DE2041091A1 - Feuerfeste Isoliermassen - Google Patents

Description

DR.-ING. VON KREISLER DR.-ING. SCHÖNWALD DR.-ING. TH. MEYER DR. FUES DIPL.-CHEM. ALEK VON KREISLER DIPL.-CHEM. CAROLA KELLER DR.-ING. KLÖPSCH

KÖLN 1, DEICH^ANNHAUS

•Köln, den i8_e8.1970 Ke/Ax-

Morganite Ceramic Fibres Limited,

Liverpool Road. Neston, Wirral, Cheshire (England).

Feuerfeste Isoliermassen

Die Erfindung betrifft feuerfeste Isoliermassen, •insbesondere Isoliermassen, die Mineralwolle enthalten®

Viele feuerfeste Massen haben den Nachteil, daß sie schrumpfen, wenn sie erhitzt werden^ wobei die Schrumpfung mit steigender Temperatur zunimmt. Bei gewissen Anwendungen spielt die Schrumpfung keine RoIIe₉ jedoch ist sie häufig von größter Wichtigkeit» Beispielsweise pflegt eine feuerfeste Faserschicht, die mit einer heißen Oberfläche in Berührung ist, sich zu krümmen» wann die Temperatur der Oberfläche einen bestimmten Wert überschreitet. Diese unerwünschte Krümmung und Verwerfung der feuerfesten Schicht wird dadurch verursacht» daß die der heißen Oberfläche am nächsten liegenden Pasern stärvker schrumpfen als die Fasern, die von der heißen Oberfläche weiter entfernt sind. Die maximale Temperatur, bei der ein bestimmtes feuerfestes Fasermaterial noch verwendbar ist, hängt somit von der Schrumpfung ab* Für allgemeine Zwecke gilt eine Schrumpfung von 5$ als zulässiges Maximum, während für gewisse Zwecke ©in Maximum von in Kauf genommen werden kann.

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Mineralwolle, d.h. künstliche Fasern, die aus geschmolzenen Mineralien hergestellt werden, wird an Stelle von Ästest verwendet, da sie höhere Temperaturen aushalten kann und nicht die mit Astest verbundene Gefahr der Giftigkeit aufweist.

Der hi«r gebrauchte Ausdruck "Mineralwolle" umfaßt Schlackenwolle und Steinwolle. Mineralwolle kann "beispielsweise hergestellt werden, indem ein Strom von gesohmolzenem Gestein oder Schlacke vor Hochdruckdampfstrahlen oder Hochdruckluftstrahlen vorbeigeführt wird. Schlacke, die zu Wolle dieser Art verarbeitet werden kann, fällt als Nebenprodukt verschiedener Verhüttungsverfahren an. Die Zusammensetzung der Schlacke hängt von dem jeweiligen Verfahren ab, bei dem sie anfällt.

Steinwolle wird aus geschmolzenen Gesteinen oder Mineralien, z.B. Kalkstein, die andere Gesteinsarten wie Schiefer enthalten können, hergestellt. Die genaue Zusammensetzung einer Steinwolle hängt natürlich vom Ausgangsmineral oder Ausgangsgestein ab. Wollastonit wird ebenso wie Basalt verwendet. Basalt ist ein dunkles Gestein vulkanischen Ursprungs, das Plagioklas, Feldspat und Augit enthält. Auch andere Gesteinsarten werden verwendet. Im allgemeinen enthalten sie Siliciumdioxyd, Tonerde, Kalk, Magnesiumoxyd und Eisenoxyd.

Unabhängig-von der Herkunft enthält Mineralwolle gewöhnlich die folgenden hauptsächlichen chemischen Bestandteile ι 25 bis 50 Gew.-# SiO₂, 3 bis 20 Gew.-<f> Al₂O₅, 20 bis 45 Gew.-j6 CaO und 3 bis 1Θ Gew.-# MgO.

Mineralwolle kann bei höheren Temperaturen als Asbest eingesetzt werden und eignet jäioh für Temperaturen im Bereich von etwa 500 bis 850⁰C. Oberhalb von 850⁰C ist die Schrumpfung bei den meisten Mineralwollesorten stärker als 53*, so daö sie bei diesen Temperaturen unbrauchbar sind. Wenn die Arbeitatemparaturtn über 850⁰C liegen,

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müssen stattdessen gewöhnlich Keramikfasern verwendet werden, di'

aushalten.

