DE2728776C2

DE2728776C2 - Anorganische feuerfeste Klebemasse

Info

Publication number: DE2728776C2
Application number: DE2728776A
Authority: DE
Inventors: David L. Augusta Ga. Keel; Richard A. Aiken S.C. Waugh
Original assignee: Babcock and Wilcox Co
Current assignee: Babcock and Wilcox Co
Priority date: 1976-06-30
Filing date: 1977-06-25
Publication date: 1982-07-01
Also published as: CA1085558A; SE7707512L; IT1081280B; JPS5330613A; MX145787A; GB1534980A; AU2665477A; SE426579B; BR7704249A; FR2356611A1; US4090881A; AR210814A1; AU504906B2; DE2728776A1; FR2356611B1

Description

In der letzten Zeit hat die Verwendung von anorganischen feuerfesten Klebemassen, die Keramikfasern und kolloidale Kieselsäure enthalten, für zahlreiche Hochtemperatureinsätze zugenommen. Die meisten dieser im Handel erhältlichen Klebemassen haben jedoch im allgemeinen physikalische und chemische Eigenschaften, die dazu führen, daß sie zur Verwendung mit keramischen Faserprodukten nicht geeignet sind, weil solche Klebemassen oft Binder enthalten, wie beispielsweise anorganische Silikate, die die keramischen Fasern angreifen oder die bei hohen Temperaturen elektrisch leitfähig werden können. Solche unerwünschten Eigenschaften begrenzen die Einsatzmöglichkeiten solcher Klebemassen.

Trotz derartiger Nachteile ist die zur Begünstigung von anorganischen Klebemassen bestehende Tendenz zu begrüßen, wenn man organ.jche Klebemassen bei hohen Temperaturen benutzt hat und auf die Probleme gestoßen ist, die mit der Verwendung vieler der organischen Klebemassen bei hohen Temperaturen verknüpft sind. Verkokung und Verflüchtigung sind typisch für die Nachteile solcher bekannter Massen. Erforderlich ist also eine anorganische Klebemasse, die nicht nur bei hohen Temperaturen einsetzbar ist, sondern auch zahlreiche andere Eigenschaften aufweist, die dazu führen, für ein breites Verwendungsspektrum geeignet zu sein. Eine solche Masse soll nicht nur ihren hohen Isolierwert bei hohen Temperaturen beibehalten, sondern sie soll auch eine ausreichende Steifigkeit behalten, um an Ort und Stelle zu bleiben, wenn sie Beanspruchungen und anderen Kräften bei hohen Temperaturen ausgesetzt wird. Sie soll auch in bezug auf die Teile, die sie bindet, inert sein, jedoch sich auch mit denselben bei Wechselspannungen bewegen können.

Es ist bereits eine Klebemasse bekannt (US-PS 32 31 401), die dadurch gebildet wird, daß Keramikfasern, vorzugsweise aus Tonerdesilikat, in einer Kugelmühle vermahlt werden, bis die Fasern ein Längen-/ Durchmesser-Verhältnis von etwa 10:1 bis etwa 50 :1 haben. Die gekürzten Fasern werden dann mit einem wäßrigen Aufschluß aus kolloidalen anorganischem Oxid in einer solchen Menge gemischt, daß ein Oxidgehalt von etwa 3 Gew.-% bis etwa 40 Gew.-% des Gemisches auf Trockenbasis erhalten werden. Zahlreiche Eigenschaften der Masse werden durch eine sorgfältige Kontrolle des Längen-ZDurchmesser-Verhältnisses begünstigt.

Es ist weiterhin ein monolithisches anorganisches Gemisch bekannt (US-PS 37 58 317), welches eine homogene Zusammensetzung aus negativ geladenen kolloidalen Kieselsäureteilchen und positiv geladenen kolloidalen Teilchen enthält, die mit feuerfesten Materialien in Teilchen- oder Faserform verbunden werden können. Dabei bildet sich ein »gelartiges« Gefüge, das beim Trocknen schrumpft

