DE19735495C2

DE19735495C2 - Feuerfestes keramisches Formteil

Info

Publication number: DE19735495C2
Application number: DE1997135495
Authority: DE
Inventors: Jerzy Bugajski
Original assignee: Veitsch Radex GmbH and Co OG
Current assignee: Veitsch Radex GmbH and Co OG
Priority date: 1997-08-16
Filing date: 1997-08-16
Publication date: 1999-11-04
Anticipated expiration: 2017-08-17
Also published as: DE19735495A1; WO1999008981A1; AU8733398A

Description

Die Erfindung betrifft ein feuerfestes keramisches Formteil mit einer, das offene Porenvolumen zumindest teilweise ausfüllenden Imprägnierung.

Die Imprägnierung mit Erdölprodukten wie Teer oder Pech ist seit langem bekannt. Sie dient in erster Linie der Erhöhung der Infiltrationsbeständigkeit beziehungsweise Beständigkeit gegenüber aggressiven Schlacken der entsprechenden feuerfesten keramischen Produkte. Die flüchtigen Bestandteile dieser Imprägnierungsmittel stellen eine erhebliche Umweltbelastung dar.

Aus der DE 40 01 180 C1 ist ein Verfahren zum Imprägnieren eines feuerfesten keramischen Formteils offener Porosität bekannt, bei dem ein thixotroper Schlicker mittels einer mechanischen und/oder physikalischen Erregereinheit verflüssigt und in das offene Porenvolumen des Formteils eingebracht wird. Nach der Verfüllung des offenen Porenvolumens wird die Erregereinheit abgeschaltet. Das Imprägnierungsmittel steift an. Danach wird der Formkörper getempert. Auf diese Weise läßt sich eine nahezu vollständige Imprägnierung erreichen.

Der verwendete Schlicker enthält neben einer feuerfesten keramischen Komponente eine kohlenstoffhaltige Komponente, insbesondere ein Harz.

Insbesondere im Kontakt eines solchen Produktes mit oxidierenden Schmelzen, zum Beispiel Cu-Cu₂O kommt es jedoch zu einer Oxidierung des Imprägnierungsmittels, wodurch der Imprägnierungseffekt zumindest teilweise wieder verlorengeht.

Der Erfindung liegt insoweit die Aufgabe zugrunde, ein feuerfestes keramisches Formteil mit einer, das offene Porenvolumen zumindest teilweise ausfüllenden Imprägnierung zur Verfügung zu stellen, welches umweltfreundlich ist und auch gegenüber oxidierenden Schmelzen beständig. Insbesondere wird dabei Wert auf eine hohe Infiltrationsbeständigkeit und Korrosionsbeständigkeit gegenüber metallurgischen Schmelzen und Schlacken gelegt.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß dieses Ziel mit einem speziell eingestellten Imprägnierungsmittel in zwei alternativen Formen erreicht werden kann.

Wesentlicher Bestandteil des als Dispersion zur Verfügung gestellten Imprägnierungsmittels ist in beiden Fällen ein Kieselsol. Aus der Gruppe der Kieselsole eignen sich jedoch nur solche, die eine maximale Viskosität von 50 mPa.s, bevorzugt maximal 25 mPa.s aufweisen.

Die Dispersion umfaßt als weitere wesentliche Komponente ein Zusatzmittel, welches die Gelierung des Kieselsols unterdrückt, vorzugsweise verhindert. Dies gilt insbesondere in Kontakt mit basischen feuerfesten Formteilen.

Der Begriff Gelierung ist so zu verstehen, daß jede Art einer Verfestigung der Dispersion aufgrund einer Gelierung, eines Ausflockens beziehungsweise einer Koagulation oder einer Anlagerung von Feststoffteilchen der Dispersion an der Oberfläche des Formteils (Filtereffekt) verhindert werden soll.

In ihrer allgemeinsten Ausführungsform betrifft die Erfindung danach ein feuerfestes keramisches Formteil mit einer, daß offene Porenvolumen zumindest teilweise ausfüllenden Imprägnierung, bei der die Imprägnierung aus einer Dispersion gebildet ist, die mindestens folgende Komponenten umfaßt:

Alternative 1:

- 90 bis 99,5 Gew.-% eines Kieselsols mit einer maximalen Viskosität von 50 mPa.s,
- 0,5 bis 10,0 Gew.-% eines, die Gelierung des Kieselsols unterdrückenden Zusatzmittels.

