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Gegenstand und Zusammensetzung einer feuerfesten Faserisolierung
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Die Erfindung betrifft eine feuerfeste Faserisolierzusammensetzung,
die besonders zur Verwendung als Behälter für geschmolzene Metalle und für andere
starke und hitzebeständige Materialien erfordernde Anwendungen geeignet ist.
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In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird die feuerfeste
Faserzusammensetzung in einem Steigrohr zur Verwendung beim Gießen geschmolzener
Metalle, insbesondere Eisenmetalle mit hohem Schmelzpunkt benutzt.
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eeim Gießen von geschmolzenem Metall ist es üblich, einen mit einem
Formenhohlraum in Verbindung stehenden Steiger oder Behälter vorzusehen. Wenn das
Metall innerhalb des Formenhohlraums sich abkühlt, zieht es sich zusammen und der
Steiger dient als eine zusätzliche Schmelzzuführung, um den richtigen Mengenanteil
von Metall innerhalb des Formenhohlraumes aufrecht zu erhalten. Da sich der Steiger
beim Kühlvorgang selbst verfestigt, müssen Mittel vorgesehen werden, die das Metall
im Steiger so lange als möglich geschmolzen halten, um zu gewährleisten, daß der
Steiger seiner Funktion als Behälter zur Metallschmelzen-Zuiührung gerecht wird.
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Um dies zu erreichen, ist es üblich, die Innenfläche eines Steigerloches
entweder mit einem Isoliermaterial oder einem exothermischen Material auszulegen.
Diese Einlagen sind im allgemeinen auf Steigrohre oder verlorene Köpfe bezogen.
Eine Isolierart des Steigrohres bewirkt eine Zurückhaltung der Wärme der Metallschmelze
im Steiger und verzögert auf diese Weise die Abkühlung und Erstarrung des Metalls.
Ein exothermer Steigrohrtyp enthält Material, das bei Berührung mit der Metallschmelze
brennt und somit eine exsthernie Wärmequelle darstellt und das Metall in geschmolzenem
Zustand hält. Ein Nachteil des exothermen Steigrohres sind die im allgemeinen durch
die Verbrennung hervorgerufenen schädlichen Abgase (beispielsweise Eisenoxide).
Die mit der Zusammensetzung der vorliegenden Erfindung hergestellten Steigrohre
gehören
zu den Isoliertypen und vermeiden das Umweltproblem der Abgasemission.
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Die für geschmolzene Eisenmetalle verwendeten Steigrohre müssen größeren
Temperaturen und Thermoschockbeanspruchungen widerstehen können, als die für das
Gießen von Nichteisen-Metallen verwendeten, da die Schmelzpunkte der Eisenmetalle
im allgemeinen beträchtlich höher sind als die Schmelzpunkte vieler üblicher Nichteisen-Metalle
wie z. B. Aluminium, Kupfer, Blei, Zink und ähnliche) wie auch höher als die verschiedener
Ublicher Legierungen wie z. B. Bronze und Messing.
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Der hierin benutzte Ausdruck "Eisenmetalle" bezieht sich auf Metalle
die überwiegend aus Eisen, Nickel, Chrom und entsprechendenElementenbestehen, wie
z. B.
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die verschiedenen Gußeisen und Stähle. Die Erfindung wird äußerst
vorteilhaft beim Gießen von Stahl und Stahl legierungen verwendet.
