NO170211B - Fremgangsmaate for fremstilling av ildfaste kaolinfibre med lav krympning - Google Patents

Description

Oppfinnelsens område

Oppfinnelsen angår området ildfaste fibre. Oppfinnelsen angår mer spesielt fremstilling av ildfaste fibre som oppviser lav krympning ved utsettelse for høy temperatur. Oppfinnelsen angår enda mer spesielt fremstilling av fibre som inneholder aluminiumoxyd og siliciumdioxyd. Som en ytter-ligere karakterisering angår oppfinnelsen fremstilling av en fiber som fortrinnsvis innbefatter kaolinleire som utgangs-materiale for aluminiumoxyd og siliciumdioxyd, hvortil zirkon tilsettes.

Oppfinnelsens bakgrunn

Som her anvendt er ildfaste fibre definert som uorganiske, amorfe eller krystallinske fibre som ikke på-virkes uheldig av temperaturer over 816°C. En typisk ildfast fiber er en glassaktig fiber som er blitt smeltet fra like mengder av rene oxyder av A^O^ og Si02- Smeiten blir fibrert ved hjelp av metoder som er velkjente innen teknikken. Denne typiske fiber oppvarmes ved 1260-1316°C

og oppviser krympning av 3-4% ved 24 timers eksponering ved disse temperaturer.

En annen gruppe av fibre fremstilles ved å smelte kaolinleire. En god omtale av slike fibre finnes i Inorganic Fibers, av C.Z. Carroll-Porczynski, publisert i

1958 av Academic Press Publishers i New York. På sidene 162-164 i denne referanse er en Kaowool<®->fiber beskrevet ved at den er markedsført av Babcook and Wilcox. På grunn av forurensninger i det anvendte kaolin av kommersiell kvalitet oppviser denne fiber en lineær krympning av 5-8%

ved 1260-1316°C- Dessuten inneholder kaolinfibre i alminnelighet en høy prosent av kuler som er ufibrert materiale. Kuler kan uheldig påvirke den ildfaste fibers varmeisolasjonsegenskaper. Den største fordel ved kaolinbaserte fibre er at prisen på kaolin er meget lav sammenlignet med de rene oxyder som anvendes for smelting av fiberen omtalt nedenfor.

Det er blitt beskrevet at tilsetning av zirkoniumdioxyd til rene oxyder av aluminiumoxyd og siliciumdioxyd vil forbedre smeltehastigheten og fibreringen av ildfaste fibre. US patent nr. 2873197 som ble meddelt J.C. McMullen 10. februar 1959 inneholder en slik beskrivelse. Selv om tilsetningen av zirkoniumdioxyd forbedrer fiberut-byttene og prosessen, tillater den ikke fremstilling av fibre like lett som kaolinbaserte fibre.

En tidligere søknad som de foreliggende oppfinnere var oppmerksomme på, beskriver en fiber fremstilt ved smelting av rene oxyder av A1203, Si02 og ZrQ^. På samme måte som med fibrene beskrevet i McMullen smelter disse fibre hurtigere enn rene aluminiumoxyd-siliciumdioxydfibre. Patentsøkerne beskriver imidlertid der at uventet lav lineær krympning ble funnet for fibre smeltet innen meget snevre kombinasjons-prosenter av rent aluminiumoxyd-siliciumdioxyd-zirkoniumdioxyd. Innen et annet område viste det seg at tilsetningen av zirkoniumdioxyd bibragte fibrene syre- og alkalimot-

stand. Ulempen ved fibre fremstilt fra de beskrevne_rene oxyder er at fiberen er laget av et trekomponentsystem under anvendelse av kostbare oxyder istedenfor et tokomponentsystem anvendt for fremstilling av aluminiumoxyd-siliciumdioxydfibre.

