FI93347B - Korkeaa lämpötilaa sietävä tulenkestävä kuitu, millä on parantunut kutistumisen vastustuskyky - Google Patents

Description

93347

Korkeaa lämpötilaa sietävä tulenkestävä kuitu, millä on parantunut kutistumisen vastustuskyky Högtemperaturbeständig eldfast fiber, som har förbättrad motständ av krympning 5 (jakamalla erotettu hakemuksesta 845077, pyydetty alkupäivä 20.12.1984) 10 Keksinnön kohteena on korkean lämpötilan tulenkestävä kuitu. Keksinnön kohteena on myös ko. kuitujen käyttö.

Keksinnön tausta ia yhteenveto 15 Tähän mennessä on suurin osa työstä kehitettäessä synteettistä epäorgaanista kuitua, mikä soveltuu käytettäväksi lujitettaessa sementti -tyyppisiä matriiseja, toteutettu lasikuitujen alalla. Kuten sanaa tässä yhteydessä käytetään, tarkoittaa termi "lasi" ei pelkästään näin tuloksena olevan kuidun lasimaista eli kiteytymätöntä rakennetta, vaan 20 myöskin seosta, mikä sisältää yhtä tai useampaa juoksuteainesta, mikä yleensä on alkalisen metallin oksidi. Näiden juoksutusaineiden tehtävä on pienentää seoksen sulamisen lämpötilaa, mikä tekee seoksesta kuidu-tettavämmän sellaisilla menetelmillä, kuten jatkuva vetäminen ja kuidun muodostus pyörittämällä (puristaminen reikien läpi pyörivässä kiekos-25 sa). Samalla kertaa nämä juoksutusainekset kuitenkin yleensä vähentävät . kuidun kemiallista inerttiyttä ja sen toimintalämpötilaa. Sovellutuk sissa, missä tarvitaan sekä kemiallista että lämpötilan vastustuskykyä (esimerkiksi lämpökäsittelyn sementtityyppisen tuotteen lujittamisessa), saattavat alkalisen metallin oksidin juoksutteita sisältävät lasi-30 kuidut kadottaa 35 % tai enemmänkin vetolujuudestaan tässä näin seurauksena olevine lujitusvoiman tehokkuuden pienentymisineen sementti-matriisissa. Tämä johtaa tuloksena olevan kuitu/sementtituotteen murtu-mismodulin alentumiseen (toisin sanoen lujuuden suoraan pienentymiseen tässä lujitetussa tuotteessa).

Tulisi todeta, että ne korkeat lämpötilat (150°C-600°C) , joita kovet-tamismenetelmissä on mukana, kiihdyttävät ei pelkästään piioksidin ja kalkin kemiallista yhdistymistä ja orgaanisen kuidun ja ylimääräisen 35 2 93347 veden haihtumista, kuten on tarkoitettu, vaan kiihdyttävät myös muita kemiallisia reaktioita, kuten vahvistavien kuitujen tässä matriisissa emäksistä tai hapanta syövytystä. Tämän johdosta kuitu, joka saattaa olla kemiallisesti vastustuskykyistä emäksisessä tilanteessa ja sietää 5 lämpötilaa 260°C (500°F) tämän tilanteen ulkopuolella, ei silti välttämättä pysty sietämään näiden olosuhteitten yhdistämistä.

Zirkoniumoksidia (Zr02) on laajalti käytetty lisäaineena lasiseoksissa keinona lisätä sen alkalin vastustuskykyä. Tässä suhteessa tulee 10 verrata esimerkiksi US-patentteja 3.859.106; 3.966.481; 4.036.654; 4.330.628. Tämän lisäksi on zirkoniumoksidia itsessään tai vallitsevana komponenttina käytetty muodostamaan suhteellisen korkeiden toimintaläm-pötilojen tulenkestäviä seoksia. Tässä suhteessa tulee verrata US-pa-tentteja 2.873.197; 2.919.944; 3.035.929; 3.754.950; 3.793.041; 15 4.053.321 ja 4.119.472. Kuten jo aikaisemmin kuitenkin on todettu, ei erään osa-aineen soveltuvuus muusta riippumattomasti kemialliseen ja lämpötilan vastustuskykyyn silti takaa, että seos, missä käytetään tätä osa-ainetta, omaa tarvittavan yhdistetyn kemiallisen ja termisen vastustuskyvyn. Kemiallisen ja termisen vaikutuksen samanaikainen yhdistä-20 minen saattaa aikaansaada voimakkaasti syövyttävän tilanteen. Itse asiassa nimenomaan zirkoniumoksidia sisältävä, näennäisesti alkalia sietävä lasi juuri osoittautui epätyydyttäväksi tätä tarkoitusta varten. Jatkotutkimukset, joita toteutettiin tämän keksinnön aikaansaamiseksi, todistivat tämän osoittaessaan, että eivät suinkaan kaikki seos-* 25 koostumukset niistä komponenteista, joita käytetään näiden kuitujen valmistamiseen, aikaansaa haluttua termistä sietokykyä.

