DE2311816C3

DE2311816C3 - Verfahren zur Herstellung von Formkörpern aus feuerfestem wärmeisolierendem Material

Info

Publication number: DE2311816C3
Application number: DE2311816A
Authority: DE
Inventors: Peter Frederick Nechells Birmingham Hawthorne (Ver. Koenigreich)
Original assignee: FOSECO INTERNATIONAL Ltd NECHELLS BIRMINGHAM (VER KOENIGREICH)
Current assignee: Foseco International Ltd
Priority date: 1972-03-10
Filing date: 1973-03-09
Publication date: 1980-01-17
Also published as: DE2311816A1; ZA731537B; DE2311816B2; BR7301757D0; AR199287A1

Description

Jä

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Formkörpern aus feuerfestem wärmeisolierendem Material.

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 Wärmeiso- 4^r> liermaterial 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 π 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, unter- bo scheiden. 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 12 64 022 wird ein Verfahren zur Herstellung von feuerfestem Wärmeisoliermaterial mit

homogenen Eigenschaften beschrieben.

Aus der DE-OS 20 49 054 ist ein Formkörper aus anorganischen feuerfesten Fasern, feuerfestem Füllmaterial und Bindemitteln bekannt. Dieser Formkörper wird mittels Mikrowellentrocknung getrocknet. Er kann zusätzlich mit einer feuerfesten Schlichte, die Bindemittel enthält, beschichtet werden. In der DE-OS 20 49 054 wird jedocii die Aufgabe, wärmeisolierende Materialien für Gasturbinen und Verbrennungsmaschinen mit einer wesentlichen Verbesserung der für solche Materialien sehr wichtigen Schichtspaltungsfestigkeit herzustellen, nicht angesprochen und auch nicht gelöst.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es. Formkörper aus feuerfestem wärmeisolierendem Material zu -chaffen, die im Vergleich zu den in der oben genannten Patentschrift beschriebenen verbesserte Eigenschaften besitzen. Insbesondere liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, wärmeisolierende Materialien für Gasturbinen und Verbrennungsmaschinen mit einer wesentlichen Verbesserung der für solche Materialien sehr wichtigen Schichtspaltungsfestigkeit herzustellen.

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Formkörpern aus feuerfestem, wärmeisolierendem Material, bei dem eine Mischung aus anorganischem feuerfestem Fasermaterial und einem in Wasser löslichen oder dispergierbaren Bindemittel hergestellt, aus dev Mischung ein Formling der gewünschten Gestalt gebildet und dieser getrocknet wird, dadurch gekennzeichnet, daß der gebildete Formling zunächst einer ersten Trocknungsstufe, dann einer Imprägnierung mit Bindemittel und mindestens einer zweiten Trocknungsstufe unterworfen wird, wobei eine der Trocknungsstufen ein homogenes Trocknen und die andere Trocknungsstufe ein nicht homogenes Trocknen darstellt.

Aufgrund des Standes der Technik war nicht zu erwarten, daß die wesentliche Verbesserung der Schichtspaltungsfestigkeit vor wärmeisolierenden Materialien auf einfache Weis?, mit cL-m anmeldungsgemäßen Verfahren erzielt werden kann, indem man statt der bisher üblichen einfachen Trocknung, die eine homogene oder nicht homogene Trocknung sein kann, nunmehr an die bisher übliche Trocknung eine Imprägnierung mit Bindemittel und mindestens eine weitere Trocknungsstufe anschließt, wobei die zweite Trocknungsstufe sich in der Trocknungsart (homogenen oder nicht homogenen) zwingend von der ersten Trocknungsstufe unterscheidet.

Unter dem Begriff »homogenes Trocknen« wird ein Trockenvorgang bezeichnet, der bei Anwendung auf 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 erfindungsgemäße Verfahren gestattet, Gegenstände aus aus feuerfestem wärmeisolierendem Material

mil 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 glatte des Materials abzureißen. Es wurde diesbezüglich gefunden, daß erfindungsgemäß hergestellte Artikel von guter Qualität sind, wenn sie wenigstens eine Schichtspaltungsfestigkeit von 1,47 kg/cm² besitzen. Vorzügsweise sollten sie eine Schichtspaltungsfestigkeit von 2,17 kg/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 900° 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 in Frage stehenden Formteils, beispielsweise die Eindringhärte, Festigkeit und Dichte. Die Figur kann zur Kennzeichnung des Dichttprofils des Formkörpers dienen, wobei die Dichte auf der K-Achse getragen ist und der Meßpunkt entlang dem Querschnitt O—Tauf 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 900°C werden die beiden Kurven 4 und 5 angehoben.

Das zur Herstellung von Formen aus feuerfestem wärmeisolierendem Material 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, Zirkoniumoxyd, Bornitrid, Siliciumcarbid oder

in 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.

Ii Als Bindemittel kann beispielsweise kolloidales Siliciumdioxyd oder Aluminiumoxyd-Sol, ein Alkalimetallsilicat wie Natrium- und Kaliumsiükat, ein Äthylsilikat oder ein metallisches Phosphat oder Borat verwendet werden. Falls erwünscht, können Mischungen von Bindemitteln verwendet werJ-rn. Das Bindemittel, mit dem die getrocknete Form vor dem zweiten Trocknen imprägniert wird, braucht nicht notwendigerweise dasselbe Bindemittel zu sein, wie das, das bei der Herstellung der Form verwendet wurde. Die Mischung

2> 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 besonders

so bevorzugtes feuerfestes Leichtstoff-Füllmittel sind calcinierte Reisschalen. Andere feuerfeste Füllmittel wie Siliciumcarbid, Siliciumnitrid, feuerton und feuerfeste Silikate verschiedener Typen können ebenfalls zugefügt werden.

j5 Die relativen Anteile der Mischungsbestandteile können in weitem Bereich variieren; im allgemeinen liegen sie in den folgenden Grenzen (angegeben in Gewichtsprozent des trockenen Materials)·

feuerfeste Fasern
Bindemittel
feuerfestes Füllmittel

25-60%

40-70%

0-40%.