Alternative 2:

- 40 bis 80 Gew.-% eines Kieselsols mit einer maximalen Viskosität von 50 mPa.s,
- 0,5 bis 10,0 Gew.-% eines, die Gelierung des Kieselsols unterdrückenden Zusatzmittels,
- 10 bis 59,5 Gew.-% einer oder mehrerer feuerfester Komponenten mit einer Teilchengröße < 3 µm.

In Vorversuchen haben sich bei Alternative 2 folgende Bereichsgrenzen als ausreichend und positiv herausgestellt:

- 52 bis 72 Gew.-% Kieselsol,
- 1 bis 3 Gew.-% Zusatzmittel,
- 25 bis 47 Gew.-% feuerfeste Komponente(n).

Wie ausgeführt ist die Viskosität des Kieselsols wichtig, um die gewünschte Feststoffkonzentration so hoch wie möglich einstellen zu können. Dies gilt insbesondere auch für die 2. Alternative. Nur in diesem Viskositätsbereich ist es möglich, der Dispersion als weiteren wesentlichen Bestandteil eine oder mehrere feuerfeste Komponente(n) in gewünschter Menge zuzumischen, die den Verfüllungsgrad der offenen Porosität nachhaltig fördern und in unkritischer chemischer Wechselwirkung zum Kieselsol stehen. Dabei ist die Teilchengröße der feuerfesten Komponenten auf Werte < 3 µm zu beschränken.

Durch zusätzliche Netz- und Dispergiermittel (01-1,0%, bezogen auf die Gesamtdispersion) läßt sich dieser Effekt verstärken.

In diesem Sinne schlägt eine Ausführungsform der Erfindung vor, den Konzentrationsgrad (SiO₂-Gehalt) des Kieselsols auf Werte unter 50 Gew.-% zu beschränken, da die Viskosität bei größeren Konzentrationen rapide ansteigt.

Die Größe der SiO₂-Teilchen des Kieselsols sollte < 200 nm, nach einer Ausführungsform < 50 nm betragen.

Die Verwendung eines anionischen Kieselsols fördert die Einstellung hochkonzentrierter, niedrig viskoser Dispersionen ebenfalls.

Die, eine Gelierung des Kieselsols unterdrückenden Zusatzmittel umfassen eine Vielzahl chemischer Substanzen. Als besonders wirkungsvoll haben sich organische Amine herausgestellt. Die Zusatzmittel führen zu einer Stabilisierung der Dispersion insgesamt, was durch eine Erhöhung der negativen Oberflächenladung der Dispersionsteilchen festgestellt werden kann.

Innerhalb der vorstehend genannten Massenanteile der Komponenten konnte keine Gelierung des Kieselsols beim Kontakt mit feuerfesten, insbesondere basischen Formteilen festgestellt werden.

Die genannten feuerfesten Komponenten innerhalb der Dispersion bestehen beispielsweise aus Al₂O₃, Cr₂O₃, TiO₂, ZrO₂, Ton oder SiC.

Die Imprägnierung wird durch Reduzierung der Teilchengröße der feuerfesten Komponenten optimiert. Teilchengrößen zwischen 0,5 und 1 µm liefern sehr gute Ergebnisse, wobei eine Agglomeration gegebenenfalls durch die genannten Netz- und Dispergiermittel unterdrückt werden sollte.

Unter Verwendung der vorstehend beschriebenen Imprägnierungsdispersion läßt sich die Gasdurchlässigkeit eines feuerfesten keramischen Formteils von beispielsweise 20 nPm auf Werte < 2, teilweise < 0,5 nPm herabsetzen.

Aufgrund der geringen Partikelgröße und niedrigen Viskosität der Imprägnierungsdispersion lassen sich auch keramischen Formteile mit bereits herstellungsbedingt niedriger Gasdurchlässigkeit weiter "verdichten" und damit hinsichtlich ihrer Infiltrationsneigung und ihres Korrosionsschutzes verbessern.

Dies gilt auch und im besonderen hinsichtlich der Beständigkeit basischer feuerfester Steine gegenüber Infiltrationen von oxidierten Kupferschmelzen.

Bei solchen Dispersionen mit SiC als feuerfester Dispersions- Komponente wurde eine Reduktion von Kupferoxiden (metallisches Kupfer benetzt basische Steine gering) beobachtet. Die Wirkung von SiC ist parallel dazu auf die Erhöhung des Feststoffgehaltes des Imprägnierungsmediums in Folge der Oxidation zurückzuführen (SiC + 2O₂ = SiO₂ + CO₂).

