EP4352028A1 - Cement composition and method for producing a cement element - Google Patents

Cement composition and method for producing a cement element

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EP4352028A1
EP4352028A1 EP23757585.7A EP23757585A EP4352028A1 EP 4352028 A1 EP4352028 A1 EP 4352028A1 EP 23757585 A EP23757585 A EP 23757585A EP 4352028 A1 EP4352028 A1 EP 4352028A1
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EP
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concrete
proportion
fine
concrete composition
refractory
Prior art date
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Application number
EP23757585.7A
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German (de)
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Joshua Ryan ONOFRIO
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Refraforce GmbH
Original Assignee
Refraforce GmbH
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Publication date
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    • C04B2235/70Aspects relating to sintered or melt-casted ceramic products
    • C04B2235/80Phases present in the sintered or melt-cast ceramic products other than the main phase

Definitions

  • the invention relates to a fireproof concrete composition.
  • the invention further relates to a concrete element which is made from a fireproof concrete composition and to a method for producing a fired concrete element.
  • aluminum metal powder in particular is very reactive.
  • contact with water or Humidity should be avoided, as large amounts of hydrogen can be formed, which pose a high safety risk due to the risk of explosion.
  • silicon metal powder for example, shows a significantly lower reactivity in contact with water and is therefore less critical to handle.
  • 229 B2 is a mixture for producing carbon-bonded magnesia bricks, i.e. basic refractory bricks, for use, for example, in a Converter has become known, the mixture comprising magnesium oxide as the main component as a refractory rock raw material, as well as pyrogenically obtained silicon dioxide powder, at least one synthetic resin as a binder and at least one metal-based powdered antioxidant and the proportion of silicon dioxide powder being between 0.01 and 5 wt. % based on the proportion of magnesium oxide is.
  • the pyrogenic silicon dioxide powder is presented in an organic dispersion, for example in alcohol, in order to avoid the problems mentioned above when metal powders come into contact with water.
  • a cement-free, fireproof composition containing aluminum oxide, silicon carbide, dry fumed silica, aluminum metal, a carbon-containing material, reactive aluminum oxide and additionally an antioxidant in the form of boron carbide, silicon, or mixtures contains from it.
  • References to pyrogenic silica as a component of the fireproof composition in US 2012/0142518 Al explicitly refer to the use of dry, pyrogenically produced silica particles with grain sizes in the micrometer range (so-called "microsilica” particles), in contrast to colloidal silica.
  • the proportion of aluminum metal powder in this fireproof composition is stated to be at most 1.5% by weight, preferably at most 1% by weight, the fireproof composition possibly even without the addition of aluminum metal powder due to the fumed silica it necessarily contains can be produced.
  • the addition of aluminum metal powder with grain sizes of approximately 200 pm is recommended, otherwise the reaction kinetics will be affected when using a finer-grained metal powder with smaller grain sizes below 200 pm, especially in the presence of water difficult to control in the refractory composition.
  • Tables II and III also show another comparative test "Mix 5" with conventional, cement-bound concrete, whose hot bending strength at 2700 ° F is only 122 psi (the equivalent of about 8.4 bar or 0.84 MPa) and is therefore clear has worse strength values than the recipes "Mix 1" to "Mix 4".
  • this conventional concrete composition according to the recipe "Mix 5" which has a high proportion of 3.3% by weight of calcium aluminate cement, only a low proportion of 0, 1% by weight of aluminum metal powder and a proportion of 2.5% by weight of pyrogenically produced silica particles with grain sizes in the micrometer range (“microsilica” particles), the addition of water (according to "Mix 5" results in 5% by weight.
  • Fireproof concrete compositions for the iron industry are known from KR 101 047 358 Bl, with improved corrosion resistance and high spray adhesion of silica sol being achieved using anion- and cation-based hardening agents.
  • the concrete compositions of exemplary embodiments 1 to 8 mentioned in the two tables 1 and 2 in KR 101 047 358 Bl are each based on a fireproof starting material in the form of brown corundum (brown fused alumina) with coarse grain proportions of 71% by weight to 79.5% by weight. out of. Information on fine grain proportions of the refractory starting material with grain sizes smaller than 0.5 mm is missing.
  • the hot flexural strengths (Hot Modulus of Rupture) of the concrete compositions given in the table were determined at a temperature of 1400 ° C and amount to a maximum of 78 kg / cm 2 in the case of the recipe of exemplary embodiment 7 or a maximum of 77 kg / cm 2 in exemplary embodiment 8. cm 2 (equivalent to 7.6 MPa), which is comparatively low.
  • the hot bending strengths of such refractory products are usually given at 1500 ° C (as previously in the case of US 2012/0142518 Al), with the person skilled in the art knowing, for example, from the publication by Ham cek, J. et al. : “On the high temperature bending strength of castables” [Ceramics - Silik ty 56 (3) 198-203 (2012)] it is known that the hot bending strengths, in particular of refractory materials with a low cement content (ULCC, English: Ultra-Low Cement Castables) or without cement content (NCC, English: No-Cement Castables) decrease as the firing temperature increases.
  • ULCC Ultra-Low Cement Castables
  • NCC English: No-Cement Castables
  • the maximum hot bending strengths specified in KR 101 047 358 Bl at 1400 ° C are extrapolated at a temperature of 1500 ° C in any case smaller than 7, 6 MPa and are therefore comparatively low.
  • the strength values specified in KR 101 047 358 B1, in particular hot bending strengths, of fired shaped bricks that were produced with compositions according to exemplary embodiments 7 and 8 are comparatively low.
  • CN 110 240 486 B relates to a conventional cement-bound concrete mass with a significant proportion of at least 4 to 6 weight. % of calcium aluminate cement, which, among other things, accounts for 4 to 6 wt. % of aluminum metal powder contains.
  • % of calcium aluminate cement which, among other things, accounts for 4 to 6 wt. % of aluminum metal powder contains.
  • Aluminum powder added to higher concentrations forms gases very violently with water and hydrogen - up to the formation of oxyhydrogen.
  • the purpose of the manufacturing process for the cement-bound concrete mass mentioned in CN 110 240 486 B is to enclose the aluminum powder through a complex surface treatment and calcination process using ceramic membrane microcapsules, so that such an inerted, metallic material with an oxidic surface does not form when added to the cement-bound concrete mass Reacts with water.
  • the aluminum metal powder is inerted by the formation of surface aluminum oxide.
  • the surface-corroded aluminum metal powder is placed in alkaline silica sol.
  • the surface-treated aluminum metal powder is calcined at 500 to 700 ° C, whereby at higher temperatures from 1000 ° C, the oxide layers made of aluminum oxide (A1 2 O 3 ) and silicon dioxide (SiO 2 ) form ceramic membranes in the form of in-situ formed mullite. These ceramic membranes form microcapsules that surround the internal aluminum powder and inert it. The silicon dioxide particles from the Silica sol are bound in the microcapsules.
  • the cement-bound concrete mass with a high cement content of at least 4 wt. % neither fine-grained aluminum metal powder nor an aqueous colloidal silica sol suspension was added, but rather microcapsules surrounded by a ceramic membrane in which the inerted aluminum metal powder is enclosed and silicon dioxide particles are bound therein.
  • the corresponding concrete composition should be made as cement-free as possible or at least contain a significantly lower proportion of cement binder than that in the
  • CN 110 240 486 B specified at least 4 wt. % calcium aluminate cement. Furthermore, when firing such a concrete element, the in-situ formation of ceramic mullite phases must be avoided and a high-strength, particularly dimensionally stable concrete element with high hot bending strength should therefore be as free as possible from in-situ formed ceramic mullite phases.
  • the disadvantage of the recipes known from JP 2001 114571 A is at least that the proportion of nanoscale silicon dioxide particles that are introduced into the respective concrete compositions via the silica sol suspension is very low. Concrete elements that are particularly dimensionally stable after firing cannot be produced with these recipes.
  • Concrete compositions are also known from US 2014/0291904 Al in which 0.1 to 5 wt. % pyrogenically produced silica particles (so-called "microsilica” particles) are used. Water is added as the mixing liquid.
  • silica particles silica particles
  • the addition of a portion of a colloidal silica sol suspension is not mentioned in US 2014/0291904 Al.
  • concrete elements that are particularly dimensionally stable after firing cannot be produced with these recipes.
  • a composition for the production of refractory concrete is to be specified, with which concrete elements are produced can be made that are particularly dimensionally stable after firing.
  • a further object of the invention is to provide a method for producing such fired concrete elements.
  • a fireproof concrete composition comprising:
  • the at least one refractory raw material is selected from the group consisting of: sintered alumina, precious corundum, brown corundum, gray corundum, magnesium aluminum spinel, mullite, bauxite, andalusite, chamotte, and/or silicon carbide, as well as mixtures of the aforementioned substances;
  • the proportion of fine-grain components with grain sizes smaller than 0.5 mm, in particular the fine-grain fraction of the at least one refractory raw material forms a binding matrix for the coarse-grain fraction of the at least one refractory raw material with grain sizes of at least 0.5 mm and larger.
  • the granular coarse components with grain sizes of at least 0.5 mm are embedded in the binding matrix formed by the fine fraction, which is advantageous for the subsequent production of particularly dimensionally stable concrete elements.
  • silica sol is understood to mean an aqueous colloidal suspension of mostly spherical polysilicic acid molecules with 30% by weight to a maximum of 60% silicon dioxide. This term is made up of the terms “silica” for silica and "sol", a synonym for colloid The approximately spherical polysilicic acid particles are connected via oxygen bridges to form an amorphous silica, also known as silica gel.
  • the nanoscaled silicon dioxide (SiO 2 ) particles could only be insufficiently evenly distributed as a dry, water-free solid component, i.e. as dry silicon dioxide particles, in the rest of the concrete composition with a mixture of substances with otherwise consistently larger grain sizes Micrometer scale or millimeter scale can be mixed in.
  • the dry silicon dioxide particles contained therein would separate.
  • the nanosized silicon dioxide particles are already advantageously present in the aqueous colloidal silica sol suspension Spherical individual particles that are distributed as homogeneously as possible and are not cross-linked with each other and are hydroxylated on their surface.
  • Introducing a sufficient amount of the aqueous colloidal silica sol suspension as a mixing liquid into the refractory concrete composition offers the advantage that as soon as the silica sol suspension evenly wets the mixture of the concrete composition, the nanosized silicon dioxide particles are also in the fireproof concrete composition as evenly as possible. are homogeneously distributed and the concrete composition is flowable and can be poured. This also ensures that, particularly after mixing the components of the refractory concrete composition, the other fine-grained components such as the fine-grained aluminum powder and the fine-grained carbon carrier are mixed as evenly as possible. homogeneously distributed in the concrete composition.
  • the term “homogeneously distributed” is understood to mean the distribution that is as uniform as possible, in particular of fine-grained components with comparatively small grain sizes on the nanometer scale or on the micrometer scale, within the mixture of the refractory concrete composition.
  • the refractory concrete composition according to the invention appears to involve, in particular, the interaction of a sufficient amount of nanoscaled silicon dioxide (SiO 2 ) particles presented as a silica sol, which are particularly reactive and in the refractory concrete composition in the form of the aqueous colloidal silica sol -Suspension particularly uniform or are homogeneously distributed, being particularly advantageous in combination with a sufficient amount of fine-grained aluminum metal powder and with a sufficient proportion of a fine-grained carbon carrier with grain sizes smaller than 100 pm.
  • a concrete element is fired that is produced with a concrete composition according to the invention, which has a proportion of 2 weight in the concrete composition. % to 7 wt.
  • these ceramic phases contain or are aluminum in the form of one or more oxides, carbides, mixed carbides, oxycarbides, nitrides, and/or oxynitrides and/or corresponding mixtures thereof.
  • the in-situ phase formation of the aluminum-based, ceramic phases is advantageous through an interaction of the aluminum metal powder, in particular with sufficiently present, homogeneously distributed nanoscaled silicon dioxide (SiO 2 ) particles in the concrete composition, as well as with a sufficient proportion of soot, graphite or mixtures thereof, which are distributed as fine-grained carbon carriers as homogeneously as possible in the concrete composition.
  • SiO 2 nanoscaled silicon dioxide
  • These high-strength, ceramic phases which form in-situ when the concrete composition is fired at temperatures of approximately 800 ° C and which contain aluminum or aluminum compounds in the form of one or more oxides, carbides, mixed carbides, oxycarbides, nitrides, and/or oxynitrides, and/ or corresponding mixtures thereof, are advantageously structured in small pieces in a fired concrete element on a micrometer scale and/or on a nanometer scale and are therefore largely homogeneously distributed in the fired concrete element.
  • fired concrete elements can be produced with the concrete composition according to the invention, which have the most homogeneous strength properties possible due to the homogeneously distributed ceramic phases and are particularly dimensionally stable.
  • the proportion of fine-grained aluminum metal powder in the concrete composition according to the invention is 3% by weight. % to 6 wt. % is set so that in the fired concrete product, which is made from the concrete composition according to the invention is produced, a sufficient proportion of such aluminum-based ceramic new phase formations is distributed.
  • the preliminary tests showed that, for example, by selecting a proportion of 5 wt. % of fine-grained aluminum metal powder in the concrete composition, the strength of fired concrete elements made from it can be further increased, since the proportion of in-situ formed, aluminum-based ceramic phases or Structures in the fired concrete element further increased. From the current perspective, a proportion of 5% by weight seems to be the case, particularly for reasons of economic efficiency.
  • % of fine-grained aluminum metal powder in the concrete composition achieves an optimum cost/benefit.
  • the technical advantages mentioned continue to increase, but the material costs for producing the concrete composition according to the invention also increase.
  • the total proportion of the at least one refractory raw material or refractory raw material mixture in the refractory concrete composition is from 65 to 90 weight. % .
  • a grain size distribution of this at least one refractory raw material or raw material mixture is determined by the proportion of 35 to 70 weight. % of a coarse grain fraction with grain sizes of at least 0.5 mm, and by the proportion of 15 to 30 wt. % of a fine grain fraction with grain sizes smaller than 0.5 mm.
  • the granular coarse components with grain sizes of at least 0.5 mm are advantageously embedded in the binding matrix, which is formed by the fine-grain fraction of the at least one refractory raw material and the proportions of the other fine-grained components of the refractory concrete composition with grain sizes smaller than 0.5 mm.
  • Carbon black, industrial carbon black, bright carbon black, amorphous graphite, and mixtures of the aforementioned substances can be used as fine-grained carbon carriers.
  • the term “industrial carbon black” refers to carbon black produced specifically as an industrial raw material. Bright carbon black is carbon black released from incineration plants.
  • the possible proportion of 0 to 2 wt. % of fine-grained magnesium oxide powder (MgO) in the concrete composition serves as a setting accelerator to shorten the setting time in refractory concrete production.
  • the solids content of amorphous nanoscale silicon dioxide particles in the concrete composition is 2 to 7 wt. % amounts .
  • This proportion corresponds to the dry, anhydrous solid content of silicon dioxide particles contained in the aqueous colloidal silica sol suspension provided.
  • Reactive silicon dioxide (SiO 2 ) is thus made available in sufficient, but not too large, quantities in order to achieve the in-situ formation of the advantageous ceramic phases in an appropriate quantity in a fired concrete element produced according to the invention.
  • a particularly high reactivity, in particular for the desired new phase formation of ceramic phases during subsequent firing, can be achieved in a refractory concrete composition according to the invention if the amorphous nanoscaled silicon dioxide particles have grain sizes of 2 nm to 100 nm, preferably grain sizes of 5 nm to 75 nm, exhibit .
  • a correspondingly high reactivity, ensured by correspondingly small particle sizes, causes rapid phase formation even at low temperatures.
  • the at least one fireproof raw material is selected from the group consisting of: sintered alumina, precious corundum, brown corundum, gray corundum, magnesium aluminum spinel, mullite, bauxite, andalusite , fireclay, and/or silicon carbide, as well as mixtures of the aforementioned substances.
  • Fireclay is a rock-like, man-made, fireproof material containing 10 to 45 percent aluminum oxide (A1 2 O 3 ). Fireclay does not refer to other fireproof building materials.
  • refractory raw materials or raw material mixtures can be used.
  • refractory raw materials that are subject to very high levels of stress, in particular those subject to high thermal and/or mechanical stress, such as those required for the steel production process
  • comparatively higher quality refractory raw materials can be used, such as sintered clay, high-grade corundum or magnesium aluminum spinel or Mixtures of them.
  • refractory raw materials such as bauxite, andalusite and fireclay can be used, which are more advantageous in terms of their cost/performance ratio than, for example, the higher-quality refractory raw materials mentioned above .
  • the amorphous nanoscaled silicon dioxide particles and/or the at least one fine-grained carbon carrier and/or the fine-grained aluminum metal powder is homogeneously distributed in the concrete composition or are . Due to the homogeneous distribution of these fine-grained Components, in particular the nanoscale silicon dioxide particles, ensure that the new ceramic phases that form in-situ during the firing process of the refractory concrete composition are correspondingly homogeneously distributed in the fired concrete material. This means that material properties that are as homogeneous as possible can be achieved in all areas of the fired concrete material produced according to the invention.
  • the dry starting material for producing the fireproof concrete composition in a suitable concrete mixer or before adding silica sol as a mixing liquid.
  • Compulsory mixer to mix dry.
  • the dry mix for producing the refractory concrete composition can then be mixed during the addition of the appropriate amount of aqueous colloidal silica sol suspension in order to ensure a homogeneous distribution of one or more of the fine-grained components mentioned in the concrete composition.
  • the refractory concrete composition can be free of a setting accelerator, in particular free of magnesium oxide.
  • the optional addition of magnesium oxide in the concrete composition serves as a setting accelerator.
  • the concrete composition according to the invention can also be prepared or prepared without magnesium oxide. are processed . If necessary, you can work without adding a setting accelerator.
  • lime, Portland cement, calcium aluminate cements, magnesium chloride and/or other magnesium salts can be used alone or in mixtures as setting accelerators instead of magnesium oxide.
  • the addition of at least one of the setting accelerators mentioned can cause a reduction in the fire resistance and thus a reduction in the application limit temperature of the fireproof concrete composition according to the invention.
  • the aforementioned Setting accelerators are basic components, but the fireproof raw materials mentioned at the beginning of the fireproof concrete composition according to the invention are, in contrast, non-basic. This combination can lead to the formation of low-melting phases at elevated temperatures. Accordingly, a reduction or Complete omission of the setting accelerators mentioned in the refractory concrete composition has application advantages.
  • Such a concrete element shows poorer hot strength properties due to the low-melting phases that occur when the temperature increases or when the basic oxides (e.g.: MgO, CaO) and the non-basic oxides (e.g.: SiO 2 , A1 2 O 3 ) present in the structure together would form.
  • the basic oxides e.g.: MgO, CaO
  • the non-basic oxides e.g.: SiO 2 , A1 2 O 3
  • the concrete composition can further comprise at least one dispersant, wherein the at least one dispersant preferably contains or is sodium polynaphthalene sulfonate.
  • a suitable dispersant By adding a suitable dispersant, the flowability of the concrete can be increased, whereby the required amount of mixing liquid, in this case the required amount of aqueous colloidal silica sol suspension, can be reduced.
  • the addition of a suitable dispersant can be particularly advantageous, particularly for carbon-containing concretes, since carbon is generally difficult to wet with water.
  • the object according to the invention mentioned at the outset is also achieved by a concrete element produced by casting a fireproof concrete composition according to the invention according to one of claims 1 to 7.
  • the proportions of fine-grained aluminum metal powder (Al), fine-grained carbon carrier (C) and nanosized silicon dioxide (SiO 2 ) particles present in the concrete composition are still contained in the structure of a concrete element according to the invention.
  • the fine-grained ones mentioned are advantageous.
  • nanoscale components are available as reaction partners distributed as evenly as possible in the structure for the new phase formation during the subsequent firing.
  • the concrete composition provided according to the invention is flowable due to the added proportion of aqueous colloidal silica sol suspension.
  • the fireproof concrete composition provided is mixed accordingly before the concrete element is poured into a formwork mold. This ensures that the fine-grained components required for ceramic phase formation in the fired concrete material, in particular the aluminum powder, the nanosized silicon dioxide particles and the carbon carrier material, are also distributed as evenly as possible in the structure of the concrete element.
