DE3304738A1

DE3304738A1 - Nahtlose verbunderzeugnisse aus keramikfasern sowie verfahren und vorrichtung zu ihrer herstellung

Info

Publication number: DE3304738A1
Application number: DE19833304738
Authority: DE
Inventors: John D. 14092 Lewiston N.Y. TenEyck
Original assignee: Kennecott Corp
Current assignee: Kennecott Corp
Priority date: 1982-02-12
Filing date: 1983-02-11
Publication date: 1983-08-25
Anticipated expiration: 2003-02-12
Also published as: GB2114621B; GB2114621A; ZA8365B; CA1198977A; AU565676B2; US4435468A; AU1137383A; DE3304738C2; BR8300561A; GB8303702D0; JPS58156583A

Description

KIiNNKCOT! CORPORATION
Stamford, CT (V. St. A.)

Nahtlost Verbunderzeugnisse aus Keramikfasern sowie Verf; iren und Vorrichtung zu ihrer Herstellung

Die !Erfindung beLrifft Verbunderzeugnisse aus Keramikfasern sowie ein Verfahren und eine Vorrichtung zu ihrer Herstellung. Sie bezieht sich insbesondere auf die Herstellung eines Keramikfasermoduls, dessen warmseitiger Teil am; "iner hochwartneb e stand igen Faser besteht, unter der sich eine Schicht aus einer weniger wärmebeständigen Faser befindet; beide Schichten ind in dem Bereich, in dem sie aneinandergrenzen, nahtlos durch eine innige Vermengung der Fasern miteinander verbunden.

Die Isolierung ν>.·η Hochtemperaturöfen durch keramische Fasern wird nach verschiedenen Verfahren vorgenommen. BoL einem Verfahren werden keramische; Fasermatten in ähnlicher Weise wie Tapeten an der Wand angebracht.

Es i.;t bekannt, bei dieser Isolierweise an der kalten Seite des Ofenmantels weniger wärmebeständige Fasern und an der warmen oder heißen Seite eine Schic¹ t aus höher wärmebeständigen Fasern zu verwenden. Dieses System hat den Nachteil, daß es schwer zu installieren ist und die Verwundung zahln icher Bolzen erfordert, die sorgfältig angebracht werden und selbst w' rmebe.ständig sein müssen. Außerdem leiten die Bolzen Wärme zur kalten Seite und vermindern dadurch die Wirksamkeit der Isolierung.

Es sind auch schon Module aus Kermnikfnsern verwendet worden, die so angebracht wurden, daß die meisten Fasern in den Keramikfasermatten in

Ebenen lagen, die im wesentlichen rechtwinklig zur Wand ausgerichtet waren. In der US-Patentschrift 3 819 468 wird ein derartiges Modul-System beschrieben. Diese Modul-Systeme können durch Schrauben oder -Schweißen der Module an der Ofenwand befestigt werden. Wegen der Leichtigkeit der Anbringung, der wirksamen Wärmedäirmung und der leichten Auswechselbarkeit beschädigter Module waren di'se Systeme recht erfolgreich. Das Modul-System mit Randfaserung hatte jedoch den Nachteil, daß nur Keramikfasern einer Faserart in einem Modi 1 verwendet werden konnten. Daher mußten zur Herstellung eines gesamten Moduls kostspielige hochwärmebeständige Keramikfasern verwendet -'erden, obwoh] die Fasern an der kalten Seite nur Temperaturen ausgesetzt waren, die wesentlich niedriger als die zulässigen höchsten Betriebstemperaturen waren.

Es sind auch schon Fasern von sehr hoher Wärmebeständigkeit entwickelt worden, die durch Lösungsgelieren hergestellt und als polykristalline Keramikfasern bezeichnet werden. Derartige Fas2rn und ihre Herstellung sind in den US-Patentschriften 3 996 145, 3 322 865, 4 277 269 und 4 159 205 beschrieben. Diese Fasern haben Betriebstemperaturen bis zu 1650 °C. Sie sind aber sehr kostspielig, und ihr hoher Preis schränkt ihr Verwendung ein. In der Industrie ist man deshalb dazu übergegangen, die polykristallinen Fasern mit Fasern geringerer Wärmebeständigkeit zu mischen, um auf diese Weise ein gegen hohe Temperaturen beständiges Material mit guten Festigkeitseigenschaften und guter Wärmebeständigkeit zu erhalten.

Es ist auch schon vorgeschlagen worden, hochwärmebeständige polykristalline. Fasern in Modulen zu verwenden. Solche Module sind in der Regel etwa 7,5 cm dick und werden auf harte Feuerfeststoffe oder auf Keramikfaser-Module aufgekittet. Eine derartige Isolierung ist in bezug auf die Faser sehr kostspielig, darüber hinaus auch nicht sehr haltbar, da die Kittverbindung zwischen dem harten Feuerfeststoff und der Faser oder zwischen den beiden Faserarten beim Taktbetrieb des Ofens ihre Festigkeit verliert, die ohnehin ganz von eine; hochwertigen, sorgfältigen Ausführung abhängig ist.

Auch Module mit einem Verbundaufbau sind bereits vorgeschlagen worden. Diese Module bestehen aus weniger wärmebeständigen Fasern, die das ϊίΐ"· nere eines kissena :tigen Blocks bilden. Die Außenschicht des Kissens besteht aus Kerarcikfasern von hoher Wärmebeständigkeit. Es ist jedoch nicht anzunehmen daß Isolierstoffe aus polykristallinen Keramikfasern erfolgreich bei solchen Konstruktionen eingesetzt worden sind, da die Festigkeit von M; tten aus polykristallinen Fasern für eine Verwendung als Oberflächenschicht zu gering ist. Sie zeigen keine ausreichende Festigkeit und Abriebbeständigkeit gegenüber Gegenständen und selbst kräftigen Luftströmen in öfen. Gebilde aus polykristallinen Fasern von ausreichender Festigkeit und Abriebbeständigkeit sind zu starr, um um die Seiten des Kissens gebogen und beim Einbau zusammengepreßt werden zu können. Ferne wurde festgestellt, daß Module aus starrem Plattenmater ill nur schwer spaltfrei anzubringen sind. Module, die aus verschiedenen Faserarten aufgebaut sind, verursachen bei der Montage hohe Lohnkosten und bei d-. r Vereinigung der verschiedenen Elemente des VerbundgebiLdes hohe Materialkosten.

