DE4242610A1 - Mixt. for high value silicon carbide prods. - comprises silicon carbide, dextrin soln., alumina, corundum, amorphous silicic acid and refractory binding clay - Google Patents
Mixt. for high value silicon carbide prods. - comprises silicon carbide, dextrin soln., alumina, corundum, amorphous silicic acid and refractory binding clayInfo
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Abstract
Description
Gegenstand der Erfindung ist ein Gemenge für mullitgebundene SiC- Erzeugnisse mit einem Gehalt von 70 bis 75% SiC sowie ein Verfahren zur Herstellung dieser Erzeugnisse mit eine Mullitbildung bewirkenden Bindemitteln auf der Basis von Al2O3 und SiO2. Diese Erzeugnisse werden bevorzugt als dünnwandige Brennhilfsmittel verwendet.The invention relates to a mixture for mullite-bound SiC products containing 70 to 75% SiC and a process for producing these products with a mullite-forming binders based on Al 2 O 3 and SiO 2 . These products are preferably used as thin-walled kiln furniture.
SiC- haltige Erzeugnisse, insbesondere für die Verwendung als
Brennhilfsmittel, lassen sich hinsichtlich ihrer Bindung in
silicatgebundene,
mullitgebundene
und nitridgebundene oder rekristallisierte SiC- Erzeugnisse
einteilen.SiC-containing products, in particular for use as kiln furniture, can be described in terms of their binding in
to silicate,
mullitgebundene
and nitride-bonded or recrystallized SiC products.
Daraus resultieren bei unterschiedlichen Bedingungen in stofflicher und verfahrenstechnischer Hinsicht verschiedene Güteeigenschaften und Anwendungsgebiete.This results in different conditions in Substantive and procedural different Quality properties and fields of application.
Obwohl nitridgebundene oder rekristallisierte SiC- Erzeugnisse aus dieser Reihe den höchsten Aufwand erfordern und den höchsten Gebrauchswert aufweisen, wird dieser Gebrauchswert, beispielsweise die sehr hohe Heißbiegefestigkeit, in der Praxis unzureichend ausgenutzt. Es ist deshalb die Tendenz zu verzeichnen, den Gebrauchswert der kostengünstigeren mullitgebundenen SiC- Erzeugnisse ständig zu erhöhen. Mullitgebundene SiC- Erzeugnisse werden nach der Art ihrer Mullitbildung unterschieden.Although nitride-bonded or recrystallized SiC products from this series require the highest effort and the have the highest utility value, this use value, For example, the very high hot bending strength in the Practice insufficiently exploited. It is therefore the tendency to record the utility value of the more cost-effective constantly increase mullite-bound SiC products. Mullite-bound SiC products are classified according to the type of their Mullite formation distinguished.
Eine Möglichkeit besteht darin, für die erforderliche Mullitbildung einen dem stöchiometrischen Verhältnis des Mullits entsprechenden Anteil des eingesetzten SiC nach der ReaktionsgleichungOne possibility is for the required Mullite formation a the stoichiometric ratio of Mullits corresponding proportion of SiC used after the reaction equation
SiC + 2 O2 → SiO2 + CO2,SiC + 2 O 2 → SiO 2 + CO 2 ,
zu Kieselsäure oxydieren zu müssen, um nach den Reaktionsgleichungento oxidize to silica, according to the reaction equations
3 Al2O3 + 2 SiO2 → 3 Al2O3·2 SiO2,
2 Al2O3 + SiO2 → 2 Al2O3·SiO2,3 Al 2 O 3 + 2 SiO 2 → 3 Al 2 O 3 · 2 SiO 2 ,
2 Al 2 O 3 + SiO 2 → 2 Al 2 O 3 .SiO 2 ,
die gewünschte und die Bindung erzeugende Mullitbildung zu erzielen. Für diese Mullitbildung sind Brenntemperaturen von weit über 1400°C erforderlich.the desired and binding-producing mullite formation achieve. For this Mullitbildung are firing temperatures of well over 1400 ° C required.
