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Verfahren zur Herstellung von feuerfesten Leichtsteinen mit einer
Porosität von mindestens 65 0/0 Feuerfeste Leichtsteine dienen zur Wärmeisolierung
von Öfen und Feuerungen aller Art, da sie sich durch geringe Wärmeleitfähigkeit
und geringes Wärmespeichervermögen infolge hoher Porosität auszeichnen. Im allgemeinen
haben Feuerleichtsteine eine Raumdichte unter 1,3. Sie werden hergestellt entweder
unter Verwendung von porösen Rohstoffen oder durch Anwendung von sogenannten Ausbrennstoffen,
also Substanzen, die bei der Steinherstellung vollständig verbrennen unter Zurücklassung
eines Hohlraumes, oder auch durch Einmischen von verdampfbaren Stoffen, welche die
Masse durch Schaumen auftreiben. Im allgemeinen werden derartige Produkte als Gasbeton
bezeichnet. Werden poröse Rohstoffe, wie Vermiculit oder Kieselgur angewandt, so
dient als Bindemittel ein Ton. Werden Ausbrennstoffe angewandt, so können diese
alle möglichen Arten von organischen und anorganischen Substanzen sein, insbesondere
Holzmehl, Sägespäne, Getreideabfälle oder auch Kunststoffabfälle, Kunststoffhohlkugeln
od. dgl. Mit Hilfe von Ausbrennstoffen erreicht man beispielsweise unter Anwendung
von Schamotte Silika oder Sillimanit eine Raumdichte von 0,7 bis 1,2. Bei Schaumsteinen
oder Gasbeton kommt man auch auf geringere Raumdichten bis 0,4. Jedoch lassen sich
diese Materialien dann nicht mehr in der Art von Feuerleichtsteinen vermauern. Ihre
Kaltdruckfestigkeit ist so gering, daß sie bei geringer Stapelhöhe bereits unter
ihrem Eigengewicht zerdrückt werden.
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Bei der Herstellung von Feuerleichtsteinen sind also die beiden gegensätzlichen
Eigenschaften Porosität und Druckfestigkeit bei ausreichender Feuerbeständigkeit
zu beachten. Bei ausreichender Feuerfestigkeit und Kaltdruckfestigkeit wird somit
dann ein Material einem anderen überlegen sein, wenn dessen Porosität höher und
damit seine Raumdichte und seine Wärmeleitfähigkeit geringer ist.
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Nimmt man an, daß die Ausbrennstoffe Kugeln sind, so nehmen diese
innerhalb eines gegebenen Volumens 62,5 % ein, vorausgesetzt, daß die von den Ausbrennstoffen
zurückgelassenen Hohlräume untereinander nicht in Verbindung stehen. Da die Wandstärke
zwischen den Hohlräumen nach Ausbrennen der Ausbrennstoffe jedoch eine gewisse Dicke
aufweisen müssen, um die erforderliche Druckfestigkeit zu gewährleisten, ergibt
sich, daß mit einer Porosität auf der Basis der Hohlräume aus den ausgebrannten
Kugeln von maximal 49,5% gerechnet werden kann. Bei den für die Herstellung von
Leichtsteinen angewandten keramischen- Massen ergibt sich eine Wandporosität nicht
über 30% für die Gewähr-Leistung der ausreichenden Kaltdruckfestigkeit. Unter Berücksichtigung
einer Porosität von 49,5 % durch Ausbrennen von Kugeln und von maximal 30% Wandporosität
liegt die Gesamtporosität bei 650/0.
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Es ist bereits ein Verfahren zur Herstellung von Feuerleichtsteinen
bekanntgeworden, wobei in einer bildsamen Masse aus dem Keramikmaterial Polystyrolperlen
oder -hoblkugeln eingearbeitet werden und diese Masse dann durch Strangpressen oder
Preßformen zu dem gewünschten Steinformat verarbeitet wird. Derartige Feuerleichtsteine
besitzen eine Porosität von maximal 65 %, nachdem die Ausbrennstoffe innerhalb der
plastischen Masse vollständig eingebettet sind und der Raum zwischen den Ausbrennstoffen
durch die Formungsart - also Strangpressen - mit dieser Masse gefüllt ist.
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Um nun Feuerleichtsteine mit einer höheren Porosität als 65% bei ausreichend
hoher Druckfestigkeit herstellen zu können, muß - wie aus obigen theoretischen Ausführungen
hervorgeht - eine weitere Art von Poren oder Hohlräumen in dem Fertigprodukt vorliegen.
