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DE102004029752A1 - Verfahren zur Herstellung eines keramischen Formkörpers - Google Patents

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Rainer NEUBÖCK
Luis Sampayo
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines keramischen Formkörpers für feuerfeste Anwendungen.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines keramischen Formkörpers für feuerfeste Anwendungen.
  • Feuerfeste keramische Formteile sind seit langem Stand der Technik. Sie dienen beispielsweise der Auskleidung beziehungsweise Ausrüstung von Ofenanlagen, beispielsweise Öfen, in denen metallurgische Schmelzen erstellt beziehungsweise behandelt werden.
  • Es sind verschiedene Systeme zur Bindung der refraktären Komponenten, die dem Formteil seine Eigenschaften verleihen, bekannt. Die Erfindung betrifft die Gruppe der Formkörper, die aus einem Versatz hergestellt werden, der ein chemisches Bindemittel enthält.
  • Solche chemisch gebundenen feuerfesten Produkte haben je nach Art des chemischen Binders unterschiedliche Eigenschaften.
  • So ist die Bindung von feuerfesten Formteilen mit Steinkohlenprodukten wie Teer oder Pech bekannt. Während der Temperaturbehandlung der Produkte kommt es zur Ausbildung einer Bindepechmatrix. Der dabei gebildete Sekundärkohlenstoff ist für die Festigkeit des Produktes bei der Einsatztemperatur verantwortlich. Die Ausbildung der Bindepechmatrix ist jedoch von der Anwesenheit aromatischer Verbindungen im Ausgangs-Bindemittel abhängig. Im Fall des Steinkohlenteers sind dies kondensierte polyzyklische aromatische Verbindungen, die als carcinogen gelten.
  • Bei Phosphat-gebundenen feuerfesten Werkstoffen, die unter reduzierenden Bedingungen gebrannt werden, wird Phosphin, bei Sulfat-gebundenen Werkstoffen SO2 freigesetzt. Beides ist unerwünscht. Ein weiterer Nachteil dieser Bindersysteme besteht darin, dass durch die Zersetzung des Sulfates oder Phosphates die Festigkeit deutlich herabgesetzt wird und damit beispielsweise auch die Heißerosionsfestigkeit sinkt.
  • In der DE 42 07 249 C1 wird ein Verfahren zur Herstellung von feuerfesten, kohlenstoffhaltigen, keramischen Formteilen vorgeschlagen. Der zugehörige Versatz besteht aus einer refraktären Grundkomponente, feinteiligem elementaren Kohlenstoff sowie einer aliphatischen, organischen Polymerverbindung als Bindemittel. Die aus dem Versatz gebildete Mischung wird anschließend – weitestgehend schadstofffrei – zu Formteilen verarbeitet und die Formteile werden bei circa
    250° Celsius getempert. Bis zur Temperung übernimmt die Polymerverbindung eine Binderfunktion und sichert eine gewisse Grünstandsfestigkeit der Steine.
  • Während der Temperung brennt das Bindemittel zumindest teilweise aus und die weitere Festigkeit des Steins wird maßgeblich über die fein verteilten Kohlenstoff-Partikel erreicht. Die Binderfunktion des Kohlenstoffs (insbesondere fein verteilten Rußes) ist jedoch bei Temperaturen unterhalb der Temperaturen, die für eine keramische Bindung notwendig sind (die deutlich über 1000° Celsius liegen) für zahlreiche Anwendungen unzureichend.
    •
  • Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit zur Herstellung feuerfester keramischer Formteile anzuzeigen, die den entsprechenden Produkten, insbesondere Steinen, auch bei Temperaturen unterhalb der Anwendungstemperatur eine hohe Festigkeit gibt.
  • Bei der Lösung der Aufgabe wurde von folgender Überlegung ausgegangen: Es ist ein Bindemittel zu suchen, welches bereits bei möglichst niedrigen Temperaturen, beispielsweise bei Temperaturen, die üblicherweise zum Tempern keramischer Formteile dienen (circa 100-500° Celsius) eine chemische Umwandlung durchläuft, die die refraktäre Grundkomponente des Versatzes in vorteilhafter Weise bindet. Eine weitere Forderung bestand darin, ein Bindemittel auszuwählen, welches zumindest weitestgehend schadstofffrei ist, und zwar auch nach Erwärmung beziehungsweise bei der späteren Anwendung des Formteils.
