DE1646449A1

DE1646449A1 - Feuerfestes Isoliermaterial

Info

Publication number: DE1646449A1
Application number: DE19671646449
Authority: DE
Inventors: Myles Thomas A
Original assignee: Carborundum Co
Current assignee: Unifrax I LLC
Priority date: 1966-10-17
Filing date: 1967-10-17
Publication date: 1971-07-22
Also published as: NL6714028A; DE1646449B2; GB1166380A; US3467535A; ES346067A1; CH515861A; BE705142A

Description

The Carborundum Company

1ό2ρ Buffalo Avenue

Niagara Falls, New York

USA 16. Okt. 1967

Feuerfestes Isoliermaterial.

Die Erfindung bezieht sieh auf ein feuerfestes Isoliermaterial für eine Verwendung bei Temperaturen bis zu sowie auf ein Verfahren zu seiner Herstellung.

Es oesteht ein ständig wachsender Bedarf an wirksameren Isoliermaterialien, die hohen Temperaturen widerstehen korinen und leicht in die verschiedensten Formen zu bringen sind. Insbesondere zum Schmelzen, Transportieren und Gießen von Nichteisenmetallen werden Isoliermaterialien von großer Festigkeit, hohem Widerstand gegen Erosion und Benetzung durch das Metall, guter Temperaturwechselbeständigkeit und guter Wärmeisolierung bei hohen Temperaturen benötigt. Darüoerhinaus sollen die Materialien leicht zu gebrauchen sein und möglichst wenig kosten.

Es sind verschiedene feuerfeste Isoliermaterilaien in Form fertiger Steine entwickelt worden, die aber flir eine Verwendung als Futtermaterial, Tiegel-Ausgüsse und dergleichen nicht sonderlieh geeignet sind, da sie entweder eine zu hohe Dichte haben oder, wenn ihre Dichte klein genug ist, zu teuer sind. Außerdem ist die Verwendung von Steinen und anderen vorgeformten Isoliermaterialien auf verhältnismäßig einfache Formen und damit auf Anwendung bescrxrankt, die mit der Form der Steine in Übereinstimmung zu bringen sind, beispielsweise das Auskleiden von Kasseln, industriellen Öfen und dergleichen.

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Feuerfeste Zemente, die an Ort und Stelle in eine beliebige Form zu bringen sind, sind erhältlich. Diese Materialien haben jedoch bei hohen Temperaturen eine schlecile Isolationswirkung, geringe Festigkeit, hohe Dichte oder eine Kombination dieser Eigenschaften, so daß sie nicht sehr brauchbar sind.

Die Erfindung bezweckt, ein feuerfestes Material mit einer guten Isolationswirkung, hoher Temperaturwechselbeständigkeit und hohem Widerstand gegen Erosion und Benetzung durch geschmolzenes Metall zu schaffen, das bei Temperaturen bis hinauf zu 1315°C verwendet werden kann, leicht an Ort und Stelle in verhältnismäßig komplizierte Formen zu bringen ist und dann die gewünschte Dichte aufweist.

hält
Gemäß der Erfindung entfällt ein feuerfestes Isoliermaterial für eine Verwendung bei Temperaturen bis zu 1^15°C 1 bis

Aluminiumsilikat-Fasern, 1 bis 1o# sehr feinteiliges Siliziumdioxid und ^o bis 98 % eines hydraulischen Kalziumaluminat-Bindemittels.

Vorzugsweise hat das feuerfeste Isoliermaterial Gehalte von 7,5 bis 8$ Aluminiumsilikat-Fasern, 6-9$ sehr feinteiligem Siliziumdioxid und 68 bis 8ö# hydraulischem Kalziumaluminat-Bindemittel und dabei eine Dichte von o,48 bis 1,28 g/cm^.

Nach weiteren Ausführungsformen der Erfindung kann das feuerfeste Isoliermaterial außerdem noch nichtfaseriges Material von im wesentlichen der gleichen chemischen Zusammensetzung wie die Fasern enthalten.

