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Mischung zur Herstellung warmfester Isolierkörper Die Erfindung betrifft
wärmeisolierende gießbare Baustoffe mit niedrigem Gewicht, die sich zur Anwendung
bei hohen Temperaturen eignen.
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Üblicherweise strebt man bei der Herstellung von gießbaren oder anderen
feuerfesten Erzeugnissen zur Erzielung höchster Festigkeit und Feuerbeständigkeit
möglichst hohe Dichten in dem fertigen Produkt an. Man erreicht dies im allgemeinen
durch Verwendung eines hohen Prozentsatzes sehr dichter, feuerfester Körner, z.
B. gebrannten Bauxit u. dgl., oder auch dadurch, daß die für die Mischung verwendeten
Teilchen so sortiert werden, daß nur sehr wenig Poren entstehen. Solche Mischungen
von Auswahlkörnungen mit niedriger Porigkeit und hoher Dichte zeigen im Gebrauch
nur sehr geringe Volumenänderungen und können deshalb bei hohen Temperaturen verwendet
werden. Gegossene Erzeugnisse, die sich über ausgedehnte Perioden bei vergleichsweise
hohen Temperaturen verwenden lassen, sind nicht unbekannt.
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Ist ein feuerbeständiges Erzeugnis mit niedriger Wärmeleitfähigkeit
erwünscht, wird auf die hohe Dichte verzichtet, im allgemeinen, indem man die Dichte
herabsetzende Mittel zusetzt. Dies führt jedoch zu einer solchen Zunahme der Schrumpfung,
wenn man das Erzeugnis erhöhten Temperaturen aussetzt, daß die Betriebstemperatur,
bei der solche Erzeugnisse verwendet werden können, wesentlich niedriger liegt,
da die Temperatur ausreichend niedrig gehalten werden muß, damit keine die zulässigen
Werte überschreitende Schrumpfung auftritt. Die zulässigen Werte betragen beispielsweise
für die lineare Schrumpfung bei Werkstoffen mit der besten Feuerbeständigkeit, die
vergleichsweise hohen Temperaturen widerstehen, bis zu 1,5%.
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Im Handel sind mehrere Isoliermischungen erhältlich, die gekörnte
Stoffe, wie gebrannte Diatomeenerde, geblähten Vermiculit, und poröse Tonstoffe,
wie Haydit sowie auch Bauxit, Aluminiumoxyd, Mullit, Siliciumdioxyd usw. enthalten.
Unter porösen Tonstoffen, von denen Haydit ein Beispiel ist, versteht man einen
Ton, der zum Austreiben seiner flüchtigen Bestandteile und zur Gewinnung diskreter
Partikeln wärmebehandelt wird. Es ergibt sich eine etwas expandierte Masse mit niedrigem
Raumgewicht. Haydit selbst ist ein chemisch neutraler glasartiger Stoff mit niedrigem
Raumgewicht, der durch Brennen von gemahlenem Schiefer in einem Drehofen bis auf
Temperaturen von etwa 1.200°C hergestellt wird. Es entsteht eine harte zellförmige
Masse, die in gebrochener Form als Isolation für Temperaturen bis zu 1090° C verwendbar
ist. Nachteilig ist, daß einige der vorstehend genannten Stoffe einen niedrigen
Schmelzpunkt besitzen und infolgedessen hohen Temperaturen nicht widerstehen können.
Es ist ferner bereits ein Isolierkörper bekannt, der aus weniger als 60 % expandiertem
Vermikulit und einem hydraulisch erhärtendem Bindemittel, wie Zement, vorzugsweise
Portland- oder Tonerdezement, besteht, wobei das Bindemittel außer dem Zement auch
noch Ton oder Tonerde enthalten kann und bis zu 1200° C verwendet werden kann. Infolge
der glimmerartigen Struktur und des vergleichsweise geringen Kieselsäuregehaltes
von etwa 39% des darin verwendeten Vermikulits ist insbesondere die Temperaturwechselbeständigkeit
dieser bekannten Ioslierkörper für die Praxis nicht in allen Fällen ausreichend.