Keksinnön mukainen kuitu on tunnettu siitä, että mainitulla kuidulla massa- tai huopamuodossa on parantunut alle 11,5 %:n kutistumisen vas-30 tustuskyky oltuaan alttiina lämpötiloille 1482°C (2700°F) saakka noin neljän tunnin ajan, että tulenkestävän kuidun koostumus muodostuu painoprosentteina:

Si02 46-52 % 35 Äl203 32-38 %

Zr02 13-18 % n 3 93347 ja missä piidioksidin suhde zirkoniumoksidiin on alueella 2,6-3,8.

Tutkittaessa piioksidi/alumiinioksidi/zirkoniumoksidin kuitujen aluetta haettaessa aineita, joilla on erityisenä ominaisuuksien yhdistelmänä 5 kemiallinen ja terminen vastustuskyky, ovat hakijat keksineet tulenkestävän kuidun koostumuksen, millä tuotetaan kuitu, joka on hieman vähemmän kemiallisesti sietokykyinen, mutta on merkityksellisesti enemmän lämpötilaa sietävä. Joukon aikaisemmin tunnettuja kuituja ovat valmistajat mitoittaneet alueelle 1425°C (2600°F) . Vertailevat kokeet 10 kutistumisesta toteutettuna näihin kilpaileviin kuituihin verrattuna osoittavat, että tämän keksinnön mukaiset kuidut ovat voimakkaammin lämpötilaa sietäviä. Tämän lisäksi tämä koostumus aikaansaa korkeamman sulatemäärän samaa energian sisääntulomäärää kohden sekä suuremman prosenttiosuuden talteenotettuja kuituja erän sulatettua painoyksikköä 15 kohden kuin mitä saadaan aikaan tavanomaisilla alumiinioksidi/piioksidi tulenkestävillä sulatteilla.

Nämä ja myös muut tämän keksinnön ominaisuudet, edut ja ominaispiirteet voidaan ymmärtää paremmin luettaessa allaoleva yksityiskohtainen seli-20 tys.

Piirustusten lvhvt kuvaus

Kuvio 1 on kolmiakselinen piirustus esittäen piioksidin, alumiinioksi-l ' 25 din ja zirkoniumoksidin määriä tämän keksinnön mukaisille kemiallisesti ja termisesti vastustuskykyisille kuiduille. Pisteet, jotka on merkitty Z1-Z12 ja B1-B7 ovat todellisia koesulatetapauksia ja P1 ja P2 ovat kaksi tuotantokoetta.

30 Kuvio 2 on kolmiakselinen kaavio havainnollistaen tämän keksinnön mukaisen korkean lämpötilan tulenkestävän kuidun koostumista.

Kuvio 3 on suurennus eräästä osasta kuvion 2 kolmiakselista kaaviota tämän esittäessä kyseessä olevaa aluetta sekä joukkoa tuotantokokeita 35 tätä korkean lämpötilan koostumusta varten.

4 93347

Yksityiskohtainen selitys edullisena pidetyistä suoritusmuodoista

Kuidulla vahvistettuja sementtityyppisiä tuotteita, joissa on kalsium-silikaattimatriisi, valmistetaan joukko kaupallisia sovellutuksia var-5 ten, mitkä vaativat termistä sietokykyä ja rakenteellista lujuutta.

Eräs tällainen suuren tiheyden kalsiumsilikaattituote on markkinoilla tavaranimellä MARINITE, tuottaja Manville Building Materials Corporation. Eräs käyttö MARINITE aineelle on muottien valmistaminen sulien metallien valamista varten. Yhteen aikaan lujitettiin näitä sementti-10 tyyppisiä levyjä käyttäen amosiittiasbestia kuituina (vertaa US-patent-teja 2.326.516 sekä 2.326.517). Ne terveysongelmat sekä todelliset että kuvitellut, mitkä liittyvät asbestikuituihin, ovat johtaneet muiden kuitujen tutkimiseen soveliaina korvaavina lujittavina kuituina kal-siumsilikaattimatriiseja varten. Soveliaita koostumuksia, joissa käyte-15 tään jopa 40 % painosta wollastoniittikuituja ja jopa 15 % levyn painosta alkalia sietäviä lasikuituja, kehitettiin 1970 luvun puolivälistä loppupuolelle mennessä (vertaa US-patentteja 4.111.712 sekä 4.128.434).

