PL195887B1

PL195887B1 - Sposób wytwarzania spojonego materiału w postaci cząstek, spoiwo do wiązania tego materiału oraz spojony wyrób

Info

Publication number: PL195887B1
Application number: PL355564A
Authority: PL
Inventors: Greg Connor; Emad Eldemallawy; Christopher Charles Nail
Original assignee: Foseco Int
Priority date: 1999-12-02
Filing date: 2000-08-25
Publication date: 2007-11-30
Also published as: DE60009853T2; WO2001039911A2; US6416572B1; CN1433345A; CN1225329C; KR20010077933A; DK1122002T3; KR100471608B1; CA2390338C; CA2390338A1; PT1122002E; EP1122002B1; ES2219261T3; DE60009853D1; ATE264149T1; CZ20021893A3; MXPA02005313A; WO2001039911A3; PL355564A1; BR0016128B1

Abstract

1. Sposób wytwarzania spojonego materialu w postaci czastek, znamienny tym, ze obejmuje etapy: polaczenie skladnika alkalicznego z tlenkiem metalu w postaci czastek, zdolnym do tworzenia meta- lanu w obecnosci skladnika alkalicznego; oraz wysuszenie czastek po tym, jak czesc kazdej czastki tlenku metalu utworzyla metalan, w taki sposób, ze po wysuszeniu pozostaja nieprzereagowane rdzenie czastek. 7. Spoiwo do wiazania materialu w postaci czastek, znamienne tym, ze zawiera: (a) tlenek metalu w postaci czastek, zdolny do tworzenia metalanu w obecnosci skladnika alkalicznego; (b) skladnik alkaliczny; i (c) wode, przy czym skladnik alkaliczny jest obecny w ilosci 3-50% wagowych, tlenek metalu w postaci czastek jest obecny w ilosci 10-70% wagowych, a woda jest obecna w ilosci 30-70% wagowych w przeliczeniu na calkowita mase spoiwa. 11. Spojony wyrób z materialu w postaci czastek, znamienny tym, ze wytworzony jest z kompozycji skladajacej sie z: (a) spoiwa okreslonego w którymkolwiek z zastrzezen 7 do 10 i (b) ogniotrwalego materialu w postaci czastek. PL PL PL PL

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania spojonego materiału w postaci cząstek, spoiwo do wiązania tego materiału oraz spojony wyrób. Materiał taki ma w szczególności zastosowanie w przemyśle odlewniczym, do formowania wyrobów ze spojonych cząstek, w tym form i rdzeni odlewniczych, oraz innych wyrobów ogniotrwałych do stosowania w kontakcie ze stopionym metalem, np. wyłożeń rękawów podających, w tym rękawów izolacyjnych, egzotermicznych i podwójnie działających, (czyli izolacyjnych i egzotermicznych).

Formowanie form i rdzeni odlewniczych ze spojonego ogniotrwałego materiału w postaci cząstek, np. z piasku, jest bardzo dobrze znane. Bardzo dobrze znane jest również formowanie innych wyrobów ogniotrwałych, takich jak wyłożenia kadzi, wyłożenia głowicy podającej, rękawy podające itp., ze spojonych materiałów w postaci cząstek. Rękaw podający stanowi zbiornik na stopiony metal i umożliwia utrzymanie stopionego metalu w stanie stopionym dłużej niż odlew, w którym ten metal jest stosowany. W związku z tym rękaw podający umożliwia kontynuowanie wypełniania stopionym metalem odlewu, w którym się on zestala, dzięki czemu otrzymuje się mocny i wytrzymały odlew. W związku z tym wyroby ogniotrwałe, takie jak wyłożenia i rękawy podające często wykonuje się z materiałów izolacyjnych, w celu zmniejszenia strat ciepła. W pewnych zastosowaniach (takich jak rękawy podające) wykorzystuje się zużywające się izolatory, natomiast inne wymagają izolatorów, które są trwałe i nadają się do stosowania w powtarzających się cyklach, w szerokim zakresie temperatur. Znane są wysokojakościowe izolatory o małej gęstości (zazwyczaj 0,5 g/cm³), oparte na włóknach ceramicznych. Wyroby o wysokiej gęstości, oparte na krzemionce, zazwyczaj mają strukturę otwarto porowatą.

