DE3934496A1 - Verfahren zur herstellung von erzeugnissen aus filter-schaumkeramik - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf die Technologie der Herstellung von Keramik und insbesondere auf Verfahren zur Herstellung von Erzeugnissen aus hochdurchlässiger feuerbeständiger Schaumkeramik mit der Struktur des dreidimensionalen Gitters.

Das vorliegende Verfahren kann auf verschiedenen Gebieten der Technik, darunter für die Herstellung von wärmebeständigen hocheffektiven Schaumfiltern zum Raffinieren von Bunt- und Schwarzmetallen, Katalysatorträgern, Filtern zur Luftreinigung und von Ausfütterungsmassen eingesetzt werden.

In der metallurgischen Praxis der Beseitigung von nichtmetallischen Einschlüssen fanden die schaumkeramischen Filter, die sich durch eine hohe Effektivität, Wirtschaftlichkeit und Bedienungskomfort auszeichnen, eine umfassende Verbreitung.

Bekannt sind Verfahren zur Herstellung von Schaumkeramik mit dreidimensionaler Gitterstruktur, deren Wesen darin besteht, daß die Ausgangsmasse aus organischem elastischem Schaum mit vorgegebenen Abmessungen vorher zusammengedrückt und in eine Suspension aus Feuerfestmaterial getaucht wird, in der der Schaum seine Form wiederherstellt und eine bestimmte Anzahl keramischer Teilchen aufnimmt. Der Überschuß an keramischem Schlicker wird durch das Zusammendrücken entfernt. Dann wird die Ausgangsmasse getrocknet und gebrannt, wonach sie notwendigenfalls wiederholt mit der Suspension durchtränkt, getrocknet und gebrannt wird.

Diese Verfahren weisen folgende Nachteile auf: keine hohe mechanische Festigkeit von Erzeugnissen, Kompliziertheit der zweimaligen Durchtränkung und erhöhter Stromverbrauch.

Bekannt ist auch ein Verfahren, gemäß dem man schaumkeramische Filter mittels Durchtränkung des organischen Schaums erhält, wobei in die Zusammensetzung der keramischen Suspension von 20 bis 75% eines inerten Füllmittels (Zirkon, Tonerde usw.) sowie von 20 bis 75% eines Bindemittels, das die Temperatur des Brennens herabsetzt, eingeführt werden. Von den Bindemitteln wird Calciumaluminat und Orthophosphorsäure beziehungsweise flüssiges Wasserglas eingesetzt.

Die in diesem Verfahren hergestellten Erzeugnisse weisen jedoch eine ungenügend hohe Festigkeit, Wärmebeständigkeit und chemische Beständigkeit gegenüber der korrodierenden Wirkung von Metallschmelzen auf.

Bekannt sind Verfahren zur Herstellung schaumkeramischer Filter mit einer zufriedenstellenden mechanischen Festigkeit durch wiederholte Durchtränkung gebrannter Erzeugnisse mit Suspensionen, welche die Sole von Aluminium- und Zirkoniumoxiden beziehungsweise ihren Hydroxiden enthalten. Ein solches Verfahren kompliziert und verteuert jedoch die Technologie und bringt keine Erhöhung der Wärmebeständigkeit der Filter.

Bekannt sind Verfahren zur Herstellung von Filterschaumkeramik auf der Grundlage von Tonerde mit einem Bindemittel aus Aluminiumphosphaten mittels Durchtränkung des Polyurethanschaumstoffes mit denselben mit anschließender Trocknung und anschließendem Brennen, bei denen in die Zusammensetzung des Schlickers keramische Fasern zur Erhöhung der mechanischen Festigkeit eingeführt werden.

Diese Verfahren komplizieren jedoch die Technologie und setzen die Durchlässigkeit der Schaumkeramik herab und ermögliches es dadurch nicht, ihre thermische und chemische Beständigkeit wesentlich zu steigern.

Bekannt ist ein Verfahren zur Herstellung schaumkeramischer Filter, das die Zubereitung eines wässerigen thixotropen Schlickers mit einem bestimmten Viskositätsgrad, die Durchtränkung des organischen Schaums mit demselben und die Entfernung des Überschusses an Suspension durch Verpressung des gesättigten Schaums um 50 bis 90% mit anschließender Trocknung und anschließendem Brennen bei einer Temperatur von 1100 bis 1400°C vorsieht. Zur empfohlenen Zusammensetzung der Masse gehören als Grundlage Tonerden und Aluminiumphosphate und als Zusätze tonhaltige Mineralien und Cr₂O₃. In diesem Verfahren werden relativ wirtschaftlich vorteilhafte Rohstoffe eingesetzt, solche wie Tonerde und Phosphate, die es ermöglichen, daraus bei niedrigen Temperaturwerten des Brennens einen billigen schaumkeramischen Stoff herzustellen, der zur Filtration von Buntmetallen geeignet ist.