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Da das Gießen von Metallschmelze alt und hoch entwickelt ist, gibt
es eine große Anzahl von Patenten, die Isolierzusammensetzungen bei Steigrohren,
deren Aufbauten und Herstellungsmethoden betreffen. Viele dieser feuerfesten Isolierzusammensetzungen
beinhalten feuerfeste Faser. Die mit diesen bekannten feuerfesten Faserzusammensetzungen
gefertigten Gegenstande werden durch Materialien mit einem hohen Schmelzpunkt angegriffen,
wie z. B. Eisenmetalle, und mit der Zeit frißt sich das geschmolzene Material durch
die Wand des Gegenstandes (beispielsweise einem Steigrohr), was eine Verringerung
der thermischen Effektivität bedeutet. Die Verringerung des thermischen Wirkungsgrades
eines Steigrohres bedeutet auch die Verringerung
der Effektivität
als Reservoir einer Materialschmelze von hoher Temperatur, das zur Ergänzung des
Schmelzmaterials in einen Formraum dient. Aus diesem Grund sind die bekannten feuerfesten
Faserisolierzusammensetzugen im allgemeinen ungeeignet für eine Verwendung bei hochschmelzenden
Materialien, insbesondere Eisenmetallen mit einem hohen Schmelzpunkt. -Einige bekannte
feuerfeste Faserisolierungen, die Bindemittelaus Phenolharzen als Bestandteil der
feuerfesten Faserzusammensetzung beinhalten, haben zusätzliche Nachteile. Phenolharze,
wie z. B. Harnstoff-Formaldehyd, brennen wenn sie mit geschmolzenem Material in
Kontakt kommen und erzeugen damit schädliche Abgase. Diese Abgase sind ein ernstes
Umweltproblem, da sie oft giftig sind. Es ist deswegen sehr vorteilhaft, einen organischen
Binder zu verwenden, der keine gesundheitsschädlichen Abgase erzeugt. Aufgabe der
Erfindung ist es, die Nachteile der bekannten feuerfesten Faserisolierzusammensetzungen
zu überwinden, indem eine feuerfeste Faserzusammensetzung geschaffen wird, die größere
thermische Wirkungsgrade aufweist, die sie besonders zur Verwendung bei Metallen
mit hohem Schmelzpunkt und anderen ein starkes Isoliermaterial erfordernde Anwendungen
geeignet macht.
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Dies wird erfindungsgemaß dadurch gelöst, daß eine feuerfeste Faserisolierzusammensetzung
geschaffen wird, die in Gewichtsprozenten aus 30 - 50 % feuerfester Faser, 5 % -45
% anorganischem1Bindemittel, 2 % - 10 % organischem Bindemittel, 5 % - 35 % feuerfester
Füllmasse besteht, dadurch gekennzeichnet, daß darin weiter 1 % -35 % granuliertes
Siliciumcarbid , worin mehr als die Hälfte des feuerfesten Faserbestandteils aus
Aluminium-Silicatfaser besteht, enthalten ist. die Erfindung schafft
weiter
einen formhaltenden, selbststützenden, nachgiebigen und thermisch sowie chemisch
widerstandsfähigen Gegenstand, dadurch gekennzeichnet, daß der Gegenstand die feuerfeste
Faserisolierzusammensetzung nach Maßgabe der vorliegenden Erfindung beinhaltet.
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In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die feuerfeste
Zusammensetzung in Steigrohre für geschmolzenes Eisenmetall geformt oder kann alternativ
die Zusammensetzung als formhaltende Ein lage in einem "nassen" oder halbfesten
Zustand für die Innenfläche eines Steigloches angewendet werden.
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Wie durch die oben angegebenen Gewichtsprozente angedeutet, ist eine
Hauptkomponente der vorliegenden Zusammensetzung die feuerfeste Faser. Diese feuerfesten
Fasern sind anorganische faserige Materialien, die synthetisch gebildet worden sind
im Gegensatz zu natürlichen Mineralfasern wie beispielsweise Asbest. Bei der vorliegenden
erfindungsgemäßen Zusammensetzung ist es erforderlich, daß mehr als die Hälfte des
faserigen Bestandteiles synthetische Aluminium-Silicatfasernsind.
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Dies sind Faser die aus einer Schmelze aus Aluminiumoxid und Siliciumoxid
oder überwiegend aus Aluminiumoxid und Siliciumoxid mit zugesetzten Oxiden wie z.
B. Titandioxid, Zirconiumoxid oder Chromoxid gebildet worden sind. In einer bevorzugten
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die feuerfeste Faserkomponente zur
Gänze aus diesen synthetischen Aluminium-Silicatfasern zusammengesetzt. Aus wirtschaftlichen
Gründen ist es jedoch wünschenswert, einen geringeren Teil anderer feuerfester Fasern
(weniger als die Hälfte) als die überwiegende Aluminium-Silicatfaser einzumischen.