Bei einem Verfahren zum Herstellen eines feuerfesten Isoliermaterials mit einer Dichte von o,48 bis 1,28 g/cnr wird erfindungsgemäß eine Suspension aus 32 bis 68$ Wasser und 68 bis 32$ einer Mischung hergestellt, die 1 bis 1o# Aluminiums illket-Fasern, 1 bis 1o# sehr feintelliges Siliciumdioxid und 4o bis 98$ des hydraulischen Kalziumaluminat-Bindemittels enthält, wird weiterhin diese Suspension in

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die gewünschte Form gebracht, erhärten gelassen und getrocknet.

Es hat sich erwiesen, daß die Aluminiumsilikat-Pasern wegen ihrer Festigkeit, Feuerfestigkeit und niedrigen Wärmeleitfähigkeit für ihre Verwendung gemäß der vorliegenden Erfindung besonders geeignet sind. Vorzugsweise haben die Fasern eine durchschnittliche Länge von 12,5 bis 25 mm und einen Durchmesser von 1 bis 2o Mikron, wobei das Verhältnis von Länge zu Durchmesser mindestens 1ooo zu 1 betragen sollte.

Die im Handel erhältlicheiAluminiumsilikat-Fasern sind normalerweise mit nichtfaserigem Material von im wesentlichen der gleichen chemischen Zusammensetzung wie die Fasern vermischt. Das nichtfaserige Material, das im allgemeinen als "Geschossenes" (khot") bezeichnet wird, kann vor der erfinäungsgemäßen Verwendung der Fasern von diesen entfernt werden. Die Faser kann auch in ihrer handelsüblichen Form, d.h» zusammen mit dem "Geschossenen" verwendet werfen, so lange dieses einen Anteil von Ko% der erfindungsgemäßen Mischung nicht übersteigt. Werden der Mischung mehr als Ko% "Geschossenes" beigegeben, so erhält sie eine verminderte Festigkeit und Wärmeleitfähigkeit. Kleinere Anteile verschlechtern die Eigenschaften der Mischung jedoch nicht.

Das sehr feinteilige Siliziumdioxid sollte eine Teilchengröße von weniger als 5 Mikron und vorzugsweise eine submikroskopische Teilchengröße haben. Derartiges Siliziumdioxid wirkt als Verdicker, wenn die Mischung mit Wasser angemacht wird. Außerdem verkleinern die feinen Teilchen das Hohlraumvolumen der Mischung und verbessern damit die Isolationseigenschaften bei höheren Temperaturen. Für die Wirkung als Verdicker ist es wichtig, daß die Siliziumdioxid-Teilchen große Oberflächen haben. Daher ist ein amorphes Siliziumdioxid ^u bevorzugen, da dessen Teilchen wegen ihrer extrem geringen Größe, die in der Größenordnung von 12 Millimikron liegt, große Oberflächen aufweisen.Das Kalziumaluminat und auch die anderen Bestandteile der erfindungsgemäßen

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Mischung sollten möglichst frei von Eisen sein, da merkliche Gehalte an Eisen, d.h. mehr als k%, die Feuerfestigkeit der Mischung empfindlich verringern.

Die Erfindung soll im folgenden anhand von Ausführung sbeispielen weiter erläutert werden.

Ausführungsbeispiel I

Feuerfeste Aluminiumsilikat-Fasern, sehr feinteiliges Siliziumdioxid und ffeinteiliges Kalziumaluminat wurden in folgendem Verhältnis trocken gemischt:

Aluminiumsilikat - Fasern 1o# Siliziumdioxid 1%

Kalziumaluminat-Bindemittel

1oo %

Als Siliziumdioxid wurde ein sehr reines amorphes Erzeugnis mit 99,8$ Siliziumdioxid-Gehalt, das eine durchschnittliche Teilchengröße von ungefähr 12 Millimikron hatte, verwendet. Dieses Material ist von der Cabot Corporation unter dem Namen " CAB-O-SIL" erhältlich. Das Bindemittel war ein Kalziumaluminat -Zement mit niedrigem Eisengehalt, der von der Universal Atlas Cement Company unter dem Namen ^MRefcon" erhältlich ist. Die Aluminiumsilikat-Fasern wurden von der Carborundum Company unter dem Namen "Fiberfrax" hergestellt, Sie waren zur Entfernung des "Geschossenen" in bekannter Weise behandelt worden.