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine preiswerte anorganische feuerfeste Klebemasse zu schaffen, die Mullit, Tonerde, keramische Fasern, kolloidale Kieselsäure und ein Bindemittel enthält, die innerhalb bestimmter spezifischer Verhältnisse gemischt werden, um dem Gemisch verbesserte Eigenschaften zu verleihen, wie Nichtleitfähigkeit, leichte Verarbeitbarkeit, die Fähigkeit, metallische Elemente an nichtmetallische Elemente bei hohen Temperaturen zu binden und das eine verbesserte Festigkeit im getrockneten Zustand und eine Einsatzmöglichkeit in einem breiten Spektrum von Anwendungsfällen aufweist. Mit solchen Eigenschaften kann erfindungsgemäß eine durch eine lange Standzeit ausgezeichnete Klebemasse hergestellt werden, wie man sie z. B. bei elektrisch beheizten Tragpolstem vorfindet, wobei die wegen der unerwünschten Nachteile der Klebemassen nach dem bekannten Stand der Technik eintretende Beeinträchtigung auf ein Geringstmaß herabgesetzt wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einer anorganischen feuerfesten Klebemasse, die Keramikfasern und kolloidale Kieselsäure enthält, dadurch gelöst, daß sie — auf Trockengewichtsbasis — aus 33 bis 80% Mullit, 10 bis 43% Keramikfaser, 5 bis 20% Tonerde, 5 bis 20% kolloidaler Kieselsäure und 3 bis 13% Ton besteht.

Nach einer weiteren vorteilhaften Maßnahme nach der Erfindung ist der Ton Betonit.

Mullit ist eine kristalline Verbindung aus Tonerde und Kieselsäure; es hat die Formel 3 AI2O3 ■ 2 S1O2 und ist seit langem dafür bekannt, gut für die Herstellung von Hochtemperatur-Feuerfestmaterialien geeignet zu sein.

Neben seinen niedrigen Kosten weist Mullit einen Schmelzpunkt von etwa 1800⁰C auf und zeigt eine gute Wärmeschockbeständigkeit.

Ebenso ist auch Tonerde ein wichtiger Stoff in der feuerfesten Industrie. Sie ist bei der Lösung vieler Aufgaben auf dem Gebiet der feuerfesten Auskleidungen ein unerläßlicher Stoff, weil sie, ohne zu schmelzen oder zu erweichen, sehr hohen Temperaturen gewachsen ist und weil sie chemisch gegenüber dem Angriff

durch Grundstoffe beständig ist.

Es ist festgestellt worden, daß keramische Fasern ein ausschlaggebender Faktor bei der Bildung von feuerfester Masse sind. Es können zwar viele der im Handel erhältlichen keramischen Fasern für die Herstellung der erfindungsgemäßen Klebemasse verwendet werden, jedoch erzielen solche Fasern die besten Ergebnisse, die sich für den Einsatz der Klebemasse mit den Einsatz-Temperaturbegrenzungen der keramischen Fasern ändern.

Zusätzlich kann auch ein aus polykristallinen Tonerdefasern bestehendes Gemisch bei der Bildung der feuerfesten Masse für die Klebung Verwendung finden. Natürlich sind auch Gemische aus verschiedenen keramischen Fasern verwendbar. Die günstigen elektrischen Hochtemperatur-Isoliereigenschaften der erfindungsgemäßen Klebemasse sind darauf zurückzuführen, daß solche Bestandteile wie Zirkonoxid fehlen und es wird empfohlen, daß bei der Verwendung der erfindungsgemäßen Masse als Hochtemperatur-Klebe masse Verbindungen, die Zirkon in irgendeiner Form enthalten, vermieden werden. Es sollten auch Gemische aus Tonerde und Chromoxid oder Vanac\'umoxid nicht verwendet werden.

Die kolloidale Kieselsäure kann dem Gemisch nach der Erfindung aus einer Reihe bekannter Quellen zugesetzt werden, jedoch ist eine bevorzugte Form diejenige, die ein wäßriges kolloidales SoI enthält, welches etwa 30 Gew.-% des Aufschlusses als Kieselsäure enthält

Es ist festgestellt worden, daß Betonitton für die Verwendung nach der Erfindung besonders geeignet ist. Er verhindert nicht nur das Absetzen der eine feine Teilchengröße aufweisenden Bestandteile, sondern er verleiht der Masse auch die wünschenswerte Viskosität, um seine Verwendung als Klebemasse zu erleichtern. Es ist auch festgestellt worden, daß Betonit eine befriedigende Gebrauchsfähigkeitsdauer ergibt.

