DE2049054B2 - Verfahren zur Herstellung von Formkörpern aus feuerfestem, wärmeisolierendem Material und deren Verwendung - Google Patents
Verfahren zur Herstellung von Formkörpern aus feuerfestem, wärmeisolierendem Material und deren VerwendungInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von Formkörpern aus feuerfestem, wärmeisoliereriden
Material, die unter anderem für den Schutz von Turbinenmaschinengehäusen geeignet
sind, wobei dieser Ausdruck das Gehäuse einschließt, welches das Auslaßrohr oder die Auslaßrohre einer
solchen Maschine darstellt.
In der Technik werden feuerfeste wärmeisolierende Materialien für einen weiten Bereich von Wärmeisolierungszwecken
angewandt. In vielen Fällen sind die Eigenschaften des Materials nicht kritisch, jedoch ist
es unter extremen Bedingungen wichtig, Materialien zu verwenden, die nicht nur die erforderlichen thermischen
Eigenschaften besitzen, sondern diese gleichförmig besitzen. Ein Nachteil sehr vieler Arten von
feuerfestem, wärmeisolierenden Material ist die Ungleichförmigkeit von Eigenschaften über relativ kleine
Abstände. So wird es oft gefunden, daß die Mitte eines Blocks aus feuerfestem, wärmeisolierenden Material
weicher als die Außenseite ist, oder daß die Konzentrationen der Bestandteile der Zusammensetzung innerhalb
des daraus hergestellten Gegenstandes variieren. Diese Schwierigkeit ist in der US-Patentschrift
3 077413, insbesondere Spalte 3, näher beschrieben.
Aus der DE-OS 1471 032 ist die Herstellung eines
Monolithkörpers bekannt, der aus einer im wesentlichen homogenen gehärteten Mischung keramischer
Fasern, deren Faserlänge etwa das 10- bis 5üfache ihres Durchmessers beträgt, und einer Dispersion eines
kolloidalen anorganischen Oxides, wie kolloidalem Siliciumdioxid besteht, bekannt. Die Fasern können
dabei aus Aluminiumsilicatfasern bestehen.
Bei der Herstellung des bekannten Monolithkörpers aus der Mischung aus keramischen Fasern und
kolloidalem, anorganischen Oxid wird ein Formkörper hergestellt und bei etwa 93° C getrocknet. Die
Trocknung erfolgte offensichtlich in einem Ofen, wofür
eine Temperatur von 93 ° C typisch ist. Eine Ofen-•
trocknung ist jedoch, wie festgestellt wurde, nicht geeignet, ein Produkt zu erzeugen, das allen Ansprüchen
für die beschriebenen Zwecke genügt.
Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens zur Herstellung von Formkörpern aus feuerfestem,
wärmeisolierenden Material, bei dem Formkörper erhalten werden, welche die feuerfesten Fasern
und das Bindemittel in homogenem Verhältnis enthalten und durch und durch eine gleichförmige Härte,
Festigkeit und Dichte aufweisen.
i"> Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß
durch ein Verfahren zur Herstellung von Formkörpern aus feuerfestem, wärmeisolierenden Material,
bei dem eine nasse oder feuchte Mischung von anorganischen, feuerfesten Fasern, gegebenenfalls
-<> feinzerteiltem, feuerfesten Material und einem wasserlöslichen
anorganischen Bindemittel hergestellt, aus der Mischung ein Formling der gewünschten Gestalt
gebildet und dieser getrocknet wird, das dadurch gekennzeichnet ist, daß der gebildete Formling mittels
Mikrowellentrocknung getrocknet wird.
Aus dem Buch von Haase »Keramik« (1961), Seite 104, ist es bekannt, keramische Materialien mittels
UltrarotsSrahlung oder Hochfrequenztrocknung zu trocknen. Es war für den Fachmann keineswegs
ίο gegeben, Trocknungsarten, die für die keramische Industrie
vorgeschlagen sind, für die Herstellung der speziellen Formkörper aus feuerfestem, wärmeisolierenden
Material und einem wasserlöslichen anorganischen Bindemittel anzuwenden. Bei der Herstellung
von keramischen Gegenständen ist kein Bindemittel vorhanden, wie bei den erfindungsgemäß herzustellen-Jen
Formkörpern. Keramische Gegenstände werde .ι lediglich aus feuchtem Ton oder feuchter Porzellanerde
geformt, getrocknet und danach gebrannt. Die endgültige Brennstufe diktiert die Eigenschaften der
keramischen Gegenstände, so daß die Art der Trocknung vordem Brennen nicht wesentlich ist. Wie Versuche
gezeigt haben, ist die Trocknung absolut kritisch beider Herstellung von Körpern aus feuerfesten, wärmeisolierenden
Materialien auf der Basis anorganischer feuerfester Fasern und anorganischer Bindemittel.
