DE1665271B2 - Elektrisch isolierendes Material - Google Patents
Elektrisch isolierendes MaterialInfo
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Description
Die [Erfindung betrifft körnige feuerfeste Materialien,
die zur Verwendung als elektrisches Isolierungsmaterial zur Herstellung von umhüllten Widerstandsheizungselementen
geeignet sind.
In der US-Patentschrift 24 83 839 wird ein Typ eines Heizelements beschrieben, auf welches die vorliegende
Erfindung anwendbar ist. Die US-Patentschrift 27 98 002 beschreibt eine geschmolzene Magnesia, die
in Granulatform in Heizelementen der in der zuerst genannten US-Patentschrift beschriebenen Art verwendet
wird. Um die Gefahr eines elektrischen Schlages bei einem derartigen Heizelementtyp auf ein Minimum
herabzusetzen, irt es wesentlich, daß die Isolation bei der Betriebstemperatur, die 9000C auf der Umhüllung
erreichen kann, einen hohen spezifischen Widerstand besitzt. Geschmolzenes Magnesiumoxyd, wie es in der
US-Patentschrift 27 98 002 beschrieben wird, ist besonders geeignet zur Verwendung als elektrische Isolierung
in rohrförmigen Heizelementen, da es neben einem hohen elektrischen Widerstand eine gute Wärmeleitfähigkeit
besitzt. Im Band 83 der »Transactions of the Electrochemical Society« (1943) wird auf den Seiten 191
bis 203 eine Methode zur Bestimmung des spezifischen Widerstandes von verpreßtem Magnesiumoxyd in
Granulatform, welches in Widerstandsheizelementen verwendet wird, beschrieben. Die Werte des sptzifisehen
Widerstandes, welche in der Beschreibung dieses Patentes aufgeführt sind, werden nach der in der zuletzt
genannten Literaturstelle beschriebenen Methode bestimmt, mit der Ausnahme, daß die Teststäbe und
-zylinder nicht gereinigt werden, wie dies in dem genannten Artikel beschrieben wird, sondern anodisch
in einer 10%igen Lösung (bezogen auf das Volumen) Schwefelsäure bei einer Stromdichte von ungefähr
2,3 A/dm2 gebeizt werden. Sie werden anschließend abgewischt, getrocknet und in einem langsamen
Wasserstoffstrom auf 12250C erhitzt. In noch warmem
Zustand werden sie aus dem Ofen entnommen und unmittelbar danach in einem Exsikator über aktiviertem
Aluminiumoxyd aufbewahrt. Alle nachfolgenden Handhabungen erfolgen unter Verwendung einer Zange
sowie von Gummihandschuhen.
In der Vergangenheit wurden verschiedene Behandlungsmethoden zur Verbesserung der elektrischen
Eigenschaften von geschmolzenem Magnesiumoxyd vorgeschlagen. In der US-Patentschrift 26 69 636 wird
die Zugabe von 60 bis 80 Gewichtsprozent Zirkonsilikat
zu geschmolzenem Magnesiumoxyd in <3ranulatform
vorgeschlagen. In der genannten Patentschrift ist angegeben, daß, obwohl Zirkonsilikat allein schlechtere
elektrische Isolierungseigenschaften als Magnesiumoxyd besitzt, diese schlechtere elektrische isolierungseigenschaft
durch Mischungen aus Zirkonsilikat und Magnesiumoxyd in den angegebenen Mengenverhältnissen
infolge der besseren Wärmeleitfähigkeit des Zirkonsilikats kompensiert werden, so daß Heizelemente,
welche derartige Mischungen enthalten, einen befriedigenden Kompromiß zwischen der Wärmeleitfähigkeit
und dem elektrischen Isolationsvermögen darstellen.
An diesem elektrisch isolierenden Material ist nachteilig, daß der elektrische Widerstand des Materials
nicht völlig befriedigend ist.
Der Erfindung liegt ö Aufgabe zugrunde, ein elektrisch isolierendes Material zur Verfugung zu
stellen, daß gegenüber Magncsiumoxyd einen erhöhten elektrischen spezifischen Widerstand aufweist und
außerdem vorteilhafte mechanische Eigenschaften besitzt.
Zur Lösung dieser Aufgabe geht die Erfindung von einem elektrisch isolierenden Material, das eine
Mischung von Magnesiumoxyd in Teilchenform und ein Zirkondioxyd- und Kieselerdeprodukt in Teilchenform
enthält, aus und schlägt vor, daß das Zirkondioxyd- und Kieselerdeprodukt aus kristallinem Zirkondioxyd und
glasartiger Kieselerde in ungefähr äquimolaren Mengen, vorzugsweise aus geschmolzenem Zirkon, besteht
und das Produkt 0,5 bis 8 Gewichtsprozent der Gesamtmischung ausmacht.