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Die Erfindung betrifft einen gießfähigen, isolierenden, hitzebeständigen
Werkstoff zur Herstellung von warmfesten Isolierkörpern, der eine niedrige Dichte
aufweist und trotzdem hohen Temperaturen widerstehen kann und der gekennzeichnet
ist durch folgende Zusammensetzung: 10 bis 25 Gewichtsprozent expandierter Perlstein,
40 bis 75 Gewichtsprozent roher Kyanit und 15 bis 40 Gewichtsprozent Calciumaluminatzement.
Besonders vorteilhaft sind Kompositionen, die aus einer Mischung von 15 Gewichtsprozent
volumenvergrößertem Perlstein, 60 Gewichtsprozent rohem Kyanit und 25 Gewichtsprozent
eines Calciumaluminatzementes bestehen.
Aus diesen Mischungen hergestellte
Erzeugnisse stellen isolierende, wärmebeständige Baustoffe dar, die einzigartige
Eigenschaften besitzen. Auf Grund der vorliegenden Erfindung lassen sich isolierende,
gießbare, wärmebeständige Baustoffe mit niedrigem Gewicht herstellen, die hohen
Temperaturen widerstehen, eine niedrige Dichte unter 1040 g/1 besitzen, selbst bei
hohen Temperaturen eine lineare Schrumpfung unter etwa 1,5 % aufweisen und weiter
dadurch gekennzeichnet sind, daß sie eine gute Festigkeit und einen guten Abriebwiderstand
besitzen.
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Zum Erzielen der der Erfindung gesetzten Aufgabe müssen nicht nur
die oben angegebenen Kompositionsgrenzen beachtet werden, sondern auch die Reinheit
der verwendeten Feststoffe ist von einiger Bedeutung.
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Rohes (ungebranntes) Kyanit stellt den größten Anteil für die Mischung
zum Herstellen der isolierenden, wärmebeständigen Baustoffe gemäß der Erfindung.
Die für die Erfindung brauchbaren Kyanite müssen die folgende Zusammensetzung aufweisen:
Fe203 -I- TiO2 nicht mehr als 2,5 0/0, Si02 nicht mehr als 48 %, Rest Al2O3, aber
mindestens 50 0/0. Der Kyanit sollte so gemahlen sein, daß er praktisch vollständig
durch ein Sieb mit etwa 0,833 mm lichter Maschenweite hindurchfällt, wobei weiter
mindestens. 30 % durch ein Sieb mit etwa 0,147 mm lichter Maschenweite hindurchfallen
sollten. Vorzugsweise wird der Werkstoff so verwendet, daß er durch ein Sieb mit
etwa 0,147 mm lichter Maschenweite hindurchfällt.
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Expandierter Perlstein ist der in den Kompositionen gemäß der Erfindung
verwendete Stoff mit niedrigem Gewicht. Expandierter Perlstein besteht aus Teilchen,
die ein geringes Gewicht haben und leicht zermahlen werden können. Obwohl geblähter
Perlstein bei etwas niedrigeren Temperaturen schmilzt, werden die Kompositionen
gemäß der Erfindung hierdurch nicht ungünstig beeinflußt. Möglicherweise wird der
Perlstein in dem fertigen Isolierstofferzeugnis zurückgehalten dadurch, daß er durch
die wärmebeständigeren Bestandteile der Masse, d. h. durch das Kyanit oder den Calciumalum'natzement
absorbiert wird oder sich mit diesen verbindet. Der für die Erfindung verwendete
expandierte Perlstein sollte einen Kieselsäuregehalt von mindestens 65 0/0 und einen
Tonerdegehalt von mindestens 10 % haben. Die übrigen Anteile sind die üblichen bei
Perlstein vorhandenen Bestandteile. Obgleich die Größe der für die Erfindung verwendeten
Perlsteinteilchen keine kritische Bedeutung hat, wurde gefunden, daß es sich empfiehlt,
den Stoff so zu verwenden, daß er praktisch ganz durch ein Sieb mit etwa 3,327 mm
lichter Maschenweite hindurchfällt und nicht mehr als 10 0% durch ein Sieb mit etwa
0,147 mm lichter Maschenweite hindurchgehen.