Die erfindungsgemäß hergestellten Formkörper sind für eine Vielzahl von Isolierzwecken geeignet,
z. B. für die Isolierung von Turbinengehäusen, zur Auskleidung der Innenseite von Gaskonvektoren, zur
Anbringung auf der Außenseite von Auspuffrohren,
für die Bekleidung von Öfen oder dergleichen.
Als anorganische feuerfeste Fasern können Aluminiumsilicat-,
Calciumsilicat-, Asbest-, Aluminiumoxid-, Siliciumdioxid-, Zirkoniumoxid- oder Kohlenstoffasern
entweder allein oder als zusammengesetzte Mischung aus zwei oder mehreren zur Anwendung
gelangen. Als Bindemittel kann z. B. kolloidales SiIi-
bo ciumdioxidsol, kolloidales Aluminiumoxidsol, Natriumsilicat,
Kaliumsilicat, Äthylsilicat oder ein Metallphosphat oder -borat zur Anwendung gelangen. Die
feuerfeste wärmeisolierende Zusammensetzung kann auch einen Anteil, z. B. bis zu K) Gew.%, an feinzerteiltem,
feuerfesten Material, wie z. B. Aiuminiumdioxid (Tonerde), Siliciumdioxid (Kieselerde), calcinierte
Reisschalen, Diatomit, Kieselgur, Magnesiumoxid (Magnesia), Siliciumcarbid, Siliciumnitrid oder
gegebenenfalls Feuerton, enthalten.
Eine besonders wertvolle Gruppe von Zusammensetzungen sind Mischungen aus kolloidalem Siliciumdioxidsol
und Aluminiumsilicatfasern, wobei der SiIiciumdioxidgehalt
der trockenen Zusammensetzung in dem Bereich von 55-90 Gew.% liegt. Diese Zusammensetzungen
können, wie vorstehend beschrieben, hergestellt werden, wobei, wenn der Siliciumdioxidgehalt
des zuerst hergestciisEn trockenen Materials zu
niedrig ist, dieses Matrial weiterhin in Siliciumdioxidsol
eingetaucht und weiterhin getrocknet werden kann (mittels der erfindungsgemäß anzuwendenden
Mikrowellentrocknung, welche keine Wanderung des Siliciumdioxidsols hervorruft), um ein Material mit
dem gewünschten Siliciumdioxidgehalt zu ergeben.
Besonders wertvolle Zusammensetzungen können durch Trocknen einer geformten Mischung aus kolloidalem
Siliciumdioxidsol und Aluminiumsilicatfasern hergestellt werden. Der getrocknete Formling kann
eine Zusammensetzung von z. B. 34 Gew.% Fasern und 66 Gew.% Siliciumdioxid aufweisen. Calcinierte
P.eisschalen können in einem derartigen Material an Stelle eines Teils der Fasern verwendet werden, z. B.
bei einer Zusammensetzung bestehend aus 66 Gew.% Siliciumdioxid und bis zu 10 Gew.% calcinierten
Reisschalen, wobei der Rest aus den angegebenen anorganischen Fasern besteht.
Die Erfindung umfaßt auch die Herstellung von zusammengesetzten feuerfesten wärmeisolierenden
Materialien, die als Basis ein erfindungsgemäß hergestelltes wärmeisolierendes feuerfestes Material, wie
vorstehend beschrieben, aufweisen. So können zusammengesetzte Isoliermaterialien aus zwei Schichten
gebildet werden, wobei jedes Material erfindungsgemäß hergestellt wird, jedoch eine verschiedene Dichte
aufweist. Die Schicht niedrigerer Dichte kann gegebenenfalls sogar wabenartig sein. Weitere zusammengesetzte
Materialien können erfindungsgemäß durch Beschichten oder Unterschichten von Gegenständen
mit einer wärmerückstrahlenden Schicht, wie z. B. Aluminiumfolie, hergestellt werden.
