DE2231315A1 - Feuerfester koerper und verfahren zur herstellung desselben - Google Patents

Description

•ATENTANWXLTE WpUn₉. WERNER COHAUSZ-OpL-In₀. WILHELM FLORACK . Dipl.-!«* RUDOLF KNAUF

' 4 DOsMUwf, Sdiumofliutrae« 97 2231315

The Carborundum Company

1625 Buffalo Avenue

ITiagara Falls, ITew York, USA 26. Juni 1972

Feuerfester Körper und Verfahren zur Herstellung desselben

Die Brfindung betrifft einen feuerfesten Körper,und ein Verfahr ai zur Herstellung desselben, insbesondere Gegenstände, die im wesentlichen aus einem oxidischen Material ait siliziumhaltigen Bindemitteln bestehen, sowie ein Verfahren zur Herstellung dieser Gegenstände, insbesondere jene aus feuerfesten Zusammensetzungen.

Die Verwendung von oxidischen Materialien für feuerfeete Körper ist bekannt. Der Überfluß und die Billigkeit dieser Materialien in Verbindung mit ihren hohen Schmelzpunkten und chemischen Stabilitäten bei hohen Temperaturen haben in deren verbreiteter Verwendung in den verschiedensten Formen und Anwendungen in Wissenschaft und Industrie geführt. Zusammensetzungen, die solche oxidischen Materialien enthalten, wie Aluminiumoxyd, Magnesiumoxid, Zirkoniumoxid und Chromoxid sowie verwandte Minerale wie Spinell, Mullit, Forster^t, üordierit usw. haben sich als eminent ggeeignet für Auskleidungen und Isolierungen von Hochtemperaturöfen sowie für Spezialformen erwiesen, die in oder um öfen oder entsprechende Hoohtemperaturanwendungsfälle gebraucht werden.

Während ein feuerfester Körper hohen Temperaturen widerstehen miv3, muß er auch die Fähigkeit haben, plötzlichen Änderungen in der Temperatur au widerstehen, ohne zu platzen oder sich zu verziehen. Sr muß ferner die erforderliche mechanische Festigkeit haben, um seine Verwendung in den erforderlichen feuerfesten Konstruktionen zu ermöglichen. Viele feuerfeste Substanzen sind schon im Bestreben entwickelt worden, dieae Anforderungen zu erfüllen. In vielen Fällen jedoch hab der entstehende

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feuerfeste Körper zwar überlegende Eigenschaften in mancher Hinsicht, jedoch Nachteile in anderer Einsicht. Deswegen besteht ein ständiger Bedarf an einem verbesserten feuerfesten Körper in neuer Zusammensetzung! deren den Anforderungen spezieller Art gerecht wird, bei denen eine Kombination von Eigenschaften erforderlich sind, "die in bekannten feuerfesten Körpern nicht vorhanden sind. Die Erfindung sieht feuerfeste Körper oder Formlinge vor, die destinktive Zusammensetzungen haben,und dieee können mit Hilfe praktischer Verfahren hergestellt werden. Bei richtiger Behandlung sind die Körper gekennzeichnet durch eine hohe Dichte, eine hohe Festigkeitsstabilität bei hohen Temperaturen und Stabilität in Gegenwart von geschmolzenem Glas, metallurgischer Schlacke, Alkalidämpfe und korrodierenden Oasen.

Die Erfindung sieht feuerfeste Körper vor, die gekennzeichnet sind durch feuerfeste oxidische Materialien aus der Gruppe, die aus Aluminiumqxyd, Magnetsium-oxid, Zirkoniumoxid, Siliziumoxid, Chromoxid, Mulklit, Spinell, Porsterit und Gemischen davon besteht, wobei kleine Mengen fein zerteiltes Siliziummetall ale ein Bindemittel zugesetzt sind. Das Gemisch kann in Gegenstände mit Hilfe eines der bekannten Formgebungsverfahren geformt werden, beispielsweise eine mechanische Verdichtung oder ein mechanisches Pressen, und dann kann oin Brennen in einer oxidierenden Atmosphäre bei einer Temperatur und für eine Zeitdauer erfolgen, die ausreichen, ua das Siliziummetall in eine siliciumhaltig· Bindung umzuwandeln, so daß eine hohe Dichte und Festigkeit für den entstehenden feuerfesten Körper bewirkt wird..

