DE3304738C2 - Ebene Isoliermatten und Verfahren zur ihrer Herstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine ebene Isoliermatte aus einem nahtlosen Faserverbund, die aus mindestens zwei auf Stoß aneinanderliegenden ebenen Teilbereichen mit ebenen Kanten- und Oberflächen besteht, von denen der eine Teilbereich eine niedrigere und der andere Teilbereich eine höhere Wärmebeständigkeit aufweist, und ein Verfahren zu ihrer Herstellung. Eine gattungsgemäße Matte ist aus der US-PS 3 220 915 bekannt. Diese beschreibt vorgefertigte Fasermatten, deren Randzone eine höhere Wärmebeständigkeit als die von ihr umschlossene Fläche hat. Diese Matten werden ebenfalls erst mit Hilfe von Nägeln bei ihrer Montage zu einem größeren Verbund zusammengefügt.

Die Isolierung von Hochtemperaturöfen durch keramische Fasern wird nach verschiedenen Verfahren vorgenommen. Bei einem Verfahren werden keramische Fasermatten in ähnlicher Weise wie Tapeten an der Wand angebracht. Es ist bekannt, bei dieser Isolierweise an der kalten Seite des Ofenmantels weniger wärmebeständige Fasern und an der warmen oder heißen Seite eine Schicht aus höher wärmebeständigen Fasern zu verwenden. Dieses System hat den Nachteil, daß es schwer zu installieren ist und die Verwendung zahlreicher Bolzen erfordert, die sorgfältig angebracht werden und selbst wärmebeständig sein müssen. Außerdem leiten die Bolzen Wärme zur kalten Seite und vermindern dadurch die Wirksamkeit der Isolierung.

Es sind auch schon Module aus Keramikfasern 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-Sy­ stem beschrieben. Diese Modul-Systeme können durch Schrauben oder Schweißen der Module an der Ofenwand befestigt werden. Wegen der Leich­ tigkeit der Anbringung, der wirksamen Wärmedämmung und der leichten Auswechselbarkeit beschädigter Module waren diese Systeme recht erfolg­ reich. Das Modul-System mit Randfaserung hatte jedoch den Nachteil, daß nur Keramikfasern einer Faserart in einem Modul verwendet werden konn­ ten. Daher mußten zur Herstellung eines gesamten Moduls kostspielige hochwärmebeständige Keramikfasern verwendet werden, obwohl 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 Fasern 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 Ma­ terial mit guten Festigkeitseigenschaften und guter Wärmebeständigkeit zu erhalten.

Es ist auch schon vorgeschlagen worden, hochwärmebeständige polykristal­ line Fasern in Modulen zu verwenden. Solche Module sind in der Regel etwa 7,5 cm dick und werden auf harte Feuerfeststoffe oder auf Keramik­ faser-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 einer hochwertigen, sorgfäl­ tigen Ausführung abhängig ist.

Auch Module mit dem Verbundaufbau sind bereits vorgeschlagen worden. Diese Module bestehen aus weniger wärmebeständigen Fasern, die das In­ nere eines kissenartigen Blocks bilden. Die Außenschicht des Kissens besteht aus Keramikfasern von hoher Wärmebeständigkeit. Es ist jedoch nicht anzunehmen, daß Isolierstoffe aus polykristallinen Keramikfasern erfolgreich bei solchen Konstruktionen eingesetzt worden sind, da die Festigkeit von Matten 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. Ferner wurde festgestellt, daß Module aus starrem Plattenma­ terial nur schwer spaltfrei anzubringen sind. Module, die aus verschie­ denen Faserarten aufgebaut sind, verursachen bei der Montage hohe Lohn­ kosten und bei der Vereinigung der verschiedenen Elemente des Verbund­ gebildes hohe Materialkosten.