werden, die Temperaturen im Bereich von 800 bis 125O°C

Keramikfasern sind an sich ein spezieller Mineralwolletyp. Sie werden gewöhnlich aus geschmolzenen natürlichen Mineralien wie Kaolin, Bauxit, Kyanit und gewissen Schamotten oder aus Gemischen von Tonerde und Siliciumdioxyd und modifizierenden Mitteln hergestellt. Sie können auch aus viskosen Lösungen hergestellt werden. Es wird angenommen, daß diese Pasern ihre hohe Feuerfestigkeit einem verhältnismäßig hohen Tonerdegehalt verdanken. Beispielsweise enthält eine typische Mineralwolle der oben beschriebenen Art 3 bis 20$ Tonerde, während Keramikfasern gewöhnlich wenigstens 40$ Tonerde enthalten., Keramikfasern können mit sehr genau reproduzierbaren Eigenschaften hergestellt werden, da ihre Ausgangsmaterialien verhältnismäßig rein sind. Keramikfasern sind jedoch viel teurer als Mineralwolle.

Bei Arbeitstemperaturen im Bereich von 850 bis 1250⁰O mußten somit bisher teure feuerfeste Massen auf Basis von Keramikfasern verwendet werden.

Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, die maximalen Temperaturen, bei der Mineralwolle eingesetzt werden kann, zu steigern, ohne daß die Schrumpfung unannehmbar stark wird.

Es wurde gefunden, daß es möglich ist, Mineralwolle bei wesentlich höheren Temperaturen bei annehmbarer Schrumpfung einzusetzen, wenn der Mineralwolle ein Anteil an Keramikfasern zugemischt wird.

Es wurde ferner überraschenderweise gefunden, daß durch den Zusatz von Keramikfasern zu Mineralwolle die Schrumpfneigung des Gemisches aus Keramlkfasern und Mineralwolle stärker unterdrückt wird, als .zu erwarten war.

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Gegenstand der Erfindung sind demgemäß feuerfeste Isoliermassen, die aus einem Gemisch von Mineralwolle und Keramikfasern "bestehen und hei einer gegebenen Arbeitstemperatur eine geringere Schumpfung hahen als reine Mineralwolle ο Die Erfindung umfaßt ferner die aus diesen Massen hergestellten Pormteile.

Die feuerfesten Massen gemäß der Erfindung können zusätzliche Bestandteile enthalten, Z₀B₀ Trägerstoffe, Versteifungsmittel und/oder Bindemittel, die in Faserform, Pulverform oder körniger Form vorliegen können» Beispiele solcher Zusätze sind Zement, rohe oder calcinierte Tone und Tonerde.

Obwohl es in einer Isoliermasse die Einzelfasern sind, die schrumpfen, schrumpft "bei einem Verbundwerkstoff, in dem die Fasern abgebunden sind, das gesamte Formteil. Es wäre daher zu erwarten, daß eine aus Mineralwolle und Keramikfasern bestehende Masse eine Schrumpfung hat, die vom Mengenverhältnis dieser beiden Bestandteile abhängt. Beispielsweise hat eine bestimmte Mineralwolle bei einer gegebenen Temperatur von beispielsweise 100O⁰C eine große (und in der Praxis völlig unannehmbare) Schrumpfung von 10$, während die Schrumpfung von Keramikfasern nur 1$ beträgt. Demgemäß könnte man erwarten, daß eine Masse,die 10^έ Keramikfasern und 90$ Mineralwolle enthält, in Bezug auf die Schrumpfung 10$ der Eigenschaften der Keramikfasern und 90$ der Eigenschaften von Mineralwolle aufweist. Hiernach würde man eine Gesamtschrumpfung von 9,1$ erwarten. Wenn umgekehrt das Gemisch zu 10$ aus Mineralwolle besteht, würde man eine Schrumpfung von etwa 1,9$ erwarten. Dies ist jedoch nicht der Fall, denn die Anwesenheit verhältnismäßig geringer Mengen von Keramikfasern in Isoliermassen auf Basis von Mineralwolle verringert unverhältnismäßig stark die Gesamtsehrumpfung und erhöht somit die maximale Temperatur, bei der Mineralwolle verwendet werden kann.

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Beispielsweise wurde gefunden, daß bis zu. 60$ des Gemisches aus Mineralwolle bestehen kann, ohne dai3 die Schrumpfeigenschaften der Keramikfasermasse ernsthaft "beeinträchtigt werden. Dies bedeutet natürlich, daß durch den Zusatz der Mineralwolle die maximale Temperatur, bei der die Keramikfasermasse verwendet werden kann, nicht wesentlich gesenkt wird.