Es besteht daher weiterhin ein Bedürfnis für ein System, bei dem Fasern von sehr hoher Wärmebeständigkeit, aber in nur geringer Menge der heißen Ofenwand zug wandt sind. Ferner besteht ein Bedürfnis in Form eines Modulaufbaus oder eines anderen Aufhaus, bei dem die Randfasern des ModuLs sich an dt- r heißen Seite befinden und die Fasern der Matte im allgemeinen rech winklig zur Wand oder zum Gewölbe des Ofens angeordnet sind. Schließlich besteht auch noch ein Bedürfnis für ein kommerziell anwendbare:! System zum Isolieren von Öfen mit Betriebstemperaturen an der Ofenwand von «650 ⁰C.

Es stellte sich <aher die Aufgabe, die Nachteile bekannter Systeme zur Keramikfaserisol■erung zu beheben und eine Hochtemperaturisolierung zu geringeren Koster zu ermöglichen. Diese Keramikfaserisolierung sollte leicht anzubring. α sein, eine hohe Wärmedämmung bei Hochtemperaturöfen ergeben, ein geringes Gewicht haben und auch bei Öfen mit häufigen Tempera Lurwechseln lange haltbar sein. Ferner waren ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung dieser Isolierung anzugeben.

1 Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe- durch die in den Ansprüchen 1, 1Q und 17 angegebenen Maßnahmen gelöst. Vorteilh;fte Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen aufgeführt.

5 An Hand der Zeichnungen wird die Erfindung nüher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1: eine perspektivische Ansicht einer Verbundmatte aus keramischen Fasern gemäß der Er^rindung;

10 Fig· 2: eine Querschnittsansicht eines Keramikfasermoduls, aufgebaut aus Verbundfasermatten mit Randfaserung;

Fig. 3: eine Querschnittsansicht eines gefalteten Moduls aus Verbundfasermatten;

Fig. 4: eine perspektivische Ansicht einer Vorrichtung zur diskontinuierlichen Herstellung voi Verbundfasermatten;

Fig. 5: eine schematische Darstellung einer Seitenansicht einer 20 Vorrichtung zur kontinuierlichen Herstellung von Verbund-

fasermatten;

Fig. 6: eine perspektivische Ansicht des Mattenformteils einer

Vorrichtung zur kontinuierlicher. Herstellung von Ver-25 bundfasermatten; und

Fig. 7: eine perspektivische Ansicht eir.ar weiteren Vorrichtung zur kontinuierlichen Herstellung von Verbundfasermatten.

30 · Das System gemäß der Erfindung bietet zahlreiche Vorteile gegenüber bekannten keramischen Isoliersystemen· Die Kosten polykristalliner Fasern sind etwa 16mal höher als diejenigen herkömmlicher glasartiger Aluminiumoxid-Siliciumdioxid-Keramikfasern. D: a Erfindung eröffnet die Möglichkeit, die Vorteile der hochwärmebeständigen polykristallinen

35 Fasern an der sehr dünnen heißen Seite zu nutz2n, wo sie benötigt wer-

-ιοί den, nicht aber auch in Bereichen niedrigerer Temperatur. Durch die Verwendung polyki ".stalliner Fasern in Systemen mit Randfaserung wird eine Wärmeübertragung durch Bolzen vermieden. Der Fortfall der Bolzen an der heißen Seite hat ferner von Vorteil, daß Risse durch Temperaturwechsel und Kriechen der Bolzen bei hohen Temperaturen nicht mehr vorkommen. Die Schwierigkeiten beim Leimen und Kitten dünner Schichten polykristalliner Fasern, die sich bei der Einwirkung hoher Temperaturen lösen können;, werden ebenfalls vermieden. Ferner ermöglicht das System gemäß der Erfindung die Anwendung eines billigen Formgebungsvörfahrens, bei dem ier Einsatz von Fachkräften für die Herstellung der Keramikfasermatten und Module sowie für deren Montage nicht erforderlich ist. Kin weiterer Vorteil besteht darin, daß die Erfindung die Verwendung unterschiedlich wärmebeständiger Wärmedämmstoffe je nach den Bedürfnissen d'.s Einzelfalles ermöglicht.

Figur 1 zeigt eil e Keramikfaser-Verbundmatte 3, die aus zwei Teilen aus verschiedenen Keramikfasern besteht. Teil 5 besteht aus einer Keramikfaserart, Tei* 7 aus einer anderen. In der Regel besteht der kleinere Teil 7 aus einer verhältnismäßig teuren hochwännebeständigen Keramikfaser. Die Verbindungszone 9 ist nicht eine Naht, sondern ein Bereich, in dem dip Keramikfasern der Teile 7 und 5 innig miteinander vermengt sind und η ich durchdringen.

Figur 2 veransch; ilicht ein Modul aus einer Anzahl Fasermatten nach Art der Matten 3. Das Modul 13 wird von einer Anzahl Fasermatten gebildet, die mit einer Trägerplatte 11 verbunden sind. Solche Trägerplatten bestehon in der Re{.el aus Streckmetall, an das die Fasern angekittet sind. Das Modul 13 kann in herkömmlicher Weise durch Anschrauben oder Anschweißen mit dem Ofen verbunden werden, wobei in bekannter Weise eina Sc-hraub- oder Schweißvorrifhtung zwischen die Fasermatten eingeführt wird.

Figui 3 zoigt ein gefalteten Modul 23 gemäß der Erfindung, das aus gefalteten Vcrbundn'itten aufgebaut ist. Jede Matte weist vor dem Falten ein Mitte.lte.il 25 aus hochwärmebständigen Fasern und zwei Randteile 28,

aus weniger wärmebeständigen Fasern auf, die ι ach dem Falten das Material an der kalten Seite bilden, während der gefaltete mittlere Teil die warme oder heiße Seite darstellt.