Gewünschtenfalls kann die Oberfläche des Gegenstandes
mit einer feuerfesten Schlichte, z. B. wäßrigen Suspensionen von Aluminiumoxid, Zirkoniumoxid,
Zirkoniumsilicat, Magnesiumoxid (Magnesia), Siliciumdioxid od. dgl., oder mit einem durch Flammenzerstäubung
aufgebrachten Überzug beschichtet werden. Die feuerfeste Schlichte kann ein Bindemittel,
wie z. B. kolloidales Siliciumdioxid- oder Ajuminiumoxidsol, Natriumsilicat, Kaliumsilicat, Äthylsilicat
oder ein Metallphosphat oder -borat umfassen.
Wie vorstehend ausgeführt, sind die feuerfesten, wärmeisolierenden Materialien, die erfindungsgemäß
sind, von hohem Wert für Turbinenmaschinengehäuse. Diese sind beim Betrieb der Maschinen strengen
Bedingungen ausgesetzt: Zum Beispiel kann die Temperatur der Gase innerhalb des Gehäuses 900° C
bis 1400° C erreichen und die Druckänderungen innerhalb des Gehäuses können (da sich die Belastung
oder die Leistungsabgabe der Maschine ändert) im Bereich von Atmosphärendruck bis zu 10 Atmosphären
oder darüber liegen, wobei der Druck außerhalb des Gehäuses bei Atmosphärendruck verbleibt.
Ebenso auf Grund der mechanischen Kräfte, die durch diese Änderungen erzeugt werden, wird das Gehäuse
während des Betriebs über einen weiten Bereich von Frequenzen Vibrationsspannungen ausgesetzt.
Turbinengehäuse für Straßenfahrzeuge sind gewohnlich
aus Kugelgraphit-Gußeisen hergestellt, und dieses Material ist gegenüber den Arbeitsbedingungen
nicht ausreichend widerstandsfähig. Bei 250° C und darüber findet eine fortschreitende Änderung der in-
> neren Struktur des Metalls statt und die gewünschten mechanischen Eigenschaften gehen verloren. Gegebenenfalls
muß das Turbinengehäuse durch ein neues Gehäuse ersetzt werden. Ein derartiger Austausch ist
nicht nur unwirtschaftlich, sondern auch sehr unvor-
1(1 teilhaft, da der Großteil der anderen Bestandteile einer
Turbinenmaschine eine viel längere Lebensdauer hat.
Durch Anbringen einer Auskleidung aus erfindungsgemäß hergestelltem Material, vorzugsweise mit
ι*' einer Dicke von 12 bis 75 mm und insbesondere 25
bis 40 mm, in einem Turbinengehäuse kann ein wirksamer Schutz solcher Gehäuse erreicht werden und
ihre Lebensdauer kann wesentlich verlängert werden, z. B. bis zu drei Jahren (etwa 483 000 km) oder mehr.
-'· Während dieser Lebensdauer erfordert das Gehäuse
wenig oder keine Wartung, wobei die Schicht aus erfindungsgemäß hergestelltem, wärrneisolierenden-,
feuerfesten Material keine Veranlassung zu Wartungsproblemen gibt.
^ Ferner kanndurch ähnliche Verwendung von erfindungsgemäß
hergestelltem Material die Lebensdauer des Turbinengehäuses und des Auslaßsystems einer
Düsenflugmaschine erheblich verlängert werden. Dies ist von besonderer Bedeutung, da es die Verwendung
Jn billigerer Legierungen als die gegenwärtig verwendeten hochwarmfesten Nickel-Chrom-Legierungen für
das Gehäuse und das Anlaßsystem ermöglicht, und unter optimalen Bedingungen ist es nicht erforderlich,
ein anderes Schutzgehäuse zur Verhinderung des Ab-
H leitens von Hitze an andere Teile der Flugzeugkonstruktionen
vorzusehen. Bei der Auskleidung des Gehäuses von Düsenflugmaschinen werden Zusammensetzungen
der vorstehend beschriebenen Art bevorzugt, wobei ein Teil der Fasern (bis zu 10 Gew.%
der gesamten Zusammensetzung) durch calcinierte Reisschalen ersetzt ist. Wenn zur Auskleidung des
Gehäuses einer Turbinenmaschine oder einer Düsenflugmaschine ein Zweischichtenmaterial, wie vorstehend
beschrieben, verwendet wird, grenzt die Schicht mit der niedrigeren Dichte vorzugsweise an das Gehäuse
selbst an, und die Schicht mit der höheren Dichte ist den Gasen hoher Temperatur innerhalb des
Gehäuses ausgesetzt.
