DE2239607C3 - Plastisches, feuerfestes Material - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft ein plastisches, feuerfestes Material aus calciniertem Kaolin, Siliziumdioxid und Ton mit einem geringen Alkaligehalt des Materials zur Verwendung bei Temperaturen von etwa 1093³C bis ₄c etwa 1510⁰C.

Hierfür ist ein billiges feuerfestes Material aus Aluminiumoxiü-Siliziumdioxid vorgesehen, welches eine ausgezeichnete Volumenstabilität bei etwa 538 bis etwa 151O⁰C und eine relativ geringe Deformation unter Belastung bei Stahlnachwärmtemperaturen aufweist.

Die Verwendung plastischer feuerfester Materialien aus Aluminiumoxid-Siliziumdioxid ist weit verbreitet, insbesondere bei Stahlnachwärmöferi, beispielsweise _ss Tiefofen, die in einem Temperaturbereich von etwa 1093⁰C bis etwa 137I°C betrieben werden. Die plastischen feuerfesten Materialien haben Ziegel für diese Anwcndungszwecke wegen ihrer leichten lnstallationsmögiichkeit, der Fähigkeit monolithische Wände (,0 auszubilden, und eine plastische feuerfeste Wand an einem tragenden Stahlgehäuse eines Ofens zu verankern, weitgehend ersetzt. Dies verringert die Installationskosten, vermeidet die Erosion der Verbindungslinien, und das Auftreten von Wandausbeulungen und <,<; Wandbruch ist stark herabgesetzt.

Ein plastisches feuerfestes Material, das in öfen, die hp\ hoher Temperatur betrieben werden, beispielsweise Tieföfen, verwendet werden soll, sollte eine gute Volumenstabilität und eine geringe Deformation unter Belastung aufweisen. Im allgemeinen beeinträchtigt eine geringfügige ständige Ausdehnung bei Ofenbetriebstemperaturen die Ofenkonstruktion nicht, und kann sich sogar als günstig erweisen, da hierdurch der monolithische Wandaufbau beträchtlich verfestigt wird. Jedoch sollte das feuerfeste Material nicht schwinden, da dies bei großen Zustellungen das Brechen des monolithischen Wandaufbaus und den vorzeitigen Ausfall des Ofens verursacht.

Die herkömmlichen plastischen feuerfesten Materialien, die in öfen, beispielsweise in Tiefofen, verwendet werden, bestehen aus calciniertem Kaolin oder calciniertem Flintziegelmehl, das mit rohem plastischem Ton gebunden ist. Diesem Gemisch wird Rohcyanit zur Vermeidung übermäßigen Schwindens bei erhöhten Temperaturen zugefügt Der Cyanit zersetzt sich bei etwa 1371⁰C zu Mullit und einem siliziumhaltigen Gas, was zu einer Ausdehnung von etwa 15 bis 20% führt. Die Expansion des Cyanits in dem Produkt gleicht das Schwinden, das gleichzeitig in der Rohtonmatrix erfolpt, aus und führt zu einem relativ volumenstabilen Produkt. In der Praxis bleibt jedoch der Nachteil bestehen, daß die Zersetzung des Rohcyanits erst bei etwa 1371°C, d.h. leicht oberhalb der Betriebstemperatur eines beispielsweise Herdtiefofens erfolgt, während der Beginn des Schwindens bei etwa 980⁰C aufwärts einsetzt. Zusätzlich zu diesem permanenten Schwinden, welches in dem Temperaturbereich von etwa 1200" C bis etwa 1340°C auftritt, muß ein Trocknungsschwinden dazugerechnet werden, welches eine Gesamtsehwindung von etwa 1% ergibt.

Darüber hinaus ist die Deformation bei Belastung von herkömmlichen plastischen feuerfesten Materialien relativ hoch, wie durch die Tatsache bewiesen wird, daß bei 135O⁰C diese etwa 2.5 bis 3% beträgt und ein Anwachsen der Temperatur um weitere 11O⁰C zu einer Verdoppelung der Deformation unter Belastung führt, wodurch ein Wert bis zu 5 bis 7% erreicht wird. Hierbei darf auch nicht außer Betracht bleiben, daß der Zusatz von Rohcyanit auch hohe Kosten erfordert, da dessen Preis etwa das dreitache des Preises der anderen Bestandteile in dem feuerfesten Material ausmacht.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein verbessertes plastisches, feuerfestes Material für die Verwendung bei mittleren Oberflächenteinperaturen bis zu etwa 1510°C zur Verfügung zu stellen, welches für den Gebrauch in Stahlnachwärmöfen geeignet ist.