Näiden AR (AR - alkalia sietävä) lasikuitujen käyttäminen, joilla kes-20 kimääräinen kuitujen halkaisijamitta on 12 (tai 20) mikronia, teki

välttämättömäksi 5 % määrän orgaanista kuituista ainesta, jollaista on paperimassa, mukaanottamisen käsittelyn helpottajana, jotta parannettaisiin lieteseoksen muotoiltavuutta, hidastettaisiin kuivumista ja aikaansaataisiin korkea lujuus. Näiden levyjen kovettaminen vaatii • 25 joskus autoklaavikäsittelyn (höyryllä kovettamisen lämpötilassa 165°C

(330°F) ja 7 aty (100 psi) paineessa), jotta kiihdytettäisiin piioksi-di/kalsiumhydroksidin reaktiota. Tämän lisäksi täytyy orgaaninen kuitu polttaa käyttäen 290°C, 480°C tai 600°C lämpökäsittelyä. Kaupallisesti saatavilla oleva, alkalia sietävä (AR) lasi, jota käytettiin näiden 30 levyjen lujittamiseen, on koostumukseltaan Si02 - 61 %, Zr02 - 10,5 %, Na20 - 14,5 %, K20 - 2,5 %, CaO - 5 %, Ti02 - 6,0 %. Kokeet osoittivat, että kovettamisen jälkeen nämä levyt lujitettuna AR lasikuiduilla säilyttivät joissakin tapauksissa vähemmän kuin 70 % murtumismodulistaan ja/tai niiden ominaislujuudesta (murtumismoduli verrattuna tiheyden 35 neliöön MR/D2) . Tällaiset tulokset osoittivat joidenkin kuitujen kuituisten lujittavien komponenttien murtumista ja jatkoanalyysit osoitti- 5 93347 vac, että nimenomaan AR lasi oli pettänyt. Kemiallisesti vastustuskykyistä tulenkestävää kuitua haettiin täten korvikkeeksi tälle AR lasille .

5 Alun pitäen kokeiltiin koemielessä neljää koostumusta (Z1-Z4) (vertaa kuviota 1) hakien kuitua, jolla olisi halutut ominaisuudet. Suunniteltiin koostumuksien muodostuminen ja osa-aineita lisättiin halutuissa suhteissa läpimitaltaan 90 cm (3 jalkaa) ja 48 cm (19 tuumaa) syvään koesulattimeen. Ainekoostumukset sulatettiin sähköllä sulatevirran 10 tullessa ulos suutinaukon kautta ja osuessa 20 cm halkaisijamitan keh-ruulaitteitten parille, mitkä pyörivät 12.000 kierrosta minuutissa.

Tämä tuottaa kuituja, jotka yleensä ovat 2-7 mikronia halkaisijamital-taan, 1-25 cm (h-10 tuumaa) pituudeltaan (5-8 cm keskiarvo) ja oli niillä vaihteleva jyväspitoisuus (yleensä 35-45 %). Nämä kuidut kerät-15 tiin ja analysoitiin, jotta koostumus olisi voitu varmistaa ja 1 gramman näytteitä näistä eri kuiduista keitettiin 0,1 normaalissa NaOH liuoksessa yhden tunnin aikana, kuivattiin ja punnittiin, jotta olisi määritelty prosenttimääräinen painohäviö. Tulokset näistä kokeista on esitetty taulukossa I.

20

TAULUKKO I

Koostumus (% painosta) 25 Kuitujen tunnus Si02 Al203 Zr02 Si02/Al203 % painosta häviötä Z1 50,0 43,0 6,7 1,16 8,2 Z2 47,3 40,1 12,2 1,17 4,6 Z3 50,1 34,6 15,0 1,45 3,3 30 Z4 59,1 25,9 14,6 2,28 2,2 1300°C Std RF 53,8 46,0 -- 1,19 7,8 Tämän lisäksi toteutettiin näille kuiduille termisiä kokeita, jotta olisi tunnistettu ne kokelaat, joilla oli parhaat tulenkestävät ominai-35 suudet. Kuitumassaa tyhjiömuotoiltiin huovaksi kutakin koostumusta varten, joka koestettiin. Tiettyjä pätkiä näistä kuituisista huopanäyt- 6 93347 teistä mitattiin tarkoin, sijoitettiin tulenkestävään uuniin määritellyksi ajaksi ja määrättyyn lämpötilaan, niiden sallittiin jäähtyä ja mitattiin sitten uudestaan. Nämä tulokset on esitettynä taulukossa II ja lisäksi on mukana kaatonopeus (eli kuiduttamisen nopeus), keskimää-5 räinen kuitujen halkaisijamitta ja sulateosuus. Kyseiset kutistumamää-rät ovat pienempiä kuin tuotantohuovalle, koska huovaksi muodostaminen on poistanut jonkin verran välystilojen kutistumasta, mitä esiintyy tuotantoaineksilla (toisin sanoen näillä koenäytteillä on normaalia suuremmat tiheydet).