Rękawy podające wytwarza się różnymi sposobami, obejmującymi spajanie żywicą odpadowych materiałów krzemianowych, tak zwanych „sypkich popiołów lotnych (czasami określanych nazwami handlowymi „Extendospheres lub „Cenospheres). Formy i rdzenie odlewnicze często wytwarza się przez spajanie żywicą krzemionki i/lub innego piasku. Spajanie żywicą zazwyczaj stosuje się ztego względu, że gdy rękawy, formy lub rdzenie utwardza się gazem w rdzennicy modelowej, żywica umożliwia osiągnięcie dobrej wytrzymałości i dokładności wymiarów. Jednak w obecności stopionego metalu stosowana żywica zazwyczaj powoduje powstawanie znacznych ilości dymów i gazów. W pewnych przypadkach taki dym i gaz absorbowany jest przez stopiony metal, co prowadzi do pogorszenia jego jakości. Problem z dymem jest szczególnie istotny przy odlewaniu stopów niskotemperaturowych, np. zawierających aluminium, gdy ilość ciepła zawartego w stopionym metalu nie wystarcza do wypalenia żywic, ale ilość ciepła zawartego w stopionym metalu wystarcza do odparowania składników w postaci dymu i oparów. Pożądane byłoby, gdyby można było wytwarzać wyroby z materiałów ogniotrwałych w postaci cząstek, w tym formy, rdzenie i rękawy podające, o dobrej dokładności wymiarów, ale bez problemów związanych z powstawaniem oparów i dymu.

Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania spojonego materiału w postaci cząstek, który obejmuje etapy:

połączenie składnika alkalicznego z tlenkiem metalu w postaci cząstek, zdolnym do tworzenia metalanu w obecności składnika alkalicznego; oraz wysuszenie cząstek po tym, jak część każdej cząstki tlenku metalu utworzyła metalan, w taki sposób, że po wysuszeniu pozostają nieprzereagowane rdzenie cząstek.

Tlenek metalu stanowi krzemionka koloidalna, pył tlenku glinu, pył tlenku tytanu, tlenki cynku lub inny tlenek metalu, który tworzy metalan w obecności roztworu alkalicznego.

Tlenek metalu stanowi materiał będący wypełniaczem, korzystnie sypki popiół lotny lub inne puste mikrokulki, popiół lotny, piasek, perlit, boksyt, tlenek glinu lub ich mieszaniny.

Wypełniacz dodatkowo lub alternatywnie stanowi nie utleniający się materiał zdolny do wiązania się z metalanem.

Metalan jest częściowo lub całkowicie utwardzony przed etapem suszenia cząstek.

Metalan utwardza się gazowym dwutlenkiem węgla.

Dzięki utrzymaniu rdzenia tlenku metalu każdej cząstki tlenku metalu w otrzymanym spojonym materiale w postaci cząstek, można zazwyczaj osiągnąć właściwości ogniotrwałe i/lub izolacyjne, a ponadto zwykle można osiągnąć trwałość i dokładność wymiarów. Osiągnąć można zazwyczaj także wysoki stopień spojenia pomiędzy sąsiednimi cząstkami tlenku metalu, gdyż zewnętrzna powierzchnia cząstek tlenku metalu zazwyczaj „rozpuszcza się, co umożliwia utworzenie spojenia pomiędzy sąsiednimi cząstkami tlenku metalu, a połączenie to „zestala się po wysuszeniu.

PL 195 887 B1

Gdy w opisie używa się określenia „metal, obejmuje ono również quasimetale, takie jak krzem. Gdy używa się określenia „tlenek metalu, odnosi się ono do stałego tlenku metalu, który zazwyczaj można stosować jako materiał ogniotrwały, materiał izolacyjny, materiał konstrukcyjny lub inny spojony materiał w postaci cząstek. Gdy w opisie używa się określenia „materiał w postaci cząstek, obejmuje ono swym zakresem materiał włóknisty i/lub materiał granulowany i/lub materiał w postaci proszku i/lub pyłu itp. Określenie „metalan w użytym znaczeniu odnosi się do oksoanionów (znanych również jako „oksyaniony), które można uważać za utworzone przez koordynację jonów tlenkowych O²z kationami metali (w tym quasimetalu, takiego jak krzem), z utworzeniem anionów złożonych z metalu i tlenu, ewentualnie zawierających grupy hydroksylowe, zwłaszcza w warunkach alkalicznych. Ugrupowania takie występują zazwyczaj w roztworze wodnym, z tym że ich dokładna struktura jest często bardziej złożona i nie stanowią jej proste odrębne ugrupowania, których typowe przykłady stanowią krzemiany, tytaniany, gliniany, cynkany, germaniany itp. Takie aniony złożone z metalu i tlenu (metalany) są zasocjowane z kationami metali alkalicznych (takimi jak Na⁺ lub K⁺) ze składnika alkalicznego.

Najczęściej składnik alkaliczny jest w postaci wodnego roztworu tak, że „suszenie obejmuje odpędzanie wody z tlenku metalu i roztworu alkalicznego. Jednakże, jeśli reakcje były prowadzone w gazie lub w fazie stopu, „suszenie będzie oznaczać stworzenie warunków zapewniających przerwanie reakcji pomiędzy tlenkiem metalu i składnikiem alkalicznym.