Die genannte Mischung wurde mit Wasser im Verhältnis 36$ Mischung zu 6k% Wasser zu einer weichen, homogenen Schlämme angemacht. Hierzu kann eine einfache Flügel-Mischmaschine oder ein Band-Mischer verwendet werden. Die Mischzeit, die zur Herstellung einer genügend homogenen Schlämme benötigt wird, hängt von der Art des Mischers und der Viskosität der Schlämme ab. Ein Mischen über das notwendige Maß hinaus sollte jedoch vermieden werden, da beim Mischen die

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Pasern zerkleinert werden können und sich hierdurch eine geringere Festigkeit des Endprodukts ergibt. Die Schlämme wurde in eine Form gebracht und darin gestampft, damit die Form überall ausgefüllt wurde. Die Masse wurde dann 18 Stunden lang härten gelassen und danach bei einer Temperatur von mindestens 37o C getrocknet. Die Trockenzeit betrug 1Ö bis 24 Stunden. Sie hängt jedoch von der Größe des Erzeugnisses und der Trockentemperatur ab und kann dementsprechend variieren. Das getrocknete Stück hatte eine Dichte von o,84 g/cm ,

Ausführungsbeispiele II - VII.

68,	2$
1»

In den folgenden Ausführungsbeispielen sind weitere Mischungen beschrieben, die gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt wurden. Die Herstellung der Mischung geschah in der gleichen Weise wie beim Ausführungsbeispiel I, doch wurden handelsübliche Fasermaterialien verwendet, bei denen das "Geschossene" nicht entfernt war. Die Mischungen hatten folgende Zusammensetzungen:

Mischung a

Kalziumaluminat-Bindemittel Aluminiusilikat -Faser
!'einteiliges Siliziumdioxid "Geschossenes"

100 %

Mischung b

Kalziumaluminat-Bindemittel Ίο,6% Aluminiumsilikat-Faser 7*8$ feinteiliges Siliziumdbxid 5,9$

"Geschossenes" 15,7$

1oo %

Die gewünschten Dichten der fertigen Erzeugnisse können mit Hilfe der Wassermengen eingestellt werden, mit denen die Mischungen angemacht werden. Die folgenden Ausführungsbeispiele zeigen die Vielzahl der Dichten, die gemäß der Erfindung erreicht werden können.

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Unter Benutzung der Mischungen a und b wurde mit verschiedenen Mengen an Wasser eine Anzahl von Schlämmen er^eu^t. Die Herstellung der Schlämmen, die Formgebung und das Trocknen _oeschahen ebenso wie oeirn Ausführungsueispiel Pur die Ausführungsbeispiele II-IV wurde die Mischun_o a uenutzt und für die Ausführungsbeispiele V-VII die Mischung b,

Mischung

Ausführungsbeispiel II 52

¹¹ III 41

¹¹ IV 48

V 55

¹¹ VI 62

¹¹ VII 68

fi Wasser	Dichte
	ti/ em^J
68	o, 4b
59	σ, 64
52	O, do
45	Ο,96
58	1.12
52	1.28

Die nach den Ausführungsbeispielen II-VII hergestellten Erzeugnisse wurden verschiedenen Eigenschaftsprüfungen unterworfen. Der Bruchmodul wurde nach dem ASTM-Verfahren C-155-55 untersucht und die Belastung pro Prozent Deformation nach dem ASTM-Verfahren C-165-54. Die Wärmeleitfähigkeit wurde nach dem ASTM-Verfahren C I77-65 geprüft. Die Ergebnisse sind in den Tabellen A und B angegeben.