Das erfindungsgemäß hergestellte wrrmeisolierende Material kann, wenn es zur Auskisidung von
Turbinen-, Düsenflugmaschinen- oder Auslaßsystem-Gehäusen verwendet wird, durch irgendeine geeignete
Arbeitsweise in seiner Lage befestigt werden, z. B. durch Ankleben, Verbolzen oder Vernieten oder
durch zwei oder mehrere dieser Arbeitsweisen.
Nachstehend wird die Erfindung an Hand von Beispielen näher erläutert.
bo Eine Bahn von 25 mm Dicke wurde aus einer Zusammensetzung, die Siliciumdioxidsol, calcinierte
Reisschalen und Aluminiumsilicatfasern umfaßte, geformt und durch Mikrowellentrocknung getrocknet,
wobei die nachstehende Zusammensetzung erhalten
b5 wurde
Siliciumdioxid 66 Gew.%
Aluminiumsilicatfasern 27 Gew.%
Calcinierte Reisschalen 7 Gew.%
Diese Bahn wurde auf die Innenseite eines Auslasses einer Düsenflugmaschine geklebt und an deren
Kanten festgenietet.
Die Düsenmaschine wurde 5000 Flugstunden in Betrieb genommen und danach ausgebaut, und der
Auslaß wurde geprüft. Es wurde gefunden, daß nur sehr geringe Abnutzung stattgefunden hatte und daß
das Gehäuse selbst metallurgisch im wesentlichen unverändert war.
Eine Eintakt-Gasturbinenmaschine mit einer ein Niederdruckverhältnis von 370 hp regenerierenden
Zwillingswelle wurde mit einer Auslaßleitung von 30 cm Durchmesser und 30 cm Länge aus 6 mm dickem
Kugelgraphit-üußeisen versehen. Diese Auslaßleitung wurde mit einer 25 mm dicken Bahn aus Materialien
einer gemäß Beispiel 1 hergestellten Zusammensetzung, jedoch von zwei verschiedenen Dichten
0,52 g/cm und 0,35 g/cm'm, ausgekleidet.
Die Maschine wurde mit einer Vergasergeschwindigkeit von 19000 U/min (Leerlauf) und einer Kraftturbinengeschwindigkeit
von 3250 L'/min im Freien getestet, wobei sich ein Gasstrom mit einer Temperatur
von 900° C und einer Geschwindigkeit von 305 m/sec ergab.
Die Isolierleistung wurde durch Bestimmung der Außenflächentemperatur des Eisengußstücks mittels
sechs Thermoelementen (drei an dem an die Maschine grenzenden Ende und drei an dem anderen Ende) gemessen,
nachdem einmal Gleichgewichtsbedingungen erreicht worden waren.
Die mittlere Außenflächentemperatur für das Material einer Dichte von 0,52 g/cm3 betrug 175° C,
während diejenige für das Material einer Dichte von 0,35 g/cm3 129° C betrug.
Claims (5)
1. Verfahren zur Herstellung von Formkörpern aus feuerfestem, wärmeisolierenden Material, bei
dem eine nasse oder feuchte Mischung von anorganischen, feuerfesten Fasern, gegebenenfalls
feinzerteiltem, feuerfesten Material und einem wasserlöslichen, anorganischen Bindemittel hergestellt,
aus der Mischung ein Formung der gewünschten Gestalt gebildet und dieser getrocknet
wird, dadurch gekennzeichnet, daß der gebildete Formling mittels Mikrowellentrocknung
getrocknet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bis zu K) Gew.% des fein zerteilten,
feuerfesten Materials eingesetzt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mischung aus kolloidalem
Siliciumdioxidsol und Aluminiumsilicatfasern, bei der der Siliciumdioxidgehalt der trockenen
Zusammensetzung 55 bis 90 Gew.% beträgt, verwendet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß bis zu K)
Gew.% calcinierte Reisschalen eingesetzt werden.
5. Verwendung eines Formkörpers, hergestellt nach einem der Ansprüche 1 bis 4, zur Isolierung
von Turbinenmaschinengehäusen.
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Free format text: KOHLER, M., DIPL.-CHEM. DR.RER.NAT., 8000 MUENCHEN GLAESER, J., DIPL.-ING., PAT.-ANW., 2000 HAMBURG |
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Owner name: FOSECO INTERNATIONAL LTD., NECHELLS, BIRMINGHAM, G |
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Free format text: DIEHL, H., DIPL.-PHYS. DR.RER.NAT., 8000 MUENCHEN GLAESER, J., DIPL.-ING., 2000 HAMBURG HILTL, E., DIPL.-CHEM. DR.RER.NAT. BURGER, E., DIPL.-ING., PAT.-ANW., 8000 MUENCHEN |