Do tlenków metali, które korzystnie stosuje się (i które zazwyczaj działają jako materiał wiążący) należy krzemionka koloidalna, pył tlenku glinu, pył tlenku tytanu, tlenki cynku itp. (określenie „pył odnosi się do tlenku w postaci drobnych cząstek). Takie materiały łatwo tworzą metalan w obecności roztworu alkalicznego.

Korzystnie tego typu tlenki metali działają w izolatorze jako „spoiwo.

Tlenek metalu może również stanowić odpadowy materiał krzemianowy, taki jak popiół lotny, sypki popiół lotny (FAF) lub inny utlenialny odpadowy tlenek; w ten sposób cenny produkt można otrzymać z użyciem odpadowego materiału. (Sypkie popioły lotne stanowią puste mikrokulki z krzemionki i/lub tlenku glinu, zazwyczaj składają się one z glinokrzemianu, ewentualnie z innymi składnikami.) Stosować można wiele innych tlenków metali. Przykładowo stosować można piasek krzemionkowy, boksyt, tlenek glinu, perlit itp. Jednakże zazwyczaj te ostatnie materiały (w tym FAF) stanowią składnik będący „wypełniaczem spojonego materiału w postaci cząstek i raczej tworzą „wypełnienie spojonego materiału w postaci cząstek, a nie spełniają głównie roli środka wiążącego. Wypełniacz lub połączenie wypełniaczy, zazwyczaj stosuje się w połączeniu z zapewniającym spojenie materiałem wiążącym (zdefiniowanym poprzednio). Jednakże należy zdawać sobie sprawę, że tlenki metalu jako spoiwa lub wypełniacze można stosować niezależnie od wytwarzania spojonego materiału w postaci cząstek. Ponadto, zgodnie z wynalazkiem, część wypełniacza stosowanego w spojonych materiałach w postaci cząstek może nie mieć charakteru reaktywnego tlenku i z tego względu może tworzyć jedynie stosunkowo słabsze spojenie z materiałem wiążącym. Korzystnie, gdy stosuje się wypełniacze nie będące tlenkami, mogą one w dalszym ciągu wiązać się z metalanem, takim jak krzemian, glinian, tytanian, cynkan itp.

Korzystnie składnik alkaliczny stanowi roztwór otrzymany z mocnego związku alkalicznego, takiego jak wodorotlenek sodu, wodorotlenek potasu, wodorotlenek litu itp. Wodorotlenek sodu jest najkorzystniejszy z uwagi na jego względną obfitość i niską cenę.

W korzystnych wariantach sposobu materiał spoiwowy wstępnie miesza się z roztworem alkalicznym przed wymieszaniem z materiałem stanowiącym wypełniacz. Gdy roztwór alkaliczny oparty jest na wodorotlenku sodu, zastosowanie przedmieszki może ograniczyć niezbędną ilość roztworu alkalicznego. Z uwagi na to, że sód działa jako topnik w spojonych materiałach w postaci cząstek, pożądane może być ograniczenie do minimum jego obecności w otrzymanym spojonym materiale w postaci cząstek, a zaobserwowano, że wytwarzanie przedmieszki ułatwia zmniejszanie ilości sodu obecnego w otrzymanym spojonym materiale w postaci cząstek.

Korzystnie etap suszenia przeprowadza się w piecu lub urnie mikrofalowej. Zaobserwowano, że promieniowanie mikrofalowe stanowi dogodny sposób suszenia i osiągania spojenia, a tym samym zapewnienia utrzymania rdzenia z tlenku metalu. Jednakże stosować można zwykłe piece iurny konwekcyjne i promiennikowe, podobnie jak ogrzewanie pojemnościowe. Dodatkowo lub wariantowo, zastosować można ogrzewaną rdzennicę i/lub suszenie można osiągnąć poprzez zastosowanie próżni. Z tego względu suszenie korzystnie przeprowadza się poprzez ogrzewanie na drodze konwekcji i/lub przewodzenia i/lub promieniowania (mikrofalowego i/lub podczerwonego), i/lub

PL 195 887 B1 przez odparowanie, korzystnie przez zastosowanie obniżonego ciśnienia, czyli przez zastosowanie próżni lub częściowej próżni.

