil bei einer Temperatur von 1250°C. In beiden
Fällen
wurden die in Beispiel 1 beschriebenen Brennbedingungen und die
in Beispiel 1 beschriebenen Brennanlagen verwendet, wobei sie sich
nur in der Maximaltemperatur unterschieden. Nach dem Brennen wurde
die durchschnittliche Weitenabmessung der bei 1210°C gebrannten
Stäbe mit
12,42 mm und der bei der höheren
Temperatur gebrannten Stäbe
mit 12,60 mm gemessen. Folglich war der prozentuale Unterschied
der bei der geringeren Temperatur gebrannten Stäbe 0,811% (Schrumpfung) und
bei den Stäben,
die unter der höheren
Brenntemperatur hergestellt wurden, trat eine Ausdehnung um 0,61% auf.
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Bei
diesen Probenstücken
wurde dann die Offenporigkeit gemessen, wobei die Methode verwendet
wurde, die in der ASTM C-373 Wasserabsorptionsmethode beschrieben
ist. Die erhaltenen Werte waren 4,3% und 6,6% für die bei geringerer bzw. höherer Temperatur
gebrannten Stäbe.
Ein typischer keramischer Grundstoff, der aus dem gleichen Bindeton-
und Feldspatgemisch, jedoch ohne Spodumen, hergestellt ist und die
gleiche Porigkeit aufweist hat bekanntermaßen eine lineare Schrumpfung
von ca. 4 bis 8%. Dies deutet darauf hin, dass die erfindungsgemäßen keramischen
Grundstoffe beim Brennen eine geringe Größenveränderung erfahren, auch wenn
sie einen ähnlichen
Wertebereich der Porigkeit aufweisen wie ihn Produkte aus dem Stand der
Technik haben.
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Beispiel 4
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Dieses
Beispiel wertet die Wärmeschockbeständigkeit
und andere physikalische Parameter des die vorliegende Erfindung
kennzeichnenden keramischen Ausgangsgemisches aus.
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Eine
Charge, die die gleiche Zusammensetzung wie die in Beispiel 3 verwendete
aufweist, wurde unter Benutzung des gleichen Vorgehens zubereitet
und extrudiert, getrocknet und in der gleichen Weise gebrannt, außer dass
das Extrusionsmundstück einen
zylindrischen Querschnitt mit einem Durchmesser von 85 mm mit einer
Vielzahl von im Querschnitt dreieckigen durchführenden Öffnungen aufweist, und die
Brenntemperatur war 1210°C
und das Kühlen
fand über
20 Stunden statt. Die so gebrannten Stücke wurden dann einer Röntgenbeugungsanalyse
und Tests zum Messen der Porigkeit, Dichte und Bruchfestigkeit unterzogen.
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Die
Materialdichte und Offenporigkeit (mit Methoden gemäß ASTM-C
373 gemessen) waren 2,15 g/cm3 bzw. 7,0%.
Die Röntgenbeugungsanalyse zeigte,
dass der einzige Hauptpeak Beta-Spodumen entsprach, das die „ausgedehnte” Form von
Lithiumaluminiumsilicat ist. Die Bruchfestigkeit wurde an einzelnen
Stücken
gemessen, die horizontal ausgerichtet auf vier benachbarten Aluminiumoxidkugeln
im gleichen Abstand und mit einem Durchmesser von 12,7 mm aufgelegt
wurden, wobei eine Last auf eine fünfte, ähnliche Kugel angebracht wurde,
die sich obenauf in der Mitte des untersuchten Probestückes befand.
Die Last wurde sukzessive erhöht,
bis ein Bruch auftrat, bei dem die Ablesewerte der Last plötzlich sanken.
Die bei einer Stichprobengröße von 10
im Durchschnitt gemessene Bruchfestigkeit war 75,36 kg und die Standardabweichung
innerhalb der Gruppe der Messungen war 15,89 kg.
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Zehn
Probenstücke
wurden in eine Brennkammer gegeben und bis 816°C aufgeheizt und für eine Stunde
bei dieser Temperatur gehalten. Die Stücke wurden dann schnell entnommen
und in Wasser mit Zimmertemperatur geworfen; ein tatsächlich unmittelbarer
Abfall der Temperatur von ungefähr 800°C. Die Stücke brachen
oder rissen nicht. Nachdem sie getrocknet worden waren, wurden sie
in der gleichen Art und Weise wie oben dargelegt auf Bruchfestigkeit
untersucht. Dieses Mal war die durchschnittliche Bruchfestigkeit
87,62 kg mit einer Standardabweichung von wieder 15,89 kg. Auch
wenn es unsicher sein kann, daraus statistisch zu schließen, dass
die Festigkeit als Ergebnis des thermischen Ablaufs gestiegen ist,
ist es dennoch mit Sicherheit klar, dass es keine Verringerung der
Bruchfestigkeit gab.