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Als Bindemittel wird bei der vorliegenden Erfindung Calciumaluminatzement
verwendet. Dieser Zement ist im Handel erhältlich und enthält im allgemeinen Ca0
und A1203 in einem Verhältnis von mindestens 1:1, obgleich auch Zemente mit einem
niedrigeren oder höheren Kalkgehalt nach Belieben verwendet werden können. Der Zement
muß verhältnismäßig rein sein und darf durch nicht mehr als 3 % Fe203 oder ähnliche
Bestandteile verunreinigt sein. Der Zement wird im allgemeinen in einer solchen
Körnung verwendet, daß er vollständig durch ein Sieb mit einer lichten Maschenweite
von etwa 0,147 mm hindurchfällt.
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Zum Herstellen von Isolierungen aus diesen Kompositionen muß der im
wesentlichen homogenen Mischung der festen Bestandteile Wasser zugesetzt werden,
wobei die jeweilige Menge entsprechend dem anzuwendenden Arbeitsverfahren zu bemessen
ist. In der Praxis wird die Mischung in der Regel trocken versandt und das Wasser
am Anwendungsort zugesetzt. Die gegossenen Körper werden in der Form bei Raumtemperatur
etwa 24 Stunden an Luft stehengelassen, damit der Zement hydraulisch abbinden kann.
Anschließend werden die geformten Stücke 1 bis 24 Stunden in der Wärme getrocknet.
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Zur Erläuterung der Erfindung wurden gießfähige Isolierstoffkompositionen
aus expandiertem Perlstein, rohem Kyanit und Calciumalum'natzement in den nachstehend
angegebenen Mengen zubereitet. Die Analyse der einzelnen Rohstoffe ergab folgende
Werte:
| Kyanit Perlstein Zement |
| 55 % A1203 70 "/o Si02 720/, A1203 |
| 42,5'% si02 15 0/0 A1203 27 % Ca0 |
| 1% Fe2O3 2"/o Fe203 1% Fe203 -I- S'02 -I- Mg0 |
| 14/0 T'02 10/0 mg0 |
| 0,5'% Glühverlust 1% Ca0 |
| 711/o Alkalien |
| 4% Glühverlust |
Die durchschnittliche Teilchengröße des Perlsteins war so, daß er vollständig durch
ein Sieb mit etwa 3,327 mm lichter Maschenweite hindurchfiel. Der rohe Kyanit wurde
auf eine durchschnittliche Teilchengröße gemahlen, die etwa einem Sieb mit einer
lichten Maschenweite von 0,147 mm entspricht, während der Zement praktisch noch
feiner war, als es einem Sieb mit 0,044 mm lichter Maschenweite entspricht. Diese
Bestandteile wurden in einem Labormischer innig miteinander vermischt. Dem Ansatz
wurde dann Wasser zugegeben und aus der so erhaltenen Masse Versuchsstücke geformt.
Anschließend wurden die Proben an der Luft gehärtet und in der Wärme getrocknet.
