NL9401182A

NL9401182A - Gefuseerd-silicamengsels met een hoge dichtheid, vuurvaste vormen welke daarvan zijn gemaakt, en werkwijze van vervaardiging van dezezelfde.

Info

Publication number: NL9401182A
Application number: NL9401182A
Authority: NL
Original assignee: Indresco Inc
Priority date: 1993-07-28
Filing date: 1994-07-19
Publication date: 1995-02-16
Also published as: GB2280429B; AU6869494A; GB9413700D0; US5360773A; SG44507A1; AU675546B2; GB2280429A

Description

GEFUSEERD-SILICAMENGSELS MET EEN HOGE DICHTHEID.

VUURVASTE VORMEN WELKE DAARVAN ZIJN GEMAAKT. EN WERKWIJZE VAN VERVAARDIGING VAN DEZEZELFDE

ACHTERGROND VAN DE UITVINDING

De onderhavige uitvinding heeft betrekking op gefu-seerd-silicamengsels met een hoge dichtheid welke middels slagpersen kunnen worden gevormd tot vuurvaste vormen met een hoge dichtheid.

Vuurvaste vormen van gefuseerd silica worden hoofdzakelijk gebruikt in industriële processen waarin temperaturen meestal niet boven de 2000“F uitstijgen en/of de vuurvaste vorm niet aan grote thermische wisselingen wordt blootgesteld. Ook worden vuurvaste vormen van gefuseerd silica gebruikt in zure omgevingen waarin er in het algemeen sprake is van hoge temperaturen. Voorbeelden van toepassingsgebieden van gefuseerd silica zijn cokesovens, chloreringsinrichtingen, keramische ovens, dekvormen van gesmolten metaal, en dergelijk.

Totnogtoe is het niet mogelijk geweest om geperste vormen van gefuseerd silica, zoals bakstenen, platen en dergelijk, welke acceptabele afmetingen en sterktes zouden moeten hebben, te vormen door krachtpersen. Bijgevolg is het noodzakelijk geweest om suspensiegieten toe te passen voor het maken van vormen van gefuseerd silica welke een dichtheid van 117-122 lbs./ft.3 hebben. Een dergelijke dichtheid en ook hogere sterktes zijn vereist, aangezien dergelijke vormen worden gebruikt in vakgebieden als die van chlore-ringsinrichtingen en voor toepassingen waarin een lage porositeit, een lage permeabiliteit en zuurbestendigheid van het opperste belang zijn.

Terwijl het suspensiegieten over het algemeen voldoet bij het maken van vormen van gefuseerd silica, is het een dure werkwijze voor wat betreft de lange procesduur en lage productiesnelheid. Meer in het bijzonder vereist het maken van vormen middels de werkwijze van suspensiegieten een lange verblijftijd in gipsmatrijzen en lange drogingstijden alvorens de vorm kan worden gebakken. Bijgevolg zijn de kosten voor het maken van vormen zoals bakstenen of platen door middel van suspensiegieten veel hoger dan de werkwijzen van krachtpersing welke gewoonlijk worden gebruikt bij het vormen van bakstenen.

De reden voor de lange drogingstijden ligt voor de hand aangezien teneinde in een suspensie te worden gebruikt, in tegenstelling tot te worden geperst onder kracht, er voor elke gegeven samenstelling tenminste vier keer zo veel water in de suspensie moet worden gebruikt ten opzichte van een samenstelling welke onderwerp is van krachtpersing.

Pogingen om een pers te proberen te gebruiken ter vorming van een silicabaksteen met een hoog amorfgehalte zijn beschreven in het Amerikaanse octrooischrift nr. 3463650 ten name van McCreight et al., waarin vitreus sili-cakorrels, welke overeenkomstig de leer van het Amerikaanse octrooischrift nr. 3314758 waren vervaardigd, in een baksteenmengsel werden gebruikt. Dit mengsel bevatte gerookt silica en onzuivere bindmiddelen welke devitrificatie (vorming van kristallijne fasen) van amorf silica veroorzaakten. Deze bakstenen werden gekenmerkt door een bulkdichtheid van 115-116 psi en een sterkte van 700-800 psi, zoals gemeten in de grootte van de scheurmodulus bij kamertemperatuur. Hoewel dit octrooischrift laat zien dat in het laboratorium baksteen met een amorfgehalte van 95% kon worden vervaardigd, vereiste in werkelijkheid baksteen welke in hoeveelheden op productieschaal werd gebakken een langere standtijd voordat de massa de evenwichtstoestand bereikte, en waren amorfgehaltes van 80% tot 90% meer typische waarden. Deze baksteensoort had een inferieure thermische-schokbestendigheid in vergelijking met 100% amorf silica, en in sommige gevallen was de sterkte minder dan 700 psi.