In Figur 4 ist eine Vorrichtung 31 zur diskontinuierlichen Herstellung der nahtlosen Faserverbundmatten mit vermengtem Übergangsbereich gemäß der Erfindung dargestellt. Die Vorrichtung 31 besteht im allgemeinen aus einem rechteckigen Kasten mit vier ve, tikalen Seitenwänden 33, 45, 47 und 49. Sie umfaßt ferner eine Scheide- oder Trennwand 35, die in Schienen 55, 56 verschiebbar ist. Die Scheide- oder Trennwand 35 kann in jeder gewünschten Stellung durch (nicht dargestellte) Keile oder Klammern gehalten werden. Die Seitenwände 45 und 47 sind mit weiteren Schienen versehen, in die die Trennwand 35 eingesetzt werden kann, um die Struktur der Mattenform zu ändern. Ferner können auch weitere (nicht dargestellte) Trennwände in die mit 53. 54 und 51, 52 bezeichneten Schienenpaare eingesetzt werden. Im Unterteil des von den Seitenwänden 33, 45, 47 und 49 gebildeten, im allgetrainen rechteckigen Kastens ist ein poröser Boden, z.B. ein Sieb 37, angeordnet. Unterhalb des Siebes 37 befindet sich ein trichterförmiger Konus 43, in dem Wasser, das aus auf die Vorrichtung aufgegebenem Stoff abläuft, gesammelt und durch ein Rohr 39 mit einem Ventil 41 abgeleitet wird. Der Stof- besteht aus einer Suspension oder Aufschlämmung von keramischen Fasern, Bindemitteln und Zusätzen, wie Füllstoffen und Farbsteffen. In der Regel wird an das Rohr 39 ein Unterdruck angelegt, um da.« Entfernen von Wasser aus dem auf dem Sieb befindlichen Stoff zu unterstützen. Beim Gebrauch wird eine Suspension aus hochwärmebeständigen Fasern in die kleine Kammer 57 zwischen Seitenwand 49 und Trennwand 35 eingeleitet. Eine Stoffsuspension aus einer weniger wärmebeständiger. Faser wird in die Kammer 59 zwischen Trennwand 35 und Seitenwand 35 eingefüllt. Nach dem Öffnen des Ventils 41 wird durch das Rohr 39 ein Unterdruck angelegt. Der Unterdruck wird durch eine nicht dargestellte Vorrichtung, wie eine Vakuumpumpe oder eine Wassersäule, erzeugt. Nc ch der Aufgabe der Stoffsuspensionen wird die Trennwand 35 auf eine bestimmte Höhe angehoben, die die gewünschte Vermengung der Fasern im Grjnzbereich zur Erzielung eines festen nahtlosen Aufbaues ergibt. Die bestimmte Höhe wird norma-

lerweise durch Versuche ermittelt und hängt von Größen, wie der Viskosität des StoffS^-. stems, der Dicke der herzustellenden Matte und dem angewandten Unterdruck ab. Es wurde festgestellt, daß im allgemeinen ein Abstand von .'■ cm zwischen der Unterkante der Trennwand 35 und dem porösen Boden 37 zufriedenstellend ist, wenn eine Matte von etwa 2,5 cm Dicke hergestellt wird. Der Anteil des aus hochwarmfesten Fasern bestehenden Teils der fertigen Matte kann durch Einsetzen der Trennwand in die Schienen 53, 5h oder 51, 52 geändert werden. Ferner kann ein Verbunserzeugnis aus drei Teilen, die jeweils nahtlos durch vermengte Fasern miteinander verbunden sind, durch Einsetzen einer weiteren (nicht dargestellten) Trennwand in die Schienen 51, 52 und Einfüllen einer anderen Stoffsuspersion in den Raum zwischen den beiden Trennwänden hergestellt werden.

Mit Hilfe des vorstehend beschriebenen Systems können Verbunderzeugnisse aus drei oder mehr Teilen mit einem Mittelteil von anderer Zusammensetzung als diejenige der Randteile hergestellt werden. Nach diesem Verfahren können ve? schiedene Fasern oder Mischungen verschiedener Fasern so angeordnet werden, daß die Fasern mit der höchsten Wärmebeständigkeit sich an der heißen Seite und weniger wärmebeständige Fasern sich in dem gleichen (.ebilde an der kalten Seite befinden. Große Ersparnisse können dadurch erzielt werden, daß nur eine kleine Menge hochwärmebeständiger polykristalliner Fasern verwendet wird, die etwa 78 DM/kg kosten, während wärmebeständige Aluminiumoxid-Siliciumdioxid-Fasern von glasartiger Beschaffenheit für weniger als 5 DM/kg erhältlich sind. Beim Ersatz der glasartigen Keramikfasern durch Mineralwolle betragen die !Ersparnisse nur etwa 2,50 DM/kg, während der Einsatz von keramikfasern anstelle eines ganz aus polykristallinen Fasern bestehenden Erzeugnisses eine Sfache Ersparnis bringen kann.

Ein anderer Vorteil der Erfindung bestellt darin, daß die Module für spezielle Anwcndungsbüdingungen zu geringsten Kosten ausgebildet werden könin-n. Ik¹ i Kenntn.s der Temperatur an der heißen Seite, der das Modul ausgesetzt ist, können die Dicke des Moduls und die Dicke der Schicht aus polykristalliaen oder anderen hochwärmebeständigen Fasern festgelegt

