DE937878C - Feuerfeste Stampfmasse - Google Patents

Description

• Feuerfeste Stampfmasse Die Erfindung betrifft im allgemeinen die Herstellung feuerfester Stampfmassen und insbesondere Verbesserungen der Zusammensetzung trockener, ungebrannter, feuerfester Stoffe, welche sich in zähem, breiartigem Zustand zur Anfertigung feuerfester Futter in Industrieöfen für Betriebstemperaturen bis zu etwa 1656 bis 17o3° C eignen.
• Diese feuerfesten Stampfmassen dienen vorwiegend für Industrieöfen, bei welchen das Ofenfutter unmittelbar der Einwirkung der Flamme ausgesetzt ist. Zur feuerfesten Ausfutterung von Ofenmauern, durch welche Wasserrohre hindurchgeführt sind, die teilweise aus dem Mauerwerk herausragen, wurde bisher gewöhnlich ein verhältnismäßig zäher Brei aus einer chromhaltigen oder ähnlichen Schamottemasse, einem Abbindemittel und Wasser, von Hand auf bzw. zwischen die Wasserrohre aufgebracht bzw. gestopft. Diese umständliche und langwierige Arbeit beim Aufbringen solcher Ofenfutter erfordert hohe Baukosten. Die für solche Schamottefutter zulässige Betriebstemperatur liegt allgemein unter =656° C, wenn nicht ein hydraulischer Kalziumaluminat-Zement als Bindemittel und teilweise ein Zement mit hohem A1203 Gehalt, wie beispielsweise Trikalzium-Pentaaluminat (3 Ca0 - 5 A1203) verwendet wird. Sowohl der Erzement als auch der Zement zeit hohem A1203-Gehalt sind teuere Bestandteile; die hieraus hergestellten feuerfesten Massen stellen sich daher hoch im Preis. Die Erfahrung zeigte, daß Stampf- oder Gußschamottemassen bestimmte physikalische Eigenschaften aufweisen müssen, um beim Aufbringen und bei der Verwendung vollkommen zu entsprechen. Nach dem Zusetzen von Wasser zum trockenen Gemenge muß die angerührte Stampf-oder Gußmasse- genügend zäh und formbar sein, um beim Einbringen bzw. Einstampfen in die Form oder Verschalung auch alle Ecken und Höhlräume auszufüllen und alle Einzelheiten der Form wiederzugeben. Eine weitere wünschenswerte Eigenschaft - dieser feuerfesten Massen ist ihre möglichst hohe Beständigkeit gegen Maßänderungen, und zwar nicht nur möglichst geringes Schrumpfen beim Brennen, sondern auch möglichst geringer Schwund nach wiederholtem Erhitzen. Eine weitere erwünschte Eigenschaft solcher Stumpfmassen ist eine möglichst hohe Rißunempfindlichkeit, das ist eine möglichst hohe Beständigkeit ihrer Gußstruktur gegen Rißbildung bei hohen Temperaturen und sich wiederholenden Temperaturänderungen. Zur Erzielung einer möglichst hohen Feuerbeständigkeit muß ihr Schmelzpunkt über der jeweils in Frage kommenden höchsten Betriebstemperatur liegen, wogegen eine kurze Abbindedauer, hohe Härte nach dem Abbinden und hohe Warmfestigkeit zwar erwünscht, jedoch nicht so wichtig sind. Gegenstand .der Erfindung ist insbesondere die Herstellung und Verwendung eines verhältnismäßig billigen Schamottemehls, welches, bei Gebrauch mit Wasser angefeuchtet, einen zähflüssigen Brei bildet und eine feuerfeste Stumpfmasse für Betriebstemperaturen bis zu 165o bis 1703° C ergibt. Ein weiteres Merkmal der Erfindung bildet die Herstellung und Verwendung einer Stumpfmasse auf A1203 Si02 Basis, welche, mit Wasser zu einem Brei verrührt, sofort zum Bewerfen oder Überziehen von Flächen, eventuell zum Einstampfen zwischen Verschalungen geeignet ist und eine feuerfeste Schutzschicht ergibt, deren Feuerbeständigkeit gleich oder höher ist als bei Schamottesteinen gleicher Zusammensetzung. Ein weiteres Kennzeichen der Erfindung bildet die Herstellung und Verwendung einer gießbaren oder staxnpfbaren Masse, welche einen feuerfesten