  • Fireproof concrete elements and components offer advantages for the end customer because the necessary, sometimes time-consuming and complicated manufacturing steps have already been carried out beforehand.
  • Such a concrete element can be made by pouring and drying a concrete composition according to one of claims 1 to 7 or can be produced by drying a concrete element according to the invention according to claim 8.
  • the drying temperature is advantageously chosen in the range from 110 ° C to 350 ° C in order to achieve this Concrete composition essentially dry or dry the water introduced with the aqueous silica sol suspension. to remove this from the concrete composition.
  • the silica sol In addition to its function as a binder and source for reactive nanoscale amorphous silicon dioxide, the silica sol also offers advantages in this regard.
  • reaction-based sol-gel process which essentially causes the green binding of the refractory concrete, extremely small amounts of chemically bound hydrate phases are created and the gel structure also has a high permeability compared to other binding systems. The drying process can therefore take place very quickly and briefly at relatively low temperatures, which reduces economic efficiency and energy consumption.
  • the object according to the invention mentioned at the outset is also achieved by a fired concrete element, wherein the fired concrete element is made from a fireproof concrete composition according to the invention, and wherein the concrete element is fired at a firing temperature of 800 ° C to 1600 ° C and at least one or more ceramic Has phases with needle-shaped structures.
  • the special morphology of the ceramic phases formed in-situ results in a type of ceramic reinforcement of the concrete. Stresses in fired concrete elements that occur due to volume changes due to abrupt temperature changes can therefore be caught and absorbed more easily. This is evident from the significantly improved resistance to temperature changes of fired concrete elements produced according to the invention.
  • the fired concrete material shows significantly better durability than conventional refractory materials when exposed to frequent temperature changes.
  • the in-situ formed ceramic phases are extremely resistant to chemical attacks such as contact with liquid slags.
  • the fired concrete element produced according to the invention forms due to the Ceramic microcapsules missing in the refractory concrete composition, no mullite whiskers formed in situ.
  • the concrete element is fired for a sufficiently long time at a selected firing temperature in order to achieve the most uniform possible temperature distribution with as small as possible during the firing process.
  • the burning time required to achieve the most uniform possible temperature distribution within the concrete element during the burning process depends largely on the size and geometric shape, in particular the wall thickness, of the concrete element to be burned.
  • the relevant test standards for dense refractory products specify the firing temperatures and holding times required to fully heat a test specimen to the prescribed firing temperature.
  • the holding time of 5 hours specified in the DIN EN 993-10 standard for determining the permanent change in length of dense, shaped refractory products can be used as a guideline for the burning time at the respective selected firing temperature ° C).
  • the at least one ceramic phase contains or is aluminum in the form of one or more oxides, carbides, mixed carbides, oxycarbides, nitrides, and/or oxynitrides, and/or mixtures thereof.
  • the at least one or more ceramic phases preferably form when the concrete product is at a firing temperature in the range from 800 ° C to 1600 ° C, preferably at a firing temperature of at least 1000 ° C, particularly preferably at a firing temperature of at least 1250 ° C, has been pretreated or burned.
  • Table 1 below provides an overview of in-situ formed ceramic phases or Phase groups listed, starting from A dried concrete element produced according to the invention (see the left column in Table 1) arises during a temperature pretreatment at the minimum temperature specified in each case and which can in turn change into other phases with a further increase in temperature.
  • the ceramic phases formed or Phase groups are all mechanically and chemically extremely stable and some have needle-like structures.
  • the fired refractory concrete produced according to the invention, which contains such ceramic phases or Contains phase groups, is therefore advantageously ceramic-reinforced, and has exceptionally good strength, high thermal shock resistance during temperature changes and high chemical stability towards aggressive media such as liquid slags.
  • a dried concrete element which is produced with the fireproof concrete composition according to the invention and has been dried accordingly at a drying temperature of 110 ° C to 350 ° C, contains in its structure, among other things, the proportions of fine-grained, homogeneously distributed aluminum metal powder required for the new phase formation during the subsequent firing ( Al), fine-grained, homogeneously distributed carbon support material (C) and nanoscale silicon dioxide (SiO 2 ) particles.
  • Al fine-grained, homogeneously distributed aluminum metal powder required for the new phase formation during the subsequent firing
  • C fine-grained, homogeneously distributed carbon support material
  • SiO 2 nanoscale silicon dioxide
  • new phase formations were determined in a fired concrete element produced according to the invention at a firing temperature of at least 700 ° C, which contained, for example, aluminum oxide in the form of A1 2 O 3 , aluminum carbide in the form of A1 4 C 3 , and silicon (Si). contain .
  • new phase formations could be determined at 800 ° C, for example aluminum oxide (A1 2 O 3 ), silicon (Si), aluminum carbide (A1 4 C 3 ) and Contain aluminum-silicon (Al-Si) mixed carbides.
  • New phase formations can be determined at 1300 ° C, which contain, for example, aluminum oxide (A1 2 O 3 ), aluminum carbide (A1 4 C 3 ), aluminum nitride (AIN), aluminum oxycarbides and Al-Si mixed carbides.
  • Aluminum carbides decompose at higher temperatures above 1300 ° C and form Al-Si mixed carbides.
  • new phase formations could be determined in the concrete element according to the invention examined at 1600 ° C, for example aluminum oxide ( ⁇ 1 2 O 3 ), aluminum nitride (AIN), aluminum oxynitride (A1ON). , aluminum oxycarbonitrides (A1CON) and silicon aluminum oxide nitride (SiAlON) ceramic phases.
  • aluminum oxide ⁇ 1 2 O 3
  • aluminum nitride AIN
  • aluminum oxynitride A1ON
  • AlON aluminum oxycarbonitrides
  • SiAlON silicon aluminum oxide nitride
  • Table 1 in-situ new phase formations (phase groups) in the concrete material produced according to the invention at different firing temperatures (700 ° C to 1600 ° C)
  • the newly formed phase structures not only show excellent mechanical resistance, they are also chemically very stable and particularly resistant to slag attack, i.e. chemically resistant to contact with liquid slags.
  • This fact coupled with a very good infiltration resistance due to a special pore size distribution, results in an extraordinarily good slagging resistance to various slags that often come into contact with refractory materials in the steel production process.
  • the open pores of the invention show Refractory concrete has significantly smaller pore dimensions, which means that significantly lower capillary forces occur when it comes into contact with liquid phases, such as aggressive slags, and the infiltration of these media into the fired concrete material according to the invention is not possible. only takes place to a small extent compared to previously known refractory materials. This fact significantly improves the slagging resistance of fired concrete elements produced according to the invention.
  • fired concrete elements produced according to the invention which is significant in most steel production applications, lies in the relatively low thermal conductivity of the concrete elements produced with the fireproof concrete composition according to the invention compared to conventional carbon-bonded materials. This circumstance can be explained by the relatively low carbon content in the concrete composition according to the invention.
  • the thermal conductivity of a fired concrete element produced according to the invention is, for example, around 4 W/mK, while the thermal conductivity, for example in conventional isostatically pressed products, such as those used in the continuous casting process, is at values greater than 10 W/mK lies . Heat losses can thus be significantly reduced with concrete elements produced according to the invention.
  • a fired concrete element produced according to the invention after pretreatment at a firing temperature of at least 1000 ° C, has a cold compressive strength (according to DIN EN 993-5) of at least 140 MPa, preferably of at least 160 MPa, and/or can have a cold bending strength (according to DIN EN 993-6) of at least 20 MPa.
  • a concrete element produced according to the invention can have a hot bending strength, measured at 1500 ° C, of at least 15 MPa (determined according to ISO 5013 or DIN EN 993-7). Such a high one Hot bending strength indicates exceptional mechanical stability of the material at high temperatures.
  • a fired concrete element produced according to the invention can be used particularly flexibly if the fired concrete element is essentially stable in volume and a permanent change in length (determined according to DIN EN 993-10) of the fired concrete element after cooling is of -0.1% to +0.1 % relative to its initial length before burning.
  • This geometric stability of the concrete material according to the invention even at and after very high firing temperatures offers, for example, great advantages with regard to the stability and longevity of fireproof brick linings.
  • Removing the concrete element from the formwork form optionally drying the concrete element, preferably choosing a drying temperature of 110 ° C to 350 ° C for drying;
  • the dry starting material for producing the fireproof concrete composition is initially mixed with an appropriate amount of an aqueous colloidal silica sol.
  • Suspension is mixed and mixed homogeneously in a suitable mixer.
  • the dry starting material and the aqueous colloidal silica sol suspension can each be stored separately from one another.
  • the amounts and weight proportions of the components to be mixed can advantageously be precisely controlled and adjusted.
  • the proportion of water or Humidity can be precisely adjusted and controlled in this way. be logged.
  • the fireproof concrete composition provided is then poured as a flowable mass into a suitable formwork mold.
  • the casting can advantageously be carried out by shaking and/or vibrating the corresponding formwork form in order to compact the cast concrete composition in the formwork form by means of vibration energy introduced.
  • several prepared formwork forms can be placed on a vibrating table, and several concrete elements can thus be produced at the same time.
  • the concrete elements are removed from the formwork forms.
  • the formwork forms are removed accordingly in order to preserve the hardened concrete elements.
  • the concrete elements or Shaped bodies in a suitable drying unit preferably at temperatures of 110 ° C to 350 ° C.
  • the advantages of the final firing of a concrete element according to the invention at a firing temperature of at least 800 ° C have already been pointed out earlier.
  • the high-strength, ceramic phases that form when the concrete composition is fired in-situ at temperatures of around 800 ° C and the aluminum or aluminum compounds in The form of one or more oxides, carbides, mixed carbides, oxycarbides, nitrides, and/or oxynitrides, and/or corresponding mixtures thereof are contained or are advantageously structured in small pieces in a fired concrete element on a micrometer scale and/or on a nanometer scale and thus largely homogeneously distributed in the fired concrete element.
  • fired concrete elements can be produced with the concrete composition according to the invention, which have the most homogeneous strength properties possible due to the homogeneously distributed ceramic phases and are particularly dimensionally stable.
  • Figure 1 shows the course of the cold compressive strength (measured according to DIN EN 993-5) of concrete material produced according to the invention as a function of the pretreatment temperature.
  • the sudden increase in the determined cold compressive strength (given in MPa) at a pretreatment temperature between 700 ° C and 800 ° C, which can be seen in Figure 1, is due to the in-situ new phase formation that occurs at this pretreatment temperature from 700 ° C during the firing process of a fired concrete element use the invention.
  • concrete elements which were produced from concrete compositions according to the invention were examined.
  • the recipe information for the concrete compositions according to the invention used for the strength tests correspond to the values given in Table 2 for exemplary embodiments 2 and 3.
  • Table 2 below lists some exemplary embodiments according to the invention in the form of possible recipes for producing a fireproof concrete composition.
  • exemplary embodiments 1 to 5 of refractory concrete compositions according to the invention given in Table 2 each serve for the subsequent production of refractory concrete elements, which can be delivered to customers after appropriate drying.
  • the dried concrete elements are first burned on site at the customer's site in order to have the aforementioned advantages according to the invention as fired refractory concrete elements.
  • the recipes for refractory concrete compositions according to exemplary embodiments 1, 4 and 5 listed in Table 2 are typically used for applications in which the refractory concrete material produced therefrom comes into contact with pig iron. These are, for example, refractory applications for refractory concrete elements in the area of pig iron ladle, blast furnace troughs, and/or torpedo ladle in pig iron production.
  • the refractory concrete compositions according to exemplary embodiments 2 and 3 in Table 2 are typically used for applications in steel production, for example for refractory concrete blocks in the area of the steel ladle, the ladle bottom and the walls of the steel ladle, for perforated bricks, as well as for various functional refractory products, which are: Continuous casting processes are required.
  • the ones in Fig. 1 shown values for the cold compressive strength (in MPa) were determined using fired concrete elements that were produced from refractory concrete compositions according to exemplary embodiments 2 and 3 of Table 2.
  • the other specified strength values (cold bending strength, hot bending strength) were also determined using these refractory concrete compositions according to exemplary embodiments 2 and 3 of Table 2.
  • the dry mixtures of the raw material components were first prepared without silica sol as the mixing liquid.
  • the dry mixtures prepared in each case were mixed homogeneously according to the respective recipe.
  • the dry mixtures were then each mixed with the in
  • the homogeneous mixing of the dry mixture of the raw material components with the silica sol suspension was carried out in a compulsory mixer, maintaining a mixing time of 3 to 5 minutes.
  • the fireproof concrete composition according to the invention thus provided was flowable and could then be cast into suitable formwork forms.
  • the formwork forms were advantageously vibrated during the casting of the refractory concrete composition in order to compress the casting compound accordingly and to obtain refractory concrete elements that were as pore-free as possible.
  • the concrete elements produced could be removed from the formwork.
  • a fireproof concrete element according to the invention was obtained.
  • firing the refractory concrete elements at a firing temperature of 800 ° C to 1600 ° C a fired concrete element was obtained, which was produced according to one of the concrete compositions according to the invention specified in exemplary embodiments 1 to 5.

Abstract

The invention relates to a refractory cement composition comprising: - a proportion of 35 to 70 wt.% of a coarse-grain fraction of at least one refractory raw material having grain sizes of at least 0.5 mm; - a proportion of 15 to 30 wt.% of a fine-grain fraction of the at least one refractory raw material having grain sizes smaller than 0.5 mm; - a proportion of 0 to 20 wt.% of fine-grain calcined aluminium oxide having grain sizes smaller than 0.1 mm; - a proportion of 0 to 2 wt.% of fine-grain magnesium oxide powder having grain sizes smaller than 0.1 mm; - a proportion of 2 to 7 wt.% fine-grain aluminium metal powder having grain sizes smaller than 100 µm; - a proportion of 2 to 8 wt.% of at least one fine-grain carbon carrier having grain sizes smaller than 100 µm, wherein the at least one fine grain carbon carrier contains or is carbon black and/or graphite; - a proportion of 4 to 20 wt.% of an aqueous colloidal silica sol suspension, wherein the silica sol suspension contains a solids proportion of 30 to 50 wt.% of amorphous nanoscaled silicon dioxide particles. The invention also relates to a method for producing a fired cement element from a refractory cement composition.

Description

BETONZUSAMMENSETZUNG UND HERSTELLUNGSVERFAHREN FÜR EIN BETONELEMENT CONCRETE COMPOSITION AND PRODUCTION METHOD FOR A CONCRETE ELEMENT
GEBIET DER ERFINDUNG FIELD OF THE INVENTION
Die Erfindung betrifft eine feuerfeste Betonzusammensetzung . Weiters betrifft die Erfindung ein Betonelement , das aus einer feuerfesten Betonzusammensetzung hergestellt ist , sowie ein Verfahren zur Herstellung eines gebrannten Betonelements . The invention relates to a fireproof concrete composition. The invention further relates to a concrete element which is made from a fireproof concrete composition and to a method for producing a fired concrete element.
STAND DER TECHNIK STATE OF THE ART
Aus dem Stand der Technik von Feuerfestprodukten sind bereits zahlreiche Rezepturen zur Herstellung von Feuerfestauskleidungen bekannt . Für kohlenstoffhaltige Feuerfesterzeugnisse ist bekannt , im Gemenge so genannte Antioxidantien zu verwenden, beispielsweise in Form von Metallpulvern . Diese Additive haben den Vorteil , den Kohlenstoff vor Oxidation zu schützen, indem sie bei höheren Temperaturen und bei geringem Sauerstoff angebot voluminöse Metalloxide bilden, die den Porenraum der Feuerfesterzeugnisse verringern . Diese Metallpulver können als Antioxidantien j edoch nicht oder nur eingeschränkt verwendet werden, wenn das Gemenge oder die daraus gebildete Masse eine wässrige Phase enthält . In diesem Fall besteht nämlich aufgrund der Reaktionsfähigkeit von Metallpulver mit Wasser und der damit verbundenen Wasserstof fbildung Explosionsgefahr und somit ein hohes Sicherheitsrisiko . Aus der Gruppe der Metallpulver ist insbesondere Aluminiummetallpulver sehr reaktionsfreudig . Beim Einsatz von reaktionsfreudigem Aluminiummetallpulver ist daher der Kontakt mit Wasser bzw . Feuchte zu vermeiden, da große Mengen an Wasserstoff gebildet werden können, die aufgrund der Explosionsgefahr ein hohes Sicherheitsrisiko darstellen . Im Unterschied dazu zeigt beispielsweise Siliciummetallpulver eine wesentlich geringere Reaktivität im Kontakt mit Wasser und ist daher in der Handhabung weniger kritisch . Numerous recipes for producing refractory linings are already known from the prior art for refractory products. For carbon-containing refractory products, it is known to use so-called antioxidants in the mixture, for example in the form of metal powders. These additives have the advantage of protecting the carbon from oxidation by forming voluminous metal oxides at higher temperatures and when there is little oxygen available, which reduce the pore space of the refractory products. However, these metal powders cannot be used as antioxidants or can only be used to a limited extent if the mixture or the mass formed from it contains an aqueous phase. In this case, due to the reactivity of metal powder with water and the associated hydrogen formation, there is a risk of explosion and therefore a high safety risk. From the group of metal powders, aluminum metal powder in particular is very reactive. When using reactive aluminum metal powder, contact with water or Humidity should be avoided, as large amounts of hydrogen can be formed, which pose a high safety risk due to the risk of explosion. In contrast, silicon metal powder, for example, shows a significantly lower reactivity in contact with water and is therefore less critical to handle.
Beispielsweise ist aus der US 8 , 450 , 229 B2 ein Gemenge zur Herstellung von kohlenstoff gebundenen Magnesiasteinen, also von basischen feuerfesten Steinen, für den Einsatz zum Beispiel in einem Konverter bekannt geworden, wobei das Gemenge als Hauptkomponente Magnesiumoxid als feuerfesten Gesteinsrohstoff , sowie pyrogen gewonnenes Siliciumdioxidpulver , zumindest ein Kunstharz als Bindemittel und zumindest ein metallbasiertes pulverförmiges Antioxidationsmittel umfasst und wobei der Anteil von Siliciumdioxidpulver zwischen 0 , 01 und 5 Gew . % bezogen auf den Anteil von Magnesiumoxid ist . Das pyrogene Siliciumdioxidpulver wird dabei in einer organischen Dispersion, beispielsweise in Alkohol , vorgelegt , um die eingangs erwähnten Probleme beim Kontakt von Metallpulvern mit Wasser zu vermeiden . For example, from US 8, 450, 229 B2 is a mixture for producing carbon-bonded magnesia bricks, i.e. basic refractory bricks, for use, for example, in a Converter has become known, the mixture comprising magnesium oxide as the main component as a refractory rock raw material, as well as pyrogenically obtained silicon dioxide powder, at least one synthetic resin as a binder and at least one metal-based powdered antioxidant and the proportion of silicon dioxide powder being between 0.01 and 5 wt. % based on the proportion of magnesium oxide is. The pyrogenic silicon dioxide powder is presented in an organic dispersion, for example in alcohol, in order to avoid the problems mentioned above when metal powders come into contact with water.
Generell wird in der US 8 , 450 , 229 B2 empfohlen, möglichst wasserfrei zu arbeiten . So wird darauf hingewiesen, dass sich beim Brennvorgang von kohlenstoffhaltigen, feuerfesten Steinen, die metallische Antioxidantien, insbesondere Aluminiummetall , enthalten, Carbidphasen bilden können . Weshalb Anwendungen, bei denen die Formkörper nach der in-situ-Karbonisierung in erheblichem Maße abkühlen und dann Wasser aufnehmen können, wie dies zum Beispiel bei einer Produktionsunterbrechung auftreten kann, zur Dekomposition der bei der Karbonisierung gebildeten Carbide mit einer einhergehenden Volumenänderung und damit zur Zerstörung des Formkörpers führen können . In general, US 8, 450, 229 B2 recommends working as water-free as possible. It is pointed out that carbide phases can form during the burning process of carbon-containing refractory bricks that contain metallic antioxidants, especially aluminum metal. Which is why applications in which the shaped bodies cool down to a considerable extent after in-situ carbonization and can then absorb water, as can occur, for example, when production is interrupted, lead to decomposition of the carbides formed during carbonization with an accompanying change in volume and thus destruction of the molding can lead.
