DE1954597C - Bindemittel für ein feuerfestes Material und ein feuerfestes Gemisch - Google Patents

Description

Die vorliegende urfindung betrifft feuerfeste Gemische der Art, wie sie zum /vusbes· jrn von Öfen verwandt werden, und insbesondere die in ihnen enthaltenden Bindemittel, mit denen zuni .-hst die feuerfesten Teilchen so lange abgebunden werden, bis das Gemisch zur Erzielung der endgültigen Feuerbeständigkeit (refractoriness) erhitzt wird.

Bisher wurde die Nachfrage nach schnell abbindenden feuerfesten Gemischen durch Verwendung von schnell abbindenden Zementen, z. B. Calciumaluminitcn. gedeckt; die Verwendung solcher Zemente führt jedoch zu Produkten mit hohem Schrumpfungsgrad. Zu anderen als Bindemittel für feuerfeste Produkte verwendeten Hilfsmitteln gehören Natriumsilikat. Borax u. dgl., wie z. B. in der USA.-Patentschrift 3 257 217 beschrieben. Bei diesen Materialien muß jedoch das in der Masse enthaltende Wasser verdampft werden, um eine Härtung zu erhalten, die ausreichend ist, um ein F.rhitzen auf höhere Temperatur ohne durch die Gegenwart von durch Wasser verursachten Schwierigkeiten zu ermöglichen. Durch Anwendung von Hitze beim Trocknen und Abbinden wird die Festigkeit des Stoffes beeinträchtigt.

Erfindungsgemäß wird ein Bindemittel für ein feuerfestes Material bereitgestellt, das im wesentlichen aus einem Natriumoxyd, Siliziumdioxyd und Ammoniumpentaborat enthaltenden Natriumsilikatgemisch besieht, wobei das Gewichtsverhältnis von Natriumsilikat zu Ammoniumpcntaborat in dem Bindemittel im wesentlichen 0,2: 5,0 beträgt.

Die vorliegende Erfindung stellt ebenfalls verbesserte feuerbeständige Gemische bereit, die aus einem feinkörnigen, feuerfesten Material und .aus 2 bis 15 Gewichtsprozent des vorstehend genannten Bindcmittclgemisches bestehen. Das Verhältnis zwischen Silikat und Ammoniumpentaborat kann innerhalb des gegebenen Bereiches variieren, um die Abbindezeit des feuerfesten Gemisches im voraus zu bestimmen, so daß nach Zugabe von gegebenen Mengen Wasser Stampf-, kellenfertige oder Sprühgemische (ramming, trowelling or spraying mixtures) hergestellt werden, ohne daß die Feuerbeständigkeit des Gemisches wesentlich gesenkt wird. Weiterhin lassen sich die Bindemittel unter Zugabe von Stoffen (harriers) so formulieren, daß sie ohne Zugabe von Wasser lange Zeit gelagert werden können, ohne daß eine Veränderung auftritt, die die Feuerbeständigkeit der Gemische beeinträchtigen würde.

ic Die erfindungsgemäßen, verbesserten Bindemittel lassen sich praktisch mit allen gegen hohe Temperaturen beständigen feuerfesten Gemischen verwenden, ohne daß die Leistung der Bindemittelgemische beeinträchtigt wird. Beispielsweise gehören zu den feuerfe-

sten Körnchen, die zusammen mit den verbesserten Bindemitteln in feuerfesten Gemischen verwandt werden können, Chromerz, Magnesia, Zirkonerde, Zirkonsilikat, Zirkonoxyd, Tonerde, Mullit, Kyanit und andere ähnliche, gegen hohe Temperaturen bestän-

ao dige Stoffe oaer deren geeigneten Gemisjhe.

Das verbesserte Bindemittel weist nach dem Abbinden weniger Schrumpfung auf als herkömmliche Bindemittel vergleichbarer Festigkeit.

In Fig. 1 werden Variationen der Abbindezeiten.

die bei einem im wesentlichen aus Natriumsilikat und Ammoniumpentabcrat bestehenden Bindemittel auftreten, für Verhältnisse von Unendlich bis 0 graphisch dargestellt, wobei Unendlich den Zustand bedeutet, bei dem das Bindemittel aus einem Gemisch aus Wasser und ausschließlich (all) Natriumsilikat besteht, und Null den Zustand bedeutet, bei dem das Bindemittel aus einem Gemisch aus Wasser und ausschließlich (all) Ammoniumpentaborat besteht, und in
F i g. 2 werden Variationen der Abbindezeiten gra-

phisch dargestellt, die bei einem feuerfesten Gemisch, das Magnesia und ein aus Natriumsilikat und Ammoniumpentaborat bestehendes Bindemittel in verschiedenen Verhältnissen enthält und zur Herstellung eines kellenfertigen Gemisches (trowelling mix) mit Wasser versetzt wurde, auftreten.