  • Es wurde festgestellt, dass diese Kriterien von einem Bindemittel erfüllt werden, welches einen SiO2-Gehalt über 70 Gew.-% aufweist, im Besonderen ein Silikonharz. Bei einem solchen Bindemittel werden etwaige organische Bestandteile, die zur Erzielung einer Grünstandsfestigkeit eines Formteils nützlich sein können, bei Temperaturen etwa über 100° Celsius vollständig entfernt. Das Bindemittel wandelt sich gleichzeitig bei einer entsprechenden Temperaturbehandlung (beispielsweise 100-600° Celsius) in ein dreidimensionales – Si-O-Netzwerk – um, welches benachbarte Teilchen der refraktären Grundkomponenten in einem Maße bindet, das deutlich über dem liegt, welches mit bekannten Bindersystemen erreicht wird.
  • Ein ganz wesentlicher Gesichtspunkt ist, dass die gewünschte Bindung bei Temperaturen deutlich unterhalb der Sintertemperatur erreicht wird, sodass es nicht mehr notwendig ist, die Formteile vor ihrem Einsatz (zum Beispiel in einem Elektroofen) zu brennen. Vielmehr genügt es, die Formteile im genannten Temperaturintervall zu tempern. Damit werden erhebliche Energiekosten eingespart.
  • Bei der Temperaturbehandlung des Bindemittels (Silikonharz), insbesondere beim Tempern, werden nur gesundheitlich unbedenkliche Verbindungen wie CO2, Methanol und/oder Ethanol freigesetzt.
  • Die chemische Bindung wird bei der späteren Anwendung, bei der die Formteile bis auf Temperaturen oberhalb der Sintertemperatur erhitzt werden, in eine keramische Verbindung umgewandelt.
  • Das Besondere bei dem erfindungsgemäßen Verfahren liegt darin, dass der Festigkeitsverlauf über den gesamten Temperaturbereich unterhalb der Sintertemperatur nahezu konstant ist, und zwar konstant auf gleichbleibend hohem Niveau, beispielsweise > 20 N/mm2.
  • Erfindungsgemäß lässt sich beispielsweise der bei Teer gebundenen Produkten beobachtete Festigkeitseinbruch vermeiden.
  • In ihrer allgemeinsten Ausführungsform betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines keramischen Formkörpers für feuerfeste Anwendungen mit folgenden Merkmalen:
    • a) aus einem Versatz aus 70-99,5 Gew.-% mindestens eines körnigen refraktären Grundstoffs und 0,5-5 Gew.-% mindestens eines Bindemittels mit einem SiO2-Gehalt > 70 Gew.-% wird ein keramischer Formkörper gebildet,
    • b) der Formkörper wird anschließend unterhalb einer für den Versatz gegebenen Sintertemperatur unter Ausbildung eines SiO2-Bindegerüstes zwischen den Körnern des refraktären Grundstoffs getempert.
  • Im Ergebnis entsteht durch das erfindungsgemäße Verfahren ein neues Produkt, welches sich unter anderem dadurch auszeichnet, dass es lediglich getempert (also nicht gebrannt) ist und bei dem die Teilchen der refraktären Komponenten des Matrixmaterials über ein SiO2-Bindegerüst untereinander verbunden sind.
  • Als refraktäre Grundstoffe kommen unter anderem Magnesia, beispielsweise Schmelzmagnesia oder Sintermagnesia, Doloma oder Mischungen daraus in Frage. Hierbei handelt es sich jeweils um basische Grundstoffe. Ebenso können aber auch nicht-basische refraktäre Komponenten, beispielsweise auf Basis Aluminiumoxid, als refraktäre Grundkomponente eingesetzt werden.
  • Optional kann der Versatz neben der in der Regel oxidischen feuerfesten Grundkomponente auch weitere Komponenten wie Siliciumcarbid und/oder Metallpulver (Al, Si, AlMg, Mg) enthalten.