Zement von hoher Beständigkeit gegen Maßänderungen bzw.. Änderungen seines Volumens ergibt, wobei diese Änderungen beim Erhitzen der Stumpfmasse auf irgendeine Temperatur innerhalb des gesamten Bereiches von der Raumtemperatur bis zur Höchsttemperatur von etwa x675° C außerordentlich gering sind. Die Erfindung umfaßt ferner die Herstellung und Verwendung einer Stumpfmasse auf Kaolinbasis mit geringer Neigung zur Rißbildung oder zum Absplittern innerhalb des für sie in Frage kommenden Temperatur-Bereiches und mit einem Schmelzpunkt über 1703' C.
• Erfindungsgemäß werden die vorgenannten "Ziele bei Anwendung einer Zusammensetzung von hauptsächlich insgesamt 7ö bis 85 Gewichtsprozent eines besonderen Gemenges von -A1203-Si02, ferner von 3 bis 15 Gewichtsprozent gemahlenen Rohzyanits und 15 bis 3o Gewichtsprozent an Bindemitteln erreicht, wobei diese Bindemittel aus gemahlenem Rohton (Letten) und einem an A1203 reichen, hydraulischen Zement bestehen.
• Das verwendete Gemenge kann aus bei hoher Temperatur kalzinierter Porzellanerde (Kaolin), aus Bauxit oder Zyanit allein oder aus einem Gemisch dieser Bestandteile bestehen, wobei diese Anteile so aufeinander abzustimmen sind, daß sie mit den übrigen. A1203 haltigen Bestandteilen, des Gemenge eine feuerfeste Schamottestampfmasse bilden, deren Gehalt an A1203 nach dem Kneten, Trocknen und Brennen zwischen 55 und 65 Gewichtsprozent, vorzugsweise bei 6o°/, liegt: Es wurde festgestellt, daß ein A1203 Gehalt von der vorerwähnten kritischen Höhe nicht nur zur Verbesserung der Rißunempfizldlichkeit beiträgt, sondern auch eine überaus hohe Beständigkeit des Volumens und der Abmessungen der gebrannten- Stalnpfmasse ergibt. Unterhalb dieses A1203 Gehaltes ist die Rißbeständigkeit gering, bei höherem A1203 Gehalt fällt die Maßbeständigkeit bis zu einem A1203 Gehalt von etwa 85°/o rasch ab. Beim Mahlen des Gemenges und Rohzyauits muß die Korngröße der für die Stumpfmasse bestimmten Bestandteile genau überwacht werden. Die gemahlenen Bestandteile müssen eine solche Körnung aufweisen, daß nicht mehr als 8 Gewichtsprozent dieses Gemenges durch ein Sieb von 0;10q. mm Maschenweite und mindestens 8o bis 95% durch ein Sieb von 4,699 mm Maschenweite gehen. Es wurde festgestellt, daß bei höheren Anteilen an Feinkörnern des Gemenges und/oder Zyanits eine unzulässig hohe, merkbare Schwindung bereits bei Temperaturen von etwa 65 bis 93° C eintritt, während geringere Anteile an Feinkörnern diese Temperatur erhöhen. Bei Einhaltung der vorerwähnten Grenzen für die Anteile der verschiedenen Korngrößen des Gemenges wird ferner die Temperaturwechselbeständigkeit der Masse erhöht, wie sich dies aus der Bildung eines lockeren Gefüges von geringem oder keinem Anteil an freiem Si 02 ergibt, wodurch die Bildung eines größeren Anteils an spröden Bestandteilen vermieden wird. Bei Einhaltung der erforderlichen Korngröße wird ferner die Plastizität des angefeuchteten Gemenges erhöht; die Stumpfmasse weist dann beize Aufbringen auf die zu schützenden Flächen die notwendige Verformbarkeit auf. Der im Gemenge enthaltene Rohzyanit wird auf eine Korngröße gemahlen, die durch ein Sieb von ö,417mm Maschenweite hindurchgeht; sein Anteil beträgt 3 bis 15°/0, zweckmäßig 70/a des Gemenges. Der Zyanit erhöht die Maßbeständigkeit der Stumpfmasse . dadurch, daß er zufolge seiner Ausdehnung den Schwund der übrigen Bestandteile ausgleicht, welcher ansonsten im Temperaturbereich von 1315 bis 1q.26° C eintreten würde.
• Die verwendete; an A1203 reiche Zementmasse soll ungefähr folgende-Zusammensetzung aufweisen:

