DE2605906A1 - Monolithische, feuerfeste materialien - Google Patents

Monolithische, feuerfeste materialien

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Jiro Nakano
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Description

Die Erfindung betrifft ein monolithisches, feuerfestes Material, das insbesondere für die Vibrationsverformung geeignet ist und das eine feuerfeste Masse aus Silikasol, Aluminiumoxidsol oder beiden als Bindemittel und ein wasserunlösliches oder etwas wasserlösliches Phosphat enthält oder daraus besteht. Das feuerfeste Material wird zur Auskleidung von Gefäßen bzw. Behältern wie Pfannen bzw. Gießwannen, Zwischenpfannen oder Rinnen oder Trögen o.a. zur Behandlung geschmolzener Metalle verwendet.
Die Erfindung betrifft monolithische, feuerfeste Materialien, die zur Auskleidung von Behältern oder Gefäßen wie Pfannen, Gießwannen oder Zwischenpfannen oder Trögen oder Rinnen o.a. für die Behandlung geschmolzener Metalle verwendet werden.
Für die Auskleidung von Gefäßen bzw. Behältern, Trögen u.a. für die 'Behandlung geschmolzener Metalle haben die monolithischen, feuerfesten Materialien die üblichen ziegelsteinförmigen, feuerfesten Materialien weitgehend verdrängt, die in einer Vielzahl von Formen vorliegen müssen, wozu viel Arbeit und Zeit für die Auskleidung erforderlich sind. Aus-
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kleidungsverfahren für monolithische, feuerfeste Materialien können nach verschiedenen Verfahren durchgeführt werden, wie durch Sprüh-, Gieß-, Stanz- oder Vibrationsverformungsverfahren. Die Vibrationsverformung gilt als bestes Auskleidungsverfahren, da man leicht die gewünschte Endform erhält und die geformte Struktur eine einheitliche Textur besitzt, ohne daß eine Laminierung oder ähnliches auftritt.
Es ist erforderlich, daß monolithische, feuerfeste Materialien für die Vibrationsverformung "Thixotropie" aufweisen, d.h. daß bei der Anwendung von Vibrationen die Viskosität der feuerfesten Materialien abnimmt und daß sie fließbar werden und daß sie nach Entfernung der Vibration sich verfestigen und einen Formkörper bilden. Die monolithischen, feuerfesten Materialien, die für die Vibrationsverformung verwendet werden können, werden beispielsweise in der US-PS 3 892 584 beschrieben. Die vorliegende Erfindung betrifft Verbesserungen der in der US-Patentschrift beschriebenen Erfindung. Die Rohmaterialien, die als feuerfeste Materialien bei der vorliegenden Erfindung verwendet werden können, sind solche, die mit Silikasol oder Aluminiumoxidsol bei Zimmertemperatur nicht reagieren, z.B. Siliciumsand, geschmolzenes Siliciumdioxid, Aluminiumsilikate wie Mullit, Borcarbid und Siliciumnitrid, Siliciumcarbid und Kohlenstoff (einschließlich Graphit) und die in der obengenannten US-Patentschrift näher beschrieben werden.
Wenn in der vorliegenden Anmeldung von "Aluminiumoxidsol" gesprochen wird, wird dieser Ausdruck im weitesten Sinn verwendet und umfaßt gleichzeitig Tonerde-, Tonerdehydrat-, Aluminiumhydroxidsole.
Ein Gemisch aus solchen feuerfesten Pulvern (Rohmaterial) mit Silikasol, Aluminiumoxidsol oder einem Gemisch aus Silikasol und Aluminiumoxidsol als Bindemittel zeigt Thixotropie
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und beim Trocknen schrumpft es kaum und bildet kaum Risse. Es ist somit als feuerfestes Material für die Vibrationsverformung geeignet. Solche Gemische besitzen jedoch die folgenden Nachteile.