Daraufhin wurden die Dichte, die Bruchfestigkeit und die Kaltdruckfestigkeit jedes
Steines gemessen. Die Stücke wurden dann auf etwa
1100° C erhitzt
und 5 Stunden auf dieser Temperatur gehalten. Nach Abkühlung auf Raumtemperatur
wurden neue Messungen vorgenommen. Andere Proben wurden auf etwa 1400° C erhitzt
und weitere 5 Stunden auf dieser Temperatur gehalten. Nach der Abkühlung wurden
die eben genannten Daten noch ein drittes Mal ermittelt. Außer diesen Daten ergab
sich nach der Wiedererhitzung auf etwa 1100° C und nach der Wiedererhitzung auf
etwa 1400° C eine lineare Größenveränderung, die auch in der folgenden Tabelle wiedergegeben
wird:
Betrachtet man die obigen Daten, so zeigt sich, daß die wärmebeständigen Isolierstoflkompositionen
der Erfindung außergewöhnliche Eigenschaften aufweisen. Die Steine können sehr hohen
Temperaturen widerstehen und besitzen trotzdem eine niedrige Dichte, die im äußersten
Fall 740 bis 1000 g/1 beträgt. Wie bekannt, muß die Kaltdruckfestigkeit mindestens
14 g/cm2 betragen, um eine einfache Handhabung der Stücke nach der Trocknung zu
gewährleisten. Wie oben gezeigt, besitzen die IsoherstofE-körper eine Druckfestigkeit
von mindestens 14 g/cm2, und einzelne Proben überschreiten diesen Wert beträchtlich.
Auch die Volumenbeständigkeit der Steine zeigt sich in den obigen Daten, die erkennen
lassen, daß die Erzeugnisse gemäß der Erfindung ohne Gefahr des Krummwerdens verwendet
werden können.
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Bei der Herstellung der Probestücke für die obigen Versuchsreihen
zeigte sich, daß jede Mischung gut verarbeitet werden kann, sich leicht formen und
gießen läßt und demzufolge nach üblichen Methoden verarbeitet werden kann. Die Kompositionen
hatten weiterhin ausgezeichnete Härteeigenschaften und härteten über Nacht in zufriedenstellendem
Maße aus. Darüber hinaus zeigte sich bei den mit diesen Erzeugnissen durchgeführten
Versuchen, daß zur Zerstörung der Isolierwirkung, z. B. durch Erweichen der Körper,
sehr hohe Temperaturen erforderlich waren. Auf Grund dieser Eigenschaft kann die
Gesamtdicke einer Ofenwand herabgesetzt werden, wenn eine erfindungsgemäße Isolation
als innere Auflageschicht verwendet wird.
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Im allgemeinen besteht ein steiler Temperaturgradient zwischen der
heißen Innenseite und der Außenseite der Ofenwand. Die Außenseite muß kühl genug
sein, um den Arbeitern zu ermöglichen, sich dem Ofen zur Ausführung ihrer Tätigkeit
zu nähern. Dadurch, daß der erfindungsgemäße Werkstoff bessere isolierende Eigenschaften
hat als die bekannten hitzebeständigen Materialien mit hoher Dichte, kann bei dessen
Verwendung zur Erzielung der Isolation eine vergleichsweise dünne Schicht aufgebracht
werden. Dadurch benötigt man für eine Ofenauskleidung wesentlich weniger als von
dem dichten und teuren Werkstoff. Darüber hinaus hat sich gezeigt, daß der erfindungsgemäße
Werkstoff eine bessere Temperaturwechselbeständigkeit besitzt als das bekannte vermikulithaltige
Isoliermaterial, was besonders vorteilhaft ist bei Verwendung für Ofenauskleidungen
in solchen Öfen, die periodisch an- bzw. abgeschaltet werden und in denen demzufolge
das Material stets wechselnden Temperaturbedingungen ausgesetzt ist, was bei bekannten
Isoliermaterialien zu Spannungen im Material und schließlich zum Abblättern der
Auskleidung führt. Der erfindungsgemäße Werkstoff ist gegenüber solchen Einflüssen
außerordentlich beständig.
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Falls es erwünscht ist, können sonstige Stoffe der erfindungsgemäßen
Mischung in kleinen Mengen zugesetzt werden, wenn auf die Dichte, die Druckfestigkeit,
die
Warmfestigkeit od. dgl. in dem sich hieraus ergebenden Umfang verzichtet werden
kann. Weiter sei noch darauf hingewiesen, daß die Erfindung nicht in ihrer Anwendung
auf die Bildung von Isolierkörpern beschränkt ist. Der erfindungsgemäße Werkstoff
kann gleichermaßen durch Formen, Gießen, Spachteln und ähnliche bekannte Verfahren
verarbeitet werden.