DE202005002950U1

DE202005002950U1 - Feuerfestisolierformteil

Info

Publication number: DE202005002950U1
Application number: DE200520002950
Authority: DE
Original assignee: HOFFMANN WAERMETECHNIK GmbH; Hoffmann Warmetechnik GmbH
Current assignee: HOFFMANN WAERMETECHNIK GmbH; Hoffmann Warmetechnik GmbH
Priority date: 2005-02-23
Filing date: 2005-02-23
Publication date: 2005-05-04
Anticipated expiration: 2015-02-24

Abstract

Feuerfestisolierformteil, gebildet aus mit einem hochtemperaturbeständigen Bindemittel zusammengehaltenen Füllstoffaggregaten auf mineralischer Basis, insbesondere zum Auskleiden von Brennräumen, dadurch gekennzeichnet, dass als Füllstoffaggregate geschäumte, gebrannte Tonmineralaggregate vorgesehen sind, welche Tonmineralaggregate durch ein solches Bindemittel zusammengehalten sind, das unter Zugabe eines Reaktionsstoffes zum Verfestigen des aus den Tonmineralaggregaten und dem Bindemittel vorgeformten Isolierformteils (5) mit diesem reagiert.

Description

Die Erfindung betrifft ein Feuerfestisolierformteil, gebildet aus mit einem hochtemperaturbeständigen Bindemittel zusammengehaltenen Füllstoffaggregaten auf mineralischer Basis, insbesondere zum Auskleiden von Brennräumen.
Derartige Feuerfestisolierformteile werden unter anderem zum Auskleiden von Brennräumen bzw. zum Anordnen in Brennräumen für Brenner im Heizungsbereich zu Isolationszwecken eingesetzt. Ausgekleidet werden in einem solchen Brennraum typischerweise der Türbereich, gegebenenfalls angrenzende Wandbereiche, der Boden und vor allem die dem Brenner gegenüberliegende flammenbeaufschlagte Wandseite. Feuerfestisolierformteile, die an der flammenbeaufschlagten Seite eines solchen Brennraumes angeordnet sind, müssen Spitzentemperaturen mehr als 1200°C standhalten. Eingesetzt werden für derartige Zwecke unter anderem Isolierformteile aus einem Feuerfestbeton. Derartige Isolierformteile werden unter Verwendung temperaturbeständiger Komponenten gegossen. Nachteilig ist bei diesen Isolierformteilen, dass ihr spezifisches Gewicht relativ hoch ist. Dieses bedingt, dass Isolierformteile aus einem Feuerfestbeton ein hohes Gewicht verglichen mit anderen Feuerfestisolierformteilen aufweisen. Des Weiteren ist die benötigte Materialdicke zum Erreichen der gewünschten Isolationswirkung für manche Anwendungen zu groß.
Neben solchen Isolierformteilen aus einem Feuerfestbeton werden auch Feuerfestisolierformteile aus hochtemperaturbeständigen, miteinander vermischten Einzelbestandteilen durch Verpressen hergestellt. Zum Erreichen der notwendigen Temperaturbeständigkeit werden in derartige Isolierformkörper vielfach mineralische oder keramische Fasern eingesetzt. Problematisch bei einem Einsatz derartiger Fasern ist die von diesen Fasern aufgrund ihrer Lungengängigkeit ausgehende Gesundheitsgefährdung. Darüber hinaus hat sich gezeigt, dass Feuerfestisolierformteile unter Verwendung derartiger Fasern keine ausreichende Abriebfestigkeit aufweisen, insbesondere wenn diese Feuerfestisolierformteile an der flammenbeaufschlagten Seite in einem Brennraum eingebaut werden. Dabei ist zu bedenken, dass infolge des Brennvorganges die in dem Brennraum weisenden Oberflächen eines solchen Isolierformteils einem nicht unbeachtlichen Windzug ausgesetzt ist. Die an der Oberfläche befindlichen bzw. aus dem Isolierformteil herausragenden weichen Fasern werden durch den Windzug bewegt und gegen die benachbarten Partikel bzw. Bereiche des Isolierformteils geschlagen. Dieses bedingt einen Abrieb und die allmähliche Selbstzerstörung des Isolierformteils. Daher sind derartige Feuerfestisolierformteile in zeitlichen Abständen zu ersetzen.
