DE2310618A1

DE2310618A1 - Feuerfeste aluminiumsilikatfaser

Info

Publication number: DE2310618A1
Application number: DE19732310618
Authority: DE
Inventors: Larrie Howard Sweet
Original assignee: Carborundum Co
Current assignee: Unifrax 1 LLC
Priority date: 1972-03-02
Filing date: 1973-03-02
Publication date: 1973-09-06
Also published as: SU520027A3; NL7302888A; JPS48101407A; IT979688B; FR2182864B1; GB1424239A; SE380245B; FR2182864A1; CA1012562A

Description

FmTENiANWÄLTE

DipUng. WERNER COHAUSZ · DipUng. WILHELM FLORACK . DipUng. RUDOLF KNAUF

Dr.-Ing. Arnold Gerber 4 Düsseldorf, SchumannstraBe 97 *) "3 1 Π ß 1 Q

The Carborundum Company 28. Februar 1975

162$ Buffalo Avenue
Niagara Falls, New York
USA

Feuerfeste Aluminiumsilikatfaser

Die Erfindung betrifft eine feuerfeste Aluminiumsilikatfaser.

Feuerfeste Aluminiumsilikatfasern werden seit etwa 1955 in technischem Maßstab hergestellt. Die Fasern werden unter Verwendung der verschiedensten organischen und anorganischen Füllstoffe und Bindemittelsysteme zur Fertigung von Matten, Filzen, Blöcken, Pappen, Gußmassen, Zementen, Textilien und technischen Formkörpern verwendet. Anwendungsgrenzen haben sich in der Praxis durch die Wärmeschrumpfung ergeben, die bei etwa 1260 ⁰C eintritt und Je nach Hersteller zwischen 2 und 8$ beträgt.

Die Isolierung industrieller Ausrüstungen soll oft unter extremen Bedingungen wirksam sein, wobei die größten Anforderungen beim Betrieb von Hochtemperaturanlagen, wie Brenn- und anderen öfen, gestellt werden. In manchen Fällen kann nur eine feste Isolierung den gewünschten Zweck erfüllen. Diese Art der Isolierung ist jedoch kostspielig und schwierig einzubauen, so daß man lamer mehr bestrebt ist, wo immer möglich eine Faserisolierung zu verwenden. Diese Isolierung ist verhältnismäßig billig, leicht einzubauen, und wenn sie aus feuerfesten Aluminiumsilikatfasern besteht, kann sie ohne schädliche Auswirkungen auf die Faser-

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struktur Temperaturen bis 1100 ⁰C ausgesetzt werden. Da die Pasern aber in Wirklichkeit aus einer unterkühlten Keramik bestehen, haben sie die Neigung zu kristallisieren. Unterhalb 1100 ⁰C verläuft die Kristallisation langsam, und die Fasern behalten lange Zeit ihre Festigkeit und Elastizität. Bei höheren Temperaturen nimmt die Kristallisation, die auch als Entglasung bezeichnet wird, rasch zu und erreicht im Bereich von 1260 bis 1370 ⁰C ein schwerwiegendes Ausmaß. Die Fasern schrumpfen und werden so spröde, daß sie zu einem Pulver zerfallen können, wodurch die Wirksamkeit der Isolierung zum größten Teil verloren geht. Angesichts der Entwicklungstendenz im Ofenbau zu immer höheren Temperaturen besteht offensichtlich ein Bedarf an einer Faserisolierung mit erhöhter Beständigkeit im Bereich hoher Temperaturen.

Auf die Entwicklung von Keramikfasermassen, insbesondere solcher auf der Basis einer Kombination von Aluminiumoxid und Siliciumdioxid, ist sehr viel Mühe aufgewendet worden. Aluminiumoxid hat einen Schmelzpunkt, der beträchtlich über demjenigen des SilicJumdioxids liegt, und würde wahrscheinlich eine hochwärmebeständige Faser ergeben, wenn die Viskosität des geschmolzenen Materials ein Ausziehen zu Fasern ermöglichen würde. Um ein Material zu erhalten, das im geschmolzenen Zustand Viskositätseige'nschaften hat, die eine zufriedenstellende Faserbildung ermöglichen, ist der Zusatz von Siliciumdioxid erforderlich. Außerdem können unterschiedliche Mengen von Modifizierungsmitteln zugesetzt werden, um die Verarbeitbarkeit des geschmolzenen Material zu fördern oder die Eigenschaften der erhaltenen Keramikfasern zu verbessern. Für die bisher entwickelten Keramikfasern werden Massen verwendet, die aus etwa 45 bis 80# Aluminiumoxid und etwa 20 bis 55^ Siliciumdixoid neben kleinen Anteilen anderer oxidischer Materialien, wie Boroxid, Phosphorpentoxid, Titandioxid, Natriumoxid u.dgl., bestehen. Diese Fasern verhalten sich zwar in einem mittleren Temperaturbereich