Es besteht daher weiterhin ein Bedürfnis für ein System, bei dem Fasern von sehr hoher Wärmebeständigkeit, aber in nur geringer Menge der hei­ ßen Ofenwand zugewandt sind. Ferner besteht ein Bedürfnis in Form ei­ nes Modulaufbaus oder eines anderen Aufbaus, bei dem die Randfasern des Moduls sich an der heißen Seite befinden und die Fasern der Matte im allgemeinen rechtwinklig zur Wand oder zum Gewölbe des Ofens angeordnet sind. Schließlich besteht auch noch ein Bedürfnis für ein kommerziell anwendbares System zum Isolieren von Öfen mit Betriebstemperaturen an der Ofenwand von 1650°C.

Es stellte sich daher die Aufgabe, die Nachteile bekannter Systeme zur Keramikfaserisolierung zu beheben und eine Hochtemperaturisolierung zu geringeren Kosten zu ermöglichen. Diese Keramikfaserisolierung sollte leicht anzubringen sein, eine hohe Wärmedämmung bei Hochtemperaturöfen ergeben, ein geringes Gewicht haben und auch bei Öfen mit häufigen Tem­ peraturwechseln lange haltbar sein. Ferner waren ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung dieser Isolierung anzugeben.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die in den Ansprüchen angegebenen Merkmale und Maßnahmen gelöst.

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

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer Verbundmatte aus keramischen Fasern gemäß der Erfindung;

Fig. 2 eine Querschnittsansicht eines Keramikfasermoduls, auf­ gebaut aus Verbundfasermatten mit Randfaserung;

Fig. 3 eine Querschnittsansicht eines gefalteten Moduls aus Verbundfasermatten;

Fig. 4 eine perspektivische Ansicht einer Vorrichtung zur dis­ kontinuierlichen Herstellung von Verbundfasermatten;

Fig. 5 eine schematische Darstellung einer Seitenansicht einer Vorrichtung zur kontinuierlichen Herstellung von Verbund­ fasermatten;

Fig. 6 eine perspektivische Ansicht des Mattenformteils einer Vorrichtung zur kontinuierlichen Herstellung von Ver­ bundfasermatten; und

Fig. 7 eine perspektivische Ansicht einer weiteren Vorrichtung zur kontinuierlichen Herstellung von Verbundfasermatten.

Das System gemäß der Erfindung bietet zahlreiche Vorteile gegenüber bekannten keramischen Isoliersystemen. Die Kosten polykristalliner Fa­ sern sind etwa 16mal höher als diejenigen herkömmlicher glasartiger Aluminiumoxid-Siliciumdioxid-Keramikfasern. Die Erfindung eröffnet die Möglichkeit, die Vorteile der hochwärmebeständigen polykristallinen Fasern an der sehr dünnen heißen Seite zu nutzen, wo sie benötigt wer­ den, nicht aber auch in Bereichen niedriger Temperatur. Durch die Verwendung polykristalliner Fasern in Systemen mit Randfaserung wird eine Wärmeübertragung durch Bolzen vermieden. Der Fortfall der Bolzen an der heißen Seite hat ferner den Vorteil, daß Risse durch Tempera­ turwechsel 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 Temperatu­ ren lösen können, werden ebenfalls vermieden. Ferner ermöglicht das System gemäß der Erfindung die Anwendung eines billigen Formgebungsver­ fahrens, bei dem der Einsatz von Fachkräften für die Herstellung der Keramikfasermatten und Module sowie für deren Montage nicht erforder­ lich ist. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß die Erfindung die Verwendung unterschiedlich wärmebeständiger Wärmedämmstoffe je nach den Bedürfnissen des Einzelfalles ermöglicht.

Fig. 1 zeigt eine Keramikfaser-Verbundmatte 3, die aus zwei Teilen aus verschiedenen Keramikfasern besteht. Teil 5 besteht aus einer Kera­ mikfaserart, Teil 7 aus einer anderen. In der Regel besteht der klei­ nere Teil 7 aus einer verhältnismäßig teuren hochwärmebeständigen Kera­ mikfaser. Die Verbindungszone 9 ist nicht eine Naht, sondern ein Be­ reich, in dem die Keramikfasern der Teile 7 und 5 innig miteinander vermengt sind und sich durchdringen.

