DE2311816A1

DE2311816A1 - Verfahren zur herstellung von formkoerpern aus feuerfestem waermeisoliermaterial

Info

Publication number: DE2311816A1
Application number: DE2311816A
Authority: DE
Inventors: Peter Frederick Hawthorne
Original assignee: Foseco International Ltd
Current assignee: Foseco International Ltd
Priority date: 1972-03-10
Filing date: 1973-03-09
Publication date: 1973-09-20
Also published as: DE2311816C3; DE2311816B2; ZA731537B; BR7301757D0; AR199287A1

Description

Verfahren zur Herstellung von Formkdrpern aus feuerfestem Wärmeisoliermaterial Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Formteilen aus feuerfestem Wärmeisoliermaterial.
Es gibt in der Technik viele Bereiche, in denen feuerfeste Wärmeisoliermaterialien verwendet werden. Ein besonderes Anwendungsgebiet ist der Schutz von Metallteilen, besonderen Bestandteilen und Gehäusen von Verbrennungsmaschinen, insbesondere bei Gasturbinen. Während die Beschreibung der vorliegenden Erfindung die Herstellung von feuerfestem Wärmeisoliermaterial erläutert, das besonders wertvoll für solche Zwecke ist, muss betont werden, dass das genannte Material für einen sehr weiten Anwendungsbereich von grundsätzlich analoger Art verwendet werden kann.
Im Schrifttum werden zahlreiche Verfahren zur Herstellung von feuerfestem Wärmeisoliermaterial beschrieben. Viele dieser bekannten Verfahren haben den Mangel, dass bei den danach hergestellten Produkten solche mechanischen Eigenschaften erzielt werden, dass die Produkte nicht zum Schutz der oben genannten Metallteile Verwendung finden können. Das liegt daran, dass die mechanischen Eigenschaften, die in der Nähe der geformten Oberfläche des Materials gemessen werden, sich von denen, die an einem von der Oberfläche entfernten Punkt gemessen wurden, unterscheiden. So werden beispielsweise viele feuerfeste Wärmeisoliermaterialien mit ziemlich starker Oberfläche, aber relativ schwachem Inneren geformt. In einigen Fällen kann dies ein schwerer Nachteil sein, wenn nämlich das feuerfeste Wärmeisoliermaterial zum Reissen oder Absplittern beim Gebrauch neigt.
In der GB-PS 1 264 022 wird ein Verfahren zur Herstellung von feuer festem Wärmeisoliermaterial mit homogenen Eigenschaften beschrieben.
Es wurde nun gefunden, dass unter Verwendung eines besonderen Herstellungsverfahrens Formteile aus feuerfestem Wärmeisoliermaterial erhalten werden können, die im Vergleich zu den in der oben genannten Patentschrift beschriebenen verbesserte Eigenschaften besitzen.
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Formteilen aus feuerfestem Wärmeisoliermaterial und ist dadurch gekennzeichnet1 dass man eine Mischung aus anorganischem feuerfestem Fasermaterial und einem Bindemittel, das in einer geeigneten Flüssigkeit 18sich oder dispergierbar ist, bildet, der Mischung die gewünschte Form gibt, die Form in einem ersten Trocknungsschritt trocknet, die so getrocknete Form mit Bindemittel imprägniert und die Form in einem zweiten Trocknungsschritt trocknet, wobei einer der Trocknungsschritte en (unten erläutertes) homogenes Trocknen und der andere Trockmlngsschrito ein (unten erlAutertes) nichtwhomogenes Trocknen darstellt0 Unter dem Begriff "homogenes Trocknen" wird ein Trockenvorgang bezeichnet, der bei Anwendung aüf eine homogene Mischung von feuchten Fasern und Binder ein trockenes Produkt mit homogenen mechanischen Eigenschaften ergibt.
Beispiele für solche Trockenvorgänge sind Mikrowellen-Trocknung und dielektrisches Heizen.