Eine ähnliche Wirkung läßt sich auch durch leicht oxidierbare Metalle beziehungsweise Metallverbindungen erzielen, die entsprechend die feuerfeste Komponente der Dispersion ganz oder teilweise ersetzen kann (können).

Die Imprägnierung kann mit konventionellen Anlagen (Tränkung unter Vakuum und/oder Druck) erfolgen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispieles näher beschrieben:

Es wurde folgende Dispersion verwendet:

57% Kieselsol mit einer Viskosität von 15 mPa.s, einer Teilchengröße (d₅₀) von 30 nm und einer Feststoff-Konzentration von 45 Gew.-%.

3 Gew.-% eines Amins.

10 Gew.-% SiC mit einer Teilchengröße < 3 µm.

30 Gew.-% Al₂O₃ mit einer Teilchengröße < 2 µm.

Getränkt wurden Magnesiachromitsteine mit einer Gasdurchlässigkeit von 17 nPm.

Nach der Imprägnierung durch Tränkung wurde die Gasdurchlässigkeit zu 1,3 nPm bestimmt.

Die Steine zeigen eine hervorragende Korrosionsbeständigkeit und Infiltrationsbeständigkeit auch gegenüber schwierigen Nichteisen-Metallschmelzen.

Claims

1. Feuerfestes, gegenüber oxidierenden Schmelzen beständiges keramisches Formteil mit einer, das offene Porenvolumen zumindest teilweise ausfüllenden Imprägnierung, bei dem die Imprägnierung aus einer Dispersion gebildet ist, die mindestens folgende Komponenten umfaßt:

a) 90 bis 99,5 Gew.-% eines Kieselsols mit einer maximalen Viskosität von 50 mPa.s,
b) 0,5 bis 10,0 Gew.-% eines, die Gelierung des Kieselsols unterdrückenden Zusatzmittels.

2. Feuerfestes, gegenüber oxidierenden Schmelzen beständiges keramisches Formteil mit einer, das offene Porenvolumen zumindest teilweise ausfüllenden Imprägnierung, bei dem die Imprägnierung aus einer Dispersion gebildet ist, die mindestens folgende Komponenten umfaßt:

a) 40 bis 80 Gew.-% eines Kieselsols mit einer maximalen Viskosität von 50 mPa.s,
b) 0,5 bis 10,0 Gew.-% eines, die Gelierung des Kieselsols unterdrückenden Zusatzmittels,
c) 10 bis 59,5 Gew.-% einer oder mehrerer feuerfester Komponenten mit einer Teilchengröße < 3 µm.

3. Formteil nach Anspruch 2, bei dem die Imprägnierung aus einer Dispersion gebildet ist, die folgende Komponenten umfaßt:

a) 52 bis 72 Gew.-% des Kieselsols,
b) 1 bis 3 Gew.-% des Zusatzmittels,
c) 25 bis 47 Gew.-% des oder der feuerfesten Komponente (n).

4. Formteil nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das Kieselsol einen maximalen SiO₂-Gehalt von 50 Gew.-% innerhalb der Dispersion aufweist.

5. Formteil nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Größe der SiO₂-Teilchen des Kieselsols innerhalb der Dispersion < 200 nm beträgt.

6. Formteil nach Anspruch 5, bei dem die Größe der SiO₂- Teilchen des Kieselsols innerhalb der Dispersion < 50 nm beträgt.

7. Formteil nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das Kieselsol ein anionisches Kieselsol ist.

8. Formteil nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das Zusatzmittel ein organisches Amin ist.

9. Formteil nach Anspruch 2, bei dem die feuerfeste Komponente Al₂O₃, Cr₂O₃, TiO₂, ZrO₂, Ton oder SiC ist.

10. Formteil nach Anspruch 2, bei dem die feuerfeste Komponente eine maximale Teilchengröße von 2 µm aufweist.

11. Formteil nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Viskosität des Kieselsols in der Dispersion maximal 25 mPa.s beträgt.

12. Formteil nach Anspruch 1, bei dem die Imprägnierung aus einer Dispersion gebildet ist, die folgende Komponenten umfaßt:

a) 95-99,5 Gew.-% Kieselsol,
b) 0,5 bis 5 Gew.-% Zusatzmittel.