Fig. 2 veranschaulicht 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 be­ stehen in der Regel 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 ei­ ne Schraub- oder Schweißvorrichtung zwischen die Fasermatten eingeführt wird.

Fig. 3 zeigt ein gefalteten Modul 23 gemäß der Erfindung, das aus ge­ falteten Verbundmatten aufgebaut ist. Jede Matte weist vor dem Falten ein Mittelteil 25 aus hochwärmebständigen Fasern und zwei Randteile 28, 29 aus weniger wärmebeständigen Fasern auf, die nach dem Falten das Mate­ rial an der kalten Seite bilden, während der gefaltete mittlere Teil die warme oder heiße Seite darstellt.

In Fig. 4 ist eine Vorrichtung 31 zur diskontinuierlichen Herstellung der naht losen Faserverbundmatten mit vermengtem Übergangsbereich ge­ mäß der Erfindung dargestellt. Die Vorrichtung 31 besteht im allgemei­ nen aus einem rechteckigen Kasten mit vier vertikalen 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 wei­ teren 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 bezeichne­ ten Schienenpaare eingesetzt werden. Im Unterteil des von den Seiten­ wänden 33, 45, 47 und 49 gebildeten, im allgemeinen rechteckigen Kastens ist ein poröser Boden, z. B. ein Sieb 37, angeordnet. Unterhalb des Sie­ bes 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 Stoff besteht aus einer Suspension oder Aufschlämmung von keramischen Fasern, Bindemit­ teln und Zusätzen, wie Füllstoffen und Farbstoffen. In der Regel wird an das Rohr 39 ein Unterdruck angelegt, um das Entfernen von Wasser aus dem auf dem Sieb befindlichen Stoff zu unterstützen. Beim Gebrauch wird eine Suspension aus hochwärmebeständigen Fasern in die kleine Kam­ mer 57 zwischen Seitenwand 49 und Trennwand 35 eingeleitet. Eine Stoff­ suspension aus einer weniger wärmebeständigen Faser wird in die Kam­ mer 59 zwischen Trennwand 35 und Seitenwand 33 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 Wassersaule, erzeugt. Nach der Aufgabe der Stoff­ suspensionen wird die Trennwand 35 auf eine bestimmte Höhe angehoben, die die gewünschte Vermengung der Fasern im Grenzbereich zur Erzielung eines festen nahtlosen Aufbaues ergibt. Die bestimmte Höhe wird norma­ lerweise durch Versuche ermittelt und hängt von Größen, wie der Visko­ sität des Stoffsystems, der Dicke der herzustellenden Matte und dem angewandten Unterdruck ab. Es wurde festgestellt, daß im allgemeinen ein Abstand von 5 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 beste­ henden Teils der fertigen Matte kann durch Einsetzen der Trennwand in die Schienen 53, 54 oder 51, 52 geändert werden. Ferner kann ein Ver­ bundserzeugnis aus drei Teilen, die jeweils naht los durch vermengte Fa­ sern miteinander verbunden sind, durch Einsetzen einer weiteren (nicht dargestellten) Trennwand in die Schienen 51, 52 und Einfüllen einer an­ deren Stoffsuspension in den Raum zwischen den beiden Trennwänden her­ gestellt werden.

Mit Hilfe des vorstehend beschriebenen Systems können Verbunderzeugnisse aus drei oder mehr Teilen mit einem Mittelteil von anderer Zusammenset­ zung als diejenige der Randteile hergestellt werden. Nach diesem Ver­ fahren können verschiedene Fasern oder Mischungen verschiedener Fasern so angeordnet werden, daß die Fasern mit der höchsten Wärmebeständig­ keit sich an der heißen Seite und weniger wärmebeständige Fasern sich in dem gleichen Gebilde an der kalten Seite befinden. Große Ersparnisse können dadurch erzielt werden, daß nur eine kleine Menge hochwärmebe­ ständiger 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 Keramik­ fasern anstelle eines ganz aus polykristallinen Fasern bestehenden Er­ zeugnisses eine 16fache Ersparnis bringen kann.