10

TAULUKKO II

1300°C Std 1425°C STD* Z1 Z2 Z3 Z4

Kaatonopeus 15 (kg tunnissa) - - - - 544 249 420 454

Keskimääräinen kuitu- halkaisija (mikronia) 2,8 3,5 1,9 2,4 3,7 4,7

Jyväspitoisuus (%) 40-45 40-45 48,6 41,5 30,4 40,1

Lineaarinen kutistuma 20 (%) a. 1300°C - 112 tuntia 3,7 - - 3,2 2,7 2,2 b. 1425°C - 24 tuntia - - 3,15 4,15 3,5 2,3 4,15 c. 1425°C - 125 tuntia -- 3,70 4,2 3,5 2,3 4,25 d. 1480°C - 24 tuntia - - 6,1 7,3 6,8 3,2 9,2 e.

25 1480°C - 125 tuntia - - 10,1 8,0 7,6 3,7 Tämä kuitujen koostumus on esitetty ja patenttivaatimus siitä jätetty US-patentissa 3.449.137 ja on sen koostumus 40-60 % piioksidia, 35-55 % alumiinioksidia ja 1-8 % kromioksidia. Ne erityiset kuidut, jotka näis-30 sä kokeissa käytettiin sisälsivät 43,5 % piioksidia, 55 % alumiinioksidia ja 1,5 % kromioksidia.

Näiden kokeiden tulokset osoittavat, että aineella Z3 oli paras terminen toiminta ja hyväksyttävissä oleva alkalin vastustuskyky, kun taas * 35 aineella Z4 oli paras alkalin vastustuskyky ja hyväksyttävissä oleva (jättäen huomiotta 1480°C lukeman) terminen käyttäytyminen. Nyt päätet- 7 93347 tiin, että tulisi jatkotutkia kuitujen tyyppiä, jolloin pyrittäisiin optimoimaan terminen käyttäytyminen tämän perustuessa Z3 koostumuksen.

Nyt uskottiin, että alumiinioksidin ja/tai zirkoniumoksidin lisääminen Z3 koostumukseen parantaisi tulenkestävyyttä.

5 Tämän mukaisesti tuotettiin joukko kuituja (B1-B7) perustuen Z3 koostumukseen käyttäen mainittua 90 cm (3 jalan) koesulatinta yllä hahmoteltujen menettelytapojen mukaisesti. Nämä koostumukset on esitetty kuvion 1 kolmiakselisessa kaaviokuvassa. Nämä kuidut saatettiin sitten alt-10 tiiksi joukolle lämpötiloja erilaisia aikoja tulenkestävässä uunissa, jotta olisi määritelty tulenkestävyys. Näiden kokeiden tulokset ja aineiden B1-B7 koostumukset käyvät ilmi taulukosta III.

TAULUKKO III

15 Z3 B1 B2 B3 B4 B5 B6 B7

Komponentit (paino %)

Si02 50,1 31,3 38,9 38,3 35,3 27,6 34,1 27,6 20 Al203 34,6 53,2 45,5 41,3 48,2 53,1 55,0 58,4

Zr02 15,0 15,3 15,2 20,2 16,2 19,1 10,6 13,7

Si02/Al203 1,45 0,59 0,85 0,93 0,73 0,52 0,62 0,47

Si02/Zr02 3,34 2,046 2,559 1,896 2,179 1,445 3,217 2,015 Lämpötila/aika Lineaarinen kutistuma (%) ’ 25 1200°C/24 t 1,94 2,72 -- -- 2,92 3,01 3,52 2,83 1300°C/24 t 2,47 2,83 -- -- 2,63 2,80 4,50 2,20 1424°C/48 t 2,94 2,94 -- -- 2,90 3,64 4,69 3,23 1480°C/24 t 3,42 4,07 5,94 6,34 4,79 4,22 3,68 3,06 1480°C/100 t 4,7 5,1 10,4 9,6 7,1 4,8 6,8 3,9 30 1480°C/260 t 5,4 6,0 14,5 12,7 9,3 5,2 8,8 4,9 1535°C/24 t +50,0 13,8 19,4 19,6 20,0 14,2 19,3 10,5

