DE4338159A1 - Binder for mullite-bonded SiC-containing products and process for their manufacture - Google Patents
Binder for mullite-bonded SiC-containing products and process for their manufactureInfo
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Abstract
Description
Gegenstand der Erfindung ist ein Bindemittel sowie ein Verfahren zu seiner Herstellung. Dieses Bindemittel findet Verwendung bei der Herstellung mullitgebundener SiC- haltiger Erzeugnisse in unterschiedlichen Anwendungsgebieten.The invention relates to a binder and a Process for its manufacture. This binder takes place Use in the production of mullite-bound SiC-containing Products in different areas of application.
Derartige Bindemittel unterscheiden sich hinsichtlich ihrer Zusammensetzung, Vorbehandlung der eingesetzten Rohstoffe und der Art des Einbringens in den Versatz.Such binders differ in their Composition, pretreatment of the raw materials used and the type of insertion into the offset.
Aus dem Patent DD 2 96 800 A7 ist bekannt, daß das aus calcinierter Tonerde bestehende Bindemittel in einer Naßtrommelmühle unter Zusatz von Carboxymethylcellulose und Sulfitablauge einer Naßaktivierung unterzogen wird. Bei diesem Aktivierungsvorgang bilden sich an der Oberfläche der Primärteilchen Hydratphasen aus, die beim Übergang in die Oxidform in Verbindung mit dem entstehenden SiO₂ durch Oxydation von SiC bei einem späteren Erzeugnisbrand eine hohe Reaktionsbereitschaft bei der Mullitbildung in der Matrix zeigen.From the patent DD 2 96 800 A7 it is known that that calcined alumina in a binder Wet drum mill with the addition of carboxymethyl cellulose and Sulphite waste liquor is subjected to wet activation. At this activation process form on the surface of the Primary particles from hydrate phases, which in the transition to the Oxide form in connection with the resulting SiO₂ Oxidation of SiC in a later product fire high reactivity in the formation of mullite in the Show matrix.
Die Gewinnung des Aluminiumoxides und der entstandenen Hydratphasen aus der Suspension erfolgt nach bekannten Entwässerungsverfahren (Sprühtrocknung).The extraction of the aluminum oxide and the resulting Hydrate phases from the suspension take place according to known Drainage process (spray drying).
In Verbindung mit der Aufgabenstellung für die Erfindung wird eine Heißbiegefestigkeit HBF bei 1400°C von größer 80 kp/cm² erreicht. Über den Mullitgehalt sind keine Angaben enthalten. In der Weiterentwicklung dieses Verfahrens wird im Patent DD 3 01 635 A8 eine Lösung beschrieben, wonach auf die Sprühtrocknung verzichtet wird, um mit einer wäßrigen Zusammensetzung des Bindemittels als Suspension die stofflichen Vorteile der hochreinen Bindung auch auf komplizierte Formkörper zu übertragen. In beiden Fällen erfolgt der Erzeugnisbrand bei bzw. oberhalb von 1400°C, um durch den SiC- Abbrand das erforderliche SiO₂ zu erhalten.In connection with the task for the invention a hot bending strength HBF at 1400 ° C of greater than 80 kp / cm² reached. No information is given on the mullite content. In the further development of this process is in the patent DD 3 01 635 A8 described a solution, after which the Spray drying is dispensed to with an aqueous Composition of the binder as a suspension material advantages of the high-purity bond to transfer complicated moldings. In both cases the product fire takes place at or above 1400 ° C to get the required SiO₂ by the SiC burnup.
Beide Patente sind mit Nachteilen behaftet. Einerseits ist das Bindemittel auf den Einsatz von calcinierter Tonerde beschränkt und andererseits ist ein energieintensiver Erzeugnisbrand bei bzw. oberhalb 1400°C einhergehend mit einem unkontrollierten SiC- Abbrand zu verzeichnen.Both patents have disadvantages. On the one hand is the binder on the use of calcined alumina limited and on the other hand is an energy intensive one Product fire associated with at or above 1400 ° C an uncontrolled SiC burn.