Sie feuerfesten lörper geaES der Erfindung közuaen aus Gemischen feuerfester Oxide bestehen, beispielsweise Aluainiunoxid, Zirkoniumoxid, Magnesiumoxid, Chormoxid oder Siliziiraoxid, allein oder in Gemischen, sowie feuerfesten oxidiachen Materialien wie Mnllit, Spinell und Foreterit. Die feuerfeste Zusammensetzung kann zwischen 85 und 95 Gev.-yfc feuerfesten Aggregate oder Korns aufweisen, wobei der Best aus 1 Mb 15 G#v.~$ Siliziamoxid besteht, daß verschmolzen sein kann, oder aus Flint, BuacEUiien mit kleinen Mengen Tonpleatifizierungsmitteln, calciniertera Aluainiuaoxidj feuerfesten feinteilen, zeitw4*eilig wirkenden Bindemitteln und I$±i\ zerteiltem Ciliaiummetall, Oxide von Metallen

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wie Bor, natrium, !Magnesium, Calcium,- Titan, Vanadium/ Chrom, Eisen, ITickel und Zirkonium können ebenfalls alc Verunreinigungen in Konzentrationen von weniger als etwa 1 Gew.-/·!· vorhanden sein. Das f-iliziummetall unterstützt das Erreichen einer hohen Dichte in diesen feuerfesten Körpern durch den Vorgang der Oxidation während des Brennens und der anschließenden Reaktion mit anderen Oxiden, um eine feuerfeste siliziumhaltige Bäindung in situ zu bilden. Diese Bindung ist besondere hartnäckig, wenn die Oxidation des ciliziums vonstattengeht, nachdem es sich verschweißt oder bevor es schmilzt und in die feuerfesten Oxidpartikel diffundiert. Das Siliziummetall wird auf mindestens 200 mesh gemahlen, kann jedoch als Korn mit 600 mesh und feiner angeliefert werden. Der Gehalt an Siliziummetall, das der feuerfesten Mischung zugesetzt wird, kann zwischen etwa 0,5 und 5 Gew.-/j variieren. Wasser kann gegebenenfalls zugesetzt werden, und das Gemisch kann in die gewünschte Form gebracht werden, indem mit einea der bekannten Formgebungsverfahren gearbeitet wird, beispielsweise einem mechanischen Verdichten oder Pressen. Der Formling wird dann getrocknet und gebrannt. Während des Brennens ist es erforderlich, den feuerfesten Körper einer neutralen oder oxidierenden Atmosphäre bei Temperaturen von 1200 C und darüber auszusetzen, um ein vollständiges Binden zu entwickeln. Während des Brennens bildet sich etwa 1 bis 6 Gew.-^ Silizium im Körper durch die Oxidation des Siliziumbindemetalls.

Während in der vorstehenden beschreibung bestimmte breite Bereichs für die Materialzusammensetaungen und die Behandlungsbedingungen angibt, versteht es sich, daß engere Bereiche in den Haterlalzusammensetsungen und in den Reaktionsbedingungen ein zufriedenstellendes Produkt mit überlegenen Eigenschaften ergeben können. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist ein Gemisch vorgesehen, beetehena aus Bl) bis 55 Gev.-ys flachen, verschmolzenen oder calcinierben Aluminiuaiozids, 1 Gew.-'^ Siliziunmetall in einer Reinheit von 600 mesh, C bie 4 Gew.-Jo Ton und 0 bis ρ Gew.-'Λ i'lintsiliziumoxid, und es vird gsiormt, getrocknet unu bei 1L00 bis 1200 C in einer oxidierender. Atmosphäre mindestens eine otunae lan& gebrannt, und daran schlieft sich ein abschließendes Brennen bei einer Temperatur von mehr als 1425⁰C an. Die

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BAD ORfQFNAt

entstehenden feuerfesten Gegenstände haben eine herausragende Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit gegenüber Schlacke und Metall bei hohen Temperaturen. Drei dieser Zusammensetzungen sind in Tabelle I angegeben. Die Materialien wurden sunächst gründlich gemischt und mit Vasser getempert, um ein Gemisch mit einer geeigneten KonsMenz zur Formgebung zu bilden. Nach dem Porgeben in geeigneten Formen wurden die entstehenden Formlinge getrocknet und bei 1200 bis 1260°C gebrannt, und zwar eine Stande lang, voran sich ein abschließendes Brennen bei einer Temperatur über 1425⁰C anschloß. Sie mechanischen Eigenschaften der Gegenstände nach dem Brennen sind im unteren Teil der Tabelle angegeben.