Ein anderer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß die Module für spe­ zielle Anwendungsbedingungen zu geringsten Kosten ausgebildet werden können. Bei Kenntnis der Temperatur an der heißen Seite, der das Modul ausgesetzt ist, können die Dicke des Moduls und die Dicke der Schicht aus polykristallinen oder anderen hochwärmebeständigen Fasern festgelegt werden. In einem Falle, in dem auf der heißen Seite eine Temperatur von 1315°C herrscht, könnte ein Modul mit einer Gesamtdicke von etwa 20 cm und einer 7,5 cm dicken heißseitigen Schicht aus 50 Gew.-% polykristal­ liner Aluminiumoxid-Fasern mit einem Al₂O₃/SiO₂-Verhältnis von über 2 : 1 und 50 Gew.-% herkömmlicher glasartiger Aluminiumoxid-Siliciumdioxid- Keramikfasern mit einem Al₂O₃/SiO₂-Verhältnis von etwa 1 sowie einer et­ wa 12,5 cm dicken Schicht an der kalten Seite aus gebräuchlichen wärme­ beständigen glasartigen Aluminiumoxid-Siliciumdioxid-Keramikfasern ver­ wendet werden. In einem Falle, in dem die Temperatur an der heißen Seite 1600°C beträgt, könnte eine warmseitige Schicht von 12 cm Dicke aus 60 Gew.-% polykristallinen Aluminiumoxid-Fasern und 40 Gew.-% glasarti­ gen Aluminiumoxid-Siliciumdioxid-Fasern vorgesehen werden. Die kalte Seite könnte dann aus einer 18 bis 21 cm dicken Schicht aus gebräuchli­ chen glasartigen Aluminiumoxid-Siliciumdioxid-Fasern bestehen. Bei je­ dem der vorstehend beschriebenen Module hätte die kalte Seite eine Tem­ peratur von etwa 120°C. 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.

Fig. 5 veranschaulicht eine Vorrichtung zur kontinuierlichen Herstel­ lung 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 Langsieb­ maschine 63 ist mit Stützwalzen 75 ausgerüstet, zwischen denen Wasser abfließen kann, nachdem die Stoffsuspensionen auf das Sieb 64 auf gege­ ben 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 Masse trocknet und das Nieder­ temperatur-Bindemittel aushärtet. Nach dem Trocknen wird das Material durch Schneidvorrichtungen 69 in Matten der gewünschten Größe geschnit­ ten, die dann von einem Förderer 71 zur Verpackung oder Weiterverarbei­ tung 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 der Erfindung, daß auch andere Papiermaschinen, wie Rundsiebmaschinen, Vertikalsiebmaschinen und Zylinder eingesetzt werden können. Erfindungswesentlich ist, daß zwei verschiedene und getrennte Fasersuspensionen unmittelbar vor dem Entwässerungsteil einer Papier­ maschine oder anderen Vorrichtung zur Herstellung von Matten oder ähn­ lichen Flächengebilden aus Fasermaterial zusammengebracht werden.

Fig. 6 ist eine detaillierte Darstellung eines Stoffauflaufkastens 61 und des Langsiebes 64 für die Herstellung nahtloser Verbundmatten mit einer Verbindungszone aus vermengten Fasern. Der Stoffauflaufkasten 61 ist im allgemeinen in zwei Kammern 81, 83 eingeteilt, die durch eine Trennwand 85 getrennt sind. Die Stoffsuspensionen fließen aus (nicht dargestellten) Misch- und Vorratsbehältern durch die Rohre 87, 89 in den Stoffauflaufkasten. In der Regel besteht das Material, das auf der Seite 81 einläuft, aus hochwärmebeständigen 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 Seite 83 zu. Die dem Kasten zugeführten Stoffsuspensionen lau­ fen unter einem Wehr 91 durch, steigen über eine Schwelle und fließen über ein Aufgabeblech oder eine Rampe auf das Sieb 64 der Langsiebmaschi­ ne. Wie ersichtlich, vereinigen sich die beiden Stoffströme an der Stel­ le 93. Die Tiefe der Vermischungszone 93 vor dem Überlauf über die Schwelle und dem Ablauf über die geneigte Rampe kann zur Erzielung einer guten Festigkeit der Verbindungszone und Verringerung von Verlusten an teuren hochwärmebeständigen Fasern verändert werden.