Oppsummering av oppfinnelsen

Den foreliggende oppfinnelse angår en fremgangsmåte

for fremstilling av ildfaste glassfibre, som har en krympning under 6% når den utsettes for en temperatur av 1316°C i 4 timer, omfattende de trinn at en blanding av komponenter smeltes for å danne en sammensetning som omfatter 44,4-52,0 vekt% silika, 26,4-42,2 vekt% alumina og 3,0-27,0 vekt% zirkoniumdioxyd, og smeiten fibreres, og fremgangsmåten er særpreget ved at smeiten fremstilles fra to komponenter som omfatter- 59-96 vekt% av en leire valgt fra gruppen av 1:1 dioktaedriske fyllosilikater med sammensetningen Al2Si20j-(OH) ^, og 4-41 vekt zirkon.

Fortrinnsvis anvendes kaolinleire som leiren.

Beskrivelse av den foretrukne utførelsesform

For å bedømme kaolin-zirkoniumdioxydfibre ble en rekke

av disse fibre fremstilt ut fra varierende prosenter av kaolin og zirkon. Ønskede sammensetningsmessige oppskrifter ble identifisert, og komponentene ble tilsatt i de ønskede forholdsvise mengder til et forskningssmelteapparat med en diameter på 0,91 m og en dybde på 48,3 cm. Blandingene ble

smeltet elektrisk, og smeltestrømmen kom ut gjennom en åpning og støtte mot et par med roterende spinneinnretninger. Dette gir fibre som generelt har en diameter av 2-7^um, en lengde av fra 1,27 til 25,4 cm (gjennomsnittlig 5,08-7,62 cm) og med et varierende kuleinnhold (som regel 35-45%). Fibrene ble oppsamlet og analysert for å fastslå sammensetning, og prøver av disse forskjellige fibre ble laget og ut-satt for krympningsprøvning. For fremstilling av disse fibre ble en kaolinleire med den følgende kjemiske sammensetning i vekt% anvendt:

Kaolinleire er medlem av den gruppe av naturlig fore-kommende i det vesentlige alkalifrie (under 0,5%) leirer som er kjennetegnet som 1:1 dioktaedriske fyllosilikater med den generelle sammensetning Al2Si20^(OH)^. Andre med-lemmer av denne gruppe av leirer er dickitt, nacritt og halloysitt. Selv om hvilke som helst av disse leirer kan erstatte kaolin, gjorde kaolins tilgjengelighet og lavere pris den til den foretrukne komponent.

Som angitt ovenfor foretrekkes en kaolin-zirkonbland-ing for fremstilling av fibre i henhold til oppfinnelsens lære. Fordi det er et 2-komponentsystem istedenfor et 3-komponentsystem som rent oxyd av siliciumdioxyd, aluminiumoxyd og zirkoniumdioxyd, krever et kaolin-zirkonsystem mindre utstyr og mindre måling for å regulere blandings-prosentene. Som angitt ovenfor er kaolin, selv om kombina-sjonen av hvilke som helst av de ovenstående leirer med zircon oppnår denne fordel, mest foretrukket på grunn av dets lavere pris.

Mengden av komponenter tapt ved gløding (LOI) var

0,09%, Den første fiber (A) ble fremstilt under anvendelse bare av det ovenfor beskrevne kaolin. Påfølgende fibre ble fremstilt under anvendelse av varierende mengder av zircon, som vist nedenfor i Tabell 2.

Som et resultat av disse blandinger ble fibre fremstilt med de følgende prosenter av siliciumdioxyd, aluminiumoxyd og zirkoniumdioxyd-:

Glødetapet (LOI) for alle prøver ble utført ved 1000°C. De mindre bestanddeler i prøven A ble bestemt på en ICP. Hovedforbindelsene i prøven A innbefattende Zr02 ble utført på et XRF-spektrometer. De tre hovedbestanddeler i de øvrige ni prøver ble bestemt under anvendelse av XRF-spektrometeret. Alt XRF-arbeide ble utført på en 1:10 prøve til lithiumtetraboratsmelter. For å beregne de høyere konsentrasjoner -av Zr02 ble en serie av syntetiske standarder fremstilt under anvendelse av BSC 388 (zirkonsand), NBS 77 (ildfast materiale) og rent Si02. Disse standarder ble også fremstilt som smelter. De beregnede verdier for de tre hovedkomponenter er oppført nedenfor.

