DE2521613C3

DE2521613C3 - Verfahren zur Behandlung von keramischem Fasermaterial

Info

Publication number: DE2521613C3
Application number: DE2521613A
Authority: DE
Inventors: Thomas A. Johnson; William C. Long
Original assignee: Babcock and Wilcox Co
Current assignee: Babcock and Wilcox Co
Priority date: 1974-05-30
Filing date: 1975-05-15
Publication date: 1978-12-21
Also published as: AU8121675A; DE2521613A1; DE2521613B2; SE7505057L; CA1037973A; FR2272968B1; SE408167B; BR7502989A; AR204579A1; BE829069A; FR2272968A1; JPS512714A; JPS595539B2; GB1481133A

Description

Keramische Faserrnatcrialicn haben in der Zusammensetzung von sehr reinen Kieselsäurefasern bis zu sehr reiner Tonerde gereicht, wobei die handelsüblichen Fasern einen allgemeinen Tonerdegehalt von 45% bis 77% haben bei einem allgemeinen Kieselsäuregehalt von 52% bis 22%. Die handelsüblichen Fasern weisen auch äußerst kleine Mengen von Metalloxyden in Form von Schmutzstoffen auf, wie z. B. Eisen oder dergleichen. Manchmal werden solche in kleinen Metalloxydmengen bewußt zugesetzt, um bestimmte Eiger chatten in den handelsüblichen Fasern zu erreichen. Im allgemeinen enthalten die Fasern im fertigen Zustand einen größeren Anteil an Faserdurchmessern im Bereich von i bis 10 Mikron, π obwohl Fasergrößen unter 1 Mkron und über 10 Mikron schon hergestellt und verwendet worden sind.

Keramische feuerfeste Fasermaterialien aus Tonerde-, Kieselsäure und Tonerde-Kieselsäure werden schon seit vielen Jahren für die Wärmeisolierung eingesetzt. Die gewöhnliche Faser wird technisch so hergestellt, daß ein Luft- oder Dampfstrahl einen Strom aus flüssiger Keramik zertrümmert, wobei die so gebildeten Fasern in Massenform gesammelt werden, -n Gewöhnlich wird die gesammelte Massenfaser verdichtet, um Fasermatten oder Faserplatten mit einem bevorzugten Raumgewicht zu bilden. Diese keramischen Feuerfestfasern sind im fertigen Zustand glasartig oder amorph. ϊο

Während die theoretische Endgebrauchstemperatur bei der Schmelztemperatur der keramischen Fasern liegen wird, die 1650 C übersteigt, ist es bekannt, daß keramische Tonerde-, Kieselsäure- und Tonerde-Kieselsäure-Fasern von einem amorphen Zustand in Yi eine kristalline Form umgewandelt werden, wenn sie oberhalb der Fntglasungstemperatur der jeweiligen Verbindung erwärmt werden. Wenn die Matte oder die verdichtete Platte sich auf typische Gebrauchstemperatureii befindet, wird die Faser unter Druck en Cine im wesentlichen bleibende Verformung behalten: Wenn die Gebrauchstemperatur jedoch oberhalb der Eniglasungstempefatur liegt, wird die amorphe Faser in eine kristalline Form umgewandelt, die durch thermische Maßänderungen ode? sogar durch Schwin* gungen in dem System, bei dem die Faser angewandt wird, eine Beständigkeitseinbuße erleidet.

Im Interesse der Materialbesläridigkeit und der Iso^ Ijerungswirksamkeit ist es klar, daß eine keramische Feuerfestfaser wünschenswert ist, die gegenüber einer Dauerverformung bei typischen Gebrauchstemperaturen beständig ist.

Der in Anspruch 1 angegebenen Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, inne keramische Feuerfestfaser zu schaffen, die eine im wesentlichen endgültige feinkörnige Kristallinität insgesamt aufweist und gegenüber der bisher erhältlichen eine verbesserte Steifigkeit aufweist odet die verbesserte Fähigkeit, gegenüber einer dauernden Verformung beständig zu sein.

Einige Keramikfasermaterialien, die durch dieses Verfahren hergestellt worden sind, haben anschließend eine bedeutend größere Beständigkeit gegenüber einer dauernden Verformung bei erhöhten Temperaturen unterhalb der Entglasungstemperatur gezeigt als das unbehandeite Material. Dies bedeutet, daß das Fasermaterial auf 85% bis 90% seines ursprünglichen Maßes zurückkehrt.