Die Bindungskräfte von Silikasol oder Aluminiumoxidsol oder einem Gemisch davon scheinen kohäsive Kräfte der feinen Teilchen, wenn diese trocken sind, zu sein und,wenn die feinen Teilchen hohe Temperatur haben, auf "Sinterkräfte" zurückzuführen sein. Die Sintertemperatur des Silikasols beträgt mindestens etwa 11OO°C und die des Aluminiumoxidsols mindestens etwa 1200°C. Die Festigkeit eines solchen Systems von dem Zeitpunkt, wenn es trocken wird, bis die Sintertemperatur erreicht wird, reicht oft nicht aus. Häufig treten nach Anwendung der monolithischen, feuerfesten Auskleidung Beschädigungen während der Vorerwärmung oder während des Übergangs auf, bevor das geschmolzene Metall aufgenommen wird. Insbesondere wird eine monolithische, feuerfeste Auskleidung besonders durch den mechanischen und thermischen Schock verbraucht zu dem Zeitpunkt, wenn sie zum ersten Mal mit geschmolzenem Metall in Berührung kommt.
Weiterhin besitzen Silikasol oder Aluminiumoxidsol nur einen engen Bereich, wo sie gegenüber pH-Änderungen stabil sind. Silikasol ist bei einem pH-Wert von 2,7 bis 3,1 oder 9,0 bis 9,8 stabil, und Aluminiumoxidsol ist bei einem pH-Wert von 2,5 bis 5,5 stabil. Außerhalb dieser pH-Bereiche gelieren sie und verlieren die Eigenschaften als wäßrige Flüssigkeiten, insbesondere ihre Thixotropie. Zur Erhöhung der Festigkeit von dem Zustand, wo sie trocken sind (der im folgenden als Trockenperiode bezeichnet wird), bis die Sintertemperatur erreicht wird, kann es wünschenswert sein, wasserlösliche Salze zusammen mit den oben beschriebenen Bindemitteln zu verwenden. Dies verursacht jedoch Änderungen in dem pH-Wert des Silikasols oder Aluminiumoxidsols, und die Eigenschaften wäßriger Sole gehen verloren, bedingt durch
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eine Gelbildung, die ihrerseits die Vibrationsverformung stört.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein monolithisches, feuerfestes Material zu schaffen, das die obigen Nachteile nicht besitzt. Gegenstand der Erfindung ist ein monolithisches, feuerfestes Material, das enthält:
(1) eine feuerfeste Masse, enthaltend Silikasol, Aluminiumoxidsöl oder ein Gemisch davon als Bindemittel, und
(2) ein Phosphat, welches in Wasser unlöslich oder nur gering löslich ist.
Die erfindungsgemäßen feuerfesten Materialien zeigen eine stark erhöhte Festigkeit, wenn sie bei relativ niedriger Temperatur vom Trockenzustand bzw. von der Trockenperiode bis zum Sinterzustand erwärmt werden, und weiterhin eine größere Festigkeit als die, die man bei feuerfesten Materialien, die übliche Bindemittel enthalten, bei höheren Temperaturen erzielen kann. Die Eigenschaften der feuerfesten Materialien werden bei den Verfahrensschritten, bei denen die Auskleidung angebracht wird, überhaupt nicht verschlechtert.
In Wasser unlösliche oder kaum lösliche Phosphate, die bei der vorliegenden Erfindung verwendet werden können, sind feste Säuren, die bei einer Temperatur von etwa 230 bis 5000C synthetisiert werden, beispielsweise ein Phosphat, das als "K-Substanz" bezeichnet wird. Die K-Substanz kann nach dem Verfahren hergestellt werden, wie es z.B. in der US-PS 3 801 704 (deutsche Patentanmeldung P 22 12 317.17-41) und in der japanischen Patentpublikation (OPI) 109 298/74 beschrieben wird, bei dem ein Gemisch, das Aluminium oder eine Aluminium enthaltende Verbindung und eine Phosphat enthaltende Verbindung enthält und ein P3O5/Al2O^-Molverhältnis von 1:6 besitzt, bei einer Temperatur von 90 bis 4500C unter
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Rühren unter Bildung eines nichttransparenten, semi-festen Gemisches erwärmt wird und anschließend auf eine Temperatur von 300 bis 45O0C zur Dehydratisierung und Kristallisation des Systems erneut erwärmt wird. Diese Verbindung besitzt einen charakteristischen Peak bei 2Θ = 11,2° in ihrem Röntgenbeugungsspektrum und eine Säurestärke (pKa) von 1,5, was für eine schwach saure feste Säure charakteristisch ist. Sie zeichnet sich dadurch aus, daß sie eine sehr, hohe Acidität besitzt, verglichen mit bekannten festen Säuren, und daß sie in Wasser unlöslich oder kaum löslich ist.