Das elektrisch isolierende Material gemäß der Erfindung weist einen hohen elektrischen spezifischen
Widerstand und gute mechanische Eigenschaften auf und ist elektrisch isolierenden Materialien überlegen,
die aus Magnesiumoxyd und geschmolzener Kieselerde oder aus Magnesiumoxyd und geschmolzenem Zirkondioxyd
oder aus Magnesiumoxyd und ungeschmolzenem Zirkon bestehen. Geschmolzenes Zirkondioxyd
besitzt bei 900 und 980°C spezifische Widerstandswerte
und 0,4 Megohm-cm. Durch Zusatz von geschmolzener Kieselerde in einer Menge von 0,5 bis 8% zu einer
geschmolzenen, für elektrische Zwecke geeigneten Magnesia wird zwar der elektrische Widerstand des
Materials erhöht, doch werden dem Material im Hinblick auf seine Verwendung zur Herstellung von
Heizelementen unerwünschte mechanische Eigenschaften verliehen. Durch Zusatz von geschmolzenem
Zirkondioxyd in ähnlichen Mengen zu einer für elektrische Zwecke geeigneten Magnesia werden die
elektrischen Eigenschaftendes Materials verschlechtert.
Auch durch Zusatz von gleichen Mengen ungeschmolzenem Zirkon zu geschmolzener Magnesia wird der
elektrische Widerstand der Magnesia herabgesetzt. Es ist daher überraschend, daß kristallines Zirkondioxyd
und glasartige Kieselerde in ungefähr äquimolaren Mengen, wie geschmolzener Zirkon, nicht nur die
elektrischen Eigenschaften von Magnesiumoxyd verbessert, sondern auch die mechanischen Eigenschaften
des isolierenden Materials nicht beeinträchtigt, was an sich auf Grund des Vorhandenseins von Kieselerde
erwartet werden mußte. Die Erfindung löst demnach das Problem der Verbesserung der elektrischen
Eigenschaften ohne Beeinträchtigung der mechanischen Eigenschaften des isolierenden Materials.
Zirkon ist die mineralische Bezeichnung für die Verbindung Zirkonsilikat. ZrSiOi. Zirkon ist eine echte
Verbindung, die in kristallinen Formen vorkommt. Unter geschmolzenem Zirkon soll ein Zirkon verstanden
werden, der bis zu dem flüssigen Zustand geschmolzen und anschließend abgekühlt worden ist.
Das auf diese Weise behandelte Material besteht nichi
mehr aus der Verbindung Zirkonsilikat, sondern aus einer Mischung aus Kieselerde und kristallinem
Zirkondioxyd. Wird das Materia! auf die erfindungsgemäß verwendete Korngröße (Teilcnen, die durch Siebe
mit lichten Maschenweiten von 0,045 bis 0,425 mm hindurchgehen) vermählen, dann enthalten alle einzelnen
Körner sowohl S1O2 als auch Ζ1Ό2.
Es kann, wie oben angegeben ist, eine erhebliche Verbesserung der elektrischen Widerstandsfähigkeit
eines geschmolzenen Magnesiumoxyds in Franulatform durch eine mechanische Zugabe von geschmolzenem
Zirkonsand in Granulatform in einer Menge zwischen 0,5 und 8 Gewichtsprozent, bezogen auf die Gesamtmischung,
erzielt werden. Die vorzugsweise zugesetzte Menge beträgt ungefähr 2%.
Es ist interessant festzustellen, daß die Zugabe keinen nennenswerten Einfluß auzf den spezifischen Widerstand
der Magnesiakörner beim Erhitzen der Mischung auf Temperaturen bis zu ungefähr 9000C ausübt. Nach
einem Erhitzen auf 900°C wird die günstige Wirkung sogar nach einem anschließenden Abkühlen des
Materials beibehalten. Da das erfindungsgemäße elektrisch isolierende Material normalerweise bei
Temperaturen oberhalb 900cC verwendet wird, ist es nicht erforderlich, das Material vor dem Einbringen in
das Heizelement vorzuerhitzen. Die Art der Reaktion, die beim Erhitzen auf 900°C oder darüber erfolgt, ist
nicht bekannt.
Geschmolzener Zirkonsand mit einer Siebgröße von 100 F wird durch Schütteln in einer Flasche mit einer im 4S
Handel erhältlichen Magnesia mit einer Siebgröße von 40 F vermischt, wobei zwei Teile geschmolzener
Zirkonsand auf 98 Teile Magnesia entfallen. Der spezifische Widerstand der Mischung beträgt 15,5
Megohm-cm bei 980°C, während die Magnesia ohne Zugabe des geschmolzenen Zirkon einen spezifischen
Widerstand von 10,5 Megohm-cm aufweist.