Weiters ist beispielsweise aus der US 2012 / 0142518 Al eine zementfreie , feuerfeste Zusammensetzung bekannt geworden, wobei die Zusammensetzung Aluminiumoxid, Siliciumcarbid, trockene pyrogene Kieselsäure , Aluminiummetall , ein kohlenstoffhaltiges Material , reaktives Aluminiumoxid sowie zusätzlich ein Antioxidationsmittel in Form von Borcarbid, Silicium, oder Mischungen daraus enthält . Verweise auf pyrogene Kieselsäure als Bestandteil der feuerfesten Zusammensetzung beziehen sich in der US 2012 / 0142518 Al explizit auf den Einsatz von trockenen, pyrogen hergestellten Kieselsäure- Partikeln mit Korngrößen im Mikrometerbereich ( sogenannte „Microsilica"-Partikel ) , im Unterschied zu kolloidaler Kieselsäure . Der Anteil an Aluminiummetallpulver in dieser feuerfesten Zusammensetzung ist mit höchstens 1 , 5 Gew . % , vorzugsweise mit höchstens 1 Gew . % , angegeben, wobei die feuerfeste Zusammensetzung aufgrund der zwingend darin enthaltenen pyrogenen Kieselsäure gegebenenfalls sogar ohne Zusatz von Aluminiummetallpulver hergestellt werden kann. Für den Fall, dass Aluminiummetall für die Herstellung der feuerfesten Zusammensetzung eingesetzt wird, so wird ein Zusatz von Aluminiummetallpulver mit Korngrößen von etwa 200 pm empfohlen, da andernfalls beim Einsatz eines feiner gekörnten Metallpulvers mit kleineren Korngrößen unter 200 pm insbesondere in Anwesenheit von Wasser die Reaktionskinetik in der feuerfesten Zusammensetzung schwierig zu kontrollieren sei. Furthermore, for example, from US 2012/0142518 Al a cement-free, fireproof composition has become known, the composition containing aluminum oxide, silicon carbide, dry fumed silica, aluminum metal, a carbon-containing material, reactive aluminum oxide and additionally an antioxidant in the form of boron carbide, silicon, or mixtures contains from it. References to pyrogenic silica as a component of the fireproof composition in US 2012/0142518 Al explicitly refer to the use of dry, pyrogenically produced silica particles with grain sizes in the micrometer range (so-called "microsilica" particles), in contrast to colloidal silica. The The proportion of aluminum metal powder in this fireproof composition is stated to be at most 1.5% by weight, preferably at most 1% by weight, the fireproof composition possibly even without the addition of aluminum metal powder due to the fumed silica it necessarily contains can be produced. In the event that aluminum metal is used to produce the refractory composition, the addition of aluminum metal powder with grain sizes of approximately 200 pm is recommended, otherwise the reaction kinetics will be affected when using a finer-grained metal powder with smaller grain sizes below 200 pm, especially in the presence of water difficult to control in the refractory composition.
Wie der US 2012/0142518 Al weiters zu entnehmen ist, wurden sowohl Versuche mit Rezepturen gemäß der in US 2012/0142518 Al vorgeschlagenen, feuerfesten Zusammensetzung unter Einsatz von trockener, pyrogener Kieselsäure durchgeführt (siehe Rezepturen „Mix 1" und „Mix 2" in den Tabellen II und III) , als auch Vergleichsversuche mit Rezepturen, bei denen eine wässrige Suspension an kolloidaler Kieselsäure anstelle von pyrogener Kieselsäure eingesetzt wurde (siehe Rezepturen „Mix 3" und „Mix 4" in den Tabellen II und III) . Wobei bei den Rezepturen unter Einsatz von trockener, pyrogener Kieselsäure ein entsprechender Anteil an Wasser zugesetzt wurde. As can also be seen from US 2012/0142518 Al, both tests were carried out with recipes according to the fireproof composition proposed in US 2012/0142518 Al using dry, fumed silica (see recipes “Mix 1” and “Mix 2” in Tables II and III), as well as comparative experiments with recipes in which an aqueous suspension of colloidal silica was used instead of fumed silica (see recipes “Mix 3” and “Mix 4” in Tables II and III). An appropriate proportion of water was added to the recipes using dry, fumed silica.
Aus dem Vergleich der mit den unterschiedlichen Rezepturen hergestellten, gebrannten Formsteine ist bekannt, dass deren Heißbiegefestigkeit (englisch: Hot MOR, Hot Modulus of Rupture; Messmethode gemäß ASTM C583) , gemessen bei einer Temperatur von 2700°F (entsprechend etwa 1500°C) , bei den Versuchen mit der in US 2012/0142518 Al vorgeschlagenen, feuerfesten Zusammensetzung unter Einsatz von trockener, pyrogener Kieselsäure (Rezepturen „Mix 1" sowie „Mix 2") jeweils etwa doppelt so hoch war als bei den entsprechenden Vergleichsversuchen, bei denen eine wässrige Suspension an kolloidaler Kieselsäure anstelle von pyrogener Kieselsäure eingesetzt wurde (Rezepturen „Mix 3" sowie „Mix 4") . Als Höchstwert der Heißbiegefestigkeit bei 2700°F (also bei etwa 1500°C) wurde für eine in der US 2012/0142518 Al vorgeschlagene, feuerfeste Zusammensetzung (siehe Tabellen II und III: Rezeptur „Mix 1"; mit 0,5 Gew.% an Aluminiummetallpulver sowie 6 Gew.% an pyrogener Kieselsäure in Form von „Microsilica"-Partikel ) ein Wert von 742 psi (englisch: pounds per square inch) erhalten, was umgerechnet einem Wert von etwa 51 bar bzw. 5,1 MPa entspricht. In einem entsprechenden Vergleichsversuch (siehe Tabellen II und III: Rezeptur „Mix 3"; mit 0,5 Gew.% an Aluminiummetallpulver sowie 8 Gew.% einer wässrigen Suspension an kolloidaler Kieselsäure) , in dem unter sonst gleichen Versuchsbedingungen eine wässrige Suspension an kolloidaler Kieselsäure anstelle von pyrogener Kieselsäure eingesetzt wurde, wurde bloß ein Wert von 366 psi für die Heißbiegefestigkeit bei 2700°F erhalten, was umgerechnet etwa 25 bar bzw. 2,5 MPa entspricht. Aus der US 2012/0142518 Al ergibt sich somit, dass der Einsatz von Siliciumdioxid-Partikel in einer kollodialen Kieselsol-Suspension jedenfalls nachteilig ist im Vergleich zum Einsatz von pyrogener Kieselsäure in Form von „Microsilica"-Partikel - unabhängig davon, ob Aluminiummetallpulver eingesetzt wird oder nicht. From the comparison of the fired shaped bricks produced with the different recipes, it is known that their hot flexural strength (English: Hot MOR, Hot Modulus of Rupture; measurement method according to ASTM C583), measured at a temperature of 2700°F (corresponding to approximately 1500°C) , in the tests with the fireproof composition proposed in US 2012/0142518 Al using dry, pyrogenic silica (recipes "Mix 1" and "Mix 2") was approximately twice as high as in the corresponding comparison tests in which one aqueous suspension of colloidal silica was used instead of pyrogenic silica (recipes “Mix 3” and “Mix 4”). The maximum value of the hot bending strength at 2700 ° F (i.e. at around 1500 ° C) was set for a fireproof composition proposed in US 2012/0142518 Al (see Tables II and III: recipe "Mix 1"; with 0.5% by weight of aluminum metal powder and 6% by weight of fumed silica in the form of "microsilica" particles) a value of 742 psi (pounds per square inch) was obtained, which corresponds to a value of approximately 51 bar or 5.1 MPa. In a corresponding comparison test (see Tables II and III: Recipe "Mix 3"; with 0.5% by weight of aluminum metal powder and 8% by weight of an aqueous suspension of colloidal silica), in which an aqueous suspension of colloidal silica was used instead of fumed silica under otherwise identical experimental conditions, was just one A value of 366 psi was obtained for the hot bending strength at 2700 ° F, which corresponds to approximately 25 bar or 2.5 MPa. From US 2012/0142518 Al it follows that the use of silicon dioxide particles in a colloidal silica sol suspension In any case, it is disadvantageous compared to the use of fumed silica in the form of “microsilica” particles - regardless of whether aluminum metal powder is used or not.
Nachteilig an den aus der US 2012/0142518 Al bekannt gewordenen, feuerfesten Zusammensetzungen mit den Rezepturen „Mix 1" bis „Mix 4" ist zumindest, dass die erhaltenen Festigkeitswerte von mit diesen Zusammensetzungen hergestellten, gebrannten Formsteinen vergleichsweise gering sind. The disadvantage of the refractory compositions known from US 2012/0142518 Al with the recipes “Mix 1” to “Mix 4” is at least that the strength values obtained from fired shaped bricks produced with these compositions are comparatively low.
In den Tabellen II und III wird außerdem noch ein weiterer Vergleichsversuch „Mix 5" mit herkömmlichem, zementgebundenem Beton gezeigt, dessen Heißbiegefestigkeit bei 2700°F bloß 122 psi (umgerechnet etwa 8,4 bar bzw. 0,84 MPa) beträgt und damit deutlich schlechtere Festigkeitswerte aufweist als die Rezepturen „Mix 1" bis „Mix 4". Bei dieser herkömmlichen Betonzusammensetzung gemäß Rezeptur „Mix 5", die einen hohen Anteil von 3,3 Gew.% an Kalziumaluminat-Zement , bloß einen geringen Anteil von 0,1 Gew.% an Aluminiummetallpulver sowie einen Anteil von 2,5 Gew.% an pyrogen hergestellten Kieselsäure-Partikeln mit Korngrößen im Mikrometerbereich ( „Microsilica"-Partikel ) enthält, führt die Zugabe von Wasser (gemäß „Mix 5" werden 5 Gew.% Wasser zugesetzt) unweigerlich zu einer exothermen Hydratationsreaktion des Aluminiummetallpulvers mit Wasser. Bei dieser Reaktion bildet sich jedoch in nachteiliger Weise Wasserstoff gas (siehe auch Absatz [0046] der US 2012/0142518 Al) , wobei das Aluminiummetallpulver zu Aluminiumoxid abreagiert und damit im Gefüge der Betonzusammensetzung nicht mehr als Reaktionspartner zur Verfügung steht. Bei Zugabe von höheren Anteilen an Aluminiummetallpulver beispielsweise von 1 Gew.% oder darüber würde es bei der Zugabe von Wasser im „Mix 5" unweigerlich zur Knallgasbildung kommen, weshalb die Rezeptur „Mix 5" zur sicheren Herstellung von hochfestem, besonders formstabilem Feuerfestbeton nicht geeignet ist. Tables II and III also show another comparative test "Mix 5" with conventional, cement-bound concrete, whose hot bending strength at 2700 ° F is only 122 psi (the equivalent of about 8.4 bar or 0.84 MPa) and is therefore clear has worse strength values than the recipes "Mix 1" to "Mix 4". In this conventional concrete composition according to the recipe "Mix 5", which has a high proportion of 3.3% by weight of calcium aluminate cement, only a low proportion of 0, 1% by weight of aluminum metal powder and a proportion of 2.5% by weight of pyrogenically produced silica particles with grain sizes in the micrometer range ("microsilica" particles), the addition of water (according to "Mix 5" results in 5% by weight. % water added) inevitably leads to an exothermic hydration reaction of the aluminum metal powder with water. However, this reaction disadvantageously forms hydrogen gas (see also paragraph [0046] of US 2012/0142518 A1), whereby the aluminum metal powder reacts to form aluminum oxide and is therefore no longer available as a reactant in the structure of the concrete composition. When adding higher proportions of aluminum metal powder, for example 1% by weight or more, it would occur when adding Water in "Mix 5" inevitably leads to the formation of oxyhydrogen gas, which is why the "Mix 5" recipe is not suitable for the safe production of high-strength, particularly dimensionally stable refractory concrete.
Aus der KR 101 047 358 Bl sind feuerfeste Betonzusammensetzungen für die Eisenindustrie bekannt, wobei eine verbesserte Korrosionsbeständigkeit sowie eine hohe Spritzhaftung von Kieselsol unter Verwendung von Härtungsmitteln auf Anionen- und Kationenbasis erreicht werden soll. Die in den beiden Tabellen 1 und 2 in KR 101 047 358 Bl genannten Betonzusammensetzungen der Ausführungsbeispiele 1 bis 8 gehen jeweils von einem feuerfesten Ausgangsstoff in Form von Braunkorund (Brown Fused Alumina) mit Grobkornanteilen von 71 Gew.% bis 79,5 Gew.% aus. Angaben zu Feinkornanteilen des feuerfesten Ausgangsstoffs mit Korngrößen kleiner als 0,5 mm fehlen. Bei den Rezepturen der Ausführungsbeispiele 7 und 8 werden beispielsweise jeweils 5 Gew.% an Ruß, 5 Gew.% an Aluminiummetallpulver mit Korngrößen von etwa 0,2 mm, sowie 7,4 Gew.% an Kieselsol mit einem Anteil von 0,3 Gew.% eines anionischen Dispergiermittels eingesetzt. Nachteilig an diesen Betonzusammensetzungen ist zumindest, dass aufgrund des fehlenden Feinkornanteils eine Bindematrix fehlt, um den hohen Grobkornanteil an körnigen Grobkomponenten mit Korngrößen von bis zu 10 mm darin einzubetten. Außerdem ist es nachteilig, Aluminiummetallpulver mit einer Körnung von bis zu 0,2 mm einzusetzen, da ein solches Metallpulver aufgrund seiner Korngröße weniger reaktiv ist, lokale Konzentrationsunterschiede im Gefüge verursachen und in den Betonzusammensetzungen daher nicht so gleichmäßig verteilt werden kann wie ein feinkörniges Aluminiummetallpulver mit noch kleineren Korngrößen. Die in der Tabelle angegebenen Heißbiegefestigkeiten (englisch: Hot Modulus of Rupture) der Betonzusammensetzungen wurden jeweils bei einer Temperatur von 1400°C ermittelt und betragen im Fall der Rezeptur des Ausführungsbeispiels 7 maximal 78 kg/ cm2 bzw. beim Ausführungsbeispiel 8 maximal 77 kg/cm2 (umgerechnet jeweils 7, 6 MPa) , was vergleichsweise niedrig ist. Fireproof concrete compositions for the iron industry are known from KR 101 047 358 Bl, with improved corrosion resistance and high spray adhesion of silica sol being achieved using anion- and cation-based hardening agents. The concrete compositions of exemplary embodiments 1 to 8 mentioned in the two tables 1 and 2 in KR 101 047 358 Bl are each based on a fireproof starting material in the form of brown corundum (brown fused alumina) with coarse grain proportions of 71% by weight to 79.5% by weight. out of. Information on fine grain proportions of the refractory starting material with grain sizes smaller than 0.5 mm is missing. In the recipes of exemplary embodiments 7 and 8, for example, 5% by weight of carbon black, 5% by weight of aluminum metal powder with a grain size of approximately 0.2 mm, and 7.4% by weight of silica sol with a proportion of 0.3% by weight .% of an anionic dispersant used. The disadvantage of these concrete compositions is that, due to the lack of fine grain content, there is no binding matrix to embed the high coarse grain content of granular coarse components with grain sizes of up to 10 mm. In addition, it is disadvantageous to use aluminum metal powder with a grain size of up to 0.2 mm, since such a metal powder is less reactive due to its grain size, causes local concentration differences in the structure and therefore cannot be distributed as evenly in the concrete compositions as a fine-grained aluminum metal powder even smaller grain sizes. The hot flexural strengths (Hot Modulus of Rupture) of the concrete compositions given in the table were determined at a temperature of 1400 ° C and amount to a maximum of 78 kg / cm 2 in the case of the recipe of exemplary embodiment 7 or a maximum of 77 kg / cm 2 in exemplary embodiment 8. cm 2 (equivalent to 7.6 MPa), which is comparatively low.
Meist werden die Heißbiegefestigkeiten solcher feuerfester Erzeugnisse jedoch bei 1500°C angegeben (wie vorhin im Falle der US 2012/0142518 Al) , wobei dem Fachmann beispielsweise aus der Publikation von Ham cek, J. et al. : „On the high temperature bending strength of castables" [Ceramics - Silik ty 56 ( 3 ) 198-203 ( 2012 ) ] bekannt ist , dass die Heißbiegefestigkeiten insbesondere von Feuerfestmaterialien mit geringem Zementanteil (ULCC, engl . : Ultra- Low Cement Castables ) oder ohne Zementanteil (NCC , engl . : No-Cement Castables ) j eweils mit steigender Brenntemperatur sinken . Somit ist davon auszugehen, dass die in KR 101 047 358 Bl bei 1400 ° C angegebenen maximalen Heißbiegefestigkeiten extrapoliert bei einer Temperatur von 1500 ° C j edenfalls kleiner als 7 , 6 MPa wären und somit vergleichsweise niedrig sind . In nachteiliger Weise sind die in der KR 101 047 358 Bl angegebenen Festigkeitswerte , insbesondere Heißbiegefestigkeiten, von gebrannten Formsteinen, die mit Zusammensetzungen gemäß den Ausführungsbeispielen 7 und 8 hergestellt wurden, vergleichsweise gering . However, the hot bending strengths of such refractory products are usually given at 1500 ° C (as previously in the case of US 2012/0142518 Al), with the person skilled in the art knowing, for example, from the publication by Ham cek, J. et al. : “On the high temperature bending strength of castables" [Ceramics - Silik ty 56 (3) 198-203 (2012)] it is known that the hot bending strengths, in particular of refractory materials with a low cement content (ULCC, English: Ultra-Low Cement Castables) or without cement content (NCC, English: No-Cement Castables) decrease as the firing temperature increases. It can therefore be assumed that the maximum hot bending strengths specified in KR 101 047 358 Bl at 1400 ° C are extrapolated at a temperature of 1500 ° C in any case smaller than 7, 6 MPa and are therefore comparatively low. Disadvantageously, the strength values specified in KR 101 047 358 B1, in particular hot bending strengths, of fired shaped bricks that were produced with compositions according to exemplary embodiments 7 and 8 are comparatively low.
Die CN 110 240 486 B betrifft eine herkömmliche zementgebundene Betonmasse mit einem erheblichen Anteil von zumindest 4 bis 6 Gew . % an Kalziumaluminat-Zement , die unter anderem einen Anteil von 4 bis 6 Gew . % an Aluminiummetallpulver enthält . Wie bereits erwähnt reagiert in einer herkömmlichen zementgebundenen Betonmasse insbesondere in größeren Mengen bzw . höheren Konzentrationen zugegebenes Aluminiumpulver sehr heftig mit Wasser unter Wasserstoff gasbildung - bis hin zur Knallgasbildung . Das in der CN 110 240 486 B genannte Herstellungsverfahren für die zementgebundene Betonmasse bezweckt daher, das Aluminiumpulver durch einen aufwendigen Oberf lächenbehandlungs- und Kalzinierungsprozess mittels Keramikmembran-Mikrokapseln zu umschließen, damit ein solcherart inertisiertes , metallisches Material mit oxidischer Oberfläche bei Zugabe zur zementgebundenen Betonmasse keine Reaktion mit Wasser zeigt . Im ersten Prozessschritt wird dazu das Aluminiummetallpulver durch die Bildung von oberflächlichem Aluminiumoxid inertisiert . Im zweiten Prozessschritt wird das oberflächenkorrodierte Aluminiummetallpulver in alkalisches Kieselsol eingelegt . Abschließend wird das oberflächenbehandelte Aluminiummetallpulver bei 500 bis 700 ° C kalziniert , wobei bei höheren Temperaturen ab 1000 ° C die oxidischen Schichten aus Aluminiumoxid (A12O3 ) und Siliciumdioxid ( SiO2 ) Keramikmembranen in Form von in-situ gebildetem Mullit ausbilden . Diese Keramikmembranen bilden Mikrokapseln, die das innenliegende Aluminiumpulver umgeben und dieses inertisieren . Die Siliciumdioxid-Partikel aus dem Kieselsol sind in den Mikrokapseln gebunden . Zusammenfassend werden in CN 110 240 486 B der zementgebundenen Betonmasse mit einem hohen Zementanteil von zumindest 4 Gew . % weder feinkörniges Aluminiummetallpulver noch eine wässrige kolloidale Kieselsol- Suspension zugegeben, sondern mit einer Keramikmembran umgegebene Mikrokapseln, in denen das inertisierte Aluminiummetallpulver eingeschlossen ist und Siliciumdioxid-Partikel darin gebunden sind . CN 110 240 486 B relates to a conventional cement-bound concrete mass with a significant proportion of at least 4 to 6 weight. % of calcium aluminate cement, which, among other things, accounts for 4 to 6 wt. % of aluminum metal powder contains. As already mentioned, in a conventional cement-bound concrete mass, particularly in larger quantities or Aluminum powder added to higher concentrations forms gases very violently with water and hydrogen - up to the formation of oxyhydrogen. The purpose of the manufacturing process for the cement-bound concrete mass mentioned in CN 110 240 486 B is to enclose the aluminum powder through a complex surface treatment and calcination process using ceramic membrane microcapsules, so that such an inerted, metallic material with an oxidic surface does not form when added to the cement-bound concrete mass Reacts with water. In the first process step, the aluminum metal powder is inerted by the formation of surface aluminum oxide. In the second process step, the surface-corroded aluminum metal powder is placed in alkaline silica sol. Finally, the surface-treated aluminum metal powder is calcined at 500 to 700 ° C, whereby at higher temperatures from 1000 ° C, the oxide layers made of aluminum oxide (A1 2 O 3 ) and silicon dioxide (SiO 2 ) form ceramic membranes in the form of in-situ formed mullite. These ceramic membranes form microcapsules that surround the internal aluminum powder and inert it. The silicon dioxide particles from the Silica sol are bound in the microcapsules. In summary, in CN 110 240 486 B the cement-bound concrete mass with a high cement content of at least 4 wt. % neither fine-grained aluminum metal powder nor an aqueous colloidal silica sol suspension was added, but rather microcapsules surrounded by a ceramic membrane in which the inerted aluminum metal powder is enclosed and silicon dioxide particles are bound therein.