Technische Lösungen für diese Art der Mullitbildung sind in den Patenten DD 2 96 800 und DD 2 99 465 beschrieben. Um den Erzeugnisbrand und damit die Mullitbildung bei möglichst niedrigen Temperaturen durchführen zu können, ist aus dem Patent DD 2 96 800 bekannt, daß als Bindemittel aktivierte und Aluminiumoxid, - oxidhydrat sowie - hydroxid enthaltende Tonerde eingesetzt wird. Diese Phasen zeigen beim Übergang in die Oxidform in Verbindung mit dem durch den Abbrand des SiC entstehenden SiO2 beim Erzeugnisbrand eine hohe Reaktionsbereitschaft bei der Mullitbildung. Die Brenntemperaturen liegen hierbei oberhalb 1400°C.Technical solutions for this type of mullite formation are described in patents DD 2 96 800 and DD 2 99 465. To be able to carry out the product firing and thus the mullite formation at the lowest possible temperatures, it is known from the patent DD 2 96 800 that activated alumina, oxide oxide and hydroxide containing alumina are used as binders. These phases show in the transition to the oxide form in conjunction with the resulting by the burning of SiC SiO 2 in the product fire a high responsiveness to mullite formation. The firing temperatures are above 1400 ° C.
Dagegen wird in dem Patent DD 2 99 465 ein die Mullitbildung bewirkendes Bindemittel in Form einer Suspension beschrieben, dessen Feststoff aus alpha- Al2O3 und/oder deren Hydrate besteht, welcher vorzugsweise eine Korngröße kleiner 20 µm aufweist und trockenmechanisch kleiner 0,5 mm aufbereiteten Bindekaolin enthält. Der Vorteil dieser Lösung besteht darin, daß durch die hohe Aktivität der Suspension und seine ausgezeichnete Verteilungsmöglichkeit eine optimale Reaktion mit dem durch Oxydation des SiC gebildeten SiO2 zu Mullit beim Erzeugnisbrand (PK 148) abläuft.In contrast, patent GB 2 99 465 describes a binder which effects mullite formation in the form of a suspension whose solid consists of alpha-Al 2 O 3 and / or its hydrates, which preferably has a particle size of less than 20 μm and dry mechanical less than 0.5 mm prepared binding kaolin contains. The advantage of this solution is that due to the high activity of the suspension and its excellent distribution possibility, an optimal reaction with the SiO 2 formed by oxidation of the SiC to mullite in the product fire (PK 148) takes place.
Um den Abbrand (Oxydation des SiC zu SiO2) zu minimieren, ist aus dem Patent DD 2 94 931 bekannt, SiO2 in Form von pyrogener Kieselsäure (sogenannter FeSi- Staub) und / oder Kieselsäure oder auch als feinkörniges Si zuzusetzen. Das SiO2 reagiert bei Sintertemperatur (PK 146 bis 156) mit der feingemahlen Tonerde zu Mullit, wobei die feingemahlene Tonerde mit einem alpha- Al2O3- Anteil zwischen 85 und 95% durch den noch verbleibenden Gehalt an Übergangstonerden so reaktiv ist, daß eine gute Mullitausbildung bei Sintertemperatur gewährleistet ist. Das feinkörnige Si wird beim Sintern zu SiO2 oxydiert. Obwohl der Abbrand des SiC nach diesem Verfahren weitgehend vermieden wird, beträgt dieser mindestens 2,7% (Beispiel 5), überwiegend jedoch über 10%.In order to minimize the burnup (oxidation of the SiC to SiO 2 ), it is known from the patent DD 2,949,931 to add SiO 2 in the form of pyrogenic silica (so-called FeSi dust) and / or silicic acid or else as fine-grained Si. The SiO 2 reacts at the sintering temperature (PK 146-156) with the finely ground clay to form mullite, wherein the finely ground alumina having an alpha-Al 2 O 3 - content of between 85 and 95% through the remaining content of transition aluminas is so reactive that a good Mullitausbildung is guaranteed at sintering temperature. The fine-grained Si is oxidized to SiO 2 during sintering. Although the burnup of the SiC is largely avoided by this method, this is at least 2.7% (Example 5), but mostly over 10%.