Dieses Verfahren besitzt jedoch ernsthafte Nachteile, die darin zum Ausdruck kommen, daß die Erzeugnisse eine unzureichend hohe mechanische Festigkeit und eine niedrige Wärmebeständigkeit aufweisen, was ihre Betriebskenndaten wesentlich verschlechtert.

Im Zusammenhang damit, daß ein starkes Temperaturgefälle zur Zerstörung von Filtern führt, wird die Möglichkeit ihrer Verwendung ohne Erwärmung beim Gießen in die Formen sowohl von Bunt- als auch von Schwarzmetallen ausgeschlossen, was die Produktion kompliziert und verteuert sowie dazu zwingt, verschiedene Rezepturen und Technologien für die Herstellung von Filtern für unterschiedliche Anwendungszwecke einzusetzen.

Die Hauptursache, die die Qualität von Korundschaumkeramik mit einem Bindemittel aus Aluminiumphosphaten verschlechtert, besteht darin, daß die letzteren beim Brennen bei einer oberhalb 1100-1200°C liegenden Temperatur sich fast vollständig in die Modifikation von Kristobalit umkristallisieren, was ihre Festigkeit und insbesondere Wärmebeständigkeit des gebrannten Materials negativ beeinflußt. Die Zusätze von tonerdehaltigen Materialien beziehungsweise kolloider Kieselerde verbessern einigermaßen die Phasenzusammensetzung der Schaumkeramik; die Probleme der Verbesserung der Qualität werden jedoch nicht radikal gelöst, weil der mit ihrer Hilfe aufrechterhaltene Anteil an wärmebeständiger Tridymitmodifikation nicht groß ist und oberhalb von 1200 bis 1250°C in die Kristobalitmodifikation übergeht.

Ein weiterer Nachteil der bekannten Zusammensetzungen, die Korund und Aluminiumphosphate enthalten, besteht in dem in ihren vorhandenen Widerspruch, gemäß dem die Schaumfilter, die bei einer unterhalb 1250°C liegenden Temperatur gebrannt werden, eine minimal zufriedenstellende mechanische Festigkeit und Wärmebeständigkeit, aber keine hohe Beständigkeit in Metallschmelzen oberhalb von 1000°C, und die bei einer Temperatur von 1300°C und darüber hinaus gebrannten Filter eine zufriedenstellende chemische Beständigkeit, aber ungenügende Kennziffern der Festigkeit, insbesondere der Wärmebeständigkeit aufweisen, was auf die obenaufgeführten Angaben über die Phasenzusammensetzung solcher Keramik zurückzuführen ist.

Das Ziel der vorliegenden Erfindung besteht in der Beseitung der obengenannten Nachteile.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von Erzeugnissen aus Filterschaumkeramik auf der Grundlage eines Bindemittels aus Aluminiumphosphaten zu entwickeln, deren Zusammensetzung eine erhöhte mechanische und thermische Beständigkeit bewirkt.

Die gestellte Aufgabe wurde dadurch gelöst, daß man im Verfahren zur Herstellung von Erzeugnissen aus Filterschaumkeramik, das die Durchtränkung des Polyurethanschaumstoffes mit dem tonerdehaltigen Schlicker auf der Grundlage eines aluminiumphosphathaltigen Bindemittels, die Trocknung und das Brennen des Halbfabrikats vorsieht, erfindungsgemäß in Abhängigkeit vom Gehalt des Schlickers an Phosphaten in den letzteren von 0,2 bis 5% wasserlöslicher Verbindungen einführt, die mindestens ein im Wassermedium dissoziierendes Kaliumion enthalten, und man das Brennen bei isothermen Haltezeiten von mindestens 5 Minuten bis auf 1400°C führt.

Das erfindungsgemäße Verfahren gibt die Möglichkeit, die mechanische Festigkeit und die Wärmestoßbeständigkeit der Schaumkeramik unter Beibehaltung ihrer chemischen Beständigkeit zu erhöhen.

Das Wesen der Erfindung besteht darin, daß sich die aluminiumphosphathaltigen Bindemittel mit Hilfe eines Mineralisierungsmittels gezielt in die Modifikationen des Tridymits auskristallisieren, der wesentliche Vorteile nach mechanischer Festigkeit und Wärmebeständigkeit im Vergleich zur Kristobalitform besitzt.

