DE2339139A1

DE2339139A1 - Keramische isoliersteine

Info

Publication number: DE2339139A1
Application number: DE2339139A
Authority: DE
Inventors: Walter Dipl Ing Dr Ing Ehlert
Original assignee: OTAVI MINEN U EISENBAHN GES
Current assignee: OTAVI MINEN U EISENBAHN GES
Priority date: 1973-08-02
Filing date: 1973-08-02
Publication date: 1975-02-27
Also published as: CH605457A5; NL7410354A; BE818401A; FR2239432B1; IT1032067B; ATA630674A; FR2239432A1; DE2339139C3; DE2339139B2; GB1478904A; LU70640A1; AT360412B

Description

PATENTANWALT DR. HANS-GUNTHER EGGERT, DIPLOMCHEMIKER

5 KÖLN 51, OBERLÄNDER UFER 90

Köln, den 1. August 1973 Eg/Mg

Otavi Minen- und Eisenbahn-Gesellschaft, 6 Frankfurt/Main, Hynspergstraße 24

Keramische Isoliersteine

Die Erfindung betrifft keramische Isoliersteine auf der Basis von geblähtem Perlit.

Keramische Isoliersteine sind Baustoffe für Industrieöfen, die in besonderem Maße gegen Wärme isolieren. Sie werden hauptsächlich zur Hintermauerung bei hoher Kontakttemperatur und feuerseitig in Wänden von Stoß- und Flammofen verwendet.

Die im weiteren Sinne den feuerfesten Erzeugnissen zuzurechnenden Baustoffe nutzen die geringe Wärmeleitfähigkeit (hohe Wärmedämmfähigkeit) und Wärmekapazität der Luft aus. Sie sind daher hochporös und besitzen meist Raumgewichte zwischen etwa o,3 und 1,6 g/cm . Die poröse Struktur wird beispielsweise durch Beimengung von brennbaren, verdampfenden, vergasenden oder schäumenden Stoffen zur Rohmasse erzeugt. Des weiteren können der Rohmasse auch Porenträger wie Vermikulit, Kieselgur, Asbest oder geblähtes Perlit zugesetzt werden.

Die entweder mittels geeigneter Bindemittel wie z.B. Portland-, Tonerdeschmelzzement, Kalk oder Phosphat, kalt bzw. hydrothermal gebunden-en oder im keramischen Brand hergestellten bekannten tsoliersteine finden ihre Anwendungsgrenze in der Regel in Temperaturbereichen zwischen 8oo bis lloo°C, da bei diesen Temperaturen, bedingt durch Versinterung, eine hohe Schwindung einsetzt, so daß die Steine ihre Isolierfähigkeit verlieren und

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rissig werden. Der keramische Brand ist darüber hinaus mit einer hohen Brennschwindung der Steine von etwa 8 bis 15 % verbunden, so daß die Abmessungen der gebrannten Steine stark schwanken. Daher sind die Hersteller häufig gezwungen, insbesondere zur Herstellung hochwertiger Erzeugnisse den gebrannten Stein einer Nachbehandlung, z.B. durch Schleifen oder Schneiden, zu unterziehen, um maßgerechte Steine anbieten zu können.

Gegenstand der Erfindung sind keramische Isoliersteine auf der Basis von geblähtem Perlit, bestehend aus einem feuerfesten Bindemittelgerüst und überwiegend geschlossenen Poren mit verglaster Außenhaut.

Das feuerfeste Gelöst kann z.B. aus versinterten Bindemitteln wie Portland- oder Tonerdeschmelzzement oder Phosphaten bestehen. Es kann sich aber auch im wesentlichen aus gesintertem Calciumsilikat zusammensetzen, wenn bei der Herstellung der Steine eine vorherige hydrothermale Bindung erfolgte. Des weiteren kann bei der Verwendung von Tonsubstanzen oder deren Kalzinierungsprodukten das Gerüst aus Aluminiumsilikäten bestehen. Die verglaste Außenhaut der Poren hat im wesentlichen die Zusammensetzung des geschmolzenen geblähten Perlits.

Die Herstellung der erfindungsgemäßen keramischen Isoliersteine erfolgt nach geeigneter Zusammenstellung der Rohstoffe mittels bekannter Verfahrensweisen. Die Rohlinge werden entweder durch Strangpressen oder in Formen durch Rütteln, Vibration oder leichtem Pressen hergestellt und anschließend einem keramischen Brand unterzogen. Bei geeigneter Grünsteinfestigkeit, z.B. bei kaltgebundenen Produkten, kann der keramische Brand auch in situ, d.h. im eingebauten Zustand, im Ofen erfolgen.