Weiterhin ist im Patent DD 2 96 268 sowie in dessen Stand der Technik eine Lösung beschrieben, bei der die Mullitbildung ausschließlich durch den Zusatz von Al2O3 und SiO2, also ohne Abbrand des SiC, hervorgerufen wird. Hiernach werden vorher aktivierte Tonerde, amorphes SiO2, geschlämmter Kaolin, organischer Binder und Hexametaphosphat als einzelne Komponenten des Bindemittels in zwei voneinander getrennten Verfahrensstufen (Suspension, bestehend aus Wasser, Dextrin, Hexametaphosphat, aktivierter calcinierter Tonerde, FeSi- Staub, und Trockenbinder, bestehend aus aktivierter calcinierter Tonerde, geschlämmtem Kaolin und feuerfestem Bindeton) in den Gesamtversatz eingebracht. Die im Patent DD 2 96 268 beschriebene Weiterentwicklung des Standes der Technik beinhaltet die Verwendung eines einheitlich zusammengesetzten Bindemittels (Sprühkorn), das sowohl als Suspension als auch als Trockenbinder eingebracht wird. Obwohl der Erzeugnisbrand bei 1300°C bis 1600°C durchgeführt wird, ist nicht auszuschließen, daß bei höheren Temperaturen ein Abbrand stattfindet.Furthermore, a solution is described in the patent DD 2 96 268 and in its prior art, in which the mullite is caused exclusively by the addition of Al 2 O 3 and SiO 2 , ie without burning of the SiC. Hereafter, previously activated alumina, amorphous SiO 2 , slaked kaolin, organic binder and hexametaphosphate are present as individual components of the binder in two separate process steps (suspension consisting of water, dextrin, hexametaphosphate, activated calcined clay, FeSi dust, and dry binder of activated calcined clay, slaked kaolin and refractory binding clay) in the total offset. The prior art advancement described in patent DD 2 96 268 involves the use of a uniformly composed binder (sprayed grain) incorporated as both a suspension and a dry binder. Although the product firing is carried out at 1300 ° C to 1600 ° C, it can not be ruled out that burning occurs at higher temperatures.
Die für die Mullitbildung verantwortlich zeichnenden Bindemittel bestehen bekanntlich aus SiO2 und Al2O3. Diese Stoffe werden, sofern das SiO2 nicht durch Abbrand von SiC erhalten wird, in unterschiedlichen Formen und Modifikationen eingesetzt. Beispielsweise werden hierfür verwendet: (calcinierte) Tonerde, teilweise in aktivierter Form als Oxid, Oxidhydrat, Hydroxid, (geschlämmter) Kaolin, Ton (Bindeton), Kieselsäure (FeSi- Staub, Kieselsol). Neben diesen Hauptbestandteilen werden den Bindemitteln weitere Zusätze zugegeben, die die Funktion als Dispergier-, Mahl oder Aktivierhilfsmittel erfüllen. Die bisher bekannten Bindemittel unterscheiden sich auch hinsichtlich ihrer Vorbehandlung sowie ihrer Einbringung in den Versatz.The binders responsible for mullite formation are known to consist of SiO 2 and Al 2 O 3 . These materials are, unless the SiO 2 is obtained by burning of SiC, used in various forms and modifications. For example: (calcined) alumina, partially in activated form as oxide, hydrated oxide, hydroxide, (leached) kaolin, clay (binder clay), silicic acid (FeSi dust, silica sol). In addition to these main constituents, further additives are added to the binders which fulfill their function as dispersing, grinding or activating auxiliaries. The binders known hitherto also differ with regard to their pretreatment and their introduction into the offset.
Es wurde bereits erwähnt, daß Bindemittel ausschließlich auf der Basis von Al2O3 einer trocken- oder naßmechanischen Aktivierung bzw. Feinmahlung, die ebenfalls eine teilweise Aktivierung bewirkt, unterzogen werden. Das Bindemittel wird anschließend als Suspension und/oder Sprühkorn eingesetzt. Diese Verfahrensweise findet auch bei Bindemitteln Anwendung, die zusätzlich SiO2 enthalten. Entweder wird das SiO2 bereits in einer aktivierten Form eingesetzt oder es wird ebenfalls einer Aktivierung unterzogen.It has already been mentioned that binders based exclusively on Al 2 O 3 are subjected to dry or wet mechanical activation or fine grinding, which likewise effects partial activation. The binder is then used as a suspension and / or spray grain. This procedure also applies to binders which additionally contain SiO 2 . Either the SiO 2 is already used in an activated form or it is also subjected to activation.