Die erfindungsgemäße Klebemasse weist den Vorteil auf, für viele Einsatzzwecke im feuerfesten Bereich geeignet zu sein. Von einer Klebemasse kann angenommen werden, daß es sich um einen Stoff handelt, der eingesetzt wird, um durch Oberflächenhaftung zwei oder mehrere Feststoffe zu binden, so daß sie als ein einzelnes Teil wirken oder verwendet werden können. Die erfindungsgemäße Masse weist ausgezeichnete ff-Eigenschaften auf. Es steinen zwar zahlreiche Klebemassen zur Verfügung, es ist aber festgestellt worden, daß diese Klebemassen bei höheren Temperaturen elektrisch leitfähig werden. In vielen Fällen führt eine solche Leitfähigkeit zu negativen Auswirkungen, die ernsthaft dem Produkt schaden können oder die durch die Schwächung der Bindung wesentlich die Standzeit vermindern. In gewissen Fällen entsteht ein Sicherheitsrisiko, wenn die Klebemasse leitfähig wird, denn es besteht dann die gefährliche Wahrscheinlichkeit eines Kurzschlusses. Die erfindungsgemäße Masse ist in der Lage, ihre Isoliereigenschaften selbst bei denjenigen Temperaturen zu behalten, bei denen andere ff-Klebemassen leitfähig werden. Die Masse bleibt auch in ihrem Gefüge erhalten und ist gegenüber Rißbildung und Abbröckelung beständig, die durch Wärmespannungen auf Grund von Temperaturänderungen entstehen könnten. Die erfindungsgemäße Masse ist mit einer Vielzahl von Stoffen verträglich, so daß ein breites Spektrum für ihre Nutzanwendung besteht. Während eine beliebte z. Zt. im Handel erhältliche Klebemasse eine Verminderung »',er Bindefestigkeit zeigte, als sie

ίο

einer hohen relativen Feuchtigkeit und hohen Temperaturen während einer längeren Zeit ausgesetzt wurde, zeigt die erfindungsgemäße Masse wenig Änderung bei der Biiidefestigkeit Auch wurde die Bindefestigkcit der erfindungsgemäßen Masse nicht durch eine Wechselbeanspruchung von 1100⁰C bis herunter auf 0⁰C beeinträchtigt, sondern im Gegenteil erhöht, während die im Handel erhältliche Masse eine eindeutige Verminderung der Bindefestigkeit zeigte.

Die erfindungsgemäße Masse ist nicht nur billig, sondern auch verhältnismäßig einfach herzustellen. Vorzugsweise werden die Rohstoffe — Tonerde, Mullit und die keramischen Fasern — auf eine Teilchengröße von weniger als 325 Maschen, d.h. weniger als 44 Mikron, gemahlen. Es ist festgestellt worden, daß die stabilsten und stärksten Zemente sich aus einem solchen Mahlverfahren ergeben. Eine Mahlung in einer Naßkugelmühle ist zweckmäßig und ergibt ein glattes, homogenes Produkt. Alternativ kann die Klebemasse dadurch hergestellt werden, daß man in der Kugelmühle die trockenen Bestandteile mahlt und später das flüssige kolloidale Kieselsäure-Bindemiud und Wasser in einem Mischvorgang, z. B. in einem Hobart-Mischer, zusetzt

Innerhalb des Zusammensetzungsbereichs der vorgeschlagenen Masse ist ein bevorzugter Bereich für jeden der Bestandteile festgestellt worden. In diesem bevorzugen Bereich wird auf Trockengewichtsbasis Mullit in einem Anteil von 33—43% vorhanden sein, keramische Fasern mit 33—43%, Tonerde mit 8—12%, kolloidale Kieselsäure mit 8—12% und Tor. mit 3—5%.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 ein getragenes und zusammengebautes Heizelement,

F i g. 2 eine Ansicht entlang der Linie 2-2,

F i g. 3 eine Vergrößerung eines Teils von F i g. 2.

F i g. 1 zeigt im allgemeinen einen Träger 10 für ein elektrisches Heizelement Der Träger umfaßt ein Trag-Gußstück 12, welches aus gegossenen Keramikfasern besteht und eine Öffnung 14 aufweist, deren Boden 15 mit einer Spiralnut 20 in kontinuierlicher Spiralform ausgebildet ist, um das elektrische Heizelement 16 aufzunehmen. Das Heizelement kann aus Eisen oder Nickel-Chrom oder aus einem andere;, metallischen Material bestehen, welches für Heizelemente verwendet wird. Elektrische Verbindungen 18 führen zur Stromquelle. F i g. 2 zeigt die Spiralnut 20, die im Boden 15 ausgebildet ist. Die Nut ist halbkreisförmig im Querschnitt und hat einen größeren Durchmesser als dasjenige Teil des Heizelements 16, das in die Nut eingesetzt wird. Die ff-Masse 22 kleidet die Spiralnut 20 aus. Zur Verwendung wird die Masse 22 in die überdimensionierte Spiralnut eingeführt, worauf das heizelement 16 in die Nut und die Masse eingesetzt wird. Natürlich folgen dann Ausbesserungsarbeiten. Nach genügender Lufttrocknung wirkt die Masse a!s eine Klebernasse, die das Heizelement 16 an dem Boden 15 des Trägers 10 bindet. Bei einer solchen Endverwsndung ist die lä~gere Einwirkung von Temperaturwechselbeanspruchungen für die Festigkeit der gebildeten Klebebindung von großer Bedeutung. In der nachstehenden Tabelle werden die Ergebnir.se zusammengefaßt, die von einem unabhängigen Prüflabor zusammengestellt wurden, welches die Bindefestigkeit der erfindungsgemäjcn ff-Klebemasse mit einer im Handel erhältlichen erfolgreichen Klebemasse verglichen hat. Siehe die folgende Tabelle:

Zugfestigkeit

I Ausgedrückt in Pfund, die erforderlich sind, um die Bindung zu zerstören, ebenfalls als % dor Festigkeit im angelieferten Zustand angegeben)

lieeinfliissunp

il.iiuiclsühiichc
l'rotltikl

Angelieferter Zustand .V5 (100%) Auswirkung der relativen Feuchtigkeit (^l)5 1(10% relative

Feuchtigkeit bei 140 F für I6S Stunden) I .S (51 %)

Vi^vvirkiing der lemperalur (2(KM) I für IdK SuunUni -.4 C'"",,)

I invwrkimg der W ecif>elbean*piucliung (2iKl0 I für

4s Stunden)

is> <)ii"„ relative I euchtigkeit bei I"4 für 4S Stunden)

ι ■: I für X Stunden)

is^ 'Hl"., relative Feuchtigkeit bei KM I für f>4 Stunden) 2.5(71",,)

Verbesserte
Klebemasse

4.4 (100%)

4.1 (W %)

6.4 |14V\'O

■.S (177%)

Prüfungen der elektrischen Standzeit /eigen, daß die erfindungsgemäße Klebemasse elektrische Isoliereigenschaften aufweist, die den erstrebten Zielen entsprechen Für Prüf/wecke wurden Heizelemente (1575 W bei 2J6 V) in die F.lementtragpolster eingesetzt: die Vorrichtungen wurden dann mit Glaskeramikplatten abgedeckt und mit 240 V beaufschlagt. Nach einer Wechselprüfung, die eine Einschaltzeit von 2000 Stunden umfaßte (60 Minuten ein. 15 Minuten aus), wurde knn Zeichen einer Verschlechterung in der Verhaltensweise der Vorrichtung festgestellt. Andere Vorrichtungsprüfungen, die aus 500 Stunden Dauereinschaltzeit und anschließender Wechseleinschaltzeit von 300 Stunden bestanden, zeigten ebenfalls keine Verschlechterung der Klebemasse oder der Vorrichtung.

Wie man aus den obigen Daten feststellen kann, zeigten andere Massen eine wesentliche Verschlechterung der Bindefestigkeit bei verschiedenen Umweltsänderungen, während jedoch die erfindungsgemäße Masse ziemlich unerwartet verbesserte Bindefestigkeiten zeigte. Fs ist leicht begreiflich, daß solche Eigenschaften ein breites Anwendungsgebiet für eine solche Masse nahe legen. Sonstige Verwendungsmöglichkeiten für die Klebemasse bestehen darin. Heizdrälite an Glaskeramikflächen zu binden. Faserisolierschichten zu binden, verschiedene vakuumverformte Faserprofile zu binden sowie grundsätzlich fast in jedem Fall eingesetzt zu werden, in welchem eine ff-Bindung zwischen Stoffen erforderlich ist. Im Einsatz kann die Masse aufgetragen, aufgepinselt, aufgespritzt, aufgeschichtet, aufgespachtelt, oder sonstwie verarbeitet werden, um die erforderliche Gleichmäßigkeit und Glätte zu ergeben, wie es in dem jeweiligen Fall erforderlich sein kann.

! HIaIt Zeichnuncen

Claims

Patentansprüche:

1. Anorganische feuerfeste Klebemasse, die Keramikfasern und kolloidale Kieselsäure enthält, dadurch gekennzeichnet, daß sie — auf Trockengewichtsbasis — aus 33 bis 80% MuMt 10 bis 43% Keramikfaser, 5 bis 20% Tonerde, 5 bis 20% kolloidaler Kieselsäure und 3 bis 13% Ton besteht

2. Klebemasse nach Anspruch 1, dadurch gekenn- ι ο

zeichnet, daß der Ton Betonitist

3. Klebemasse nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie — auf Trockengewichtsbasis - aus 33 bis 43% Mullit 33 bis 43% Keramikfaser, 8 bis 12% Tonerde, 8 bis 12% kolioidaler Kieselsäure und 3 bis 5% Ton besteht