Gedurende lange tijd was het gewenst om middels krachtpersing een baksteen van gefuseerd silica te produceren welke een amorfgehalte van meer dan 90%, een dichtheid in de buurt van of meer dan 120 lbs./ft.3 en een sterkte van meer dan 1000 psi had.

Aldus beschreef het octrooischrift van McCreight et al., welk octrooi ongeveer 24 jaar geleden werd verleend, een poging tot eliminering van suspensiegieten, welke werkwijze niet succesvol is gebleken, en beschrijft het octrooi- schrift nr. 5096865, ten name van Dunworth, welk octrooi van recente datum is, het doorgaande gebruik van suspensiegieten bij het maken van vormen van gefuseerd silica welke een hoge dichtheid hebben.

SAMENVATTING VAN DE UITVINDING

De onderhavige uitvinding heft de problemen van de bekende techniek op, en hij resulteert in vormen van gefuseerd silica met een hoge dichtheid welke via krachtpersing kunnen worden gevormd.

Meer in het bijzonder behelst de onderhavige uitvinding een vuurvast mengsel voor het vormen van een vuurvaste vorm van gefuseerd silica welke een hoge dichtheid heeft, bestaande in wezen uit een gefuseerd silica met een hoge zuiverheid en een ammoniumlignosulfonaat met een hoge zuiverheid.

Ook behelst de onderhavige uitvinding een vuurvaste vorm van gefuseerd silica die in wezen bestaat uit een gefuseerd silicasoort met een hoge zuiverheid welke gebonden is aan colloïdaal silica met een hoge zuiverheid en ammoniumlignosulfonaat met een hoge zuiverheid.

Verder behelst de onderhavige uitvinding een werkwijze voor het maken van een vuurvaste vorm van gefuseerd silica welke een lage porositeit heeft, welke werkwijze bestaat uit het vormen van een mengsel, welk mengsel in wezen bestaat uit een gefuseerd silicasoort met een hoge zuiverheid en een bindmiddel, welk bindmiddel in wezen bestaat uit een colloïdaal silicasoort met een hoge zuiverheid en ammoniumlignosulfonaat, het persen van het mengsel in de gewenste vorm, en het dan bakken van de geperste vorm.

GEDETAILLEERDE BESCHRIJVING

Terwijl de onderhavige uitvinding in ruime zin toepasbaar is voor elke vuurvaste vorm van gefuseerd silica, zoals blokken, platen, bakstenen, en dergelijk, zal de onderhavige uitvinding hieronder nader worden beschreven met betrekking tot baksteen.

Een wezenlijk criterium van de onderhavige uitvinding is het gebruik van een gefuseerd silicasoort met een hoge zuiverheid. Zoals hierin aangewend heeft de term "hoge zuiverheid" de betekenis van tenminste 99,5% silica, bij voorkeur 99,9% of meer.

Bovendien, als gebruikelijk bij het maken van baksteen, heeft het de voorkeur om gebruik te maken van een gefuseerd silicasoort met een deeltjesgrootte-verdeling van ongeveer -4 mesh tot -325 mesh (Tyler standaard).

Het resterende, wezenlijke bestanddeel van het mengsel wordt gevormd door het bindsysteem, en dit systeem bestaat in wezen uit een oplossing van colloïdaal silica met een hoge zuiverheid en uit ammoniumlignosulfonaat met een hoge zuiverheid. De oplossing van colloidaal silica moet een vaste-stofgehalte van 30 gew.% tot 50 gew.% hebben. Het zuiverheidsgehalte van de oplossing moet 99%-plus aan silica en waterhoudende drager bedragen. De viscositeit van de oplossing moet minder dan 30 cP (bij kamertemperatuur) bedragen. De pH van de oplossing is niet van kritische betekenis, gegeven dat oplossingen welke een lage pH of een hoge pH hebben gelijkelijk doelmatig zijn.

Voor wat betreft het ammoniumlignosulfonaat met een hoge zuiverheid heeft het de voorkeur dat het een asgehalte van minder dan ongeveer 3 gew.%, bij voorkeur minder dan ongeveer 2 gew.%, heeft, en minder dan ongeveer 0,25 gew.% calcium in de as heeft.

Het heeft de voorkeur om geen andere bestanddelen te gebruiken in het mengsel en in de resultante afgewerkte producten.