Fig. 7 zeigt einen Stoffauflaufkasten 101 von anderer Konstruktion. Mit dieser Konstruktion kann der Aufbau der fertigen Matten in größerem Aus­ maß geändert werden, da die Trennwände in einem größeren Bereich ver­ stellbar sind. Bei dem Stoffauflaufkasten 101 kann der eigentliche Ka­ sten 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 ein­ setzbare 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 Einläufen zur Aufgabe von Fasersuspensionen in die Auflaufzone hinter dem Unterteiler 108 ausgerüstet. Es sind dies die Einläufe 127, 129, 131 und 135. Seitenteile 137 und 139 regulieren den Materialfluß über die Schräge 141 nach dem Überlauf über die Schwelle 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 Materials.

Als glasartige Keramikfasern und polykristalline Keramikfasern können bei dem Verfahren alle Fasern oder Kombinationen von Fasern verwendet werden, die die erforderliche Wärmebeständigkeit haben. Unter Wärmebe­ ständigkeit 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 einefertige Verbundmatte mit der gewünschten Gebrauchstemperatur ergibt. Zu den Fasern, die bei der Er­ findung verwendet werden können, gehören polykristalline Fasern mit Ge­ brauchstemperaturen bis 1650°C, Mineralwolle mit Gebrauchstemperaturen bis 800°C, keramische Basaltfasern mit Gebrauchstemperaturen bis 1100°C, Glasfasern mit Gebrauchstemperaturen bis 540 oder 650°C sowie wärmebe­ ständige Polymerfasern, wie Polyimidfasern. Die polykristallinen Fasern werden in der Regel nach keramochemischen Verfahren aus Solen hergestellt und umfassen sehr reine polykristalline Aluminiumoxid-, polykristalline Aluminiumoxid-Siliciumdioxid oder polykristalline Zirkondioxid-Fasern, wie sie in den US-Patentschriften 4 277 269 und 4 159 205 beschrieben sind. Glasartige Aluminiumoxid-Siliciumdioxid-Fasern können bei Tempera­ turen bis 1315°C verwendet werden. Ein bevorzugter Aufbau besteht aus einer Mischung Al₂O₃-reicher polykristalliner Fasern und glasartiger Aluminiumoxid-Siliciumdioxid-Fasern an der warmen Seite und 100% glas­ artiger Keramikfasern aus etwa 50% Al₂O₃ und 50% SiO₂ an der kalten Sei­ te. Eine vorteilhafte Mischung aus polykristallinen und glasartigen Keramikfasern besteht aus 50 Gew.-% hochwärmebeständiger Al₂O₃-reicher polykristalliner Faser und 50 Gew.-% der glasartigen 50/50-Al₂O₃/SiO₂- Faser mit sehr hoher Wärmebeständigkeit bei Temperaturen bis 1480°C sowie guter Festigkeit und Verschleißbeständigkeit. Eine Matte mit ei­ ner etwa 7,5 cm dicken Schicht aus diesem Material an der heißen Seite und einer 18 cm dicken Schicht aus glasartiger Aluminiumoxid-Silicium­ dioxid-Faser widersteht an der heißen Seite Temperaturen bis 1480°C und ergibt an der kalten Seite eine Temperatur von unter 120°C.