Das die Erfindung kennzeichnende Verfahren ist im wesentlichen eine Form von Wärmebehandlung des keramischen Fasermaterials, wobei das Material eine Zustandsänderung von amorph oder glasartig zu einem Stoff erfährt, der im allgemeinen ein feinkörniges, kristallines Gefiige hat. Im Laufe dieser Erwärmung wird der amorphe oder glasartige Zustand aufrechterhalten, bis eine bestimmte Temperatur des jeweiligen Materials erreicht ist. An diesem Punkt, der als »Entglasungstemperatur« bezeichnet wird, beginnt die Umwandlung in den kristallinen Zustand. Da keramische Feuerfestfasern im wesentlichen wegen ihrer Isoliereigenschaften bekannt sind, ist eine Temperatur oberhalb der Entglasungstemperatur des jeweiligen Materials erforderlich, um die Entglasung innerhalb des gesamten Materials zu gewährleisten. Es ist jedoch darauf hinzuweisen, daß übermäßige Temperaturen oberhalb des Entglasungswerts oder während einer zu langen Zeit aufrechterhaltene ausreichend höhere Temperaturen als Jt Entglasungswert dazu neigen, grobkörnige Gefüge mit schlechten Handhabungseigenschaften zu erzeugen.

Meßdiagramme des erfindungsgemäßen Materials sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 ein Diagramm einer Differential-Thermo-Analyse eines keramischen Feuerfestfasermaterialsaus Tonerdesilikat (45% AI₂O, und 52 % SiO,),

Fig. 2 ein Diagramm der Röntgenstrahlenbrechungsstärke einer keramischen Feuerfestfasermatte, wie sie in fig. 1 gezeigt ist. vor der hierin beschriebenen Wärmebehandlung,

F^: g. J ein Diagramm der Rönitgenstrahlenbrechungsstjrke der gleichen keramischen Feuerfestfasermatte gemäß I ig. 2 nach Wärmebehandlung oberhalb der in Fig. I gezeigten hntglasungstemperatur des Materials.

I ig. I /cigt in Diagrammform ein Merkmal der Erfindung, nämlich die eindeutige Art des Intglasungs· temperalurwerts eines bestimmten Materials, mittels einer Differential-Thermo-Anal'yse des Materials Wie der Darstellung zu entnehmein ist, bezeichnet die Kurve 10 den thermischen Charakter des geprüften Materials bei steigender Temperatur. Es ist festzustellen, daß bei etwa 950^rC eine eindeutige, relativ große und schnelle Spitze 15 im exothermen Bereich erscheint. Diese exotherme Spitze 15 bezeichnet eine Änderung irrt Zustand des Fasefmatefials von amorph

zu einem Kristallgefüge; die Temperatur, bei der dieses eintritt, wird die Entglasungstemperatur bezeichnet.

Während die in Fig. I dargestellte Entglasungstemperatur eine typische Kurve zeigt, die entwickelt wird, wenn man eine Kaowoolfaser mit einer allgemeinen Zusammensetzung von etwa 45% Tonerde und 52% Kieselsäure prüft, so ist es klar, daß der effektive Wert der Entglasungstemperatur bei anderen Zusammensetzungen ein wenig anders sein wird. Jedoch kann man einen eindeutigen Entglasungstemperaturwert für alle Tonerde-, Kieselsäure- und Tonerde-Kieselsäure-Fasermaterialien finden.

Fig. 2 ist in Diagrammform die Darstellung der Röntgenstrahlenbrechungsstärke der betreffenden keramischen Feuerfestfaser (Kaowool) bei verschiedenen Einfallwinkeln vor der Wärmebehandlung des Materials oberhalb seiner Entglasungstemperatur, die bei dem gezeigten Beispiel etwa 950 C beträgt. Der gegenüber Kurve 30 in F i g. 3 relativ glatte Charakter der Kurve 20 ist ein Zeichen dafür daß das Fasermateria! amorph ist

Infolgedessen erscheint durch Wärmebehandlung des Materials von Fig. 2 über dessen Entglasungstemperatur von etwa 950 C hinaus die erwartete Kristallbildung auf der Kurve der Röntgenstrahlbrechungsstärke als scharfe Spitzen der Stärke. Fig. 3 zeigt die Brechungsstärke des Kaowool-Fasermaterials aus Fig. 2, nachdem das Material für etwa 15 Minuten auf etwa 950 C-1000 ( warmebehandelt worden ist. Die Brechungsstärkespitzen 35 bezeichnen den Kristallcharakter des zuvor amorphen Materials.

Beispiel

Ein keramisches Feuerfestfasermaterial, wie ι. B. ein Tonerde-Kiesel-Faserschamottenmaterial, insbesondere Kaowool-Faser wird in einem Muffelofen wärmebehandelt. Diese bestimmte Fasermatte hat eine Dichte von etwa 128 kg/m' und eine Entglasungstemperatur v^n etwa 950 C.