De baksteen kan uit het mengsel worden gevormd door het eenvoudigweg mengen van de gefuseerd silicasoort en het bindsysteem, het vormen van de gewenste baksteenvorm met een gebruikelijke slagpersinrichting, en het dan bakken van de baksteen. De baksteen wordt bij voorkeur gebakken bij hoge temperaturen, dat wil zeggen: van ongeveer 2100-2200°F met een standtijd die voldoende lang is opdat de massa thermisch evenwicht bereikt, doch welke tijd niet dusdanig lang is dat de baksteen devitrificeert tot meer dan 10% aan kristallijn silica, als gemeten door middel van kwantitatieve röntgen-straling-diffractie. Voor een grbuikelijke ovenlading van geperste baksteen zal een voldoende standtijd waarschijnlijk in het traject van 5-10 uur liggen. Voor het verkrijgen van een optimale balans tussen de standtijd en de gewenste combinatie van fysische eigenschappen is slechts routinematige proefneming benodigd, aangezien elke oven enigszins zal variëren ten aanzien van de mogelijkheden daarvan voor het bakken van een gegeven lading aan baksteen vanwege de ver-hittingsbron, het ontwerp en dergelijke parameters daarvan. De uitkomst is een baksteen van gefuseerd silica met een dichtheid van meer dan 120 lbs./ft.3 en een porositeit van ongeveer 9-12% en een scheurmodulus van meer dan 1000 psi bij kamertemperatuur.

Ten aanzien van de evenredigheden is het bindsysteem een toevoegsel aan het vuurvaste silica, en het wordt toegevoegd in een hoeveelheid van ongeveer 3-8 gew.% op basis van 100 gewichtsdelen aan het gefuseerd silica. Voor wat betreft de bestanddelen van het bindsysteem zelf geldt dat terwijl gelijke aantallen gewichtsdelen aan elk bestanddeel kunnen worden gebruikt, het de voorkeur heeft om ongeveer 3 gew.% aan het colloïdaal silica te gebruiken voor elk 2,5 gew.% aan het ammoniumlignosulfonaat.

De onderhavige uitvinding zal verder worden beschreven in samenhang met de volgende voorbeelden, welke voorbeelden slechts ter toelichting worden gegeven.

VOORBEELDEN 1-4

Een reeks van vier mengsels werd bereid, en daarvan werden baksteensoorten gemaakt. De resultante bakstenen werden beproefd op bulkdichtheid, sterkte en porositeit. De samenstelling van het mengsel, de omstandigheden van vorming van de bakstenen, en de uitkomsten van de proeven worden hieronder gegeven in tabel I. Daarnaast werden de baksteensoorten vergeleken met twee commerciële soorten silicabak-steen-mengsels, te weten vitreus-silicabaksteen, merk VISIL (een geperste samenstelling) en gefuseerd-silicabaksteen, merk MASROCK, welke met suspensiegieten waren bereid.

Tabel I

- wordt vervolgd -

Tabel I (vervolg)

ti p» 3 : pH 9 (1) Afmetingen van 9"x4,5"x3,0" (2) Omdat dit een mengsel zo'n lage dichtheid had werden er hiermee geen verdere proeven genomen

De bakprocedures waren als volgt: 1. Bakken bij 2050°F, stand 6 uur.

2. Bakken bij 2100°F, stand 6 uur.

3. Bakken bij 2150°F, stand 6 uur.

4. Bakken bij 2175°F, stand 6 uur.

5. Bakken bij 2200°F, stand 6 uur.

Afzonderlijke exemplaren van de baksteen volgens voorbeeld 1 werden gebakken met ieder van de vij f hiervoren vermelde bakprocedures; exemplaren volgens voorbeeld 2 werden alleen gebakken bij 2200“F; en exemplaren volgens voorbeeld 4 werden alleen gebakken bij 2150°F.

Tabel I toont duidelijk aan dat gefuseerd-silicabak-steen die van gefuseerd-silicakorrels met een hoge zuiverheid en bindmiddelen met een hoge zuiverheid gemaakt is, bij 2175'F gemaakt en gebakken kon worden zonder een waarneembaar verlies aan de amorfe toestand daarvan. De lage porositeit van 10,7% en het amorfgehalte van 99+% waren vrij onverwacht aangezien het goed bekend is dat boven een temperatuur van 2200°F amorf silica de neiging heeft te devitri-ficeren en dat silica met een hoge zuiverheid —99+%— klonterig pleegt te zijn voor wat betreft zijn vermogen tot sinte-ring.

Terwijl de onderhavige uitvinding werd beschreven in verband met een voorkeursuitvoeringsvorm daarvan, wordt er niet beoogd de reikwijdte van de onderhavige uitvinding af te bakenen tot de desbetreffende vorm welke is gegeven, doch wordt er juist in tegenstelling beoogd dergelijke alternatieven, wijzigingen en equivalenten als die welke binnen de gedachte en de reikwijdte van de onderhavige uitvinding, als gedefinieerd door de bijgevoegde conclusies kunnen worden vervat, mee te bestrijken.