Der keramische Brand ist derart zu führen, daß das geblähte Perlitkorn in der das Gerüst bildenden Masse schmilzt und anstelle einer ursprünglichen offenen Pore eine geschlossene, mit einer verglasten Außenhaut versehene Pore bildet.

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Überraschenderweise hat sich gezeigt, daß die mit einem SchmelzVorgang verbundene Verglasung nicht die das feuerfeste Gerüst bildenden chemischen, hydraulischen oder tonmineralischen Bindemittel wesentlich angeschmolzen hat, wie das häufig bei der Bildung von Glasphase in ähnlichen Produkten geschieht, wodurch in der Regel eine Versinterung mit starker Festigkeitsminderung erfolgt. Vielmehr bleibt eine ausreichende Druckfeuerbeständigkeit auch dann erhalten, wenn der Stein z.B. nach dem Erkalten wieder Temperaturen ausgesetzt wird, die über der Temperatur des keramischen Brandes liegen. Es ist denkbar, daß die Glasschmelze aus der Umgebung Fremdionen aufnimmt, die die Schmelztemperatur der aus dem geblähten Perlit entstandenen Glasphase erhöhen.

Die erfindungsgemäßen keramischen Isoliersteine besitzen eine hohe Kaltdruckfestigkeit, die auf die verglasten, nahezu kugel- bis eiförmigen geschlossenen Poren zurückzuführen ist. Diese geschlossenen Poren verstärken nicht nur das Gerüst des Steines sondern sorgen auch für eine sehr gute Wärmedämmung bzw. Isolierfähigkeit.

Ein besonderer Vorteil liegt in der Verwendungsmöglichkeit der Steine in einem Temperaturbereich zwischen etwa looo bis 15oo°C, also einem Bereich, in dem handelsübliche Isoliersteine bereits einen erheblichen Festigkeitsrückgang besitzen und nicht mehr verwendbar sind.

Ein weiterer Vorteil bedeutet die bei kaltgebrannten Steinen geringe Brennschwindung. Sie ist in allen Fällen geringer als 1 %, so daß die Abmessungen der gebrannten Steine in vertretbaren Toleranzen liegen und auf eine Nachbearbeitung verzichtet werden kann. Darüber hinaus kann aber auch diese Brennschwindung in bekannter Weise mittels Zusatz von rohem Kyanit völlig kompensiert werden. Die erforderliche Zusatzmenge richtet sich dabei nach der zulässigen, noch tragbaren Schwindung der Steine und muß von Fall zu Fall ermittelt werden. Durch Verwendung von

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besonders feinem Kyanit mit einer Korngröße unter o,l mm wird die schwindungshemmende Wirkung des Kyanitzusatzes noch verstärkt.

Als Rohstoffe zur Bildung des feuerfesten Gerüsts eignen sich hydraulische Bindemittel, insbesondere Portland- und TonerdeschmeIzzemente. Des weiteren sind als chemische Bindemittel unter anderem Phosphate, wie Aluminiumphosphat, und Silikate, wie Wasserglas, geeignet. Ebenfalls geeignet sind Tonsubstanzen, die in bekannter Weise zu Schlickern aufbereitet undäann weiter verarbeitet werden. Unter Verwendung von Kalk können in einem Hydrothermalprozess auch calciumsilikathydratgebundene Steine hoher Grünsteinfestigkeit hergestellt werden, die nach dem keramischen Brand ein Calciumsilikatgerüst hoher Feuerfestigkeit besitzen.

Das als Porenbildner dienende geblähte Perlit wird vorzugsweise mit Schüttgewichten zwischen 4o und 15o g/l und im Korngrößenbereich zwischen 0 und 6 mm verwendet. Es kann außerdem auch hydrophobiert sein.

Zur Erhöhung der Porosität können den Massen bekannte Ausbrenn- und Treibstoffe bzw. Luftporenbildner in Mengen bis zu etwa 3 Gew.%, bezogen auf die Trockensubstanz, zugesetzt werden.

Die Rohdichte der Steine kann außerdem mittels bekannter feuerfester Produkte, wie z.B. Schamotte in geeigneter Körnung, oder anderer bekannter Porenträger, wie Kieselgur, Vermikulit und Asbest variiert werden, so daß feuerfeste, keramische Isoliersteine mit Rohdichten zwischen etwa o,3 und 1,6 g/cm und Porositäten zwischen etwa 9o und 45 % hergestellt werden können. Die Menge der Zusatzstoffe soll jedoch 8o Gew.%, bezogen auf die Trockensubstanz, nicht überschreiten. Im Falle des Zusatzes von Schamotte werden besonders hochwertige Erzeugnisse erzielt, wenn die Zusatzmenge 2o bis 8o Gew.%, insbesondere 43 bis 57 Gew.%, beträgt.