Die Siebanalyse der in diesem Beispiel verwendeten geschmolzenen Magnesia beträgt in typischer Weise:
55
% der auf einem Sieb mit einer lichten
Maschenweite von 0,425 mm zurückbleibenden Teilchen 0
Maschenweite von 0,425 mm zurückbleibenden Teilchen 0
% der durch ein Sieb mit einer lichten
Maschenweite von 0,425 mm hindurchgehenden und auf einem Sieb mit einer
lichten Maschenweite von 0,250 mm zurückbleibenden Teilchen 29,6
Maschenweite von 0,425 mm hindurchgehenden und auf einem Sieb mit einer
lichten Maschenweite von 0,250 mm zurückbleibenden Teilchen 29,6
% der durch ein Sieb mit einer lichten
Maschenweite von 0,250 mm durchgehenden und auf einem Sieb mit einer
lichten Maschenweite von 0,175 mm zurückbleibenden Teilchen 23,0
Maschenweite von 0,250 mm durchgehenden und auf einem Sieb mit einer
lichten Maschenweite von 0,175 mm zurückbleibenden Teilchen 23,0
Prozentsatz der durch ein Sieb mit einer
lichten Maschenweite von 0,175 mm hindurchgehenden und auf einem Sieb mit
einer lichten Maschenweite von 0,075 mm
lichten Maschenweite von 0,175 mm hindurchgehenden und auf einem Sieb mit
einer lichten Maschenweite von 0,075 mm
zurückbleibenden Teilchen 35.5
Prozentsatz der durch ein Sieb mit einer
lichten Maschenweite von 0,050 mm hindurchgehenden und auf einem Sieb mit
einer lichten Maschenweite von 0,045 mm
lichten Maschenweite von 0,050 mm hindurchgehenden und auf einem Sieb mit
einer lichten Maschenweite von 0,045 mm
zurückbleibenden Teilchen 7,0
Prozentsatz der durch ein Sieb mit einer
lichten Maschenweite von 0,045 mm hindurchgehenden und auf einem Sieb mit
einer lichten Maschenweite von 0,033 mm
lichten Maschenweite von 0,045 mm hindurchgehenden und auf einem Sieb mit
einer lichten Maschenweite von 0,033 mm
zurückbleibenden Teilchen 4,5
Prozentsatz der durch ein Sieb mit einer
lichten Maschenweite von 0,033 mm hindurchgehenden Teilchen 1,0
lichten Maschenweite von 0,033 mm hindurchgehenden Teilchen 1,0
Diese Magnesia ist von der Norton Company, Worcester, Massachusetts, erhältlich. Die Siebanalyse
beruht auf der US-Standard-Siebreihe.
Al'e Körner gehen durch ein Sieb mit einer lichten
Maschenweite von 0,450 mm hindurch, 25 bis 31% gehen durch ein Sieb mit einer lichten Maschenweite
von 0.45G mm hindurch und bleiben auf einem Sieb mit einer lichten Maschenweite von 0,250 mm zurück, 5 bis
11% gehen durch ein Sieb mit einer lichten Maschenweite von 0,050 mm hindurch und bleiben auf einem
Sieb mit einer lichten Maschenweite von 0,045 mm zurück, während nicht mehr als 6% durch ein Sieb mit
einer lichten Maschenweite von 0,045 mm hindurchgehen.
Die Teilchen des geschmolzenen Zirkons besitzen eine derartige Größe, daß alle Teilchen durch ein Sieb
mit einer lichten Maschenweite von 0,150 mm hindurchgehen. Die Klassierung wird anderweitig nicht kontrolliert,
so daß das Produkt eine derartige Klassierung besitzt, wie sie bei dem Vermählen in einer Walzmühle
auf natürliche Weise erhalten wird. In einem derartigen Material wird eine beträchtliche Menge an feinen
Teilchen erzeugt, die durch ein Sieb mit einer lichten Maschenweite von 0,045 mm hindurchzugehen vermögen.
Es ist zweckmäßig, daß wenigstens 20 Gewichtsprozent des geschmolzenen Zirkonmaterials durch ein
Sieb mit einer lichten Maschenweite von 0,045 mm hindurchgehen. Gute Ergebnisse werden dann erzielt,
wenn die Teilchengrößenverteilung des geschmolzenen Zirkons innerhalb der Teilchengrößenverteilung, wie sie
für die Magnesia angegeben wurde, liegt oder in einen kleineren Bereich fällt. Dies bedeutet, daß keine
nennenswerte Menge an Teilchen des geschmolzenen Zirkons eine Teilchengröße besitzen sollten, die größer
als die maximale Größe der geschmolzenen Magnesia ist.