Zwar ist in B u d η i k ο w, »Technologie der Keramischen Erzeugnisse« 1953, S. 235 bis 237 bereits die Herstellung voiii feuerfesten Stoffen unter Verwendung von gebranntem Kaolin beschrieben worden. Diese mit Hilfe von etwa 50 bis 20% Bindeton hergestellten Erzeugnisse haben besonders wegen ihrer niedrigen Flußmittelgehalte gute Eigenschaften. Insbesondere ist beschrieben, daß Quarz bei Mischung mit einer Tonsubstanz geringer Reinheit wie Schamotte schwindungshemmend wirkt. Aus diesen Angaben können jedoch keine Schlüsse gezogen werden, wie ein plastisches feuerfestes Material hoher Reinheit, das für die Auskleidung von Stahlnachwärmöfen geeignet ist, erhalten werden kann. Insbesondere ergeben sich keine Hinweise auf plastische Materialien mit einem hohen Kaolingehalt huhcr Reinheit, die durch den Zusatz von Quartz in ihren Eigenschaften günstig beeinflußt werden.

Das plastische feuerfeste Material gemäß der

Erfindung ist gekennzeichnet durch einen Gehalt von, in Gewichtsprozent,

a) 45 bis 65% calciniertem Kaolin,

b) 20 bis 40% Siliziumdioxid und

c) 10 bis 25% plastischem feuerfestem Ton und
einen Alkaligehalt des Materials von 1 % oder geringer, wobei sich die Kaolinkörnung zwischen 6,74 mm und 0,64 mm bewegt und der Kaolin einen Alkaligehalt von weniger als 0,5Gew.-% aufweist, das Siliziumdioxid hoher Reinheit aus Siliziumdioxidsand hoher Reinheit einer Körnung von 0,64 mm bis 0,99 mm mit einem Alkaliverunreiiiigungsgehalt von weniger ajs 0,1 Gew.-% und Siliziumdioxidsand einer Körnung von kleiner als 0,074 mm mit einem Alkaliverunrcinigungsgrad von weniger als 0,1 Gew.-% besteht, und der plastische Ton einen maximalen Alkaliverunreinigungsgrad von 1,5 Gew.-% aufweist

Besonders günstige Ergebnisse werden mit einem Material erhalten, das einen Gehalt von

a) 52% calciniertem Georgiakaolin einer Körnung von 6,74 mm bis 0.64 mm,

b) 20% Siliziumdioxidkies hoher Reinheit einer Körnung von 0,64 mm bis 0,99 mm,

c) 10% Siliziumdioxidsand hoher Reinheit einer Körnung von weniger als 0,074 mm und

d) 18% Kentucky-Bindeton
aufweist.

Gemäß der Erfindung wurde gefunden, daß ein teilweiser Austausch des calcinierten Kaolins und des Rohcyanits bei herkömmlichen SchamoUematerialien durch Siliziumdioxid relativ hoher Reinheit ein plastisches feuerfestes Material erzeugen kann, das ausgezeichnete Volumenstabilität und eine relative geringe Deformation bei Belastung aufweist. Darüber hinaus i^c.t dieses verbesserte, plastische, feuerfeste Material mit niedrigeren Kosten als die herkömmlichen Schamottefeuerfesten Materialien herstellbar. Das Material weist im allgemeinen eine relativ geringe Alkalikonzentration auf. was zu seiner geringen Deformation bei Belastung beiträgt.

Das Siliziumdioxid stellt teilweise Siliziumdioxidkies relativ hoher Reinheit und teilweise gemahlenes Siliziumdioxid relativ hoher Reinheit dar, wobei das gemahlene Siliziumdioxid eine viel geringere Teilchengröße aufweist, und etwa 10 bis etwa 25% plastischen feuerfesten Ton, bezogen auf das Gesamtgewicht des Materials, enthält. In dem plastischen feuerfesten Material gemäß der Erfindung sind die Alkaliverunreinigungen des feuerfesten Ziegelmaterials auf einem Minimum, vorzugsweise I % oder geringer, bezogen auf das Gewicht des Materials, gehalten. Zum Erhalt relativ hoher Feuerfestigkeitseigenschaften unter Belastung ist. es vorteilhaft, die Menge der Verunreinigungen im allgemeinen, insbesondere die in dem Rohmaterial vorliegenden Alkaliverunreinigungen bis zu einem Wert von 1% oder darunter zu verringern. Aus diesem Grund wird calcinierter Kaolin als die grobe Fraktion des feuerfesten Materials bevorzugt, da dieses Material im allgemeinen einen geringeren Alkaligehalt, insbesondere 0,5% und darunter aufweist. Das verwendete Siliziumdioxid ist vorzugsweise ein sogenanntes »Super duly« Siliciumdioxid, Ganister oder ein Glassand, welches jeweils weniger als etwa 0,1% Alkaliverunreinigungen enthält.

