DE2605948C3

DE2605948C3 - Keramischer Formkörper mit hoher Temperaturwechselbeständigkeit

Info

Publication number: DE2605948C3
Application number: DE19762605948
Authority: DE
Inventors: Ludwig 8905 Mering Klopfer; Emil-Karl Dipl.-Chem. Dr.-Ing. Koehler; Hans 3432 Grossalmerode Petschauer
Original assignee: Kwm Keramik-Werk Mering & Co Kg 8905 Mering GmbH; VEREINIGTE GROSSALMERODER THONWERKE 3432 GROSSALMERODE
Current assignee: Vgt Ag 3432 Grossalmerode De Kwm Keramik-Werk Me
Priority date: 1976-02-14
Filing date: 1976-02-14
Publication date: 1978-09-14
Also published as: GB1557615A; NL7701546A; DE2605948A1; DE2605948B2; JPS5298715A; FR2435685A1; FR2435685B1

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf einen keramischen Formkörper mit hoher Temperaturwechselbeständigkeit, aus einer gemischten, geformten, getrockneten und schließlich gebrannten Ausgangsmasse, die als mengenmäßig überwiegenden Rohstoff Quarzgut oder Quarzglas und einen Zuschlagsstoff sowie ein Bindemittel enthalt. Die Erfindung zeigt gleichzeitig ein Verfahren zur Herstellung derartiger Formkörper, insbesondere in der Weitcrbüdung als Brennhilfsmittel mit verbesserter Tempera iu rwechselbeständigkeit.

Das Brennen keramischer Formlinge, wie beispielsweise Geschirr, Fliesen usw., erfolgt in steigendem Maße in Schnelibrandöfen. Bei der außerordentlich kurzen Ofendurchlaufzeit in diesen Schnellbrandöfen von ca. 30 bis 120 Minuten treten Temperaturschockbelastungen auf, die die Lebensdauer bisher gebräuchlicher Brennhilfsmittel stark herabsetzen, so daß diese Brennhilfsmittel beim Brand der keramischen Formlinge nur einige wenige Male benutzt werden können.

Aus der DT-PS 9 05 237 ist ein feuerfester keramischer Formkörper bekannt, bei dessen Herstellung Quarzgut eingesetzt wird. Feuerfeste keramische Formkörper sind aber von Brennhilfsmitteln verschieden. Dieses Brennhilfsmittel kann als keramischer Formkörper angesprochen werden, aber nicht jeder feuerfeste keramische Formkörper ist ein Brennhilfsmittel. Bei einem feuerfesten keramischen Formkörper kommt es im wesentlichen nur auf eine Eigenschaft an, nämlich die hohe Betriebstemperatur auszuhalten, der dieser Formkörper ausgesetzt wird. Gemäß der DTPS 9 05 237 soll der feuerfeste keramische Formkörper entweder überhaupt nicht gebrannt oder aber bei vergleichsweise niedriger Temperatur (etwa 1000⁰C) gebrannt werden. Zu erwarten ist damit ein feuerfester keramischer Formkörper niedriger Festigkeit und ohne jede nennenswerte Heißbiegefestigkeit. Als Zuschlagsstoff und Magerungsmittel wird z. B. Schamotte empfohlen.

Für die Herstellung von säurebeständigen Geräten für den Chemiker, insbesondere für kleine Tiegel, Schalen und Becher wird Quarzglas eingesetzt, welches durch Schmelzfließen in die entsprechende Form gebracht wird. Quarzglas ist ein durchsichtiges klares, erst bei 1720°C schmelzendes Glas der Dichte 2—2,2 g/cm³. Es besitzt einen äußerst geringen Temperaturausdehnungskoeffizienten. Quarzgut ist ein trübes undurchsichtiges Kieselsäureglas mit Verunreinigungen. Es besitzt ebenfalls einen äußerst geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten und eine Dichte von 2—2,2 g/ cm³. Obwohl es seit langem bekannt ist, daß Quarzgut und Quarzglas sehr kleine Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen, ist die Ve. Wendung von Quarzgut allein oder in Verbindung mit keramischen Zuschlagsstoffen für die Herstellung von Brennhilfsmitteln nicht bekannt. Dies liegt in erster Linie daran, daß Quarzgut oder Quarzglas sowie Mischungen daraus mit anderen Zuschlagsstoffen, wobei Quarzgut oder Quarzglas den Hauptanteil stellt, eine relativ niedrige Heißbiege- und Druckfestigkeit aufweisen. Hinzu kommt, insbesondere bei Mischungen, die niedrige mechanische Festigkeit, die anscheinend einen Einsatz als Brennhilfsmittel bislang ausgeschlossen hat. Wesentlich ist weiterhin das in der Fachwelt bestehende Vorurteil, daß Brennhilfsmittel unter Einsatz von Quarzgut oder Quarzglas als Rohstoff nicht zu vernünftigen Ergebnissen führen können, weil durch die bekannte Rekristallisation des Quarzgutes Cristobalit und Tridymit entstehen, bei deren Aufheizung oder Abkühlung hohe reversible Ausdehnungseffekte auftreten, so daß mit diesem Rohstoff hergestellte Brennhilfsmittel von vornherein für schnelle Temperaturwechsel nicht verwendungsfähig erscheinen. Außerdem lassen sich reine Quarzgutplatten mit ausreichender Festigkeit nach Ansicht der Fachwelt nur im Schmelzflußverfahren herstellen; damit ist einer rentablen Fertigung von vornherein der Boden entzogen.