Keramikfasererzeugnisse werden in der Regel mit Hilfe von Bindemitteln hergestellt, die mindestens bei niedrigen Temperaturen Festigkeit gewähr­ leisten. Jedes Bindemittel, das eine zufriedenstellende Festigkeit beim Einbau in den Ofen ergibt, ist geeignet. Beispiele typischer Bindemittel sind warmaushärtende Kunstharze, wie Phenolharze, Melaminharze, Harn­ stoffharze, und feuerfeste Bindemittel, wie kolloidale Kieselsäure und Tonerde. Ein vorteilhaftes Bindemittel ist thermoplastischer Latex, da dieses Material sich in wäßrigen Systemen leicht bilden läßt und dem Material vor dem Erhitzen eine gute Festigkeit verleiht. Im allgemeinen empfiehlt es sich, das gleiche Bindemittelsystem für das Material der warmen und der kalten Seite zu verwenden, da dies normalerweise zu ei­ ner festeren Verbindung führt; es können jedoch auch verschiedene Bin­ demittel verwendet werden, wenn die Festigkeit zufriedenstellend ist.

Die polykristallinen Fasern können mit den 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 sie sich durch geringe Schrumpfung, hohe Wärmebeständigkeit und gute Festigkeit auszeichnen. Eine Erhöhung des Gehaltes an polykristallinen 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-Siliciumdioxid-Fasern ist die maxi­ mal zulässige Betriebstemperatur 1200°C. Die Gesamtdicke der Isolierung eines gegebenen Ofens hängt von den wirtschaftlichen Faktoren des Ein­ zelfalles ab. Es darf jedoch angenommen werden, daß ein bevorzugtes Mo­ dul eine Gesamtdicke von 20 bis 30 cm hat und auf der warmen Seite bis 1425°C 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-Siliciumdioxid-Keramikfasern aus der kalten Seite.

Die Isolierung gemäß der Erfindung kann in verschiedenen 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 be­ festigen, 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 hohen Wärmedämmwert und ermög­ licht eine Kompression für eine spätere Expansion, wenn bei der Betriebs­ temperatur eine gewisse Schrumpfung eintritt. Diese Puffer- oder Elasti­ zitätseigenschaft der Faser ist wichtig, da alle keramischen Fasern bei der Betriebstemperatur etwas schrumpfen; die Elastizität und die Kom­ pression 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 Übergangs­ zone mit innig vermengten Fasern von 0,6 bis 1,3 cm Breite für die Her­ stellung eines Gebildes, bei dem die nahtlose Verbindungszone eine Festigkeit von etwa 80% des Teils aus hochwarmfesten oder weniger warm­ festen Fasern mit der geringeren Festigkeit hat, zufriedenstellend. Der Bereich, in dem die beiden Teile aneinandergrenzen, hat eine Festigkeit von mindestens 50% der Festigkeit des Teils der hochwärmebeständigen oder weniger wärmebeständigen Fasern mit der geringeren Festigkeit.

Die Dicke der einzelnen Verbundmatten kann dem jeweiligen Verwendungs­ zweck angepaßt werden. Zur leichteren Herstellung nach Naßverfahren und zur leichten Verarbeitung nach herkömmlichen Verfahren dürfte eine Dicke von etwa 2,5 cm zweckmäßig sein. Die Gesamtlänge und Dicke der warmsei­ tigen und kaltseitigen Schicht kann dem jeweiligen Verwendungszweck an­ gepaßt werden.

Die Matten können diskontinuierlich oder kontinuierlich hergestellt wer­ den, wie an Hand der Zeichnungen beschrieben. Je nach der Breite der Langsiebmaschine kann das Material mit einer Verbindungszone oder mit mehreren Verbindungszonen hergestellt werden, die später in Einzelstücke zur Herstellung von Modulen geschnitten werden. Beispielsweise könnte der in Fig. 7 dargestellte Stoffauflaufkasten dazu verwendet werden, eine Matte mit einem warmseitigen Teil in der Mitte zwischen den Trenn­ wänden 105 und 107 und kaltseitigem Material an jeder Seite zu formen. Diese Matte könnte entweder zu einem Modul nach Art des in Fig. 3 dargestellten Moduls gefaltet oder in zwei getrennte Matten zur Herstel­ lung eines Moduls nach Fig. 2 geschnitten werden.

