DE3621021A1

DE3621021A1 - Abriebbestaendige feuerfestmischung

Info

Publication number: DE3621021A1
Application number: DE19863621021
Authority: DE
Inventors: Thomas R Kleeb
Original assignee: Dresser Industries Inc
Current assignee: Dresser Industries Inc
Priority date: 1985-06-24
Filing date: 1986-06-20
Publication date: 1987-01-02
Also published as: JPH0317790B2; BR8602887A; GB8615260D0; GB2176773B; GB2176773A; AU584213B2; CA1247151A; AU5889986A; JPS61295277A

Description

Die Erfindung betrifft eine feuerfeste Mischung, die sich durch eine hohe Abriebbeständigkeit auszeichnet und insbesondere eine Mischung, die als Gießmasse benutzt werden kann.

Feuerfeste Gießmassen sind hydraulisch abbindende Mischungen. Sie enthalten granulare feuerfeste Bestandteile und chemische Binder.

Die feuerfesten Gießmassen werden in trockener Form versandt und nachdem sie mit Wasser auf die richtige Konsistenz gebracht worden sind, können sie wie Beton vergossen, gestampft oder gerammt werden bzw. mit der Kelle oder mit einer Luftdruckkanone eingebracht werden.

Feuerfeste Gießmassen nehmen eine starke hydraulische Bindung bei Raumtemperatur an und behalten die gute Festigkeit bis die keramische Bindung sich bei steigenden Temperaturen einstellt.

Gießmassen sind besonders geeignet für Ofenauskleidungen mit unregelmäßiger Kontur, für Flickarbeiten und zum Gießen spezieller Formkörper, die schnell benötigt werden.

Eine Vielzahl von Gießmassenmischungen sind bekannt, wobei jeder der bekannten Mischungen unterschiedliche Eigenschaften besitzt und jeweils für unterschiedliche Anwendungen geeignet ist.

Eine dieser Anwendungen von derartigen feuerfesten Gießmassen ist die Auskleidung von Überführungselementen in katalytischen Flüssigkeits-Spaltanlagen in der Petrochemie.

In diesen Anlagen werden hoch abrasive Katalysatoren mit hohen Geschwindigkeiten gefördert, die in der katalytischen Spaltanlage extrem hohen Erosionspotentiale schaffen. In diesen Anlagen werden abriebfeste Auskleidungen benutzt aus phosphatgebundenen Feuerfeststoffen, die eine sehr intensive Verankerung und eine manuelle Einbringung erfordern.

Um die Kosten derartiger phosphatgebundener Feuerfeststoffe zu senken, wurden in der Industrie Gießmassen benutzt, die Zusätze von rostfreien Stahlfasern enthalten, die eine geringere Verankerung an dem Metallmantel benötigen und die relativ schnell vergossen werden können. Obwohl hierdurch die Zeit- und Kostenaufwendungen verringert werden konnten, ist eine verbesserte Abriebfestigkeit gewünscht.

Abriebbeständige Auskleidungen in petrochemischen Kesseln sind chemisch gebundene oder Zement gebundene feuerfeste Mischungen. Die Abriebfestigkeit wird grundsätzlich durch Verwendung eines festen, dichten feuerfesten Kornes, wie bspw. gebranntem Schamotte und durch eine starke Bindung von Aluminiumorthophosphat oder Kalziumaluminatzement erreicht.

Im Fall von Zement wird die abriebfeste Bindung durch eine große Zementmenge oder eine Kombination von Siliziumdioxid, Zement in einer Menge von weniger als 10 Prozent und einem oberflächenaktiven Zusatz, der einen Fluß von niedrigen Wassergehalten erreicht. Eine verbesserte Dichte, die durch Gießen mit niedrigen Wassergehalten erreicht wird, erübrigt sich eine hoch abriebfeste Bindung mit niedrigem Zementgehalt.