Dies wird durch die Abbildungen veranschaulicht. S¹Ig-. 1 und Pig. 2 zeigen die Schrumpfungskurven für Gemische von Mineralwolle und Keramikfasern bei zwei verschiedenen !Temperaturen. Jede graphische Darstellung zeigt zwei verschiedene Massen, die verschiedene handelsübliche Mineralwollesorten, nämlich die Produkte "Hocksil" und "Stillite" enthalten, die nachstehend ausführlicher beschrieben werden» Wie Pig.1 zeigt, beträgt die Schrumpfung der reinen Keramikfaser bei 871⁰G etwa 0,8$, während die reine Mineralwolle "Stillite" eine Schrumpfung von etwa 8°/o hat« Aus der Kurve ist ersichtlich, daß die Anwesenheit von nur 30$ Keramikfasern die Schrumpfung auf fast 2$ verringerte Fig.2 zeigt ein sehr ähnliches Verhalten bei einer niedrigeren !Temperatur (817 Q).

Zwar hat die reine Mineralwolle "Rocksil⁵⁸ bei 817⁰G eine annehmbare Schrumpfung, jedoch veranschaulicht Pig,2 die Möglichkeit, die Schrumpfung durch Zusatz verhältnismäßig geringer Mengen Keramikfasern weiter zu verringern. \ .'

Pig»3 zeigt-die Veränderung der prozentualen Schrumpfung verschiedener Gemische von Keramikfasern und Mineralwolle bei verschiedenen Temperaturen. Da ein© Schrumpfung von 5^ als maximal zulässig angesehen wird, zeigen die Abbildungen, daß reine Mineralwolle »Still!te» nicht oberhalb von 80P⁰O und reine Mineralwolle "Rookail¹' nicht oberhalb von 85O⁰Q verwendet werden kann, währenäs.üev ·.-. Zusatz von nur 30?i Keramikfasern zu einer baren Schrumpfung Mi Temperaturen Isis 115O⁰O führt«,

Die in den graphischen Darstellungen angegebenen Schrumpfwerte werden wie folgt bestimmt: Kleine Ziegel, die überwiegend aus der Mineralfaser mit einem organischen Bindemittel oder beispielsweise einem Zement als Bindemittel bestehen, werden hergestellt» Der Ziegel wird vermessen und dann auf eine gegebene Temperatur erhitzt, bei dieser Temperatur gehalten, bis maximale Schrumpfung eingetreten ist, und dann wieder gekühlt. Die Größe des Ziegels vor der Wärmebehandlung und die Größe nach der Wärmebehandlung bei Raumtemperatur werden verglichen. Auf diese Weise läßt sich die prozentuale lineare Schrumpfung leicht be~ rechneno

Natürlich hängt die Menge der Keramikfasern, die einer Mineralwolle zugesetzt wird, von der jeweiligen vorgesehenen Anwendung, insbesondere von der zulässigen maximalen Schrumpfung und von der maximalen Temperatur ab, bei der die feuerfeste Masse verwendet werden soll. Die zugesetzte Menge der Keramikfasern hängt auch von Kostenerwägungen ab. Zur Zeit betrasen die Kosten von Keramikfasern ungefähr das 6-fache bis 12-fache der Kosten von Mineralwolle, so daß es im allgemeinen erwünscht ist, einen möglichst kleinen Anteil an Keramikfasern zu verwenden. Gewöhnlich ist es nicht notwendig, mehr als 50 Gew.-$> der Keramikfasern zu verwenden. Es wurde gefunden, daß Massen, die 10 bis 30 Gew.-j£ Keramikfasern enthalten, für viele Anwendungen geeignet sind.

Einer der Vorteile der Erfindung besteht darin, daß es nunmehr möglich ist, Mineralwolle bei viel höheren Arbeitstemperaturen ohne den Nachteil einer unannehmbar starken Schrumpfung einzusetzen. Ein weiterer Vorteil der Erfindung liegt darin, daß sie es ermöglicht, billigere Keramikfasermassen herzustellen, weil durch den Zusatz verhältnismäßig großer Mengen der billigeren Mineralwolle die Eigenschaften der Massen nicht zu stark beeinträchtigt werden.

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Die feuerfesten Massen gemäß der Erfindung können durch Mischen der Keramikfasern mit der Mineralwolle hergestellt werden. Für gewisse Anwendungen kann es zweckmäßig sein, die Faserbüschel vor der Vermischung zu zerschneiden. Die feuerfesten Produkte können beispielsweise durch Luft- oder Wasserablage oder durch yakuumverformung zu Faserartikeln wie Matten,Decken, Filzen, Blöcken, Platten, speziellen Formteilen und Papierprodukten, durch Trocken- oder Haßmischen zu Gießmassen, Beton und Zement, Stampf-, Preß- und Spritzmassen, mit Hilfe von Ton-~und Kunststoff Verarbeitungsmaschinen zu Preß- und Spritzgußteilen und mit üblichen Textilmaschinen zu Textilien, Seilen, Fäden, Stoffen und anderen gewebten und nicht gewebten Textilien verarbeitet werden. Die Fasern können in der losen Form, in der sie hergestellt werden, verwendet und zu Matten und Decken oder anderen gewünschten Formteilen ohne zusätzliche Bestandteile verarbeitet werden*·

In den folgenden Beispielen werden repräsentative erfindungsgemäße Gemische von Mineralwolle und Keramikfasern beschrieben.