Wie in F i g. 1 dargestellt, besteht das bevorzugte Bindemittel aus einem Gemisch aus Natriumsilikat und Ammoniumpentaborat, wobei das Gewichtsverhältnis im wesentlichen zwischen 0,2 und 5 liegt. Das Natriumsilikat wird mit einem Ammoniumpentaborat in einem Gewichtsverhältnis gemischt, das im wesentlichen zwischen 0,2 und 5,0 liegt. Nach Mischung mit den feuerfesten Körnchen und nach Zugabe von Wasser reagiert dieses Material unter Bildung einer harten und zähen Bindung zwischen den feuerfesten Körnchen, wodurch die Schrumpfung im Endprodukt ohne Festigkeitsverlust reduziert wird.

Ein für die Durchführung der Erfindung geeignetes Natriumsilikat ist das Natriumsilikat, bei dem das Gewichtsverhältnis Natriumoxyd zu Siliziumoxyd 1 :2 beträgt (Natriumsilikat Nr. 6). Obwohl dieses Natriumsilikat bevorzugt wird, weil es leicht erhältlich ist, lassen sich für Gewichtsverhaltnisse von Natriumoxyd zu Silikat im Bereich von 1 : '/2 und 1 :4 ebenfalls befriedigende Ergebnisse erzielen, ohne daß die Qualität des Endproduktes merklich beeinträchtigt wird.

Das Natriumsilikat reagiert mit dem Ammoniumpentaborat, wobei beide zusammen ein feuerfestes Gemisch in einer viel kürzeren Zeit abbinden, als wenn jedes dieser Bestandteile für sich allein verwandt würde. Außerdem läßt sich die vom Bindemittel zum Abbinden benötigte Zeit bei jedem gegebenen Satz von Bedingungen gemäß dem gewählten Ge-

»ichtsverhältnis von Natriumsilikat zu Pentaborat variieren, jedoch ist die Abbindezeit für einen solchen Satz von Bedingungen für jedes gewählte Verhältnis gleich.

Das in dem gewählten Verhältnis vorliegende Bindemittel wird zur Formulierung des feuerfesten Gemisches mit dem feuerfesten Material gemischt. Beispielsweise 'üßt sich das feuerfeste Gemisch eemäß der in der USA.-Patentschrift 3 241 987 offenbarten Erfindung herstellen. Danach kann der Anteil des feujrfcs . Materials in dem feuerfesten Gemisch 85 bis ^S Gc chtsprozent und der Anteil des Bindemittels 2 bis 15 Gewichtsproent betragen.

Die Menge Wasser, die dem trockenen. ius feuerfestem Nfaterial und Bindemittel bestehenden Gemisch, um -" gebrauchsfertig zu machen, zugesetzt wird, här.et von der Art der Verwendung ab, d'h.. ob es gestampft, mit der Kelle aufgetragen oder aufgesprüht werden soll. Solche Anwendungsmethoden sind herkömmlicher Art, wobei der Fachman mit einem durJ'.Nchnittlichen Fachkönnen weiß, welche Menge W ;;--er /UT Herstellung eines Gemisches von geeigneter Konsistenz notwendig ist.

ι ι μ. 1 soll nicht die tatsächlichen Ahbinde/eiten al Ic 1 teuerfesten Gemische, die ein Bindemittel aus as Nj' lumsilikat und Ammoniumpentaborat in einem gt.-.-'vnen Verhältnis enthalten, wiedergeben, sondi.· : es soll nur gezeigt werden, daß die Abbindezeit ei:\·· die beiden Bestandteile in Wasser enthaltenden G.: nsches viel kürzet ist als die Abbinde/eit. die je- ₃c d^ :ür sich allein verwendete Bindemittel benotigt. Es so! gleichfalls gezeigt werden, daß die Abbindezeiten fii .erschiedene Verhältnisse \on Natriumsilikat zu Aii'.'iioniumpe.itaborat unterschiedlich sind, daß jedoch für jedes Verhältnis eine gegebene Abbinde/eit besteht, wenn die anderen Bedingungen andererseits gleich sin 1.