Unter dem Begriff nichthomogenes Trocknen" wird ein Trockenvorgang verstanden, der bei Anwendung auf eine homogene feuchte Mischung von Fasern und Binder ein trockenes Produkt mit nichthomogenen mechanischen Eigenschaften ergibt.
Die gewöhnliche Form der Nichthomogenität ist die, dass die äussere Oberfläche des getrockneten Produkts härter, fester und dichter ist als das von der Oberfläche weiter entfernt liegende Material. Ein Beispiel für ein solches Trockenverfahren ist das Trocknen in Heissluftöfen.
Das erfindungsgemäss Verfahren gestattet, Gegenstände aus feuerfestem Wärmeisoliermaterial mit sehr vorteilhaften Eigenschaften, die beispielsweise als Auskleidungen von Gasturbinengehäusen geeignet sind, herzustellen. Die Grundstruktur des erfindungsgemässen Formkörpers ist entsprechend dem homogenen Trockenschritt homogen, die von einer beabsichtigten Nichthomogenität überlagert ist, dem Ergebnis des nichthomogenen Trocknungsschrittes,welcher den Formteilen verbesserte Oberflächenfestigkeit, Härte und Dichte verleiht. Ein besonderes bedeutsames Mass zur Bestimmung der Art und der Qualität des erfindungsgemäss hergestellten feuerfesten Wärmeisoliermaterials ist die Schichtspaltungsfestigkeit. Die Schichtspaltungsfestigkeit wird aus praktischen Gesichtspunkten als eine kritische Eigenschaft angesehen und gibt die Kraft pro Quadrateinheit an, die notwendig ist, um eine Platte des Materials abzureissen.
Es wurde diesbezüglich gefunden, dass erfindungsgemäss hergestellte Artikel von guter Qualität sind, wenn sie wenigstens eine Schichtspaltungsfestigkeit von 141 p/cm2 besitzen. Vorzugsweise sollten sie eine Schichtspaltungsfestigkeit von 211 p/cm2 besitzen. Die Materialien unterscheiden sich durch ihre verringerte Neigung, beim Gebrauch zu splittern. Die Schritte des homogenen Trocknens und des nichthomogenen Trocknens können in beliebiger Reihenfolge durchgeführt werden, und, falls erwünscht, kann jeder dieser Schritte mehr als einmal durchgeführt werden. Im allgemeinen ist es nur nötig, zur Herstellung von für eine weite Vielfalt von Anwendungen zufriedenstellenden Produkten zwei Trockenschritte anzuwenden. Wenn aber nur zwei Schritte verwendet werden, hat es sich als günstig herausgestellt, dass der Schritt des homogenen Trocknens zuerst durchgeführt wird.
Falls erwünscht, kann die Raumstabilität der nach dem oben beschriebenen Verfahren hergestellten Teile durch Trocknen bei Temperaturen zwischen 300 und 9oo°C während einer halben bis 24 Stunden weiter verbessert werden.
Die Vorteile der vorliegenden Erfindung sind aus der allgemeinen Abbildung in der anliegenden Figur klar ersichtlich.
Diese Figur zeigt ein verallgemeinertes Schaubild der Eigenschaften des feuerfesten Wärmeisoliermaterials an verschiedenen Punkten des Querschnitts des infrage stehenden Formteils, beispielsweise die Eindringhärte, Festigkeit und Dichte. Die Figur kann zur Kennzeichnung des Dichteprofils des Formkörpers dienen, wobei die Dichte auf der Y-Achse getragen ist und der Messpunkt entlang dem Querschnitt O-T auf der X-Achse aufgetragen ist.
Es wurde indessen festgestellt, dass der allgemeine Verlauf der verschiedenen abgebildeten Kurven auch für andere Materialeigenschaften derselbe ist. In der Figur ist Kurve 1 eine typische Kurve für eine Mischung von feuerfesten Fasern und Binder, die durch konventionelle nichthomogene Trocknung, wie Ofentrocknung, getrocknet wurde. Kurve 2 gilt für dasselbe Material, jedoch mit Mikrowellen-Trocknung.
