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Material zur ISerstellung von poröser feuerfester Isolation
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Die Erfindung betrifft ein Material zur lIerstellung von porösen,
feuerfesten, isolierenden Ausfüllungen von Elohlräumen, Fugen und dergleichen und
von Formteilen, das mindestens einen feuerfesten Stoff und ein mit Wasser unter
Wasserstoffentwicklung reagierendes Metall enthält.
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Poröse, feuerfeste, isolierende Formteile werden im Feuerfestbereich
außerhalb der unmittelbaren Feuerzone zur Isolierung verwendet. Es sind bereits
eine Reihe derartiger Platerialien vorgeschlagen worden. Die Toren können bei diesen
Materialien z.B. durch Ausbrennstoffe, wie Sägemehl und Torfkoks, hergestellt werden.
Nachteilig an diesem Verfaliren ist, daß die Materialien zur Erzeugung der Poren
gebrannt werden müssen, wobei die Temperaturführung und die Luftzufuhr sorgfältig
überwacht werden müssen, um einerseits keine Risse zu erhalten, andererseits aber
einen vollständigen Ausbrand zu gewährleisten (vgl. F. Harders, S. Kienow "Feuerfestkunde",
Springer 1960, Seite 902).
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Die Poren können auch durch verdampfende Stoffe wie Naphthalin hergestellt
werden. Auch bei diesem Verfahren muß das Material, um die Poren zu erzeugen, mindestens
bis zum Verdampfungspunkt von Naphthalin erhitzt werden. Außerdem muß das verdampfende
Naphthalin zum größten Teil zuräckgewonnen werden, um das Verfahren wirtschaftlich
durchführen zu können (vgl. F. Harders, S. Kienow, a. a. O.).
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imine weitere Moglichkeit zur Erzeugung voii Poren besteht darin,
daß man den Materialien gasentwickelnde Stoffe zusetzt. Als solche kommen u. a.
Ammoncarbonat, Wasserstoffperoxid, metallisches Aluminiumpulver und Calciumcarbid
in Frage (vgl.
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DT-PS 474 021 und F. Harders, S. Kienow, a. a. O.). Diese Verfahren
weisen aber auch Nachteile auf. Bei Ammoncarbonat muß das Material ebenfalls erwärmt
werden, um Ammeniak und Kohlenstoffdioxid freizusetzen. Bei den übrigen Mitteln
müssen bestimmte Arbeitstemperaturen eingehalten werden, um eine richtige Abstimmung
der Porenbildung und des Erhärtens zu erreichen. Beim Calciumcarbid müssen Überzüge
aus wasserfreiem Leim oder von Gelatine verwendet werden, um eine vorzeitige Gasentwicklung
zu vermeiden (vgl. DT-PS 467 716).
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Wenn Aluminium-, Calcium- oder zinkpulver verwendet werden, wird meistens
ein Zusatz von Alkali, Nalk oder anderen basischen Stoffen verswendet, um die Reaktion
zwischen dem Metall und dem Wasser zu beschleunigen (DT-PS 474 021).
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Aus der DT-PS 654 369 ist es bekannt, derartigen Materialien Kalk
und Kieselsäure zuzusetzen, um ein aus Calciumhydrosilikat bestehendes Bindemittel
zu bilden, das rlic mechanische Festigkeit der feuerfesten Formteile verbessert.
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Aus der DT-PS 474 021 ist bekannt, daß auch bereits Vorschläge gemacht
worden sind, die Gasentwicklung der oben genannten Metalle durch Zusatz von Säuren
oder sauren Salzen zu beschleunigen. Von dieser Arbeitsweise wird aber abgeraten,
da
die Herstellung feuerfester Materialien durch den Zusatz an Fremdmaterialien unmöglich
werde und die Gasentwicklung zu plötzlich und stark einsetze, was eine ungleichmäßige
Porenbildung zur Folge habe.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines Materials
zur Herstellung von porösen, feuerfesten, isolierenden Ausfüllungen von Hohlräumen,
Fugen und dergl. und von Formteilen, das eine gleichmäßige Porenbildung ermöglicht,
leicht zu verarbeiten ist, auch unter Luftabschluß, ohne zusätzliche Wärmezufuhr
sowie ohne Schwund abbindet, das sich in weiten Temperaturbereichen verarbeiten
läßt und das Ausfüllen mit guten isolierenden und feuerfesten Eigenschaften liefert.