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werden. In einem Falle, in dem auf der heißen Seite eine Temperatur von 1315 ⁰C herrscht, könnte ein Modul mit einer G;samtdicke von etwa 20 cm und einer 7,5 cm dicken heißseitigen Schicht ais 50 Gew.-% polykristalliner Aluminiumoxid-Fasern mit einem Al₂O₃/SiO,-Verhältnis von über 2 : 1 und 50 Gew.-% herkömmlicher glasartiger Alumin .umoxid-Siliciumdioxid-Keramikfasern mit einem Al₂O₃/SiO₂-Verhältnis von etwa 1 sowie einer etwa 12,5 cm dicken Schicht an der kalten Seite aus gebräuchlichen wärmebeständigen glasartigen Aluminiumoxid-SiliciumJioxid-Keramikfasern verwendet werden. In einem Falle, in dem die Temperatur an der heißen Seite 'O 1600 ⁰C beträgt, könnte eine warmseitge Schicht von 12 cm Dicke aus 60 Gew.-% polykristallinen Aluminiumoxid-Faser 1 und 40 Gew.-% glasartigen Aluminiumoxid-Siliciumdioxid-Fasern vorgesehen werden. Die kalte Seite könnte dann aus einer 18 bis 21 cm dickea Schicht aus gebräuchlichen glasartigen Aluminiumoxid-Siliciumdioxid-Fasern bestehen. Bei je-'-* dem der vorstehend beschriebenen Module hättt· die kalte Seite eine Temperatur von etwa 120 ⁰C. Wie ersichtlich, gestattet die Möglichkeit, zur Herstellung der heißen Seite nur eine Mindestmenge kostspieliger polykristalliner Fasern beizumischen, die Fertigung aufgabengerechter Module, die den Temperaturerfordernissen des jeweiligen Anwendungsfalles am besten gerecht werden.

Figur 5 veranschaulicht eine Vorrichtung zur kontinuierlichen Herstellung nahtloser Verbundmatten mit einer Verbindungszone aus vermengten Fasern. Bei dem kontinuierlichen Verfahren werden zwei verschiedene Stoffsuspensionen aus Aufgabebehältern 66, 67 getrennten Kammern des Stoffauflaufkastens 61 der Langsiebmaschine 63 zugeführt. Die Langsiebmaschine 63 ist mit Stützwalzen 75 ausgerüstet zwischen denen Wasser abfließen kann, nachdem die Stoffsuspensionen auf das Sieb 64 aufgegeben worden sind. Auf dem Sieb wird der aufgegebene Stoff mindestens teilweise zu einer faserigen Masse verdichtet, während das Sieb über die Saugkästen 79, 77 und 73 läuft. Es versteht sich, daß die jeweilige Langsiebmaschine mit mehr oder weniger Saugkästen und anderen Bauteilen ausgerüstet sein kann, wie sie aus der Papiermaschinentechnik bekannt sind. Von der Langsiebmaschine gelangt die faserige Masse zu einem Trockner 65, in dem ein Heißluftstrom die Mass", trocknet und das Nieder-

tcmperatur-Bindemittel aushärtet. Nach dem Trocknen wird das Material durch Schneidvorrichtungen 69 in Matten der gewünschten Größe geschnitten, die dann voi einem Förderer 71 zur Verpackung oder Weiterverarbeitung zu gewünschten Erzeugnissen, wie Modulen, transportiert werden.

Die Erfindung ist zwar am Beispiel eines Verfahrens erläutert worden, bei dem eine Langsiebmaschine verwendet wird, doch versteht es sich und liegt im Rahmen rer Erfindung, daß auch andere Papiermaschinen, wie Rundsiebmaschinen, Vertikalsiebmaschinen und Zylinder eingesetzt werden können. Ertiindunpswesentlich ist, daß zwei verschiedene und getrennte Fasersuspensionei· unmittelbar vor dem Entwässerungsteil einer Papiermaschine oder anderen Vorrichtung zur Herstellung von Matten oder ähnlichen Flächengebilden aus Fasermaterial zusammengebracht werden.

Figur 6 ist eine detaillierte Darstellung eines Stoffauflaufkastens 61 und des Laugsiebc s 64 für die Herstellung nahtloser Verbundmatten mit einer Verbindungρzone aus vermengten Fasern. Der Stoffauflaufkasten 61 ist im allgemeinen in zwei Kammern 81, 83 eingeteilt, die durch eine Trennwand 85 getiannt sind. Die Stoffsuspensionen fließen aus (nicht dargestellten) Misch- und Vorratsbehälterrn durch die Rohre 87, 89 in den Stoff auf laufkastim. In der Regel besteht, das Material, das auf der Seite 81 einläuft, aus lochwärmebeständigen Fasern, die teurer sind und nur an der warmen oder heißen Seite in kleinen Mengen benötigt werden. Eine Suspension aus weniger wärmebeständigen Fasern läuft durch das Rohr 89 auf der Sri te 83 zu. Die dem Kasten zugeführten Stoffsuspensionen laufen unter ninom Wehr 91 durch, steigen über eine Schwelle und fließen über ein Aufgabel lech oder eine Rampe auf das Sieb 64 der Langsiebmaschine. Wie ersichtlich, vereinigen sich die beiden Stoffströme an der Stelle 9 5. Die» Tiefe der Vermischungszone 9 S vor dem Überlauf über die Schwelle und dem ^blaul über die geneigte Rampe kann zur Erzielung einer guten Festigkeit d-.r Verbindungszone und Verringerung von Verlusten an teuren hochwärmebaständigen Fasern verändert werden.

Figur 7 zeigt einen Stoffauflaufkasten 101 von anderer Konstruktion. Mit dieser Konsrrukti m kann der Aufbau der fertigen Matten in größerem Aus-

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maß geändert werden, da die Trennwände in eimra größeren Bereich verstellbar sind. Bei dem Stoffauflaufkasten 101 kann der eigentliche Kasten 103 mit Hilfe von drei Nuten und bis zu drei Trennwänden in Kammern verschiedener Formen eingeteilt werden. Dargestellt sind zwei Trennwände 105 und 107, die auf einem Unterteiler 108 mit drei Nuten 121. 123, 125 sitzen. Die Trennwände 105 und 107 sind mit verstellbaren Vorrichtungen versehen, die eine Regulierung der Vermischung der Stoffströme an der Stelle ihres Zusammentreffens ermöglichen. Diese Vorrichtungen sind einsetzbare Blöcke 109, 111 und 113 für die Trennwand 105 sowie 115, 117, 119 und 120 für die Trennwand 107. Durch Entfernen und Einsetzen dieser Vorrichtungen kann die Breite der Zone mit vermengten Fasern reguliert werden, um eine gute Festigkeit und einen möglichst geringen Verlust an Fasern in der Verbindungszone zu erzielen. Der Kasten 101 ist mit vier Einlaufen zur Aufgabe von Fasersuspensionen ir die Auflaufzone hinter dem Unterteiler 108 ausgerüstet. Es sind dies die Einlaufe 127, 129, und 135. Seitenteile 137 und 139 regulieren den Materialfluß über die Schräge 141 nach dem Überlauf über die Schwel]2 143. Die Neigung der Schräge 141 und die Höhe der Schwelle 143 können als weitere Mittel zur Regulierung der Mischzone ebenfalls verstellbar sein, desgleichen die Dicke des dem Langsieb 64 zugeführten Materia]s.

