NL9300332A - Bindmiddel en weekmaker voor de bereiding van vuurvaste, keramische, koolstofbevattende materialen en de daarmee verkregen materialen. - Google Patents

Description

BINDMIDDEL· EN WEEKMAKER VOOR DE BEREIDING VAM VUURVASTE. KERAMISCHE. KOOLSTOFBEVATTENDE MATERIALEN EN DE DAARMEE VERKREGEN MATERIALEN

De uitvinding heeft betrekking op een bindmiddel en weekmaker voor de bereiding van vuurvaste, keramische, koolstofbevattende materialen, die tot een monolytische massa of vormdeeltjes verderverwerkt worden, en een vuurvast keramisch koolstofbevattend materiaal dat verkregen wordt onder toepassing van dit bindmiddel.

De binding van vuurvaste materialen in monolytische massa en vormdeeltjes met steenkoolprodukten zoals teer of pek is reeds lang bekend. Deze dient in de eerste plaats tot een verhoging van de weerstand tegen infiltratie, en weerstand tegen agressieve (metallurgische) slakken van de overeenkomstige vuurvaste keramische produkten.

Met pek gebonden vuurvaste produkten vertonen een hoge mechanische sterkte, ook na de verkooksing van het bindmiddel, die bij verhoogde temperaturen, bijvoorbeeld na het verwerken van het produkt in een metallurgisch smelt-vat, behouden blijft. Bovendien zijn de uit een dergelijke pek verkregen kooksmaterialen, die zich bij het gebruik van het produkt vormen, relatief bestand tegen oxydatie.

In zoverre hebben met pek of teer gebonden produkten gedeeltelijk betere eigenschappen dan de vuurvaste materialen waarbij kunstharsen als bindmiddel worden toegepast.

Het voordeel van kunsthars is daarin gelegen dat deze geen polycyclische aromatische koolwaterstoffen bevatten, zodat ze vanuit milieuoogpunt de voorkeur hebben.

Het is echter nadelig dat dergelijke koolstofbe-vattende vuurvaste materialen, die uitsluitend kunstharsen als bindmiddel bevatten een slecht slijtgedrag vertonen. Een verder nadeel van kunstharsen is hun hoge prijs.

De genoemde nadelen van het gebruik van kunstharsen als bindmiddel kunnen gedeeltelijk gecompenseerd worden als aan het koolstofbevattende vuurvaste mengsel een metaal wordt toegevoegd (Stahl und Eisen 108 (1988) Nr. 22, 1049).

Dergelijke metaaltoevoegingen zijn echter duur. Bovendien worden er gedeeltelijk instabiele metaalcarbiden gevormd, die zich tijdens het inbrengen kunnen vormen uit de metaalpoedertoevoeging, en in dat geval de mogelijkheid tot hergebruik van het koolstofbevattende vuurvaste materiaal beperken. Juist het opnieuw gebruiken van vuurvast materiaal is echter vanuit milieuoogpunt een belangrijk doel.

De uitvinding heeft derhalve tot doel een bindmiddel en weekmaker voor vuurvaste keramische koolstofbevattende materialen te verschaffen, die in vergelijking met zuivere kunstharsen een verhoogde mechanische sterkte van het materiaal - in het bijzonder bij het inbrengen, maar ook na het verkooksen - en een verbeterde weerstand tegen oxydatie van het verkregen produkt mogelijk maakt.

Verrassenderwijs werd nu gevonden dat de combinatie van een vloeibare, hardbare kunsthars met een vloeibare anorganische fosfaatdrager in aanwezigheid van een vloeibare anionische en/of niet-ionische oppervlakte-actieve stof, of een organische base die aan de genoemde eisen voldoet, zowel tot een duidelijk verbeterde mechanische sterkte van het produkt in verkookste toestand als tot een verbeterde weerstand tegen oxydatie leidt.

Terwijl de mechanische sterkte van uitsluitend met hars gebonden materialen zowel als uitgangsmateriaal, als na verkooksing van de hars, alleen afkomstig is van de op de bindmiddelhars gevormde pyrolytische koolstof, wordt door de gelijktijdige aanwezigheid van een anorganische fosfaatdrager een extra verknoping bereikt, waardoor de sterkte van het materiaal duidelijk wordt verbeterd.

Tegelijkertijd maakt het fosfaatgedeelte een effectieve bescherming tegen oxydatie mogelijk van de in het materiaal aanwezige koolstof, die bijvoorbeeld aanwezig is in de vorm van fijnverdeeld grafiet, kooks of roet, omdat een aanval van oxyderende media door een blokkering van de actieve oppervlakken en een gelijktijdige verglazende werking van het fosfaat verhinderd wordt.

In haar algemeenste uitvoeringsvorm heeft de uitvinding betrekking op een bindmiddel en weekmaker voor de bereiding van vuurvaste keramische koolstofbevattende materialen welk bindmiddel bestaat uit een mengsel van: 0,1-90 gew.delen van een vloeibare, hardbare kunsthars, 0,1-70 gew.delen van een vloeibare, anorganische fosfaatdrager, en 0,1-50 gew.celen van een vloeibare, anionische en/of niet-ionische oppervlakte-actieve stof en/of een organische base.