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Beispiel 5
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Dieses
Beispiel wiederholt im Wesentlichen Beispiel 4 unter leicht veränderten
Bedingungen, um die Gültigkeit
der Schlussfolgerungen zu bestätigen.
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Die
in dem gleichen Verhältnis
gemischten Keramikkomponenten wurden verwendet, um ein extrudierbares
Ausgangsgemisch zu erstellen, mit dem einzigen Unterschied, dass
das hinzugefügte
Wasser 14,2 Gew.-% anstatt 15,65 Gew.-% des Trockengewichts des
Ausgangsmaterials war. Das Gemisch wurde unter Benutzung des gleichen
Extruders extrudiert, außer
dass das Extrusionsmundstück
einer Ringform mit vielen dreieckig geformten, durchführenden Öffnungen
entsprach und eine Gestaltung mit einem Durchmesser von ungefähr 68 mm
erzeugte. Die extrudierte Gestaltung wurde senkrecht zu der Extrusionsrichtung
geschnitten, um eine Vielzahl von keramischen Grünlingstücken herzustellen, die unter den
gleichen Bedingungen wie in Beispiel 4 beschrieben getrocknet wurden.
Der äußere Durchmesser der
getrockneten Grünlingstücke wurde
bestimmt, indem die Maximal- und Minimalwerte des Durchmessers erfasst
wurden und jeweils ein durschnittlicher Wert daraus abgeleitet sowie
dieses Ergebnis über fünf zufällig ausgewählte Stücke gemittelt
wurde. Der erhaltene Durchschnittswert war 65,52 mm.
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Die
Grünlinge
wurden in Brennkapseln gelegt und in einem Brennofen gebrannt, wobei
die Temperatur bis zur Maximaltemperatur von 1210°C um 70°C/h erhöht wurde.
Auf dieser Höhe
wurde die Temperatur für
drei Stunden gehalten, bevor sie über einen Zeitraum von 20 Stunden
auf Raumtemperatur abgekühlt
wurde. Der Durchmesser der gebrannten Probenstücke wurde auf die gleiche Art
und Weise gemessen wie der Grünlingsdurchmesser
gemessen wurde. Der gebrannte Durchschnittsdurchmesser war 65,44
mm, was eine durchschnittliche lineare Schrumpfung um 0,12% und
eine berechnete Volumenschrumpfung um 0,35% darstellt.
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In
einer Wiederholung dieses Experiments wurde eine andere Gruppe der
gleichen Grünlingsprobenstücke in den
selben Anlagen gebrannt, aber mit einer Aufheizgeschwindigkeit von
73°C/h und
einer Haltetemperatur von 1230°C.
An diesen Probenstücken
wurden dann die gleichen Messungen vorgenommen und sie wiesen einen
durchschnittlichen Durchmesser von 65,01 mm auf. Dies entspricht
einer linearen Schrumpfung um 0,78% und einer berechneten Volumenschrumpfung
um 2,3%.
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Diese
gebrannten Probenstücke
wurden auf Bruchfestigkeit und Wärmeschockbeständigkeit
nach der üblichen,
in Beispiel 4 beschriebenen Art und Weise untersucht. Die durchschnittliche
Festigkeit der gebrannten Stücke
war 61,29 kg. und, nachdem sie für
eine Stunde bei 427°C
gehalten wurden und dann in Wasser mit Zimmertemperatur geworfen
wurden, war die Bruchfestigkeit 82,63 kg. Diese Zahlen scheinen
die im vorherigen Beispiel erhaltenen Ergebnisse zu bestätigen.
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Beispiel 6
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Drei
Chargen von keramischen Pulvern wurden als Gemisch aus 0,59 mm (30
mesh) Feuerton, 0,85 nun (20 mesh) Feldspat und dem Spodumenpulver
bereitet. Die erste Menge, im Folgenden in diesem Beispiel als „Standard” bezeichnet,
enthielt 408 g Feuerton (60 Gew.-%) und 272 g Feldspat (40 Gew.-%).
Die zweite Menge, im Folgenden als 11,8% Spodumen bezeichnet, enthielt
408 g Feuerton (60 Gew.-%), 192 g Feldspat (28,2 Gew.-%) und 80
g Spodumen (11,8 Gew.-%). Die dritte Menge, im Folgenden als 17,6%
Spodumen bezeichnet, enthielt 408 g Feuerton (60 Gew.-%), 152 g
Feldspat (22,4 Gew.-%) und 120 g Spodumen (17,6 Gew.-%).