Als glasartige Keramikfasern und polykristalline Keramikfasern können bei dem Verfahren alle Fasern oder Kombinatior.an von Fasern verwendet werden, die die erforderliche Wärmebeständigkeit haben. Unter Wärmebeständigkeit ist hier die Beständigkeit bei der Temperatur zu verstehen, der die Fasern im Dauerbetrieb eines Ofens ausgesetzt sind. Eine Faser mit hoher Wärmebeständigkeit ist bei hohen Temperaturen brauchbarer als eine weniger wärmebeständige Faser. Wie vorstehend angegeben, ist jede Kombination von Fasern geeignet, die eine fertige Verbundmatte mit der gewünschten Gebrauchstemperatur ergibt. Zu den Fasern, die bei der Erfindung verwendet werden können, gehören polycristalline Fasern mit Gebrauchstemperaturen bis 1650 ⁰C, Mineralwolle mit Gebrauch.<;temperaturen bis 800 ⁰C, keramische Basaltfasern mit Gebrauchstemperaturen bis 1100 ⁰C, Glasfasern mit Gebrauchstemperaturen bis 540 oder 650 ⁰C sowie wärmebeständige Polymerfasern, wie Polyimidfasern. Me polykristallinen Fasern

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-j werden in der Re{ el nach keramochemischen Verfahren aus Solen hergestellt und umfassen sehr reine polykristalline Aluminiumoxid-, polykf istaüiite Aluminiumoxid-Si" iciumdioxid oder polykristalline Zirkondioxid-Fasern, wie ;.ie in den UL-Patentschriften 4 277 269 und 4 159 205 beschrieben sind. Glasartige Aluminiumoxid-Siliciumdioxid-Fasern können bei Temperaturen bis 1315 Τ verwendet werden. Ein bevorzugter Aufbau besteht aus einer Mischung Al₂O₃-reicher polykristalliner Fasern und glasartiger Aluminiumoxid-Siliciumdioxid-Fasern an der warmen Seite und 100% glasartiger Keramikfi sern aus etwa 50% Al₂O₃ und 50% SiO₂ an der kalten Sei-

TO ^te· !-ine vorteilhafte Mischung aus polykristallinen und glasartigen Keramikfasern beiceht aus 50 Gew.-% hochwärmebeständiger Al₂0₃-reicher polylristalliner Faser und 50 Gew.-% der glasartigen 50/50-Al₂O₃/SiO₂-Faser mit sehr hoher Wärmebeständigkeit bei Temperaturen bis 1480 ⁰G sowie guter Festigkeit und Verschleißbeständigkeit. Eine Matte mit einer etwa 7,5 cm dicken Schicht aus diesem Material an der heißen Seite und liner 18 cm dicken Schicht aus glasartiger Aluminiumoxid-Siliciumdioxid-Faser widersteht an der heißen Seite Temperaturen bis 1480 ⁰C und ergibt an der kalten Seite eine Temperatur von unter 120 ⁰C.

Kerainikfasererzet-gnisse werden in der Regel mit Hilfe von Bindemitteln hergestellt , die mindestens bei niedrigen Temperaturen Festigkeit gewährleisten. Jedes Bindemittel, das eine zufriedenstellende Festigkeit beim Einb.tu in den Ofen ergibt, ist geeignet. Beispiele typischer Bindemittel sind warmaushärtende Kunstharze, wie Phenolharze, Melaminharze, HarnstofLharze, und feuerfeste Bindemittel, wie kolloidale Kieselsäure und Tonerde. Ein vorteilhaftes Bindemittel ist thermoplastischer Latex, da dieses Material pich in wäßrigen Systemen leicht bilden läßt und dem Material vor dem Erhitzen eine gute Festigkeit verleiht. Im allgemeinen ümpfiohlt es sich, das gleiche Bindemittelsystem für das Material der warmen und der kalten Seite zu verwenden, da dies normalerweise zu einer !esteren Verbindung führt; es können jedoch auch verschiedene Bindemittel verwendet werden, wenn die Festigkeit zufriedenstellend ist.

Die polykristallinen Fasern können mit ilen glasartigen Keramikfasern in jedem Verhältnis gemischt werden, das die gewünschte Wärmebeständigkeit

und Verschleißfestigkeit ergibt. Vorteilhaft sind Mischungen, die mehr als 40% polykristalline Fasern enthalten, da :ie sich durch geringe Schrumpfung, hohe Wärmebeständigkeit und gute Festigkeit auszeichnen. Eine Erhöhung des Gehaltes an polykristalline" Fasern vermindert die Schrumpfung und erhöht die Wärmebeständigkeit der Mischung.

Die Außenschicht aus hochwärmebeständige Fasern kann jede Dicke haben, die soviel Isolierung bietet, daß das Material auf der kalten Seite zuverlässig unter der maximal zulässigen Betriebstemperatur bleibt. Im Falle der glasartigen Aluminiumoxid-Siliciumd'oxid-Fasern ist die maximal zulässige Betriebstemperatur 1200 ⁰C. Die Gesamtdicke der Isolierung eines gegebenen Ofens hängt von den wirtschaftlichen Faktoren des Einzelfalles ab. Es darf jedoch angenommen werden, daß ein bevorzugtes Modul eine Gesamtdicke von 20 bis 30 cm hat und auf der warmen Seite bis 1425 ⁰C wärmebeständig ist; dies erfordert eine etwa 7,5 cm dicke Schicht aus einer 50/50-Mischung polykristalliner und herkömmlicher glasartiger Aluminiumoxid-Siliciumdioxid-Fasern auf der warmen Seite sowie eine Schicht aus 100% glasartigen Aluminiumoxid-Si'■ iciumdioxid-Keramikfasern aus der kalten Seite.