  • Insbesondere im Zusammenhang mit einer Kohlenstoffkomponente des Versatzes bilden sich so Carbide und/oder Spinelle beziehungsweise sekundäre Oxide, die zu einer weiteren Verfestigung des Formteils beitragen.
  • Eine Kohlenstoffkomponente, vorzugsweise in feinteiliger Aufbereitung, kann als Graphit (beispielsweise bis zu 25 Gew.-%, bezogen auf den Gesamtversatz) und/oder in Form von Ruß (beispielsweise in einer Gesamtmenge bis 5 Gew.-%, bezogen auf den Gesamtversatz) eingesetzt werden.
  • Die während des Tempervorgangs initiierte Bindewirkung des Bindemittels lässt sich mit höheren SiO2-Gehalten des Bindemittels steigern, weshalb nach Ausführungsformen mindestens ein Bindemittel mit einem SiO2-Gehalt über 75 Gew.-%, nach einer weiteren Ausführungsform über 80 Gew.-% vorgeschlagen wird. Dabei ist dieser Wert durch thermogravimetrische Analyse unter oxidierenden Bedingungen bestimmt (DIN 51006).
  • Ein solches Silikonharz kann als Flüssigkeit (zum Beispiel als wässrige Suspension) oder als Pulver (z. B. < 300 μm) eingesetzt werden.
  • Das Harz wird mit den refraktären Grundstoffen vermischt und auf übliche Art und Weise, beispielsweise in Pressen, zu Steinen oder anderen Körpern geformt.
  • Bei höheren Temperaturen (im Bereich um 100°C) schmilzt das in fester Form eingebrachte Harz auf und verteilt sich gleichmäßig zwischen den Körnern der refraktären Matrix.
  • Bei Zusatz von 1-5 % des Bindemittels lassen sich Formteile mit einer Rohdichte über 3 g/cm3 und einer offenen Porosität unter 2 Vol.-% erzielen, die eine Kaltdruckfestigkeit über 20 N/mm2, teilweise über 30 N/mm2 aufweisen.
  • Die Rohdichte verändert sich während der Temperbehandlung und auch bei Temperaturen bis 1.000° Celsius praktisch nicht. Nach Temperaturbehandlung bei 1000° Celsius weist das Produkt eine hohe Kaltdruckfestigkeit (> 50 N/mm2) auf. Auch die Heißbiegefestigkeit bei 1.400° Celsius ist zufrieden stellend.
    •
  • Die Erfindung wird nachstehend anhand verschiedener Ausführungsbeispiele im Vergleich zum Stand der Technik näher erläutert.
  • Die refraktäre Grundkomponente aller Versätze besteht aus Schmelzmagnesia in einer Körnung < 6 mm. Die Versätze enthalten neben der refraktären Grundkomponente jeweils Graphit, zum Teil auch Ruß. Zur besseren Vergleichbarkeit wurde die Kohlenstoffmenge so gewählt, dass bei allen Proben nach Temperaturbehandlung ein Rest-Kohlenstoffgehalt von 10,5 Gew.-% erreicht wurde.
  • Als Bindemittel wird bei den erfindungsgemäßen Proben 1, 2 ein Silikonharz eingesetzt (3,5 Gew.-% Wirksubstanz, bezogen auf den genannten Versatz), dessen SiO2-Anteil (bestimmt nach DIN 51006) 80 Gew.-% beträgt, während die Bindung der Vergleichsproben A, B, C durch andere Bindersysteme (siehe Tabelle) erfolgt.
  • Die erfindungsgemäße Probe 2 enthält darüber hinaus – wie die Probe C – 3 Gew.-% metallisches Aluminium (entsprechend 3 Gew.-% weniger Schmelzmagnesia im Vergleich zu der weiteren Probe gemäß der Erfindung).
  • Alle Proben wurden bei 300° Celsius getempert.