Ein neuartiges Merkmal der Erfindung ist darin zu sehen, daß zwei ver­ schiedene Faserstoffe gefärbt werden können, um verschiedene Wärmebestän­ digkeitseigenschaften durch verschiedene Farben zu kennzeichnen. Dies ist sehr wichtig, um bei der Herstellung der Module den warmseitigen Teil richtig auszurichten. Beim Durchlaufen der verschiedenen Verarbei­ tungsstufen kann das Material eine andere Orientierung erhalten, wenn es nicht durch eine Codefarbe gefärbt ist. Ferner sind die mit der Mo­ dulfertigung beschäftigten Arbeitskräfte keine Fachkräfte, und die Farb­ codierung ermöglicht leichte Schulung und Qualitätskontrolle zur Erzie­ lung 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 Her­ stellung im Rahmen der Erfindung. So können die verschiedenen Verbund­ materialien mit Streifen versehen werden, während sie sich im Bildungs- oder 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 Ver­ bunderzeugnisses nach dem Verfahren gemäß der Erfindung. Sofern nicht anders angegegeben, sind alle Teile Gewichtsteile.

Ein Stoff für die warme Seite wurde durch Mischen gleicher Gewicht steile polykristalliner Aluminiumoxid-Fasern und glasartiger Aluminiumoxid- Siliciumdioxid-Fasern aus 50% Al₂O₃ und 50% SiO₂ hergestellt. Die Faser­ mischung wurde in Wasser zu einer Fasersuspension mit 4% Feststoffen aufgeschlämmt. Als Suspendierungshilfsmittel wurde der Aufschlämmung das Natriumsalz einer Alkylnaphthalinsulfonsäure zugesetzt. Der ferti­ gen Suspension wurde eine Latex-Emulsion aus einem thermoplastischen Acrylnitril-Butadien-Copolymerisat in einer Menge von 5% des Trocken­ gewichtes 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, Polyethylen­ imide und Eisen(III)-chlorid.) Die Suspension wurde sodann auf einen Feststoffgehalt von 0,25 bis 0,75% verdünnt und war dann fertig zum Auf­ gießen auf die Formvorrichtung. Die Stoffsuspension für die kalte Seite enthielt die gleichen Bestandteile, außer daß die polykristalline Alu­ miniumoxid-Faser durch glasartige Aluminiumoxid-Siliciumdioxid-Faser ersetzt war und kolloidale Kieselsäure nicht verwendet wurde. Kleine Mengen Tenside und/oder Viskositätsmodifikatoren können zugesetzt wer­ den, um das Entwässerungsverhalten der Stoffsuspensionen einander anzu­ gleichen. Die beiden Stoffsuspensionen für die kalte und warme Seite wurden in die entsprechenden Kammern einer Formvorrichtung nach Art der in Fig. 4 dargestellten Vorrichtung gegossen, während an das Absaugrohr ein Unterdruck von etwa 70 bis 140 mbar angelegt wurde. Die Verbundmatte wurde von dem Sieb abgenommen und enthielt etwa 50% Feststoffe. Sie wurde in einem Heißlufttrockner mit Zwangsumlauf getrocknet. Bei dem Trocknungsvorgang wurde sie 1 Minute bis 5 Minuten auf 150°C erhitzt, um den Latex zu polymerisieren. (Falls ein Phenolharz-Bindemittel ver­ wendet wird, ist ein Erhitzen auf mindestens 190°C 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 × 30 cm erhalten wurde, wobei die 20-cm-Abmessung sich parallel zur Verbindungszone der beiden Teile erstreckt. Es wurde festgestellt, daß die einzelnen Matten in der naht losen Verbindungszone mit vermengten Fasern eine Festigkeit von mindestens 80% der Festigkeit der anderen Teile hatten.