XRF-intensitetene og de beregnede konsentrasjoner ble anvendt for å komme frem til en minstekvadratregresjon for hver komponent. Denne regresjon ble derefter anvendt for å bestemme konsentrasjonene av Si<0>2, A12°3 og Zr02 ^ PrØvene B til J inklusive. Komponenten som viste den største mengde av relativ feil, var Zr02. Feilverdien for Zr02 er + eller - 1,2%.

Straks fibrene var blitt fremstilt, ble en sammen-ligningsprøvning foretatt for å bestemme lineær krympning for hver prøvefiber A-H. Fibre I og J ble ikke prøvet da de fremstilte fibre ble betraktet som ikke å ha tilstrekkelig interesse fordi det var vanskelig å fibrere disse prøve-smelter. Forsøksfibrene ble fremstilt ved nåling og avspenning av matte fra fiberkjøringen til et 10 mm tykt teppe. For fremstilling av matten ble en fiberporsjon sammenpresset mellom to murstener og oppvarmet til 650°C i ca. 20 minutter. Dette ga et avspent mattestykke hvorfra krympnings-prøver kunne avskjæres. I alle tilfeller oppviste de nålede, avspente tepper god strekkfasthet efter nåling og avspenning.

For å prøve sammenlignbar lineær krympning ble fibre A-H, en ren oxydfiber og tre kommersielt tilgjengelige kaolinfibre - Kaowool 2300, Cer-Wbol 2300 og Durablanket prøvet. Én prøve av hvert materiale ble vilkårlig anbragt i en forskningsovn og brent i 4, 24 og 48 timer. Denne prosess ble gjentatt ved den samme temperatur med et annet sett med prøver fra hvert materiale igjen vilkårl-ig anbragt i ovnen ved denne temperatur. Dataene for lineær- krympning som er presentert i Tabell 4, representerer gjennomsnitts-verdien for de to prøvninger av hvert materiale ved hver temperatur.

Krympningsdataene fra Tabell 4 antyder at materialet

E og F oppviser de beste samlede krympningsresultater sammenlignet med hvilke som helst av forsøksfibrene >på de kommersielt tilgjengelige fibre. Generelt betraktes krympning på under 5% som utmerket, mens krympning på 5-8% betraktes som moderat og 8% som marginalt akseptabel. Krympning på over 8% betraktes som uakseptabel. Samtlige av de kommersielt tilgjengelige kaolinfibre er således moderat akseptable ved 1260°C bg 1316°C, men uakseptable ved 1371°C. Fibre C-G var innen den utmerkede kategori ved 1316°C.

Fibre E og F var innen den utmerkede kategori ved 1371°C, mens fibre E og D var innen det akseptable område ved 1371°C. Endelig oppførte fiberen F seg langt bedre enn en hvilken som helst tilgjengelig kaolinfiber eller annen forsøksfiber selv ved 1427°C. Bare den rene oxydfiber oppførte seg bedre ved 1427°C. Disse resultater viser at en kaolinfiber med opp til 28% zirkoniumdioxyd utkonkurrerer vanlige kaolinfibre. På grunn av at kaolinfibrene er lettere å fibrere og mindre kostbare enn rene oxydfibre er tilsetningen av zirkon til kaolin for å redusere krympning ved forhøyede temperaturer en ny måte å tilveiebringe en rimelig kaolinbasert fiber med lav krympning på.

Claims (2)

1. Fremgangsmåte for fremstilling av ildfaste glassfibre, som har en krympning under 6% når den utsettes for en temperatur av 1316°C i 4 timer, omfattende de trinn at en blanding av komponenter smeltes for å danne en sammensetning som omfatter 44,4-52,0 vekt% silika, 26,4-42,2 vekt% alumina og 3,0-27,0 vekt% zirkoniumdioxyd, og smeiten fibreres, karakterisert ved at smeiten fremstilles fra to komponenter som omfatter 59-96 vekt% av en leire valgt fra gruppen av 1:1 dioktaedriske fyllosilikater med sammensetningen Al2Si205( OE)4, og 4-41 vekt% zirkon.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at det som leire anvendes kaolinleire.