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Erfindungsgemäß wird ein Material zur Herstellung von porösen, feuerfesten,
isolierenden Ausfüllungen von Hohlräumen, Fugen und dergl. und von Formteilen vorgeschlagen,
das mindestens einen feuerfesten Stoff und ein mit Wasser unter Wasserstoffentwicklung
reagierendes Metall enthält. Das Material ist dadurch gekennzeichnet, daß es aus
einer flüssigen und einer festen Komponente besteht, wobei die flüssige Komponente
eine wäßrige nurelösun ist und die feste Komponente ein Pulvergemisch ist, das ein
mit der Säure unter Wasserstoffentwicklung reagierendes Metall, mindestens einen
an sich bekannten feuerfesten Rohstoff und mindestens ein an sich bekanntes anorganisches
Bindemittel, das hydraulisch und chemisch abbindet, enthält.
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Entgegen bisherigen Erfahrungen liefert das erfindungsgemäße Material,
obwohl die Wasserstoffentwicklung durch Einwirkung einer Säure auf das Metall ausgelöst
wird, Materialien mit gleichmäßigen Poren und guten feuerfesten Eigenschaften. Das
erfindungsgemäße Material zeichnet sich ferner dadurch aus, daß es leicht zu verarbeiten
ist und auch unter Luftabschluß, ohne Wärme zufuhr sowie ohne Schwund
abbindet.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß die Porenbildung und der Abbindeprozeß in
weiten Temperaturbereichen zeitlich so koordiniert sind, daß nach der Porenbildung
der Abbindeprozeß bereits so weit fortgeschritten ist, so dai3 die gebildeten Poren
nicht mehr zusammenfallen.
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Daher kann das erfindungsgemäße Material bei Temperaturen von etwa
-200C bis etwa 5000C verarbeitet werden. Besonders gut laufen die Reaktionen im
Temperaturbereich von etwa O 0C bis 3000C ab. Die mit dem erfindungsgemäßen Material
hergestellten Formteile und Ausfüllungen sind nahezu gasundurchlässig und haben
auch daher gute isolierende Eigenschaften.
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Das erfindungsgemäße Material ist für alle Verwendungsarten im Feuerfestbereich
außerhalb der unmittelbaren Feuerzone geeignet. Es kann insbesondere - außer zur
Herstellung von Formteilen - zum Ausgießen von Hohlräumen und Fugen im Feuerfestbereich
außerhalb der unmittelbaren Feuerzone verwendet werden. Durch Variation des Verhältnisses
von flüssiger zu fester Komponente kann das Material nach der Zusammengabe der beiden
Komponenten auf eine solche Konsistenz eingestellt werden, dan auch kleinste Hohlräume
von ihm ausgefüllt werden. Das erfindungsgemäße Material benetzt Metalle, Holz,
Keramiken usw. so, daß die von diesen Materialien gebildeten Hohlräume dicht und
gut ausgekleidet werden. Das erfindungsgemäne Material greift diese Materialien
nicht an.