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(1100 - 1200 ⁰C) zufriedenstellend, doch tritt bei Temperaturen oberhalb dieses Bereiches rasch eine starke Schrumpfung und Faserschwächung ein, die bei 1J57O ⁰C ausgeprägt wird und zu einer raschen Zerstörung der Faserstruktur und der Isoliereigenschaften führt.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Aluminiumsilikatfaser mit verbesserter Beständigkeit gegen hohe Temperaturen zu schaffen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einer feuerfesten Aluminiumsilikatfaser dadurch gelöst, daß sie aus etwa 60 bis 80 Gew.-^ Aluminiumoxid, etwa 19 bis 39% Siliciumdioxid und weniger als 1 Gew.-^ eines sauren Oxids besteht und gegen Schrumpfung bei hohen Temperaturen beständig ist. Fasern mit einer Zusammensetzung von etwa 62 bis 66 Gew.-% Aluminiumoxid, etwa 57 bis 33 Gew.-# Siliciumdioxid und weniger als 1% eines sauren Oxids, wie Boroxid, zeigen nach längerer Einwirkung von Temperaturen bis 137
beträgt

bis 1370 °C eine Schrumpfung, die weniger als h% der Faserlänge

Feuerfeste Aluminiumsilicatfasern zur Verwendung bei hohen Temperaturen können durch Schmelzen und Zerfasern eines Gemisches · von Aluminiumoxid und Siliciumdioxid mit kleinen Anteilen eines sauren Oxids als Modifizierungsmittel hergestellt werden. Befriedigende Pasern gemäß der Erfindung haben eine chemische Zusammensetzung von etwa 60 bis 80 Gew.-% Aluminiumoxid, etwa 19 bis 39 Gew. -% Siliciumdioxid und weniger als Vfo eines sauren Oxids. Das Material, aus dem die Fasern hergestellt werden, soll verhältnismäßig rein und frei von Verunreinigungen sein, da Qualität und Quantität des Faserproduktes durch kleine Mengen von Fremdstoffen erheblich beeinflußt werden. Das Ausgangsmaterial kann in einem gas- oder ölbeheizten Ofen oder vorzugsweise einem elektrischen Lichtbogenofen geschmolzen werden. Die Fasern können

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durch Zerblasen eines Strahls des geschmolzenen Keramikmaterials mit Druckluft oder Dampf oder durch Abschleudern der Schmelze von der Oberfläche einer rasch umlaufenden Trommel oder Scheibe hergestellt werden. Die Technologie des Schmelzens und der Faserherstellung ist bekannt und braucht daher hier nicht weiter beschrieben zu werden.

Oben wurde bereits ausgeführt, daß schon bekannte Aluminiumsilikatfasern bei Temperaturen bis zu 1100 ⁰C in der Regel sehr wärmebeständig sind. Unter Wärmebeständigkeit wird hier die Fähigkeit der Faser verstanden, ihre Festigkeit und Elastizität unter Hitzeeinwirkung beizubehalten. Durch Kristallisation innerhalb der Faser werden Faserfestigkeit und Elastizität herabgesetzt, eine Erscheinung, die bei Aluminiumsilikatfasern in der Regel mit der Bildung von Mullit, einer kristallinen Form von Siliciumdioxid und Aluminiumoxid (5 AIpO^, · 2SiO₀) beginnt. Diese Umwandlung wird in einem Temperaturbereich von 1000 bis 1100 ⁰C merklich und schreitet in einem Temperaturbereich von 1100 bis 1260 ⁰C mit erhöhter Geschwindigkeit fort. Es ist bekannt, daß kleine Mengen Boroxid die Wachstumsgeschwindigkeit der Mullitkristalle in der Glasfaser erhöhen. Eine Erhöhung des Aluminiumgehalts der Faser begünstigt ebenfalls die Entglasung oder das Wachstum von Mullit auf Kosten von Cristobalit (SiO₂), da die zunehmende Mullitbildung den Cristobalitgehalt senkt. Ein niedriger Cristobalitgehalt setzt Kristallumwandlungen oder rasche Änderungen des Kristallvolumens bei geringen Temperatursteigerungen herab und erteilt der Faser eine höhere Wärmebeständigkeit.

