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Verfahren zur Herstellung von feuerfesten Leichtsteinen mit keramischer
Bindung Für die Herstellung von feuerfesten Leichtsteinen, also porösen, keramischen
Produkten, sind Ausbrenn-, Lösungs-, Sublimations-, Verdampfungs-, Quellungs- und
Schaumverfahren bekannt. Auf Grund vorliegender Erfahrungen stellen die klassische
Ausbrennmethode und das moderne Schaumverfahren die zweckmäßigsten Arbeitsmethoden
dar, während man das Lösungs-, Sublimations- und Verdampfungsverfahren als überholt
ansieht, das Quellungsverfahren als nur wenig wirksam und das Gastreibeverfahren
als ziemlich schwierig durchführbar hält. Beim Ausbrennverfahren hat man Braunkohle,
Steinkohle, Torf, Haare, Lumpen usw., auch vorbehandelten Kork oder wässerige Lösungen
von Torf und verseiftem Harz oder Pech und schließlich auch Petrolkoks als Ausbrennstoffe
genommen.
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Die Schaumverfahren wenden Kondensationsprodukte als Porenbildner
an, z. B. Fettalkohol; Fettalkoholsulfate, Alkylsulfonate, Alkylacrylsulfonate
USW.
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Mit diesen bekannten Verfahren hat man Leichtsteine mit Porositäten
von bis 44% bzw. 67% bei Raumgewichten von 0,6 bis 1,40 kg/dms und Kaltdruckfestigkeiten
von 15 bis 75 kg/cm2 als Bestwerte erzielt, wobei sich die unteren Werte auf Schaumverfahren
und die oberen Werte auf Ausbrennverfahren mit Petrolkoks beziehen. Aus diesen Werten
ist ersichtlich, daß sie keineswegs als besonders günstig anzusprechen sind. Sie
erklären auch die Tatsache, daß die Technik bei der Anwendung von feuerfesten Leichtsteinen
nach diesen bekannten Verfahren hergestellt, nur einen beschränkten Gebrauch gemacht
hat.
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Die vorliegende Erfindung beinhaltet eine wesentliche Verbesserung
der Porositätswerte in Verbindung mit dem Raumgewicht und den Festigkeitswerten.
Sie betrifft ein Verfahren zur Herstellung von feuerfesten Leichtsteinen und Isoliermassen
unter Anwendung des Ausbrennverfahrens, bei dem Ausbrennstoffe mit Ton und gegebenenfalls
Füllstoffen vermischt, die Mischung verformt, getrocknet und gebrannt wird.
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Die Lösung nach der Erfindung besteht darin, daß an sich bekanntes,
geblähtes Polystyrol verwendet wird als Ausbrennstoff in einer Körnung zwischen
0,1 bis 3,0 mm, einer Toleranz von ±0,2 mm und einem Raumgewicht von 0,004 bis 0,015
kg/dmg mit der Maßgabe, daß das geblähte Polystyrol bei der späteren Verarbeitung
volumbeständig bleibt und deshalb von seiner Weiterverwendung etwa 8 bis 14 Tage
zur Alterung gelagert ist, daß die Kornverteilung des Gemisches von Porenträgern,
Bindemitteln und gegebenenfalls Füllstoffen nach den Gesetzen der dichtesten Packung
in der Weise gewählt ist, daß die Stege zwischen den Polystyrolkörnem eine Dicke
von 5 bis 200 w aufweisen.
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Das Blähen selbst geschieht nach bekannten Verfahren, wie Kochen im
Wasser, Behandeln mit Dampf oder auch Behandeln mit Warmluft oder Infrarotstrahlung
in einem Wärmekanal. Je nach der angewendeten Methode, in Sonderheit der Zeit, während
der man das Blähen vornimmt, ergeben sich viele kleine Zellen in Wabenstruktur beim
langsamen Blähen, die um so größer werden, je rascher die oberen Blähtemperaturen
erreicht werden.
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Die einzelnen Polystyrolkörner werden nach Korngrößen klassiert. Für
die erfindungsgemäße Weiterverwendung kommt an sich ein Bereich von 0,1 bis 3 mm
in Frage, der wieder in einzelne Bereiche mit einer Toleranz von ± 0,2 mm unterteilt
wird, d. h. es wird z. B. eine Korngröße von 1 mm ausklassiert, und die einzelnen
Korngrößen liegen hierbei zwischen 0,8 und 1,2 mm. Die Klassierung erfolgt zweckmäßigerweise
mit Luftsichtern. Vor der Weiterverwendung, gegebenenfalls auch schon vor der Klassierung,
müssen erfindungsgemäß die Körner eine gewisse Zeit gelagert werden, damit diese
für die spätere Verarbeitung volumbeständig bleiben, einen pseudostabilen Zustand
erreichen.