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Das erfindungsgemäße Material besteht aus einer flüssigen und einer
festen Komponente. Zur herstellung von AU5füllungen von Hohlräumen, Fugen und dergl.
können die beiden Komponenten an Ort und Stelle zusammengegeben und vermischt werden
und die Hohlräume und Fugen mit dieser Mischung ausgegossen
werden
(Vergußmasse). Das Verhältnis von flüssiger zu fester Komponente liegt vorzugsweise
zwischen 1 : 1 bis 1 : 4. Durch Veränderung des Verhältnisses der beiden Komponenten
kann die jeweils gewünschte Viskosität der Mischung eingestellt werden. Zur Ausfüllung
sehr kleiner und schmaler sowie verwinkelter Hohlräume wird das Material dünnflüssiger
eingestellt. Das erfindungsgemäße Material ist gut lagerbeständig, da es aus zwei
Komponenten besteht mit der Verteilung von Säure und Metall in verschiedenen Komponenten,
die erst unmittelbar vor der Verarbeitung zusammengegeben werden.
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Der Bläheffekt, d. h. Zahl und Größe der gebildeten Poren.
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kann durch die Auswahl und durch die Menge einzelner Bestandteile
in weiten Grenzen variiert werden. Das Volumenverhältnis von Feststoff zu Poren
nach der Gasentwicklung und Erstarrung des Materials kann im Bereich von 1:1,1 bis
1:5 liegen. Im einzelnen wird dieses Volumenverhältnis durch den pH-Wert der Mischung
nach der Zusammengabe der flüssigen und festen Komponente bestimmt, d. h. durch
die Art und Menge der eingesetzten Säure und durch die eventuelle Zugabe eines basischen
Stoffes. Das Volumenverhältnis wird ferner durch die Menge und die Korngröße des
eingesetzten Metalls bestimmt. Letzteres beeinflunt auch die Porengröße.
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Je kleiner die Korngröße des eingesetzten Metalls ist, desto kleiner
sind die gebildeten Poren und desto größer ist die Anzahl der gebildeten Poren.
Die Porengröße kann so zwischen 0,2 mm und einigen Millimetern verändert werden.
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Vorzugsweise wird mit einem Material gearbeitet, dessen pH-Wert nach
der Zusammengabe der beiden Komponenten zwischen etwa 1 und Uh liegt. Je niedriger
der pH-Wert ist und je größer die zugesetzte Metallmenge ist, desto größer ist der
Bläheffekt, d. h. das Porenvolumen. Durch Zusätze an basischer Stoffen kann der
pH-Wert auf Werte zwischen etwa 2 bis + und
darüber erhöht werden
und dadurch eine geringere Blähung erreicht werden. Der basische Stoff kann der
festen oder flüssigen Komponente zugesetzt werden. Als basischer Stoff wird vorzugsweise
Natriumborat verwendet.
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Die gute isolierende Eigenschaft der mit dem erfindungsgemäusen Material
hergestellten Ausfüllungen, Auskleidungen und Formteile ist eine Folge der Bildung
gleichmäßiger und geschlossener Poren.
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Der Grad der Feuerfestigkeit der mit dem erfindungsgemäßen Material
hergestellten Ausfüllungen, Auskleidungen und Formteile wird im wesentlichen durch
die Wahl der feuerfesten Rohstoffe bestimmt. Er wird durch das bzw. die zugesetzten
anorganischen Bindemittel nicht nennenswert beeinträchtigt, die hydraulisch und
chemisch abbindend wirken. Soweit mehrere Bindemittel eingesetzt werden, können
diese sich auch untereinander in der Wirkung beim Abbindeprozeß, d. h.
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beim Erstarren des Materials, ergänzen.
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Als anorganische Bindemittel werden vorzugsweise Calciumaluminat und/oder
Alkalisilikat eingesetzt. Besonders gute Ergebnisse werden erzielt, wenn diese Bindemittel
zusammen eingesetzt werden. Es können Calciumaluminate mit 40 - 90 Gew.-% Al 203
und 10 - 60 Gew.-% CaO eingesetzt werden. Vorzugsweise werden Calciumaluminate mit
etwa 30 Gew.-% CaO und etwa 70 Gew.-% Al 203 eingesetzt.