Vaikkakin nämä kokeet onnistuivat aikaansaamaan kuidun, jolla on liki-määrin 10 % kutistuma 1538°C (2800°F) lämpötilassa vastakohtana määrälle 35 50+ % aineella Z3, eivät nämä kokeet johtaneet kaupallisesti hyvän kuidun muodostumiseen. Ensinnäkin kaikki näistä korkean alumiinioksidin 8 93347 määrän koostumuksista (B1-B7) olivat merkityksellisesti vaikeampia kuiduttaa kuin aine Z3. Toisekseen kaikilla näillä kuiduilla esiintyi alhainen termisen stabiilisuuden aste lämpötiloissa yli 1093°C (2000°F). Kuidut Bl, B5 ja B7 muuttuivat pois lasimaisesta ja menettivät kuitui-5 sen luonteensa lämpötilojen 1050-1300°C (2000-2400°F) välillä. Tällainen käyttäytyminen estää niiden käytön eristeenä, korkean lämpötilan lujittavana kuituna tai missä tahansa muussa teollisessa käytössä. Kuitujen B2,B3,B4 ja B6 laadun huonontuminen ei ollut niin voimakasta, mutta näillä kuiduilla on kuitenkin lineaarinen kutistumamäärä väliltä 8-15 % 10 ajan 260 tuntia 1482°C (2700°F) lämpötilalle alttiina ololle jälkeen. Tällaiset korkeat kutistumamäärät tekevät myöskin näistä kuiduista hyväksymättömissä olevia mihin tahansa kaupalliseen sovellutukseen.

Tulee myös huomata, että mikään näistä kuiduista (B2,B3,B4 ja B6) ei kyennyt aikaansaamaan näytteitä, joilla olisi pienempi kuin 5,0 % line-15 aarinen kutistumamäärä 100 tunnin alttiinaolon jälkeen 1480°C (2700°F) lämpötilalle. Jotta kuitu voitaisiin hyväksyä tietylle käyttölämpötilalle, ei tämän tyyppisellä kuidulla (toisin sanoen huopautetulla) tulisi olla enempää kuin 5 % lineaarista kutistumaa 100 tunnin jälkeen lämpimänä. Tämä takaa, että tietty määrätty kuitu ei joudu alttiiksi 20 hyväksymättömissä oleville kutistuman määrille (toisin sanoen ylittäen 12 %), kun sitä jaksotellaan jopa sen toimintalämpötilaan saakka toistuvasti koko sen toimintaiän aikana. Kun kuitunäytteet kerätään normaalissa tuotantokäytössä ja neuloitetaan huovaksi sen sijaan, että ne puristettaisiin huovaksi, ovat tämän tyyppisessä kokeissa havaittavat il 25 kutistumamäärät samantapaisempia kuin ne maksimit kutistumamäärät, joita käytön aikana halutaan saavuttaa.

Tuotantokokeita toteutettiin erilaisilla kemiallisilla koostumusten valikoimilla, jotta olisi määritelty, mikä koostumuksista 1) muodostui 30 hyvin kuiduiksi; 2) muodosti hyväksyttävissä olevan kutistuman tason kuituja sekä 3) mahdollisesti tuotantotulokset, mitkä ovat verrattavissa niihin, joita saavutetaan koesulatuksessa. Näiden tuotantokokeitten aikana kävivät näiden zirkoniumoksidia sisältävien koostumuksien edut ilmeiseksi. Stabilisoidussa saman rakenteen sulattimessa kuin mitä 35 aikaisemmin käytettiin piioksidi/alumiinioksidi sulatteille (sekä yläpuolisen että pohjalta käsin tapahtuvan sisääntulon elektrodilla) tuot- n 9 93347 ci zirkoniumoksidin koostumus korkeampia kaaConopeuksia samalla energian sisääntulomäärällä ja merkityksellisesti parempia talteenotetun kuidun prosenttimääriä kutakin sulatetun erän painoyksikköä kohden (mihin liittyi alhaisempi sulatemäärän pitoisuus ja vähemmän hylkytava-5 ran huopaa).