Eine Probe aus geschmolzener Magnesia, die der im Beispiel 1 beschriebenen ähnelt, jedoch bei 980°C einen
spezifischen Widerstand von 6,8 Megohm-cm besitzt, zeigt beim Vermischen mit 4 Gewichtsprozent eines
geschmolzenen Zirkonsandes einen spezifischen Widerstand bei 980° C von 12,7 Megohm-cm.
Die Zugabe von geschmolzenem Zirkonsand in einer Menge von 0,5 bis 8 Gewichtsprozent ergibt eine
Verbesserung, wobei jedoch Zusätze von ungefähr 2 Gewichtsprozent bevorzugt werden.
Der Zirkon besitzt eine theoretische Analyse von
33% Kieselerde und 67% Zirkondioxyd, bezogen auf das Gewicht. Der geschmolzene Zirkon gemäß
Beispiel 1 besitzt einen Kieselerdegehalt von 21,2%, während der geschmolzene Zirkon gemäß Beispiel 2
einen Kieselerdegehalt von 28% aufweist. Daher braucht das Material keine stöchiometrische Zusammensetzung
zu haben. Es werden gute Ergebnisse mit sowohl einem Überschuß an Kieselerde als auch einem
Überschuß an Zirkondioxyd erzielt.
Im allgemeinen neigt das geschmolzene Zirkonmaterial dazu, einen Überschuß au Kieselerde aufzuweisen. Dies kann jedoch durch Zugabe von Kieselerde zu der Ofenbeschickung zum Ausgleich des Kieselerdeverlustes durch Reduktion und Verflüchtigung vermieden werden. Ein schnelles Abschrecken des Produkts erleichtert das Vermählen. Dieses Abschrecken kann durch Abschrecken in Luft oder nach anderen Methoden, die ein schnelles Abschrecken gestatten, erfolgen.
Im allgemeinen neigt das geschmolzene Zirkonmaterial dazu, einen Überschuß au Kieselerde aufzuweisen. Dies kann jedoch durch Zugabe von Kieselerde zu der Ofenbeschickung zum Ausgleich des Kieselerdeverlustes durch Reduktion und Verflüchtigung vermieden werden. Ein schnelles Abschrecken des Produkts erleichtert das Vermählen. Dieses Abschrecken kann durch Abschrecken in Luft oder nach anderen Methoden, die ein schnelles Abschrecken gestatten, erfolgen.
Claims (3)
1. Elektrisch isolierendes Material, das eine Mischung aus Magnesiumoxyd in Teilchenform und
ein Zirkondioxyd- und Kieselerdeprodukt in Teilchenform enthält, dadurch gekennzeichnet,
daß das Zirkondioxyd- und Kieselerdeprodukt aus kristallinem Zirkondioxyd und glasartiger
Kieselerde in ungefähr äquimolaren Mengen, vorzugsweise aus geschmolzenem Zirkon, besteht und
das Produkt 0.5 bis 8 Gewichtsprozent der Gesamtmischung ausmacht.
2. Material nacr Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Teilchengrößenverteilung des is geschmolzenen Zirkons wenigstens derjenigen des
Magnesiumoxyds entspricht, wobei die Teilchen vorzugswehe durch ein Sieb mit einer lichten
Maschenweite von 0,150 mm hindurchgehen und wenigstens 20% der Teilchen durch ein Sieb mit »
eint·r lichten Maschenweite von 0,045 mm hindurchgehen.
3 Material nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Material auf
wenigstens 900° C erhitzt worden ist.
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US58919666A | 1966-10-25 | 1966-10-25 | |
| US58919666 | 1966-10-25 | ||
| DEN0031469 | 1967-10-23 |
Publications (3)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| DE1665271A1 DE1665271A1 (de) | 1970-11-05 |
| DE1665271B2 true DE1665271B2 (de) | 1975-12-04 |
| DE1665271C3 DE1665271C3 (de) | 1976-07-15 |
Family
ID=
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| FR1541611A (fr) | 1968-10-04 |
| ES346373A1 (es) | 1968-12-16 |
| NO117488B (de) | 1969-08-18 |
| DK117515B (da) | 1970-05-04 |
| DE1665271A1 (de) | 1970-11-05 |
| GB1158299A (en) | 1969-07-16 |
| SE315317B (de) | 1969-09-29 |
| US3457092A (en) | 1969-07-22 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C3 | Grant after two publication steps (3rd publication) | ||
| E77 | Valid patent as to the heymanns-index 1977 |