Nachteilig an diesem in CN 110 240 486 B genannten Verfahren ist j edenfalls , dass die separate Herstellung der keramischen Mikrokapseln, die der zementgebundenen Betonmasse zugegeben werden, sehr aufwendig ist . Die beschriebenen, in-situ gebildeten Mullit- Whis ker haben außerdem den Nachteil , dass in-situ gebildeter Mullit in Anwesenheit von höheren Anteilen von Kalziumaluminat-Zement zu niedrigschmelzenden Phasen mit verschlechterten Heißfestigkeitseigenschaften im gebrannten Betonelement führt . Dies ist dem Fachmann bekannt . The disadvantage of this process mentioned in CN 110 240 486 B is that the separate production of the ceramic microcapsules that are added to the cement-bound concrete mass is very complex. The in-situ formed mullite whiskers described also have the disadvantage that in-situ formed mullite in the presence of higher proportions of calcium aluminate cement leads to low-melting phases with impaired hot strength properties in the fired concrete element. This is known to those skilled in the art.
Um hochfesten, besonders formstabilen feuerfesten Beton zu erhalten, sollte die entsprechende Betonzusammensetzung daher möglichst zementfrei hergestellt sein oder zumindest einen deutlich geringeren Anteil an Zementbindemittel enthalten als die in der In order to obtain high-strength, particularly dimensionally stable refractory concrete, the corresponding concrete composition should be made as cement-free as possible or at least contain a significantly lower proportion of cement binder than that in the
CN 110 240 486 B vorgegebenen mindestens 4 Gew . % Kalziumaluminat- Zement . Weiters ist beim Brand eines solchen Betonelements die in- situ-Bildung von keramischen Mullit-Phasen zu vermeiden und ein hochfestes , besonders formstabiles Betonelement mit hoher Heißbiegefestigkeit sollte daher möglichst frei von in-situ gebildeten, keramischen Mullit-Phasen sein . CN 110 240 486 B specified at least 4 wt. % calcium aluminate cement. Furthermore, when firing such a concrete element, the in-situ formation of ceramic mullite phases must be avoided and a high-strength, particularly dimensionally stable concrete element with high hot bending strength should therefore be as free as possible from in-situ formed ceramic mullite phases.
Aus der JP 2001 114571 A sind bereits Rezepturen zur Herstellung eines gießbaren feuerfesten Materials für Feuerfestauskleidungen bekannt , wobei in der Betonzusammensetzung von 0 , 5 bis 10 Gew . % an Aluminiumpulver sowie umgerechnet von 0 , 1 bis maximal 2 Gew . % Feststoff anteil an amorphen Siliciumdioxid-Partikeln zugesetzt werden . Die amorphen Siliciumdioxid-Partikel werden mittels einer wässrigen kolloidalen Kieselsol-Suspension mit einem Feststoff- Anteil von 20 Gew . % an Siliciumdioxid-Partikeln bereitgestellt . Die Zugabe eines höheren Anteils der wässrigen kolloidalen Kieselsol- Suspension (mit 20% Siliciumdioxid-Partikel ) mit einem Feststoff anteil an amorphen Siliciumdioxid-Partikeln größer als 2 Gew . % in der Betonzusammensetzung wird als nachteilig beschrieben, da dadurch die Korrosionsbeständigkeit des feuerfesten Materials sinkt . Angaben zur Festigkeit gebrannter Betonelemente sind der JP 2001 114571 A nicht zu entnehmen . Recipes for producing a castable refractory material for refractory linings are already known from JP 2001 114571 A, with 0.5 to 10 weight in the concrete composition. % of aluminum powder and converted from 0.1 to a maximum of 2 wt. % solids content of amorphous silicon dioxide particles are added. The amorphous silicon dioxide particles are produced using an aqueous colloidal silica sol suspension with a solids content of 20% by weight. % of silicon dioxide particles provided. The addition of a higher proportion of the aqueous colloidal silica sol suspension (with 20% silicon dioxide particles) with a Solid content of amorphous silicon dioxide particles greater than 2 wt. % in the concrete composition is described as disadvantageous because it reduces the corrosion resistance of the refractory material. Information on the strength of fired concrete elements cannot be found in JP 2001 114571 A.
Nachteilig an den aus JP 2001 114571 A bekannten Rezepturen ist zumindest , dass der Anteil an nanoskalierten Siliciumdioxid- Partikeln, die über die Kieselsol-Suspension in die j eweiligen Betonzusammensetzungen eingebracht werden, sehr gering ist . Betonelemente , die nach dem Brennen besonders formstabil sind, lassen sich mit diesen Rezepturen nicht herstellen . The disadvantage of the recipes known from JP 2001 114571 A is at least that the proportion of nanoscale silicon dioxide particles that are introduced into the respective concrete compositions via the silica sol suspension is very low. Concrete elements that are particularly dimensionally stable after firing cannot be produced with these recipes.
Aus der US 2014 / 0291904 Al sind weiters Betonzusammensetzungen bekannt , bei denen 0 , 1 bis 5 Gew . % pyrogen hergestellter Kieselsäure-Partikel ( sogenannte „Microsilica"-Partikel ) eingesetzt werden . Als Anmachflüssigkeit wird Wasser zugegeben . In den Betonzusammensetzungen, die bis zu 0 , 5 Gew . % an Zementbinder enthalten können, ist bewusst kein Aluminiummetallpulver vorhanden, um eine Wasserstoff gasbildung beim Anmischen mit Wasser zu vermeiden . Die Zugabe eines Anteils einer kolloidalen Kieselsol- Suspension ist in der US 2014 / 0291904 Al nicht genannt . Betonelemente , die nach dem Brennen besonders formstabil sind, lassen sich mit diesen Rezepturen allerdings nicht herstellen . Concrete compositions are also known from US 2014/0291904 Al in which 0.1 to 5 wt. % pyrogenically produced silica particles (so-called "microsilica" particles) are used. Water is added as the mixing liquid. In the concrete compositions, which can contain up to 0.5% by weight of cement binder, there is deliberately no aluminum metal powder present in order to produce hydrogen To avoid gas formation when mixing with water. The addition of a portion of a colloidal silica sol suspension is not mentioned in US 2014/0291904 Al. However, concrete elements that are particularly dimensionally stable after firing cannot be produced with these recipes.
AUFGABE DER ERFINDUNG OBJECT OF THE INVENTION
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung , die aus dem Stand der Technik bekannt gewordenen Nachteile zu verbessern und eine Zusammensetzung für die Herstellung von hochfestem, besonders formstabilem Feuerfestbeton anzugeben, die zwar Kohlenstoff enthält , der mit entsprechenden Metallpulvern, insbesondere mit Aluminiummetallpulver, vor Oxidation geschützt wird, wobei die Zusammensetzung aber trotzdem mit einer wässrigen Flüssigkeit ohne Sicherheitsrisiko verarbeitet werden kann, um daraus für feuerfeste Anwendungen geeignete Betonelemente mit verbesserter Festigkeit , insbesondere mit verbesserter Heißbiegefestigkeit , herzustellen . Weiters soll eine Zusammensetzung für die Herstellung von Feuerfestbeton angegeben werden, mit der Betonelemente hergestellt werden können, die nach dem Brennen besonders formstabil sind. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung solcher gebrannter Betonelemente anzugeben. It is therefore an object of the invention to improve the disadvantages known from the prior art and to provide a composition for the production of high-strength, particularly dimensionally stable refractory concrete, which contains carbon, which is protected from oxidation with appropriate metal powders, in particular with aluminum metal powder is, but the composition can still be processed with an aqueous liquid without safety risk in order to produce concrete elements suitable for fireproof applications with improved strength, in particular with improved hot bending strength. Furthermore, a composition for the production of refractory concrete is to be specified, with which concrete elements are produced can be made that are particularly dimensionally stable after firing. A further object of the invention is to provide a method for producing such fired concrete elements.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG PRESENTATION OF THE INVENTION
Zur Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe wird eine feuerfeste Betonzusammensetzung angegeben, wobei die Betonzusammensetzung umfasst : To solve the problem according to the invention, a fireproof concrete composition is specified, the concrete composition comprising:
- einen Anteil von 35 bis 70 Gew.%, vorzugsweise von 50 bis - a proportion of 35 to 70% by weight, preferably 50 to
65 Gew.%, einer Grobkornfraktion zumindest eines feuerfesten Rohstoffs mit Korngrößen von zumindest 0,5 mm, vorzugsweise mit Korngrößen von 0,5 mm bis 12 mm; 65% by weight, of a coarse grain fraction of at least one refractory raw material with grain sizes of at least 0.5 mm, preferably with grain sizes of 0.5 mm to 12 mm;
- einen Anteil von 15 bis 30 Gew.%, vorzugsweise von 20 bis 25 Gew.%, einer Feinkornfraktion des zumindest einen feuerfesten Rohstoffs mit Korngrößen kleiner als 0,5 mm; - a proportion of 15 to 30% by weight, preferably 20 to 25% by weight, of a fine grain fraction of the at least one refractory raw material with grain sizes smaller than 0.5 mm;
- wobei der zumindest eine feuerfeste Rohstoff ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus: Sintertonerde, Edelkorund, Braunkorund, Graukorund, Magnesiumaluminium-Spinell, Mullit, Bauxit, Andalusit, Schamotte, und/oder Siliciumcarbid, sowie Mischungen der vorgenannten Stoffe; - wherein the at least one refractory raw material is selected from the group consisting of: sintered alumina, precious corundum, brown corundum, gray corundum, magnesium aluminum spinel, mullite, bauxite, andalusite, chamotte, and/or silicon carbide, as well as mixtures of the aforementioned substances;
- einen Anteil von 0 bis 20 Gew.%, vorzugsweise von 1 bis 7 Gew.%, an feinkörniger kalzinierter Tonerde mit Korngrößen kleiner als 0,1 mm, vorzugsweise mit Korngrößen kleiner als 50 pm; - a proportion of 0 to 20% by weight, preferably 1 to 7% by weight, of fine-grained calcined alumina with grain sizes smaller than 0.1 mm, preferably with grain sizes smaller than 50 pm;
- einen Anteil von 0 bis 2 Gew.% an feinkörnigem Magnesiumoxidpulver mit Korngrößen kleiner als 0,1 mm; - a proportion of 0 to 2% by weight of fine-grained magnesium oxide powder with grain sizes smaller than 0.1 mm;
- einen Anteil von 2 bis 7 Gew.%, vorzugsweise von 3 bis 6 Gew.%, an feinkörnigem Aluminiummetallpulver mit Korngrößen kleiner als 100 pm, vorzugsweise mit Korngrößen kleiner als 63 pm; - a proportion of 2 to 7% by weight, preferably 3 to 6% by weight, of fine-grained aluminum metal powder with grain sizes smaller than 100 pm, preferably with grain sizes smaller than 63 pm;
- einen Anteil von 2 bis 8 Gew.% zumindest eines feinkörnigen Kohlenstoff trägers mit Korngrößen kleiner als 100 pm, wobei der zumindest eine feinkörnige Kohlenstoff träger Ruß und/oder Graphit enthält oder ist; - a proportion of 2 to 8% by weight of at least one fine-grained carbon carrier with grain sizes smaller than 100 pm, the at least one fine-grained carbon carrier containing or being soot and/or graphite;
- einen Anteil von 4 bis 20 Gew.% einer wässrigen kolloidalen Kieselsol-Suspension, wobei die Kieselsol-Suspension einen Feststoff anteil von 30 bis 50 Gew.% an amorphen nanoskalierten Siliciumdioxid-Partikeln enthält . In der erfindungsgemäßen feuerfesten Betonzusammensetzung bildet der Anteil der feinkörnigen Komponenten mit Korngrößen kleiner als 0 , 5 mm, insbesondere die Feinkornfraktion des zumindest einen feuerfesten Rohstoffs , eine Bindematrix für die Grobkornfraktion des zumindest einen feuerfesten Rohstoffs mit Korngrößen von zumindest 0 , 5 mm und größer . Die körnigen Grobkomponenten mit Korngrößen von zumindest 0 , 5 mm sind dabei in der vom Feinanteil gebildeten Bindematrix eingebettet , was vorteilhaft ist für die nachfolgende Herstellung besonders formstabiler Betonelemente . - a proportion of 4 to 20% by weight of an aqueous colloidal silica sol suspension, the silica sol suspension containing a solid proportion of 30 to 50% by weight of amorphous nanoscaled silicon dioxide particles. In the refractory concrete composition according to the invention, the proportion of fine-grain components with grain sizes smaller than 0.5 mm, in particular the fine-grain fraction of the at least one refractory raw material, forms a binding matrix for the coarse-grain fraction of the at least one refractory raw material with grain sizes of at least 0.5 mm and larger. The granular coarse components with grain sizes of at least 0.5 mm are embedded in the binding matrix formed by the fine fraction, which is advantageous for the subsequent production of particularly dimensionally stable concrete elements.
Überraschenderweise hat sich bei der erfindungsgemäßen feuerfesten Betonzusammensetzung gezeigt , dass - in Abkehr zur Lehre der Surprisingly, it has been shown in the fireproof concrete composition according to the invention that - in contrast to the teaching of
US 2012 / 0142518 Al - der Einsatz von nanoskalierten Siliciumdioxid ( SiO2 ) -Partikel , die in einer wässrigen kolloidalen Kieselsol- Suspension vorgelegt sind, im Zusammenwirken mit den weiteren Bestandteilen der erfindungsgemäßen feuerfesten Betonzusammensetzung besonders vorteilhaft ist , um daraus besonders formstabile , hochfeste gebrannte Betonelemente herstellen zu können . US 2012/0142518 Al - the use of nanoscaled silicon dioxide (SiO 2 ) particles, which are presented in an aqueous colloidal silica sol suspension, in cooperation with the other components of the fireproof concrete composition according to the invention is particularly advantageous in order to produce particularly dimensionally stable, high-strength fired ones To be able to produce concrete elements.
Unter dem Begriff „Kieselsol" versteht man eine wässrige kolloidale Suspension von meist kugelförmigen Polykieselsäure-Molekülen von 30 Gew . % bis maximal 60 % Siliciumdioxid . Dieser Begriff setzt sich aus den Begriffen „Kiesel" für Kieselsäuren und „Sol" , einem Synonym von Kolloid, zusammen . Die etwa kugelförmigen Polykieselsäure- Partikel werden dabei über Sauerstof fbrücken zu einer amorphen Kieselsäure , die auch als Kieselgel bezeichnet wird, verbunden . The term "silica sol" is understood to mean an aqueous colloidal suspension of mostly spherical polysilicic acid molecules with 30% by weight to a maximum of 60% silicon dioxide. This term is made up of the terms "silica" for silica and "sol", a synonym for colloid The approximately spherical polysilicic acid particles are connected via oxygen bridges to form an amorphous silica, also known as silica gel.
Die nanoskalierten Siliciumdioxid ( SiO2 ) -Partikel könnten als trockene , wasserfreie Feststoff komponente , also als trockene Siliciumdioxid-Partikel , aufgrund ihrer vergleichsweise geringen Partikelgrößen im Nanometer-Maßstab nur unzureichend gleichmäßig verteilt in die restliche Betonzusammensetzung mit einem Stoffgemenge mit sonst durchwegs größeren Korngrößen im Mikrometer- Maßstab oder Millimeter-Maßstab eingemischt werden . Außerdem würde es bei Lagerung einer Trockenmischung zur Herstellung der feuerfesten Betonzusammensetzung zur Entmischung der darin enthaltenen, trockenen Siliciumdioxid-Partikel kommen . In der wässrigen kolloidalen Kieselsol-Suspension liegen die nanos kalierten Siliciumdioxid-Partikel j edoch in vorteilhafter Weise bereits als möglichst homogen verteilte , kugelförmige Einzelpartikel vor, die untereinander unvernetzt sowie an ihrer Oberfläche hydroxyliert sind . Due to their comparatively small particle sizes on the nanometer scale, the nanoscaled silicon dioxide (SiO 2 ) particles could only be insufficiently evenly distributed as a dry, water-free solid component, i.e. as dry silicon dioxide particles, in the rest of the concrete composition with a mixture of substances with otherwise consistently larger grain sizes Micrometer scale or millimeter scale can be mixed in. In addition, when storing a dry mix for producing the refractory concrete composition, the dry silicon dioxide particles contained therein would separate. However, the nanosized silicon dioxide particles are already advantageously present in the aqueous colloidal silica sol suspension Spherical individual particles that are distributed as homogeneously as possible and are not cross-linked with each other and are hydroxylated on their surface.
Das Einbringen einer ausreichenden Menge der wässrigen kolloidalen Kieselsol-Suspension als Anmachflüssigkeit in die feuerfeste Betonzusammensetzung gegebenenfalls unter Mischen in einem geeigneten Betonmischer bietet den Vorteil , dass sobald die Kieselsol-Suspension das Gemenge der Betonzusammensetzung gleichmäßig benetzt , die nanos kalierten Siliciumdioxid-Partikel auch in der feuerfesten Betonzusammensetzung möglichst gleichmäßig bzw . homogen verteilt vorliegen und die Betonzusammensetzung fließfähig ist und vergossen werden kann . Damit einhergehend ist gewährleistet , dass insbesondere nach Mischen der Bestandteile der feuerfesten Betonzusammensetzung auch die weiteren feinkörnigen Bestandteile wie das feinkörnige Aluminiumpulver sowie der feinkörnige Kohlenstoff träger möglichst gleichmäßig bzw . homogen verteilt in der Betonzusammensetzung vorliegen . Unter dem Begriff „homogen verteilt" wird im Folgenden daher die möglichst gleichmäßige Verteilung insbesondere von feinkörnigen Bestandteilen mit vergleichsweise kleinen Korngrößen im Nanometer-Maßstab oder im Mikrometer-Maßstab innerhalb des Gemenges der feuerfesten Betonzusammensetzung verstanden . Je gleichmäßiger bzw . homogener verteilt insbesondere die feinkörnigen Bestandteile innerhalb des Gemenges der feuerfesten Betonzusammensetzung mit unterschiedlichen Korngrößen sind, umso gleichmäßigere Eigenschaften weisen auch Betonelemente auf , die mit einer erfindungsgemäßen Betonzusammensetzung hergestellt sind . Introducing a sufficient amount of the aqueous colloidal silica sol suspension as a mixing liquid into the refractory concrete composition, if necessary with mixing in a suitable concrete mixer, offers the advantage that as soon as the silica sol suspension evenly wets the mixture of the concrete composition, the nanosized silicon dioxide particles are also in the fireproof concrete composition as evenly as possible. are homogeneously distributed and the concrete composition is flowable and can be poured. This also ensures that, particularly after mixing the components of the refractory concrete composition, the other fine-grained components such as the fine-grained aluminum powder and the fine-grained carbon carrier are mixed as evenly as possible. homogeneously distributed in the concrete composition. In the following, the term “homogeneously distributed” is understood to mean the distribution that is as uniform as possible, in particular of fine-grained components with comparatively small grain sizes on the nanometer scale or on the micrometer scale, within the mixture of the refractory concrete composition. The more evenly or homogeneously distributed the fine-grained components in particular within the mixture of the refractory concrete composition with different grain sizes, the more uniform properties also have concrete elements that are produced with a concrete composition according to the invention.