W pewnych korzystnych wariantach wynalazku etap utwardzania poprzedza etap suszenia, tak że metalan może zostać częściowo lub całkowicie utwardzony przed wysuszeniem. Zaletą tego jest zwiększenie wytrzymałości wyrobu z materiału w postaci cząstek, zmniejszenie możliwości odkształcenia lub uszkodzenia wyrobu, przed etapem suszenia. Etap utwardzania może np. obejmować reakcję z dwutlenkiem węgla. Dogodnie gazowy dwutlenek węgla można doprowadzić do wyrobu z materiału w postaci cząstek, np. w rdzennicy lub w podobnym urządzeniu, w którym ma być uformowany wyrób. Przeprowadzanie etapu utwardzania jest zazwyczaj ułatwione, jeśli przedmieszkę (materiału spoiwowego i roztworu alkalicznego) podda się dojrzewaniu (a zwłaszcza w przypadku, jeśli zajdzie co najmniej częściowe odwodnienie), np. przez odstawienie na pewien okres czasu (korzystnie na co najmniej 6 godzin) po jej wytworzeniu i/lub przedmieszkę podda się działaniu promieniowania mikrofalowego.

Zaobserwowano, że kompozycje o stosunkowo wyższej zawartości spoiwa mają wyższą wytrzymałość przy przechowywaniu (czyli wytrzymałość w stanie utwardzonym), ale niższą wytrzymałość po wypalaniu (czyli odporność na szok cieplny). W związku z tym kompozycje takie korzystnie wykorzystuje się w takich zastosowaniach, jak rękawy podające i wznośne oraz wyłożenia.

Zaobserwowano, że kompozycje o stosunkowo niższej zawartości spoiwa mają wyższą wytrzymałość po wypalaniu i niższą wytrzymałość w stanie utwardzonym. Takie kompozycje korzystnie stosuje się jako izolatory ogniotrwałe, np. jako cegły ogniotrwałe.

Można również wytwarzać wiązane materiały w postaci cząstek o różnej gęstości. Materiały o wyższej gęstości są z reguły przydatne do stosowania jako elementy konstrukcyjne, o słabszym działaniu izolacyjnym.

Kolejnym przedmiotem wynalazku jest spoiwo do spajania materiału w postaci cząstek zawierające (a) tlenek metalu w postaci cząstek, zdolny do tworzenia metalanu w obecności składnika alkalicznego;

(b) składnik alkaliczny; i (c) wodę, gdzie składnik alkaliczny jest obecny w ilości 3-50% wagowych, tlenek metalu w postaci cząstek jest obecny w ilości 10-70% wagowych, a woda jest obecna w ilości 30-70% wagowych w przeliczeniu na całkowitą masę spoiwa.

Tlenek metalu w postaci cząstek korzystnie stanowi krzemionka, korzystniej krzemionka koloidalna. Składnik alkaliczny korzystnie stanowi wodorotlenek sodu i/lub wodorotlenek potasu.

Korzystniej składnik alkaliczny jest obecny w ilości 3-25% wag., tlenek metalu w postaci cząstek jest obecny w ilości 20-55% wag., a woda jest obecna w ilości 40-60% wag., w stosunku do całkowitej masy spoiwa.

W pewnych postaciach wynalazku ogniotrwały materiał w postaci cząstek i tlenek metalu w postaci cząstek może stanowić jeden i ten sam materiał, czyli „wypełnienie lub materiał stanowiący „wypełniacz może stanowić część kompozycji wiążącej do spojenia samego siebie. Dodatkowo lub wariantowo, tlenek metalu w postaci cząstek może stanowić materiał inny niż ogniotrwały materiał w postaci cząstek, zawarty jako odrębny składnik, który stanowi część kompozycji wiążącej. Materiał ogniotrwały w postaci cząstek korzystnie zawiera krzemionkę i/lub tlenek glinu i/lub glinokrzemian (np. w postaci pustych mikrokulek).

Kolejnym przedmiotem wynalazku jest spojony wyrób z materiałów w postaci cząstek wytworzony z kompozycji składającej się z (a) spoiwa określonego w którymkolwiek z zastrzeżeń 7 do10 i (b) ogniotrwałego materiału w postaci cząstek.

Ogniotrwały materiał w postaci cząstek stanowi krzemionka i/lub tlenek glinu i/lub glinokrzemian, ewentualnie w postaci pustych mikrokulek.

Do przykładowych spojonych wyrobów z materiału w postaci cząstek należą: formy odlewnicze, rdzenie odlewnicze, rękawy podające (rękawy izolacyjne, egzotermiczne i/lub podwójnie działający), wyłożenia (np. wyłożenia pieców, wyłożenia kadzi, wyłożenia garnców itp.), regulatory przepływu (dla stopionego metalu), filtry wlewowe, rękawy filtrujące, rury garnców rozruchowych; zasadniczo dowolny wyrób ogniotrwały do stosowania w kontakcie ze stopionym metalem.

Bez wykluczania jakichkolwiek innych postaci, które mogą być objęte zakresem wynalazku, przedstawiono korzystne postacie wynalazku, w nawiązaniu do nie ograniczających przykładów.