Diese
anderen feuerfesten Fasern setzen sich im allgemeinen aus
Fasern zusammen, die aus Schmelzen oder Zusammensetzungen gebildet wurden, die überwiegend
aus Silicaten aus Calcium, Aluminium und ähnlichen di- oder trivalenten Metalloxiden
bestehen und Materialien wie Steinwolle, Mineräle oder Schlackenwolle und verschiedene
keramische Fasern beinhalten können. Die feuerfeste Faserkomponente der vorliegenden
Zusammensetzung beinhaltet zwischen 30 -50 Gewichtsprozente der Zusammensetzung,
vorzugsweise aber 35 -45 Gewichtsprozente.
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Ein weiterer Bestandteil der vorliegenden Erfindung, der der Zusammensetzung
ihre besonders hervorragenden Wirkungseigenschaften in Gegenwart geschmolzener Eisenmetalle
gibt, ist granuliertes Siliciumcarbid . Neben ihrer Funktion als Füllmasse, ist
das Siliciumcarbid auch für die nichtnässende Eigenschaft der Zusammensetzung und
ihre Undurchlässigkeit gegenüber Strahlungsenergie verantwortlich. Diese zusätzlichen,
der Zusammensetzung inneliegenden Eigenschaften der vorliegenden Erfindung machen
es möglich, einen thermisch hoch effektiven Gegenstand herzustellen, der gegenüber
den bekannten feuerfesten Faserzusammensetzungen wesentlich geringer durch Metallschmelze
angegriffen wird. Die vergrößerte Undurchlässigkeit an Strahlungsenergie halt die
Temperatur des Gegenstandes (beispielsweise Steigrohr) geringer, was die Anfälligkeit
gegen Metallschmelzenangriff verringert. Die nichtnässende Eigenschaft reduziert
ebenfalls die Warscheinlichkeit verringerter thermischer Wirksamkeit aufgrund des
Metallangriffes der Isolierung, da die Siliciumcarbidkomponente der vorliegenden
Erfindung die Neigung der Eisenmetallschmelze vermindert, den Gegenstand mit Schmelze
zu durchtränken, beispielsweise das Innere eines Steigrohres.
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Der Siliciumcarbidbestandteil besteht aus zermahlenen SiC-Teilchen
(Siliciumcarbid), die durch Raktion von Silicium und Kohlenstoff gebildet wurden.
Im Handel verfügbares granuliertes Siliciumcarbid enthält ungefähr 80 % oder mehr
SiC, wobei das restliche Material nicht miteinander reagierter Kohlenstoff und Silicium
ist. Die Korngröße beträgt zumindest - 60 Teilchengröße (mesh) und liegt vorzugsweise
im Bereich von - 60 bis + 325 Teilchengröße (mesh, alle Teilchengrößen sind U.S.
Siebgrößen), insbesondere liegt sie aber im Bereich von - 200 bis+ 325 Teilchengröße.
Das granulierte Siliciumcarbid ist in Beträgen von 1 bis 35 Gewichtsprozent der
Zusammensetzung vorhanden, bevorzugt aber im Bereich von 3 - 15 Gewichtsprozent.
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In der vorliegenden Zusammensetzung wird auch ein anorganisches Bindemittel
verwendet, das irgendeines der vielen anorganischen feuerfesten Bindemittel sein
kann, wie z. B. Ton; Alkalimetall-Silicatbindemittel, wie z.B. Natrium oder Kaliumsilicat,
Borax, Phosphorsäure; und gesonderte Phosphate oder Salze wie z. B.
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Aluminium-Phosphate, colloidaler Glimmer, colloidales Silicimoxid,
colloidales Aluminiumoxid und ähnliches.
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In vielen Beispielen ist es wünschenswert, eine Kombination von zwei
oder mehreren dieser anorganischen Materialien zur Bildung des Bindemittels zu verwenden.
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Das anorganische Bindemittel weist zwischen 5 - 45 Gewichtsprozent
der Zusammensetzung und dabei vorzugsweise 20 - 40 Gewichtsprozeni auf.