	Tabelle	A	Bruchmodul	Deformation
Material	Dichte	2 kg/cm	kg/ cm für 5; Kompression
gemäß Aus führungsbeispiel	g/ cm⁵	1.4	1.5
II	0*8	5.5	5.2
III	o, 64	9.1	Y. Y
IV	0,00	14,7	15.4
V	0, .96	cA ,Q	26.6
VI	1.12	52.0	41,5
VII	1.28

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Tabelle B

Wärmeleitfähigkeit kcal * m/h ' cm	VI	Dichte S/ oaS	00 ⁰C	1.3	1.6	1.8	87I
Material gemäß Ausfüh* rungsbeispiel	VII	οΛ'ό		1.6	1.8	1.7	2.1
II	ο,64		1.8	1.9	2.1	2.0
III	o,8o	Haupt-Temperatur ⁰C 427 538 649 760	1.9	2.1	2.2	2.2
IV	0,96	1.1	2.3	2.5	2.6	2.4
V	1.12	1.5	2.9	3.1	3.1	2.8
I.28	1.6		3.3
1.8
2.2
2.7

Die Materialien gemäß den Ausführungsbeispielen II-VII hatten, mit Ausnahme des Wassers, folgende Analysen:

Al₂O₃	48	.1	- 49	.8
SiO2	21	.5	- 24	.2
CaO	25	.6	- 26	.5
Fe₂O₃	2
andere organische
Bestandteile	1

Das Mengenverhältnis zwischen feuerfesten Pasern, Bindemittel und Siliziumdioxid in dem erfindungsgemäßen feuerfesten Isoliermaterial kann beliebig gewählt werden, nur müssen die feuerfesten Pasern und das Siliziumdioxid jeweils zwischen 1 und 1o# ausmachen. Bei Paser-Gehalten über 1o % hat sich gezeigt, daß das Erzeugnis einejgringe Festigkeit und eine unbefriedigende Wärmeleitfähigkeit hatte. Hinzu kommt, daß eine Schlämme'mit mehr als 1o# Pasern schwierig zu formen ist. Auf der anderen Seite führt eine Verwendung von weniger als 1$ feuerfesten Fasern zu einem Erzeugnis mit zu großer Dichte und verhältnismäßig schlechter Temperaturwechselbeständigkeit. Der Anteil an Siliziumdioxid soll gleichfalls deshalb unter 1o# gehalten werden, damit dieschiamme nicht zu dick wird

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und ohne Schwierigkeiten in die gewünschte Form gebracht werden kann. Der Anteil der Mischung an "Geschossenem" sollte, wie schon erwähnt, 4o Gew.-% der Mischung nicht übersteigen. Der Anteil an Bindemittel kann beliebig groß sein. Das Bindemittel wird gewöhnlich in solcher Menge zugefügt, daß sich die gewünschten Anteile an feuerfesten Pasern, Siliziumdioxid und "Geschossenem" in der Mischung ergeben.

Eine Vorbehandlung der Aluminiumsilikat-Fasern, wie eine Oberflächenbehandlung oder eine Anreicherung zu Knöllchen oder Knäueln ist bei der vorliegenden Erfindung weder nötig noch erwünscht. Die erfindungsgemäß hergestellten Mischungen können in Beutel gefüllt oder in anderer Weise verpackt werden und in dieser Form unmittelbar an den Einsatzort gebracht werden. Werden sie benötigt, so braucht sie der Benutzer nur mit der gewünschten Menge an Wasser anzumachen; die so erzeugte Schlämme kann leicht in die gewünschte Form gebracht werden, je nach ihrer Kosistenz beispielsweise durch Stopfen, Gießen oder Spritzen.

Durch Verwendung verschiedener Mengen von Anmachwasser kann ein weiter Bereich von Dichten in den fertigen Erzeugnissen erzielt werden. Es sollten der Mischung jedoch nicht weniger als 32$ und nicht mehr als 68$ Wasser zugegeben werden, da die Schlämme mit weniger Wasser zu dick und mit mehr Wasser zu dünn wird. Die Auswahl der Dichte hängt von dem betreffenden Verwendungszweck des Erzeugnisses und von den Erfordernissen hinsichtlich der Fließfähigkeit der Schlämme ab.

Sofern nicht anderes vermerkt ist, bedeuten alle Prozentangaben in der Beschreibung und den Patentansprüche Gew.-^e.