Um eine weiter verbesserte Wirtschaftlichkeit bei der Einbringung zu versuchen, wurden von den Anlagenbetreibern größere Transportleistungen angewandt, die den Zusammenbau von vielen kleinen Einbauten eliminierten. Die verwendeten feuerfesten Gießmassen für Überführungsleitungen wurden mit relativ schnell abbindenden Zementen hergestellt und blieben damit nicht für eine ausreichende Zeit für diese Anwendungen fließfähig. Daher wurden klassierte Zemente zur Verlängerung der Verarbeitungszeit zugesetzt. Diese Produkte bewirkten die gewünschte Fließfähigkeit und Verarbeitungszeit, aber die Festigkeit und die Abriebfestigkeit wurden oft niedriger als vergleichbare Mischungen, die regulären Kalziumaluminatzement enthielten.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer feuerfesten Mischung, die sich durch eine gute Fließfähigkeit und eine relativ lange Verarbeitbarkeitszeit auszeichnet mit verbesserter Dichte, Festigkeit und Abriebbeständigkeit.

Erreicht wird dies durch eine feuerfeste Mischung, die 0,5-5 Gew.-% verdampfte Kieselsäure, 3,0-15,0 Gew.-% Tonerde mit einer Korngröße kleiner als 0,2 mm, 10-40 Gew.-% Kalziumaluminatzement und als Rest feuerfeste Bestandteile wie Kieselsäure, Tonerde oder Schamotte enthält.

Die Verwendung von feuerfesten Gießmischungen in hoch abrasiven Einrichtungen erfordern Gießmassen mit ausgezeichneten abriebbeständigen Eigenschaften.

Wenn sie darüber hinaus in Leitungen mit relativ großen Abschnitten verwendet werden, wie in Überführungsleitungen in katalytischen Flüssigkeits-Spaltanlagen, dann sollten diese Gießmassen eine gute Fließfähigkeit und eine relativ große Verarbeitbarkeit aufweisen, so daß diese Massen eingebracht werden können.

Eine erste Serie von Mischungen wurde entsprechend Tabelle I vorbereitet. Bei der Beschreibung der verschiedenen Mischungen sind alle Prozentangaben auf Gewichtsbasis erwähnt, es sei denn, es ist etwas anderes angegeben worden.

Diese Mischungen zeigen die Wirkung des Anstieges an gemäß Tonderdeplatten von 0-15% in einer Schamotte-Gießmasse.

Es kann beobachtet werden, daß die Dichte, die Festigkeit und die Abriebbeständigkeit mit steigendem Tonerdegehalt verbessert werden. Die Abriebfestigkeit verbesserte sich von 8,4 cm³ Verlust in der Mischung mit 0% Tonerde auf 7,0 cm³ Verlust in einer Mischung, die 15% Tonerde enthielt. Diese Verbesserung ist beachtlich für ein Feuerfestprodukt, daß vor dem Tonerdezusatz bereits gute Abriebbeständigkeit besaß.

Feine synthetische Tonerde wird in der Feuerfestindustrie üblicherweise dazu benutzt, die Hitzebeständigkeit der Bindung im Feuerfestprodukt zu verbessern und dann als feines Material für eine richtige Korngrößenverteilung in Feuerfestprodukten zu sorgen.

Tabelle I

Mischungen mit A-17 reaktive Tonerde ohne verdampfte Kieselsäure

Es wurde eine zweite Mischungsreihe hergestellt, um die Wirkung des Zusatzes von 0-5% verdampfter Kieselsäure auf dieselbe abriebbeständige gießfähige Schamotte zu bestimmen.

Zusätze von verdampfter Kieselsäure in der Größenordnung von 0,5 bis 2% führen zu einer verbesserten Dichte, Festigkeit und Abriebbeständigkeit.

Bei 3 bis 5% wird die Mischung klebrig und fließt nicht so gut wie vorher.

Die Dichte und die Festigkeit werden erhöht, aber die Verbesserung der Abriebbeständigkeit bleibt.

Verdampfte Kieselsäure ist ein submikrones, amorphes bi-Produkt der Ferrosilikon Produktion und es ist bekannt als feuerfestes Rohmaterial.