PL 195 887 B1

Doświadczenia wstępne

Celem wstępnych doświadczeń było wykonanie rękawa wznośnego (nazywanego również rękawem podającym) o takiej samej dokładności wymiarów, jak w przypadku izolatora spojonego żywicą, ale bez problemów związanych z dymieniem. W doświadczeniu skoncentrowano się na krzemianie sodu i sypkich popiołach lotnych (FAF).

P r z y k ł a d 1

W próbach wiązania FAF krzemianem sodu zastosowano następującą procedurę:

1. Sypki popiół lotny wymieszano z roztworem krzemianu sodu (wypróbowano różne stosunki składników).

2. Następnie ręcznie napełniono formę na kształtkę po miarową (kształtkę do pomiaru wytrzymałości na rozciąganie w kształcie „kości dla psa).

3. W ustalonym czasie (w ostatnim doświadczeniu decydowała o tym ilość krzemionki lub innego tlenku metalu) kształtkę pomiarową wyjęto z formy w stanie „surowym na porowatą płytkę ceramiczną lub z tworzywa sztucznego.

4. Kształtkę pomiarową przeniesiono do pieca mikrofalowego lub konwencjonalnego i wysuszono ją*.

*Obróbka mikrofalami o mocy 600 kW przez 60s lub suszenie w piecu konwekcyjnym w temperaturze 110°C przez 2-3 godziny.

Wypróbowano różne stosunki sypkiego popiołu lotnego do krzemianu sodu, z tym że w żadnym przypadku nie udało się otrzymać zadowalającego z punktu widzenia przemysłu spojonego materiału w postaci cząstek. Zaobserwowany charakter zniszczenia stanowiło pękanie lub rozerwanie podczas etapu (4), albo ostateczna wytrzymałość była zbyt niska, aby kształtką do badań można było manipulować.

P r z y k ł a d 2

Zaproponowano zastosowanie krzemionki koloidalnej jako składnika żelującego (spoiwa) w różnych mieszankach ogniotrwałych. Próby wykonywano tak, jak w przykładzie 1, z tym że etap 1 zmodyfikowano w sposób następujący:

1. Sypki popiół lotny wymieszano z 25% roztworem wodorotlenku sodu i wodą, po czym dodano krzemionkę koloidalną (wypróbowano różne stosunki składników).

Różne stosunki zapewniały po utwardzeniu pewien zakres wytrzymałości. Pewne próbki wykazywały niską wytrzymałość przy przechowywaniu w warunkach wilgotnych, podczas gdy inne wykazywały niską odporność na szok cieplny po ogrzewaniu do temperatury 1000°C w piecu muflowym. Otrzymano następujące wyniki:

Próba nr	1	2	3	4	5	6	7
Masa FAF (g)	600	600	600	600	600	600	600
Masa wody (g)	50	50	50	50	50	50	50
Masa 25% NaOH (g)	100	100	100	100	100	100	100
Masa krzemionki piecowej (g)	100	20	30	40	50	60	100
*Wytrzymałość po utwardzeniu (wytrzymałość po przechowywaniu) (psi)	296	308	440	633	747	747	1,159
**Wytrzymałość po wypalaniu (odporność na szok cieplny) (psi)	811	783	nie określono	723	699	541	398
°Wilgoć	Poniżej średniej	Poniżej średniej	Poniżej średniej	Poniżej średniej	Poniżej średniej	Średnia	Dobra
Gęstość (g/cm³)	0,422	0,426	0,437	0,448	0,451	0,457	0,485

*Obróbka mikrofalami przez 60 s **Ogrzewanie przez 1 godzinę w piecu muflowym w temperaturze 1000°C °„Wrażenie utwardzonej kształtki do badań po przechowywaniu w wilgotnym powietrzu

PL 195 887 B1

Kompozycja nr 4 jest najbardziej przydatna do stosowania jako „cegła izolacyjna, przy czym zaobserwowano, że po wypalaniu wyjściowa wytrzymałość zostaje utrzymana lub następuje jej wzrost.

Zaobserwowano, że kompozycja nr 7 jest najbardziej przydatna do stosowania jako rękaw podający, zużywa się, jest odporna na wilgoć i wykazuje wysoką wytrzymałość po utwardzeniu. W przypadku kompozycji nr 7 wytrzymałość po wypalaniu była nieistotna (N/I).

P r z y k ł a d 3

W próbie utrzymania zawartości wodorotlenku sodu na minimalnym poziomie, wykonano przedmieszki krzemionki koloidalnej i wodorotlenku sodu. (Jest to związane z tym, że sód działa jako topnik i zaobserwowano, że minimalna ilość sodu zapewnia najwyższą ognioodporność.)