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Als feuerfeste Rohstoffe können z. B. Quarz in allen Modifikationen,
Aluminiumoxyd in allen Modifikationen, Kombinationen von Quarz und Aluminiumoxyd,
Schamotte, Siliciumcarbid, Zirkonoxyd, Zirkonsilikat, Chromerze und sonstiges Feuerfestmaterial
verwendet werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Materials
enthält die flüssige Komponente zusätzlich ein anorganisches Bindemittel, das chemisch
abbinden kann. Vorzugsweise wird als anorganisches Bindemittel Aluminiumphosphat
verwendet, vorzugsweise Monoaluminiumphosphat Al(H2PO4)3.
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Als Säuren können schwache anorganische oder organische Säuren verwendet
werden. Besonders gute Ergebnisse werden mit Phosphorsäuren erzielt. Dies können
Hypophosphorsäure und/oder Orthophosphorsäure, Pyrophosphorsäure und derg.
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sein.
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Als Metalle, die mit Säuren unter Wasserstoffentwicklung reagieren,
können z. B. Aluminium, Calcium, Magnesium, Silicium, Titan, Zirkon, sowie Legierungen
dieser Metalle untereinander oder mit Eisen verwendet werden. Diese Metalle werden
in feinkörniger Form oder staubförmig eingesetzt. Vorzugsweise wird Aluminium und
dessen Legierungen verwendet.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Materials
ist die flüssige Komponente eine wänrige Lösung von Aluminiumphosphat und Phosphorsäure
und die feste Komponente eine Mischung aus Aluminiumpulver, Calciumaluminat, Alkalisilikat
und mindestens einem an sich bekannten feuerfesten Rohstoff. Die flüssige Komponente
enthält vorzugsweise 40 - 50 Gew.-% Aluminiumphosphat und 0,5 - 5 Gew.-% Phosphorsäure,
bezogen auf die flüssige Komponente. Die feste Komponente enthält vorzugsweise 0,5
- 10 Gew.-% Aluminiumpulver, 15 - 45 Cew.- Calciumaluminat, 2 - 12 Gew.-% Alkalisilikat
und die restlichen Gewichtsprozente feuerfeste Rohstoffe.
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Der festen Komponente wird vorzugsweise Graphit bis zu 15 Gew.-% zugesetzt.
Dadurch wird das Gleiten der einzelnen Kornbestandteile beim Blähprozeß erleichtert.
Die mit dem erfindungsgemäßen Material durchgeführten Ausfüllungen weisen eine sehr
gute Wärmewechselbeständigkeit auf. Die Kaltdruckfestigkeit der erstarrten Masse
wird im wesentlichen durch die Porengröne bestimmt. Die Heißdruckfestigkeit wird
durch die Porengröße und durch den Sinter-bzw. Erweichungspunkt der eingesetzten
feuerfesten Rohstoffe bestimmt.
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Wie bereits weiter oben ausgeführt wurde, läßt sich das erfindungsgemäße
Material sehr leicht und einfach verarbeiten.
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Die beiden Komponenten werden zusammengegeben und zu einem Brei verrührt,
dessen Konsistenz von der Menge der zugegebenen flüssigen Komponente abhängt. Der
Brei wird dann entweder in Hohlräume, Fugen, Formen und dergleichen gegossen, die
mit feuerfestem Material vergossen werden sollen. Die Porenbildung und das Abbinden
erfolgt ohne Wärmezufuhr von außen.
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Je nach der Temperatur, die bei der Verarbeitung herrscht, verlaufen
Abbindeprozen und Porenbildung innerhalb weniger Minuten oder in einigen Stunden.
Bei Temperaturen über 100°C erstarrt das Material in einigen Minuten, bei 20°C in
30 bis 40 Minuten. Je yeringer die Temperatur ist, desto später beginnen Porenbildung
und Abbindeprozeß und desto langsamer verläuft beides. Beide weisen in einem breiten
Temperaturbereich ungefähr dieselbe Temperaturabhängigkeit insofern auf, als der
Blähprozen und der Abbindeprozeß zeitlich koordiniert sind.