Es ist eine sehr wichtige Eigenschaft der bei der vorliegenden Erfindung verwendeten Phosphate wie der K-Substanz, daß sie in Wasser unlöslich oder nur wenig löslich sind,und es ist wesentlich, daß pH-Änderungen des Silikasols, des Aluminiumoxidsols oder des Gemisches davon vermieden werde.n.
Wird ein wasserlösliches Salz wie Natriumsilikat oder primäres Aluminiumphosphat als Bindemittel für monolithische, feuerfeste Materialien zusammen mit Wasser zugegeben, diffundiert das Salz an die Oberfläche zusammen mit dem Wasser zum Zeitpunkt des Trocknens des monolithischen, feuerfesten Materials nach seiner Anwendung. Es bildet sich daher ein dichter Film auf der Oberfläche der angewendeten Auskleidung, und die nachfolgende Diffusion und Verdampfung des Wassers innerhalb des feuerfesten Materials wird in starkem Ausmaß verhindert, und für das Trocknen sind lange Zeiten und eine strenge Temperaturkontrolle erforderlich.
Im Gegensatz dazu verursacht, da die Phosphate wie die K-Substanz wasserunlösliche oder nur etwas in Wasser lösliche Feststoffe sind, ihre Verwendung keinen Verlust der Eigenschaften von Silikasol, Aluminiumoxidsöl oder deren Gemischen. Selbst wenn ein Bindemittel für die monolithischen, feuerfesten Materialien zusammen mit Wasser verwendet wird, bildet sich auf der Oberfläche der angewendeten Auskleidung
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kein Film, da das Wasser.auf die Oberfläche diffundiert und zum Zeitpunkt des Trocknens nach der Auskleidung verdampft. Das erfindungsgemäße feuerfeste Material besitzt somit den großen Vorteil, da es in gleicher Rate wie übliche monolithische, feuerfeste Materialien erwärmt und getrocknet werden kann.
Man nimmt an, daß die in Wasser unlöslichen oder etwas löslichen Phosphate, die bei der vorliegenden Erfindung verwendet werden, als feste Säuren auf Silikasol, Aluminiumoxidsol oder deren Gemische einwirken. Phosphate, die mit Silikaoder. Aluminiumoxidsol nicht reagieren, besitzen eine' hohe Acidität und viele "aktive Stellen" und bei dem Erwärmungsverfahren sind sie sehr reaktiv und wirken als Bindemittel für die feuerfesten Rohmaterialien.
Beispiele für die Metallmolekülteile solcher Phosphate sind Magnesium und Calcium der Gruppe 2 des periodischen Systems, Aluminium der Gruppe 3» Silicium, Titan und Zirkon der Gruppe 4, Chrom, Molybdän und Wolfram der Gruppe 6, Mangan der Gruppe 7 und Eisen, Kobalt und Nickel der Gruppe 8. Beispielsweise kann das in der japanischen Patentpublikation (OPI) 34499/74 beschriebene Titanphosphat für diesen Zweck verwendet werden. Gemische oder Komplexe von Phosphaten aus zwei oder mehreren solcher Metalle können ebenfalls bei der vorliegenden Erfindung verwendet werden. Der Ausdruck "etwas wasserlöslich", wie er hierin verwendet wird, bedeutet eine Löslichkeit in Wasser von weniger als 2 Gew.#.
Eine spezifische erfindungsgemäße Ausführungsform wird in den folgenden Beispielen näher erläutert.
Die feuerfeste, pulverförmige Masse (Rohmaterial) wird auf geeignete Weise entsprechend der Größe des Gefäßes oder des Trogs, das bzw. der mit dem feuerfesten Material ausgekleidet
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werden soll, der Dicke der Auskleidung, der Art des aufzunehmenden, geschmolzenen Metalls, der Temperatur und der Zeit ausgewählt, und sein Teilchendurchmesser wird vor der Verwendung auf übliche Weise eingestellt.