Es sind eine Reihe von Massen für Aluminiumsilikatfasern bekannt, die Modifizierungsmittel, wie saure oder alkalische Oxide, in Mengen von 1 bis 10 Gew.-% der Fasern enthalten. Diese Fasern haben im allgemeinen bei Temperaturen bis 1100 ⁰C eine zufrie-

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einstellende Beständigkeit, die aber bei höheren Temperaturen bis 1370 ⁰C rasch abnimmt. Die Pasern der Erfindung dagegen, die weniger als 1 Gew.-% eines sauren Oxids enthalten, zeigen überraschenderweise eine hohe Wärmebeständigkeit bis 1370 ⁰C bei sehr geringer Cristobalitbildung. Zwar kann der ungewöhnliche Einfluß niedriger Mengen Modifizierungsmittel derzeit noch nicht vollständig erklärt werden, doch scheint es möglich, daß intermolekulare Verbindungen zwischen dem sauren Oxid und dem Siliciumdioxid stattfinden, die die Bildung von Cristobalit in der Paser hemmen und dadurch die Wärmebeständigkeit erhöhen.

Zwar können die Pasern der Erfindung saure Oxide, wie Phosp,horpentoxid und Titandioxid als Modifizierungsmittel enthalten, doch ist das für diesen Zweck bevorzugte Oxid Boroxid. Die Aluminiumsilikatfasern der Erfindung haben vorzugsweise folgende Zusammensetzung: Etwa 52 bis 55 Gew.-$ Aluminiumoxid, etwa 37 bis 35 Gew.-# Siliciumdioxid und weniger als \% Boroxid. Pasern dieser Zusammensetzung zeigen eine um mindestens 20$ geringere Wärmeschrumpfung unter Beibehaltung der gleichen Festigkeit als bekannte Standardtypen kommerzieller Aluminiumsilikatfasern. Die erzielte Verbesserung wird noch deutlicher beim Vergleich mit einer Aluminiumsilikatfaser auf Kaolinbasis, wie aus folgender Tabelle hervorgeht, in der die Faserschrumpfung als Prozent der Faserlänge nach Wärmeeinwirkung wiedergegeben ist.

Verbesserte Paser Standardfaser Faser auf Kaolinbasis

24 h _ bei 1260 ⁰C

4,2
5,1

24 h

bei 1370 "C

3,5$ 4,4 6,7

Die oben angeführte Standardfaser hatte eine Zusammensetzung von etwa 5I bis 525ε Aluminiumoxid, etwa 47 bis' 48$ Siliciumdioxid und etwa 1% eines Gemisches von sauren und basischen

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Oxiden, während die Faser auf Kaolinbasis eine Zusammensetzung von etwa 44 bis 45$ Aluminiumoxid, etwa 50 bis 52$ Siliciumdioxid und etwa Jf₀ eines Gemisches von sauren und basischen Oxiden hatte. Die Tabelle veranschaulicht klar die Überlegenheit der Paser gemäß der Erfindung sowohl bei Ofentemperaturen von 1260 als auch von 1370 ⁰C. Die Wärmebeständigkeit ist bei beiden Temperaturen wesentlich besser, ohne daß ein Verlust der Faserfestigkeit eingetreten ist. Die Fasern dürften daher bei der Verwendung als Isoliermittel bei Hochtemperaturanlagen eine längere nutzbare Lebensdauer bieten und sich besonders für Anwendungsfälle eignen, bei denen starke TemperaturSchwankungen vorkommen können.

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Claims

* *" 28.2.1973 Ansprüche

1. Feuerfeste Aluminiumsilikatfaser, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus etwa 60 bis 80 Gew.-% Aluminiumoxid, etwa 19 bis 39 Gew. -% Siliciumdioxid und weniger als 1 Gew.-% eines sauren Oxids besteht und gegen Schrumpfung bei hohen Temperaturen beständig ist.

2. Feuerfeste Faser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus etwa 60-70 Gew.-% Aluminiumoxid, etwa 29 bis 39 Gew. -% Siliciumdioxid und weniger als 1 Gew.-% eines sauren Oxids besteht.

3. Feuerfeste Faser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus etwa 62 bis 66 Gew.-% Aluminiumoxid, etwa 37 bis 33 Gew.-# Siliciumdioxid und weniger als 1 Gew.-% eines sauren Oxids besteht.

4. Feuerfeste Faser nach einem der Ansprüche 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, daß das säure Oxid aus einer Gruppe von sauren Oxiden ausgewählt ist, die aus Boroxid, Phosphorpentoxid und Titandioxid besteht.

5. Feuerfeste Faser nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das saure Oxid Boroxid ist.

6. Feuerfeste Faser nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Faser bei Temperaturen bis mindestens 1370 ⁰C beständig ist und die Schrumpfung weniger als 4$ der Faserlänge beträgt.

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