Tabelle I	Zusammensetzungen	A	B	£
	Flach-AluminiUBOxid	Gew.-9b	Gew. -4,	Gew.-ji
Caloiniertes Aluminiumoxid (-325mesh)	85	90	90
Topfer-Flintsiliziumoxid	5	5	5
Xaolinton	5	4	3
Siliziummetall (600 mesh)	4	-	-
Gebrannte Schüttdichte (g/cnr)	1	1	2
Scheinporosität (56)	38,00	2,97	3,02
Bruchzahl (psi)	12,0	14,7	10,1
(Druckdehnung)
Haumteaperatür
1200°C	2200-2800	0428	5079
130O0C	52OO	-	-
	336O	4700	3825

1400⁰C

23OO

In einer zweiten leetreihe wurden die Effekte eines unterschiedlichen Siliziumgehalts ausgewertet. In Tabelle II sind die Ergebnisse von vier ΤβεΐΒ mit Gemischen gezeigt, in denen der Siliziumgehalt geändert wurde, während lie anderen Bentandteile im wesentlichen beibehalten wurden. Di· Torgänge des Miechens, Formgebens und Brennens der Gemische waren die

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gleichen, wie sie für jene beschrieben worden 3ind, die in !Tabelle I angegeben sind. Die mechanischen Eigenschaften der zweiten Reihe gebrannter Gegenstände ind unten in Tabelle II angegeben.

Tabelliell

•	D	I	F	G
Zusammensetzungen	Gew.-;i	Gew. -φ	Gew.-%	Gew.-5ii
Flachaluminiumoxid	85	85	85	85
Galciniertes Aluminium
oxid {-325 mesh)	VJl	VJl	5	5
TopferFlintsiliziumoxid	VJl	5	5	VJl
Kaolinton	4	4	'4	4
Siliziummetall (6OO mesh)	-	0,5	1,0	1,5

Gebrannte Schüttdichte (g/om⁵) 2,94 2,96 2,98 2,92

Scheinporesität ($) 16,9 15,2 15,0 17,1 Bruchzahl (psi)

(Druckdehnung) 2050 2550 27OO 2150

Obgleich gute feuerfeste Gegenstände mit Siliziummetallzusätzen bis zu etwa J Gew.-# hergestellt worden sind, beträgt der optimale Zusatz zwischen 0,5 und 1 Pxosent. Dieser Anteil an Silizium gibt feuerfeste !!!eile mit einer Qualitäteverteilung von Hochaluminiumoxid-Ziegelmehl in einer Grundsubstanz aus feuerfestem Glas und ultrafeinen Kullitkristallen. Sine oxidierende Atmosphäre während des. Brennens ist erforderlich, da das Siliziumoxidiert und sich dann mit anderen Oxiden kombiniert, die vorhanden sind, um Glas und ein mikrokristallines Silicatnetzbindewerk in dem entstehenden feuerfesten Gegenstand zu bilden. Das bindende Netzwerk kann mehr als etwa 15 Gew.-j£ des abschließend gebrannten !Teils ausmachen»

Die Herstellung von Formungen ist so beschrieben worden, daß der Gegenstand in der genauen Form geformt und gebrannt wird, in der er verwendet werden soll, beispielsweise in der Form eines feuerfesten Steins oder eines entsprechenden feuerfesten Formlinge. Eine andere Art der Herstellung und der Verwendung der feuerfesten Körper gemäß" der Erfindung be-

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steht darin, rohe Chargen grünen Materials in Briketts oder andere Ponnlinge zu formen und ein Brennen anzuschließen, wie das vorstehend beschrieben worden ist. !lach dem Brennen können die Körper in Granulatform zuerkleinert werden, um als Hochtemperaturisolierungsmaterial verwendet zu werden. Das Granulat kann auch als lockeares Filtermaterial oder als Katalysator oder Katalysatorträger verwendet werden. Bas Granulatmaterial kann auch mittels gesinterter Metalle, glassiger oder keramischer Bindungen oder anderer Bindemittel gebunden werden, um Gegenstände zu bilden, die eich für viele industrielle Verwendungszwecke eignen.