Verschiedene Silikasole und Aluminiumoxidsole stehen mit unterschiedlichen Feststoffgehalten zur Verfügung. Damit die feuerfesten, pulverförmigen Massen thixotrop sind und somit durch Vibrationsverformung verformbar sind und damit sie die erforderliche Festigkeit besitzen, ist die Verwendung von Solen mit einem Feststoffgehalt über etwa 5% bevorzugt. Die Menge an Bindemittelsol, die zu der feuerfesten, pulverförmigen Masse zugegeben wird, unterscheidet sich etwas entsprechend der Qualität und dem Teilchendurchmesser der feuerfesten, pulverförmigen Masse, aber sie beträgt im allgemeinen ungefähr 5 bis ungefähr 20 Gew.Teile/100 Gew.-Teile feuerfester, pulverförmiger Masse. Wenn die Menge an Bindemittel unter etwa 5 Gew.Teilen liegt, wird die feuerfeste, pulverförmige Masse nicht thixotrop, selbst wenn sie vibriert wird, und kann daher nicht zufriedenstellend verformt werden. Wenn andererseits die Menge über etwa 20 Gew.Teilen liegt, wird die Mischung zu weich und schwach und die Formre.tention nach dem Vibrationsverformen ist schlecht, und zum Trocknen sind extrem lange Zeiten erforderlich.
Bevorzugt wird das wasserunlösliche oder etwas in Wasser lösliche Phosphat vor der Verwendung fein pulverisiert, so daß mindestens 80% der gesamten Teilchen durch ein Sieb mit einer lichten Maschenweite von 74/u (200 mesh) hindurchgehen. Eine bevorzugte Phosphatmenge beträgt etwa 0,3 bis etwa 3»0 Gew.Teile/100 Gew.Teile feuerfeste, pulverförmige Masse. Wenn die Menge unter etwa 0,3 Gew.Teilen liegt, erhält man keine beachtliche Wirkung, wohingegen bei einer Menge über etwa 3,0 Gew.Teilen keine bemerkenswerte Verbesserung in der Wirkung erreicht wird.
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Spezifische Beispiele von Formulierungen der erfindungsgemäßen feuerfesten Materialien und feuerfesten Vergleichsmaterialien sind in der folgenden Tabelle I angegeben. In der Tabelle I sind die Anteile der Rohmaterialien für die feuerfesten, pulverförraigen Massen als Gewichtsteile angegeben und die Anteile der Bindemittel,des Phosphats und
des Wassers sind auf gleicher Grundlage pro 100 Gew.Teile feuerfeste, pulverförmige Masse aufgeführt.
Tabelle I
Proben A B A'&B» C C1 D D* E. Ef
gesintertes Aluminiumoxid (durch ein 4,76 mm=4mesh
Sieb) 60
calciniertes Aluminiumoxid (durch ein
0,074mm=200me sh
Sieb) 8 8
Mullit(durch
ein 4,76mm=4mesh
Sieb) 62 62
Mullit(d.ein · 0,i49mm=100mesh
Sieb) 30 30 30 15 15 20
Tonschamotte d.ein 1,68mm=
10mesh Sieb) 57
geschmolzenes Siliciumdioxid (d.ein 0,84mm=
20mesh Sieb) 30 30
natürl. SiIi ciumsand(d.ein 3,36mm=
6mesh Sieb) 70 70
Siliciumcarbid (d.ein 0,149mm=
lOOmesh Sieb) 15 15 20
Bentonit 3
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Tabelle I (Fortsetzung)
Proben A B Af&B» CC1 DD1 E E1
Silikasol
(Feststoffgehalt 20%) 1,0 1,0 1,0 6 6 5,5 5,5
Aluminiumoxidsol(Feststoffgehalt 10%) 6,5 6,5 6,5 8,0 8,0
Aluminiumpho s-
phat(K-Subst.) 1,0 2,0 1 2
Titanphosphat 1,0
Wasser 1111
Die Proben A, B, C, D und E sind erfindungsgemäße Proben, wohingegen die Proben A1, B1, C, D1 und E1 für die erfindungsgemäßen Proben Vergleichsproben sind.