Lim feuerfestes Gemisch, das ein aus Natriumsilikat und Ammoniumpentaborat in verschiedenen Verhält-ιΐί--·ι.·η bestehendes Bindemittel enthält, weist für die uiNchiedenen Verhältnisse verschiedene Abbindezeiten auf und, wie in Fi g. 1 gezeigt, sind die Abbinde-Zl ten für die entsprechenden Verhältnisse vc/.i Nitri-U! silikat und Ammoniumpentaborat ohne den feuerfesten Stoff ebenfalls verschieden. Wie in Fiü. 2 gezeigt, würde beispielsweise, wenn Natriumsilikat Nr. 6 und Ammoniumpentaborat im Gewichtsverhältnis von 1 a's Bindemittclgemisch in einem als kellenfertiges Gemisch hergestellten, bis zu 10 Gewichtsprozent Wasser enthaltenden Magnesiagemisch verwandt wurden, das Abbinden zu einer starren festen Masse in 40 bis 50 Minuten beendet sein. Wenn jedes dieser Bindemittel allein bei der Herstellung des gleichen Typs des Magnesiumgemisches verwandt würde, würde das Abbinden zu einer starren und festen Masse nicht vor Ablauf von 12 oder mehr Stunden beendet sein. Wenn das Gewichtsverhältnis von Natriumsilikat zu Ammoniumpentaborat in dem feuerfesten Magnesiagemisch 1,25 ist, beträgt die Abbindezeit 65 bis 76 Minuten. Wenn das Gewichtsverhältnis von Natriumsilikat zu Ammoniumpentaborat 0,4 ist, beträgt die Abbinde/eit 20 bis 30 Minuten. Folglich kann man sagen, daß sich die Abbindezeiten der feuerfesten Gemische mit gewählten Korngrößen innerhalb einer gewähren Zeitspanne weit variieren lassen, wenn ein Verhältnis von Natriumsilikat zu Ammoniumpentaborat von weniger als Unendlich — wobei Unendlich der Zustand ist, der vorliegt, wenn Ammoniumpentaborat abwesend und nur Silikat vorhanden ist. was eine unerwünscht hohe Abbindezeit zur Folge hat — aber größer als Null verwandt wird — wobei Null der Zustand ist, der vorliegt, wenn Natriumsilikat abwesend und nur Pentaborat vorhanden ist. was gleichfalls eine unerwünscht hohe Abbindezeit zur Folge hat. Zwischen diesen beiden Extremen existiert ein weiter Bereich vonGewichtsverliaitnissen von Natriumsilikat zu Ammoniumpentaborat. in dem die Abbindezeiten sehr kurz (fast) sind. Für praktische Zwecke liegt dieser Bereich des Gevvichtsverhiilinisses von Natriumsilikat zu Ammoniumpentaborat im wesentlichen zwischen 0.2 und 5.0.

Selbstverständlich läßt sich das Gewichtsverhältnis von Natriumsilikat zu Ammoniumpentaborat in dem Bindemittel regulieren, um die Unterschiede zwischen den feuerfesten Materialien, den verwendeten Korngrößen und den während der Verwendung angewandten Temperaturbedingui'gen zur Erzielung der gewünschten Abbindezeit zu kompensieren. Die zur Aktivierung des Bindemittels notwendige Wassermenge übt auf die Abbindezeit des feuetTesten Gemisches gleichfalls einen Einfluß aus. Deshalb sollte das Gemisch nur mit dem Minimum an Wasser, das zur Handhabung des Gemisches und zur Durchführung der gewählten Arbeitsmethode, d. h. Stampfen des Gemisches, Aufbringen mit der Kelle oder Aufsprühen, notwendig ist, versetzt werden.

Nachstehend werden Beispiele der erfindungsgemäß hergestellten Gemische wiedergegeben, wobei alle Prozentangaben Gewichtsprozente bedeuten.

Feuerfeste
Materialien

Bindemittelgemisch
Verhältnis 0.6

Beispiel 1

TypTftO tafelförmige Ton- 45.0 erde (> 3,327 mm lichte Maschenweite)

Typ T 60 tafelförmige Ton- 37,0 erde (> 0,246 mm lichte Maschenweite)