  Ca0 ................ 23 bis 26 Gewichtsprozent

  A1203 ............... 7o bis 75 -

  Si02 ................ unter 2 -

  Fe20................. unter 1 -

  So wurde - beispielsweise ein zufriedenstellender Zement folgender Zusammensetzung verwendet:

  Ga0 .......... ............ 9,4,3 Gewichtsprozent

  A1203 ................... 73,7 -

  Si02 .................... 1,5 -

  Fe20..................... 0,3 -

  Mg0 .................. 0,2 -

  Ein Zement dieser Art kann mit Vorteil durch Verbindung folgender Bestandteile hergestellt werden Leicht kalziniertes Aluminiumhydrat ..... 59,8°/0 Gewöhnliches MgCO3 Kalziumkarbonat .. 32,2°/o Pariser Gips ........................... 8,o°/0 Das Aluminiumhydrat soll eine Korngröße von 1 bis 4°/o über 0,r47 mm Maschenweite aufweisen, der Rest eine Korngröße bis zu o,147 mm Maschenweite. Das Kalziumkarbonat hat höchstens 2 bis 3°/a von 0,o43 mm Maschenweite bei Naßsiebung. Der Pariser Gips hat eine Korngröße von 80°/o durch 0,o43 mm Maschenweite bei Naßsiebung. Zu den vorerwähnten, miteinander trocken vermengten Bestandteilen wird Wasser im Gesamtanteil von 51 Gewichtsprozent der trockenen Bestandteile zugesetzt und mit diesen innig verrührt, worauf der so gebildete Brei in Formen geleitet bzw. gefüllt wird. Der Gips läßt den Brei nach 3 bis 2o Minuten erstarren; die Formstücke werden aus den Formen genommen und in einem Brennofen mit oder ohne Vortrocknung eingesetzt. Die Anwendung von Gips ermöglicht das Brennen der Masse in handlichen Stücken. Das Material wird hierauf bei etwa 1615° C 1 Stunde gesintert, dann aus dem Ofen ausgefahren und auf eine solche Korngröße gemahlen, daß sämtliches Mahlgut durch ein Sieb von 0,o43 mm Maschenweite hindurchgeht. Es wurde festgestellt, daß es vorteilhaft ist, 8 bis 18 Gewichtsprozent dieses Zements in der erfindungsgemäßen Stampfmasse zu verwenden, wobei der höhere Anteil von bis zu 18°/o zur Verwendung an der oberen Temperaturgrenze bestimmt ist. Bei Verwendung von weniger als 8% dieses Zements fällt seine Bindekraft zu stark ab. Segerkegel aus diesem Zement ergeben einen Schmelzpunkt von z693° C. Die Abbindezeit des Zements wurde an Hand von Normalversuchen festgestellt, wobei das Abbinden nach 4 Stunden begann und nach 6 Stunden beendet war. Zum Unterschied von sonst üblichen Schamottesteinen bzw. Schamottemassen ist es zweckmäßig, den Anteil der Stampfmasse an gemahlenem Ton (0,074 mm Maschenweite) auf 2 bis 8°/o des Gesamtgewichtes der Masse einzuschränken, bzw. vorteilhafter, einen Zusatz von 3 Gewichtsteilen gemahlenen, rohen Georgia-Kaolins zu verwenden. Eine Masse mit mehr als 8 °/o Ton bindet schlechter ab. Der Masse wird nur so viel Ton zugesetzt, als notwendig ist, um Verluste an Feinzement bei undichten Formen oder Verschalungen zu vermeiden und die Plastizität des Gemisches zu erhöhen. Ohne Tonzusatz wurde festgestellt, daß das zugesetzte Wasser aus der feuchten, in die Form oder Verschalung eingebetteten Masse heraussickert, wobei der hiermit verbundene Verlust an Feinzement ein vollkommenes Abbinden der Restmenge erschwert bzw. verhindert. Der Tonzusatz zum Gemisch unterbindet diesen Wasserverlust und Zementverlust, wobei er zugleich das Gemenge in knetbarem Zustand erhält und das Abbinden des Zements fördert.
• Die feuerfeste, kaolinhaltige Schamottemasse gemäß der vorliegenden Erfindung hat gewöhnlich folgende Zusammensetzung Bei hoher Temperatur kalziniertes A1203 Si02 Gemenge (Sieb-Maschenweite 4,699mm) = 7o bis 85 Gewichtsteile, gemahlener Rohzyanit (0,4z7 mm Maschenweite) = 3 bis 15 Gewichtsteile, feingemahlener Ton (0,074 mm Maschenweite) = 2 bis 8 Gewichtsteile, gemahlener 3 Ca 0 - 5 A1203 Zement (0,o43 mm Maschenweite) = 8 bis 18 Gewichtsteile.
• Beispiele für die Zusammensetzung der erfindungsgemäßen verbesserten Stampfmasse:

  Ge- A12 03-

  P chts-

  Stampfmasse A : rozent prozent

  Bei hoher Temperatur kalziniertes -

  Kaolingemenge (Maschenweite

  4,699 mm)...................... 44,2 44,5

  bei hoher Temperatur kalziniertes

  Bauxitgemenge (Maschenweite

  4,699 mm)...................... 30,8 74,4

  Rohzyanit (Maschenweite o,4=7 mm) 7,0 59,0

  Rohkaolin (Maschenweite 0,074 mm) 3,0 38,5

  3 Ca 0' 5A1203 Zement (Maschenweite

  o,043 mm)...................... 15,0 75;o

  Stampfmasse B : Gewichts-

  Bei hoher Temperatur kalziniertes Kaohn- prozent

  gemenge (Maschenweite 4,699 mm) ... 36,5

  bei hoher Temperatur kalziniertes Bauxit-

  gemenge (Maschenweite 4,699 mm)... 36,5

  Rohzyanit (Maschenweite 0,417 mm) ... 7,0

  Rohkaolin (Maschenweite 0,074 mm) ... 5,0

  3 Ca 0 - 5 A1203 Zement (Maschenweite

  0,043 mm)......................... 15,o

  Die vorbeschriebene Guß- oder Stampfmasse wird gewöhnlich als gebrauchsfertiges, trockenes, feingemahlenes Gemenge in den Handel gebracht und erfordert nur den Zusatz von reinem, frischem Wasser, um einen feuerbeständigen Zement zu ergeben. Der erforderliche Wasseranteil ist teilweise abhängig von der Größe und Abmessung der mit feuerfestem Futter zu versehenden Teile. Für große Stücke oder Flächen kann der Zement etwas zäher sein bzw. steifer angerührt werden; für kleine oder ein- und ausspringende Flächen und Formen ist ein dünnerer, wasserreicherer Zement vorteilhaft. In allen Fällen soll die Konsistenz des Zements so gewählt werden, daß er beim Einstampfen bzw: Einfüllen alle Ecken der Verschalung oder Form ausfüllt. Das Mischen muß gründlich ausgeführt werden, weil der Zement sonst eine gewisse Neigung zum vorzeitigen Abbinden und stellenweisen Erhärten (bzw. Ausscheiden) zeigt. Nach der Faustregel sind etwa 6 1 Wasser für 45 kg bzw. etwa 13,5 1 für Zoo kg Trockengemenge notwendig. Der Zementbrei wird ähnlich wie Beton in Verschalungen eingestampft. Die Form oder Verschalung ist erst nach vollständigem Erhärten der Stampfmasse zu entfernen. Die zum Abbinden erforderliche Dauer beträgt etwa 6 Stunden; doch ist es zweckmäßig, die Masse 24 Stunden in der Verschalung zu belassen. Während des Abbindens soll die Stampfmasse feucht gehalten werden, so beispielsweise mittels feuchter Säcke, welche unmittelbar neben der Masse, jedoch so angeordnet werden, daß sie mit ihr nicht in Berührung kommen. Dünne Schichten dieser Stampfmasse sollen nach 48stündiger natürlicher Trocknung bei langsamem Feuer getrocknet und gebrannt werden. Stärkere sollen vorerst bei niedriger Temperatur vorgetrocknet und hierauf bei steigernder Hitze gebraxint werden.