Aus DE 196 27 961 B4 ist ein Feuerfestisolierformteil bekannt, das anstelle der als gesundheitsgefährdend angesehenen Keramikfasern Vermiculite in der Größenordnung von 20 – 30 Gew.-% und keramische Hohlkügelchen aus Aluminiumsilikat mit Anteilen von 40 – 50 Gew.-% enthält und diese Partikel mit einem hochtemperaturbeständigen Bindemittel durch Verpressen miteinander in Verbund gebracht werden. Zur Verbesserung des Zusammenhalts des aus diesen Bestandteilen gebildeten Feuerfestisolierformteils werden Wollastonit-Fasern mit Anteilen von 10 – 20 Gew.-% beigemengt. Diese sollen dem Feuerfestisolierformteil als eingelagerte Armierung dienen. Auch wenn Wollastonit-Fasern bezüglich einer Gesundheitsgefährdung unbedenklich sind, treten auch bei diesen Fasern die zuvor aufgezeigten Nachteile eines windzugbedingten Abriebes ein. Verpresst werden die homogen vermischten Bestandteile zum Erstellen eines aus diesem Dokument bekannten Feuerfestenisolierformteils im Nasszustand, auch um den Pressling aus den Presswerkzeugen entformen zu können. Dieses hat jedoch zur Folge, dass der nach Entnahme aus den Presswerkzeugen vorliegende Pressling als sogenannter "Grünling" noch einem Trocknungsprozess unterworfen werden muss.
Ausgehend von dem diskutierten Stand der Technik liegt der Erfindung daher die Aufgabe zugrunde, ein Feuerfestisolierformteil für Hochtemperaturanwendungen also insbesondere zum Einsatz an der flammenbeaufschlagten Seite eines Brennraums vorzuschlagen, das nicht nur eine ausreichende Temperaturbeständigkeit aufweist, sondern das auch bei ausreichender Temperaturstabilität eine verbesserte Abriebfestigkeit aufweist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Feuerfestisolierformteil der eingangs genannten Art gelöst, bei dem als Füllstoffaggregate geschäumte, gebrannte Tonmineralaggregate vorgesehen sind, welche Tonmineralaggregate durch ein solches Bindemittel zusammengehalten sind, das unter Zugabe eines Reaktionsstoffes zum Verfestigen des aus den Tonmineralaggregaten und dem Bindemittel vorgeformten Isolierformteils mit diesem reagiert.
Dieses Feuerfestisolierformteil besteht zum großen Teil aus geschäumten, gebrannten Tonmineralaggregaten. Der im Rahmen dieser Ausführungen benutzte Begriff "Tonmineralaggregat" umfasst Aggregate aus Tonmineralen sowie Tonmineral basierte Aggregate, die neben Tonmineralen auch weiter Bestandteile, insbesondere die in einem Tonvorkommen ohnehin vorhanden Minerale wie beispielsweise sehr fein körnige SiO₂-Partikel enthalten. Die Tonmineralaggregate sind hochtemperaturbeständig, vor allem wenn als Tonmineral Kaolin zum Erstellen der Tonmineralaggregate eingesetzt wird. Gleichwohl können je nach Anforderung die Tonmineralaggregate auch unter Verwendung anderer Tonminerale wie beispielsweise Montmorillonit oder Bentonit oder auch aus einer Mischung derselben hergestellt sein. Infolge des Aufschäumens des noch unverfestigten Vorprodukts und des anschließenden Brennens weisen diese Tonmineralaggregate ein hohes Porenvolumen auf und sind besonders leicht. Dieses macht sich in dem Gewicht der daraus hergestellten Feuerfestisolierformteile bemerkbar, die folglich nur ein geringes spezifisches Gewicht aufweisen. Der hohe Porenvolumenanteil in den Tonmineralaggregaten bedingt ferner einen besonders guten Isolationswert des unter Verwendung dieser Aggregate hergestellten Feuerfestisolierformteils. Die unter Verwendung der Tonmineralaggregate hergestellten Feuerfestisolierformteile können daher eine ausreichende Wärmedämmung bereits bei relativ geringer Schichtdicke bereitstellen. Aufgrund ihres geringen Ge wichtes lassen sich diese mit einfachen Mitteln in einem Brennraum befestigen.
Zusammengehalten werden die Tonmineralaggregate durch ein hochtemperaturbeständiges Bindemittel, etwa ein glasartiges Alkalisilikat (Wasserglas), insbesondere Kaliumwasserglas, da dieses besonders hochtemperaturbeständig ist, welches Bindemittel dergestalt ausgebildet ist, dass dieses unter Zugabe eines Reaktionsstoffes, insbesondere eines Reaktionsfluides reagiert, durch welche Reaktion das Isolierformteil verfestigt und somit dieses seine Formstabilität erhält. Bei Einsatz eines Wasserglases als Bindemittel dienen als Reaktionsstoff CO₂, das mit dem Wasserglas zum Verfestigen des Isolierformteils reagiert. Das zur Reaktion mit dem Wasserglas vorgesehene CO₂ kann als CO₂-Gas oder als Bestanteil der Umgebungsluft dem Bindemittel zugeführt werden. Der Einsatz eines gasförmigen Reaktionsstoffes ist zweckmäßig, auch wenn grundsätzlich ein flüssiger Reaktionsstoff zum Einsatz gebracht werden kann. Zu