Ohne an eine Theorie gebunden zu sein, scheint bei der erfindungsgemäßen feuerfesten Betonzusammensetzung insbesondere das Zusammenwirken einer ausreichenden Menge von als Kieselsol vorgelegten, nanos kalierten Siliciumdioxid ( SiO2 ) -Partikel , die besonders reaktiv sind und in der feuerfesten Betonzusammensetzung in Form der wässrigen kolloidalen Kieselsol-Suspension besonders gleichmäßig bzw . homogen verteilt sind, in Kombination mit einer ausreichenden Menge an feinkörnigem Aluminiummetallpulver sowie mit einem ausreichenden Anteil an einem feinkörnigen Kohlenstoff träger mit Korngrößen kleiner als 100 pm besonders vorteilhaft zu sein . In eigenen Vorversuchen konnte gezeigt werden, dass beim Brand eines Betonelements , das mit einer erfindungsgemäßen Betonzusammensetzung hergestellt wird, welche ein Anteil in der Betonzusammensetzung von 2 Gew . % bis 7 Gew . % an feinkörnigem Aluminiummetallpulver mit Korngrößen kleiner als 100 pm aufweist in Kombination mit den weiteren Bestandteilen der Betonzusammensetzung , es zur in-situ- Bildung von hochfesten, keramischen Phasen kommt . Abhängig von der j eweiligen Brenntemperatur enthalten oder sind diese keramischen Phasen Aluminium in Form eines oder mehrerer Oxide , Carbide , Mischcarbide , Oxycarbide , Nitride , und/oder Oxynitride und/oder entsprechender Mischungen daraus . Without being bound to a theory, the refractory concrete composition according to the invention appears to involve, in particular, the interaction of a sufficient amount of nanoscaled silicon dioxide (SiO 2 ) particles presented as a silica sol, which are particularly reactive and in the refractory concrete composition in the form of the aqueous colloidal silica sol -Suspension particularly uniform or are homogeneously distributed, being particularly advantageous in combination with a sufficient amount of fine-grained aluminum metal powder and with a sufficient proportion of a fine-grained carbon carrier with grain sizes smaller than 100 pm. In our own preliminary tests it could be shown that when a concrete element is fired that is produced with a concrete composition according to the invention, which has a proportion of 2 weight in the concrete composition. % to 7 wt. % of fine-grained aluminum metal powder with grain sizes smaller than 100 pm in combination with the other components of the concrete composition, the in-situ formation of high-strength, ceramic phases occurs. Depending on the respective firing temperature, these ceramic phases contain or are aluminum in the form of one or more oxides, carbides, mixed carbides, oxycarbides, nitrides, and/or oxynitrides and/or corresponding mixtures thereof.
Es konnte gezeigt werden, dass die in-situ-Phasenbildung der Aluminium-basierten, keramischen Phasen vorteilhaft durch ein Zusammenwirken des Aluminiummetallpulvers insbesondere mit in der Betonzusammensetzung ausreichend vorhandenen, homogen verteilten nanos kalierten Siliciumdioxid ( SiO2 ) -Partikel , sowie mit einem ausreichenden Anteil an Ruß , Graphit oder Mischungen daraus , die als feinkörniger Kohlenstoff träger in der Betonzusammensetzung möglichst homogen verteilt vorliegt , begünstigt wird . It could be shown that the in-situ phase formation of the aluminum-based, ceramic phases is advantageous through an interaction of the aluminum metal powder, in particular with sufficiently present, homogeneously distributed nanoscaled silicon dioxide (SiO 2 ) particles in the concrete composition, as well as with a sufficient proportion of soot, graphite or mixtures thereof, which are distributed as fine-grained carbon carriers as homogeneously as possible in the concrete composition.
Diese hochfesten, keramischen Phasen, die sich beim Brennen der Betonzusammensetzung in-situ bei Temperaturen etwa ab 800 ° C bilden und die Aluminium oder Aluminiumverbindungen in Form eines oder mehrerer Oxide , Carbide , Mischcarbide , Oxycarbide , Nitride , und/oder Oxynitride , und/oder entsprechender Mischungen daraus enthalten oder sind, sind in einem gebrannten Betonelement vorteilhaft im Mikrometer-Maßstab und/oder im Nanometer-Maßstab kleinteilig strukturiert und somit weitestgehend homogen im gebrannten Betonelement verteilt . Somit können mit der erfindungsgemäßen Betonzusammensetzung gebrannte Betonelemente hergestellt werden, die aufgrund der homogen verteilten keramischen Phasen möglichst homogene Festigkeitseigenschaften aufweisen und besonders formstabil sind . These high-strength, ceramic phases, which form in-situ when the concrete composition is fired at temperatures of approximately 800 ° C and which contain aluminum or aluminum compounds in the form of one or more oxides, carbides, mixed carbides, oxycarbides, nitrides, and/or oxynitrides, and/ or corresponding mixtures thereof, are advantageously structured in small pieces in a fired concrete element on a micrometer scale and/or on a nanometer scale and are therefore largely homogeneously distributed in the fired concrete element. Thus, fired concrete elements can be produced with the concrete composition according to the invention, which have the most homogeneous strength properties possible due to the homogeneously distributed ceramic phases and are particularly dimensionally stable.
Besonders vorteilhaft ist es , wenn der Anteil an feinkörnigem Aluminiummetallpulver in der erfindungsgemäßen Betonzusammensetzung von 3 Gew . % bis 6 Gew . % eingestellt wird, damit im gebrannten Betonprodukt , das aus der erfindungsgemäßen Betonzusammensetzung hergestellt wird, ein ausreichender Anteil an solchen Aluminiumbasierten keramischen Phasenneubildungen verteilt ist . Es zeigte sich in den Vorversuchen, dass beispielsweise durch die Auswahl eines Anteils von 5 Gew . % an feinkörnigem Aluminiummetallpulver in der Betonzusammensetzung die Festigkeit von daraus hergestellten, gebrannten Betonelementen weiter gesteigert werden kann, da sich der Anteil an in-situ gebildeten, Aluminium-basierten keramischen Phasen bzw . Strukturen im gebrannten Betonelement weiter erhöht . Aus derzeitiger Sicht scheint insbesondere aus Gründen der Wirtschaftlichkeit bei einem Anteil von 5 Gew . % an feinkörnigem Aluminiummetallpulver in der Betonzusammensetzung ein Optimum an Kosten/Nutzen erreicht . Bei einem weiter erhöhten Anteil bis etwa 7 Gew . % an Aluminiummetallpulver in der erfindungsgemäßen Betonzusammensetzung nehmen zwar weiterhin die genannten technischen Vorteile zu, allerdings steigen damit einhergehend auch die Materialkosten zur Herstellung der erfindungsgemäßen Betonzusammensetzung . It is particularly advantageous if the proportion of fine-grained aluminum metal powder in the concrete composition according to the invention is 3% by weight. % to 6 wt. % is set so that in the fired concrete product, which is made from the concrete composition according to the invention is produced, a sufficient proportion of such aluminum-based ceramic new phase formations is distributed. The preliminary tests showed that, for example, by selecting a proportion of 5 wt. % of fine-grained aluminum metal powder in the concrete composition, the strength of fired concrete elements made from it can be further increased, since the proportion of in-situ formed, aluminum-based ceramic phases or Structures in the fired concrete element further increased. From the current perspective, a proportion of 5% by weight seems to be the case, particularly for reasons of economic efficiency. % of fine-grained aluminum metal powder in the concrete composition achieves an optimum cost/benefit. With a further increased proportion up to about 7 wt. % of aluminum metal powder in the concrete composition according to the invention, the technical advantages mentioned continue to increase, but the material costs for producing the concrete composition according to the invention also increase.
Der Gesamtanteil des zumindest einen feuerfesten Rohstoffs oder feuerfesten Rohstoff gemisches in der feuerfesten Betonzusammensetzung beträgt insgesamt von 65 bis 90 Gew . % . Eine Korngrößenverteilung dieses zumindest einen feuerfesten Rohstoffs oder Rohstoff gemisches ist durch den Anteil von 35 bis 70 Gew . % einer Grobkornfraktion mit Korngrößen von zumindest 0 , 5 mm, sowie durch den Anteil von 15 bis 30 Gew . % einer Feinkornfraktion mit Korngrößen kleiner als 0 , 5 mm, angegeben . Die körnigen Grobkomponenten mit Korngrößen von zumindest 0 , 5 mm sind dabei vorteilhaft in der Bindematrix , die von der Feinkornfraktion des zumindest einen feuerfesten Rohstoffs sowie den Anteilen der weiteren feinkörnigen Bestandteile der feuerfesten Betonzusammensetzung mit Korngrößen kleiner als 0 , 5 mm gebildet ist , eingebettet . The total proportion of the at least one refractory raw material or refractory raw material mixture in the refractory concrete composition is from 65 to 90 weight. % . A grain size distribution of this at least one refractory raw material or raw material mixture is determined by the proportion of 35 to 70 weight. % of a coarse grain fraction with grain sizes of at least 0.5 mm, and by the proportion of 15 to 30 wt. % of a fine grain fraction with grain sizes smaller than 0.5 mm. The granular coarse components with grain sizes of at least 0.5 mm are advantageously embedded in the binding matrix, which is formed by the fine-grain fraction of the at least one refractory raw material and the proportions of the other fine-grained components of the refractory concrete composition with grain sizes smaller than 0.5 mm.
Als feinkörnige Kohlenstoff träger können Ruß , Industrieruß , Glanzruß , amorpher Graphit , sowie Mischungen der vorgenannten Stoffe eingesetzt werden . Unter dem Begriff „Industrieruß" ( englisch Carbon Black ) versteht man gezielt als Industrie-Grundstoff hergestellten Ruß . Glanzruß ist aus Verbrennungsanlagen abgesetzter Ruß . Der mögliche Anteil von 0 bis 2 Gew . % an feinkörnigem Magnesiumoxidpulver (MgO ) in der Betonzusammensetzung dient als Abbindebeschleuniger , um die Abbindezeit bei der Feuerfestbetonherstellung zu verkürzen . Abhängig von der Materialfeinheit kann es ausreichen, dass die erfindungsgemäße feuerfeste Betonzusammensetzung nur sehr geringe Anteile von Magnesiumoxidpulver, beispielsweise rund 0 , 05 Gew . % , enthält , um eine vergleichsweise rasche Abbindezeit des feuerfesten Betons zu erzielen . Carbon black, industrial carbon black, bright carbon black, amorphous graphite, and mixtures of the aforementioned substances can be used as fine-grained carbon carriers. The term “industrial carbon black” refers to carbon black produced specifically as an industrial raw material. Bright carbon black is carbon black released from incineration plants. The possible proportion of 0 to 2 wt. % of fine-grained magnesium oxide powder (MgO) in the concrete composition serves as a setting accelerator to shorten the setting time in refractory concrete production. Depending on the fineness of the material, it may be sufficient for the fireproof concrete composition according to the invention to contain only very small proportions of magnesium oxide powder, for example around 0.05% by weight. %, contains in order to achieve a comparatively quick setting time of the refractory concrete.
In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung kann besonders zweckmäßig sein, wenn in der Betonzusammensetzung der Feststoff anteil an amorphen nanoskalierten Siliciumdioxid-Partikeln von 2 bis 7 Gew . % beträgt . Dieser Anteil entspricht dem trockenen, wasserfreien Feststoff anteil an Siliciumdioxid-Partikeln, der in der bereitgestellten, wässrigen kolloidalen Kieselsol-Suspension enthalten ist . Damit wird reaktives Siliciumdioxid ( SiO2 ) in ausreichender, aber nicht zu großer Menge zur Verfügung gestellt , um die in-situ-Ausbildung der vorteilhaften keramischen Phasen in einem erfindungsgemäß hergestellten gebrannten Betonelement in entsprechender Menge zu erreichen . In a preferred embodiment of the invention, it can be particularly useful if the solids content of amorphous nanoscale silicon dioxide particles in the concrete composition is 2 to 7 wt. % amounts . This proportion corresponds to the dry, anhydrous solid content of silicon dioxide particles contained in the aqueous colloidal silica sol suspension provided. Reactive silicon dioxide (SiO 2 ) is thus made available in sufficient, but not too large, quantities in order to achieve the in-situ formation of the advantageous ceramic phases in an appropriate quantity in a fired concrete element produced according to the invention.
Eine besonders hohe Reaktivität insbesondere für die erwünschte Phasenneubildung keramischer Phasen beim anschließenden Brennen kann bei einer feuerfesten Betonzusammensetzung gemäß der Erfindung erzielt werden, wenn die amorphen nanos kalierten Siliciumdioxid- Partikel Korngrößen von 2 nm bis 100 nm, vorzugsweise Korngrößen von 5 nm bis 75 nm, aufweisen . Eine entsprechend hohe Reaktivität , gewährleistet durch entsprechend kleinen Partikelgrößen, bewirkt rasche Phasenbildungen bereits bei niedrigen Temperaturen . A particularly high reactivity, in particular for the desired new phase formation of ceramic phases during subsequent firing, can be achieved in a refractory concrete composition according to the invention if the amorphous nanoscaled silicon dioxide particles have grain sizes of 2 nm to 100 nm, preferably grain sizes of 5 nm to 75 nm, exhibit . A correspondingly high reactivity, ensured by correspondingly small particle sizes, causes rapid phase formation even at low temperatures.
Im Unterschied zur erfindungsgemäßen Betonzusammensetzung zeigen zum Beispiel amorphe Microsilica mit Partikelgrößen im Mikrometer ( pm) - Bereich keine ausreichende Reaktivität , weshalb beim anschließenden Brennen einer solchen Mischung mit Microsilica-Partikel im Mikrometer-Bereich die vorteilhaften keramischen Phasen in einem solchen Gefüge nicht erhalten werden . Um eine feuerfeste Betonzusammensetzung gemäß der Erfindung bereitstellen zu können, die möglichst flexibel für unterschiedliche Anwendungen einsetzbar ist , ist der zumindest eine feuerfeste Rohstoff ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus : Sintertonerde , Edelkorund, Braunkorund, Graukorund, Magnesiumaluminium-Spinell , Mullit , Bauxit , Andalusit , Schamotte , und/oder Siliciumcarbid, sowie Mischungen der vorgenannten Stoffe . In contrast to the concrete composition according to the invention, for example, amorphous microsilica with particle sizes in the micrometer (pm) range do not show sufficient reactivity, which is why the advantageous ceramic phases in such a structure are not obtained when such a mixture is subsequently fired with microsilica particles in the micrometer range. In order to be able to provide a fireproof concrete composition according to the invention, which can be used as flexibly as possible for different applications, the at least one fireproof raw material is selected from the group consisting of: sintered alumina, precious corundum, brown corundum, gray corundum, magnesium aluminum spinel, mullite, bauxite, andalusite , fireclay, and/or silicon carbide, as well as mixtures of the aforementioned substances.
Schamotte ist ein gesteinsähnliches , künstlich hergestelltes , feuerfestes Material mit einem Anteil von 10 bis 45 Prozent Aluminiumoxid (A12O3 ) . Schamotte bezeichnet nicht andere feuerfeste Baustoffe . Fireclay is a rock-like, man-made, fireproof material containing 10 to 45 percent aluminum oxide (A1 2 O 3 ). Fireclay does not refer to other fireproof building materials.
Je nach Anwendungsgebiet und abhängig von den j eweiligen Anforderungen an die feuerfesten Erzeugnisse können unterschiedliche feuerfeste Rohstoffe oder Rohstoff gemische zum Einsatz gelangen . Beispielsweise können für sehr stark beanspruchte , insbesondere für thermisch und/oder mechanisch stark beanspruchte Feuerfesterzeugnisse , wie diese für den Stahlherstellungsprozess erforderlich sind, vergleichsweise höherwertigere feuerfeste Rohstoffe zum Einsatz gelangen, wie zum Beispiel Sintertonerde , Edelkorund oder Magnesiumaluminium-Spinell bzw . Mischungen daraus . Depending on the area of application and the respective requirements for the refractory products, different refractory raw materials or raw material mixtures can be used. For example, for refractory products that are subject to very high levels of stress, in particular those subject to high thermal and/or mechanical stress, such as those required for the steel production process, comparatively higher quality refractory raw materials can be used, such as sintered clay, high-grade corundum or magnesium aluminum spinel or Mixtures of them.
In anderen Einsatzgebieten, in denen Feuerfestprodukte weniger stark beansprucht werden und ohne direkten Stahl- und Schlackenkontakt sind, können vergleichsweise kostengünstigere feuerfeste Rohstoffe wie Bauxit , Andalusit und Schamotte eingesetzt werden, die hinsichtlich ihres Kosten-/Leistungsverhältnisses vorteilhafter sind als beispielsweise die vorgenannten höherwertigen feuerfesten Rohstoffe . In other areas of application in which refractory products are subject to less stress and are without direct contact with steel and slag, comparatively cheaper refractory raw materials such as bauxite, andalusite and fireclay can be used, which are more advantageous in terms of their cost/performance ratio than, for example, the higher-quality refractory raw materials mentioned above .
Besonders vorteilhaft kann es für die gewünschte in-situ- Phasenneubildung keramischer Phasen im gebrannten Betonelement sein, wenn in der zur Herstellung des Betonelements verwendeten feuerfesten Betonzusammensetzung erfindungsgemäß die amorphen nanos kalierten Siliciumdioxid-Partikel und/oder der zumindest eine feinkörnige Kohlenstoff träger und/oder das feinkörnige Aluminiummetallpulver in der Betonzusammensetzung homogen verteilt ist bzw . sind . Durch die homogene Verteilung dieser feinkörnigen Komponenten, insbesondere der nanoskalierten Siliciumdioxid- Partikel , wird sichergestellt , dass auch die sich beim Brennvorgang der feuerfesten Betonzusammensetzung in-situ neu bildenden keramischen Phasen im gebrannten Betonmaterial entsprechend homogen verteilt sind . Dadurch können möglichst homogene Werkstoff eigenschaf ten in allen Bereichen des erfindungsgemäß hergestellten, gebrannten Betonmaterials erreicht werden . It can be particularly advantageous for the desired in-situ phase regeneration of ceramic phases in the fired concrete element if, according to the invention, the amorphous nanoscaled silicon dioxide particles and/or the at least one fine-grained carbon carrier and/or the fine-grained aluminum metal powder is homogeneously distributed in the concrete composition or are . Due to the homogeneous distribution of these fine-grained Components, in particular the nanoscale silicon dioxide particles, ensure that the new ceramic phases that form in-situ during the firing process of the refractory concrete composition are correspondingly homogeneously distributed in the fired concrete material. This means that material properties that are as homogeneous as possible can be achieved in all areas of the fired concrete material produced according to the invention.
Um eine möglichst gleichmäßige bzw . homogene Verteilung einer oder mehrerer der genannten feinkörnigen Komponenten in der Betonzusammensetzung zu gewährleisten, kann es zweckmäßig sein, das trockene Ausgangsmaterial zur Herstellung der feuerfesten Betonzusammensetzung bereits vor der Zugabe von Kieselsol als Anmachflüssigkeit in einem geeigneten Betonmischer bzw . Zwangsmischer trocken zu mischen . Zusätzlich oder als Alternative dazu kann anschließend die Trockenmischung zur Herstellung der feuerfesten Betonzusammensetzung während der Zugabe der entsprechenden Menge an wässriger kolloidaler Kieselsol-Suspension gemischt werden, um eine homogene Verteilung einer oder mehrerer der genannten feinkörnigen Komponenten in der Betonzusammensetzung zu gewährleisten . In order to achieve the most even or To ensure homogeneous distribution of one or more of the fine-grained components mentioned in the concrete composition, it may be advisable to use the dry starting material for producing the fireproof concrete composition in a suitable concrete mixer or before adding silica sol as a mixing liquid. Compulsory mixer to mix dry. Additionally or as an alternative, the dry mix for producing the refractory concrete composition can then be mixed during the addition of the appropriate amount of aqueous colloidal silica sol suspension in order to ensure a homogeneous distribution of one or more of the fine-grained components mentioned in the concrete composition.