Um den Erzeugnisbrand so niedrig wie möglich zu halten, damit nur ein definierter SiC- Anteil durch Oxydation in SiO₂ überführt wird, ist im Patent DD 2 99 465 A7 ein Verfahren beschrieben, wonach als Bindemittel eine Suspension, dessen Feststoff aus alpha-Al₂O₃ und/oder deren Hydrate besteht, welcher vorzugsweise eine Korngröße kleiner 20 µm aufweist und trockenmechanisch kleiner 0,5 mm aufbereiteter Bindekaolin verwendet wird.To keep the product fire as low as possible, so only a defined proportion of SiC by oxidation in SiO₂ is transferred is a method in patent DD 2 99 465 A7 described that a suspension, whose solid from alpha-Al₂O₃ and / or their hydrates exists, which preferably has a grain size less than 20 microns has and mechanically processed less than 0.5 mm Bindekaolin is used.
Der Vorteil besteht darin, daß durch die Anwendung der naßmechanischen Aktivierung reaktionskinetische Vorzüge auftreten, die bei einem Einsatz als Bindemittel- Suspension erhalten bleiben. Daraus resultiert, daß bereits bei niedrigeren Brenntemperaturen eine Mullitbildung eintritt. Nachteilig ist, daß der Brand trotzdem oberhalb 1400°C durchgeführt wird und mit einer SiC- Oxydation verbunden ist. Über die entscheidenden Erzeugnisparameter (Mullitgehalt und HBF) sind in dem Patent keine Angaben enthalten.The advantage is that by using the wet mechanical activation reaction kinetic advantages occur when used as a binder suspension remain. As a result, already at mullite formation occurs at lower firing temperatures. The disadvantage is that the fire is still above 1400 ° C is carried out and is associated with an SiC oxidation. About the decisive product parameters (mullite content and HBF) the patent does not contain any information.
Um den SiC- Abbrand weitgehend zu reduzieren, wird im Patent DD 2 94 931 A5 vorgeschlagen, zusätzlich pyrogene Kieselsäure in Form des Anfallproduktes der Entstaubungsanlage der Ferrosilicium- Produktion (sogenannter FeSi- Staub) und/oder Kieselsol zuzusetzen. Das SiO₂ reagiert bei Sintertemperatur (PK 146 bis 156) mit der feingemahlenen Tonerde zu Mullit.In order to largely reduce the SiC burnup, the patent DD 2 94 931 A5 proposed, additionally pyrogenic Silicic acid in the form of the product of the Dust collector for ferrosilicon production (so-called FeSi dust) and / or silica sol. The SiO₂ reacts with the at sintering temperature (PK 146 to 156) finely ground alumina to mullite.
Obwohl das SiC durch die dichte Bindematrix weitestgehend gegen Oxydation geschützt ist, verzeichnen die Ausführungsbeispiele einen sehr unterschiedlichen SiC- Abbrand (Beispiel 5 : 2,7%, Beispiel 1 : 13,7%), der durch die hohen Erzeugnisbrand- Temperaturen bedingt ist. Obwohl von einer hohen HBF gesprochen wird, fehlen im Patent hierzu quantitative Angaben.Although the SiC is largely due to the dense binding matrix is protected against oxidation Embodiments a very different SiC erosion (example 5: 2.7%, example 1: 13.7%) by the high product fire temperatures is due. Although The patent does not mention high HBF quantitative information.