All diesen Verfahren haften die Nachteile an, daß kosten-, zeit- und energieaufwendige Prozesse zur Herstellung der Bindemittel erforderlich sind.All these methods adhere to the disadvantages that cost, Time and energy consuming processes for the production of Binders are required.
Das zum Einsatz kommende SiC wird als Körnungsgemisch, überwiegend mit einem definierten Kornspektrum, eingesetzt. Auch ist aus dem Patent DD 2 96 800 bekannt, dem Körnungsgemisch vor dem Zusatz des Bindemittels Wasser und Sulfitablauge zuzusetzen. Dieser Zusatz ist erforderlich, um die für das unplastische Pressen erforderliche Feuchte und Klebekraft zu erhalten. Der sich der Formgebung anschließende Erzeugnisbrand wird entscheidend von der Art und vom Umfang der Mullitbildung bestimmt. Eine überwiegend oxydative Atmosphäre und hohe Brenntemperaturen bewirken einen Abbrand des eingesetzten SiC.The SiC used is used as a mixture of granules, predominantly with a defined grain spectrum used. Also known from the patent DD 2 96 800, the grain mixture before the addition of the binder water and sulfite waste liquor add. This addition is required in order for the non-plastic presses required moisture and adhesive strength too receive. The product firing subsequent to the shaping becomes crucial on the type and extent of mullite formation certainly. A predominantly oxidative atmosphere and high Firing temperatures cause burnup of the SiC used.
Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, einerseits hochwertige SiC- Erzeugnisse, insbesondere dünnwandige Erzeugnisse, mit einem hohen Mullitgehalt und geringster Glasphase und damit als Folge mit einer hohen Trockenbiegefestigkeit und Heißbiegefestigkeit herzustellen und andererseits kosten-, zeit- und energieaufwendige Prozesse bei der Herstellung derartiger Erzeugnisse zu vermeiden. Auch sollen trockenmechanische Mahl und Aktivierungsprozesse, die zu einer hohen Staubbelästigung führen, ausgeschaltet werden.The invention is based on the problem, on the one hand high quality SiC products, especially thin-walled ones Products with a high mullite content and lowest Glass phase and thus as a result with a high Dry flexural strength and hot bending strength and on the other cost, time and energy consuming Processes in the manufacture of such products avoid. Also dry mechanical meal and Activation processes leading to high dust pollution lead, be turned off.
Erfindungsgemäß wird das Problem durch die im Kennzeichenteil der Patentansprüche offenbarten Mittel gelöst.According to the invention, the problem is solved by the in the characterizing part the claims disclosed disclosed means.
Für die erfolgreiche Realisierung der Erfindung ist die konsequente Einhaltung der stofflichen und verfahrenstechnischen Bedingungen von entscheidender Bedeutung. Geringfügige Abweichungen verursachen eine sprunghafte Verschlechterung der positiven Wirkungen der erfindungsgemäßen Lösung.For the successful realization of the invention is the Consistent compliance with the material and procedural conditions of more crucial Meaning. Minor deviations cause one sudden deterioration of the positive effects of solution according to the invention.
Beispielsweise wird im Patent DD 2 96 800 beschrieben, dem SiC- Körnungsgemisch unmittelbar Wasser und Sulfitablauge zuzusetzen. Auch andere Varianten werden beschrieben. Gemäß erfindungsgemäßer Lösung ist jedoch in Kombination mit den anderen Bedingungen der ausschließliche Zusatz der wäßrigen Dextrinlösung zum SiC- Korn möglich. Andere Varianten im Sinne des Patentes DD 2 96 800 sind bei der erfindungsgemäßen Lösung nicht möglich, da dadurch die positiven Wirkungen nicht erreicht werden.For example, patent DD 2 96 800 describes SiC mixture directly water and sulfite waste liquor add. Other variants are described. According to inventive solution, however, in combination with the other conditions the exclusive addition of the aqueous Dextrin solution to SiC grain possible. Other variants in the Meaning of the patent DD 2 96 800 are in the inventive Solution is not possible, as it does not have the positive effects be achieved.