In einer alternativen Ausführungsform der Erfindung kann die feuerfeste Betonzusammensetzung frei sein von einem Abbindebeschleuniger , insbesondere frei sein von Magnesiumoxid . Wie eingangs erwähnt , dient der optionale Zusatz von Magnesiumoxid in der Betonzusammensetzung als Abbindebeschleuniger . Die erfindungsgemäße Betonzusammensetzung kann aber auch ohne Magnesiumoxid bereitet bzw . verarbeitet werden . Gegebenenfalls kann ohne Zusatz eines Abbindebeschleunigers gearbeitet werden . Alternativ können beispielsweise auch Kalk, Portlandzement , Kalziumaluminat-Zemente , Magnesiumchlorid und/oder andere Magnesium- Salze allein oder in Mischungen als Abbindebeschleuniger anstelle von Magnesiumoxid eingesetzt werden . In an alternative embodiment of the invention, the refractory concrete composition can be free of a setting accelerator, in particular free of magnesium oxide. As mentioned at the beginning, the optional addition of magnesium oxide in the concrete composition serves as a setting accelerator. The concrete composition according to the invention can also be prepared or prepared without magnesium oxide. are processed . If necessary, you can work without adding a setting accelerator. Alternatively, for example, lime, Portland cement, calcium aluminate cements, magnesium chloride and/or other magnesium salts can be used alone or in mixtures as setting accelerators instead of magnesium oxide.
Die Zugabe zumindest eines der erwähnten Abbindebeschleuniger kann j edoch eine Reduktion der Feuerfestigkeit und somit eine Verringerung der Anwendungsgrenztemperatur der erfindungsgemäßen feuerfesten Betonzusammensetzung bewirken . Bei den vorgenannten Abbindebeschleunigern handelt es sich um basische Komponenten, die eingangs genannten feuerfesten Rohstoffe der erfindungsgemäßen feuerfesten Betonzusammensetzung sind im Unterschied dazu j edoch nicht-basisch . Diese Kombination kann bei erhöhten Temperaturen zur Bildung von niedrigschmelzenden Phasen führen . Demnach kann eine Reduktion bzw . ein gänzliches Weglassen der erwähnten Abbindebeschleuniger in der feuerfesten Betonzusammensetzung anwendungstechnische Vorteile haben . However, the addition of at least one of the setting accelerators mentioned can cause a reduction in the fire resistance and thus a reduction in the application limit temperature of the fireproof concrete composition according to the invention. With the aforementioned Setting accelerators are basic components, but the fireproof raw materials mentioned at the beginning of the fireproof concrete composition according to the invention are, in contrast, non-basic. This combination can lead to the formation of low-melting phases at elevated temperatures. Accordingly, a reduction or Complete omission of the setting accelerators mentioned in the refractory concrete composition has application advantages.
Aus technischer Sicht ist es prinzipiell möglich, auch höhere Anteile an basischen feuerfesten Rohstoffen wie zum Beispiel Magnesia (MgO ) oder Dolomit in einem feuerfesten Rohstoff gemisch einzusetzen . Allerdings führt dies dazu, dass bei höheren Anteilen an basischen feuerfesten Rohstoffen in der Betonzusammensetzung - insbesondere wenn diese feinkörnig vorliegen - die Sol-Gel-Reaktion umso rascher abläuft . In einem solchen Fall würde die Betonzusammensetzung besonders rasch abbinden und die Verarbeitungszeit der Betonzusammensetzung zum Vergießen der Betonelemente damit verkürzt . Allerdings zeigt ein solches Betonelement schlechtere Heißfestigkeitseigenschaften aufgrund der niedrigschmelzenden Phasen, die sich bei Temperaturerhöhung bzw . beim Brennen der im Gefüge gemeinsam vorhandenen basischen Oxide ( z . B . : MgO , CaO ) sowie der nicht-basischen Oxide ( z . B . : SiO2 , A12O3 ) bilden würden . From a technical perspective, it is in principle possible to use higher proportions of basic refractory raw materials such as magnesia (MgO) or dolomite in a refractory raw material mixture. However, this means that with higher proportions of basic refractory raw materials in the concrete composition - especially if they are fine-grained - the sol-gel reaction occurs all the more quickly. In such a case, the concrete composition would set particularly quickly and the processing time of the concrete composition for casting the concrete elements would thus be shortened. However, such a concrete element shows poorer hot strength properties due to the low-melting phases that occur when the temperature increases or when the basic oxides (e.g.: MgO, CaO) and the non-basic oxides (e.g.: SiO 2 , A1 2 O 3 ) present in the structure together would form.
In einer Weiterbildung der erfindungsgemäßen feuerfesten Betonzusammensetzung kann die Betonzusammensetzung weiterhin zumindest ein Dispergierungsmittel umfassen, wobei das zumindest eine Dispergierungsmittel vorzugsweise Natrium-Polynaphtalinsulf onat enthält oder ist . Durch Zusatz eines geeigneten Dispergierungsmittels kann die Fließfähigkeit des Betons erhöht werden, wodurch die erforderliche Zugabemenge an Anmachflüssigkeit , hier die erforderliche Menge an wässriger kolloidaler Kieselsol- Suspension, reduziert werden kann . Insbesondere bei kohlenstoffhaltigen Betonen kann der Zusatz eines geeigneten Dispergierungsmittels besonders vorteilhaft sein, da sich Kohlenstoffe generell schwer mit Wasser benetzen lassen . Die eingangs genannte erfindungsgemäße Aufgabe wird auch von einem Betonelement , hergestellt durch Vergießen einer erfindungsgemäßen feuerfesten Betonzusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 , gelöst . Wie eingangs bereits erwähnt sind im Gefüge eines erfindungsgemäßen Betonelements die in der Betonzusammensetzung vorgelegten Anteile an feinkörnigem Aluminiummetallpulver (Al ) , an feinkörnigem Kohlenstoff träger ( C ) sowie an nanos kalierten Siliciumdioxid ( SiO2 ) -Partikeln weiterhin enthalten . Vorteilhaft stehen die genannten feinkörnigen bzw . nanoskalierten Bestandteile als im Gefüge möglichst gleichmäßig verteilte Reaktionspartner damit für die Phasenneubildungen beim anschließenden Brand zur Verfügung . Die erfindungsgemäß bereitgestellte Betonzusammensetzung ist aufgrund des beigemengten Anteils an wässriger kolloidaler Kieselsol-Suspension fließfähig . In a further development of the fireproof concrete composition according to the invention, the concrete composition can further comprise at least one dispersant, wherein the at least one dispersant preferably contains or is sodium polynaphthalene sulfonate. By adding a suitable dispersant, the flowability of the concrete can be increased, whereby the required amount of mixing liquid, in this case the required amount of aqueous colloidal silica sol suspension, can be reduced. The addition of a suitable dispersant can be particularly advantageous, particularly for carbon-containing concretes, since carbon is generally difficult to wet with water. The object according to the invention mentioned at the outset is also achieved by a concrete element produced by casting a fireproof concrete composition according to the invention according to one of claims 1 to 7. As already mentioned at the beginning, the proportions of fine-grained aluminum metal powder (Al), fine-grained carbon carrier (C) and nanosized silicon dioxide (SiO 2 ) particles present in the concrete composition are still contained in the structure of a concrete element according to the invention. The fine-grained ones mentioned are advantageous. nanoscale components are available as reaction partners distributed as evenly as possible in the structure for the new phase formation during the subsequent firing. The concrete composition provided according to the invention is flowable due to the added proportion of aqueous colloidal silica sol suspension.
Um eine möglichst gleichmäßige Verteilung der Kieselsol-Suspension als Anmachflüssigkeit in der Betonzusammensetzung zu gewährleisten, kann es vorteilhaft sein, wenn die bereitgestellte feuerfeste Betonzusammensetzung vor dem Vergießen des Betonelements in eine Schalungsform noch entsprechend vermischt wird . Damit wird gewährleistet , dass die zur keramischen Phasenbildung im gebrannten Betonmaterial erforderlichen feinkörnigen Komponenten, insbesondere das Aluminiumpulver, die nanos kalierten Siliciumdioxid-Partikel sowie das Kohlenstof fträgermaterial , auch im Gefüge des Betonelements möglichst gleichmäßig verteilt sind . In order to ensure the most even distribution of the silica sol suspension as a mixing liquid in the concrete composition, it can be advantageous if the fireproof concrete composition provided is mixed accordingly before the concrete element is poured into a formwork mold. This ensures that the fine-grained components required for ceramic phase formation in the fired concrete material, in particular the aluminum powder, the nanosized silicon dioxide particles and the carbon carrier material, are also distributed as evenly as possible in the structure of the concrete element.
Feuerfeste Betonelemente und Bauteile bieten Vorteile für den Endkunden, da die notwendigen, teilweise zeitaufwendigen und komplizierten Fertigungsschritte bereits zuvor durchgeführt wurden . Fireproof concrete elements and components offer advantages for the end customer because the necessary, sometimes time-consuming and complicated manufacturing steps have already been carried out beforehand.
Besonders vorteilhaft bzw . erforderlich kann sein, wenn ein mit der erfindungsgemäßen feuerfesten Betonzusammensetzung hergestelltes Betonelement im Wesentlichen frei von Wasser ist . Particularly advantageous or may be necessary if a concrete element produced with the refractory concrete composition according to the invention is essentially free of water.
Ein solches Betonelement kann durch Vergießen und Trocknen einer Betonzusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 bzw . durch Trocknen eines erfindungsgemäßen Betonelements nach Anspruch 8 hergestellt werden . Die Trocknungstemperatur wird dazu vorteilhaft im Bereich von 110 ° C bis 350 ° C gewählt , um das in der Betonzusammensetzung im Wesentlichen mit der wässrigen Kieselsol- Suspension eingebrachte Wasser abzutrocknen bzw . dieses aus der Betonzusammensetzung zu entfernen . Such a concrete element can be made by pouring and drying a concrete composition according to one of claims 1 to 7 or can be produced by drying a concrete element according to the invention according to claim 8. The drying temperature is advantageously chosen in the range from 110 ° C to 350 ° C in order to achieve this Concrete composition essentially dry or dry the water introduced with the aqueous silica sol suspension. to remove this from the concrete composition.
Das Kieselsol bietet neben der Funktion als Bindemittel und Quelle für reaktives nanoskaliges amorphes Siliciumdioxid auch diesbezüglich Vorteile . Beim reaktionsgemäß ablaufenden Sol-Gel- Prozess , der im Wesentlichen die Grünbindung des feuerfesten Betons bewirkt , entstehen außerordentlich geringe Mengen an chemisch gebundenen Hydratphasen und zudem besitzt die Gelstruktur im Vergleich zu anderen Bindesystemen eine hohe Permeabilität . Der Trocknungsprozess kann daher sehr zügig und kurz bei relativ niedrigen Temperaturen erfolgen, was die Wirtschaftlichkeit und den Energieverbrauch reduziert . In addition to its function as a binder and source for reactive nanoscale amorphous silicon dioxide, the silica sol also offers advantages in this regard. In the reaction-based sol-gel process, which essentially causes the green binding of the refractory concrete, extremely small amounts of chemically bound hydrate phases are created and the gel structure also has a high permeability compared to other binding systems. The drying process can therefore take place very quickly and briefly at relatively low temperatures, which reduces economic efficiency and energy consumption.
Die eingangs genannte erfindungsgemäße Aufgabe wird außerdem durch ein gebranntes Betonelement gelöst , wobei das gebrannte Betonelement hergestellt ist aus einer feuerfesten Betonzusammensetzung gemäß der Erfindung, und wobei das Betonelement bei einer Brenntemperatur von 800 ° C bis 1600 ° C gebrannt ist und zumindest eine oder mehrere keramische Phasen mit nadelförmigen Strukturen aufweist . The object according to the invention mentioned at the outset is also achieved by a fired concrete element, wherein the fired concrete element is made from a fireproof concrete composition according to the invention, and wherein the concrete element is fired at a firing temperature of 800 ° C to 1600 ° C and at least one or more ceramic Has phases with needle-shaped structures.
Durch die spezielle Morphologie der in-situ gebildeten keramischen Phasen wird eine Art keramische Bewehrung des Betons erreicht . Spannungen in gebrannten Betonelementen, die durch Volumensänderungen aufgrund schroffer Temperaturwechsel auftreten, können damit leichter auf gefangen und absorbiert werden . Erkennbar wird dies durch eine deutlich verbesserte Temperaturwechselbeständigkeit von erfindungsgemäß hergestellten, gebrannten Betonelementen . Das gebrannte Betonmaterial zeigt bei häufigen Temperaturwechseln deutlich bessere Haltbarkeiten als herkömmliche Feuerfestmaterialien . Neben ihrer hohen mechanischen Festigkeit , sind die in-situ gebildeten keramischen Phasen außerordentlich resistent gegenüber chemischen Angriffen wie zum Beispiel bei Kontakt mit flüssigen Schlacken . The special morphology of the ceramic phases formed in-situ results in a type of ceramic reinforcement of the concrete. Stresses in fired concrete elements that occur due to volume changes due to abrupt temperature changes can therefore be caught and absorbed more easily. This is evident from the significantly improved resistance to temperature changes of fired concrete elements produced according to the invention. The fired concrete material shows significantly better durability than conventional refractory materials when exposed to frequent temperature changes. In addition to their high mechanical strength, the in-situ formed ceramic phases are extremely resistant to chemical attacks such as contact with liquid slags.
Im Unterschied zum Verfahren von CN 110 240 486 B bilden sich beim erfindungsgemäß hergestellten, gebrannten Betonelement aufgrund der in der feuerfesten Betonzusammensetzung fehlenden keramischen Mikrokapseln keine in-situ gebildeten Mullit-Whis ker . In contrast to the method of CN 110 240 486 B, the fired concrete element produced according to the invention forms due to the Ceramic microcapsules missing in the refractory concrete composition, no mullite whiskers formed in situ.
Um eine keramische Phasenbildung zu gewährleisten, die als keramische Bewehrung im gesamten Gefüge des gebrannten Betonelements möglichst gleichmäßig verteilt ist , kann es zweckmäßig sein, wenn das Betonelement ausreichend lange bei einer gewählten Brenntemperatur gebrannt wird, um während des Brennvorgangs eine möglichst gleichmäßige Temperaturverteilung mit möglichst kleinem Temperaturgradienten innerhalb des Betonelements zu gewährleisten . Die erforderliche Brenndauer , um während des Brennvorgangs eine möglichst gleichmäßige Temperaturverteilung innerhalb des Betonelements zu erzielen, hängt maßgeblich von der Größe und geometrischen Form, insbesondere der Wandstärke , des zu brennenden Betonelements ab . In den entsprechenden Prüfnormen für dichte feuerfeste Erzeugnisse sind j eweils die Brenntemperaturen und erforderlichen Haltezeiten, um einen Probekörper vollständig auf die vorgeschriebene Brenntemperatur zu erhitzen, festgelegt . Als Richtwert für die Brenndauer bei der j eweils gewählten Brenntemperatur kann beispielsweise die in der Norm DIN EN 993-10 zur Bestimmung der bleibenden Längenänderung von dichten geformten feuerfesten Erzeugnissen festgelegte Haltezeit von 5 Stunden ( im Fall der Prüfung nach DIN EN 993-10 bei 1700 ° C ) herangezogen werden . In order to ensure ceramic phase formation, which is distributed as evenly as possible as ceramic reinforcement throughout the entire structure of the fired concrete element, it may be advisable if the concrete element is fired for a sufficiently long time at a selected firing temperature in order to achieve the most uniform possible temperature distribution with as small as possible during the firing process To ensure temperature gradients within the concrete element. The burning time required to achieve the most uniform possible temperature distribution within the concrete element during the burning process depends largely on the size and geometric shape, in particular the wall thickness, of the concrete element to be burned. The relevant test standards for dense refractory products specify the firing temperatures and holding times required to fully heat a test specimen to the prescribed firing temperature. For example, the holding time of 5 hours specified in the DIN EN 993-10 standard for determining the permanent change in length of dense, shaped refractory products (in the case of testing according to DIN EN 993-10 at 1700) can be used as a guideline for the burning time at the respective selected firing temperature ° C).
Besonders vorteilhafte Materialeigenschaften können sich bei einem gebrannten Betonelement gemäß der Erfindung ergeben, wenn die zumindest eine keramische Phase Aluminium in Form eines oder mehrerer Oxide , Carbide , Mischcarbide , Oxycarbide , Nitride , und/oder Oxynitride , und/oder deren Mischungen enthält oder ist . Particularly advantageous material properties can result from a fired concrete element according to the invention if the at least one ceramic phase contains or is aluminum in the form of one or more oxides, carbides, mixed carbides, oxycarbides, nitrides, and/or oxynitrides, and/or mixtures thereof.
Überraschenderweise wurde festgestellt , dass sich die zumindest eine oder die mehreren keramischen Phasen bevorzugt dann bilden, wenn das Betonprodukt bei einer Brenntemperatur im Bereich von 800 ° C bis 1600 ° C, vorzugsweise bei einer Brenntemperatur von zumindest 1000 ° C , besonders bevorzugt bei einer Brenntemperatur von zumindest 1250 ° C, vorbehandelt ist bzw . gebrannt ist . Surprisingly, it was found that the at least one or more ceramic phases preferably form when the concrete product is at a firing temperature in the range from 800 ° C to 1600 ° C, preferably at a firing temperature of at least 1000 ° C, particularly preferably at a firing temperature of at least 1250 ° C, has been pretreated or burned.
In der nachfolgenden Tabelle 1 sind im Überblick in-situ gebildete keramischen Phasen bzw . Phasengruppen angeführt , die ausgehend von einem erfindungsgemäß hergestellten, getrockneten Betonelement ( siehe die linke Spalte in Tabelle 1 ) bei einer Temperaturvorbehandlung bei der j eweils angegebenen Mindesttemperatur entstehen und die bei einer weiteren Temperaturerhöhung wiederum in andere Phasen übergehen können . Die gebildeten keramischen Phasen bzw . Phasengruppen sind allesamt mechanisch und chemisch außerordentlich stabil und weisen teilweise nadelige Strukturen auf . Der erfindungsgemäß hergestellte , gebrannte Feuerfestbeton, der solche keramischen Phasen bzw . Phasengruppen enthält , wird damit vorteilhaft keramisch bewehrt , und weist außerordentlich gute Festigkeiten, hohe Thermoschock-Beständigkeit bei Temperaturwechsel sowie eine hohe chemische Stabilität gegenüber aggressiven Medien wie beispielsweise flüssigen Schlacken auf . Table 1 below provides an overview of in-situ formed ceramic phases or Phase groups listed, starting from A dried concrete element produced according to the invention (see the left column in Table 1) arises during a temperature pretreatment at the minimum temperature specified in each case and which can in turn change into other phases with a further increase in temperature. The ceramic phases formed or Phase groups are all mechanically and chemically extremely stable and some have needle-like structures. The fired refractory concrete produced according to the invention, which contains such ceramic phases or Contains phase groups, is therefore advantageously ceramic-reinforced, and has exceptionally good strength, high thermal shock resistance during temperature changes and high chemical stability towards aggressive media such as liquid slags.