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"Grüne Stärke" und eine verbesserte Gebrauchsfähigkeit werden durch
die Zugabe eines organischen Bindemittels geschaffen, wie z. B. Harze, Stärke, Leime,
Dextrin und ähnliches, wobei colloidale Stärke bevorzugt wird.
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Um Umweltprobleme in Form giftiger Abgase zu vermeiden, die bei Verbrennung
des organischen Bindemittels emittieren können, wird das Bindemittel bevorzugt so
ausgesucht, daß keine giftigen Abgase abgegeben werden. Es hat sich gezeigt, daß
der besonders zur Verwendung in der erfindungsgemäßen Zusammensetzung geeignete
Binder Leim ist, der auch keine schädlichen Abgase bei Verbrennung abgibt. Das organische
Bindemittel ist in Beträgen von 2 - 10 Gewichtsprozent der Zusammensetzung vorhanden.
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Eine anorganische feuerfeste Füllmasse ist ebenfalls in der Zusammensetzung
vorhanden, im allgemeinen in Form eines granulierten Materials. Passende Füllmassen
schließen wiederverwendbaren Abfall oder Ausschuß von entweder ungebrauchten oder
gebrauchten Gegenstanden ein, beispielsweise Steigrohre mit der erfindungsgemäßen
Zusammensetzung; gesonderte feuerfeste gemahlene Schamotte; und Teile einer Aluminium-Silicatzusammensetzung,
Cyanid, Mullit, gebrannten Kaolin, Aluminiumoxid und Siliciumoxid. Mischungen dieser
Materialien können ebenfalls verwendet werden. Diese Füllmassen dienen zur Verdichtung
der Zusammensetzung und bedingen bis zu einem gewissen Grad Feuerfestigkeit. Es
ist natürlich erforderlich,daß die Füllmittel selbst genügend feuerfest sind, so
daß sie nicht den gegenteiligen Effekt bei Verwendung als feuerfestes Material bewirken.
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Aus diesem Grund sind viele gewöhnliche Füllmaterialien, sowohl organische
als auch anorganische, ungeeignet für die Verwendung in der erfindungsgemäßen Zusammensetzung,
da sie ungenügende Eigenschaften hinsichtlich ihrer Feuerbestandigkeit aufweisen.
Für den Fachmann ist es offensichtlich, welche Füllmaterialien vorteilhaft in dieser
Zusammensetzung
verwendet werden können.Besonders bevorzugte Füllmassen sind jene Materialien, die
überwiegend aus Aluminiumsilicat bestehen, wie z. B.
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gemahlenes Bauxit, Mullit und Cyanit. Die Füllmassenkomponente der
Zusammensetzung beträgt zwischen 5 -35 Gewichtsprozent der Zusammensetzung, wobei
der bevorzugte Bereich bei 15 - 35 Gewichtsprozent der Zusammensetzung liegt.
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Ein Steigerrohr (oder "Vorrat zurückhaltende Kammer") zur Verwendung
bei Eisenmetallschmelze wird aus der erfindungsgemäßen Zusammensetzung gebildet
und durch gebräuchliche Techniken zur Gestaltung und Integrierung einer Beimengung
von Faser, Bindemittel und besonderem Material in formhaltende Konfigurationen hergestellt.
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Diese Techniken beinhalten die üblichen Vorgänge des Gießens, Formens?
Schmelzens und ähnlichem. In einem bevorzugten Verfahren, welches eine vorteilhafte
Gleichförmigkeit und Konsistenz erzeugt, werden die Materialien in einen Körper
der gewünschten Gestalt durch Filterpressung eines Schlammes vereinigt und verfestigt,
wobei der Schlamm die in einem wässrigen oder ähnlichen suspendiertem Medium gelösten
Komponenten der Zusammensetzung beinhaltet. Ein typischer Steigrohraufbau kann beispielsweise
vorteilhaft durch Vakuum-Filterpressen mit perforierten oder gesiebten und den Aufbau
definierenden Stempeln oder Matrizen erstellt werden. Di festen Komponenten werden
vom verdünnten Schlamm gefiltert und durch Wachstum gebildet, wenn das flüssige
Mittel durch die perforierte Form abgezogen und die festen Bestandteile daraufzvarückgehalten
werden. Wenn die gewünschte Dicke des Festmaterials erzielt worden ist, werden die
Form und die daran befestigten Festkörper vom Mittel entfernt. Der entstehende geformte
Körper wird von der
Form abgezogen und nachfolgend getrocknet.