Die Bestandteile der feuerfesten, pulverförmigen Masse werden gut vermischt und dann werden das Solbindemittel und das in Wasser unlösliche oder etwas lösliche Phosphat mit oder ohne Wasser zu dem Gemisch gegeben. Das entstehende Gemisch wird in eine zylindrische Form mit einem Innendurchmesser von 50 mm gegeben und ein Aufsatzformer, der in die zylindrische Form leicht eingesteckt werden kann, wird auf die obere Oberfläche des Gemisches gestellt. Das gesamte Formgebungssystem wird in einen Vibrationsständer gestellt und dann werden Vibrationen mit einer Amplitude von 1 mm mit einer Geschwindigkeit von 3600 U/min und einer Beschleunigung von 7,4 G während 10 Minuten zur Verformung des Gemisches angelegt. Das geformte Produkt wird aus der Form entnommen und 1 Tag bei Zimmertemperatur gealtert. Es wird dann in einer Trockenvorrichtung bei 110+5°C getrocknet und bei 500, 800, 1200 bzw. 14500C gebrannt. Die physikalischen Eigenschaften der entstehenden, gebrannten Produkte werden dann bestimmt. Die verwendeten Brenntemperaturen von 500 und 800°C sind Temperaturen, die man leicht bei der tatsächlichen Anwendung des monolithischen, feuerfesten Materials erreicht,
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beispielsweise in anem Gefäß zur Behandlung von geschmolzenem Metall. Die Brenntemperaturen von 1200 und 1450°C oben sind die Sintertemperaturen des Sols und vermutlich die Temperaturen, die das feuerfeste Material erreicht, wenn es das geschmolzene Metall aufnimmt. Die Ergebnisse sind in Tabelle II aufgeführt.
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*>. α σι to co
A B Tabelle II C Proben D D1 E . ... E1
C1 <-0jl
Eigenschaften <-0,l <-0,l A'&B« <-0,l -0,2 -0,2 +0,4 <-0jl
Lineare Schrumpfung(%) J -0,1 -0,2 <-0,l -0,3 . -0,3 +0,5 :+0;4
11O0C nach d.Trocknen -0,1 -0,1 <-0,l -0,1 -0,2 -0,3 -0,3 +0,7 +0,5
5000C nach d.Brennen -0,1 -0,1 -0,2 -0.1 -0,1 -0,4 -0,4 +1,2 +0,8
8000C " J +0.2 <+0;l -0,1 -°;7 -0,6 +1,8
1 2000C " -0,1 <+0,l 20;4
1 45O0C " IS3I · 18,2 +0,1 . 17,9 19,3 19,5 22,5 20,6
Scheinporosität (%) 20,2 20,4 20,0 19,2 21,3 21,6 23,2 22,8
5000C nach d.Brennen 20,8" 20,9 18;9 20,4 20,1 20,9 21,1 25;9 24,8
8000C " 20.7 21,1 20,8 20.4 20,6 18;9 19,4 28,3
1 2000C " 21;2 20;4 61
1 4500C " .74 72. 21,8 86 ' 72 78 114 71
Druckfestigkeit(kg/cm ) 138 131 · , 146 88 125 ■ 81 131 88
1100C nach d.Trocknen 211 207 78 269 92 ' 198 . 118 141 91
5000C nach d.Brennen 423 408 84 577 143 693 127 205 97
80O0C " 818 743 131 1065 .253 ' 781 477 116
1 2000C " 241 396
1 4500C " 378
CD CD CD
Aus Tabelle II ist erkennbar, daß die feuerfesten Materialien, die in Wasser unlösliche oder etwas lösliche Phosphate enthalten, eine überraschende Festigkeit besitzen, wenn sie bei 500 und 8000C gebrannt werden, und ebenfalls eine erhöhte Festigkeit besitzen, wenn sie bei 1200 und 14500C gebrannt werden, verglichen mit feuerfesten Materialien, die nur Silikasol, Aluminiumoxidsol oder ein Gemisch davon als Bindemittel enthalten. Der Grund hierfür ist noch nicht vollständig bekannt. Man nimmt jedoch an, daß die überraschende Festigkeit, die man beim Brennen bei 500 und 8000C erhält, darauf zurückzuführen ist, daß die in Wasser unlöslichen oder etwas löslichen Phosphate, nämlich Aluminiumphosphat und Titanphosphat, die bei den oben erwähnten Beispielen eingesetzt werden, bei einer Temperatur unter 5000C synthetisiert werden und daher beim Erwärmen bei höherer Temperatur reagieren. Die erhöhte Festigkeit als Folge des Brennens bei 1200 und 145O°C ist vermutlich auf eine synergistische Wirkung zurückzuführen, die man durch Umsetzung des Sols mit dem Phosphat erhält.