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Die
Komponenten für
jede Menge wurden in einem Hochleistungs-Mischer für 1 Minute
zusammengemischt. Dann wurde 120 g von vollentsalztem Wasser hinzugefügt (17,65
Gew.-% der trockenen Grundbestandteile)
und mit dem Mischen wurde fortgefahren bis die Materialien eine
einheitliche Konsistenz aufwiesen. Jedes Chargengemisch wurde dann in einen
einzelnen Extruder vom Auger-Stil im Labormaßstab gegeben und durch ein
rechtecktiges Mundstück
mit Querschnittsabmessungen von 16,5 mm und 13,5 mm extrudiert.
Die extrudierten Grünlinge
von jeder Charge wurden senkrecht zur Extrusionsrichtung in 25 mm
Längen
geschnitten. Die Grünlingstücke wurden
vollständig
getrocknet und für
jedes Stück
wurde die längere
der zwei ungeschnittenen Abmessungen (Breite) gemessen. Die Stücke wurden
dann gebrannt bei 3°C/min
bis zur Maximaltemperatur von 1170°C, und bei 1170°C zwei Stunden
lang gargebrannt. Nach dem Brennen wurde die Weitenabmessungen der
Teile wieder bestimmt und die lineare Schrumpfung berechnet. Die
prozentualen, linearen Schrumpfungswerte für den Standard, das 11,8% Spodumen
und das 17,6% Spodumen waren 2,35, 2,71 bzw. 2,44. Bei den Probenstücken wurde
dann die prozentuale Wasserabsorption gemessen (ASTM Standard C-373).
Die prozentualen Wasserabsorptionswerte für den Standard, das 11,8% Spodumen
und das 17,6% Spodumen waren 6,03, 2,37 bzw. 1,63. Daraus ist zu
entnehmen, dass bei verhältnismäßig gleicher
linearer Schrumpfung die Zugabe von Spodumen die prozentuale Wasserabsorption
verringern kann.
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Einige
gebrannte Probenstücke
wurden thermisch geschockt, indem sie auf 700°C aufgeheizt und in 19 Litern
Wasser mit Zimmertemperatur schnell abgeschreckt wurden. Die Festigkeit
der thermisch geschockten Probenstücke wurde im Vergleich zu den
ungeschockten Probenstücke
von jeder Testzusammensetzung gemessen. Die geschnittenen Enden
(senkrecht zur Extrusionsrichtung) der 25 mm-Stücke wurden flach und parallel
bearbeitet. Die Bruchfestigkeiten der einzelnen Stücke wurden dann
in der Extrusionsrichtung gemessen, aufgebracht auf einer kugelförmigen Siliziumnitridauflagefläche, wobei
ein Instron Belastungsmessgerät
mit einer Obergrenze von 10.000 kg verwendet wurde, in dem das Probenstück zwischen
parallele Stahlplatten platziert wurde und die Platten mit einer
Geschwindigkeit von 25 mm/min zusammengepresst wurden. Ein Bruch
trat auf, wenn der Lastmesswert in dem Instron Gerät plötzlich fiel
und der maximale Messwert war die Bruchfestigkeit. Die durchschnittliche
Bruchfestigkeit der Standard, der 11,8% Spodumen und der 17,6% Spodumen
Probenstücke,
die nicht thermisch behandelt wurden, waren 167 MPa, 254 MPa bzw.
272 MPa. Die durchschnittliche Bruchfestigkeit der schnell abgeschreckten
Probenstücke der
Standard, der 11,8% Spodumen und der 17,6% Spodumen Probenstücke waren
137 MPa, 215 MPa bzw. 256 MPa. Dies bedeutet, dass die Standard,
die 11,8% Spodumen und die 17,6% Spodumen Probenstücke eine
Festigkeit von 82%, 85% bzw. 94% behalten haben.
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Beispiel 7
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Drei
Chargen von keramischen Pulvergemischen wurden als Gemische von
0,59 mm (30 mesh) Feuerton, 0,30 mm (50 mesh) Feldspat und Spodumenpulver
hergestellt. Die erste Charge, im Folgenden in diesem Beispiel als „Standard” bezeichnet, enthielt
408 g Feuerton (60 Gew.-%) und 272 g Feldspat (40 Gew.-%). Die zweite
Charge, im Folgenden als 5% Spodumen bezeichnet, enthielt 387,6
g Feuerton 30 (57 Gew.-%), 258,4 g Feldspat (38 Gew.-%) und 34 g Spodumen
(5 Gew.-%). Die drifte Charge, im Folgenden als 20% Spodumen bezeichnet,
enthielt 326,4 g Feuerton 30 (48 Gew.-%), 217,6 g Feldspat (32 Gew.-%)
und 136 g Spodumen (20 Gew.-%).