Mit der Zielstellung, eine intensive Mullitbildung, eine hohe HBF und Temperaturwechselbeständigkeit TWB zu erreichen, werden gemäß DD 3 01 604 A7 die zur Mullitbildung erforderlichen Komponenten Tonerde und Kieselsäure bereits in hochaktiver Form in das SiC- Körnungsgemisch eingeführt. Der Zusatz von feinster hochaktiver Kieselsäure erspart die sonst notwendige Zersetzung von SiC zur Bildung von SiO₂ und ermöglicht damit auch eine Brenntemperatur, die unter der Zersetzungstemperatur von SiC liegt.With the goal of intensive mullite formation, a high To achieve HBF and thermal shock resistance TWB, according to DD 3 01 604 A7 are those for mullite formation required components alumina and silica already in highly active form introduced into the SiC grain mixture. Of the The addition of the finest, highly active silica saves you otherwise necessary decomposition of SiC to form SiO₂ and thus also allows a firing temperature that is below the Decomposition temperature of SiC is.
Nachteilig ist, daß das Bindemittel in zwei verschiedenen Zusammensetzungen (aktivierte calcinierte Tonerde, FeSi- Staub, Dextrin, Hexametaphosphat, Wasser bzw. aktivierte calcinierte Tonerde, Kaolin, Bindeton) und in zwei verschiedenen Formen als Suspension und als Trockenbinder eingesetzt wird.The disadvantage is that the binder in two different Compositions (activated calcined alumina, FeSi- Dust, dextrin, hexametaphosphate, water or activated calcined alumina, kaolin, binder clay) and in two various forms as a suspension and as a dry binder is used.
Überraschend ist der nach diesem Verfahren erzielte Mullitgehalt von 13-15%. Die HBF ist erwartungsgemäß bei 1300°C größer 30 MPa.The one achieved by this method is surprising Mullite content of 13-15%. As expected, the HBF is at 1300 ° C greater than 30 MPa.
Demgegenüber beschreibt das Patent DD 2 96 268 A5, in chemischer und stofflicher Hinsicht weitgehend identisch mit DD 3 01 604 A7, ein Verfahren zur Herstellung von mullitgebundenen Feuerfesterzeugnissen mit erhöhtem Gebrauchswert auf der Basis von SiC mit einem naßaktivierten Bindemittel, das aus calcinierter Tonerde, geschlämmtem Kaolin und/oder feuerfestem Bindeton, FeSi- Staub und/ oder Kieselsol, organischem Binder und Hexamethylenphosphat besteht.In contrast, the patent DD 2 96 268 A5, in largely identical in chemical and material terms DD 3 01 604 A7, a process for the production of mullite-bound refractory products with increased Use value based on SiC with a wet activated Binder made from calcined alumina, slurried Kaolin and / or refractory binding clay, FeSi dust and / or silica sol, organic binder and hexamethylene phosphate consists.
Nach einer gemeinsamen Naßaktivierung wird die erhaltene Suspension in einem Sprühtrockner entwässert. Die entstehende Sekundärkörnung hat einen überwiegenden Korndurchmesser von 0,2-0,5 mm. Zur Weiterverarbeitung dieses Sprühkorn- Bindemittels wird ein Teil zu einer Suspension aufgequirlt und mit dem SiC- Körnungsgemisch homogenisiert und in der nächsten Stufe der restliche Teil des trockenen Sprühkorns untergemischt.After a joint wet activation, the obtained Dehydrated suspension in a spray dryer. The emerging Secondary grain has a predominant grain diameter of 0.2-0.5 mm. For further processing of this spray Part of the binder is whisked into a suspension and homogenized with the SiC grain mixture and in the next stage the remaining part of the dry spray grain mixed in.
Der Erzeugnisbrand erfolgt bei 1300 bis 1600°C mit einer Haltezeit von 4-10 Stunden.The product is fired at 1300 to 1600 ° C with a Holding time of 4-10 hours.
Der Mullitgehalt beträgt 5-8% und die HBF bei 1400°C nach dem Erzeugnisbrand 7,4-9,8 MPa.The mullite content is 5-8% and the HBF at 1400 ° C after the product fire 7.4-9.8 MPa.