Erstellen des Feuerfestisolierformteils wird das Gemisch aus Tonmineralaggregaten, die als Granulat vorliegen können, und dem Bindemittel in eine Form gebracht und anschließend mit geringem Druck in die gewünschte Form gebracht. Nach Vorverfestigen bzw. Vorformen des Isolierformteils wird der Reaktionsstoff zweckmäßigerweise in die noch geschlossene Form eingebracht, was besonders einfach ist, wenn es sich bei dem Reaktionsstoff um ein Gas handelt. Der Reaktionsstoff dringt in den Porenraum des bereits in Form gebrachten Isolierformteils ein und reagiert mit den Bindemittelpartikeln, um die gewünschte Verfestigung herbeizuführen. Durch diese Maßnahme ist nicht nur eine Formgebung eines Feuerfestisolierformteils auf einfache Weise möglich, sondern durch die Möglichkeit, die Verfestigung innerhalb der Pressform vorzunehmen, ist das verfestigte Isolierformteil – das Feuerfestisolierformteil – ohne weiteres aus dem Werkzeug herauszunehmen.
Bei Einsatz eines gasförmigen Reaktionsstoffes wird dieses über entsprechende Öffnungen in das Formwerkzeug eingebracht und zweckmäßigerweise an der den Zuführöffnungen gegenüberliegenden Seite des Werkzeuges wieder abgezogen wird. Somit durchströmt das Reaktionsgas den Pressling.
Zum Füllen der Zwickel bzw. Poren zwischen den Tonmineralaggregaten, wobei diese wiederum abhängig von der Korngröße der eingesetzten Tonmineralaggregate sind, können ein oder mehrere weitere hochtemperaturbeständige Füllstoffe vorgesehen sein. Bei diesen kann es sich beispielsweise um Flugaschepartikel handeln, wie diese auch bei Kohlekraftwerken als abgeschwemmtes Abfallprodukt anfallen. Bei diesen Körpern handelt es sich um mikroskopisch kleine Hohlkugeln, bestehend aus SiO₂ + Al₂O₃. Anstelle einer Verwendung von weiterem Füllmaterial, wie vorstehend ausgeführt, können zur Zwickelfüllung ebenfalls Tonmineralaggregate mit einer entsprechend kleinen Körnung eingesetzt werden.
Nachfolgend ist die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren beschrieben. Es zeigen:
1 eine schematisierte Darstellung eines Werkzeuges zum Herstellen eines Feuerfestisolierformteils mit einer in sein Unterwerkzeug eingebrachten Materialschüttung,
2 die in dem Werkzeug der 1 eingebrachte Schüttung nach Zusammenführen des Unterwerkzeuges mit dem Oberwerkzeug zum Formen des Isolierformteils und
3 das aus der Unterform entnommene fertige Feuerfestisolierformteil.
Zum Herstellen eines Feuerfestisolierformteils gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel werden die Bestandteile: Tonmineralaggregate, keramischer Füllstoff und Kaliumwasserglas zusammengebracht und homogen vermischt. In diesem Schüttgut sind die einzelnen Bestandteile wie folgt enthalten: Tonmineralaggregate 40 – 80 Gew.-%, insbesondere 30 – 70 Gew.-%, Füllstoff 5 – 30 Gew.-% und Bindemittel 15 – 30 Gew.-%, insbesondere 20 – 25 Gew.-%, das in flüssiger Form mit den anderen Bestandteilen vermengt ist. Aufgrund des nur sehr geringen spezifischen Gewichtes der eingesetzten Tonmineralaggregate, die eine Dichte von etwa 0,12 – 0,30 g/cm³, insbesondere 0,12 – 0,20 g/cm³ aufweisen sind volumenmäßig an der Materialzusammensetzung die Tonmineralaggregate mit mehr als 80 Vol.-% beteiligt. Die Tonmineralaggregate liegen zweckmäßigerweise als körniges Granulat vor, wobei jedoch auch längliche Aggregate eingesetzt werden können. Bei Einsatz eines körnigen Granulates beträgt die Korngröße typischerweise 2 – 3 mm. Gleichwohl können Feuerfestisolierformteile auch mit solchen Tonmineralaggregaten hergestellt werden, die eine wesentlich feinere Körnung aufweisen, also beispielsweise 1 mm oder kleiner. Denkbar ist auch, die Tonmineralaggregate in einer schlechten Sortierung und somit über ein größeres Korngrößenspektrum hinweg einzusetzen.
Als weiterer Füllstoff dient bei diesem Ausführungsbeispiel mikroskopisch kleine Hohlkügelchen aus SiO₂ + Al₂O₃, wie diese als sogenannte Flugasche bei Kohlekraftwerken als abgeschwemmtes Abfallprodukt anfallen.
Als Bindemittel dient bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel Kaliumwasserglas.