Ein für das erfindungsgemäße Verfahren besonders wertvolles Material sind Mischungen von Aiuminosili-

4-, kat-Fasern und kolloidalem Siliciumox>d-Sol, vurzugsweise in solchen Anteilen, daß die Endzusammensetzung nach den zwei Trockenschritten aus 55 bis 95 Gew.-% Siliciumdioxyd, Rest Aluminosilikat-Faser besteht. Dieses Material kann wahlweise bis zu 10 Gew.-% calcinierte Reisschalen enthalten.

Wie oben erwähnt, ist das erfindungsgemäße Verfahren insbesondere zur Herstellung von geformten Auskleidungen aus feuerfestem wärmeisolierendem Material 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 wärmeisolierendem Material

bo geschützt werden.

Die folgenden Beispiele dienen zur Verdeutlichung des erfindungsgemäßen Verfahrens und seine Anwendung bei der Herstellung von Auskleidungen für Turbinenmäntel.

In allen folgendeil Beispielen wurden die Prüfkörper aus einem wäßrigen Schlicker aus Aluminosilikat-Fasern und kolloidalem Siliciumdioxyd-Sol hergestellt. Jeder Probekörper wurde aus einem Schlicker von 70 g

Fasern und 3,4 kg Siliciunidioxyd-Sol als Bindemittel, das 7,5 Gew.-% Siliciumoxyd-Sol in Wasser enthielt, hergestellt.

Der Schlicker wurde entwässert und gab so einen »grünen« Preßkörper von den Ausmaßen 11.4 cm χ 11,4 cm χ 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 wurden nach Beispiel 1 einmal in einem Mikrowellenstrahlenofen mit einer Frequenz von 2450 MHz und einer Leistung von

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 Probekörper wurden später einer Wärmebehandlung bei 400⁰C für etwa eine Stunde unterworfen.

Die Schichtspaltungsfestigkeit aller 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 χ 11,4 cm χ 2,5 cm großen Platte auf die Maße 7,6 cm χ 7,6 cm χ 2,5 cm gebracht. Die Probekörper wurden zwischen Aluminiumplatten der Abmessung 10.2 cm χ 10,2 cm χ 0,64 cm angebracht, wobei sie mit Hilfe eines hitzeschmelzbaren Klebstoffes auf die beiden Platten geklebt wurden. Eine Zugbelastung wurde mit der Rate von etwa 2.26 kg/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:

W
Schichtspaltungsfestigkeit = j-j- [g/cm²],

wobei / die gemessene Länge in cm, b die gemessene Breite in cm und Wdie Belastung, die zur Trennung des Probekörpers notwendig ist. bedeuten.

Beispiel I

Die Proben wurden mit Mikrowellen getrocknet, ii kolloidales Siliciumdioxyd-Sol getaucht und im gasbe ^ri heizten Ofen bei 180"C erneut getrocknet.
Durchschnittliche

Schichtspaltungsfestigkcit: 630 g/cm²

Anzahl der

geprüften Probekörper: 4

Beispiel 2

Die Probekörper wurden konventionell getrocknet ι", getaucht und in einem Mikrowellenofen getrocknet.
Durchschnittliche

Schichtspaltungsfestigkcil: 450 g/cm²

Anzahl der
untersuchten Probekörper: <)

Beispiel 3

Die Probekörper wurden wie im Beispiel 1 hergestellt, anschließend jedoch eine Stunde lang bei 400 C >-> crhit/t.

Durchschnittliche

Schic.itspaltungsfestigkeil: 845 g/cm²

Anzahl der

geprüften Probekörper: 4

Beispiel 4

Die nach Beispiel 2 hergestellten Probekörper wurden eine Stunde lang bei 400°C erhitzt.
)-, Durchschnittliche

.Schichtspaltungsfestigkeit: 710 g/cm²

Anzahl der

geprüften Probekörper: 4

4(i 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 Mikrowellenofen getrocknet wurden.

4-, Weiterhin ist ersichtlich, daß durch den nachfolenden 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.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche;

1. Verfahren zur Herstellung von Formkörpern aus feuerfestem, wärmeisolierendem Material, bei ϊ dem eine Mischung aus anorganischem feuerfestem Fasermaterial und einem in Wasser löslichen oder dispergierbaren Bindemittel hergestellt, aus der Mischung ein Formling der gewünschten Gestalt gebildet und dieser getrocknet wird, dadurch gekennzeichnet, daß der gebildete Formling zunächst einer ersten Trocknungsstufe, dann einer Imprägnierung mit Bindemittel und mindestens einer zweiten Trocknungsstufe unterworfen wird, wobei eine der Trocknungsstufen ein homogenes Trocknen und die andere Trocknungsstufe ein nicht homogenes Trocknen darstellt

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß die erste Trocknungsstufe ein homogenes Trocknen darstellt

3. Verfahren nach Anspruch Ί und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das homogene Trocknen durch Mikrowellenbehandlung erzielt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das nicht homogene Trocknen im Heißluftofen durchgeführt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der erhaltene Formkörper nach den beiden Trocknungsstufen 0,5 bis 24 h lang einer weiteren Trocknung bei Temperaturen zwischen 300 jo und 900° C umeiAvorfen wird.