Kurve 3 ist typisch für ein Material, das einmal durch Mikrowellen-Trocknung getrocknet wurde, dann wieder mit Binder imprägniert wurde und ein zweites Mal mit Mikrowellen-Trocknung getrocknet wurde. Kurve 4 ist typisch für ein-Material, das nach dem erfindungsgemässen Verfahren mit zwei Trocknungsschritten hergestellt wurde, wobei der Schritt des nichthomogenen Trocknens zuerst durchgeführt wurde.
Kurve 5 kennzeichnet dasselbe Verfahren wie Kurve 4, wobei jedoch der Schritt des homogenen Trocknens zuerst durchgeführt wurde. Durch Trocknung bei 300 bis 9oo°C werden die beiden Kurven 4 und 5 angehoben.
Das zur Herstellung von Formen aus feuerfestem Wärmeisoliermaterial nach dem erfindungsgemässen Verfahren verwendete Material kann aus einer grossen Anzahl von an sich bekannten Materialien ausgewählt werden. So können beispielsweise als feuerfestes Fasermaterial Aluminosilikat-Fasern, Calciumsilikat-Fasern, Asbest, Aluminiumoxyd, Siliciumdioxyd, Zirkonoxyd, Bornitrid, Siliciumcarbid oder Kohlefasern dienen. Auch können Metallfasern, insbesondere aus nichtrostendem Stahl oder Nimonic-Legierung verwendet werden. Es kann ein einzelner Fasertyp oder eine aus zwei oder mehreren Fasertypen zusammengesetzte Mischung verwendet werden.
Als Bindemittel kann beispielsweise kolloidales Siliciumdioxyd oder Aluminiumoxyd-Sol, ein Alkalimetallsilicat wie Natrium- und Kaliumsilikat, ein Äthylsilikat oder ein metallisches Phosphat oder Borat verwendet werden. Falls erwünscht, können Mischungen von Bindemitteln verwendet werden. Das Bindemittel, mit dem die getrocknete Form vor dem zweiten Trocknen imprägniert wird, braucht nicht notwenigerweise dasselbe Bindemittel zu sein, wie das, das bei der Herstellung der Form verwendet wurde. Die Mischung kann weiterhin einen Anteil eines feuerfesten Füllmittels, wie Aluminiumoxyd oder Siliciumoxyd, vorzugsweise ein feuerfestes Leichtstoff-Füllmittel, wie feinverteiltes Aluminiumoxyd, Siliciumoxyd, Russ (microspheres), Kieselgur oder ähnliches enthalten. Ein gesonders bevorzugtes feuerfestes Leichtstoff-Füllmittel sind calcinierte Reisschalen.
Andere feuerfeste Füllmittel wie Siliciumcarbid, Siliciumnitrid, Feuerton und feuerfeste Silikate verschiedener Typen können ebenfalls zugefügt werden.
Die relativen Anteile der Mischungsbestandteile können in weitem Bereich variieren; im allgemeinen liegen sie in den folgenden Grenzen (angegeben ins-Gewichtsprozent des trockenen Materials): feuerfeste Fasern 25 - 60 % Bindemittel 40 - 70 % feuerfestes Füllmittel o - 4o %.
Ein für das erfindungsgemässe Verfahren besonders wertvoller Material sind Mischungen von Aluminosilikat-Fasern und kolloidalem Siliciumoxyd-Sol, vorzugsweise in solchen Anteilen, dass die Endzusammensetzung nacr den zwei Trockenschritten aus 55 bis 95 Gew.-% Siliciumdioxz7di Rest Aluminosilikat-Faser besteht. Dieses Material kann wahlweise bis zu lo Gew.-t calcinierte Reisschalen enthalten.
Wie oben erwähnt, ist das erfindungsgemässe Verfahren insbesondere zur Herstellung von geformten Auskleidungen aus feuerfestem Wärmeisoliermaterial für Gasturbinen und Verbrennungsmaschinen geeignet.
Die vorliegende Erfindung umfasst nicht nur das oben beschriebene Verfahren, sondern auch die damit erhaltenen Teile und die Metallteile, die durch solche Formteile aus feuerfestem Wärmeisoliermaterial geschützt werden.
Die folgenden Beispiele dienen zur Verdeutlichung des erfindungsgemässen Verfahrens und seine Anwendung bei der Herstellung von Auskleidungen für Turbinenmäntel.
In allen folgenden Beispielen wurden die Prüfkörper aus einem wässrigen Schlicker aus Aluminosilikat-Fasern und kolloidalem Siliciumdioxyd-Sol hergestellt. Jeder Probekörper wurde aus einem Schlicker von 7o g Fasern und 3,4 kg Siliciumdioxyd-Sol als Bindemittel, das 7,5 Gew.-% Siliciumoxyd-Soi in Wasser enthielt, hergestellt.