• Während des Brennens dieser Stampfmassen tritt beim hydraulischen Zement mit hohem Atz 03-Gehalt keine Änderung seines Volumens ein; seine Festigkeit sinkt hierbei bei Erreichung einer Temperatur von =093°C auf einen bei keramischen Massen bisher nicht beobachteten Wert ab. Der Schwund, welcher in dieser Masse im Temperaturbereich von 1093 bis 1315' C auftritt, wird durch den Ausdehnungskoeffizienten des Rohzyanits im Temperaturbereich zwischen 1315 bis 1426°C wieder ausgeglichen.- Die dann im Kaolinanteil auftretende Schrumpfung wird ihrerseits durch die zwischen den Korundkristallen im Bauxitanteil und dem überschüssigen Si 02 eintretende Reaktion kompensiert. Diese Reaktion bewirkt eine Ausdehnung der Stampfmasse und bedingt auf diese Art die Beständigkeit des Volumens bis zum Temperaturbereich von 1656 bis 1675°C.
• Die vorgeschriebene kaolinhaltige, feuerfeste Stampfmasse weist, wie an Hand vieler Versuchsreihen festgestellt wurde, folgende Eigenschaften auf:

  Zulässige Höchsttemperatur ......... -1656'C

  Schmelzpunkt ..................... 1696°C

  Wasserbedarf zum Einbringen (Ein-

  stampfen) von etwa 3,75 dm3 Stampf-

  masse........................... 11

  Wasserbedarf zum Mischen von r kg

  trockener Stampfmasse ...... etwa 0J351

  Verbrauch an trockener Stampfxnasse

  für i dm3 eingestampften Zement

  etwa 2,o kg

  Gewicht der Stampfmasse:

  nach dem Einbringen (Einstampfen)

  etwa 2,4 kg/dm'

  getrocknet..................... etwa 2,r kg/dm3

  gebrannt ...................... -etwa 2,o3 kg/dm3

  Dauer des Abbindens ................ 6 Stunden

  Lineare Schrumpfung

  bei 538°C . . . . . . . . . . . . . -.- 0,1r 0/0

  bei 815°C . . . . . . . . . . . : . -0,1004

  bei 1093°C ............. - 0,200/0

  bei 137I' C .............. - 0,1o %

  bei 1537°C ............. -o,840/,

  bei 16560C .............. + o,25o/o

  Mechanische Festigkeitseigenschaften:

  Bruchfestigkeit kg/cm2

  getrocknet.............. ........ etwa 27,5

  5 Stunden gebrannt bei 1093°C ... . 14,5

  5 - - - 1371°C 40,5

  5 - - - 15370C 1r8;5

  5 - - - 16560C . . . . - ` 116,5

  Druckfestigkeit

  getrocknet:........................ etwa 54,o

  5 Stunden gebrannt bei 1093°C 32,5

  5 - - - 1371'C 58,o

  5 - - - I537 C 230,5

  5 - - - 16560C 296,o

  Panelprobe: Schrumpfung bei wiederholtem 24stündigem Erhitzen auf je 1656 und 1593'C ......... 00A0 Verluste durch Absplittern (Risse), zehnmaliges Erhitzen auf 1453°C, nach neuerlichem Erhitzen, Schrumpfungsprobe................ o0/,