Der in dem Material als Bindemittel und Plastifizierungsmittel verwendete plastische Ton soll ebenfalls eine minimale Menge an Alkaliverunreinigiingen enthalten. Diese Bedingung muß jedoch mit der Plastizität, die erforderlich ist, um ein verarbeitbarc-s, plastisches, feuerfestes Material zu liefern, welches leicht eingebaut werden kann, in Einklang gebracht werden. Da Rohkaolin nicht ausreichend plastisch ist, ist es nicht empfehlenswert, dieses Material zu verwenden. Für die Verwendung als Bindemittel und Plastifizierton geeignete Tontypen siad Bindstone aus Kentucky, Tennessee oder Texas, die einen Alkaliverunreinigungsgehalt von etwa 0,5 bis 1,5 Gewichtsprozent und einen Kegelfallpunkt von mindestens 30 aufweisen. Das Gesamimaterial weist im allgemeinen einen Alkaligehalt von 1,0 und darunter, vorzugsweise in der Nähe von 0,5% bezogen auf das Gewicht auf.

Ein Devorzugtes Material gemäß der Erfindung weist einen Anteil von etwa 20 bis 40% Aluminiumoxid und weniger als 0,5% Alkaliverunreinigungen auf.

Besonders günstige Ergebnisse werden mit einem Material erhalten, das etwa 50 bis 60% calcinierten Kaolin, 25 bis 35% Siliziumdioxid hoher Reinheit und etwa 15 bis 20% plastischen, feuerfesten Ton aufweist, wobei der Alkaligehalt des Materials etwa 1% oder weniger beträgt.

Das feuerfeste Material aus Aluminiumoxid-Siliziumdioxid weist eine ausgezeichnete Volumenstabilität in einem Temperaturbereich von etwa 540°C bis etwa I482°C auf und erleidet nur eine relativ geringe Deformation bei Belastung bei Stahlnachwärmtemperaturen.

Es eignet sich insbesondere die Auskleidung der Form mit relativ festen, dichten extrudierten Blöcken, welche mit der Hand oder ohne Preßluftstampfung in einen Hochtemperaturofen eingebracht werden.

Die Fig. zeigt die Veränderung der thermischen Expansion bei anwachsenden Temperaturen für herkömmliche plastische feuerfeste Materialien und für die verbesserten plastischen feuerfesten Materialien.

Die Erfindung wird durch das folgende Beispiel weiter veranschaulicht, bei dem alle Teile und Prozentsätze in Gewichten, sofern nicht anders angegeben, ausgedrückt sind.

Beispiele

Es wurden plastische feuerfeste Materialien, die die folgenden Zusammensetzungen autwiesen, hergestellt:

Beispiele I Il

Calcinierter Georgia-Kaolin 52.0 52.5 59,0 47.5

(6.74 mm-0,64 mm) %
Siliz.umdioxidkies hoher Rein- 20,0 - 18,0 29.5

heit (0,64 mm -0,99 mm) %
Siliziumdioxidsand hoher Rein- — 20,0 — —

heit (0,32 mm -0,074 mm) %
Gemahlener Siliziumdioxid- 10,0 10.0 5,0 5.0 sand hoher Reinheit

> 0,074 mm %
Kentucky-Bindeton. % 18,0 17.5 18,0 14,0

(Luftflotiert)

(K)

Die vorstehenden Materialien wurden in einem Kollergang oder einem Naßmahler unte.· Verwendung von 7.5% Wasser und 0,5% einer Lignosulfonatlösung als Annuicliflüssigkeiten angemacht und in einem Extruder mit einer Entlüftungskammer, die bei etwa 660 mm Qiiecksilberdruck betrieben wurde, extrudiert. Das Gemisch wurde in einer kontinuierlichen Säule mit einem Querschnitt von 23 χ 15 cm extrudiert und in 34.3 cm lange Blöcke geschnitten. Das plastische