Der Schlicker wurde entwässert und gab so einen "grünen" Presskörper von den Ausmassen 11,4 cm x 11,4 cm x 2,5 cm.
Der Apparat bestand im wesentlichen aus einem Vorratsbehälter für den Schlicker, einem Filter mit Metallmaschen und einer Vakuumkammer. Der Vorratsbehälter wurde mit Schlicker gefüllt und ein Vakuum von 254 Torr angelegt.
Hierdurch lagerte sich das Fasermaterial auf dem Siebfilter in zum Filter parallelen Lagen an und die überschüssige Lösung des Bindemittels wurde durch das Filter in die Vakuumkammer abgezogen.
Die so hergestellten "grünen" Presslinge wurde nach Beispiel 1 einmal in einem Mikrowellenstrahlenofen mit einer Frequenz von 2450 MHz und einer Leistung von 2,5 KW getrocknet, anschliessend in eine Lösung von 7,5 Gew.-% Siliciumdioxyd-Sol in Wasser getaucht und schliesslich in einem gasbeheizten Ofen bei 180°C getrocknet.
Die in Beispiel 2 untersuchten Presslinge wurden erst in dem Gasofen getrocknet, dann in die Siliciumdioxyd-Sol-Lösung getaucht und schliesslich im Mikrowellenofen getrocknet.
Einige der nach den obigen Verfahren getrockneten Probekörpern wurden später einer Wärmebehandlung bei 4000C für etwa ne Stunde unterworfen.
Die Schichtspaltungsfestigkeit alles»Probekörper wurde dann auf einem Gerät zur Prüfung der Zugbelastung, genannt Hounsfield Tensometer, gemessen. Vor der Prüfung wurde jeder Formkörper durch Abschneiden-eines 1,9 langen Stückes von jeder Seite der 11,4 cm x 11,4 cm x 2,5 cm grossen Platte auf die Masse 7,6 cm x 7,6 cm x 2,5 -cm gebracht.
Die Probekörper wurden zwischen Aluminiumplatten der Abmessung 10,2 cm x 10,2 cm x o,64 cm angebracht-, wobei sie mit Hilfe eines hitzeschmelzbaren Klebstoffes auf die beiden Platten geklebt wurden. Eine Zugbelastung wurde mit der Rate von etwa 2260 p/sec an den Probekörpern angelegt und die Belastung, die nötig war, um die Teile zu trennen, aufgezeichnet. Die Schichtspaltungsfestigkeit wurde entsprechend der folgenden Formel gemessen: Schichtspaltungsfestigkeit = lwb [g/cm2 , wobei 1 die gemessene Länge in cm, b die gemessene Breite in cm und W die Belastung, die zur Trennung des Probekörpers notwendig ist, bedeuten.
Beispiel 1 Die Proben wurden mit Mikrowellen getrocknet, in kolloidales Siliciumdioxyd-Sol getaucht und im gasbeheizten Ofen bei 180°C erneut getrocknet.
Durchschnittliche Schichtspaltungsfestigkeit : 630 g/cm2 Anzahl der geprüften Probekörper : 4 Beispiel 2 Die Probekörper wurden konventionell getrocknet, getaucht und in einem Mikrowellenofen getrocknet.
Durchschnittliche Schichtspaltungsfestigkeit: 450 g/cm2 Anzahl der untersuchten Probekörper : 4 Beispiel 3 Die Probekörper wurden wie im Beispiel 1 hergestellt, anschliessend jedoch eine Stunde lang bei 4000C erhitzt.
Durchschnittliche Schichtspaltungsfestigkeit : 845 g/cm2 Anzahl der geprüften Probekörper : 4 Beispiel 4 Die nach Beispiel 2 hergestellten Probekörper wurden eine Stunde lang bei 4000C erhitzt.
Durchschnittliche Schichtspaltungsfestigkeit . 710 g/cm Anzahl der geprüften Probekörper : 4 Die aus den Beispielen 1 bis 4 gewonnenen Ergebnisse beweisen einen beträchtlichen Anstieg der Schichtspaltungsfestigkeit gegenüber solchen Probekörpern, die nur in konventionellem Ofen oder durch Mikrowellenöfen getrocknet wurden.
Weiterhin ist ersichtlich, dass durch den nachfolgenden Schritt der Wärmebehandlung der getrockneten Probekörper gemäss der Erfindung die Festigkeit um einen erheblichen Betrag erhöht wird. Hier kann jedoch keine theoretische Erklärung für diese Erscheinung gegeben werden.