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Die Lagerung soll erfindungsgemäß bis zu 14 Tagen, vorzugsweise bis
zu 8 Tagen betragen. Die Wände der Polystyrolkörner haben eine Dicke von 3 bis 6
#t und müssen so bemessen sein, damit bei der Verarbeitung die Körner nicht zusammengedrückt
werden.
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Für die eigentliche Herstellung der Leichtsteine werden nun die Polystyrolkörner
mit Ton oder auch sonstigem feuerfesten Material vermischt; der als Bindemittel
zuizesetzte Teildes Tones kann in Form
eines Schlickers verwendet
werden, wobei vorteilhafterweise maximal 40% des zugesetzten Tons in Form von Schlicker
verwendet werden. Es kommt bei der Mischung des Tones darauf an, daß die Zwischenräume
zwischen den einzelnen Polystyrolkörnern als Porenträger mit Ton ausgefüllt werden
und daß die Tonmasse in sich ein geschlossenes Ganzes bildet, wobei an den engsten
Stellen zwischen den einzelnen Polystyrolkörnern Stege mit einer Dicke von 5 bis
200 1, vorzugsweise von 20 [, und mehr vorhanden sein müssen. Die Kornverteilung
des Gemisches von Polystyrol, Bindemittel und gegebenenfalls Füllstoff erfolgt nach
den Gesetzen der dichtesten Packung.
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Für die Herstellung der Masse wird einem weiteren Merkmal zufolge
Anmachwasser in entsprechender Menge verwendet, dem an sich bekannte Netzmittel
zugesetzt werden können. Die Masse wird alsdann mit den Polystyrolkörnern vermischt
und zu den Steinen verformt. Danach erfolgt das Trocknen und das Brennen, wie es
für feuerfeste Steine üblich ist, d. h. die Brenntemperatur wird so hoch gewählt,
daß eine keramische Bindung eintritt. Bei dem Brennen wird das geblähte Polystyrol
verbrannt bzw. vergast. Es bleiben lediglich die Hohlräume in dem Steinskelett zurück.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist an sich ein Ausbrennverfahren.
Es hat aber gegenüber dem bekannten Ausbrennverfahren den Vorteil, daß gewichtsmäßig
gesehen nur eine ganz geringfügige Menge ausgebrannt werden muß. Werden z. B. drei
Volumteile Porenträger mit einem Teil Ton gemischt, so beträgt gewichtsmäßig der
Porenträgeranteil nur ungefähr 3 %, weil auf z. B. 3 äm3 Porenträger, die weniger
als 36 g wiegen, 1 dm3 gemahlener Ton mit einem Gewicht von 1,2 kg kommt.
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Bei der Vergasung solcher geringfügigen Mengen liegt also nicht. die
Gefahr der explosivartigen Entwicklung von Gasen vor, die zur Sprengung oder auch
zur Rißbildung des Brennkörpers führen. Des weiteren hat das Polystyrol keine Aschenrückstände.
Die Feuerfestigkeit des Leichtsteines richtet sich also auschließlich nach der Zusammensetzung
des verwendeten Tones bzw. der dem Ton zugesetzten sonstigen feuerfesten Stoffe,
wobei der Feinheitsgrad dieser Materialien sehr weit getrieben werden kann. Die
Porosität des Steines kann gleichfalls von vornherein genauestens festgelegt werden,
weil sie eben lediglich durch die Abmessungen der Polystyrolkörner bestimmt wird.
Die Poren bilden sich nicht erst während des Ausbrennens.
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Das gleiche gilt für das Raumgewicht. Die Festigkeitswerte andererseits
sind ebenfalls von vornherein bestimmbar. Sie hängen von den stehengebliebenen Stegen
zwischen den ausgebrannten Porenträgern ab. Bei Verwendung von kleinen Porenträgern,
z. B. bis zu 0,5 mm Durchmesser, ergibt sich eine größere Zahl von Stegen, als wenn
Porenträger von größerem Durchmesser bis zu 1 oder 3 mm angewendet werden und demgemäß
eine höhere Festigkeit des resultierenden porigen Körpers. Zwischen dem Raumgewicht
des sich aus der Mischung und der weiteren Behandlung ergebenden feuerfesten Leichtsteines
und dem zugesetzten Prozentsatz an Porenträgern besteht ein echter Zusammenhang.