Pat entanaprttohe

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Claims (12)

Pat entanBprUche

1. Feuerfester Körper, gekennzeichnet durch oxidisches Material aue der Gruppe, die aus Aluminiumoxid, Magnesiumoxid, Zirkoniumoxid, Siliziumoxid, Chromoxid, Mullit, Spinell und Forsterit sowie Gemischen daraus besteht, und fein »erteiltes Siliziummetall als ein Bindemittel but Bildung einer oxidisehen ailiziumhaltigen Biindung, wobei der Anteil der Biindung veniger als etwa 15 Gew.-^ des feuerfesten Körpers ausmacht.

2. Körper nach Anspruch 1, gekennzeichnet, durch 85 bis 95 Gew.-$> Aluminiumoxid, 0 bis 4 Gew.-& Ton, 1 bis 15 Gew.-fi Silizium und weniger als etwa 1 Gew.-Jb oxidischer Verunreinigungen, wobei etwa 1 bis 6 Gew.- ⁰Ja des Siliziums durch die Oxidation des Siliziummetall-Bindemittels gebildet ist.

3· Körper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Bindemittel nicht mehr als etwa 3 Gew.-^ fein zerteilten Siliziummetalls ausmacht, wobei das Metall eine Partikelgröße von nicht mehr als 200 mesh hat.

4* Körper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das feuerfeste oxidische Material aus verschmolzenem und flachem Aluminiumoxid besteht.

5. Körper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das feuerfeste oxidische Material Aluminiumoxid «ist und ein Bindemittel etwa 0,5 bis 1 Gew.-^ fein zerteilten Siliziummetalls ist, wobei das Metall eine Partikelgröße Ton nicht mehrals 200 mesh hat.

6. Körper nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß das Siliziummetall eine Partikelgröße von 600 mesh und feiner hat.

7· Verfahren zur Herstellung eines feuerfesten Körpers, dadurch gekennzeichnet, daß ein Formling in der gewünschten Forin auö einem Gemisch hergestellt wird, das aus oxidischea Material aus der Gruppe, die aus AluiainiurnoxicL, Haguesiueoxid, Zirkoniumoxid, Siliziumoxid, Chromoxid,

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IIullit, Spinell und Forsterit und Gemischen daraus "besteht, und. aus fein zerteiltem Siliaixuametall ala Bindemittel besteht_t wobei das Gemisch in einer oxidierenden Atmosphäre zur Bildung einec oxidischen siliziumhaltigen gebundenen Körpers gebrannt wird, wobei der Anteil der Bindung weniger ale etwa 15 Gew.-/; des feuerfesten Körpers ausmacht »

8. Verfahren nach Anspruch 7* dadurch gekennzeicfciet, daß der Körper aus einen Gemisch hergestellt wird, dan aus 85 bis ^5 Gew.-$ Aluminiumoxid, 0 bis 4 Gew. ,-Jb Ton, 1 bis 15 Gew.-Ji Siliziumoxid \ind weniger als etwa 1 Gew.-^ oxidischer Verunreinigungen besteht, wobei etwa 1 bis 6 Gew.-% den Silisiumoxids durch die Oxidation des oilialumnetall-Bindemittels gebildet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß das Bindematerial CiUE nicht mehr als etwa 5 Gew.-^ SiliElunaaetall besteht, wobei das Metall eine Partikelgröße von nicht mehr als 200 mesh hat.

10· Verfahren nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß dae feuerfeste oxidische Material aus verschmolzenem und tabularea Aluminiumoxid gebildet wird.

11. Verfahren nach Anspruch "J, dadurch gekennzeichnet, daß der Formling im Bereich von 120C Mb *34i©1760^oC gebrannt wird.

12. Verfahren nach Ansprach /, dadurch gekennzeichnet» daß das oxidische Material aua Aluminiumoxid beetkeht und das Bindemittel aus etvra 0,5 biß 1 Gew.-^ fein zerteilten Silizitunoxids beethiit, wobei dan lie tall eine PartikelgxöSe von nicht mehr ale 200 mesh hat, wobei öle geformten ■ Materialien im Bereich von 1200 bis 176o^G2 gebrannt werden.

Vj* Verfalireri nach Anspruch Yl, c.ad.ur.'-]i gekennzeichnet, daß das Eiliziuca uetall eine Partikclgröße von 600 noch und feiner.' hs.t.

14· Verführen nach Anspruch 12_t dadurch jrekennzeichnet, dsuj der Gegenstand bei 1200 bie 1700⁰O irj.ndeBOena eine Stunde lang' gebrannt wird und »ich ein «bβ-3hlißsn-ies

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