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Gut isolierende Steine mit hoher Kaltdruckfestigkeit und einem Anwendungsbereich bei hohen Temperaturen bis etwa 15oo°C werden aus Trockenmassen hergestellt, die 75 bis 96 Gew.% Bindemittel und 4 bis 25 Gew.% geblähtes,Perlit enthalten. Besonders geeignet sind Mischungen aus 8 bis 12 Gew.% geblähtem Perlit und 88 bis 92 Gew.% Bindemittel, wobei das Bindemittel insbesondere aus Tonerdeschmelzzement besteht. Die Trockenmasse wird mit der jeweils erforderlichen Wassermenge versetzt, anschließend schonend, z.B. im Freifall-, Eirich- oder Doppelwellenmischer, gemischt und dann zu Steinen des gewünschten Formats und ausreichender Grünsteinfestigkeit geformt.

Im Fall der Verwendung von hydraulischen Bindemitteln als feuerfeste Gerüstbildner wird nach Abzug des vom geblähten Perlit adsorbierten Wassers mit Wasserzementfaktoren von o,4 bis o,5 gearbeitet. Die feuchte Masse wird dann in Formen gegeben und vorzugsweise mittels Vibration auf o,3 bis.1,5 kg/1 verdichtet. Zusätzlich können Pressdrücke von maximal 1 kp/cm aufgewendet werden. Diese Verfahrensweise gestattet es, die Rohdichte der Steine bei konstanter Zusammensetzung der Rohmasse zu variieren.

Sehr feste Rohlinge erhält man auch, wenn man unter Verwendung einer CaO- und gegebenenfalls einer SiO^-Komponente gemäß dem Kalksandsteinherstellungsprozess verfährt und hydrothermalgebundene Steine erzeugt.

Die Rohlinge werden anschließend einem keramischen Brand unterworfen, der je nach Zusammensetzung der Steine zwischen lloo und 13oo°C durchgeführt wird, wobei gewährleistet sein muß, daß die geblähten Perlitkörner schmelzen und Poren mit einer verglasten Außenhaut bilden.

Bei ausreichender Grünsteinfestigkeit, die insbesondere bei Verwendung hydraulischer Bindemittel bzw. bei hydrothermal gebundenen Rohlingen gegeben ist, kann der keramische Brand auch in situ erfolgen.

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Die erfindungsgemäßen Isoliersteine, die somit im wesentlichen aus feuerfestem Bindemittelgerüst und aus geblähtem Perlit gebildeten, verglasten geschlossenen Poren bestehen, besitzen Porositäten zwischen 45 und 9o % und Kaltdruckfestigkeiten

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zwischen 5 und 5o kp/cm . Ihr besonderes Einsatzgebiet liegt zwischen looo und 15oo°C. Die Wärmeleitzahlen bei looo°C schwanken in Abhängigkeit von' der Rohdichte im allgemeinen zwischen o,15 und o,45 Kilokalorien/m, h und ⁰C. Diese Eigenschaften der erfindungsgemäßen Steine können durch die oben genannten weiteren Zusätze variiert werden.

Anhand der folgenden Beispiele wird die Erfindung näher erläutert.

Beispiel 1

In einem Freifallmischer wurden 8 Gew.% geblähtes Perlit (Kornbereich O bis 3 mm, Litergewicht 7o g/l) zunächst trocken mit 25 Gew.% Schamotte A und 2o Gew.% Schamotte B sowie 47 Gew.% Tonerdeschmelzzement gemischt. Anschließend wurde 22 Gew.% Wasser (bezogen auf die Trockensubstanz) dazugegeben und 3 Minuten weiter gemischt. Die feuchte Masse wurde dann in Formen einer Vibrationspresse gefüllt. Nach kurzem Rütteln unter leichtem Druck ließen sich die Rohlinge leicht entformen und transportieren. Der keramische Brand erfolgte nach einer 24stündigen Härtung der Rohlinge. Die Prüfung der Steine ergab die folgenden Ergebnisse:

3 * Raumgewicht o,7 g/cm

Porosität 72 %

2 Kaltdruckfestigkeit 22 kp/cm

Anwendungsgrenze (ASTM) 125o ⁰C

Schwindung bei 12oo°C

(DIN 51o66) o,8 %

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— *7 —

Beispiel 2

Gemäß Beispiel 1 wurden aus einem Gemenge aus 7 Gew.% geblähtem Perlit, 4o Gew.% Schamotte A, 45 Gew.% Tonerdeschmelzzement, 8 Gew.% Kyanit und 2c- Gew.% Wasser (bezogen auf die Trockensubstanz) Feuerleichtsteine hergestellt. Die Prüfung ergab die folgenden Ergebnisse:

Raumgewicht Porosität

Kaltdruckfestigkeit Anwendungsgrenze Schwindung bei 12oo°C

Beispiel 3

Entsprechend Beispiel 1 wurden Steine aus 9 Gew.% geblähtem Perlit, 36 Gew.% Schamotte A, 44 Gew.% Schamotte B und lo,6 Gew.% Aluminiumphosphat geformt und in einem Muffelofen bei 7oo°C 16 Stunden ausgehärtet. Ihre Prüfergehisse zeigen die folgenden Werte:

O	,82	g/cm
67		%
25		kp/cm
13oo		⁰C
O	,3	%

Raumgewicht	o,55	g/cm
Porosität	79	%
Kaltdruckfestigkeit	2o	2 kp/cm
Anwendungsgrenze	1425	⁰C
Schwindung bei 12oo°C	o,7	%

Beispiel 4

Gemäß Beispiel 1 wurden Steine aus Io Gew.% geblähtem Perlit, 9o Gew.% Tonerdeschmelzzement und 25 Gew.% Wasser (bezogen auf die Trockensubstanz) hergestellt. Diese Steine hatten die folgenden Prüfergebnisse:

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Raumgewicht Porosität

Kaltdruckfestigkeit Anwendungsgrenze Schwindung bei 12oo°C

Das erfindungsgemäße Verfahren sowie die Zusammensetzung der Rohstoffe bzw. ihr Zusammenwirken erlauben es, großformatige Isolierblöcke, beispielsweise in Abmessungen von 600 χ 13oo mm, herzustellen.

0,	65	g/cm
80		%
12		kp/cm
123o		°c
O,	9	%

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Claims

Patentansprüche

; Feuerfeste keramische Isoliersteine auf der Basis von
geblähtem Perlit, bestehend aus einem feuerfesten Bindemittelgerüst und überwiegend geschlossenen Poren mit verglaster Außenhaut.
2. Isoliersteine gemäß Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Gehalt an Poren zwischen 45 und 9o %.
3. Isoliersteine gemäß Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet durch eine Rohdichte zwischen o,3 und 1,6 g/cm .
4. Isoliersteine gemäß Anspruch 1 bis 3_f gekennzeichnet durch

ο
Kaltdruckfestigkeiten zwischen 5 und 5o kp/cm .
5. Isoliersteine gemäß Anspruch 1 bis 4, gekennzeichnet durch eine Anwendungsgrenze bei etwa 15oo C.
6. Isoliersteine gemäß Anspruch 1 bis 5, gekennzeichnet durch Wärmeleitzahlen bei looo°C zwischen o,15 und o,45 Kilokalorien/m, h und ⁰C.
7. Isoliersteine gemäß Anspruch 1 bis 6, gekennzeichnet durch einen Gehalt an zusätzlichen feuerfesten Produkten bis zu 80 Gew.%.
8. Verfahren zur Herstellung der feuerfesten keramischen Isoliersteine gemäß Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Gemenge aus Bindemittel, geblähtem Perlit und Wasser zu einem Rohling geformt wird, der anschließend derart ge-

^: brannt wird, daß die Perlitkörner geschlossene Poren mit
verglaster Außenhaut bilden.

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- Io -
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß geblähtes Perlit mit Schüttgewichten zwischen 4o und 15o g/l und Korngrößen zwischen O und 6 mm verwendet wird.
10. Verfahren nach Anspruch 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Gemenge aus 75 bis 96 Gew.% Bindemittel und 4 bis 25 Gew.% geblähtem Perlit, insbesondere aus 88 bis 92 Gew.% Bindemittel und 8 bis 12 Gew.% geblähtem Perlit, bezogen auf die Trockensubstanz, besteht.
11. Verfahren nach Anspruch 8 bis Io, dadurch gekennzeichnet, daß das Bindemittel ein hydraulisches Bindemittel, insbesondere Tonerdeschmelzzement, ist.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die

Formgebung mittels Vibration und gegebenenfalls unter einem

2 leichten Pressdruck bis maximal 1 kp/cm erfolgt.
13. Verfahren nach Anspruch 8 bis lo, dadurch gekennzeichnet, daß das Bindemittel eine Tonsubstanz ist.
14. Verfahren nach Anspruch 8 bis Io, dadurch gekennzeichnet, daß als Bindemittel eine CaO- und gegebenenfalls eine SiC^- Komponente verwendet wird und der geformte Rohling einer Dampfhärtung unterworfen wird.
15. Verfahren nach Anspruch 8 bis 12 und 14, dadurch gekennzeichnet, daß der keramische Brand in situ erfolgt.
16. Verfahren nach Anspruch 8 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß das trockene Gemenge zur Kompensierung der Brennschwindung Kyanitgehalte bis zu 2o Gew.% enthält.

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