Die Höhe des Zusatzes an Porenträger, die das Raumgewicht des fertigen Steines bestimmt,
kann nach vier Seiten beeinflußt werden: 1. Durch das Maximalkorn der Massebestandteile.
Berücksichtigung findet hierbei die Korngrößenverteilung, wie sie in bezug auf die
dichteste Packung in der keramischen Industrie durch die drei Kurven von Litzow,
Andreasen und F u 11 e r für verschiedene Maximalkorngrößen unter Anwendung des
Exponenten q von z. B. = 1/2 oder 1/s, charakterisiert ist. Im einzelnen braucht
auf die Bedeutung und die Folgerungen, die aus diesen Kurven gezogen werden, nicht
näher eingegangen zu werden; es sei lediglich auf Harders-Kienow »Feuerfestkunde«,
1960, Springer-Verlag, Berlin, Göttingen, Heidelberg, S. 81 u. f., verwiesen.
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2. Durch die Veränderung der Wahl des Korngrößenbereiches des Porenträgers.
Beim Zusatz eines großen Porenträgeranteils fällt das Raumgewicht des gebrannten
Steines niedriger aus, während bei einem geringeren Porenträgeranteil sich das Raumgewicht
des gebrannten Steines erhöht. Einen geringeren Anteil an Porenträger bekommt man
im Rahmen der Gesamtkornverteilung nach 1 durch Wahl eines engen Korngrößenbereiches
für den Porenträger, einen größeren Anteil andererseits erhält man durch einen weiten
Korngrößenbereich.
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3. Änderung des Verhältnisses des Bindemittels, beispielsweise von
Schamotte als Füllstoff und Ton zueinander, wobei zu beachten ist, daß der Ton selbst
in einem gewissen Grade als Porenträger auftritt, insofern, als er bis zu 30 % seines
Gewichtes an gasförmigen Bestandteilen verliert, beispielsweise als Glühverlust
und zum Teil als anhaftende Feuchtigkeit, während Schamotte keinen Glühverlust aufweist.
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4. Ausblähzustand des Porenträgers, gekennzeichnet durch sein Raumgewicht.
Je nachdem, ob der Ausblähzustand des Porenträgers an der unteren Grenze eines Raumgewichts
von 0,004 kg/dm3 oder an der oberen Grenze von 0,015 kg/dm3 liegt, wird für ein
bestimmtes Raumgewicht des gebrannten Steines ein niedrigerer Gewichtsprozentsatz
an Porenträger oder ein höherer notwendig sein. Das Verfahren sei an einem Beispiel
beschrieben: Aus einem Polystyrolpulver mit einem Korndurchmesser von 0 bis 2,0
mm wurden durch Blähung Porenträger von 0,1 bis 25,0 mm Durchmesser erzeugt. Die
Blähung erfolgte in kochendem Wasser bei einer Temperatur von 100° C. Nach dem Blähen
wurden die Porenträger 10 Tage gelagert. Alsdann erfolgte eine Windsichtung und
eine Klassierung in die verschiedenen Kornklassen. Die Porenträger hatten ein Raumgewicht
von 0,015 kg/dms. Auf 3 Volumteile Polystyrol kam 1 Volumteil Ton, der zu 40 % verschlickert
war. Das Anmachwasser führte zu einem Feuchtigkeitsgehalt der Masse von 280/a. Nach
Mischung der Masse in einem Eirichmischer, Verformung durch Auspressen auf einer
Strangpresse bei Wahl eines geeigneten Mundstückes wurde alsdann der Preßling getrocknet
und bei 1380° C im Tunnelofen gebrannt. Es ergab sich ein Leichtstein mit einer
Porosität von 73 %, einem Raumgewicht von 0,70 kg/dm3 und einer Druckfestigkeit
von 60 kg/cm2. Bei Verwendung eines
Tones mit 36% A1203 resultierte
eine Druckfeuerbeständigkeit (DFB) von 1420°C unter einer Belastung von 0,5 kg/cm2.