DE2717926B2

DE2717926B2 - Feuerfeste Isolierfaser und deren Verwendung

Info

Publication number: DE2717926B2
Application number: DE2717926A
Authority: DE
Inventors: Alwin Bennett Littleton Chen; John Matthew Englewood Pallo
Original assignee: Johns Manville Corp
Current assignee: Morgan Crucible Co PLC
Priority date: 1976-04-23
Filing date: 1977-04-22
Publication date: 1979-08-30
Also published as: GB1541825A; JPS548683B2; DK178977A; AU503972B2; CA1073475A; FR2348899B1; FI60546C; NO771389L; JPS52132168A; DK158895B; NO145467C; FI60546B; DK158895C; FR2348899A1; SE411621B; NO145467B; DE2717926C3; AU2429977A; DE2717926A1; FI771280A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine feuerfeste Isolierfaser gem. dem Oberbegriff von Anspruch 1 sowie auf eine Verwendung der Isolierfaser.

Alumosilicatfasern mit im wesentlichen keinen weiteren Bestandteilen außer Aluminiumoxid und Siliciumdioxid werden seit vielen Jahren sehr häufig für thermische Isolierungen bei Temperaturen bis ungefähr 1260° C verwendet (US-PS 3456914). In ähnlicher Weise sind für thermische Isolierungen bei Temperaturen bis ungefähr 1430° C Alumosilicatfasern mit bestimmten zugesetzten Oxiden, wie etwa Chrom -oxiden verwendet worden (US-PS 3449137). Mit derartigen Zusammensetzungen ist die Faserbildung jedoch nur schwerdurchzuführen»daderTemperatur bereich, in welchem die Schmelze in einem faserbilden· den Zustand bleibt, schmal ist und die Erstarrung schnell vor sich geht. Die Alumosilicatfasern sind deshalb sehr teuer und werden lediglich dort benutzt, wo die Hochtemperaturbereiche ihre Verwendung erfordern.

Am anderen Ende der Temperaturskala, also im Bereich von etwa 425 " C bis 650" C gibt es eine breite Vielfalt von billigen und leicht herzustellenden Fasern. Gewöhnliche Glasfasern sind üblicherweise für einen Temperaturbereich von 425° C bis 540° C geeignet. Mineralwolle (also Schlackenwolle, Steinwolle u. dgl.) kann normalerweise bei Temperaturen bis > hinauf zu 640° C verwendet werden. Die Glasfasern sind hauptsächlich siliciumhaltige Materialien, wohingegen die Mineralwollmaterialien im wesentlichen eine Alumosilicatgehalt aber auch sehr große Beträge an Calciumoxid (gewöhnlich 30 bis 45%) sowie Ma-

i» gnesiumoxid (2 bis 10%) enthalten. Die üblichen Rohmaterialien, wie Schlacke und verschiedene Arten von Gestein, beinhalten auch viele Unreinheiten, die wesentlich ihre maximale Temperaturverwendung begrenzen. Da der hauptsächliche Rohmaterialbe-" > standteil in den Glasfasern Siliciumdioxid ist, ist die Verwendung relativ reiner Materialien für die Glasfasern wirtschaftlich durchführbar. Allerdings können die Mineralwollen wirtschaftlich nicht aus ι einen Bestandteilen, wie etwa Siliciumdioxid, Aluminium-

-'<' dioxid, Magnesiumoxid und Calciumoxid hergestellt werden, sondern müssen vielmehr aus Kostengründen aus billigen Materialien, wie etwa Schlacke, hergestellt werden.

Obgleich beide Enden des Temperaturspektrums

-¹I deshalb durch die Wahl von Isolierfasern abgedeckt sind, gibt es für Temperaturbereiche zwischen den oberen und unteren Enden der Temperaturskala keine zufriedenstellenden und wirtschaftlichen Materialien. Somit müssen Hersteller, deren Temperatur-

jo erfordernisse nach Fasern verlangen, die im Temperaturbereich von 760° C bis 1100° C einsetzbar sind, entweder auf die Verwendung von Fasern verzichten und auf die Verwendung einiger Arten der Blockisolierung übergehen oder aber sie müssen teure Alumo-

n silicatfasera verwenden. Die letztere Wahl ist nicht nur übermäßig teuer, sondern die Fasern selbst werden bei beträchtlich geringeren als ihrenoptimalen Betriebsbedingungen verwendet, da sie tatsächlich nur für einen Einsatz oberhalb 1100° C konzipiert sind.

Die Einsatz- oder Betriebstemperatur der Fasern wird dabei durch drei Parameter bestimmt. Der erste ist die Bedingung, daß die Faser bei der speziellen Temperatur nicht schmilzt oder sintert. Dies ist das Kriterium, welches die Verwendung vieler der Glas-

4> und Mineralwollfasem bei Temperaturen oberhalb 650° C verbietet.