Bekannt ist, daß beim Brennen aluminiumphosphathaltiger tonerdereicher Mischungen in der Hauptsache Aluminiumorthophosphate in Modifikationen von Kristobalit, Prydimit, Berlinit und in amorpher Form synthetisiert werden. Bei einer Temperatur des Brennens - in Abhängigkeit von 1100 bis 1200°C gehen alle aufgezählten Formen in den bekannten Zusammensetzungen praktisch vollständig in Phosphokristobalit über, der die geringste mechanische und thermische Beständigkeit aufweist.

An Hand der durchgeführten Untersuchungen wurde festgestellt, daß, wenn man in die Aluminiumphosphatsysteme, die im wässerigen Medium dispergiert sind, ein wasserlösliches Kaliumsalz einführt, weist das Kaliumion nach der Dissoziation des Salzes die entscheidende mineralisierende Wirkung auf die Phasenzusammensetzung des Materials auf, wodurch es möglich wird, Korundkeramik auf der Grundlage eines Aluminiumphosphatbindemittels in Form von Tridymits bei praktisch vollständig fehlender Kristobalitmodifikation herzustellen. Es kommt insbesondere darauf an, daß die erreichte optimale Phasenzusammensetzung bis auf eine Temperatur von 1400°C aufrechterhalten bleibt, was die Möglichkeit gibt, beim Brennen bei diesen Temperaturwerten maximale chemische Beständigkeit der Filter ohne Verlust an Wärmebeständigkeit und Festigkeit durch dieselben zu erreichen, wie es beim Brennen bekannter Zusammensetzung bei einer Temperatur oberhalb von 1200 bis 1250°C der Fall ist.

Zur besseren Erläuterung des Wesens der Erfindung werden nachstehend konkrete Beispiele für ihre Durchführung angeführt.

Beispiel 1

Man bereitet keramischen Schlicker, der 47% Tonerde, 13% Cr₂O₃, 1,5% Bentonit, 2,5% Kaolin und 36% Aluminiumphosphatbindemittel mit einer Konzentration von 50% enthält. Der Schlicker wurde in zwei Teile geteilt; in einen Teil führte man 1%iges Kaliumchlorid ein. Mit den hergestellten Schlickern wurden Ausgangsrohstücke aus offenporigem Polyurethanschaumstoff mit Abmessungen 200×200×50 mm durchtränkt, die dann getrocknet und bei einer Temperatur von 1350°C mit einer Aufheizgeschwindigkeit von 50°C/h und unter Haltezeiten bei einer Temperatur von 250°C innerhalb von 2 Stunden, bei einer Temperatur von 850°C innerhalb von 20 Minuten und bei einer Temperatur von 1300°C innerhalb von 3 Stunden gebrannt wurden. Die Eigenschaften der hergestellten Probestücke sind in der Tabelle 1 angeführt.

Tabelle 1

Fertige schaumkeramische Filter wurden beim Gießen einer Aluminiumlegierung erprobt, die 6% Magnesium ohne Vorerhitzung der Keramik und bei Metallzuführung von unten enthält. Die im neuen Verfahren hergestellten Filter hielten der Erprobung erfolgreich stand, die Filter ohne Zusatz von Kaliumsalzen zerfielen.

Beispiel 2

Ausgangsrohstücke aus elastischem Polyurethanschaumstoff mit gleichem Porendurchmesser und Abmessungen von 100×100×23 mm wurden mit Schlicker folgender Zusammensetzung durchtränkt: Tonerde - 69,8%, Pottasche (K₂CO₃) - 0,2%, Aluminiumchromphosphatbindemittel - in 40%iger Konzentration - 30% und mit dergleichen Zusammensetzung, aber ohne Pottasche. Das Halbfabrikat trocknete man und brannte man bei einer Temperatur von 1400°C bei einer Aufheizgeschwindigkeit von 150°C pro Stunde und bei Haltezeiten in einem Bereich von 250 bis 300°C während 2 Stunden, bei 850 bis 900°C während 45 Minuten und bei 1400°C während 5 Minuten. Die mechanische Druckfestigkeitsgrenze betrug für die Probestücke unter Zusatz von Pottasche von 1,6 bis 2,3 MPa und ohne Zusatz von 0,7 bis 1,1 MPa.

Durch die schaumkeramischen Filter wurden ohne ihre Vorerhitzung je 50 kg Roheisen mit einer Temperatur von 1380°C und feuerbeständigem Stahl mit einer Temperatur von 1500°C durchgelassen. Die Erzeugnisse mit Pottaschezusatz zeigten gute Beständigkeits- und Filtrationsergebnisse, und die Probestücke ohne Zusatz desselben zerfielen.