Tonerde A3 (pulverisiert) 14.0 j Nr. 6 Natriumsilikat 1,5

I Ammoniumpentaborat 2,5

100.0

Dieses Gemisch wurde in einem 22,7-kg-Block unter Verwendung vnn 5,9 kg Wasser pro 45,4 kg trok-Kenem Material zur Bereitstellung eines geeigneten kellenfertigen. Gemisches hergestellt. Nachdem das Gemisch gemischt und in die Form gefüllt worden war, betrug die für einen selbsttragenden (self-supporting) Block erforderliche Abbindezeit 3 Vs Stunden. Ein ähnlicher Block, der entweder das Nr. 6 Natriumsilikat oder das Ammoniumpentaborat in dem gleichen Prozentgehalt des gesamten Bindemittels enthielt, benötigte zum Abbinden zu einem selbsttragenden Block 12 bis 14 Stunden. Es sollte festgehalten werden, daß der Prozentgehalt des gesamten Bindemittels in diesem Beispiel nur 4°o betrug und daß diese Menge ausreichte, daß nach dem Trocknen und Brennen bei einer Temperatur von 1621° C eine zähe (tough) Masse aus dem Gemisch gebildet wurde. Der gebrannte Block wies nach dem Brennen bei einer Temperatur von 1621° C kein Absacken (slump) »^u( und zeigte darüber hinaus eine Schrumpfung von weniger als 1 Vo.

Beispiel 2

Feuerfeste Magnesia (< 3,962 mm

Materialien lichte Maschenweite

> 0,833 mm lichte
Maschenweite)

Magnesia (> 0,991 mm
lichte Maschenweite)

Magnesia (pulverisiert)

Bindemittel- 1 Nr. 6 Natriumsilikat

gemisch [

VerhältnisO,667J Ammoniumpentaborat

Netzmittel

50

12

33,8 1,6

2,4 0,2 _ir

100,0

Dieses Gemisch stellt in hohem Maße feuerfeste Körnchen dar, die mit dem Bindemittelgemisch gebunden werden, wobei das Verhältnis von Silikat zu ao Borat in dem Bindemittelgemisch 0,667 betrug; mit diesem Bindemittelgemisch dauerte das Abbinden eines 22,7 kg schweren (selbsttragenden) Blockes, wie im Beispiel 1, aus einem kellenfertigen Gemisch 3 Stunden. Nach dem Brennen bei einer Temperatur as von lo21°C wies dieser Block überhaupt keine Schrumpfung auf.

Die vorliegenden Bindemittelgemische lassen sich hinsichtlich der Steuerung ihrer Abbindezeit sowie hinsichtlich ihrer Verwendbarkeit mit einem gewählten feuerfesten Material variieren. Sie lassen sich mil jedem der üblicherweise verwendeten, gegen hohe Temperaturen beständigen feuerfesten Materialien die entweder allein oder in Kombination eingesetzt werden können, unter Steuerung der gewünschten Abbindezeit und darüber hinaus der Schrumpfung in Endprodukt verwenden.

Die vorliegenden Bindemittelgemische lassen sich in den in den USA.-Patentschriften 3093 496 und 3 093 497 offenbarten Verfahren verwenden.

Deshalb läßt sich die Erfindung bei einer Vielzahl von feuerfesten Gemischen anwenden, bei denen kurze Abbindezeiten zur Verringerung der Ausfallzeil bei öfen von entscheidender Bedeutung sind. Außerdem schließt ihr niedriger Schrumpfungsfaktor eir vorzeitiges Versagen des Gemisches aus, weil öffnungen, durch die die Hitze eindringen kann, wodurch das hitzegebrannte, feuerfeste Material verschlechten wird, vermieden werden.

Die feuerfesten Körnchen sollten für ilen jeweiliger Endzweck nach der Größe sortiert werden; dies üb zwar keine Wirkung auf die vorgewählten Bindemit telgerr'schc aus, aber auf den Schrumpfungsfaktoi und auf die Fähigkeit des Endprodukts, der Einwir kung von Hitze und Flammen ungeachtet von Forrr oder Größe zu widerstehen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Bindemittel für ein feuerfestes Material, dadurch gekennzeichnet, daß es irr¹, wesentlichen aus einem Natriumoxyd, Siliziumdioxyd und Ar Kiniumpentaborat enthaiiendcn Nairiumsilikatgemisch besteht, wobei das Gewichtsverhältnis von Natriumsilikat zu Ammoniumpentaborat in dem Bindemittel im wesentlichen zwischen 0,2 bis 5,0 liegt.

2. Bindemittel nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß das Natriumsilikat das Natriumoxyd und das Siliziumdioxyd in Gewichtsverhältnissen zwischen 1 :' 2 bis 1 :4 enthält.

3. Feuerfestes Gemisch, bestehend aus einem feuerfesten Material und einem Bindemittel, dadurch gekenn «.lehnet, daß es als Bindemittel 2 bis 15 Gewichtsprozent des Gemisches nach Anspruch 1 oder 2 enthält.