Auch mußte durch die Erfindung der Widerspruch überwunden werden, daß zur Erreichung eines hohen Mullitgehaltes der Zusatz von Bindeton, der zur speziell die Heißbiegefestigkeit reduzierenden Glasphasenbildung führt, so gering wie möglich ist. Ein geringer Gehalt an Bindeton bringt aber wiederum als Nachteil eine geringe Grün- und Trockenbiegefestigkeit, so daß als Folge davon ein hohe Kosten verursachender Bruchanfall entsteht bzw. die Herstellung dünnwandiger Erzeugnisse nicht möglich ist. Auch ist es für einen Fachmann äußerst überraschend, daß der Zusatz des trockenen, feinen Bindetones kleiner 0,5 mm in geringen Anteilen am Schluß des Versatzes zu einer ausreichenden Durchmischung - ohne aufwendige Mischprozesse - führt und eine ausgezeichnete "Klebekraft" besitzt.Also had to be overcome by the invention of the contradiction be that to achieve a high Mullitgehaltes the Addition of Bindeton, especially for the hot bending strength reducing glass phase formation results as low as possible is. But a low content of binding clay brings again as a disadvantage, a small green and Dry bending strength, so that as a result of a high Cost-causing breakage arises or the Production of thin-walled products is not possible. Also, it is extremely surprising for a person skilled in the art that the Addition of dry, fine binding clay less than 0.5 mm in small shares at the end of the offsetting sufficient mixing - without complex mixing processes - leads and has an excellent "adhesive power".
Um den wesentlichen Fortschritt durch diese Erfindung zu belegen, soll nachfolgend ein Vergleich der Erzeugnisparameter gegenüber den durch den Stand der Technik repräsentierten Erzeugnissen dargestellt werden: To the substantial progress of this invention prove a comparison of the product parameters compared to those represented by the prior art Products are shown:
Bei mehrmaligem Einsatz, beispielsweise in einem Porzellan- Schnellbrandofen, ist eine weitere Verbesserung der Erzeugnisparameter zu verzeichnen, die auf den Fortgang der Mullitisierung zurückzuführen ist. Werte nach ca. 50 Einsätzen:For repeated use, for example in a porcelain Quick firing furnace, is another improvement of Product parameters, which are based on the progress of the Mullitization is due. Values after approx. 50 uses:
Es konnte weiterhin festgestellt werden, daß die Verwendung von Sprühkorn nach Patent DD 2 96 268 mit einer einhergehenden Verbesserung der Rieselfähigkeit die Herstellung geringster Scherbenstärken der Preßlinge nicht erleichtert. Vielmehr ist hierfür die durch das erfindungsgemäße Verfahren erreichte hohe Grün- und Trockenbiegefestigkeit (5-6 MPa verantwortlich.It was also found that the use of spray grain according to patent DD 2 96 268 with an associated Improvement of the flowability the production of the least Shards of the compacts are not relieved. Rather, this is due to the process of the invention achieved high green and dry flexural strength (5-6 MPa responsible.
Das Ergebnis beweist damit eindeutig, daß bei einer Zugabe von nur 3% Bindeton ein maximaler Anteil Mullit bei geringster Glasphase entsteht und zusammen mit einer hohen TBF eine hohe HBF erreicht wird, die den bisher bekannten Verfahren und Versätzen überlegen ist.The result clearly proves that when adding only 3% of binding clay a maximum amount of mullite at the lowest Glass phase arises and together with a high TBF a high HBF is achieved, the previously known methods and Is superior to offsets.
Die Erfindung soll nachstehend in 3 Beispielen näher erläutert werden.The invention will be described in more detail in 3 examples be explained.