Es wird hauptsächlich als ultrafeines Teilchen benutzt, sowie als reaktive Kieselsäure und Zusatz zur Verbesserung der Fließeigenschaften.

Wie die Tabelle II zeigt, können nur geringe Mengen in Zement enthaltenden Mischungen verwendet werden, oder aber die Fließeigenschaften werden gegenteilig beeinflußt.

Tabelle II

Mischungen, die verdampfte Kieselsäure ohne feine Tonerde enthalten

Es wurde eine dritte Mischungsreihe hergestellt, um die Wirkung des Zusatzes von verdampfter Kieselsäure zu gießbarer Schamotte, die feine Tonerde enthielt, zu untersuchen.

Wenn die Tonerde durch bis zu 2% Kieselsäure ersetzt wird, dann wird die Dichte, Festigkeit und die Abriebbeständigkeit verbessert.

Bei Kieselsäuregehalten von 3% wird die Mischung klebrig und die Fließfähigkeit vermindert. Die Abriebbeständigkeit bleibt jedoch.

Die Mischung P hat hervorragende Abriebbeständigkeit, aber die Mischung N ist vorzuziehen, weil sie überragende Fließeigenschaften hat; eine notwendige Eigenschaft, wenn die Mischung als gießbares Feuerfestprodukt für relativ große Anwendungen benutzt wird. Der synergistische Effekt bei Verwendung von verdampfter Kieselsäure und feiner Tonerde zusammen sollte aber berücksichtigt werden.

Die Abriebbeständigkeit der Mischungen N und P ist hervorragend bezogen auf die Mischungen in den Tabellen I und II, wobei jes Material getrennt benutzt wurde.

Tabelle III

Entwicklung des Tonerde/Kieselsäure Verhältnisses, wenn feine Tonerde und verdampfte Kieselsäure 10%

Es wurde eine vierte Mischungsreihe hergestellt, wobei jede der Mischungen entsprechend der Lehre der Erfindung zusammengesetzt war. Jede Mischung enthielt 2% verdampfte Kieselsäure und 8% feine Tonerde dreier verschiedener Typen. Alle vier Mischungen besaßen hohe Kaltdruckfestigkeit und Abriebfestigkeit. Die reaktive A-17 und A-17 Tonerde bestand im wesentlichen aus feinem, gesinterten Korundkristall (α-Tonerde). Die große Oberfläche und die kleine Kristallgröße machen sie thermisch reaktiv, d.h. sie reagieren oder sintern mit anderen Verbindungen bei relativ niedrigen Temperaturen.

T-61, eine taflige Tonerde, besteht im wesentlichen aus 100% Korundkristallen, aber dieses Material wurde bei hoher Temperatur gebrannt, so daß tafelähnliche, nicht reaktive Kristalle entstanden. A-2 gebrannter Tonerde enthält um 90% Korundkristalle und 10% Tonerde- Kristalle (Na₂O·llAl₂O₃). Die thermische Reaktivität der A-2 gebrannten Tonerde liegt zwischen der tafelartigen Tonerde und reaktiver Tonerde. Die Tabelle VIII zeigt die verschiedenen Eigenschaften dieser Tonerden.

Tabelle IV

Tonerde Entwicklung

Drei weitere Mischungen wurden entsprechend der Lehre der Erfindung mit 1% verdampfter Kieselsäure und 9% feiner Tonerde hergestellt. Die Mischung T basiert auf einem gebrannten Schamotte Korn.

Diese Art Mischung wurde benötigt, dort wo gute Abriebfestigkeiten erreicht werden sollen. Die Mischung U basiert auf einem glasigen Kieselsäure Korn, und diese Mischung würde benutzt werden, wenn eine Kombination von guter Abriebfestigkeit und niedriger Wärmeleitfähigkeit gewünscht ist.

Die Mischung V basiert auf grober, tafelförmiger Tonerde und stelle eine absolute Festigkeit und Abriebbeständigkeit dar.