Näytteitä näistä huovan eri koostumuksista analysoitiin kemiallisesti ja ne koestettiin kutistuman suhteen, kuten aikaisemminkin. Lineaarisen kutistuman määrä on ajan ja lämpötilan mukainen ilmiö. Tämän mukaises-10 ti, vaikkakin tämä kuitu todennäköisesti nimettäisiin käytettäväksi 1400-1455°C (2550-2650°F) alueella, asetettiin näytteet uuniin 1482°C (2700°F) lämpötilaan neljäksi tunniksi, jotta 1) kiihdytettäisiin kokeita täten pienentäen sitä aikaa, mikä oli tarpeen sekä 2) taattaisiin, että huopa kykenee sietämään rajoitettua alttiinaoloa huippulämpöti-15 loille yli niiden, joita suositellaan käyttöön sen merkitsemättä katastrofista pettämistä. Näiden kokeiden tulokset käyvät ilmi taulukosta IIIA.

10 93347 TAULUKKO IIIA % painosta 5 (1482°C 4h) Näyte n:o Si02 Al203 Zr02 Si02/Zr02 % lineaarista suhde kutistumaa 1 53,1 45,8 0,4 132,75 15,6 2 51,9 42,5 4,6 11,282 14,6 10 3 50,0 44,3 5,3 9,434 14,9 4 51,7 42,1 5,4 9,57 13,3 5 49,0 38,9 11,2 4,375 12,1 6 48,0 38,2 13,2 3,636 9,2 7 49,2 36,4 13,8 3,565 8,2 15 8 54,7 30,3 14,1 3,879 12,9 9 49,4 35,0 14,5 3,407 11,3 10 50,2 34,1 14,7 3,415 9,7 11 51,9 32,9 14,7 3,531 9,1 12 49,7 34,7 15,0 3,313 6,8 20 13 49,7 34,8 15,0 3,313 8,2 14 47,6 37,3 15,2 3,132 10,9 15 49,3 34,6 15,3 3,222 9,7 16 46,0 37,3 15,3 3,007 9,0 17 46,4 37,2 15,4 3,013 8,1 ;;; * 25 ie 46,2 37,0 15,5 2,98 6,8 19 46,2 37,3 15,6 2,961 7,2 20 50,1 32,0 17,4 2,879 7,6 21 49,3 32,4 17,4 2,833 7,4 22 47,2 34,4 17,5 2,697 8,6 30 23 47,4 33,9 17,6 2,693 6,0 24 47,4 34,2 17,7 2,678 7,2 25 48,0 33,2 17,8 2,697 7,3 26 47,7 33,4 17,8 2,680 7,2

II

35 11 93347 Näitä kokeita varten määritellään hyväksyttävissä oleva kutistumisen taso määräksi 11,5 %. Vaikkakin tämä saattaa näyttää kohtuuttoman korkealta kutistumisen määrältä, tulisi muistaa, että kutistumisen määrää on tarkoituksellisesti liioiteltu saattamalla nämä näytteet alttiiksi 5 lämpötilalle (1480°C - 2700°F), mikä ylittää tämän suositellun toiminta-lämpötilan (1400-1455°C - 2550-2650°F) . Toisekseen joutuu huomattava osa huovasta, mikä on valmistettu tätä koostumusta käyttäen sisään eriste-moduleihin, mitkä ovat sitä tyyppiä, mitkä on kuvattuna US-patentissa 4.001.996. Tällaisessa modulaarisessa rakenteessa esiintyy huovassa 10 vähemmän kutistumaa, koska ainoastaan pieni osuus sen pinnasta on paljaana uunin sisäpuoliselle lämpötilalle. Tämän lisäksi täyttyy suurin osuus mistä tahansa aukosta, mikä saattaa muodostua seurauksena tällaisesta kutistumasta, kun kokoon puristetut modulit laajentuvat.

15 Taulukosta IIIA käy ilmi, että hyväksyttävän kutistumistason kuituja tuottavilla koostumuksilla on seuraavat kokoonpanot: Si02 vaihdellen määrästä 46,0 tasolle 52 %, Al203 vaihdellen määrästä 32 tasolle 38 % ja Zr02 vaihdellen määrästä 13 tasolle 18 % (kaikki prosenttimäärät ovat painoprosentteja). Lisärajoituksena tälle koostumuksien joukolle on, 20 että piioksidin suhde zirkoniumoksidiin näyttää olevan merkityksellinen, eikä sen tulisi ylittää tasoa 3,8. Taulukossa III on määritellyllä zirkoniumoksidin alueella (13-18 %) Si02/Zr02 suhteella minimiarvo 2,6. Tämän joukon sisällä eräs edullisempana pidetty koostumus (kutistuma-määriin perustuen) on Si02 väliltä 46,4-50,1 %, Al203 väliltä 32-37,3 %, . ’ 25 Zr02 väliltä 15-18 % ja Si02/Zr02 suhde väliltä 2,6-3,32.