Ein getrocknetes Betonelement , das mit der erfindungsgemäßen feuerfesten Betonzusammensetzung hergestellt ist und bei einer Trocknungstemperatur von 110 ° C bis 350 ° C entsprechend getrocknet wurde , enthält in seinem Gefüge unter anderem die für die Phasenneubildungen beim anschließenden Brand erforderlichen Anteile an feinkörnigem, homogen verteiltem Aluminiummetallpulver (Al ) , feinkörnigem, homogen verteiltem Kohlenstoff-Trägermaterial ( C ) sowie nanoskalierte Siliciumdioxid ( SiO2 ) -Partikel . Ein solches getrocknetes feuerfestes Betonelement kann bereits an Kunden ausgeliefert werden . A dried concrete element, which is produced with the fireproof concrete composition according to the invention and has been dried accordingly at a drying temperature of 110 ° C to 350 ° C, contains in its structure, among other things, the proportions of fine-grained, homogeneously distributed aluminum metal powder required for the new phase formation during the subsequent firing ( Al), fine-grained, homogeneously distributed carbon support material (C) and nanoscale silicon dioxide (SiO 2 ) particles. Such a dried fireproof concrete element can already be delivered to customers.
Im Detail wurden in einem erfindungsgemäß hergestellten, gebrannten Betonelement bei einer Brenntemperatur von zumindest 700 ° C Phasenneubildungen ermittelt , die beispielsweise Aluminium-Oxid in Form von A12O3 , Aluminium-Carbid in Form von A14C3 , sowie Silicium ( Si ) enthalten . In detail, new phase formations were determined in a fired concrete element produced according to the invention at a firing temperature of at least 700 ° C, which contained, for example, aluminum oxide in the form of A1 2 O 3 , aluminum carbide in the form of A1 4 C 3 , and silicon (Si). contain .
Nach einer Temperaturerhöhung des untersuchten Betonelements auf eine Brenntemperatur von zumindest 800 ° C konnten bei 800 ° C Phasenneubildungen ermittelt werden, die beispielsweise Aluminium- Oxid (A12O3 ) , Silicium ( Si ) , Aluminium-Carbid (A14C3 ) sowie Aluminium-S i l icium (Al-Si ) -Mischcarbide enthalten . After increasing the temperature of the examined concrete element to a firing temperature of at least 800 ° C, new phase formations could be determined at 800 ° C, for example aluminum oxide (A1 2 O 3 ), silicon (Si), aluminum carbide (A1 4 C 3 ) and Contain aluminum-silicon (Al-Si) mixed carbides.
Nach einer weiteren Temperaturerhöhung des untersuchtenAfter a further increase in temperature of the examined
Betonelements auf eine Brenntemperatur von zumindest 1300 ° C konnten bei 1300 ° C Phasenneubildungen ermittelt werden, die beispielsweise Aluminium-Oxid (A12O3 ) , Aluminium-Carbid (A14C3 ) , Aluminium-Nitrid (AIN ) , Aluminium-Oxycarbide sowie Al-Si-Mischcarbide enthalten . Concrete element to a firing temperature of at least 1300 ° C New phase formations can be determined at 1300 ° C, which contain, for example, aluminum oxide (A1 2 O 3 ), aluminum carbide (A1 4 C 3 ), aluminum nitride (AIN), aluminum oxycarbides and Al-Si mixed carbides.
Aluminium-Carbide zerfallen bei höheren Temperaturen ab 1300 ° C und bilden Al-Si-Mischcarbide . Aluminum carbides decompose at higher temperatures above 1300 ° C and form Al-Si mixed carbides.
Bei einer weiteren Temperaturerhöhung auf eine Brenntemperatur von zumindest 1600 ° C konnten im untersuchten erfindungsgemäßen Betonelement bei 1600 ° C Phasenneubildungen ermittelt werden, die beispielsweise Aluminium-Oxid (Ä12O3 ) , Aluminium-Nitrid (AIN ) , Aluminium-Oxynitride (A1ON ) , Aluminiumoxicarbonitride (A1CON) sowie Silicium-Aluminiumoxid-Nitrid ( SiAlON ) -Keramikphasen enthalten . With a further increase in temperature to a firing temperature of at least 1600 ° C, new phase formations could be determined in the concrete element according to the invention examined at 1600 ° C, for example aluminum oxide (Ä1 2 O 3 ), aluminum nitride (AIN), aluminum oxynitride (A1ON). , aluminum oxycarbonitrides (A1CON) and silicon aluminum oxide nitride (SiAlON) ceramic phases.
Tabelle 1 : in-situ Phasenneubildungen ( Phasengruppen) im erfindungsgemäß hergestellten Betonmaterial bei unterschiedlichen Brenntemperaturen ( 700 ° C bis 1600 ° C ) Table 1: in-situ new phase formations (phase groups) in the concrete material produced according to the invention at different firing temperatures (700 ° C to 1600 ° C)
Die neu gebildeten Phasenstrukturen zeigen nicht nur ausgezeichnete mechanische Beständigkeit , sie sind auch chemisch sehr stabil und besonders resistent gegen Schlackenangriff , also chemisch resistent beim Kontakt mit flüssigen Schlacken . Dieser Umstand, gepaart mit einer sehr guten Infiltrationsbeständigkeit aufgrund einer besonderen Porengrößenverteilung , resultiert in einer außerordentlich guten Verschlackungsbeständigkeit gegenüber diversen Schlacken, die im Stahlherstellungsprozess mit Feuerfestmaterialien häufig in Kontakt treten . Im Gegensatz zu herkömmlichen und bekannten Materialien zeigen die offenen Poren des erfindungsgemäßen feuerfesten Betons deutlich kleinere Porendimensionen, wodurch beim Kontakt mit flüssigen Phasen wie zum Beispiel mit aggressiven Schlacken deutlich geringere Kapillar kräfte auftreten und die Infiltration dieser Medien in das erfindungsgemäße gebrannte Betonmaterial nicht bzw . nur im geringen Ausmaß im Vergleich zu bisher bekannten Feuerfestmaterialien stattfindet . Dieser Umstand verbessert die Verschlackungsbeständigkeit von erfindungsgemäß hergestellten, gebrannten Betonelementen signifikant . The newly formed phase structures not only show excellent mechanical resistance, they are also chemically very stable and particularly resistant to slag attack, i.e. chemically resistant to contact with liquid slags. This fact, coupled with a very good infiltration resistance due to a special pore size distribution, results in an extraordinarily good slagging resistance to various slags that often come into contact with refractory materials in the steel production process. In contrast to conventional and known materials, the open pores of the invention show Refractory concrete has significantly smaller pore dimensions, which means that significantly lower capillary forces occur when it comes into contact with liquid phases, such as aggressive slags, and the infiltration of these media into the fired concrete material according to the invention is not possible. only takes place to a small extent compared to previously known refractory materials. This fact significantly improves the slagging resistance of fired concrete elements produced according to the invention.
Ein weiterer technischer Vorteil von erfindungsgemäß hergestellten, gebrannten Betonelementen, der in den meisten Anwendungsfällen der Stahlproduktion schlagend wird, liegt in der im Vergleich zu herkömmlichen kohlenstoff gebundenen Materialien relativ geringen Wärmeleitfähigkeit der mit der erfindungsgemäßen feuerfesten Betonzusammensetzung hergestellten Betonelemente . Dieser Umstand ist durch den relativ geringen Kohlenstoff gehalt in der erfindungsgemäßen Betonzusammensetzung erklärbar . Bei 1000 ° C Umgebungstemperatur beträgt die Wärmeleitfähigkeit eines erfindungsgemäß hergestellten, gebrannten Betonelements beispielsweise bei etwa 4 W/mK, während die Wärmeleitfähigkeit zum Beispiel bei herkömmlichen isostatisch gepressten Produkten, wie sie im Strangguss-Prozess zur Anwendung kommen, bei Werten größer 10 W/mK liegt . Wärmeverluste können damit mit erfindungsgemäß hergestellten Betonelementen deutlich reduziert werden . Another technical advantage of fired concrete elements produced according to the invention, which is significant in most steel production applications, lies in the relatively low thermal conductivity of the concrete elements produced with the fireproof concrete composition according to the invention compared to conventional carbon-bonded materials. This circumstance can be explained by the relatively low carbon content in the concrete composition according to the invention. At an ambient temperature of 1000 ° C, the thermal conductivity of a fired concrete element produced according to the invention is, for example, around 4 W/mK, while the thermal conductivity, for example in conventional isostatically pressed products, such as those used in the continuous casting process, is at values greater than 10 W/mK lies . Heat losses can thus be significantly reduced with concrete elements produced according to the invention.
In eigenen Vorversuchen konnte überraschenderweise gezeigt werden, dass ein erfindungsgemäß hergestelltes , gebranntes Betonelement nach einer Vorbehandlung bei einer Brenntemperatur von zumindest 1000 ° C eine Kaltdruckfestigkeit ( nach DIN EN 993-5 ) von zumindest 140 MPa, vorzugsweise von zumindest 160 MPa , und/oder eine Kaltbiegefestigkeit ( nach DIN EN 993- 6 ) von zumindest 20 MPa aufweisen kann . Diese sehr hohen Werte werden durch die mechanisch außerordentlich stabilen und teilweise nadeligen bzw . nadelförmigen Strukturen der neu gebildeten Phasen bewirkt . In our own preliminary tests, it was surprisingly possible to show that a fired concrete element produced according to the invention, after pretreatment at a firing temperature of at least 1000 ° C, has a cold compressive strength (according to DIN EN 993-5) of at least 140 MPa, preferably of at least 160 MPa, and/or can have a cold bending strength (according to DIN EN 993-6) of at least 20 MPa. These very high values are due to the mechanically extremely stable and sometimes needle-like or needle-shaped structures of the newly formed phases.
Außerdem konnte in Vorversuchen gezeigt werden, dass ein erfindungsgemäß hergestelltes Betonelement eine Heißbiegefestigkeit , gemessen bei 1500 ° C, von zumindest 15 MPa ( ermittelt nach ISO 5013 bzw . DIN EN 993-7 ) aufweisen kann . Eine derart hohe Heißbiegefestigkeit deutet auf eine außerordentliche mechanische Stabilität des Materials bei hohen Temperaturen hin . In addition, it was shown in preliminary tests that a concrete element produced according to the invention can have a hot bending strength, measured at 1500 ° C, of at least 15 MPa (determined according to ISO 5013 or DIN EN 993-7). Such a high one Hot bending strength indicates exceptional mechanical stability of the material at high temperatures.
Besonders flexibel kann ein erfindungsgemäß hergestelltes , gebranntes Betonelement eingesetzt werden, wenn das gebrannte Betonelement im Wesentlichen volumensstabil ist und eine bleibende Längenänderung ( ermittelt nach DIN EN 993-10 ) des gebrannten Betonelements nach dem Abkühlen von -0 , 1 % bis +0 , 1 % relativ zu seiner Ausgangslänge vor dem Brennen beträgt . Diese geometrische Stabilität des erfindungsgemäßen Betonmaterials auch bei und nach sehr hohen Brenntemperaturen bietet zum Beispiel große Vorteile im Hinblick auf die Stabilität und Langlebigkeit von feuerfesten Ausmauerungen . A fired concrete element produced according to the invention can be used particularly flexibly if the fired concrete element is essentially stable in volume and a permanent change in length (determined according to DIN EN 993-10) of the fired concrete element after cooling is of -0.1% to +0.1 % relative to its initial length before burning. This geometric stability of the concrete material according to the invention even at and after very high firing temperatures offers, for example, great advantages with regard to the stability and longevity of fireproof brick linings.
Die eingangs genannte erfindungsgemäße Aufgabe wird auch durch ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines gebrannten Betonelements gelöst , wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst : The inventive object mentioned at the outset is also achieved by a method according to the invention for producing a fired concrete element, the method comprising the following steps:
Bereitstellen einer feuerfesten Betonzusammensetzung gemäß der Erfindung; Providing a refractory concrete composition according to the invention;
Vergießen der feuerfesten Betonzusammensetzung in eine Schalungsform, wobei die Betonzusammensetzung zu einem Betonelement erstarrt ; Pouring the refractory concrete composition into a formwork mold, whereby the concrete composition solidifies into a concrete element;
Entnehmen des Betonelements aus der Schalungsform; gegebenenfalls Trocknen des Betonelements , wobei vorzugsweise zum Trocknen eine Trocknungstemperatur von 110 ° C bis 350 ° C gewählt wird; Removing the concrete element from the formwork form; optionally drying the concrete element, preferably choosing a drying temperature of 110 ° C to 350 ° C for drying;
Brennen des Betonelements bei einer Brenntemperatur von 800 ° C bis 1600 ° C, vorzugsweise bei einer Brenntemperatur von zumindest 1000 ° C, besonders bevorzugt bei einer Brenntemperatur von zumindest 1250 ° C . Firing the concrete element at a firing temperature of 800 ° C to 1600 ° C, preferably at a firing temperature of at least 1000 ° C, particularly preferably at a firing temperature of at least 1250 ° C.
Im Rahmen des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens kann gegebenenfalls vor dem Bereitstellen der feuerfesten Betonzusammensetzung zusätzlich ein Mischen der Bestandteile der feuerfesten Betonzusammensetzung erforderlich sein . So kann es beispielsweise zweckmäßig sein, wenn das trockene Ausgangsmaterial zur Herstellung der feuerfesten Betonzusammensetzung eingangs mit einer entsprechenden Menge einer wässrigen kolloidalen Kieselsol- Suspension vermengt und in einem geeigneten Mischer homogen vermischt wird . Vorteilhaft können in diesem Fall das trockene Ausgangsmaterial sowie die wässrige kolloidale Kieselsol-Suspension j eweils getrennt voneinander gelagert werden . Beim Mischen des trockenen Ausgangsmaterials mit der wässrigen kolloidalen Kieselsol- Suspension als Anmachflüssigkeit können die Mengen und Gewichtsanteile der zu mischenden Komponenten vorteilhaft genau kontrolliert und eingestellt werden . Auch der mit der wässrigen kolloidalen Kieselsol-Suspension eingebrachte Anteil an Wasser bzw . Feuchte kann auf diese Art genau eingestellt und kontrolliert bzw . protokolliert werden . As part of the manufacturing process according to the invention, it may be necessary to additionally mix the components of the fireproof concrete composition before providing the refractory concrete composition. For example, it can be useful if the dry starting material for producing the fireproof concrete composition is initially mixed with an appropriate amount of an aqueous colloidal silica sol. Suspension is mixed and mixed homogeneously in a suitable mixer. In this case, the dry starting material and the aqueous colloidal silica sol suspension can each be stored separately from one another. When mixing the dry starting material with the aqueous colloidal silica sol suspension as the mixing liquid, the amounts and weight proportions of the components to be mixed can advantageously be precisely controlled and adjusted. The proportion of water or Humidity can be precisely adjusted and controlled in this way. be logged.
Somit wird gewährleistet , dass eine feuerfeste Betonzusammensetzung gemäß der erfindungsgemäßen Rezeptur bereitgestellt wird, die fließfähig ist und die auch den entsprechend gewünschten Anteil an Wasser bzw . an Feuchte enthält . This ensures that a fireproof concrete composition is provided according to the recipe according to the invention, which is flowable and which also contains the correspondingly desired proportion of water or contains moisture.
Anschließend wird die bereitgestellte feuerfeste Betonzusammensetzung als fließfähige Masse in eine geeignete Schalungsform vergossen . Vorteilhaft kann das Vergießen unter Rütteln und/oder Vibrieren der entsprechenden Schalungsform erfolgen, um mittels eingebrachter Vibrationsenergie die vergossene Betonzusammensetzung in der Schalungsform zu verdichten . Beispielsweise können dazu mehrere vorbereitete Schalungsformen auf einem Rütteltisch aufgelegt werden, und es können somit mehrere Betonelemente gleichzeitig hergestellt werden . Nach dem Erhärten des Betons werden die Betonelemente aus den Schalungsformen entnommen bzw . werden die Schalungsformen entsprechend entfernt , um die erhärteten Betonelemente zu erhalten . The fireproof concrete composition provided is then poured as a flowable mass into a suitable formwork mold. The casting can advantageously be carried out by shaking and/or vibrating the corresponding formwork form in order to compact the cast concrete composition in the formwork form by means of vibration energy introduced. For example, several prepared formwork forms can be placed on a vibrating table, and several concrete elements can thus be produced at the same time. After the concrete has hardened, the concrete elements are removed from the formwork forms. The formwork forms are removed accordingly in order to preserve the hardened concrete elements.
Zweckmäßiger Weise erfolgt gegebenenfalls eine anschließende Trocknung der Betonelemente bzw . Formkörper in einem geeigneten Trocknungsaggregat bevorzugt bei Temperaturen von 110 ° C bis 350 ° C . If necessary, the concrete elements or Shaped bodies in a suitable drying unit preferably at temperatures of 110 ° C to 350 ° C.
Auf die Vorzüge des abschließenden Brennens eines erfindungsgemäßen Betonelements bei einer Brenntemperatur von zumindest 800 ° C wurde bereits früher hingewiesen . Die hochfesten, keramischen Phasen, die sich beim Brennen der Betonzusammensetzung in-situ bei Temperaturen etwa ab 800 ° C bilden und die Aluminium oder Aluminiumverbindungen in Form eines oder mehrerer Oxide , Carbide , Mischcarbide , Oxycarbide , Nitride , und/oder Oxynitride , und/oder entsprechender Mischungen daraus enthalten oder sind, sind in einem gebrannten Betonelement vorteilhaft im Mikrometer-Maßstab und/oder im Nanometer-Maßstab kleinteilig strukturiert und somit weitestgehend homogen im gebrannten Betonelement verteilt . Somit können mit der erfindungsgemäßen Betonzusammensetzung gebrannte Betonelemente hergestellt werden, die aufgrund der homogen verteilten keramischen Phasen möglichst homogene Festigkeitseigenschaften aufweisen und besonders formstabil sind . The advantages of the final firing of a concrete element according to the invention at a firing temperature of at least 800 ° C have already been pointed out earlier. The high-strength, ceramic phases that form when the concrete composition is fired in-situ at temperatures of around 800 ° C and the aluminum or aluminum compounds in The form of one or more oxides, carbides, mixed carbides, oxycarbides, nitrides, and/or oxynitrides, and/or corresponding mixtures thereof are contained or are advantageously structured in small pieces in a fired concrete element on a micrometer scale and/or on a nanometer scale and thus largely homogeneously distributed in the fired concrete element. Thus, fired concrete elements can be produced with the concrete composition according to the invention, which have the most homogeneous strength properties possible due to the homogeneously distributed ceramic phases and are particularly dimensionally stable.
KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUR BRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURE
Figur 1 zeigt den Verlauf der Kaltdruckfestigkeit ( gemessen nach DIN EN 993-5 ) von erfindungsgemäß hergestelltem Betonmaterial in Abhängigkeit von der Vorbehandlungstemperatur . Figure 1 shows the course of the cold compressive strength (measured according to DIN EN 993-5) of concrete material produced according to the invention as a function of the pretreatment temperature.
Der in Figur 1 ersichtliche , sprunghafte Anstieg der ermittelten Kaltdruckfestigkeit ( angegeben in MPa ) bei einer Vorbehandlungstemperatur zwischen 700 ° C und 800 ° C ist auf die in- situ Phasenneubildungen zurückzuführen, die bei dieser Vorbehandlungstemperatur ab 700 ° C beim Brennvorgang eines gebrannten Betonelements gemäß der Erfindung einsetzen . Es wurden dazu Betonelemente untersucht , die aus erfindungsgemäßen Betonzusammensetzungen hergestellt wurden . Die Rezepturangaben der für die Festigkeitsuntersuchungen verwendeten erfindungsgemäßen Betonzusammensetzungen entsprechen den in Tabelle 2 angegebenen Werten zu den Ausführungsbeispielen 2 und 3 . The sudden increase in the determined cold compressive strength (given in MPa) at a pretreatment temperature between 700 ° C and 800 ° C, which can be seen in Figure 1, is due to the in-situ new phase formation that occurs at this pretreatment temperature from 700 ° C during the firing process of a fired concrete element use the invention. For this purpose, concrete elements which were produced from concrete compositions according to the invention were examined. The recipe information for the concrete compositions according to the invention used for the strength tests correspond to the values given in Table 2 for exemplary embodiments 2 and 3.