Diese Verfahren bringt noch keine entscheidende Verbesserung der HBF gegenüber dem Patent OD 3 01 604 A7 (ohne Sprühtrocknung):This process does not bring any decisive improvement the HBF compared to the patent OD 3 01 604 A7 (without Spray drying):
Aus der Erkenntnis dieser Tatsache beschreitet das Patent DE 42 42 610 A1 einen völlig anderen Weg und verzichtet auf eine Aktivierung der Einsatzstoffe für das Bindemittel und gleichzeitig auf die Sprühtrocknung.The patent proceeds from the knowledge of this fact DE 42 42 610 A1 a completely different way and does without an activation of the feed materials for the binder and spray drying at the same time.
Der zum Einsatz kommende Trockenbinder, bestehend ausThe dry binder used, consisting of
- - 13,5 bis 16% Tonerde mit einer Körnung kleiner 0,05mm- 13.5 to 16% alumina with a grain size of less than 0.05mm
- - 5,5 bis 7% Edelkorund mit einer Körnung kleiner 0,25mm- 5.5 to 7% corundum with a grain size less than 0.25mm
- - 3,5 bis 4% amorpher Kieselsäure mit einer Körnung kleiner 0,05mm- 3.5 to 4% amorphous silica with a grain size smaller 0.05mm
wird einer feuchten SiC- Körnung zugegeben. Durch die Verwendung hochaktiver und hochreiner Binder- Rohstoffe kann auf eine Aktivierung verzichtet werden. Mit diesem Bindemittel- Versatz werden überraschende Erzeugnisparameter erzielt:is added to a moist SiC grain. By using highly active and high-purity binder Activation is not required for raw materials. With this binder offset, surprising Product parameters achieved:
Mullitgehalt : 11-12%
HBF bei 1400°C: 12-14 MPaMullite content: 11-12%
HBF at 1400 ° C: 12-14 MPa
Nachteilig ist, daß ausschließlich hochwertige und teuere Rohstoffe zur Anwendung kommen müssen.The disadvantage is that only high quality and expensive Raw materials must be used.
Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, ein vielseitig einsetzbares Bindemittel zur Herstellung hochwertiger SiC- Erzeugnisse mit einem hohen Mullitgehalt und einer hohen Heißbiegefestigkeit HBF bei minimalem SiC- Abbrand vorzuschlagen und gleichzeitig auf den Einsatz hochaktiver Binder- Rohstoffe zu verzichten und dafür die Verwendung allgemein verfügbarerer und preiswerter Rohstoffe zu ermöglichen.The invention is based on the problem, a versatile applicable binder for the production of high quality SiC Products with a high mullite content and a high HBF hot bending strength with minimal SiC erosion propose and at the same time on the use of highly active Binder raw materials and therefore the use generally more available and cheaper raw materials enable.
Gleichzeitig ist die unproduktive Form des Einsatzes des Bindemittels als Suspension und Trockenbinder zu vermeiden.At the same time, the unproductive form of using the Avoid binder as a suspension and dry binder.
Erfindungsgemäß wird das Problem durch die im Kennzeichenteil der Patentansprüche offenbarten Mittel gelöst.According to the invention, the problem is solved in the characterizing part disclosed means solved.
Für die erfolgreiche Realisierung der Erfindung ist die Kombination einerseits der stofflichen und andererseits der verfahrenstechnischen Bedingungen von Bedeutung.For the successful implementation of the invention Combination on the one hand of the material and on the other hand the procedural conditions of importance.
Nach dem Erzeugnisbrand unter Verwendung des erfindungsgemäßen Bindemittels werden nachfolgende Gütewerte erhalten:After the product fire using the The binder according to the invention becomes the following quality values receive:
Mullitgehalt : 18-20%
HBF bei 1400°C: 18-20 MPa.Mullite content: 18-20%
HBF at 1400 ° C: 18-20 MPa.