Zweitens, ein aus Fasern hergestellter Filz oder Matte darf bei der Betriebs- oder Einsatztemperatur keine übermäßige Schrumpfung erfahren. »Ubermä-

v) ßige Schrumpfung« ist gewöhnlicherweise definiert als ein Maximum von 3% direkter Schrumpfung bei verlängertem Aussetzen bei Einsatztemperatur (gewöhnlicherweise über 24 Stunden). Das Schrumpfen von als Ofenauskleidungen und ähnlichem verwende-

r, ten Matten oder Decken ist selbstverständlich ein wesentliches Merkmal, denn beim Schrumpfen der Matten oder der Decken entstehen Risse durch welche ein Wärmefluß erfolgen kann, wodurch der Isolierzweck zunichte gemacht wird. Der dritte und letzte

Wi Faktor, der für die maximale Temperaturverwendung verantwortlich zeigt, ist der auftretende Betrag an Entglasung (teilweise oder vollständige Kristallisation). Desto mehr eine Faser entglast ist, desto brüchiger wird sie, wodurch einer der Hauptvorteile der Fa-

hi sern und Fasermatten eliminiert wird, nämlich deren Flexibilität und Nachgiebigkeit. Eine als »870° C-Fa- ser« klassifizierte Faser ist derart definiert, daß sie bei dieser Temperatur weder schmilzt noch sintert und

annehmbare Schrumpfeigenschaften und einen annehmbaren Grad an Entglasung aufweist,"jedoch bei Temperaturen oberhalb 870° C einem oder mehreren der Standardparameter nicht mehr zu genügen beginnt.

Schließlich ist eine Glasfaserzusammensetzung bekannt (DD-PS 71344), welche sich aus einer Gesamtmenge von 70 bis 86 Gew.% SiO₂ und Al₂O₃ sowie einem Anteil von 14 bis 30 Gew.% Dolomit oder Calciumoxid und Magnesiumoxid zusammensetzt. Diese Fasern zeichnen sich in ähnlicher Weise wie es für die oben beschriebenen Fasern Geltung besitzt durch eine hohe Hitzefestigkeit, Zugfestigkeit, Abriebsfestigkeit und chemische Beständigkeit aus, wobei die bekannte Faser für Staubfilter, Leitungsrohre und Lagerbehälter Verwendung finden soll.

Aufgabe der Erfindung ist es nun, eine feuerfeste Isolierfaser zu schaffen, welche einerseits hitzebeständiger als die üblichen bis zu einem Temperaturbereich von etwa 425° C^is650° C eingesetzten Isolierfasern und andererseits wirtschaftlicher als die für hohe Temperaturen verwendeten Alumosilicatfasern sind.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Fasern für eine Verwendung als Wärmeisolierung in Temperaturbereichen von 760° C bis 1100° C, 84 bis 97 Gew.% SiO₂ und Al₂O₃, wobei das Gewichtsverhältnis von SiO₂ zu Al₂O₃ im Bereich von 3:2 bis 1:1 vorliegt, sowie 3 bis 16 Gew.% an dolomitischem Bestandteil aufweist.

Die Erfindung umfaßt also feuerfeste Isolierfasern, welche für Wärmeisolierungen bei Temperaturen von 760° C bis 1100° C geeignet sind. Diese Zusammensetzung der Isolierfaser weist 84 bis 97 Gesamtgewichtsprozent Siliciumdioxid und Aluminiumoxid mit einem Verhältnis von Siliciumdioxid zu Aluminiumoxid im Bereich von 3:2 bis 1:1, vorzugsweise ungefähr 5:4, sowie einen »dolomitischen Bestandteil« in einem Gesamtbetrag von 3 bis 16 Gew.% auf. Der dolomitische Bestandteil umfaßt gebranntes Dolomit oder Calciumoxid und Magnesiumoxid, normalerweise in im wesentlichen gleichen Beträgen. Das Gewichtsverhältnis von Siliciumdioxid und Aluminiumoxid wird durch die thermischen Eigenschaften der Faser und die Produktionsanforderungen bestimmt. Derartige Fasern sind in vorteilhafter Weise in Bulk-, Matten- oder Deckenform als Isolierungen für öfen, Regeneratoren und ähnlichen in hohen Temperaturbereichen eingesetzten Vorrichtungen verwendbar. Insbesondere sind sie für Isolierung von im Automobilbau verwendeten katalytischen Auspuffen außerordentlich vorteilhaft. Bei Siliciumdioxidbestandtei-Ien oberhalb drei Teil* Siliciumdioxid zu zwei Teilen Aluminiumoxid, sind die thermischen Eigenschaften der Fasern nicht zufriedenstellend. Bei Siliciumdioxidbestandteilen von weniger als einem Teil Siliciumdioxid zu einem Teil Aluminiumoxid wird die Produktionsrate übermäßig reduziert.