Die Isolierung gemäß der Erfindung kann in vei schiedenen Formen zur Hochtemperaturisolierung verwendet werden. Wie vorstehend erwähnt, ist die Anwendung in Form von Moduls, die an einen Untergrund angeschweißt, angeschraubt oder angekittet werden, eine Anwendungsform. Ferner ist es bekannt, Matten aus Keramikfasern zu stapeln und sie durch Stäbe zu befestigen, die durch sie hindurchgehen, oder sie mit L-förmigen Haken zu durchbohren, die an die Ofenwand angeschweißt werden. Jede dieser und anderer Montagemethoden eignet sich für die Anbringung der keramischen Verbundfasermatten gemäß der Erfindung.

Die Faserschicht an der warmen wie an der kalten Seite kann jede Dichte haben, die ausreichende Festigkeit, Wärmedämmung und Biegsamkeit bietet. Es wurde festgestellt, daß eine zufriedenstellende Dichte sich zwischen 0,064 und 0,192 kg/dm³ bewegt. Vorteilhaft ist eine Dichte zwischen 0,096 und 0,128 kg/dm³; sie ergibt einen hoher. Wärmedämmwert und ermög-

licht eine Kompression für eine spätere Expansion, wenn bei der Betriebstemperatur eine gewissen Schrumpfung eintritt. Diese Puffer- oder ElästizitäLseigenschaft der Faser ist wichtig, da alle keramischen Fasern bei der Betriebstempi ratur etwas schrumpfen; die Elastizität und die Kompression beim Einbau ermöglicht es dem Material, sich auszudehnen und eine durch Schrumpfung gebildete Lücke auszufüllen.

Der Grenzbereich zwischen dem warmseitigen und dem kaltseitigen Material oder zwischen verschiedenen Schichten des kaltseitigen Materials ist möglichst schmal zu halten, um Faserverluste zu vermindern, aber die physische Unversehrtheit zu erhalten. Im allgemeinen ist eine Übergangszone mit innig ν rmengten Fasern von 0,6 bis 1,3 cm Breite für die Herstellung eines Gebildes, bei dem die nahtlose Verbindungszone eine Festigkeit von etwa 80% des Teils aus hochwarmfesten oder weniger warmfesten Fasern mi^ der geringeren Festigkeit hat, zufriedenstellend. Der Bereich, in dem dii beiden Teile aneinandergrenzen, hat eine Festigkeit von mindestens 50% der Festigkeit des Teils der hochwärmebeständigen oder weniger war ,ebeständigen Fasern mit der geringeren Festigkeit.

Die Dicke der ei zelnen Verbundmatten kann dem jeweiligen Verwendungszweck, angepaßt werden. Zur leichteren Herstellung nach Naßverfahren und zur leichtem Verarbeitung nach herkömmlichen Verfahren dürfte eine Dicke von etwa 2,5 cm "weckmäßig sein. Die Gesamtlänge und Dicke der warmseitigen und kaltseitigen Schicht kann dem jeweiligen Verwendungszweck angepaßt werden.

Die Matten können diskontinuierlich odi'r kontinuierlich hergestellt werden, wie an Hand der Zeichnungen beschrieben. Je nach der Breite der Langsiebmaschine kann das Material mit einer Verbindungszone oder mit mehreren Vc;rbindungszonen hergestellt werden, die später in Einzelstücke zur Herstellung von Modulen geschnitten werden. Beispielsweise könnte der in Fi^ur 7 dargestellte StoffaufLaufkasten dazu verwendet werden, eine· MuLU- mit einem warmseiligen Teil in der Mitte zwischen den Trennwänden 10'j und VJ und kaltscitigum Material an jeder Seite zu formen.

Diese MaLio könnte entweder zu einem Modeul nach Art des in Figur 3

da;gestelIlen Moduls gefaltet oder in zwei getrennte Matten zur Herstellung eines Moduls nach Figur 2 geschnitten werden.

Ein neuartiges Merkmal der Erfindung ist darin zu sehen, daß zwei verschiedene Faserstoffe gefärbt werden können, u;n verschiedene Wärmebeständigkeitseigenschaften durch verschiedene Färber· zu kennzeichnen. Dies ist sehr wichtig, um bei der Herstellung der Module den warmseitigen Teil richtig auszurichten. Beim Durchlaufen der verschiedenen Verarbeitungsstufen kann das Material eine andere Orientierung erhalten, wenn ^Λ es nicht durch eine Codefarbe gefärbt ist. Ferner sind die mit der Modal fertigung beschäftigten Arbeitskräfte keine Fachkräfte, und die Farb-

odierung ermöglicht leichte Schulung und Qual :.tätskontrolle zur Erzielung gleichbleibender Ergebnisse.

Zwar wird der Farbstoff am besten in die FaserMasse eingearbeitet, so daß die Farbcodierung unter jedem Winkel, beim Schneiden des Materials oder bei einer teilweisen Abdeckung sichtbar ist, doch liegt auch eine Farbcodierung auf andere Weise, besonders bei der kontinuierlichen Herstellung im Rahmen der Erfindung. So können die verschiedenen Verbundmaterialien mit Streifen versehen werden, während sie sich im Bildungsoder Trocknungsstadium befinden, um die Materialien unmittelbar nach der Bildung farbig zu codieren, damit kein Fehler stattfinden kann. Die Kennzeichnung mit Streifen kann durch Aufspritzen oder Aufstreichen des Farbstoffs auf die Faser beim Durchlaufen der Entwässerungs- und/oder Trocknungsstufe vorgenommen werden.

Folgendes Beispiel veranschaulicht die Herstellung eines typischen Verbunderzeugnisses nach dem Verfahren gemäß der Erfindung. Sofern nicht anders angegegeben, sind alle Teile Gewichtsteile.