Wykonano przedmieszkę FS2 o następującym składzie:

Krzemionka koloidalna	100 części (100 g)
25% NaOH	150 części (150 g)
Woda	300 części (300 g)

Przedmieszkę zmieszano następnie z wypełniaczem (np. z FAF). Otrzymano następujące wyniki:

Próba	10	11
Masa F (g)	600	600
Masa FS2 (g)	150	150
Krzemionka koloidalna (g)	0	50
Zawartość NaOH w wilgotnej mieszance#	1,36%	1,28%
_$ Zawartość NaOH w suchej mieszance	1,60%	1,49%
*Wytrzymałość po utwardzeniu (psi)	470	889
+Wytrzymałość po wypalaniu (psi)	490	169
°Wilgotność	Dobra	Dobra

^#„Mieszanka wilgotna oznacza mieszankę zawierającą wodę, przed utwardzaniem i suszeniem ^$„Mieszanka sucha oznacza mieszankę z wyłączeniem wody

Kompozycję 10 zastosowano jako cegłę, a kompozycję 11 zastosowano jako rękaw podający, przy czym w obydwu przypadkach zawartość NaOH stanowiła około połowę zawartości w kompozycjach z przykładu 2.

P r z y k ł a d 4

Zastosowano również przedmieszkę FS1 o następującej recepturze.

Krzemionka koloidalna	200 części (200 g)
25% NaOH	150 części (150 g)
Woda	300 części (300 g)

Przedmieszkę zmieszano następnie z FAF i otrzymano następujące wyniki:

1	2	3	4	5	6
Próba	20	21	22	23	24
Masa FAF (g)	600	600	600	600	600
Masa FS1(g)	150	150	150	200	250
Krzemionka koloidalna (g)	0	20	50	100	100
*Wytrzymałość po utwardzeniu (psi)	823	791	745	563	419

PL 195 887 B1 ciąg dalszy

1	2	3	4	5	6
+Wytrzymałość po wypalaniu (psi)	280	218	nie zbadano	296	224
°Wilgotność	Dobra	Dobra	Dobra	Dobra	Dobra
Zawartość NaOH w wilgotnej mieszance#⁽%)	1,15	1,12	1,08	1,28	1,52
Zawartość NaOH w suchej mieszance$⁽%)	1,36	1,32	1,26	1,54	1,89

Stwierdzono, że kompozycje te są zadowalające do stosowania jako rękawy podające, ale nie do stosowania jako cegły.

Również w tym przypadku przy wzroście zawartości krzemionki koloidalnej stwierdzono, że wytrzymałość po wypalaniu zmniejsza się. Jest to najprawdopodobniej wynikiem różnic w szybkości skurczu występujących podczas cyklu chłodzenia po wytworzeniu wiązania ceramicznego („metalanowego).

P r z y k ł a d 5

W celu zbadania innych aktywnych tlenków (metali) i ich działania wiążącego, wykonano przedmieszkę tlenku glinu (A2) o następującym składzie:

Tlenek glinu	200 części (200 g)
25% NaOH	240 części (240 g)
Woda	300 części (300 g)

Przedmieszkę tę zmieszano następnie z FAF i otrzymano następujące wyniki:

Próba	30	31	32
Masa FAF (g)	600	600	600
Masa A2 (g)	200	200	200
Masa tlenku glinu (g)	0	20	50
*Wytrzymałość po utwardzeniu (psi)	250	200	235
+Wytrzymałość po wypalaniu (psi)	100	129	88
°Wilgotność	Poniżej średniej	Średnia	Dobra
Gęstość (g/cm³)	0,41	0,43	0,44

Kompozycje te nie działają tak dobrze, jak kompozycje z krzemionką koloidalną, ale kompozycję 32 można było zastosować jako rękaw podający, z dodatkową korzyścią w postaci nie występowania wolnej krzemionki i dobrej odporności na wilgoć.

P r z y k ł a d 6

Wykonano dodatkowe kompozycje doświadczalne, podobne do określonych wcześniej i wykazano, że można stosować materiały podobne do krzemionki koloidalnej, wodorotlenku sodu i sypkiego popiołu lotnego. Kompozycje te zawierały:

Jako składnik alkaliczny:

NaOH, KOH, LiOH itp. (zazwyczaj wszystkie mocne alkalia).

Jako wypełniacz:

FAF, popiół lotny, piasek krzemionkowy, boksyt, tlenek glinu, perlit itp. oraz dowolny inny wypełniacz lub mieszanina wypełniaczy, zdolnych do wiązania z „krzemianem lub innym „metalanem.

Jako spoiwo:

Krzemionka koloidalna, pył tlenku glinu, pył tlenku magnezu, pył tlenku cynku itp., oraz dowolny inny tlenek, który tworzy metalan sodu.