Die beim Brennvorgang in-situ gebildeten, mechanisch außerordentlich stabilen keramischen Phasen, teilweise mit nadeligen Strukturen, bewirken eine außerordentlich hohe mechanische Stabilität und Festigkeit des erfindungsgemäßen feuerfesten Betonmaterials über einen sehr breiten Temperaturbereich von 700 ° C bis 1600 ° C und darüber hinaus . In einem Temperaturbereich von 800 ° C bis 1300 ° C wurden Kaltdruckfestigkeiten von zumindest 140 MPa gemessen . Bei einer Vorbehandlungstemperatur von 1000 ° C konnten sogar Kaltdruckfestigkeiten von 160 MPa in erfindungsgemäß hergestellten, gebrannten Betonelementen ermittelt werden . WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG The mechanically extraordinarily stable ceramic phases formed in-situ during the firing process, some with needle-like structures, bring about an extraordinarily high mechanical stability and strength of the refractory concrete material according to the invention over a very wide temperature range from 700 ° C to 1600 ° C and beyond. Cold compressive strengths of at least 140 MPa were measured in a temperature range from 800 ° C to 1300 ° C . At a pretreatment temperature of 1000 ° C, cold compressive strengths of 160 MPa could even be determined in fired concrete elements produced according to the invention. WAYS OF CARRYING OUT THE INVENTION
In der nachfolgenden Tabelle 2 sind einige erfindungsgemäße Ausführungsbeispiele in Form von möglichen Rezepturen zur Herstellung einer feuerfesten Betonzusammensetzung auf gelistet . Table 2 below lists some exemplary embodiments according to the invention in the form of possible recipes for producing a fireproof concrete composition.
Die in Tabelle 2 angegebenen Ausführungsbeispiele 1 bis 5 von feuerfesten Betonzusammensetzungen gemäß der Erfindung dienen j eweils zur anschließenden Herstellung von feuerfesten Betonelementen, die nach einer entsprechenden Trocknung an Kunden auslieferbar sind . Üblicherweise werden die getrockneten Betonelemente erst vor Ort beim Kunden gebrannt , um als gebrannte feuerfeste Betonelemente die vorhin genannten erfindungsgemäßen Vorteile auf zuweisen . The exemplary embodiments 1 to 5 of refractory concrete compositions according to the invention given in Table 2 each serve for the subsequent production of refractory concrete elements, which can be delivered to customers after appropriate drying. Usually, the dried concrete elements are first burned on site at the customer's site in order to have the aforementioned advantages according to the invention as fired refractory concrete elements.
Die in Tabelle 2 angeführten Rezepturen von feuerfesten Betonzusammensetzungen gemäß den Ausführungsbeispielen 1 , 4 und 5 werden typischerweise für solche Anwendungsfälle eingesetzt , bei denen das daraus hergestellte feuerfeste Betonmaterial mit Roheisen in Kontakt kommt . Dies sind beispielsweise Feuerfest-Anwendungen für Feuerfestbetonelemente im Bereich der Roheisenpfanne , der Hochofenrinnen, und/oder der Torpedopfanne bei der Roheisenerzeugung . The recipes for refractory concrete compositions according to exemplary embodiments 1, 4 and 5 listed in Table 2 are typically used for applications in which the refractory concrete material produced therefrom comes into contact with pig iron. These are, for example, refractory applications for refractory concrete elements in the area of pig iron ladle, blast furnace troughs, and/or torpedo ladle in pig iron production.
Die feuerfesten Betonzusammensetzungen gemäß den Ausführungsbeispielen 2 und 3 in Tabelle 2 werden typischerweise für Anwendungsfälle bei der Stahlerzeugung verwendet , also beispielsweise für feuerfeste Betonsteine im Bereich der Stahlpfanne , des Pfannenbodens sowie der Wände der Stahlpfanne , für Lochsteine , sowie für diverse funktionale Feuerfestprodukte , die bei Stranggussverfahren erforderlich sind . Die in Fig . 1 gezeigten Werte für die Kaltdruckfestigkeit ( in MPa ) wurden anhand von gebrannten Betonelementen ermittelt , die aus feuerfesten Betonzusammensetzungen gemäß den Ausführungsbeispielen 2 und 3 von Tabelle 2 hergestellt wurden . Auch die weiteren angegebenen Festigkeitswerte ( Kaltbiegefestigkeit , Heißbiegefestigkeit ) wurden anhand von diesen feuerfesten Betonzusammensetzungen gemäß den Ausführungsbeispielen 2 und 3 von Tabelle 2 ermittelt . The refractory concrete compositions according to exemplary embodiments 2 and 3 in Table 2 are typically used for applications in steel production, for example for refractory concrete blocks in the area of the steel ladle, the ladle bottom and the walls of the steel ladle, for perforated bricks, as well as for various functional refractory products, which are: Continuous casting processes are required. The ones in Fig. 1 shown values for the cold compressive strength (in MPa) were determined using fired concrete elements that were produced from refractory concrete compositions according to exemplary embodiments 2 and 3 of Table 2. The other specified strength values (cold bending strength, hot bending strength) were also determined using these refractory concrete compositions according to exemplary embodiments 2 and 3 of Table 2.
Tabelle 2 : Rezepturen (Ausführungsbeispiele 1 bis 5 ) für feuerfeste Betonzusammensetzungen gemäß der Erfindung Table 2: Recipes (Examples 1 to 5) for refractory concrete compositions according to the invention
Um eine feuerfeste Betonzusammensetzung gemäß der Erfindung bereitzustellen, wurden bei den Rezepturen gemäß den Ausführungsbeispielen 1 bis 5 einheitlich j eweils zuerst die Trockenmischungen der Rohstoff komponenten noch ohne Kieselsol als Anmachflüssigkeit vorbereitet . Dazu wurden die j eweils vorbereiteten Trockenmischungen gemäß der j eweiligen Rezeptur homogen vermengt . Anschließend wurden die Trockenmischungen j eweils mit den inIn order to provide a fireproof concrete composition according to the invention, in the recipes according to exemplary embodiments 1 to 5, the dry mixtures of the raw material components were first prepared without silica sol as the mixing liquid. For this purpose, the dry mixtures prepared in each case were mixed homogeneously according to the respective recipe. The dry mixtures were then each mixed with the in
Tabelle 2 angegebenen Mengen an wässriger kolloidaler Kieselsol- Suspension vermischt , wobei die Kieselsol-Suspension hier j eweils mit einem Feststoff anteil an amorphen nanoskalierten Siliciumdioxid- Partikel von 40 Gew . % (bezogen auf die Kieselsol-Suspension ) bereitgestellt wurde . Amounts of aqueous colloidal silica sol stated in Table 2 Suspension mixed, the silica sol suspension here each having a solid content of amorphous nanoscaled silicon dioxide particles of 40 wt. % (based on the silica sol suspension) was provided.
Die homogene Vermischung der Trockenmischung der Rohstoff komponenten mit der Kieselsol-Suspension erfolgte j eweils in einem Zwangsmischer unter Einhaltung einer Mischungs zeit von 3 bis 5 Minuten . The homogeneous mixing of the dry mixture of the raw material components with the silica sol suspension was carried out in a compulsory mixer, maintaining a mixing time of 3 to 5 minutes.
Die somit j eweils bereitgestellte feuerfeste Betonzusammensetzung gemäß der Erfindung war fließfähig und konnte anschließend in geeignete Schalungsformen vergossen werden . Vorteilhaft wurden die Schalungsformen während des Vergießens der feuerfesten Betonzusammensetzung vibriert , um die Vergussmasse entsprechend zu verdichten und um möglichst porenfreie feuerfeste Betonelemente zu erhalten . Nach einer entsprechenden Verweilzeit des Betons in den Schalungsformen, bis die Abbinde- und Erhärtungsreaktion des Bindemittels ( Kieselsol ) abgeschlossen ist , konnten die hergestellten Betonelemente den Schalungsformen entnommen werden . Nach anschließender Trocknung beispielsweise bei 200 ° C wurde j eweils ein feuerfestes Betonelement gemäß der Erfindung erhalten . Nach dem Brennen der feuerfesten Betonelemente bei einer Brenntemperatur von 800 ° C bis 1600 ° C wurde j eweils ein gebranntes Betonelement erhalten, welches nach einer der in den Ausführungsbeispielen 1 bis 5 angegebenen erfindungsgemäßen Betonzusammensetzung hergestellt ist . The fireproof concrete composition according to the invention thus provided was flowable and could then be cast into suitable formwork forms. The formwork forms were advantageously vibrated during the casting of the refractory concrete composition in order to compress the casting compound accordingly and to obtain refractory concrete elements that were as pore-free as possible. After the concrete had remained in the formwork for an appropriate period of time until the setting and hardening reaction of the binder (silica sol) was complete, the concrete elements produced could be removed from the formwork. After subsequent drying, for example at 200° C., a fireproof concrete element according to the invention was obtained. After firing the refractory concrete elements at a firing temperature of 800 ° C to 1600 ° C, a fired concrete element was obtained, which was produced according to one of the concrete compositions according to the invention specified in exemplary embodiments 1 to 5.

Claims

ANSPRÜCHE Feuerfeste Betonzusammensetzung, umfassend: CLAIMS Fireproof concrete composition comprising:
- einen Anteil von 35 bis 70 Gew.%, vorzugsweise von 50 bis - a proportion of 35 to 70% by weight, preferably 50 to
65 Gew.%, einer Grobkornfraktion zumindest eines feuerfesten Rohstoffs mit Korngrößen von zumindest 0,5 mm, vorzugsweise mit Korngrößen von 0,5 mm bis 12 mm; 65% by weight, of a coarse grain fraction of at least one refractory raw material with grain sizes of at least 0.5 mm, preferably with grain sizes of 0.5 mm to 12 mm;
- einen Anteil von 15 bis 30 Gew.%, vorzugsweise von 20 bis - a proportion of 15 to 30% by weight, preferably 20 to
25 Gew.%, einer Feinkornfraktion des zumindest einen feuerfesten Rohstoffs mit Korngrößen kleiner als 0,5 mm; 25% by weight, a fine grain fraction of the at least one refractory raw material with grain sizes smaller than 0.5 mm;
- wobei der zumindest eine feuerfeste Rohstoff ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus: Sintertonerde, Edelkorund, Braunkorund, Graukorund, Magnesiumaluminium-Spinell, Mullit, Bauxit, Andalusit, Schamotte, und/oder Siliciumcarbid, sowie Mischungen der vorgenannten Stoffe; - wherein the at least one refractory raw material is selected from the group consisting of: sintered alumina, precious corundum, brown corundum, gray corundum, magnesium aluminum spinel, mullite, bauxite, andalusite, chamotte, and/or silicon carbide, as well as mixtures of the aforementioned substances;
- einen Anteil von 0 bis 20 Gew.%, vorzugsweise von 1 bis 7 Gew.%, an feinkörniger kalzinierter Tonerde mit Korngrößen kleiner als 0,1 mm, vorzugsweise mit Korngrößen kleiner als 50 pm; - a proportion of 0 to 20% by weight, preferably 1 to 7% by weight, of fine-grained calcined alumina with grain sizes smaller than 0.1 mm, preferably with grain sizes smaller than 50 pm;
- einen Anteil von 0 bis 2 Gew.% an feinkörnigem Magnesiumoxidpulver mit Korngrößen kleiner als 0,1 mm; - a proportion of 0 to 2% by weight of fine-grained magnesium oxide powder with grain sizes smaller than 0.1 mm;
- einen Anteil von 2 bis 7 Gew.%, vorzugsweise von 3 bis 6 Gew.%, an feinkörnigem Aluminiummetallpulver mit Korngrößen kleiner als 100 pm, vorzugsweise mit Korngrößen kleiner als 63 pm; - a proportion of 2 to 7% by weight, preferably 3 to 6% by weight, of fine-grained aluminum metal powder with grain sizes smaller than 100 pm, preferably with grain sizes smaller than 63 pm;
- einen Anteil von 2 bis 8 Gew.% zumindest eines feinkörnigen Kohlenstoff trägers mit Korngrößen kleiner als 100 pm, wobei der zumindest eine feinkörnige Kohlenstoff träger Ruß und/oder Graphit enthält oder ist; - a proportion of 2 to 8% by weight of at least one fine-grained carbon carrier with grain sizes smaller than 100 pm, the at least one fine-grained carbon carrier containing or being soot and/or graphite;
- einen Anteil von 4 bis 20 Gew.% einer wässrigen kolloidalen Kieselsol-Suspension, wobei die Kieselsol-Suspension einen Feststoff anteil von 30 bis 50 Gew.% an amorphen nanoskalierten Siliciumdioxid-Partikeln enthält . Feuerfeste Betonzusammensetzung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der Betonzusammensetzung der Feststoff anteil an amorphen nanoskalierten Siliciumdioxid- Partikeln von 2 bis 7 Gew.% beträgt. Feuerfeste Betonzusammensetzung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die amorphen nanoskalierten Siliciumdioxid- Partikel Korngrößen von 2 nm bis 100 nm, vorzugsweise Korngrößen von 5 nm bis 75 nm, aufweisen . Feuerfeste Betonzusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 3 , dadurch gekennzeichnet, dass der Gesamtanteil des zumindest einen feuerfesten Rohstoffs oder feuerfesten- a proportion of 4 to 20% by weight of an aqueous colloidal silica sol suspension, the silica sol suspension containing a solid proportion of 30 to 50% by weight of amorphous nanoscaled silicon dioxide particles. Fireproof concrete composition according to claim 1, characterized in that in the concrete composition the solid content of amorphous nanoscale silicon dioxide particles is from 2 to 7% by weight. Refractory concrete composition according to claim 1 or 2, characterized in that the amorphous nanoscaled silicon dioxide Particles have grain sizes of 2 nm to 100 nm, preferably grain sizes of 5 nm to 75 nm. Refractory concrete composition according to one of claims 1 to 3, characterized in that the total proportion of at least one refractory raw material or refractory
Rohstoff gemisches in der Betonzusammensetzung insgesamt von 65 bis 90 Gew . % beträgt . Feuerfeste Betonzusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 4 , dadurch gekennzeichnet, dass nach Mischen der Bestandteile der feuerfesten Betonzusammensetzung die amorphen nanos kalierten Siliciumdioxid-Partikel und/oder der zumindest eine feinkörnige Kohlenstoff träger und/oder das feinkörnige Aluminiummetallpulver in der Betonzusammensetzung homogen verteilt ist bzw . sind . Feuerfeste Betonzusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 5 , dadurch gekennzeichnet, dass die Betonzusammensetzung frei ist von einem Abbindebeschleuniger , insbesondere frei ist von Magnesiumoxid . Feuerfeste Betonzusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 , dadurch gekennzeichnet, dass die Betonzusammensetzung weiterhin zumindest ein Dispergierungsmittel umfasst , wobei das zumindest eine Dispergierungsmittel vorzugsweise Natrium- Polynaphtalinsulf onat enthält oder ist . Betonelement , hergestellt durch Vergießen einer feuerfesten Betonzusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 , dadurch gekennzeichnet , dass im Gefüge des Betonelements die in der Betonzusammensetzung vorgelegten Anteile an feinkörnigem Aluminiummetallpulver, an feinkörnigem Kohlenstoff träger sowie an nanos kalierten Siliciumdioxid-Partikeln enthalten sind . Betonelement nach Anspruch 8 , dadurch gekennzeichnet , dass das Betonelement insbesondere nach Trocknung bei einer Trocknungstemperatur von 110 ° C bis 350 ° C frei von Wasser ist . Raw material mixture in the concrete composition totaling 65 to 90 weight. % amounts . Fireproof concrete composition according to one of claims 1 to 4, characterized in that after mixing the components of the fireproof concrete composition, the amorphous nanoscaled silicon dioxide particles and / or the at least one fine-grained carbon carrier and / or the fine-grained aluminum metal powder is homogeneously distributed in the concrete composition or . are . Fireproof concrete composition according to one of claims 1 to 5, characterized in that the concrete composition is free of a setting accelerator, in particular is free of magnesium oxide. Refractory concrete composition according to one of claims 1 to 6, characterized in that the concrete composition further comprises at least one dispersant, wherein the at least one dispersant preferably contains or is sodium polynaphthalene sulfonate. Concrete element, produced by casting a fireproof concrete composition according to one of claims 1 to 7, characterized in that the structure of the concrete element contains the proportions of fine-grained aluminum metal powder, fine-grained carbon carrier and nanoscaled silicon dioxide particles present in the concrete composition. Concrete element according to claim 8, characterized in that the concrete element is free of water, in particular after drying at a drying temperature of 110 ° C to 350 ° C.
. Gebranntes Betonelement, hergestellt aus einer feuerfesten Betonzusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das gebrannte Betonelement bei einer Brenntemperatur von 800°C bis 1600°C gebrannt ist und zumindest eine oder mehrere keramische Phasen mit nadelförmigen Strukturen aufweist . . Gebranntes Betonelement nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine keramische Phase Aluminium in Form eines oder mehrerer Oxide, Carbide, Mischcarbide , Oxycarbide, Nitride, und/oder Oxynitride, und/oder deren Mischungen enthält oder ist. . Gebranntes Betonelement nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass das gebrannte Betonelement nach einer Vorbehandlung bei einer Brenntemperatur von zumindest 1000°C eine Kaltdruckfestigkeit nach DIN EN 993-5 von zumindest . Fired concrete element, made from a fireproof concrete composition according to one of claims 1 to 7, characterized in that the fired concrete element is fired at a firing temperature of 800°C to 1600°C and has at least one or more ceramic phases with needle-shaped structures. . Fired concrete element according to claim 10, characterized in that the at least one ceramic phase contains or is aluminum in the form of one or more oxides, carbides, mixed carbides, oxycarbides, nitrides, and/or oxynitrides, and/or mixtures thereof. . Fired concrete element according to claim 10 or 11, characterized in that the fired concrete element after pretreatment at a firing temperature of at least 1000 ° C has a cold compressive strength according to DIN EN 993-5 of at least
140 MPa, vorzugsweise von zumindest 160 MPa, und/oder eine Kaltbiegefestigkeit nach DIN EN 993-6 von zumindest 20 MPa aufweist . . Gebranntes Betonelement nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das gebrannte Betonelement eine Heißbiegefestigkeit, gemessen nach ISO 5013 bzw. DIN EN 993-7 bei 1500°C, von zumindest 15 MPa aufweist. . Gebranntes Betonelement nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das gebrannte Betonelement im Wesentlichen volumensstabil ist und eine bleibende Längenänderung nach DIN EN 993-10 des gebrannten Betonelements nach dem Abkühlen von -0,1 % bis +0,1 % relativ zu seiner Ausgangslänge vor dem Brennen beträgt. . Verfahren zur Herstellung eines gebrannten Betonelements nach einem der Ansprüche 10 bis 14, umfassend die folgenden Schritte:140 MPa, preferably at least 160 MPa, and / or a cold bending strength according to DIN EN 993-6 of at least 20 MPa. . Fired concrete element according to one of claims 10 to 12, characterized in that the fired concrete element has a hot bending strength, measured according to ISO 5013 or DIN EN 993-7 at 1500 ° C, of at least 15 MPa. . Fired concrete element according to one of claims 10 to 13, characterized in that the fired concrete element is essentially stable in volume and a permanent change in length according to DIN EN 993-10 of the fired concrete element after cooling of -0.1% to +0.1% relative to its initial length before firing. . Method for producing a fired concrete element according to one of claims 10 to 14, comprising the following steps:
- Bereitstellen einer feuerfesten Betonzusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 7; - Vergießen der feuerfesten Betonzusammensetzung in eine Schalungsform, wobei die Betonzusammensetzung zu einem Betonelement erstarrt; - Providing a refractory concrete composition according to any one of claims 1 to 7; - Pouring the refractory concrete composition into a formwork mold, whereby the concrete composition solidifies into a concrete element;
- Entnehmen des Betonelements aus der Schalungsform; - gegebenenfalls Trocknen des Betonelements, wobei vorzugsweise zum Trocknen eine Trocknungstemperatur von 110°C bis 350°C gewählt wird; - Removing the concrete element from the formwork form; - optionally drying the concrete element, preferably choosing a drying temperature of 110°C to 350°C for drying;
- Brennen des Betonelements bei einer Brenntemperatur von 800°C bis 1600°C, vorzugsweise bei einer Brenntemperatur von zumindest 1000°C, besonders bevorzugt bei einer Brenntemperatur von zumindest 1250°C. - Firing the concrete element at a firing temperature of 800°C to 1600°C, preferably at a firing temperature of at least 1000°C, particularly preferably at a firing temperature of at least 1250°C.
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