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Anhand der folgenden Beispiele soll die Erfindung näher erläutert
werden.
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Beispiel 1 Flüssige und feste Komponente werden in einem Gewichtsverhältnis
von 27,1 % zu 72,9 % eingesetzt.
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Die flüssige Komponente enthält 48,5 Gew.-°/O Monoaluminiumphosphat
und 2,45 Gew.-% Phosphorsäuren und kann zuvor aus den einzelnen Bestandteilen hergestellt
werden.
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Die feste Komponente enthält: 18 Gew.-% Quarzmehl 18 Gew.-% Quarzsand
15 Gew.-% Calciumaluminat (Tonerdeschmelzzement 30 Gew.-% CaO, 70 Gew.-% A1203)
6,9 Gew.-% Graphit (52 % C, 25 % SiO2, 17 % Al203 2,5 % Fe2O3, 2,5 % K20 + Na20,
0,5 % MgO) 5 Gew.-% Aluminiummehl 5 Gew.-% Alkalisilikat mit 64 % Si02, 19 % Na20
und 17 % Wasser 5 Gew.-% Glasmehl (# 71 % SiO2, - 15 % Na20, 6,5 % Ca0 und geringe
Mengen an A1203, F203, MgO, K20 und S03).
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Die Gewichtsprozente der festen Komponente beziehen sich auf die gesamte
Mischung, d. h. flüssige und feste Komponent zusammen.
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Dieses Material ergibt eine hohe Blähung. Das Volumenverhältnis nach
der Porenbildung und dem Erstarren des Materials ist ca. l : 4. Das erstarrte poröse
Material hat folgende Eigenschaften:
Dichte g/dm3 550 Kaltdruckfestigkeit
N/mm2 0,77 N/mm2 Porosität % 77 (Porenvolumen) Wärmeleitfähigkeit Watt/m°K 630 820
1100°C (DIN 51 046) 0,378 0,495 0,781 w/m°K Wärmedehnung % bei °C 400 600 1000 11000C
(DIN 51 045) -0,53 -0,52 -1,41 -2,0 Beispiel 2 Das Verhältnis von flüssiger zu fester
Komponente ist dasselbe wie in Beispiel 1. Die flüssige Komponente hat dieselbe
Zusammensetzung wie in Beispiel 1.
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Die feste Komponente enthält: 20,5 Gew.-% Quarzmehl 1 20,5 Gew.-°h
Quarzsand 15 Gew.-% Calciumaluminat (vgl. Beispiel 1) 6,9 Gew.-% Graphit (vgl. Beispiel
1) 5 Gew.-% Aluminiummehl 5 Gew.-% Alkalisilikat (vgl. Beispiel 1) Die Gew.-°S beziehen
sich auf die Mischung aus flüssiger und fester Komponente.
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Dieses Material ergibt eine hohe Blähung. Das Volumenverhältnis nach
der Porenbildung und dem Erstarren des Materials ist ca. 1 : 4. Das erstarrte poröse
Material hat folgende Eigenschaften:
Wärmeleitfähigkeit Watt/m0K
bei 11000C 0,7 Wärmedehnung % bei OC 400 600 1000 11000C -0,15 -0,13 -0,23 -0,3
% Die übrigen Eigenschaften entsprechen etwa denen des Materials von Beispiel 1.
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Beispiel 3 Das Verhältnis von flüssiger zu fester Komponente ist dasselbe
wie in Beispiel 1. Die flüssige Komponente hat dieselbe Zusammensetzung wie in Beispiel
1.
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Die feste Komponente enthält: 18 Gew.-'MO Quarzmehl 18 Gew.-% Quarzsand
16 Gew.-% Calciumaluminat (vgl. Beispiel 1) 6,9 Gew.-% Graphit (vgl. Beispiel 1)
2 Gew.-% Aluminiummehl 5 Gew.-% Alkalisilikat (vgl. Beispiel 1) 5 Gew.-% Glasmehl
(vgl. Beispiel 1) 2 Gew.-% Borax (fein) Die Gew.-% der festen Komponente beziehen
sich auf die Mischung aus flüssiger und fester Komponente.
