DE4208155A1 - Feuerfeste keramische leichtwerkstoffe und bauteile daraus - Google Patents

Feuerfeste keramische leichtwerkstoffe und bauteile daraus

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Description

Die Erfindung betrifft die Zusammensetzung und Herstellung feuerfester keramischer Werkstoffe aus oxidischen und nicht oxidischen Rohstoffkomponenten im Verbund mit oxidischen hohlkugelartigen Zuschlagstoffen und in weiteren Ausführungsvarianten auch synthetisch hergestellten keramischen Fasern. Werkstoffe entsprechend der Erfindung und Bauteile hieraus zeichnen sich durch extrem hohe Porositäten und entsprechend geringes Eigengewicht aus.
Weitere noch zu beschreibende Eigenschaften prädestinieren derartige Produkte zum Einsatz als Brennhilfsmittel in der feinkeramischen Industrie und anderen Bereichen der Anwendung feuerfester Werkstoffe mit Anforderungen an entweder geringes Gewicht, Thermoschockbeständigkeit, Wärmedämmung oder geringe Wärmekapazität.
Bei dem Einsatz keramischer Bauteile als sogenannte Brenn­ hilfsmittel, werden diese bezüglich Formstabilität bei hohen Temperaturen und insbesondere bei Verwendung in Schnell­ brandöfen auch hinsichtlich Thermoschockbeständigkeit bean­ sprucht. Theoretische Formulierungen letzterer Eigenschaft beinhalten physikalische Parameter wie
Wärmeleitfähigkeit
λ
Biegefestigkeit σ
Wärmedehnung α
Elastizitätsmodul E
in einem Term
Zur Optimierung der Nutzeigenschaften der feuerfesten Brenn­ hilfsmittelwerkstoffe zielten zahlreiche Entwicklungsmaßnah­ men in zurückliegender Zeit stets auf eine Vergrößerung der Parameter und vor allem σ und eine Senkung von α. Eine Verkleinerung der Elastizitätskonstanten E implizierte zu­ meist Festigkeits- und damit Tragfähigkeitsverluste in nicht akzeptierbaren Umfang.
Die vorliegende Erfindung beschreibt nun feuerfeste kerami­ sche Leichtwerkstoffe, welche trotz relativ hoher Wärmedeh­ nung und Porosität die anwendungstechnisch erforderlichen Fe­ stigkeiten bzw. Tragfähigkeiten und Thermoschockbeständigkeit aufweisen und damit die Anforderung an Brennhilfsmittel-Bau­ teile in modernen feinkeramischen Brennaggregaten in techni­ scher wie wirtschaftlicher Hinsicht hervorragend erfüllen.
Dies gelingt durch die besondere Kombination von Rohstoffkom­ ponenten und Fertigungsschritten bei der Herstellung dieser feuerfesten Leichtwerkstoffe mit niedrigem Elastizitätsmodul und einem besonderen Materialgefüge, welches die Entstehung und die Fortsetzung von durch Thermoschockspannungen initiierten Rissen weitgehend behindert.
Ein weiterer Vorzug dieser Werkstoffe ist ihre geringe Raum­ dichte und damit spezifische Wärmekapazität, wodurch die Ge­ wichtsrelation von aufliegendem Brenngut zu Transportmittel und damit die Wärmeenergiebilanz des gesamten Brennaggregates positiv beeinflußt wird.
Eine Steigerung der Langzeitfestigkeit und Temperaturwechsel­ beständigkeit der erfindungsgemäßen Werkstoffe läßt sich für bestimmte Einsatzfälle durch die Zugabe von feuerfesten, syn­ thetisch hergestellten keramischen Fasern erzielen (siehe Beispiel 2).
Bei der Verwendung als geschlossene Brennhilfsmittel, wie z. B. Kapseln, kann der Wärmedurchtritt zum innenliegenden Brenngut durch die Zugabe von hochwärmeleitenden SiC-Anteilen beeinflußt werden (siehe Beispiel 4).
Zur Herstellung der erfindungsgemäßen Leichtwerkstoffe kommen handelsübliche Rohstoffe, wie feuerfeste Tone, reaktive Ton­ erden (Al2O3), amorphe Kieselsäure und Quarzglas, Magnesium­ silikate, Körnungen oder Pulver von Magnesiumoxid, Zirkonoxid und Siliziumcarbid.
Als porosierende Hohlkugeln werden handelslübliche Rohstoffe aus SiO2, Al2O3, Mullit oder Aluminiumsilikatglas in Korngrö­ ßen unter 1 mm ⌀ eingesetzt. Als gefügeverstärkende Elemente werden marktverfügbare feuerfeste keramische Synthesefasern aus Al2O3, Mullit oder mullitnaher Zusammensetzung verwendet.
Die Aufbereitung der Rohstoffe erfolgt angepaßt an das vorge­ sehene Formgebungsverfahren, entweder im Gegenstrom-Zwangsmi­ scher zur Erzeugung eines preßfähigen Granulates oder im Pro­ peller-Rührwerk als wässerige Suspension für keramischen Schlickerguß, Druckguß oder Vakuumformgebung auf Filterunter­ lagen.
Im folgenden werden beispielhaft Rezepturen und Verarbeitung und dabei erzielte Werkstoffeigenschaften beschrieben.
Beispiel 1
Feine Hohlkugeln (30%) wurden mit Tonerde NO 125-10 von VAW (30%), Tonerdehydrat H 65 von ALCOA (10%), Fasern Nr. 50 von GOSSLER (5%), Zirkonmullit von Keith (8%) und Ton 314 von Fuchs gemischt. Diese Rohstoffe wurden in einen Gegen­ strom-Zwangsmischer zusammen mit ca. 16% Wasser unter Zusatz üblicher organischer Bindemittel (Optapix von Zschimmer & Schwarz/Tylose von Benckieser, Ladenburg/Dextrin von Mül­ ler, Coburg) intensiv vermengt.
Preßlinge wurden auf einer hydraulischen Presse bei einem Druck von 400 kp/cm2 gefertigt. Diese Preßlinge hatten im Grünzustand eine Raumdichte von 1,35 g/cm3.
Sie wurden getrocknet und in einem gasbeheizten Ofen bei 1570°C gebrannt.
Die Porosität der gebrannten Formlinge lag bei 57 Vol.%, das Raumgewicht bei 1,2 g/cm3.
Beispiel 2
30% Hohlkugeln wurden wie in Beispiel 1 mit Tonerde (30%), Fasern (15%), Talkum Naintsch A-60 von Goller (10%) und Ton vorgemischt. Daraus wurde unter Zugabe entsprechender Mengen Wasser ein hochviskoser Schlicker unter Rühren mittels eines Propeller-Rührwerkes in einem Behälter hergestellt. Der Schlicker wurde auf einer durchlässigen Textilfilterunterlage bei einem Restdruck von ca. 75 mmbar abfiltriert.
Die so hergestellten Probekörper wurden bei 1480°C in einem gasbeheizten Ofen gebrannt. An den fertigen Prüfkörpern wurde ein Raumgewicht von 1,02 g/cm3 bei Porositäten von ca. 67 Vol.% ermittelt.
Beispiel 3
Ein weiterer Leichtwerkstoff wurde hergestellt aus einer Mi­ schung von 55% Hohlkugeln, 35% Tonerde, 9% Tonerdehydrat und einer Sinterhilfsmittelzugabe von 0,25%, Fe2O3, 0,25% CaCO3 und 0,5% MgCO3. Nach dem Mischen und Verpressen analog Beispiel 1 wurden an den derartig hergestellten Prüfkörpern Porositäten von ca. 65% bei einem Raumgewicht von 0,92 g/cm3 ermittelt.
Beispiel 4
Zur Herstellung eines Leichtwerkstoffes mit verbesserter Wär­ meleitfähigkeit wurden u. a. Mischungen aus Hohlkugeln (40%), Siliziumcarbid von Lonza (40%), Tonerde (10%) und Ton (10%) hergestellt. Dabei kam ein Ton mit einem höheren Eiseno­ xidgehalt zur Anwendung als Glasbildner und Oxidationsschutz für die Siliziumcarbidanteile im Gefüge des Werkstoffes. Der­ artige Mischungen wurden wie in Beispiel 1 aufbereitet und verpreßt. Der Brand erfolgte im gasbeheizten Tunnelofen bei 1525°C während einer Haltezeit von 8 Stunden auf Maximaltem­ peratur.