Ein Stoff für die warme Seite wurde durch Misc ien gleicher Gewichtsteile polykristalliner Aluminiumoxid-Fasern und glasartiger Aluminiumoxid-Siliciumdioxid-Fasern aus 50% Al₂O₃ und 50% SiO₂ hergestellt. Die Fasermischung wurde in Wasser zu einer Fasersuspension mit 4% Feststoffen aufgeschlämmt. Als Suspendierungshilfsmittel wurde der Aufschlämmung

das Natriumsalz iner Alkylnaphthalinsulfonsäure zugesetzt. Der fertigen Suspension wurde eine Latex-Emulsion aus einem thermoplastischen Acrylnitril-Butadien-Copolymerisat in einer Menge von 5% des Trockengewichtes der Fasern sowie kolloidale Kieselsäure in einer Menge von etwa 5% des Trockengewichtes der Fasern beigemischt. Danach wurde der Suspension Alaun zugesetzt. Alaun ist ein Koagulierungsmittel und wurde in einer solchen Menge zugegeben, daß der pH-Wert auf 4,5 bis 5 absank« (Andere brauchbare Koagulierungsmittel sind Polyacrylamide, Polyethylenimide und Eisen(" II)-chlorid.) Die Suspension wurde sodann auf einen Feststoffgehalt \on 0,25 bis 0,75% verdünnt und war dann fertig zürn Aufgießen auf die Formvorrichtung. Die Stoffsuspension für die kalte Seite enthielt die gleichen Bestandteile, außer daß die polykristalline Aluminiumoxid-Faser durch glasartige Aluminiumoxid-Siliciumdioxid-Faser ersetzt war und kolloidale Kieselsäure nicht verwendet wurde. Kleine Mengen Tenside u- d/oder Viskositätsmodifikatoren können zugesetzt werden, um das Entwasserungsverhalten der Stoffsuspensionen einander anzugleichen, nie beiden Stoffsuspensionen für die kalte und warme Seite wurden in die entsprechenden Kammern einer Formvorrichtung nach Art der in Figur 4 dargestellten Vorrichtung gegossen, während an das Absaugrohr ein Unterdruck von etwa 70 bis 140 rabar angelegt wurde. Die Verbundmatte wurde von dem Sieb abgenommen und enthielt etwa 50% Feststoffe. Sie wurde in einem Heißlufttrockner mit Zwangsumlauf getrocknet. Bei dem Trocknungsvorganf wurde sie 1 Minute bis 5 Minuten auf 150 ⁰C erhitzt, um den Latex zu polymerisieren. (Falls ein Phenolharz-Bindemittel verwendet wird, ist ain Erhitzen auf mindestens 190 ⁰C erforderlich, um das Phenolharz auszuhärten.) Das trockene Material enthielt weniger als 5 Gew.-% Wasser. Das Beispiel wurde so oft wiederholt, bis eine Reihe von 2,5 cm dicken Matten der Abmessungen 20 cm χ 30 cm erhalten wurde, wobei die 20-cm-Abmessung sich parallel zur Verbindungszone der beiden Teile erstreckt. Eg wurde festgestellt, daß die einzelnen Matten in der nahtlosen Verbindangszone mit vermengten Fasern eine Festigkeit von mindestens 80% der Festigkeit der anderen Teile hatten.

Vorstehend wurde ,ine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung be— schrieben, doch versteht es sich, doch versteht es sich, daß die Erfin-

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dung auch in anderer Weise ausgeführt werden kann. Beispielsweise könnten Kombinationen glasartiger Aluminiumoxid-Liliciumdioxid-Keramikfasern an der warmen Seite und Mineralwolle an d^r kalten verwendet werden. Ferner könnte statt der Heißlufttrocknung eine dielektrische oder Infrarottrocknung angewendet werden. Statt der beschriebenen zweiteiligen Module könnten solche mit Teilen aus drei jder mehr verschiedenen Fasern verwendet werden.

Die Vorrichtung gemäß der Erfindung kann auch zur Ausführung anderer Faserformprozesse, beispielsweise zur Herstellung von Tapeten oder Papier, verwendet werden. Bei diesen Erzeugnissen kann ebenfalls ein Bedürfnis für einen einheitlichen Artikel mit unterschiedlichen Festigkeits-, Flammwidrigkeits- oder Isoliereigenschaften bestehen. Die vorstehend beschriebene Vorrichtung ermöglicht di -i Herstellung solcher Verbunderzeugnisse. Statt des beschriebenen Stoffauflaufkastens besonderer Konstruktion kann jeder Stoffauflaufkasten mit getrennten Kammern für mindestens zwei Stoffströme verwendet werden, ferner ist die Erfindung am Beispiel der Herstellung eines Verbunderzeugnisses aus einer wäßrigen Stoffsuspension beschrieben worden, doch versteht es sich, daß auch Trockenverfahren, bei denen gleichzeitig Fasern aus zwei oder mehr Luftströmen auf einer durchlässigen Unterlage abgeschieden werden, im Rahmen der Erfindung liegen. Beim Abscheiden der Jasern aus Luftströmen wäre ein Absaugen von Wasser nicht erforderlich.

Claims

*: 330473Ö

COHAUSZ & FLORACK

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Dipl.-Ing. W. COHAUSZ · Oipl -Ing. !■■ KNAUF Dipi inq H B f OHAUSZ Dipl.-Ing. D. H. WERNER

10.02.1983 Ansprüche

1. Isoliermatte aus einem nahtlosen Faserverl md, zusammengesetzt aus mindestens einem Teil, der aus weniger wärmebeständigen Fasern besteht, und mindestens einem zweiten Teil, der aus hochwärmebeständigen Fasern besteht, dadurch gekennzeichnet, daß der Bereich (9), an dem der Teil (5) aus weniger wärmebeständigen Fasern und der Teil (7) aus hochwärmebeständigen Fasern aneinandergrenzen, aus einer Vermengung der weniger wärmebeständigen und -JO der hochwärmebeständigen Fasern besteht.

2. Isoliermatte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Teil mit den am höchsten wärmebeständigen Fasern an einem Rande und der Teil mit den am wenigsten wärmebeständigen Fasern am gegenüberliegenden Rande angeordnet ist.