PL 195 887 B1

Jakkolwiek typowe kompozycje zawierają zarówno „spoiwo, jak i „wypełniacz, przeprowadzono doświadczenia, w których spojone materiały w postaci cząstek otrzymano z użyciem tylko spoiwa lub tylko wypełniacza. Zastosowanie spoiwa wraz z wypełniaczem było korzystne, gdyż w tym przypadku otrzymuje się trwalszy spojony wyrób z materiału w postaci cząstek. Ponadto umożliwiało to wprowadzenie (jako wypełniacza) materiałów (np. materiałów krzemianowych, takich jak FAF), które w innym przypadku trzeba by składować jako odpad.

P r z y k ł a d 7

Do wytwarzania spojonych wyrobów z piasku (kształtek do badań typu „kość dla psa), w celu ocenienia skuteczności kompozycji spojonej do wytwarzania form i rdzeni z piasku, zastosowano następującą procedurę:

1. Zmieszano razem piasek, 25% roztwór wodorotlenku soduw wodzie i krzemionkę koloidalną w proporcjach wagowych podanych w kolejnej tabeli.

2. Z mieszanki uformowano kształtkę do badań (tak zwaną „kość dla psa).

3. W ustalonym czasie kształtkę pomiarową wyjęto z formy w stanie „surowym na porowatą płytkę ceramiczną lub z tworzywa sztucznego.

*Obróbka mikrofalami o mocy 600 kW przez 60 s, a następnie ogrzewanie w temperaturze 700°C przez 15 lub 30 lub 60 minut.

Próba nr	40	41	42	43	44	45
Masa piasku (%)	2000	2000	2000	2000	2000	2000
Masa 25% roztworu NaOH (g)	200	200	60	60	40	20
Masa krzemionki koloidalnej (g)	-	40	20	12	12	12
Mikrofale (MW) (1 minuta)	Tak	Tak	Tak	Tak	Tak	Nie
Obserwacje	Ręcznie wykonane kości dla psa, nie związane przy dotykaniu po Mw	Zwarta, łatwa do manipulowania	Zwarta, łatwa do manipulowania	Zwarta, łatwa do wymieszania, nadaje się do nadmuchiwania rdzeni	Łatwa do wymieszania, zwilżanie piasku całkowite. Nadmuchiwanie rdzenia prawidłowe. Optymalna	Kruszy się w gorącej rdzennicy, nie tworzy formy nawet po 2 minutach
700°C	-	2 minuty	2 minuty	2, 15, 30 i 60 minut	2, 15, 30 i 60 minut	2, 15, 30 i 60 minut
Kontakt z wodą		kruszy się	kruszy się	kruszy się	kruszy się	kruszy się
Uwagi				Wytrzymałość w około 250°C po 40 s = 54 psi, po 1 minucie 118 psi	40 s w gorącej rdzennicy	nie działa

Stwierdzono, że kompozycje zastosowane w próbach nr 41, 42, 43 i 44 nadają się do wiązania piasku, z tym że optymalna była kompozycja zastosowana w próbie nr 44.

Mechanizm

Gdy powierzchnia krzemionki (lub tlenku glinu itp.) zetknie się z „mocnym wodorotlenkiem sodu, rozpoczyna się reakcja tworzenia zolu-żelu częściowo rozpuszczalnego krzemianu sodu. Część wewnętrzna cząstki krzemionki pozostaje w postaci stałej krzemionki natomiast warstwa zewnętrzna zawierać będzie wzrastające ilości sodu. Przy wykonywaniu przedmieszki reakcja ta staje się bardziej wydajna.

Uaktywniona krzemionka koloidalna tworzy następnie lepkie wiązanie z FAF (lub z innym wypełniaczem). Otrzymany produkt utwardza się w suszarce mikrofalowej w ciągu kilku minut (w przypadku kształtki pomiarowej w ciągu 1 minuty, w przypadku cegły budowlanej w ciągu 9 minut w przyPL 195 887 B1 padku kształtki pomiarowej). Zwykłe suszenie trwa kilka godzin (2-3) godziny. Stwierdzono, że skuteczne jest również ogrzewanie promieniowaniem o częstotliwości radiowej lub pojemnościowe.

Ogrzewanie mikrofalami jest korzystne, gdyż umożliwia szybkie wysuszenie, a tym samym szybkie zakończenie reakcji tlenku metalu ze składnikiem alkalicznym.