Diese Werte verbessern sich nach ca. 50 Ofendurchläufen in einem Porzellan- Schnellbrandofen auf 22-24% Mullitgehalt und 21-23 MPa HBF bei 1400°C. Damit liegen diese Werte erheblich über denen des Patentes DE 42 42 610 A1.These values improve after approx. 50 furnace runs in a porcelain rapid firing furnace with 22-24% mullite content and 21-23 MPa HBF at 1400 ° C. These values are significantly higher than those of the patent DE 42 42 610 A1.
Nach den Erkenntnissen aus dem Stand der Technik wird gemäß DD 3 01 604 A7 ohne Anwendung der Sprühtrocknung ein hochwertiges SiC- Erzeugnis erhalten. Die Anwendung der Sprühtrocknung im Patent OD 2 96 268 A5 führt unter vergleichbaren Bedingungen zu einer wesentlichen Verschlechterung der Gütewerte. Folglich wäre von einem Fachmann zu erwarten gewesen, daß sich dieser Trend auch mit dem erfindungsgemäßen Bindemittel einstellt. Dieses überraschende Ergebnis kann folglich nur auf die kombinierter Wirkung der erfindungsgemäßen Merkmale zurückgeführt werden.According to the knowledge from the prior art DD 3 01 604 A7 without using spray drying received high quality SiC product. The application of the Spray drying in patent OD 2 96 268 A5 leads under comparable conditions to an essential Deterioration in quality values. Hence one would Experts had expected that this trend would also adjusts the binder according to the invention. This The surprising result can therefore only be combined Effect of the features of the invention can be attributed.
Die allgemein bekannten Schwierigkeiten einer effektiven Zerkleinerung derartiger Systeme, beispielsweise das Festbacken an den Mahlkugeln oder die völlig unzureichende Zerkleinerung der durch Dextrin "gehärteten" Sekundärteilchen, tritt erfindungsgemäß nicht auf. Auch entfällt die nachteilige und aufwendige Zugabe des Bindemittels sowohl als Suspension als auch als Trockenbinder gemäß DD 2 96 268 A5 und DD 3 01 604 A7 . In beiden Patenten ist die getrennte Zugabe zwingend erforderlich, da bei Aufrühren der notwendigen gesamten Bindemittelmenge zu einer Suspension für das daraus hergestellte Gemenge ein zu hoher Wassergehalt entsteht, der die für diese Qualität unbedingt erforderliche unplastische Verdichtung mit hohen Preßdrücken ausschließen würde (DD 2 96 268, Seite 2, Zeile 24 bis 27).The well-known difficulties of effective Shredding of such systems, for example that Baking on the grinding balls or the completely inadequate Shredding of the "hardened" by dextrin Secondary particles do not occur according to the invention. The disadvantageous and time-consuming addition of Binder both as a suspension and as a dry binder according to DD 2 96 268 A5 and DD 3 01 604 A7. In both The separate addition is mandatory for patents, because when stirring the necessary total amount of binder a suspension for the mixture produced from it high water content arises, which is essential for this quality absolutely necessary plastic compaction with high Would exclude pressing (DD 2 96 268, page 2, line 24 to 27).
Die Erfindung soll nachstehend an zwei Ausführungsbeispielen näher erläutert werden.The invention is based on two exemplary embodiments are explained in more detail.