Binnen deze relatief wijde trajecten van de afzonderlijke componenten hebben de volgende hoeveelheden de voorkeur: 30-70 gew.delen kunsthars 10-50 gew.delen fosfaatdrager - 5-30 gew.delen oppervlakte-actieve stof en/of base, waarbij het totaal van de afzonderlijke componenten steeds 100 gew.delen moet bedragen.

De aanwezigheid van de anionische en/of niet-ionische oppervlakte-actieve stof in het bindmiddel draagt bij aan een vertraging van de hardingsreactie van de kunsthars. Dit is voordelig omdat bijvoorbeeld fenolformal-dehydeharsen in de aanwezigheid van zure componenten meer of minder snel uitharden, wat de verwerkbaarheid van het vuurvaste materiaal, bijvoorbeeld bij het vormen van monolytische massa of bij de vervaardiging van vormdeeltjes verhindert. De toevoeging van oppervlakte-actieve stof werkt hier als een middel voor het optimaliseren van de verwerkbaarheid van het materiaal.

Tot dit doel dient ook de alternatieve of cumulatieve toevoeging van een organische base, en wel, betrokken op het totaal van het bindmiddel, bij voorkeur in een hoeveelheid van 3-10 gew.delen. Bij voorkeur wordt een combinatie van oppervlakteactieve stof en base gebruikt. De base is bij voorkeur een aminoethanol.

De vloeibare kunsthars kan bijvoorbeeld een fenol-of novolakhars zijn, bijvoorbeeld een fenolformaldehyde-hars.

Als fosfaatdrager in het bindmiddel kan bijvoorbeeld fosforzuur gebruikt worden, of in plaats daarvan een zuur fosfaat zoals mono-aluminiumfosfaat.

De genoemde oppervlakte-actieve stof moet volgens één uitvoeringsvorm van de uitvinding bestaan uit ethyleen-oxyde-adducten. Als vertegenwoordiger van deze groep kan een 25%-ige oplossing van een verbindingsprodukt van ethyleenoxyde aan een kokosvetalcohol waarvan de koolstofketen 12 tot 18 koolstofatomen lang is genoemd worden, waarbij dit produkt slechts weinig schuim ontwikkelt. Glycolen (meerwaardige ailcoholen) zijn ook geschikt.

Bij voorkeur moet het kunstharsaandeel, alleen al uit kostenoverwegingen, zo gering mogelijk gehouden worden. Anderzijds vervult de kunsthars in het bindmiddelmengsel een belangrijke functie, omdat bijvoorbeeld een verhoogd fosfaataandeel de hittebestendigheidseigenschappen van het zo bereide vuurvaste koolstofbevattende materiaal verslechtert, omdat daarmee tijdens het toevoegen gasvormende reacties plaatsvinden. Bovendien zou een te sterke reductie van de hoeveelheid kunsthars leiden tot een reductie van de hoeveelheid pyrolytisch koolstof in de voegen en poriën van het vuurvaste materiaal, en daarmee tot een verslechtering van de weerstand tegen de filtratie van metaal en slakken.

Een bijzonder voordeel van het genoemde bindmiddel is daarin gelegen dat het ook voor het opwerken van herge bruikte vuurvaste materialen gebruikt kan worden. Het is bekend dat hergebruikte vuurvaste materialen vaak sterk poreus zijn en derhalve een grote hoeveelheid bindmiddel nodig hebben. Door een minimalisering van de hoeveelheid kunsthars in het bindmiddel (bij een gelijktijdige verhoging van de hoeveelheid fosfaat en oppervlakte-actieve stof) kunnen echter met het beschreven bindmiddel aanzienlijke kostenbesparingen bereikt worden.

Als gevolg van het op elkaar afstemmen van de afzonderlijke mengselcomponenten kan afgezien worden van het toevoegen van poedervormige kunstharsen, die eerst als onmisbaar werden beschouwd om het materiaal in een verwerkbare toestand te kunnen krijgen.

Tenslotte kan door het toepassen van het beschreven bindmiddel geheel of tenminste gedeeltelijk afgezien worden van het toevoegen van metaalpoeders als oxydatierem-mende toevoegmiddelen, omdat deze functie nu door het fosfaataandeel overgenomen wordt.

Het beschreven bindmiddel is zowel geschikt voor de bereiding van basische als voor de bereiding van niet-basische massa en vormdeeltjes.

De hoeveelheid bindmiddel in het vuurvaste keramische materiaal bedraagt hierbij bij voorkeur tussen 2 en 10 gew.%.

Het bindmiddel volgens de uitvinding wordt bij voorkeur toegepast in een vuurvast keramisch koolstofbevat-tend materiaal waarbij het vuurvaste matrixmateriaal bestaat uit één of meer vuurvaste oxyden en de koolstofbe-vattende component bestaat uit fijn verdeeld grafiet, roet en/of kooks. Het vuurvaste oxyde is bij voorkeur magnesiet, bauxiet, korund en/of andalusiet.