Claims (7)

1. PATENTANSPRÜCHE: i. Feuerfeste Stampfmasse, die eingestampft und gebrannt Temperaturen bis zu 1649°C (3ooo°F) verträgt mit hoher Volumenbeständigkeit im ganzen Temperaturbereich, dadurch gekennzeichnet, daß sie zu 7o bis 85 Gewichtsprozent aus einem feuerfesten Gemenge von Aluminiumoxyd (A1203) und Kieselsäure (Si OZ), zu 3 bis 15 % aus gemahlenem Rohzyanit und zu r5 bis 30 0% aus einem Bindemittel besteht, dessen Hauptbestandteil ein pulverisiertes Gemenge aus Rohton und hydraulischem, im wesentlichen eisen- und kieselsäurefreiem Kalziumaluminatzeznent ist.
2. 2. Feuerfeste Stampfmasse nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß der hydraulische Kalziumaluminatzeznexlt ein Trikalzium-Pentaaluminat(3 Ca0 # 5 A1203)zement ist und 8 bis 18% der Trockenmasse des Bindemittels ausmacht.
3. 3. Feuerfeste Stampfmasse nach Ansprüchen r und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Alurniniumoxyd(A120g)haltigen Bestandteile des Gemenges derart bemessen sind, daß der Aluminiumoxyd(A1203)gehalt des Gemenges nach dem Brennen in der Größenordnung - 55 bis 65 Gewichtsprozent liegt. q:.
4. Feuerfeste Stampfmasse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß von denn Aluininiumoxyd(A1203)-Kieselsäure(Si.02)-Gemenge mindestens 8o bis 95 Gewichtsprozent durch ein Sieb: mit 4,698 mm Maschenweite und- nicht mehr als B Gewichtsprozent durch ein Sieb mit o,ro8 mm Maschenweite gehen.
5. 5. Feuerfeste Stainpfmasse nach einem der Ansprüche r bis 4, in welcher das A1203-S'0,-Gemenge etwa 75 Gewichtsprozent, der gemahlene Rohzyanit etwa 7 Gewichtsteile beträgt und das Bindemittel aus 3 Gewichtsteilen Ton und 15 Ge@ wichtsteilen Trikalzium-Pentaaluminät-Zement besteht.
6. 6. Feuerfeste Stampfmasse nach einem der Ansprüche r bis 5 von ungefähr folgender Zusammensetzung: gemahlenes, bei hoher Temperatur . kalziniertes Kaolin (Siebgröße 4,699 mm) 36,5 Gewichtsprozent gemahlener, bei hoher Temperatur kalzinierter Bauxit (Siebgröße 4,699 mm) 36,5 Gewichtsprozent gemahlener Rohzyanit (Siebgröße 0,417 mm) 7 Gewichtsprozent gemahlener Rohkaolin (Siebgröße 0,074 mm) 5 Gewichtsprozent gemahlener Trikalzium-Pentaaluminat-Zement (Siebgröße o,oq.3 mm) 15,5 Gewichtsprozent
7. 7. Feuerfeste Stampfmasse nach einem der Ansprüche z bis 6, welche einer Temperatur von bis zu 1703°C widersteht und dabei über den gesamten Temperaturbereich eine hohe Beständigkeit ihres Volumens aufweist. B. Feuerfeste Stampfmasse nach einem der Ansprüche z bis 7, welche Rohzyanit in gemahlenem Zustand enthält. g. Feuerfeste Stampfmasse nach Anspruch z oder 2 mit einem Gehalt an A1203-S'02-Gemisch von bis zu 7o bis 85 Gewichtsteilen. 1o. Feuerfeste Stampfmasse nach einem der Ansprüche z bis 9, in welcher der hydraulische A1203 Zement im wesentlichen frei ist von Eisen--und Si-Verbindungen. Angezogene Druckschriften USA.-Patentschrift Nr. 1712 005; Chem. Zentralblatt 1937, S.2581; 1938, S.150 und 2g89.