  • Figure 00080001
  • In weiteren Versuchen wurden alle Proben auf 1.000° Celsius erhitzt und anschließend die Kaltdruckfestigkeit bei 20° Celsius bestimmt, um festzustellen, wie der Festigkeitsverlauf in Abhängigkeit von der Temperatur ist. In einer abschließenden Versuchsreihe wurden die Heißbiegefestigkeit bei 1.400° Celsius und der Rest-Kohlenstoffgehalt bestimmt. Es wurden folgende Werte ermittelt:
    Figure 00080002
  • Die genannten Tests wurden nach folgenden Methoden bestimmt:
    Rohdichte: DIN-EN 993/1
    Offene Porosität: DIN-EN 993/1
    Kaltdruckfestigkeit: DIN-EN 993/5
    Heißbiegefestigkeit: DIN-EN 993/7
    Rest-Kohlenstoffgehalt: ASTM C831.
  • Daraus folgt:
    Die erfindungsgemäßen Produkte weisen eine hohe Dichte auf, die sonst nur mit einer Pechbindung erreicht wird. Ihre Festigkeit, insbesondere im Temperaturbereich bis 1.000° Celsius, wird im Stand der Technik nur mit einer Kunstharzbindung erreicht. Die erfindungsgemäßen Produkte sind aber in ihrer Herstellung und Anwendung weitestgehend schadstofffrei.
  • Eine Schadstofffreiheit lässt sich im Stand der Technik nur mit einem Versatz B (gemäß DE 42 07 249 C1 ) erreichen. Gegenüber diesen bekannten Steinen fällt die deutlich höhere Kaltdruckfestigkeit und Heißbiegefestigkeit auf.
  • Zusätzlich wurde für die Proben 1 und A (ohne Metalle als Antioxidatien) nach der Verkokung das Abbrand-Verhalten durch Glühen von zylindrischen Probekörpern mit einer Höhe von 50 mm und einem Durchmesser von 50 mm an Luft (1000° C/2 Stunden) verglichen.
  • Probe A ergab einen Gewichtsverlust von 4,6 %. Der Gewichtsverlust für die erfindungsgemäße Probe betrug nur 3,2 %. Das ist ein Beleg für die verbesserte Oxidationsbeständigkeit der erfindungsgemäß hergestellten Produkte.
  • Die wesentlichen synergistischen Vorteile der erfindungsgemäßen Proben gegenüber dem Stand der Technik lassen sich wie folgt zusammenfassen:
    • – hohe Energieeinsparung bei der Herstellung
    • – kein Festigkeitsabfall bei höheren Temperaturen
    • – hohe Dichte
    • – hohe Oxidationsbeständigkeit
    • – hohes Festigkeitsniveau zwischen Raumtemperatur und Sintertemperatur
    • – keine Freisetzung von Schadstoffen bei der Herstellung oder Anwendung.

Claims (10)

  1. Verfahren zur Herstellung eines keramischen Formkörpers für feuerfeste Anwendungen, mit folgenden Merkmalen: a) aus einem Versatz aus 70-99,5 Gew.% mindestens eines körnigen refraktären Grundstoffs und 0,5-5 Gew.-% mindestens eines Bindemittels mit einem SiO2-Gehalt > 70 Gew.-% wird ein keramischer Formkörper gebildet, b) der Formkörper wird anschließend unterhalb einer für den Versatz gegebenen Sintertemperatur unter Ausbildung eines SiO2-Bindegerüstes zwischen den Körnern des refraktären Grundstoffs getempert.
  2. Verfahren nach Anspruch 1 mit der Maßgabe, dass der Versatz > 50 Gew.-% mindestens eines basischen refraktären Grundstoffs enthält.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem ein Bindemittel mit einem SiO2-Gehalt > 75 Gew.-% eingesetzt wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem ein Bindemittel mit einem SiO2-Gehalt > 80 Gew.-% eingesetzt wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem als Bindemittel mindestens ein Silikonharz eingesetzt wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der refraktäre Grundstoff in einer Kornfraktion < 6 mm eingesetzt wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Formkörper bei einer Temperatur zwischen 100° und 600 ° Celsius getempert wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Formkörper bei einer Temperatur zwischen 100° und 500° Celsius getempert wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Formkörper bei einer Temperatur zwischen 150° und 450° Celsius getempert wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 1 mit der Maßgabe, dass der Versatz bis zu 30 Gew.-% mindestens einer kohlenstoffhaltigen Komponente enthält.
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