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Die Zusammensetzung erzeugt dabei sofort nach Abzug von der Pressenform
einen formhaltenden Aufbau, so daß der feuchte Gegenstand vor dem Trocknungsvorgang
handhabbar und formhaltend ist..Formhaltende und handhabbare Gegenstände werden
auch durch Verfahren wie z.B Pfannenguß (pan casting) oder Pressformung von konzentrierterem
Schlamm erzielt, wobei anschließend das Wasser.
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abgeschieden und der gestaltete Gegenstand von der Form abgenommen
wird. In feuchtem Zustand kann die Zusammensetzung in flache Tafeln geformt und
in Plastikbehälter gegeben werden, um den Feuchtigkeitsgehalt zu erhalten (die Zusammensetzung
wird bei diesem Zustand keinem Trocknungsvorgang unterworfen). Die abgedichtete
Packung wird gewöhnlich als 'Feuchtpackung" bezeichnet. Bei Verwendung wird schließlich
die feuchte (aber formhaltige) Zusammensetzung aus der Packung genommen und in die
gewünschte Gestalt geformt. Die Funktion bleibt von diesem Formverfahren unberührt
und die Zusammensetzung findet besonders bei Bildung von Trichterauskleidungen,Gießpfannenauskleidungen
und Auskleidungen von verlorenen Köpfen beim Stahlgießen Verwendung.
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Ein nach Maßgabe der erfindungsgemäßen Zusammensetzung erzeugtes
Steigrohr ist im allgemeinen ein hohles, zylindrisches Rohr mit einer Länge von
ungefähr 30,48 cm und einem Innendurchmesser von ungefähr 2,54 - 60,96 cm.
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Der übliche Gießereibetrieb erfordert oft eine Sammlung von Steigrohren
mit Durchmessern, die im allgemeinen um 1, 27 cm (1/2 inchi zunehmen und zwischen
2,54 und 60,96 cm liegen. Die Wanddicke beträgt gewöhnlich ungefähr o,96 bis 2,
54 cm und ein getrocknetes Steigrohrprodukt hat eine ungefähre Trockendichte von
160,2 - 480,6 kg/m3 (10 - 30.pounds per cubic foot).
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Ein Versuchssteigrohr wurde mit der erfindungsgemäßen Zusammensetzung
gebildet und mit zwei gewöhnlichen im Handel verfügbaren Steigrohren verglichen.
Das Versuchssteigrohr (Wanddicke 1,59 cm) war aus der folgenden Zusammensetzung
gefertigt: (Angaben in Gewichtsprozent) -Aluminium-Silicatfaser (im Handel verfügbar
unter dem Zeichen CERAPIBER, hergestellt von Johns-Manville) 40 % Granuliertes Siliciumcarbid
(im Filtersack gesammelte Granulate, -200 bis +325 Teilchengröße;(im Handel erhältlich
unter dem Zeichen eCarbolon DCF" von Wxolon Corp.) 7 % Anorganisches Bindemittel
(ein Gemisch von 10 Gewichtsteilen colloidalem Siliciumoxid, im Handel erhältlich
unter dem Zeichen "Nalcoag 1115t' von Nalco Chemical Co. mit 18 Gewichtsteilen Ton,
im Handel verfügbar unter dem Zeichent'6-S Clay" von Old Hickory Clay Co.) 28 %
Kationen Leimbindemittel (verfügbar unter dem Zeichen "Supercharg TPG'1 von Stein
Hall Co.) 5X Granulierte Aluminium-Silicat-Füllmasse (zermahlenes Bauxit, im Handel
verfügbar unter "Mulcoa 70" von C.E. Minerals; Korngröße von -200 bis +325 Größe)
20 %
Das Teststeigrohr wurde mit einem im Handel verfügbarren 1,27
cm dicken Isoliersteigrohr A und einem 2,54 cm dicken leicht exothermischen und
ebenfalls im Handel erhältlichen Steigrohr B verglichen. In diesem Beispiel wurde
eine Sandform hergestellt, die aus drei am Boden mit einem Rost versehenen Versuchsformen
mit einer Breite von 30,48 cm, einer Länge von 30,48 cm und einer Tiefe von 12,70
cm bestand.