3. Isoliermatte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Hochtemperaturfasern polykristalline Fasern sind.

4. Isoliermatte nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet , daß die weniger wärmebeständigen Fasern aus glasartigen Aluminiumoxid-Siliciumdioxid-Keramikfasern bestehen,

5. Isoliermatte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die hochwärmebeständigen Fasern aus einem Gemisch polykristalliner keramischer Fasera und glasartiger Aluminiumoxid-Siliciumdioxid-Keramikfasern bestihen.

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6. Isoliermatte nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß die polykristalline Faser aus Aluminiumoxid und Siliciumcioxid in einem Gewichtsverhältnis von mindestens 2 : 1 besteht.

7. Isoliermatte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Bereich (9), an dem die beiden Teile (5, 7) aneinandergrenzen, eine Festigkeit hat, die mindestens 50% der Festigkeit des Teils aus hochwärmebeständigen und weniger wärmebeständigen Fa.sern mit der geringeren Festigkeit beträgt.

8. Isoliormatte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Teile (5, 7) aus verschieden wärmebeständigen Fasern auch verschiedene Farben haben.

9. Isoliermatte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet» daß der Teil aus hochwärmebeständigen Fasern aus einer Mischung polykristalliner Fasern und glasartiger Aluminiumoxid-Siliciumdioxid-Keramikfasern und der Teil aus weniger wärmebeständigen Fa: 2rn aus Aluminiumoxid-Siliciumdioxid-Keramikfasern besteht.

10. Verfahren zum Herstellen einer Isoliermatte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man einen ersten Strom eines Fasermaterials und einen zweiten Strom eines anderen I'asermateria.s zusammen- und danach auf eine poröse Unterlage bringl und anschließend die nahtlose Verbundmatte abnimmt.

11. v/erfahren nach Anspruch 10, dadurch g e k e η η -

zeichnet, daß man Wasser aus den Materialströmen durch die poröse Unter]Age entfernt.

12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet , daß der erste Strom ein Fasermaterini von weniger hoher Wärmebeständigkeit und der zweite Strom ein Fasermaterial von hoher Wärmebeständigkeit enthält.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet , daß man als poröse Unterlage ein laufendes Band verwendet.

14. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet , daß man als Fasermateri.il von hoher Wärmebeständigkeit polykristalline Fasern und als Fasermaterial von weniger hoher Wärmebeständigkeit glasartige Alumin.uraoxid-Siliciumdioxid-Keramikfasern verwendet.

15. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet , daß man die beiden Ströme unmittelbar vor dem Auflaufen auf die poröse Unterlage zusammenbringt.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet , daß die Fasern an den Grenzflächen der beiden Ströme miteinander vermischt werden.

17. Vorrichtung zum Herstellen einer Isoliermatte nach Anspruch 1 nach dem Verfahren des Anspruchs 10, gekennzeichnet durch eine poröse Unterlage (37; 64), eine Einrichtung (57, 59; 61; 101) zum Aufbringen von mindestens zwt;. Fasersuspensionsströmen auf verschiedene Teile der porösen Unterlage (37; 64) und eine Einrichtung (39, 43; 73, 77, 79) zum Absaugen der Suspensionsflüssigkeit durch die poröse Unterlage (37; 64).

18, Vorrichtung nach Anspruch 17, gekennzeichnet durch mindestens eine Trennwand (35; 85, 91; 105, 107, 108) zum Trennen der Ströme bis zu ihrer Vereinigung unmittelbar vor der poroden Unterlage (37; 64).

19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennz ti i c h η t , daß mindestens eine der Trennwände (35; 85, 91; 105, 107, 101) verstellbar ist.

20. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet , daß die poröse Unterlage ein laufendes Band (64) ist.

21. Vorrichtung iiach Anspruch 17, dadurch gekenn-

zeichnet, daß sich die verschiedenen Teile der porösen Unterlage (3i; 64) etwas überlappen.

22. Vorrichtung nach Anspruch 20, gekennzeichnet durch eine geneigte Rampe zur Aufgabe der Fasersuspensionsströme auf die laufende poröse Unterlage (64).

23. Verwendung d >.r Isoliermatte nach Anspruch 1 zur Herstellung eines Keramilcfaserr oduls aus einer Anzahl im wesentlichen planarer Fasermatten, ν ,n denen jede mindestens einen kaltseitigen Teil von ,ierinnerer Wärmebeständigkeit und einen warmseitigen Teil von hoher Wärmebiiständigkeit aufweist.

24. Verwendung der Isoliermatte nach Anspruch 23, wobei die planaren Käserm.itten ..us einer Reihe gefalteter Fasermatten bestehen und die Faltungen sich im warmseitigen Teil befinden.

25. Verwendung d r Isoliermatte nach Anspruch 23 oder 24, wobei die Teile so angeordnet sind, daß sich der wärmebeständige Teil an einer Seite und der weniger wärmebeständige Teil sich an der gegenüberliegenden Seiti· befindet.

26. Verwendung der'lso1iermatte nach Anspruch 23, wobei der kaltseitige Teil au. glasartigen Aluminiumoxid-Siliciumdioxid-Keramikfa-. :;ern besteht.

1 27. Verwendung der Isoliermatte nach Anspruch 25, wobei der Teil mit der hohen Warmebestandigkeit aus einem Gemisch polykristalliner Keramikfasern und glasartiger Aluminiumoxid-Siliciumdioxid-Keramikfasern

besteht. 5

28. Verwendung der Isoliermatte nach Anspruch 27, wobei die polykristallinen Fasern zu mindestens 70 Gew.-% aus Aluminiumoxid bestehen.

29. Verwendung der Isoliermatte nach Anspruch 23, wobei der Bereich,

•O in dem die beiden Teile aneinandergrenzen eine Festigkeit von mindestens 50% der Festigkeit des Teils aus hochwarmfesten oder weniger warmfesten Fasern mit der geringeren Festigkeit hat.

30. Verwendung der Isoliermatte nach Anspruch 13, wobei die Teile ver-15 schiedener Wärmebeständigkeit auch verschiedene Farben haben.