Zalety/korzyści

W przypadku spojonych wyrobów z materiałów w postaci cząstek, wykonanych zgodnie z wynalazkiem, zaobserwowano następujące zalety i korzyści:

Produkt	Zaleta/korzyść
Rękaw wznośny	Nie powstają dymy w zetknięciu z metalem. Utwardzony produkt o trwałych wymiarach otrzymano w przezroczystej mikrofalowej gorącej rdzennicy, o mniejszej gęstości niż w przypadku innych wyrobów bez włókien. Nie zawiera włókien
Formy lub rdzenie z piasku	Nie powstają dymy w zetknięciu z metalem. Łatwo rozpadają się w wodzie po odlaniu szczególnie odpowiednie do odlewania metali nieżelaznych
Cegła	Gęstość o połowę mniejsza niż w przypadku innych wyrobów ogrzewanych do temperatury 1500°C, a tym samym znacznie wyższa zdolność izolacyjna
Rynna spustowa	Gęstość stanowiąca 1/3 gęstości innych zwykłych rynien spustowych stosowanych w hutnictwie aluminium, co powoduje mniejszą szybkość ubytku ciepła oraz bardziej energooszczędny produkt

Możliwe są również zastosowania poza hutnictwem/odlewnictwem metali, np. jako ściany/drzwi przeciwpożarowe, izolacje dźwiękowe, ognioodporne płyty sufitowe, materiały konstrukcyjne (takie jak cegły, płyty chodnikowe i dachówki), w lekkich konstrukcjach itp. Gęstość kompozycji można łatwo zmieniać (np. przez zmienianie ilości i jakości wypełniacza i spoiwa). Stwierdzono, że wyroby o mniejszej gęstości (lżejsze) są bardziej odpowiednie do użycia w tych ostatnich zastosowaniach.

Claims

1. Sposób wytwarzania spojonego materiału w postaci cząstek, znamienny tym, że obejmuje etapy:

2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że tlenek metalu stanowi krzemionka koloidalna, pył tlenku glinu , pył tlenku tytanu, tlenki cynku lub inny tlenek metalu, który tworzy metalan w obecności roztworu alkalicznego.

3. Sposób według zastrz. 1lub 2, znamienny tym, że tlenek metalu stanowi materiał będący wypełniaczem, korzystnie sypki popiół lotny lub inne puste mikrokulki, popiół lotny, piasek, perlit, boksyt, tlenek glinu lub ich mieszaniny.

4. Sposób według zastrz. 3, znamienny tym, że wypełniacz dodatkowo lub alternatywnie stanowi nie utleniający się materiał zdolny do wiązania się z metalanem.

5. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że metalan jest częściowo lub całkowicie utwardzony przed etapem suszenia cząstek.

6. Sposób według zastrz. 5, znamienny tym, że metanal utwardza się gazowym dwutlenkiem węgla.

7. Spoiwo do wiązania materiału w postaci cząstek, znamienne tym, że zawiera:

(a) tlenek metalu w postaci cząstek, zdolny do tworzenia metalanu w obecności składnika alkalicznego;

(b) składnik alkaliczny; i (c) wodę,

PL 195 887 B1 przy czym składnik alkaliczny jest obecny w ilości 3-50% wagowych, tlenek metalu w postaci cząstek jest obecny w ilości 10-70% wagowych, a woda jest obecna w ilości 30-70% wagowych w przeliczeniu na całkowitą masę spoiwa.

8. Spoiwo według zastrz. 7, znamienne tym, że tlenek metalu w postaci cząstek stanowi krzemionka, korzystnie krzemionka koloidalna.

9. Spoiwo według zastrz. 7 albo 8, znamienne tym, że składnik alkaliczny stanowi wodorotlenek sodu i/lub wodorotlenek potasu.

10. Spoiwo według zastrz. 7, znamienne tym, że składnik alkaliczny jest obecny w ilości 3-25% wag., tlenek metalu w postaci cząstek jest obecny w ilości 20-55% wag., a woda jest obecna w ilości 40-60% wag., w stosunku do całkowitej masy spoiwa.

11. Spojony wyrób z materiału w postaci cząstek, znamienny tym, że wytworzony jest z kompozycji składającej się z:

(a) spoiwa określonego w którymkolwiek z zastrzeżeń 7 do 10 i (b) ogniotrwałego materiału w postaci cząstek.

12. Spojony wyrób z materiału w postaci cząstek według zastrz. 11, znamienny tym, że ogniotrwały materiał w postaci cząstek stanowi krzemionka i/lub tlenek glinu i/lub glinokrzemian, ewentualnie w postaci pustych mikrokulek.

13. Spojony wyrób z materiałów w postaci cząstek według zastrz. 11, znamienny tym, że stanowi: formę odlewniczą, rdzeń odlewniczy, izolacyjny rękaw podający, egzotermiczny rękaw podający, podwójnie działający rękaw podający, wyłożenie, regulator przepływu stopionego metalu, filtr wlewowy, rękaw filtrujący lub rurę garnca rozruchowego.