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Dieses Material ergibt eine sehr geringe Blähung. Das Volumenverhältnis
nach der Porenbildung und dem Erstarren des Materials ist ca. 1 : 2,5. Das erstarrte
poröse Material hat folgende Eigenschaften:
Dichte g/dm3 710 Kaltdruckfestigkeit
N/mm2 36 Porosität % 71 (Porenvolumen) Wärmeleitfähigkeit Watt/m°K 440 630 820 1100
bei °C (DIN 51 046) 0,235 0,367 0,447 1,044 Wärmedehnung f, bei OC 400 600 1000
1100 (DIN 51 045) -C,83 -2,25 -3,95 -6,1 Beispiel 4 Das Verhältnis von flüssiger
zu fester Komponente ist dasselbe wie in Beispiel 1. Die flüssige Komponente hat
dieselbe Zusammensetzung wie in Beispiel 1.
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Die feste Komponente enthält: 20,5 Gew.-fiÓ Quarzmehl 20,5 Gew.-%
Quarzsand, 16 Gew.-% Calciumaluminat (vgl. Beispiel 1) 6,9 Gew.-% Graphit (vgl.
Beispiel 1) 2 Gew. -% Aluminiummehl 5 Gew.-tiÓ Alkalisilikat (vyl. Beispiel 1) 2
Gew.-% Borax Die Gew.-% beziehen sich auf die Mischung aus flüssiger und fester
Komponente.
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Dieses Material ergibt ebenfalls eine sehr geringe Blähung.
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Das Volumenverhältnis nach der Porenbildung und dem Erstarren des
Materials ist ca. 1 : 2,5. Das erstarrte poröse Material hat folgende Eigenschaften:
Wärmeleitfähigkeit
Watt/m K bei 1100°C 0,9 Wärmedehnung % bei °C 1100 1000 600 400 -1 -o,G5 -0,55 -0,24
Die übrigen Eigenschaften entsprechen etwa dehen des Materials von Beispiel 1.
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Beispiel 5 Das Verhältnis von flüssiger zu fester Komponente ist dasselbe
wie in Beispiel 1. Die flüssige Komponente hat dieselbe Zusammensetzung wie in Beispiel
1.
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Die feste Komponente enthält: 17 Gew.-% Quarzmehl 17 Gew.-% Quarzsand
15 Gew.-% Calciumaluminat (vgl. Beispiel 1) 6,9 Gew.-% Graphit (vgl. Beispiel 1)
5 Gew.-% Aluminiummehl 5 Gew.-% Alkalisilikat (vgl. Beispiel 1) 5 Gew.-% Glasmehl
(vgl. Beispiel 1 2 Gew.-% Borax (fein) Die Gel der festen Komponente beziehen sich
auf die Mischung aus flüssiger und fester Komponente.
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Dieses Material ergibt eine geringe Blähung. Die Eigenschaften entsprechen
etwa denen des Materials von Beispiel 3.
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Beispiel 6 Das Verhältnis von flüssiger zu fester Komponente beträgt
26,1 % zu 73,9 %. Die flüssige komponente hat dieselbe Zusammensetzung wie in Beispiel
1.
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Die feste Komponente eiithält: 19,5 Gew.-% Quarzmehl 20,5 Gew. Quarzsand
15,0 Gew.-% Calciumaluminat (vgl. Beispiel 1) 6,9 Gew.-% Graphit (vgl. Beispiel
1) 5 Gew.-% Aluminiummehl 5 Gew.-% Alkalisilikat (vgl. Beispiel 1) 2 Gew.-% Borax
(fein) Die Gew.-% beziehen sich auf die Mischung aus flüssiger und fester Komponente.
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Das Material ergibt eine geringe Blihung. Dic Eigenschaften entsprechen
etwa denen des Materials von Beispiel 4.