Das homogen vermischte Material wird zum Erstellen eines Feuerfestisolierformteils in ein Formwerkzeug 1, und zwar in dessen Unterwerkzeug 2 eingeschüttet. In 1 ist die in das Unterwerkzeug 2 eingebrachte Materialschüttung mit dem Bezugszeichen 3 gekennzeichnet. Zum Formen des zu erstellenden Isolierformteils wird anschließend das Oberwerkzeug 4 mit dem Unterwerkzeug zusammengefahren, wodurch – wie in 2 dargestellt – die Materialschüttung 3 in die durch das Formwerkzeug 1 bereitgestellte Form gebracht wird. Dieses erfolgt unter einem gewissen Formdruck. In 2 ist die Materialschüttung 3 in die Form des herzustellenden Feuerfestisolierformteils gebracht. Die geformte Materialmischung 3 liegt sodann in dem Formraum des Formwerkzeuges 1 als Pressling 5 vor. Zum Verfestigen des Presslings 5 wird dieser anschließend einem Reaktionsgasstrom ausgesetzt, wobei bei Einsatz eines Kaliumwasserglases, wie in dem dargestellten Ausführungsbeispiel vorgesehen, CO₂ als Reaktionsgas dient. Dieses wird durch das Oberwerkzeug 4 dem Pressling 5 zugeführt. Zu diesem Zweck verfügt das Oberwerkzeug 4 über mehrere die Rückseite des Oberwerkzeuges 4 mit der Innenseite des Formwerkzeuges 1 verbindende, an einen Einlasssammler S_E angeschlossene Zuführkanäle 6, die nach Art eines Rasters über die Formfläche des Oberwerkzeuges 4 verteilt sind. Das Unterwerkzeug 2 weist gleichermaßen das Werkzeug 2 durchgreifende Abzugskanäle 7 auf, die in einen Auslasssammler S_A münden und durch die das in den Formraum mit dem darin befindlichen Pressling 5 eingebrachte Reaktionsgas (CO₂) bzw. die gasförmigen Reaktionsprodukte abgezogen werden. Zweckmä ßigerweise liegen die in die Form des Formwerkzeugs 1 mündenden Öffnungen der Zuführkanäle 6 und derjenigen der Abzugskanäle 7 nicht fluchtend einander gegenüber, was die homogene Durchströmung des Presslings 5 mit dem Reaktionsgas unterstützt. Sowohl das Oberwerkzeug 4 als das Unterwerkzeug 2 weisen zu diesem Zweck eine Anschlussleitung 8 bzw. 9 auf, wobei die Anschlussleitung 8 an eine CO₂-Quelle angeschlossen ist. Die Anschlussleitung 9 dient zum Wegführen der Reaktionsgase. Über die Anschlussleitung 9 kann bei Bedarf ein gewisser Unterdruck erzeugt werden, was die Durchströmbarkeit des Presslings 5 mit dem Reaktionsgas unterstützt. Ausgenutzt wird bei dem Durchleiten des Reaktionsgases durch den Pressling 5 dessen zwischen den einzelnen Partikeln befindlicher Porenhohlraum und die dadurch vorhandene Wegsamkeit, das Reaktionsgas den Bindemittelpartikeln zuzuführen. Das in den Pressling 5 eingebrachte Reaktionsgas reagiert mit den Kaliumwasserglaspartikel zum Herbeiführen der gewünschten Verfestigung des Presslings 5. Dieser Vorgang nimmt in aller Regel nur wenige Sekunden in Anspruch.
Anschließend wird das Formwerkzeug 1 geöffnet und der verfestigte Pressling 5 als fertiges Feuerfestisolierformteil 10 dem Unterwerkzeug 2 entnommen. Zweckmäßigerweise wird der Pressling 5 aus dem Unterwerkzeug 2 mittels eines Auswerfers aus der Form herausgeschoben. Dieses wird anschließend getrocknet.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel wird als Bindemittel eine Mischung von Wasserglas und Kieselsol, insbesondere Kaliumwasserglas und Kieselsol eingesetzt. Typischerweise beträgt das Mischungsverhältnis einer solchen Bindemittelmischung 40 – 60 Gew.-% des Gesamtbindemittelanteils. Die übrigen Anteile sind somit Kieselsol-Anteile. Die Temperaturbeständigkeit dieses Bindemittels ist höher als diejenige des Kaliumwasserglases.
In noch einem weiteren Ausführungsbeispiel besteht das Feuerfestisolierformteil ausschließlich aus Tonmineralaggregaten und dem Bindemittel. Die Tonmineralaggregate liegen sodann in unterschiedlicher Körnung vor, beispielsweise in einem Korngrößenspektrum von 0 – 3 mm oder 0 – 4 mm. Möglich ist auch der Einsatz von Tonmineralaggregaten, die in zwei oder mehr diskreten Kornfraktionen vorliegen, beispielsweise eine Ver wendung von Tonmineralaggregaten des Korngrößenspektrums 0 – 1 mm und der Einsatz von Tonmineralaggregaten mit einem Korngrößenspektrum von 2 – 3 mm. Hergestellt werden die Feuerfestisolierformteile entsprechend dem zu den 1 – 3 beschriebenen Verfahren.