Beispiel 1

69,5 Gew.-$ Mineralwolle der Handelsbezeichnung "Rocksil", 29,5 Gew.-^ Keramikfasern der Handelsbezeichnung "Triton Kaowool" und 1 Gew.-^ Methylhydroxypropylcellulose (Handelsbezeichnung "Methofas P.M.15OO¹¹, Hersteller Imperial Chemical Industries Ltd.) wurden gut gemischt. Das Gemisch wurde mit Wasser angemengt und zu Blöcken und Platten geformt. Die Produkte konnten bei Temperaturen bis 115O⁰C eingesetzt werden und hatten bei dieser Temperatur eine Schrumpfung von weniger als 3$» -Die Schrumpfungskurve von Ziegeln, die aus dieser Masse hergestellt wurden, ist in Fig.3 dargestellt (Bezeichnung der Kurve "70$ Rocksil«).

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Beispiel 2

Auf die in Beispiel 1 "beschriebene Weise wurde ein Gemisch der folgenden Zusammensetzung hergestellt: 59,5 Gew_o-$ Mineralwolle der Handelsbezeichnung

»Stillite"

39,5 Gew.-$> Keramikfasern "Triton Kaowool" 1 Gew.-i* Methylhydroxypropylcellulose "Methofas P.M. 1500"

Aus diesem Gemisch hergestellte Produkte, die bis 1150⁰C verwendet wurden, hatten eine noch geringere Schrumpfung (siehe Fig.3; Kurve mit der Bezeichnung "60^Röcksil oder Stillite").

Beispiel 3

25 Gew.-# Mineralwolle "Stillite", 10 Gew.-^ Keramikfasern "Triton Kaowool", 30 Gew.-^ kolloidales Siliciumdioxyd "Syton 30X",

5 Gew.-# feinstgemahlenes Aluminiumoxyd "MA 130" und 30 Gew.-$ Wasser

wurden gut gemischt und dann zu Blöcken und Platten geformt, die man abbinden ließ. Die Produkte konnten bei Temperaturen bis 1150⁰C eingesetzt werden und hatten hierbei eine Schrumpfung von weniger als 5$.

Das Produkt "Rocksil" ist eine Steinwolle, die von der Firma Cape Asbestos Co. hergestellt wird. Es wird angenommen, daß sie aus einem Doloraitkalkstein und siliciumdioxydhaltiger Schamotte besteht.

Das Produkt "Stillite" ist eine Schlackenwolle, die von der Firma Stillite Products Ltd. hergestellt wird.

Die Keramikfaser "Triton Kaowool" wird von der Firma Morganite Ceramic Fibres Ltd. aus Kaolin, einer natürlich vorkommenden Aluminiumsilicat-Schamotte von hoher Reinheit hergestellt;

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Das kolloidale Siliciumdioxyd »Syton 3OX» wird von Monsanto Chemicals Md₀ hergestellt. Die feinstgemahlene Tonerde ¹¹MA 130" und die Methylhydroxypropylcellulose "Methofas PM 1500" sind Produkte der Pirma Imperial Chemical Industries Ltd.

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Claims (7)

1. Pat entansprüche

   [1)) Feuerfeste Isoliermassen, bestehend aus einem Gemisch von Mineralwolle und Keramikfasern.
2. 2) Feuerfeste Isoliermassen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie "bis zu 60 Gew„-# Mineralwolle enthalten.
3. 3) Feuerfeste Isoliermassen nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie 10 Ms 30 Gew.-⁰Jo Keramikfasern enthalten.
4. 4) Feuerfeste Isoliermassen nach Anspruch 1 "bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß sie außerdem Trägerstoffe, Verateifungsmittel und/oder Bindemittel enthalten.
5. 5) Feuerfeste Isoliermassen nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie Zement, rohe oder calcinierte (Done und/oder Tonerde enthalten.
6. 6) Feuerfeste Isoliermassen nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß sie zu Stapelfasern zerschnittene Keramikfasern und/oder zu Stapelfasern zerschnittene Mineralwolle enthalten.
7. 7) Verwendung von feuerfesten Isoliermassen nach Anspruch 1 bis 6 im Gemisch mit einem, vorzugsweise wäßrigen, flüssigen Medium zur Herstellung von Formkörpern.

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