Tulokset taulukosta IIIA on esitetty graafisesti kuviossa 2, jossa koostumuksien joukko on esitetty umpiviivalla. Kuvio 3 on suurennus osasta kuvion 2 kolmiakselista kaaviota (esitettynä katkoviivoilla), 30 jotta mahdollistettaisiin havainnollistettujen koostumuksien näkyminen selvemmin. Jopa kuvion 2 suurennetussa kuvannossa olivat kaksi näyte-pistettä (näytteet 13 ja 19) liian lähellä muita koostumuksia esitettäväksi selvästi erillisinä pisteinä.

35 Sekä kuitu massamuodossaan että huopana on käyttökelpoista aina 1426°C (2600°F) saakka. Jotta voitaisiin verrata tätä kuitua muihin kuituihin, 12 93347 joiden nimellisarvo on 1426°C (2600°F), koestettiin huopanäytteitä esitetyistä kuiduista (missä koostumus on 49,7 % Si02, 34,7 % Al203 ja 15,0 % Zr02) kutistuman suhteen koestaen niitä vierekkäin järjestettyjen uunien kokeessa verraten niitä 1) kaupallisesti saatavilla olevaan 5 tulenkestävän kuidun huopaan, missä koostumus on Al203 - 54 %, Si02 -46 % sekä b) kaupallisesti saatavilla olevaan tulenkestävien kuitujen huopaan, mille on suoritettu lämpökäsittely (toisin sanoen mikä on esikutistettu) ja missä koostumus on 51 % alumiinioksidia, 49 % piiok-sidia sekä c) kaupallisesti saatavilla olevan tulenkestävien kuitujen 10 huopaan, missä koostumus on Si02 - 51,6 %, Al203 - 47,7 %, jolloin tälle huovalle on myöhemmin suoritettu pintakäsittely h % kromioksidilla.

Näiden neljän huovan näytteiden liuskoja koestettiin kutistuman suhteen tavalla, mikä on toteutettu aikaisemmissa kokeissa. Mitattuja huovan 15 pätkiä sijoitettiin uuniin 1400°C (2550°F) lämpötilaan ja mitattiin ne uudestaan kukin 25, 50 ja 75 tunnin jälkeen ja prosenttimääräräinen kutistuminen laskettiin jakamalla pituuden muutos alkuperäisellä pituudella ja kertoen tulos sadalla. Suhteellisen pienen kutistuman määrän muutoksen johdosta 50 ja 75 tunnin mittauksien välillä toteutettiin 20 tämän jälkeen kokeita 1426°C (2600°F) ja 1482°C (2700°F) lämpötilassa jatkaen niitä ainoastaan 50 tuntiin saakka. Näiden kokeiden tulokset käyvät ilmi taulukosta 1IIB.

TAULUKKO IIIB

..25 % lineaarista kutistumaa « 4 Näyte 25 h 50 h 75 h 25 h 50 h 25 h 50 h

Esitetty kuitu 3,0 3,1 3,1 3,2 3,2 5,7 5,7 54/46 koostumus 4,2 4,9 5,0 5,0 5,7 4,8 5,7 30 51/49 koostumus 3,4 3,6 3,6 4,6 4,6 6,7 6,9

Kromilla käsitelty 3,6 3,9 4,0 4,1 4,3 10,5 11,2 Nämä kokeet osoittavat esitellyn kuidun ylivoimaisuuden näihin kolmeen muuhun kaupallisesti saatavilla olevaan kuituun nähden. Kun asia ote-35 taan yhdessä kuidunmuodostuksen vaikeuksien kanssa käytettäessä korkean alumiinioksidin määrän koostumuksia, ongelmien kanssa, mitkä liittyvät < II; 13 93347 kromioksidilla käsittelyyn, edellä mainittujen parannuksien kanssa kaa-tonopeudessa ja kuitujen talteenottomäärässä verrattuna muihin piioksi-din/alumiinioksidin sulatteisiin on tämän keksinnön mukainen korkean lämpötilan koostumus selvästi parempi kuin muut tunnetut tulenkestävien 5 kuitujen koostumukset.