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur Herstellung von Formkörpern aus feuerfestem Wärmeisoliermaterial, dadurch gekennzeichnet, dass man eine Mischung aus anorganischem feuerfestem Fasermaterial und einem Bindemittel, das in einer geeigneten Flüssigkeit löslich oder dispergierbar ist, bildet, der Mischung die gewünschte Form gibt, die Form in einem ersten Trockenschritt trocknet, die so getrocknete Form mit Bindemittel imprägniert und die Fdrm in einem zweiten Trocknungsschritt trocknet, wobei einer der Trocknungsschritte ein homogenes Trocknen und der andere Trocknungsschritt ein nichthomogenes Trocknen darstellt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Trocknungsschritt ein homogenes Trocknen darstellt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Bindemittel kolloidales Aluminiumoxyd-Sol oder kolloidales Siliciumdioxyd-Sol ist.

4. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Bindemittel Äthylsilikat, Natriumsilikat oder Kaliumsilikat ist.

5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Bindemittel ein metallisches Phosphat oder Borat ist.

6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das anorganische Fasermateril Aluminiumsilikat-Fasern, Calciumsilikat, Asbest, Aluminiumoxyd, Siliciumdioxyd, Zirkondioxyd, Bornitrid, Siliciumcarbid oder KohlenstofiZaser oder eine Mischung von einen oder mehreren dieser Materialien ist.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Anteil des Fasermaterials aus Metallfasern, wie rostfreiem Stahl oder Nimonic-Legierung besteht.

8. Verfahren nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischung ein besonderes feuerfestes Füllmittel enthält.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das feuerfeste Füllmittel aus feinverteiltem Aluminiumoxyd, Siliciumdioxyd, Kieselgur oder calcinierten Reisschalen besteht.

lo. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das feuerfeste Füllmittel aus Siliciumcarbid, Siliciumnitrid, Feuerton oder feuerfesten Silikaten besteht.

11. Verfahren nach Anspruch 1 bis lo, dadurch gekennzeichnet, dass das homogene Trocknen Mikrowellen-Trocknung ist.

12. Verfahren nach Anspruch 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Formkörper nach den beiden Trocknungsschritten durch weiteres Trocknen bei Temperaturen zwischen 300 und 9oo°C für o,5 bis 24 Stunden weiter verbessert werden.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das weitere Trocknen die Raumstabilität des Endprodukts verbessert.

14. Verfahren nach Anspruch I bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestandteile der Mischung und die Verfahrensbedingungen so gewählt werden, dass das Endprodukt eine Dichte von 0,30 bis 0,9 g/cm2 besitzt.

L e e r s e i t e