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Die
Komponenten für
die Standardcharge wurden eine Minute lang in einer Hochleistungs-Mischmaschine zusammengemischt.
Dann wurde 120 g vollentsalztes Wasser hinzugefügt (17,65 Gew.-% der trockenen
Grundbestandteile) und mit dem Mischen wurde fortgefahren, bis die
Materialien eine einheitliche Konsistenz aufwiesen: Für die 5%
Spodumen- und 20% Spodumenmengen wurde der Feuerton und das Feldspat
in einer Hochleistungs-Mischmaschine
1 Minute lang zusammengemischt. Das Spodumen wurde unter Benutzung
eines Scherenmengers in dem Wasser vordispergiert. Die Spodumenlösung wurde
dann den anderen Komponenten in der Mischmaschine hinzugefügt, und
sie wurden auf hoher Intensitätsstufe
vermischt bis die Materialien eine einheitliche Konsistenz aufwiesen.
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Jedes
Chargengemisch wurde dann in einen einzelnen Labormasstab-Extruder
vom Auger-Stil gegeben und durch ein rechteckiges Mundstück mit Querschnittsausmaßen 16,5
mm und 13,5 mm extrudiert. Die extrudierten Grünlinge von jeder Menge wurde
dann senkrecht zur Extrusionsrichtung in 25 mm Langen geschnitten.
Die Grünlingstücke wurden vollständig getrocknet
und für
jedes Stück
wurde die längere
der zwei ungeschnittenen Abmessungen (Breite) gemessen. Jeweils
fünf von
den Sätzen
der Stücke
wurden dann gebrannt bei 3°C/min
bis zur Maximaltemperatur von 1140°C, 1170°C und 1200°C, und bei der Maximaltemperatur
zwei Stunden lang gargebrannt. Nach dem Brennen wurde die Breite
der Teile wieder gemessen und die lineare Schrumpfung berechnet.
Die linearen, prozentualen Schrumpfungswerte für den Standard, das 5% Spodumen
und das 20% Spodumen bei 1140°C
waren 3,72, 4,35 bzw. 3,99. Die linearen, prozentualen Schrumpfungswerte
für den
Standard, das 5% Spodumen und das 20% Spodumen bei 1170°C waren 4,13,
4,01 bzw. 2,60. Die linearen, prozentualen Schrumpfungswerte für den Standard,
das 5% Spodumen und das 20% Spodumen bei 1200°C waren 4,27, 4,18 bzw. –3,46 (lineare
Ausdehnung). Daraus ist zu entnehmen, dass das vordispergierte 20%
Spodumen verglichen mit dem Standardstoff eine reduzierte lineare
Schrumpfung aufweist, wenn es bei 1170°C und 1200°C gebrannt wird.
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Bei
den Probenstücken
wurden dann die prozentuale Wasserabsorption gemessen (ASTM Standard
C-373). Die prozentualen Wasserabsorptionswerte bei 1140°C für den Standard,
das 5% Spodumen und das 20% Spodumen waren 4,97, 3,34 bzw. 0,12.
Die prozentualen Wasserabsorptionswerte bei 1170°C für den Standard, das 5% Spodumen
und das 20% Spodumen waren 3,47, 0,81 bzw. 0,03. Die prozentualen
Wasserabsorptionswerte bei 1200°C für den Standard,
das 5% Spodumen und das 20% Spodumen waren 2,63, 0,02 bzw. 0,23.
Daraus ist zu entnehmen, dass Zugaben von vordispergiertem Spodumen
zu 5% und 20% den Grad der Wasserabsorption bei 1140°C, 1170°C und 1200°C verglichen mit
dem Standardstoff reduzieren.
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Diese
Arbeit zeigt, dass bei einer 5 Gew.-% Zugabe von vordispergiertem
Spodumen, ein Stoff eine lineare Schrumpfung zwischen 4,0% und 4,5% aufweisen
kann. Sie zeigt des Weiteren, dass die Wasserabsorption besagten
Stoffes je nach Brenntemperatur von 3,34% bei 1140°C über 0,81%
bei 1170°C
bis zu 0,02% bei 1200°C
angepasst werden kann.
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Diese
Arbeit zeigt, dass bei einer 20 Gew.-% Zugabe von vordispergiertem
Spodumen ein Stoff eine Wasserabsorption von weniger als 0,25% aufweisen
kann. Sie zeigt des Weiteren, dass die lineare Schrumpfung des besagten
Stoffes je nach Brenntemperatur von 3,99% bei 1140°C über 2,60%
bei 1170°C
bis zu –3,46%
(lineare Ausdehnung) bei 1200°C
angepasst werden kann.