Beispiel 3

Man bereitete Schlicker folgender Zusammensetzung: 58% Tonerde, 1% Bentonit, 3% Kaolin und 38% Aluminiumborphosphatbindemittel in 45%iger Konzentration. In die Hälfte dieser Masse führte man 5% Kaliumoxalat ein. Aus den hergestellten Mischungen wurden zweischichtige schaumkeramische Filter mit Abmessungen 400×200×50 mm hergestellt. Die Anzahl der Poren je 50 mm Länge betrug in der ersten Schicht 16 und in der zweiten 28. Die Filter wurden bei einer Temperatur von 1300°C und bei Haltezeiten von 250 bis 300°C innerhalb von 5 Stunden, bei 850 bis 900°C innerhalb von 2 Stunden und bei 1300°C innerhalb von 4 Stunden gebrannt.

Die Druckfestigkeitsgrenze der Probestücke mit Zusatz von Kaliumsalz betrug von 1,4 bis 2,0 MPa und ohne Zusatz von 0,7 bis 1,1 MPa. Die Porosität der einen und der anderen Erzeugnisse betrug 87%. Die vergleichende Bewertung der Wärmebeständigkeit wurde wie folgt durchgeführt. Die auf 300°C erhitzten schaumkeramischen Filter wurden in einer Gießanlage eingebaut, wonach man durch dieselben eine Aluminiumlegierung mit einer Temperatur von 750°C durchfließen ließ.

Die in diesem Verfahren hergestellten Erzeugnisse hielten der Erprobung stand, die aus der bekannten Masse zerfielen in der Klebefläche.

Es soll bemerkt werden, daß das erfindungsgemäße Verfahren in den Fällen anwendbar ist, wenn in der Zusammensetzung des Füllmittels neben der Tonerde auch andere feuerfeste Materialien, beispielsweise solche wie Zirkon, Mullit, Zikroniumdioxid, Titandioxid, Kordierit usw., enthalten sind, wenn die Erzeugnisse nach dem Brennen Aluminiumorthophosphat in ihrer Phasenzusammensetzung aufweisen. Die genannten Fälle sind hier auf Grund ihrer Ähnlichkeit ausgelassen.

Die angeführten Beispiele bekräftigen in einem genügenden Maße die Vorteile des neuen Verfahrens im Bereich der Erhöhung der mechanischen und thermischen Beständigkeit. Es soll auch hervorgehoben werden, daß das Brennen der Schaumkeramik bei Temperaturwerten von 1300 bis 1400°C die chemische Beständigkeit der Erzeugnisse erhöht, die nach der Wärmebehandlung bei 1200 bis 1250°C bedeutend niedriger liegt, was die Einsatzgebiete der Filter verringert.

Das vorliegende Verfahren gibt die Möglichkeit, aus billigen Rohstoffarten ohne Komplizierung der Technologie schaumkeramische Filter hoher Qualität mit universellen Verwendungszwecken herzustellen, die sowohl für die Filtration großer Volumina von Buntmetallen und von Sonderlötmitteln als auch für Filtereinsatzstücke beim Gießen von Legierungen in Formen, einschließlich Schwarzmetalle, mit einer Temperatur der Schmelze bis 1500°C geeignet sind.

Ein großer Vorteil stellt auch die erhöhte Wärmebeständigkeit der Schaumkeramik, die es in einer Reihe von Fällen ermöglicht, die Raffination ohne Vorerhitzung der Filter durchzuführen. Ein besonders spürbarer Erfolg in der Qualität wird bei der Herstellung von mehrschichtigen schaumkeramischen Filtern mit unterschiedlichen Abmessungen der Poren in der Höhenrichtung der jeweiligen Erzeugnisse erreicht.

Hierdurch erlaubt es die Anwendung dieses Verfahrens, eine Technologie für die Herstellung von schaumkeramischen Filtern mit verschiedener Zweckbestimmung einzusetzen, was Produktionskosten wesentlich verringert und ihre Effektivität erhöht.

Claims (2)

1. Verfahren zur Herstellung von Erzeugnissen aus Filterschaumkeramik, das

   • - die Durchtränkung des Polyurethanschaumstoffes mit einem tonerdehaltigen Schlicker auf der Grundlage eines Aluminiumphosphatbindemittels,
   • - die Trocknung und
   • - das Brennen des Halbfabrikats
2. vorsieht, dadurch gekennzeichnet, daß man in Abhängigkeit von Gehalt des Schlickers an Phosphaten in den Schlicker

   • - von 0,2 bis 5% wasserlöslicher Verbindungen einführt, die ein im wässerigen Medium dissoziierendes Kalium enthalten, und das Brennen
   • - bei isothermen Haltezeiten von mindestens 5 Minuten bis zu 1400°C durchführt.