Das Gemisch aus feuerfesten, pulverförmigen Massen mit den in Tabelle I angegebenen Solen und Phosphaten wird bei Zimmertemperatur in abgedichtetem Zustand gelagert, so daß eine Verdampfung verhindert wird, und,nachdem 10, 20 und 30 Tage vergangen sind, nach dem oben beschriebenen Verformungsverfahren verformt. Die Schüttgewichte der verformten Produkte bzw. Formkörper werden bestimmt, und die Ergebnisse sind in Tabelle III aufgeführt.
Tabelle III
Schüttgewicht (g/ccm) der Probe A Probe A1 geformten Produkte (Vergleich)
unmittelbar nach d.Vermischen 2,41 2,42
nach 10 Tagen 2,42 2,41
nach 20 Tagen 2,41 2,40
nach 30 Tagen 2,41 2,38
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Aus Tabelle III ist erkennbar, daß das erfindungsgemäße feuerfeste Material, verglichen mit der Vergleichsprobe, keine Änderung im Schüttgewicht nach dem Verformen zeigt, selbst nachdem es 30 Tage gelagert wurde. Dies bedeutet, daß die Vibrationsverformbarkeit, d.h. die Verformbarkeit, die der Thixotropie zuzuschreiben ist, überhaupt nicht verschlechtert wird.
Es ist weiterhin möglich, die feuerfeste, pulverförmige Masse und das wäßrige Sol getrennt zu lagern und sie dort, wo die Auskleidung erfolgt, zu vermischen.
Erfindungsgemäß werden monolithische, feuerfeste Materialien, die Silikasol, Aluminiuraoxidsol oder ein Gemisch davon als Bindemittel enthalten, so verbessert, daß sie bis zur Sintertemperatur des Sols eine hohe Festigkeit besitzen, ohne daß die Verformbarkeit, die dem Sol zuzuschreiben ist, geändert wird, und es wird eine mechanische Abnutzung zum Zeitpunkt der Vorerwärmung nach dem Auskleiden oder zum Zeitpunkt, wenn es zum ersten Mal mit dem geschmolzenen Material in Berührung kommt, verhindert. Die Festigkeit bei den Temperaturen, bei denen das geschmolzene Material behandelt wird, ist erhöht. Das erfindungsgemäße feuerfeste Material besitzt somit eine lange Gebrauchsdauer, ist dauerhaft und ist als monolithisches, feuerfestes Material für die Vibrationsverfοrmung besonders gut geeignet.
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Claims (4)

  1. - 14 Patentansprüche
    v1. Monolithisches, feuerfestes Material, dadurch gekennzeichnet, daß es enthält
    (1) eine feuerfeste Masse, enthaltend Silikasol, Aluminiumoxidsöl oder beide als Bindemittel, und
    (2) ein in Wasser unlösliches oder kaum lösliches Phosphat.
  2. 2. Feuerfestes Material nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß es als feuerfeste Bestandteile in der feuerfesten Masse Siliciumdioxid, Aluminiumsilikate; · AIpO^,Siliciumcarbid, Siliciumnitrid, Kohlenstoff und andere feuerfeste Substanzen, die nicht mit dem Silikasol oder dem Aluminiumoxidsol bei Zimmertemperaturen reagieren, enthält.
  3. 3. Feuerfestes Material nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das in Wasser unlösliche oder kaum lösliche Phosphat eine feste Säure ist, die bei einer Temperatur von etwa 230 bis etwa 500°C synthetisiert wird.
  4. 4. ' Feuerfestes Material nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das in Wasser unlösliche oder etwas lösliche Phosphat ein feinverteiltes Material ist, von dem mindestens etwa 80# aus Teilchen bestehen, die durch ein Sieb mit einer lichten Maschenweite von 0,074 mm (200 mesh) hindurchgehen.
    5· Feuerfestes Material nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Menge an in Wasser . unlöslichem oder etwas löslichem Phosphat etwa 0,3 bis etwa 3,0 Gew.Teile/100 Gew.Teile feuerfeste Masse beträgt.
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