Um die Fntglasung innerhalb der gesamten Matte zu gewährleisten und den schwankenden Betrieb des Ofens auszugleichen - diese besagt, daß der Ofen eine Solltemperatur nicht genau einhält, sondern abwechselnd über und unter dieser Temperatur liegt -, wird eine Tempeiatur bevorzugt, die über dem Entglasungswert liegt. In typischer Weise erzeugt die Einwirkung einer Temperatur von etwa K)(K) ( während tines Zeitraums von etwa 2ü Minuten das feinkörnige, kristalline Gefüge, das erforderlich ist, um gegenüber einer Dauerverformung bestandig ?u sein. Röntgenuntersuchuiigen besagen, daß die durchschnittliche kristalline Größe in der feinkörnigen Tonerde-Kieselsäure-Faser unter 200 Angstrom (A) liegt.

Obwohl Versuche ergeben haben, daß Temperaturen bis /u etwa 1050 C wahrend eines Zeitraums von bis zu M) Minuten die Verformungsbctändigkeit des Materials nicht beeinträchtigen, muß darauf geachtet werden, daß die Wärmebehandlung begrenzt wird, besonders bei Temperaturen ohi'rhiilb 1050 (J₁ um übermäßiges Körnwachstum zu vermeiden.

Proben Von keramischen FeUerfestfaserrnatlert (KaowooNFaser) mit einer Entglasungstemperatur von etwa 950 C" wurden durchschnittlichen Temperaturen von etwa 950 C bis etwa 1050 C während eines Zeitraums von 10 Minuten bis zu einer Stunde ausgesetzt. Diese wärmebehandelten Karamikfasern, als Matten mit einer Nennstärke von 25,4 mm ausgebildet, wurden dann durch eine Einspannkonsole auf 70% ihrer anfanglichen Stärke oder auf 17,8 mm verdichtet und dann 18 Stunden lang einer Temperatur von etwa 815 C" ausgesetzt Diese Bedingungen

ίο sollten eine 18stündige Verwendung einer Isolierung bei der erwarteten Temperatur und Verdichtung in einem gasgekühlten Kernreaktor simulieren. Bei Abschluß der lRstündigen Versuchszeit betrug die nichtverdichtete Nennstärke des Materials für jede der wärmebehandelten keramischen Feuerfestfasermatten:

Tabelle I

Relative Stärke nach 18 Stunden bei 815 C, bezogen ,ι, auf das Ausgangsmaterial von 25,4 mm

Wärmcbehanu- Wärmebehiindlungstempi-ra'ur in C", ca. lungszeit in _{g5Q 9g()}
Minuten, ca.

1010

10	0,72	0,96	1,02	0,82	0,82
	0,71	0,92	1,01	0,79	0,78
15		0,85	1,03		0,76
		0,97			0,81
		0,80			0.81
25		0,89			1,00
		0,84		0,98
		0,88
		0,86
30				1,00
				1,00

0,83

Aufgrund des flockigen Charakters der Fasermatten schwankt die Stärke entlang der Abmessungen der Ma¹ .e, so daß man von einer »Nennstärke« spricht.

Aus der obigen Tabelle kann man entnehmen, daß es bei dem angegebenen Zeitplan wünschenswert ist, einer Temperatur von etwa 30 C bis 100 C über der Entglasungstemperatur des jeweils behandelten Fasermaterials zu verwenden, um das Material so wirksam wärmezubehandeln, daß die gewünschte Materialclastizität erzielt wird, die vorzugsweise etwa 85% bis 90% der ursprünglichen nichtverdichteten Faserstärke beträgt.

Es ist in der Technik bekannt, daß keramische Feuerfestfasermaterialien entglasen, wenn sie Gebrauc^bjhedingungen ausgesetzt werden, die die Entglasungstemperatur überschreiten. Eine wesentlich über der Entglasun^stemperatur liegende Gibrauch->temperatur wird zu erhöhtem Kristallwachstum führen und die Zwecke der Erfindung zunichte machen. Somit ist in Übereinstimmung mit der Erfindung die verbesserte Elastizität, die durch Wärmebehandlung vor der Verwendung für üie keramischen Fasermaterialien erreicht wird, bei Gebrauchsiemperatureu wirksam, unter denen das Kornwachsturti nicht die mechanischen Eigenschaften der fräser beeinträchtigt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Behandlung von keramischem, amorphem, feuerfestem Fasermaterial, das einer ϊ Entglasungsbehandlung zugänglich ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Fasermaterial 30-100 C oberhalb seiner Entglasungstemperatur für 10 bis 60 Minuten wärmebehandelt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn- in zeichnet, daß das amorphe Fasermaterial eine entsprechende Zeit lang auf eine über der Entglasungstemperatur des Materials liegende Temperatur erwärmt wird, mit der Maßgabe, eine Entglasung innerhalb des gesamten Fasermaterials sicherzustellen, und daß die Erwärmung vor einem übermäßigen Kernwachstum beendet wird.