Die Herstellung der Erzeugnisse erfolgt in einem 3-stufigen Prozeß. In der 1. Stufe erfolgt die Mischung der SiC- Körnung mit der Dextrinlösung in einem Eirichmischer. In einem separaten Prozeß im Wirbelmischer erfolgt die Herstellung des Trockenbinders aus Tonerde, Edelkorund und SiO2. Dieser Trockenbinder wird in einer 2. Stufe der feuchten SiC- Körnung zugegeben und erneut gemischt. Abschließend erfolgt in der 3. Stufe die Zugabe des trockenen Bindetones, wobei nach erfolgter Durchmischung ein preßfähiges Gemenge entsteht. Das unplastische Gemenge wird mit einem Preßdruck von 70 MPa verpreßt und nach der Trocknung bei 1380°C mit einer Haltezeit von 6 Stunden in einer oxydierenden Atmosphäre gebrannt.The production of the products takes place in a 3-stage process. In the 1st stage, the mixture of the SiC grain with the dextrin solution is mixed in an Eirich mixer. In a separate process in a vortex mixer, the preparation of the dry binder of alumina, aluminum oxide and SiO 2 . This dry binder is added in a second stage of wet SiC grain and mixed again. Finally, in the third stage, the addition of the dry Bindetones, wherein after mixing a compressible mixture is formed. The unplastic mixture is pressed with a pressure of 70 MPa and fired after drying at 1380 ° C with a holding time of 6 hours in an oxidizing atmosphere.
Die erreichten Erzeugnisparameter sind in der obigen Tabelle dargestellt.The achieved product parameters are in the table above shown.
Claims (2)
- - 70 bis 75% SiC mit einer Körnung kleiner 4 mm
- - 3,5 bis 4,5% (bezogen auf das Trockengemisch) einer 20 bis 25%igen wäßrigen Dextrinlösung
- - einem Trockenbinder, bestehend aus
- - 13,5 bis 16% Tonerde mit einer Körnung kleiner 0,05 mm
- - 5,5 bis 7% Edelkorund mit einer Körnung kleiner 0,25 mm
- - 3,5 bis 4% amorpher Kieselsaure mit einer Körnung kleiner 0,05 mm
- - 2,5 bis 3% feuerfestem Bindeton mit einer Körnung
kleiner 0,5 mm
besteht.
- - 70 to 75% SiC with a grain size of less than 4 mm
- - 3.5 to 4.5% (based on the dry mixture) of a 20 to 25% aqueous dextrin solution
- - a dry binder consisting of
- - 13.5 to 16% clay with a grain size of less than 0.05 mm
- - 5.5 to 7% corundum with a grain size of less than 0.25 mm
- - 3.5 to 4% amorphous silicic acid with a grain size of less than 0.05 mm
- 2.5 to 3% refractory binding clay with a grain size of less than 0.5 mm
consists.
- - 70 bis 75% SiC mit einer Körnung kleiner 4 mm werden zunächst mit 3,5 bis 4,5% (bezogen auf das Trockengemisch) einer 20 bis 25%igen wäßrigen Dextrinlösung gemischt
- - Zugabe eines Trockenbindergemisches, bestehend aus
- - 13,5 bis 16% Tonerde mit einer Körnung kleiner 0,05 mm
- - 5,5 bis 7% Edelkorund mit einer Körnung kleiner 0,25
- - 3,5 bis 4% amorpher Kieselsäure mit einer Körnung kleiner 0,05 mm, mit anschließender Homogenisierung
- - Untermischung von 2,5 bis 3,5% feuerfestem Bindeton
- - Formgebung des rieselfähigen Gemisches unter einem Preßdruck von größer 70 MPa mit anschließender Trocknung sowie
- - Erzeugnisbrand bei 1380°C mit einer Haltezeit von 6 Stunden in oxydierender Atmosphäre.
- - 70 to 75% SiC with a grain size less than 4 mm are first mixed with 3.5 to 4.5% (based on the dry mixture) of a 20 to 25% aqueous dextrin solution
- - Addition of a dry binder mixture consisting of
- - 13.5 to 16% clay with a grain size of less than 0.05 mm
- - 5.5 to 7% corundum with a grain size of less than 0.25
- - 3.5 to 4% amorphous silica with a grain size of less than 0.05 mm, followed by homogenization
- - Submixing of 2.5 to 3.5% refractory binding clay
- - Forming the free-flowing mixture under a pressure of greater than 70 MPa with subsequent drying and
- - Product firing at 1380 ° C with a holding time of 6 hours in an oxidising atmosphere.
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DE19924242610 DE4242610A1 (en) | 1992-12-14 | 1992-12-14 | Mixt. for high value silicon carbide prods. - comprises silicon carbide, dextrin soln., alumina, corundum, amorphous silicic acid and refractory binding clay |
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