Die Rohmaterialien dieser Zusammensetzung können irgendein geeignetes Vorkommen von relativ rei-

nem Siliciumdioxid, Aluminiumoxid und Dolomit (oder gesondert Calciumoxid und Magnesiumoxid) sein. Alle diese Materialien sind in einer Vielzahl von Formen im Handel verfügbar. Physikalische Variablen, wie etwa Teilchengröße, können auf der Basis der Kosten, Handhabbarkeit und ähnlichen Betrachtungen ausgewählt werden. Die Reinheit der Rohmaterialien sollte auf einem relativ hohen Stand gehalten werden, so daß nicht mehr als ungefähr 1 bis 2 Ή Unreinheiten in Form von anderen Oxiden, organischen Materialien und ähnlichem in der hergestellten Faser zugegen sind, da das Vorhandensein derartiger Unreinheiten nachteilige Wirkungen für das Temperaturverhalten der Faser hat. Eine Anzahl von Materialien genügender Reinheit sind im Handel verfügbar.

Die Faser wird in üblichen Faserformungsvorrichtungen und unter Verwendung üblicher Verfahren zur Bildung feuerfester Fasern hergestellt. Eine übliche Herstellung erfolgt durch einen elektrisch beheizten Schmelzofen. Die verschiedenen Rohmaterialien werden auf eine für Schmelzmaterialien für feuerfeste Fasern übliche Größe granuliert oder sie können bereits derart granuliert gekauft werden. Die granulierten Rohmaterialien werden miteinander vermischt und dem elektrischen Ofen zugeführt, wo sie über eine elektrische Widerstandsheizung erschmolzen werden. Die Schmelzbildung kinn durch kontinuierliches oder losweises Schmelzen erfolgen, wobei das erstere bevorzugt ist. Das erschmolzene Gemisch der Oxide wird dann den Faserbildungsvorrichtungen zugeführt, wie etwa Spinnvorrichtungen oder Blasvorrichtungen. Zur Faserbildung ist eine große Anzahl von Vorrichtungen und Geräten bekannt, welche im einzelnen hierin nicht beschrieben werden müssen. Die derart gebildeten Fasern besitzen Durchmesser der Größenordnung von 0,5 bis 10 Mikrometer mit einem durchschnittlichen Faserdurchmesser von etwa 3,5 Mikrometer und Längen von 0,5 bis 20 cm. Nach Faserbildung können die Fasern in einem Bulk gesammelt oder in separate Vorrichtungen zur Formung der Fasern in Matten, Decken und ähnlichen Strukturen geleitet werden. Die hierzu üblicherweise eingesetzten Verfahren zur Bildung gleichartiger Gegenstände aus feuerfesten Alumosilicatfasern für hohe Temperaturbereiche sind gleichfalls für die Verwendung bei den vorliegenden Fasern geeignet.

Kennzeichnende Beispiele der erfindungsgemäßen Zusammensetzung sind in der nachfolgenden Tabelle angegeben:

	Probe	B	Bestandteile (Gewichtsprozent)	52	C	D
A	Siliciumdioxid 54	42
Aluminiumdioxid 43	6	50	47
Dolomit 3		40	37
Temperatur-Betriebsgröße	980	10	16
⁰C 1100
870	769

Claims

Patentansprüche:

1. Feuerfeste Isolierfaser, bestehend aus 84 Gew.% und mehr SiO₂ und Al₁O₃, sowie 16 Gew.% und weniger gebranntemDolomit oder CaO und MgO enthaltenden dolomitischen Bestandteils, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern für eine Verwendung als Wärmeisolierung in Temperaturbereichen von 760° Cbis 1100° C, 84 bis 97 Gew.% SiO₂ und Al₂O₃, wobei das Gewichtsverhältnis von SiO, zu Al₂O₃ im Bereich von 3:2 bis 1:1 vorliegt, sowie 3 "bis 16 Gew.% an dolomitischem Bestandteil aufweist.

2. Isolierfaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß SiO₂ und Al₂O₃ in einem Gewichtsverhältnis von ungefähr 5 Teilen SiO₂ zu 4 Teilen Al₂O₃ vorhanden sind.

3. Isolierfaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Faser für eine Verwendung bei einer Temperatur von etwa 1100° C 54 Gew.% SiO₂, 43 Gew.% Al₂O₃ sowie 3 Gew.% gebrannten Dolomit aufweist.

4. Isolierfaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Faser für eine Verwendung bei einer Temperatur von ungefähr 980° C 52 Gew.% SiO₂, 42 Gew.% AI₂O₃ sowie 6 Gew.% gebrannten Dolomit aufweist.

5. Isolierfaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Faser für eine Verwendung bei einer Temperatur von ungefähr 870° C 50 Gew.% SiO₂,40 Gew.% Al₂O₃ sowie 10 Gew.% gebrannten Dolomit aufweist.

6. Isolierfaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Faser für eine Verwendung bei einer Temperatur von ungefähr 760° C 47 Gew.% SiO₂, 37 Gew.% AI₂O₃ sowie 16 Gew.% gebrannten Dolomit aufweist.

7. Verwendung der Faser nach den Ansprüchen 1 bis 6 zur Herstellung von Matten.