Gemisch kann ebenso zu dichten Platten der Maße 20 χ 30 χ 6 cm gerüttelt werden. Die hergestellten Proben wurden durch Nachpressen in einer hydraulischen Presse bei 70,3 kg/cm², wie durch die A.S.T.M.-Prüfverfahren vorgeschrieben ist, geprüft, wobei die nachstehenden Ergebnisse erhalten wurden:

	Beispiele	II	III	IV
	1	1.8	n.b.	n.b.
Deformation bei Be	1,5 bis
lastung (%) 1>/2 Std.	2,0
bei 13490C		2.6	3,9	4,1
Deformation bei Be	2,5 bis
lastung (%) 1'/2 Std.	3,1
bei 14490C		0.3 S	0,3 S	0,3 S*)
Permanente lineare Trock-	0,3 S
nungsschwindung (%)
Permanente lineare Trock
nung und Brennver
änderung (%)		n.b.	0,1 S	0
bei 10930C	0,3 E	0,2 S	0,1 S	0,2 S
bei 1399° C	0,4 E**)
*) S = Schwindung. **) E = Ausdehnung.

Ein Vergleich der vorstehend angegebenen Meßergebnisse mit jenen, die zuvor für herkömmliche plastische Schamottematerialien angegeben wurden, veranschaulicht, daß die Feuerfestigkeit bei Belastung wesentlich verbessert ist, während die Schwindung des verbesserten Produktes in dem Bereich von 1090° bis 1400⁰C faktisch eleminiert worden ist. Das Gemischmatcrial des Beispiels 1 scheint die besten Gesamteigenschaften zu haben, jedoch stellen alle Materialien gegenüber dem Stand der Technik eine Verbesserung dar.

Die Figur vergleicht die thermische Expansionskurve, die sich als Summe der permanenten und der reversiblen thermischen Expansion ergibt, des hier beschriebenen feuerfesten Materials mit jener eines herkömmlichen plastischen Materials. Dem Schema kann entnommen werden, daß das verbesserte Material fast vollkommene Volumenstabilität oberhalb etwa 540⁰C zeigt, nachdem eine schnelle Expansion in dem Bereich von 260⁰C bis 540⁰C infolge SiliziumdioxidphasenumWandlungen erfolgt ist. Die herkömmlichen plastischen Materialien zeigen beginnende permanente Schwindung im Bereich von 1090 bis 137O⁰C, gefolgt von einer sehr raschen Expansion oberhalb 137O°C, wenn sich der Rohcyanit zu zersetzen beginnt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

«f Patentansprüche:

1. Plastisches feuerfestes Material aus calciniertem Kaolin, Siliziumdioxid und Ton mit einem geringen > Alkaligehalt des Materials zur Verwendung bei Temperaturen von etwa 1093°C bis etwa 1510⁰C, gekennzeichnet durch einen Gehalt von, in Gewichtsprozent,

a) 45 bis 65% calcinieriem Kaolin, ic

b) 20 bis 40% Siliziumdioxid und

c) 10 bis 25% pläs äschern feuerfestem Ton und
einen Alkäligehalt des Materials von 1% oder geringer, wobei sich die Kaolinkömung zwischen 6,74 jnm usd 0,64 mm bewegt und der Kaolin einen \ Alkaligehalt von weniger als 0,5 Gew.-% aufweist, das Siliziumdioxid hoher Reinheit aus Siliziumdioxidsand hoher Reinheit einer Körnung von 0,64 mm bis 0,99 mm mit einem Alkaliverunreinigungsgehalt von weniger als 0,1 Gew.-% und ^n Siliziumdioxidsand einer Körnung von kleiner als 0,074 mm mit einem Alkaliverunreinigungsgrad von weniger als 0,1 Gew.-% besteht, und der plastische Ton einen maximalen Alkaliverunreinigungsgrad von 1,5 Gew.-% aufweist.

2. Material nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch einen Gehalt von

a) 52% calciniertem Georgiakaolin einer Körnung von 6.74 mm bis 0,64 mm,

b) 20% Siliziumdioxidkies hoher Reinheit einer Körnung von O.b4 mm bis 0,99 mm,

c) 10% Sili/iumdioxidsand hoher Reinheit einer Körnung von weniger als 0,074 mm und

d) 18% Kentucky-Bindeton.

3. Verwendung des Materials nach Anspruch 1 ^ oder 2, zum Auskleiden von Stahlnachwärmöfen.