De uitvinding wordt hierna aan de hand van een aantal uitvoeringsvoorbeelden nader toegelicht.

Voorbeeld 1

Er wordt uitgegaan van een vuurvast, keramisch koolstofbevattend materiaal bestaande uit: 80 gew.delen bauxiet 10 gew.delen siliciumcarbide (SiC) 10 gew.delen grafiet in de gebruikelijke deeltjesgrootte.

Dit vuurvaste uitgangsmengsel wordt vervolgens met telkens 4 gew.% van twee verschillende bindmiddelen gemengd, namelijk A: een vloeibaar fenolformaldehydehars B: een mengsel van: - 55 gew.delen vloeibare fenolformaldehydehars 35 gew.delen vloeibaar mono-aluminiumfosfaat 10 gew. delen van een mengsel van een anioni-sche en een niet-ionische oppervlakte-actieve stof.

De mengsels worden homogeen gemengd en tot vorm-deeltjes geperst. Van de uitgeharde en aansluitend bij 1000°C verkooksde proefdeeltjes worden tenslotte de volgende eigenschappen bepaald:

Materiaal met Materiaal met

bindmiddel A bindmiddel B

Koude druksterkte (MPa) 47,6 66,5

Hete buigsterkte (bij 1400°C

in oxyderende atmosfeer) (MPa) 7,3 9,4 oxydatieverlies 1300°C/3 uur (massa-%) 4,5 2,9 1300eC/6 uur (massa-%) 10,8 7,7

Voorbeeld 2

In dit geval wordt een vuurvast materiaal bestaande uit 80 gew.delen hergebruikt bauxiet 10 gew.delen siliciumcarbide 10 gew.delen grafiet in de gebruikelijke deeltjesgrootte gemengd met 6 gew.delen van een bindmiddelmengsel volgens de uitvinding dat bestaat uit 45 gew.delen vloeibare formaldehydehars - 30 gew.delen vloeibaar mono-aluminiumfosfaat 25 gew.delen van een mengsel uit anionische en niet-ionische oppervlakte-actieve stoffen tot een homogeen mengsel wordt verkregen dat vervolgens tot vormdeeltjes wordt geperst. Van deze vormdeeltjes werden de volgende eigenschappen bepaald:

Na harding: massadichtheid (g/cm3) 2,78 - open porositeit (Vol.-%) 7,3 koude druksterkte (MPa) 61,9 hete buigsterkte (MPa) (1400°C, oxyderend) 8,4

Na verkooksing bij 1000°C: - massadichtheid (g/cm3) 2,75 - open porositeit (VOL.-%) 13,8 koude druksterkte (MPa) 54,5

De hiervoor beschreven voorbeelden (waaronder het vergelijkingsvoorbeeld) tonen de superioriteit van de eigenschappen van het materiaal van de proefdeeltjes onder toepassing van het bindmiddel en weekmaker volgens de uitvinding.

Claims (10)

1. Bindmiddel en weekmaker voor de bereiding van vuurvaste koolstofbevattende materialen welk bindmiddel bestaat uit een mengsel van A: 0,1-90 gew.delen van een vloeibare hardbare kunsthars B: 0,1-70 gew.delen van een vloeibare anorgani sche fosfaatdrager C: 0,1-30 gew.delen van een vloeibare, anionische en/of niet-ionische oppervlakte-actieve stof en/of een organische base, waarbij het totaal van de componenten A tot C steeds 100 moet bedragen.

2. Middel volgens conclusie 1 bestaande uit een mengsel van A: 30-70 gew.delen van een vloeibare hardbare kunsthars B: 10-50 gew.delen van een vloeibare anorganische fosfaatdrager, C: 5-30 gew.delen van een vloeibare, anionische en/of niet-ionische oppervlakte-actieve stof en/of een organische base.

3. Middel volgens conclusie 2 waarbij de hoeveelheid van de organische base 3 tot 10 gew.delen bedraagt.

4. Middel volgens één der conclusies 1-3, waarbij de component C bestaat uit de combinatie van oppervlakte-actieve stof en base.

5. Middel volgens één der conclusies 1-4, waarbij de vloeibare kunsthars bestaat uit een fenolhars en/of een novolakhars.

6. Middel volgens één der conclusies 1-5, waarbij de vloeibare fosfaatdrager bestaat uit fosforzuur of een zuur fosfaat, zoals mono-aluminiumfosfaat.

7. Middel volgens één der conclusies 1-6, waarbij de vloeibare oppervlakte-actieve stof bestaat uit ethylee-noxyde-adducten of glycolen.

8. Middel volgens één der conclusies 1-7, waarbij de organische base een arainoethanol is.

9. Vuurvast keramisch koolstofbevattend materiaal met een bindmiddel en weekmaker volgens één der conclusies 1-8, waarbij het vuurvaste matrixmateriaal bestaat uit één of meer vuurvaste oxyden en de koolstofbevattende component bestaat uit fijnverdeeld grafiet, roet en/of kooks.

10. Materiaal volgens conclusie 9, waarbij de vuurvaste oxyde bestaat uit magnesiet, bauxiet, korund en/of andalusiet.