................... conclusies

Claims

1. Vuurvast mengsel voor het vormen van een op gefuseerd silica gebaseerd vuurvaste vorm, dat in wezen bestaat uit een gefuseerd silica met een hoge zuiverheid en een bindsys-teem, welk bindsysteem in wezen bestaat uit een oplossing van colloïdaal silica met een hoge zuiverheid en uit ammoni-umlignosulfonaat met een hoge zuiverheid.

2. Mengsel volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat genoemd gefuseerd silica tenminste 99,5% silica bevat, genoemde oplossing van colloïdaal silica een vaste-stofge-halte van 30 gew.% tot 50 gew.% en een gehalte van 99+% aan silica plus waterhoudende drager heeft, en genoemd lignosul-fonaat minder dan ongeveer 3 gew.% aan as bevat, en er minder dan ongeveer 0,25 gew.% calcium in de as is.

3. Mengsel volgens conclusie 2, met het kenmerk, dat genoemd gefuseerd silica tenminste 98% aan silica is.

4. Mengsel volgens conclusie 3, met het kenmerk, dat voor elk 100 gewichtsdelen aan genoemd gefuseerd silica er ongeveer 3-8 gew.% aan genoemd bindsysteem aanwezig is.

5. Op gefuseerd silica gebaseerd vuurvaste vorm die in wezen bestaat uit een gefuseerd silica met een hoge zuiverheid en een bindsysteem, welk bindsysteem in wezen bestaat uit een oplossing van colloïdaal silica met een hoge zuiverheid en uit ammoniumlignosulfonaat met een hoge zuiverheid.

6. Vuurvaste vorm volgens conclusie 5, met het kenmerk, dat genoemd gefuseerd silica tenminste 99,5% silica bevat, genoemde oplossing van colloïdaal silica een vaste-stofge-halte van 30 gew.% tot 50 gew.% en een gehalte van 99+% aan silica plus waterhoudende drager heeft, en genoemd lignosul-fonaat minder dan ongeveer 3 gew.% aan as bevat, en er minder dan ongeveer 0,25 gew.% calcium in de as is.

7. Vuurvaste vorm volgens conclusie 6, met het kenmerk, dat genoemd gefuseerd silica tenminste 98% aan silica is.

8. Vuurvaste vorm volgens conclusie 7, met het kenmerk, dat voor elk 100 gewichtsdelen aan genoemd gefuseerd silica er ongeveer 3-8 gew.% aan genoemd bindsysteem aanwezig is.

9. Vuurvaste vorm volgens conclusie 8, met het kenmerk, dat deze een kristallijngehalte van minder dan 10%, als gemeten met Röntgendiffractie, heeft.

10. Werkwijze voor het maken van een op gefuseerd silica gebaseerde vuurvaste vorm welke een schijnbare porositeit van 9-12% en een scheurmodulus van meer dan 1000 psi heeft, behelzende het persen van een mengsel, welk mengsel in wezen bestaat uit een gefuseerd silica met een hoge zuiverheid en een bindsysteem, welk bindsysteem in wezen bestaat uit een oplossing van een colloïdaal silica met een hoge zuiverheid en uit ammoniumlignosulfonaat met een hoge zuiverheid, in de gewenste vorm, en het bakken van de geperste vorm tot een temperatuur boven de 2000°F.

11. Werkwijze volgens conclusie 11, met het kenmerk, dat genoemd gefuseerd silica tenminste 99,5% silica bevat, genoemde oplossing van colloïdaal silica een vaste-stofge-halte van 30 gew.% tot 50 gew.% en een gehalte van 99+% aan silica plus waterhoudende drager heeft, en genoemd lignosul-fonaat minder dan ongeveer 3 gew.% aan as bevat, en er minder dan ongeveer 0,25 gew.% calcium in de as is.

12. Werkwijze volgens conclusie 11, met het kenmerk, dat genoemd gefuseerd silica tenminste 98% aan silica is.

13. Werkwijze volgens conclusie 12, met het kenmerk, dat voor elk 100 gewichtsdelen aan genoemd gefuseerd silica er ongeveer 3-8 gew.% aan genoemd bindsysteem aanwezig is.

14. Werkwijze volgens conclusie 13, met het kenmerk, dat genoemd bakken een tijdsduur heeft welke voldoende lang is om de vorm te bakken, doch niet om de vorm te doen devitri-ficeren tot meer dan 10% aan kristallijn silica als gemeten door Röntgendiffractie.