Die Erfindung bringt nun ein Verfahren zur Herstellung von Feuerleichtsteinen mit
einer Porosität über 651/o mit für den Anwendungszweck ausreichender Kaltdruckfestigkeit
bei hervorragender Isolierwirkung. Die Raumdichte der erfindungsgemäß erhaltenen
Produkte hängt ab von dem jeweils angewandten Keramikmaterial. Das erfindungsgemäße
Verfahren zur Herstellung feuerfester Leichtsteine mit einer Porosität von mindestens
65
% durch Formen, Trocknen und Pressen eines Gemisches aus keramischem Pulver, Bindemittel
und Anmachflüssigkeit sowie einem organischen, körnigen, ausbrennbaren Material
ist dadurch gekennzeichnet. daß man die Teilchen des körnigen Materials mit dem
Gemisch aus keramischem Pulver, Bindemittel und Anmachflüssigkeit in dünner Schicht
umhüllt und, ohne die Zwischenräume zwischen den mit keramischer Masse überzogenen
Teilchen zu zerstören, formt.
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Bei den nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erhaltenen Feuerleichtsteinen
liegt also eine weitere Art von Porosität vor, und zwar Zwischenräume zwischen den
mit keramischem Material umschlossenen Hohlräumen nach Ausbrennen des körnigen Materials.
Es handelt sich dabei um Zwischenräume, wie sie beispielsweise _ bei einer Kugelschüttung
zwischen den einzelnen Kugeln vorliegt. Diese dritte Art von Porosität kann mindestens
5% ausmachen. Auf diese Weise erreicht man Leichtsteine mit einer Gesamtporosität
von bis etwa 97%, wobei noch immer ein Körper erreicht wird, der eine für die Anwendung
ausreichende Kaltdruckfestigkeit besitzt. Ein nach dem erfindungsgemäßen Verfahren
hergestellter Feuerleichtstein mit einer Porosität von 97% besitzt z. B. eine Kaltdruckfestigkeit
von 3,5 kg/cm2. Für bestimmte Zwecke reicht aber bereits eine Kaltdruckfestigkeit
von etwa 0,7 kg/cm2 aus. Dies entspricht z. B. einer Raumdichte von 0,5. Dieses
Material läßt sich, ohne daß es unter ihrem eigenen Gewicht zerdrückt wird, bis
zu etwa 18 m Höhe aufmauern.
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Als organisches, körniges, ausbrennbares Material kann man jedes hierfür
bekannte Material anwenden. Zweckmäßigerweise soll jedoch die Korngröße des körnigen
Materials zwischen 0,25 und 6,35 mm liegen. Man erhält auf diese Weise unter Berücksichtigung
der Brennschwindung Hohlräume in der Größenordnung von 0,25 bis 7,62 mm. Das ausbrennbare,
körnige Material soll vorzugsweise kugelig oder weitgehend kugelig sein. Besonders
geeignet sind Polystyrolperlen. Man kann jedoch auch unregelmäßig geformtes körniges
Material wie Korkmehl anwenden.
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Als keramisches Material, Binder und Anmachflüssigkeit können die
in den einschlägigen Industrien angewandten Produkte zur Anwendung gelangen.
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Die mit der Paste aus keramischem Pulver, Bindemittel und Anmachflüssigkeit
überzogenen Ausbrennstoffe werden in üblicher Weise geformt, getrocknet und gebrannt.
Beim Formen ist darauf zu achten, daß kein so hoher Formdruck angewandt wird, daß
die Zwischenräume zwischen den mit der Keramikpaste überzogenen Ausbrennteilchen
zugedrückt werden. Das Formen geschieht also zweckmäßigerweise durch leichtes Einrütteln
oder Einstreichen der fertigen Masse in die Formen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren wird an Hand der Beispiele näher erläutert.
| Beispiel I |
| Gewichtsteile |
| Tonerde, gebrannt (< 43 [,) . . . . . . . . 94 |
| A12(OH)5C1 - 2,5 aq . . . . . . . . . . . . . . . . 6 |
| Wasser ........................... 15 |
| 2%ige Methylcelluloselösung . . . . . . . 12 |
| Polystyrolperlen, Durchmesser |
| 0,25 mm, Schüttgewicht 32 kg/m3 . . 12 |
Aluminiumoxychlorid wurde in Wasser gelöst, mit Methylcelluloselösung gemischt und
dann das Tonerdepulver eingearbeitet. In die erhaltene Paste in glatter, kremiger
Konsistenz wurden die Polystyrolperlen eingerührt und die Konsistenz der Mischung
so eingestellt, daß die Perlen mit der Paste nur überzogen waren. Diese Masse wurde
nun in eine Form gegossen und unter einem sehr geringen Druck geformt, getrocknet
und bei 1750° C gebrannt. Dabei brannten die Perlen aus und das Aluminiumoxychlorid
zersetzte sich unter Bildung eines feinen aktiven Aluminiumoxyds, das die Mischung
einer Sinterhilfe besitzt. Man erhielt ein Produkt mit einer Porosität von 94'%
und einer Haltdruckfestigkeit von 5,27 kg/cm2. Die Größe der Hohlräume durch Ausbrennen
der Polystyrolkugeln betrug 2,28 mm.
| Beispiel II |
| Gewichtsteile |
| Tonerde, gebrannt (< 43 g) . . . . . . . . 99 |
| Kolloidale Tonerde . .......... .... . 1 |
| Wasser ........................... 16 |
| 2%ige Methylcelluloselösung ....... 12 |
| Polystyrolperlen (wie Beispiel 1) ..... 3 |
Die kolloidal feine Tonerde wurde mit Wasser angerührt und dann weiter entsprechend
Beispiel 1 verfahren.