1: Formwerkzeug
2: Unterwerkzeug
3: Materialschüttung
4: Oberwerkzeug
5: Pressling
6: Zuführkanal
7: Abzugskanal
8: Anschlussleitung
9: Anschlussleitung
10: Feuerfestisolierformteil
S_E: Einlasssammler
S_A: Auslasssammler

Claims

Feuerfestisolierformteil, gebildet aus mit einem hochtemperaturbeständigen Bindemittel zusammengehaltenen Füllstoffaggregaten auf mineralischer Basis, insbesondere zum Auskleiden von Brennräumen, dadurch gekennzeichnet, dass als Füllstoffaggregate geschäumte, gebrannte Tonmineralaggregate vorgesehen sind, welche Tonmineralaggregate durch ein solches Bindemittel zusammengehalten sind, das unter Zugabe eines Reaktionsstoffes zum Verfestigen des aus den Tonmineralaggregaten und dem Bindemittel vorgeformten Isolierformteils (5) mit diesem reagiert.
Feuerfestisolierformteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Tonmineralaggregate im Wesentlichen aus Montmorillonit und/oder Bentonit und/oder Kaolonit (Porzellanerde) bestehen.
Feuerfestisolierformteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichte der Tonmineralaggregate etwa 0,12 – 0,30 g/cm³, insbesondere 0,12 – 0,20 g/cm³ beträgt.
Feuerfestisolierformteil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Feuerfestisolierformteil (10) neben den Tonmineralaggregaten ein oder mehrere weitere hochtemperaturbeständige Füllstoffe aufweist.
Feuerfestisolierformteil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Feuerfestisolierformteil (10) als weiteren Füllstoff, insbesondere zum Füllen der zwischen den Tonmineralaggregaten befindlichen Zwickeln bzw. Poren Flugaschepartikel (SiO₂ + Al₂O₃) enthält.
Feuerfestisolierformteil nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Feuerfestisolierformteil aus 40 – 80 Gew.-%, insbesondere 30 – 70 Gew.-% Tonmineralaggregate, 5 – 30 Gew.-% eines oder mehrerer weiterer Füllstoffe und 15 – 30 Gew.-%, insbesondere 20 – 25 Gew.-% Bindemittel aufgebaut ist.