Jotta olisi voitu varmistaa kokeet, valmistettiin tuotekuitua täysikokoisessa sulattimessa, ainetta P1 perustuen näytteeseen Z3. Koostumusta vaihdettiin hieman näytteen Z3 koostumuksesta, jotta olisi määritelty, 10 mitä vaikutuksia koostumuksen muutoksilla saattaa olla kuitujen ominaisuuksiin. Tuotettiin 3240 kg P1 ainetta kuituina, joilla suunniteltuna koostumuksena oli 49 % Si02, 37 % Al203 ja 14 % Zr02. Sulate valmistettiin ylhäältä päin tulevan elektrodin, avoimen yläosan sulattimessa, mikä on yleisesti ottaen sitä tyyppiä, mikä on kuvattuna US-patentissa 15 3.983.309.

Aineella P1 on sulaterajan lämpötila 1760°C ja se kuituitettiin keskimääräisellä sulatteen nopeudella 491 kg/tunnissa käyttäen 800 kW tehoa aikaansaaden virtauksen lämpötilaksi 1840°C. Vaikkakin todellinen kuitu-20 jen koostumus aineelle P1 vaihteli huomattavasti suunnitellusta koostumuksesta, osoitti analyysi joidenkin tuotetuista kuiduista olleen koostumukseltaan seuraavia: 49,2 % Si02, 36,5 % Al203 ja 13,6 % Zr02. Tämä koostumus on tyydyttävästi verrattavissa alkuperäiseen Z3 kuituun, millä oli 50,1/34,6/15,0 koostumus. Nämä kaksi koostumusta poikkesivat 25 vain 0,9/1,9/1,4 % toinen toisistaan. Silti vaihteli P1 näytteiden lineaarinen kutistuma tasolla 7,0-9,6 sen oltua ainoastaan 24 tuntia alttiina 1480°C lämpötilalle. Tämä vihjaa siihen, että Z3 koostumusta täytyy säätää hyvin tarkoin (+- 1 %), jotta olisi voitu tuottaa hyväksyttävissä olevaa 1480°C kuitua.

30

Erilaisia muutoksia, vaihtoehtoja ja muunnelmia on ilmeisenä, kun on luettu edellä oleva selitysteksti. Esimerkiksi voidaan harkita, että lisätään jopa 2,5 % kromioksidia seokseen Z3, mikä saattaa olla edullista parantaen tulenkestävyyttä. Myöskin vaikkakin on selitetty ai-35 noastaan yksi kuiduttamisen menetelmä, saatetaan tämä tulenkestävä kuitu muodostaa käyttäen mitä tahansa muuta kaupallista menetelmää, 14 93347 kuten puhaltamista esimerkkitapaus mainiten. Niinpä on tämän mukaisesti tarkoitus, että kaikkia sellaisia muutoksia, vaihtoehtoja ja muunnelmia, jotka sijoittuvat oheisten patenttivaatimusten puitteisiin, tulisi pitää osana nyt kyseessä olevaa keksintöä.

5 ♦ il,

Claims (5)

93347

1. Korkean lämpötilan tulenkestävä kuitu, tunnettu siitä, että mainitulla kuidulla massa- tai huopamuodossa on parantunut alle 5 11,5 %:n kutistumisen vastustuskyky oltuaan alttiina lämpötiloille 1482°C (2700°F) saakka noin neljän tunnin ajan, että tulenkestävän kuidun koostumus muodostuu painoprosentteina: Si02 46-52 %

10 A1203 32-38 % Zr02 13-18 % ja missä piidioksidin suhde zirkoniumoksidiin on alueella 2,6-3,8.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen korkean lämpötilan tulenkestävä kui tu, tunnettu siitä, että se sisältää painoprosentteina edullisimmin: Si02 46,4-50,1 %

20 A1203 32,0-37,3 % Zr02 15,0-18,0 « ja että Si02 ja Zr02 suhde on väliltä 2,6-3,32. • 25

3. Kuitujen käyttö, joiden kuitujen koostumus muodostuu painoprosent teina: Si02 46-52 % A1203 32-38 %

30 Zr02 13-18 % ja missä piidioksidin suhde zirkoniumoksidiin on alueella 2,6-3,8 korkean lämpötilan tulenkestävinä kuituina massa- tai huopamuodossa, joilla kuiduilla on parantunut alle 11,5 %:n kutistumisen vastustuskyky 35 oltuaan alttiina lämpötiloille 1482°C (2700°F) saakka noin neljän tunnin ajan. 93347

4. Patenttivaatimuksen 1 mukaisten korkean lämpötilan tulenkestävien kuitujen käyttö, joiden kuitujen koostumusalueet painoprosentteina ovat:

5 Si02 46,4-50,1 % A1203 32,0-37,3 % Zr02 15,0-18,0 % ja jossa Si02 ja Zr02 suhde on väliltä 2,6-3,32. 10 • · II 93347