Da tafelförmige Tonerde mehr als zehnmal so teuer ist wie gebrannte Schamotte, sind die angestiegenen Kosten nicht gerechtfertigt durch die bescheidenen Eigenschaftsverbesserungen.

Die drei Mischungen sollen den Typ vom Basiskorn darstellen, der benutzt werden kann von 100% Kieselsäure zu einer Schamotte mit ca. 50% Kieselsäure und 45% Tonerde zu 100% Tonerde. Es gibt eine Variation von Tonerdekorn mit einem Tonerdegehalt zwischen Schamotte und tafelförmiger Tonerde, wie gebranntem bauxidischem Kaolin, gebranntem Bauxid, Kyanit und Andalusit, der erfindungsgemäß ebenfalls gut arbeitet. Zusätzlich sind nicht aluminiumhaltige Silikate, wie Siliziumkarbid, Siliziumnitrid oder saure Aggregate befriedigend.

Tabelle V

Basiskornentwicklung

Die nächste Serie sollte die Wirkung von Veränderungen des Zementgehaltes zeigen.

Wie ersichtlich verbessert ein Anstieg des Zementes von 10 auf 40% generell die Kaltdruckfestigkeit und Abriebbeständigkeit (Tabelle VI).

Tabelle VI

Entwicklung des Zementgehaltes

Die letzte Serie der Mischungen zeigt die oberen und unteren Grenzwerte für verdampfte Kieselsäure und feine Tonerde auf und gibt auch die vorzugsweise Mischung wieder, die gewählt wurde aufgrund der guten Kombination von Fließeigenschaften und physikalischen Eigenschaften.

Tabelle VII

Feine Tonerde und verdampfte Kieselsäure - Bereiche mit bevorzugten Mischungen

Tabelle VIII

Die Zusammensetzung gemäß der vorliegenden Erfindung ergibt ein gießfähiges Feuerfestprodukt, das bei Anwendungen benutzt werden kann, die hohe Abriebfestigkeit oder -beständigkeit erfordern, gute Fließeigenschaften und eine lange Verarbeitbarkeit. Diese Eigenschaften werden für die Auskleidung von Überführungsleitungen in katalytischen Flüssigkeitsspaltanlagen benötigt.

Während nur gebrannter Ton zur Bildung des feuerfesten Aggregates bei jeder Mischung verwendet wurde, lassen sich auch andere feuerfeste Stoffe, wie Kieselsäure und Tonerde sowie andere saure Aggregate benutzen.

Claims

1. Feuerfeste Zusammensetzung, gekennzeichnet durch 0,5 bis 5 Gew.% verdampfte Kieselsäure, 3,0 bis 15 Gew.% Tonerde kleiner 0,2 mm, 10 bis 40 Gew.% Kalziumaluminatzement und als Rest feuerfeste Aggregate.

2. Zusammensetzung nach Anspruch 1 mit einem Zusatz von Wasser zur Verwendung der Mischung als gießfähiges Feuerfestprodukt mit relativ hoher Abriebfestigkeit.

3. Zusammensetzung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das feuerfeste Aggregat ausgewählt ist aus Kieselsäure, Tonerde und Schamotte.

4. Zusammensetzung in Verbindung mit Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das feuerfeste Aggregat 4,5 bis 12 Gew.-% gebrannten Ton kleiner als 0,2 mm enthält.

5. Zusammensetzung in Verbindung mit Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Tonerdegehalt kleiner als 0,2 mm im wesentlichen 8 Gew.-% beträgt.

6. Zusammensetzung in Verbindung mit Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Gehalt an verdampfter Kieselsäure im wesentlichen 2 Gew.-% beträgt.

7. Zusammensetzung in Verbindung mit Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Gehalt an Tonerde kleiner 0,2 mm im wesentlichen 8 Gew.-% beträgt.

8. Zusammensetzung in Verbindung mit Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Gehalt an verdampfter Kieselsäure im wesentlichen 2 Gew.-% beträgt.