Zunächst wird 1% Sulfitablaugepulver rückstandsfrei in heißem Wasser gelöst. Anschließend erfolgt das Einrühren von 21% calcinierter Tonerde mit einer Körnung < 0,05 mm und 6% amorpher Kieselsäure mit einer Körnung < 0,01 mm. Die genaue Dosierung des Verhältnisses von A1₂O₃ zu SiO₂ (3 . . . 4 zu 1) ist von entscheidender Bedeutung. Die Suspension enthält etwa 1/3 Wasser. Die pumpfähige Suspension wird einer naßmechanischen Aktivierung in einer Naßtrommelmühle unterzogen. Nunmehr erfolgt die Sprühtrocknung, in deren Ergebnis ein Sprühkorn mit einer Korngröße < 0,5 mm, der Hauptanteil liegt zwischen 0,2 und 0,5 mm, entsteht. Die Feuchtigkeit des Sprühkornes beträgt < 2%. Dieses Sprühkorn wird nunmehr einer Nachzerkleinerung unterzogen. Die Körnung beträgt danach mindestens 60% < 0,1 mm, hiervon mindestens 40% < 0,063 mm. Die Weiterverarbeitung dieses Bindemittels erfolgt nach bekannten Technologien.First, 1% sulfite waste powder is left in dissolved in hot water. Then stir in 21% calcined alumina with a grain size <0.05 mm and 6% amorphous silica with a grain size <0.01 mm. The exact Dosage of the ratio of A1₂O₃ to SiO₂ (3... 4 to 1) is vital. The suspension contains about 1/3 of water. The pumpable suspension becomes a wet mechanical one Activated in a wet drum mill. Now spray drying takes place, resulting in a spray grain with a grain size <0.5 mm, the main part is between 0.2 and 0.5 mm. The moisture of the spray grain is <2%. This spray grain is now one Subsequent shredding. The grain size is then at least 60% <0.1 mm, of which at least 40% <0.063 mm. This binder is processed further after known technologies.
In einem Mischaggregat werden 70% SiC- Körnung vorgelegt, 3-4%, bezogen auf 100% Trockensubstanz, einer wäßrigen Dextrinlösung zugemischt und 27% des erfindungsgemäßen Binders in der 3. Stufe zugegeben. Abschließend erfolgt die Untermischung von 3% feuerfestem Bindeton. Nach dem Pressen und Trocknen erfolgt der Erzeugnisbrand bei 1380°C und einer Haltezeit von 6 Stunden. Die als Brennhilfsmittel hergestellten Erzeugnisse haben folgende Gütewerte:70% SiC grain size is placed in a mixing unit, 3-4%, based on 100% dry matter, an aqueous Dextrin solution admixed and 27% of the invention Binder added in the 3rd stage. Finally, the Mix in 3% refractory binding clay. After pressing and drying, the product is fired at 1380 ° C and a holding time of 6 hours. The products produced as kiln furniture have following quality values:
Mullitgehalt: 19,5%
HBF bei 1400°C: 19,8 MPa.Mullite content: 19.5%
HBF at 1400 ° C: 19.8 MPa.
Nach 50 Durchläufen in einem Porzellan- Schnellbrandofen werden folgende Werte gemessen:After 50 runs in a porcelain rapid firing furnace the following values are measured:
Mullitgehalt: 23,5%
HBF bei 1400°C: 22,9 MPa.Mullite content: 23.5%
HBF at 1400 ° C: 22.9 MPa.
Analog Beispiel 1 wird ein Bindemittel unter Verwendung von 21,5% calcinierter Tonerde und 5,5% amorpher Kieselsäure hergestellt. Unter Verwendung dieses Bindemittels wird ein Erzeugnis erhalten, das folgende Eigenschaften aufweist:Analogously to Example 1, a binder is used using 21.5% calcined alumina and 5.5% amorphous silica manufactured. Using this binder becomes an article obtained, which has the following properties:
Mullitgehalt: 18,5%
HBF bei 1400°C: 19,0 MPaMullite content: 18.5%
HBF at 1400 ° C: 19.0 MPa
Nach ebenfalls 50 Durchläufen in einem Porzellan- Schnellbrandofen werden folgende Werte gemessen:After also 50 runs in a porcelain The following values are measured for rapid firing furnaces:
Mullitgehalt: 23,0%
HBF bei 1400°C: 22,5 MPa.Mullite content: 23.0%
HBF at 1400 ° C: 22.5 MPa.
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CN1133272A (en) | 1996-10-16 |
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