Vorstehend wurde eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung be­ schrieben, doch versteht es sich, doch versteht es sich, daß die Erfin­ dung auch in anderer Weise ausgeführt werden kann. Beispielsweise könn­ ten Kombinationen glasartiger Aluminiumoxid-Siliciumdioxid-Keramikfa­ sern an der warmen Seite und Mineralwolle an der kalten verwendet wer­ den. Ferner könnte statt der Heißlufttrocknung eine dielektrische oder Infrarottrocknung angewendet werden. Statt der beschriebenen zweiteili­ gen Module könnten solche mit Teilen aus drei oder mehr verschiedenen Fasern verwendet werden.

Die Vorrichtung kann auch zur Ausführung anderer Faserformprozesse, beispielsweise zur Herstellung von Tapeten oder Pa­ pier, verwendet werden. Bei diesen Erzeugnissen kann ebenfalls ein Be­ dürfnis für einen einheitlichen Artikel mit unterschiedlichen Festig­ keits-, Flammwidrigkeits- oder Isoliereigenschaften bestehen. Die vor­ stehend beschriebene Vorrichtung ermöglicht die Herstellung solcher Ver­ bunderzeugnisse. 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 wäßri­ gen Stoffsuspension beschrieben worden, doch versteht es sich, daß auch Trockenverfahren, bei denen gleichzeitig Fasern aus zwei oder mehr Luft­ strömen auf einer durchlässigen Unterlage abgeschieden werden, im Rah­ men der Erfindung liegen. Beim Abscheiden der Fasern aus Luft strömen wäre ein Absaugen von Wasser nicht erforderlich.

Claims (14)

1. Ebene Isoliermatte aus einem nahtlosen Faserverbund, die aus mindestens zwei auf Stoß aneinander­ liegenden ebenen Teilbereichen mit ebenen Kanten- und Oberflächen besteht, von denen der eine Teilbereich eine niedrigere und der andere Teilbereich eine höhere Wärmebeständigkeit aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kantenfläche des weniger wärmebeständigen Teilbereiches mit einer Kantenfläche des Teilbereiches mit hoher Wärmebeständigkeit in einer Übergangszone verbunden ist, in der die Fasern mit niedrigerer Wärmebeständigkeit mit den höher wärmebeständigen Fasern vermengt sind.

2. Isoliermatte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilbereiche der Isoliermatte derart angeordnet sind, daß der Teil mit den am höchsten wärmebeständigen Fasern an einem Rand und der Teil mit den am wenigsten wärmebeständigen Fasern am gegenüberliegenden Rand 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 Fasern und glasartiger Aluminiumoxid-Siliciumdioxid-Keramikfasern bestehen.

6. Isoliermatte nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die polykristalline Faser aus Aluminiumdioxid und Siliciumdioxid 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 höher wärmebeständigen und weniger wärmebeständigen Fasern mit der geringeren Festigkeit beträgt.

8. Isoliermatte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Teile (5, 7) aus verschiedenen wärmebeständigen Fasern unterschiedliche 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 Fasern aus Aluminiumoxid-Siliciumdioxid- Keramikfasern besteht.

10. Verfahren zum Herstellen einer Isoliermatte nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Ströme flüssigen Keramikfasermaterials mit unterschiedlicher Wärmebeständigkeit in einer benachbarten Strömung zusammengeführt werden unmittelbar bevor sie gleichzeitig auf eine poröse Lage aufgetragen werden, die auf den benachbart zueinander angeordneten unterschiedlichen Teilen der Isoliermatte aufliegt, und daß anschließend die Feuchtigkeit der Keramikfaserströme durch die poröse Lage hindurch entfernt wird, so daß eine nahtlose Verbundmatte gewonnen wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Strom ein Fasermaterial von geringerer Wärmebeständigkeit und der zweite Strom ein Fasermaterial von höherer Wärmebeständigkeit enthält.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die poröse Unterlage beweglich ist.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß als Fasermaterial von hoher Wärmebeständigkeit polykristalline Fasern und als Fasermaterial von geringerer Wärmebeständigkeit glasartige Aluminiumoxid-Siliciumdioxid- Keramikfasern verwendet werden.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern an den Grenzflächen der beiden Keramikfaserströme miteinander vermischt werden.