Patentansprüche:

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Claims

-9- 1646U9

Patentansprüche:

1. Feuerfestes Isoliermaterial für eine Verwendung bei Temperaturen bis au 1315 C, dadurch gekennzeichnet, daß es 1-10$ Aluminiumsilikat-Fasern, 1-10$ sehr feinteiliges Siliziumdioxid und 4o-98 $ eines hydraulischen Kalziumaluminat-Bindemitfcels enthält.

2. Isoliermaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es 7*ί?-Φ' Aluminiumsilikat-Fasern, 6-9$ sehr feinteiliges Siliziumdioxid und 68-86$ des hydraulischen Kalziumaluminat-Bindemittels enthält und eine Dichte von 0,48-1,20 g 0/enr hat.

S>. Isoliermaterial nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß es etwa 1o$ Aluminiumsilikat-Fasern, etwa 7$ sehr feinteiliges Siliziumdioxid und etwa 8j>$ des hydraulischen KaI-iiunialuminat-Bindemittels enthält und eine Dichte von etwa 0,80 g/cnr hat.

4. Isoliermaterial nach Anspruch ~3> dadurch gekennzeichnet, daß es 4b,1-49,1$ Al₃CU, 21,5-24,2$ SiO₂, 25,6-26,5$ CaO, weniger als 2$ Fe^O-, und weniger als 1$ andere anorganische Bestandteile, ausgenommen Wasser, enthält.

5. Isoliermaterial nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß es etwa 8$ Alumiriiumsilikat-Fasern, etwa 15$ nichtfaseriges Material von im wesentlichen der gleichen chemischen Zusammensetzung wie die Fasern, etwa 9$ sehr feinteiliges Siliciumdioxid und etwa 68$ des hydraulischen Kalziumaluminat-Bindemittels enthält und eine Dichte von o,48-o,8o g/cm hat.

6. Isoliermaterial nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß us otwa 8$ Aluminiurnsilikat-Fasern, etwa 16$ nichtfaseriges Material von im wesentlichen der gleichen chemischen Zusammensetzung wie die Fasern, etwa 6$ sehr feinteiliges Siliciumdioxid und etwa γο$ des hydraulischen Kalziumaluminat-Bindemittels enthält und eine Dichte von etwa 0,80 g/cnr hat.

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7. Isoliermaterial nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß die Aluminiurnsilikat-Fasern eine durchschnittliche Länge von 12,5 - 25 mm und ein Verhältnis von Länge 2u Durchmesser von mindestens 1ooo:1 haben.

b. Verfahren sum Herstellen eines feuerfesten Isoliermaterials mit einer Dichte von o,48-1,2& g/cm''' nach einem der Ansprüche 1-7* dadurch gekennzeichnet, daß eine Suspension aus j52-68# Wasser und 68-j52$ einer Mischung hergestellt wird, die 1-10$ Aluminiumsilikat-Pasern, 1-1 o^>' sehr feinteiliges Siliziumdioxid und 4o-98# des hydraulischen KaI-ziumaluminat-Bindemittels enthält, daß die Suspension in die gewünschte Form gebracht, erhärten gelassen und getrocknet wird.

9. Verfahren nach Anspruch S, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mischung verwendet wird, die bis zu ho% eines nichtfaserigen Materials von im wesentlichen der gleichen chemischen Zusammensetzung wie die Fasern enthält.

11. Verfahren nach Anspruch ü oder 9* dadurch gekennzeichnet daß eine Mischung verwendet wird, in der das Siliziumdioxid eine Teilchengröße von weniger als 5 Mikron hat.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8-1o, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mischung verwendet wird, die 7,5-8^ Aluminiumsilikat- Fasern, etwa 15$ nichtfaseriges Material von im wesentlichen der gleichen chemischen Zusammensetzung wie die Fasern, 6-9$ amorphes Siliziumdioxid und ö8-8ö# eines !"einteiligen hydraulischen Kalziumaluminat-Bindemittels enthält.

12. Mischung zur Verwendung bei einem Verfahren nach einem der Ansprüche 8-11 .

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