Claims (13)

1. Feuerfeste keramische Leichtwerkstoffe mit Porositäten über 20%, dadurch gekennzeichnet, daß die Porosierung des Gefüges hauptsächlich durch statistisch verteilte kugelförmige Poren bestimmt ist.
2. Feuerfeste keramische Leichtwerkstoffe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem bei der Herstellung verwendeten Rohstoffgemisch Hohlkugeln zugefügt werden.
3. Feuerfeste keramische Leichtwerkstoffe nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß in das Materialge­ füge feuerfeste mineralische Fasern eingelagert werden.
4. Feuerfeste keramische Bauteile aus Leichtwerkstoffen gemäß Ansprüchen 1-3 zum Einsatz als Brennhilfsmit­ tel.
5. Feuerfeste keramische Leichtwerkstoffe, dadurch gekenn­ zeichnet, daß sie in ihrer Rohstoffmischung 5-85% mineralische Hohlkugeln enthalten.
6. Feuerfeste keramische Leichtwerkstoffe gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß als pulverförmige oxidi­ sche Bindungskomponenten Al2O3, SiO2, MgO und/oder ZrO2 in reiner Form oder als Minerale wie Ton, Tonerde, Ko­ rund, Quarzglas, amorphe Kieselsäure, Magnesiumsilikate oder Tialit in Mengenanteilen von 5-85% enthalten.
7. Feuerfeste keramische Leichtwerkstoffe gemäß Ansprüchen 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Mineral­ faserzuschlag auf der Basis synthetisch hergestellter oxidischer Fasern aus SiO2, Al2O3, Mullit oder Gemi­ schen hieraus in Mengenanteilen von 0-45% enthalten.
8. Feuerfeste keramische Leichtwerkstoffe gemäß Ansprüchen 5, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß sie SiC-Pul­ veranteile in Mengen von 0-85% enthalten.
9. Feuerfeste keramische Leichtwerkstoffe gemäß Ansprüchen 5-8, dadurch gekennzeichnet, daß als SiC-Anteile Korngemische der handelsüblichen Fraktionen zwischen 240 und 24 Maschen und Fraktionsanteile innerhalb der SiC-Komponente zwischen 5 und 75% enthalten.
10. Feuerfeste keramische Leichtbauteile aus Werkstoffen gemäß Ansprüchen 5-9, dadurch gekennzeichnet, daß sie durch axiales Pressen von Rohstoffmischungsgranulat hergestellt werden.
11. Feuerfeste keramische Leichtbauteile aus Werkstoffen gemäß Ansprüchen 5-9, dadurch gekennzeichnet, daß sie im keramischen Schlickerguß unter Normaldruck, mit ge­ steigerten Druck oder durch Vakuumsaugen hergestellt werden.
12. Feuerfeste keramische Leichtbauteile aus Werkstoffen gemäß Ansprüchen 5-9, dadurch gekennzeichnet, daß sie durch isostatisches Pressen hergestellt werden.
13. Hochporöse keramische Feuerfestwerkstoffe gemäß Ansprü­ chen 1-12.
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