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Hier wurde eine Methylcelluloselösung angewandt, um die Mischung viskoser
zu machen und um dem Körper eine ausreichende Grün- und Trockenfestigkeit zu geben.
Man kann natürlich auch andere organische Bindemittel verwenden.
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Das Produkt hatte eine Gesamtporosität von 700/0 und eine Kaltdruckfestigkeit
von 18,3 kg/cm2.
| Beispiel III |
| Gewichtsteile |
| Geschmolzene, nicht stabilisierte |
| Zirkonerde (- 5 R,) . . . . . . . . . . . . . . 20 |
| Geschmolzene, stabilisierte Zirkonerde |
| (_ 5 R,) ........................ 40 |
| Geschmolzene, stabilisierte Zirkonerde |
| (- 44 R,) ....................... 20 |
| Zirkoniumoxychlorid . . . . . . . . . . . .. .. 4 |
| Wasser ......................... . . 5 |
| 2%ige Methylcelluloselösung . . . . . . . . 6 |
| Polystyrolperlen, Durchmesser |
| 0,25 mm, Schüttgewicht 32 kg/m3 . . 4 |
Das Zirkoniumoxychlorid wurde in Wasser gelöst, mit der Methylcelluloselösung versetzt
und die Zirkonerde unter Bildung einer Paste eingearbeitet, mit dieser wurden dann
Polystyrolperlen bedeckt. Das Ganze wurde geformt, getrocknet und gebrannt entsprechend
Beispiel
1. Der erhaltene Formkörper hatte eine Porosität von 80 % und eine
Kaltdruckfestigkeit von über 35 kg/cm2.
| Beispiel IV |
| Gewichtsteile |
| Siliciumpulver (< 5 [,) . . . . . . . . . . . . . 24,2 |
| 2%ige Methylcelluloselösung . . . . . . . . 13,7 |
| Polystyrolperlen, Durchmesser |
| 1,52 mm, Schüttgewicht 23 kg/m3 . . 2,1 |
Die Bestandteile wurden gemischt, die Masse in eine runde Pappkartonform mit einem
Durchmesser von 98 mm gefüllt, eingerüttelt und mit Hilfe einer flachen Platte mit
der Hand eingedrückt. Der Preßlina wurde 3 Stunden an der Luft und dann in einem
Ofen
über Nacht bei 175° C getrocknet, in einer Stickstoffatmosphäre gebrannt, und zwar
in 6 Stunden Aufheizen auf 600° C, 1 Stunde bei 600° C zum Ausbrennen der Perlen,
in 8 Stunden Aufheizen bis 1390° C und 10 Stunden auf dieser Temperatur Brennen,
um das Silicium in Siliciumnitrid zu überführen und damit eine Bindung zu erreichen.
Dieser Formling hatte dann einen Gehalt von 86% Si3N4 und 14% Si und bei diesen
Mengenverhältnissen eine theoretische Dichte von 3,3 g/cm3. Das erhaltene Produkt
hatte jedoch eine Raumdichte von 0,44 g/cm3 entsprechend einer Porosität von 870/0.
Die Druckfestigkeit betrug 25,3 kg/cm2.
| Beispiel V |
| Gewichtsteile |
| Siliciumcarbidpulver (- 3 R,) . . . . . . . . 65 |
| 2%ige Methylcelluloselösung . . . . . . . . 8 |
| Wasser ........................... 27 |
| Polystyrolperlen, |
| Durchmesser 1,52 mm . . . . . . . . . . . 7 |
Das Siliciumcarbidpulver wurde in die Flüssigkeiten eingebracht, zu einer klebrigen
Paste mit zäher Konsistenz vermischt und dann die Perlen darin homogen verteilt.
Entsprechend Beispiel 1 wurde geformt, getrocknet und in reduzierender, kohlenstoffhaltiger
Atmosphäre 15 Minuten- bei 1800° C gebrannt. Man erhielt ein Produkt mit einer Raumdichte
von 0,5 g/cm3 und einer Porosität von 84%. Die Druckfestigkeit betrug 2,68 kg/cm2.