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Jede Testform wurde äquidistant von jeder anderen angeordnet und mit
einem der drei Speiserrohre versehen. Jedes Rohr hatte einen Innendurchmesser von
20,32 cm und war 30,48 cm hoch. Die Formen und Steiger wurden gleichzeitig vom Boden
her mit geschmolzenem Kohlenstoffstahl bei einer Temperatur von 1657t C(29900F)
gefüllt bis der Stahlspiegel die Spitze der Steigrohre erreichte. 600 g einer Blockkopf-Nachwä.rmmischung
wurden auf die Spitze eines jeden Steigers gegeben. An der Außenfläche eines jeden
Rohres wurden 15,24 cm unterhalb der Oberkante Thermoelemente angeordnet und an
ein Vielfach-Temperaturmessgerät angeschlossen, welches den Temperaturzuwachs anzeigte
und auf diese Weise den Wärmeverlust durch die Steigerwand maß.
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Nach 5 min. erreichte die Außenfläche des im Handel erhältlichen Steigrohres
A ein Maximum von 7270 C.
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Nach 90 min. erreichte die Temperatur des im Handel erhältlichen Steigers
B eine Maximaltemperatur von 0 682 C. Nach 90 min. erreichte die Außenfläche des
Teststeigrohres mit der erfindungsgemäßen Zusammensetzung eine Maximaltemperatur
von 5590C (i1i00F). Dies zeigt deutlich, daß die erfindungsgemäne Zusammensetzung
mehr Wärme zurückhält, so daß der Speiser eine längere
Zeitperiode
geschmolzen bleibt und dadurch der darunter angeordnete Formling wirksamer gespeist
wird.
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Die Sandform wurde 24 Stunden lang gekühlt und die Formlinge und Speiser
dann aus der Form genommen.
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Der>Speiser, der durch das Teststeigrohr umschlossen war, hatte
die glatteste Oberfläche und den geringsten Betrag an Brandstellen in der Nähe des
Formlings, was ein geringeres Einbrechen des Rohres und einen geringeren Angriff
durch die Stahlschmelze aufzeigte. Däs Gitter wurde dann entfernt und jeder Speiser
und Formling der Länge nach geteilt. Die Lunkertiefe des durch das Teststeigrohr
isolierten Speisers war tiefer als die Lunker in den beiden anderen Steigern, die
durch im Handel verfügbare Rohre A und B isoliert waren.
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Der Lunkertiefenwert steht in Wechselbeziehung zum Wärmeverlust und
verdeutlicht die Aussage, daß das Teststeigrohr mit der erfindungsgemäßen Zusammensetzung
effektiver in der Speiserwirkung ist.
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Zusätzlich zur Verwendung bei Steigrohren ist die feuerfeste Faserzusammensetzung
der vorliegenden Erfindung in jeder Gestalt (beispielsweise eben, konisch, halbrund)
gut als Schutzlage oder Schutzbehälter von Metallschmelzen anwendbar. Wie oben angegeben,
bestehen andere Anwendungsmöglichkeiten in Ausfütterungen für durchgehende Gießtrichter,
Gießpfannen, etc.
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Des weiteren ist die Verwendung der erfindungsgemäßen feuerfesten
Faserzusammensetzung nicht auf den Gebrauch bei Metallschmelzen begrenzt. Die erfindungsgemäße
Zusammensetzung ist auch besonders für die Verwendung
geeignet,
bei denen ein hitzebeständiges Material mit ausgezeichneten Festigkeitseigenschaften
erfordert wird, d. h. großer Widerstand gegen Druck, Bruch etc.. Als ein Beispiel
einer Verwendung dieser Art ist die Verwendung einer feuerbeständigen Faserisoliertafel
in einer Fotokoplermaschine.
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-Patentansprüche.