Darüber hinaus ist zahlreicher Stand der Technik bekannt. z.B. aus der DT-PS 5 55 767, der DT-PS 11 17 027 und der DT-PS 9 00 196, die sich sämtlich mit

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der Herstellung von Silikasteinen, also unter Verwendung von Quarzit, befassen. Als Bindemittel wird auch Ton oder Betonit eingesetzt Beim Anmeldungsgegenstand geht es jedoch nicht um die Verwendung von Quarzit, sondern um den Einsatz von Quarzgut und Quarzglas.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen keramischen Formkörper der eingangs beschriebenen Art sowie ein Verfahren zu seiner Herstellung aufzuzeigen, welches auf die Weiterbildung als Brennhilfsmittel gerichtet ist und bei dem eine Eigenschaftskombination aus Temperaturwechselbeständigkeit, mechanischer Festigkeit und Heißbiegefestigkeit erreicht wird. Dies ist insbesondere in modernen Schnellbrandöfen erforderlich, in denen Brennhilfsmittel mit einer großen Anzahl von Durchgängen ohne Bruch eingesetzt werden sollen.

Erfindungsgemäß wird dies bei einem keramischen Formkörper in Weiterbildung als Brennhilfsmittel, insbesondere als Platte für den Brand keramischer Formlinge in einem Schnellbrandofen dadurch erreicht, daß er als Zuschlagsstoff Cordierit bildende oder Cordierit enthaltende Stoffe, Mullit, Sillimanit, SiC oder eine Kombination dieser Stoffe enthält und daß die Ausgangsmasse bei einer Temperatur von über 1300° C gebrannt ist. Derartige Brennhilfsmittel sind insbeson dere in der Temperaturwechselbeständigkeit, auch nach längerem Einsatz, aber auch bei ausreichender mechanischer Festigkeit und bei guter Heißbiegefestigkeit den bisher bekannten Brennhilfsmitteln, insbesondere Platten, bei weitem überlegen. Der Rohstoff Quarzgut oder Quarzglas wird dabei mit einem Gewichtsanteil von 50 bis 95% eingesetzt. Quarzgut bzw. Quarzglas weist zweckmäßig eine Körnung von 0 bis 5 mm, vorzugsweise 0,1 bis 3 mm auf. Das Quarzgut bzw. Quarzglas wird ohne Fein- und Feinstgut eingesetzt. Unter Feingut wird eine Körnung kleiner als 0,1 mm, unter Feinstgut eine Körnung kleiner als 0,06 mm verstanden.

Als Bindemittel können verschiedene Typen eingesetzt werden, beispielsweise Tone, Kaolinite oder Bentonite. Auch beim Brand Cordierit bildende Bindemittel-Kombinationen mit vorzugsweise Talkum, Speckstein oder MgCO3 als MgO-Träger, können eingesetzt werden. Weiterhin sind Tonerdeschmelzzemente, vorzugsweise mit niedrigem Fe2O3- oder hohem Al₂O₃-GeIIaIt, geeignet. Auch Kalziumaluminate oder Kombinationen aus Mineralen, die beim Brennen Kalziumaluminate ergeben, können Verwendung finden. All diese Bindemittel werden in einem Gewichtsanteil von 5 bis 30%, vorzugsweise 10 bis 20%, an der Ausgangsmasse eingesetzt.

Die Verwendung der angeführten Zuschlagsstoffe und der an sich bekannten Bindemittel ergibt die guten Kombinationseigenschaften der Brennhilfsmittel. Durch geeignete Körnungsmaßnahmen, unter Verzicht auf Feinststoffe, wird die Rekristallisation des Quarzgutes bzw. Quarzglases zu Cristobalit und Tridymit in Grenzen gehalten. Außerdem werden die Temperaturwechselbeständigkeit und die Festigkeit in einem nicht zu erwartenden Maße dadurch positiv beeinflußt, daß to die unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten von Bindemittel und Quarzgut anscheinend, insbesondere in heißem Zustand, eine elastische Platte ergeben. An die Bindemittel und die Zuschlagsstoffe zur Herstellung von Bretinhilfsmitteln auf der Basis von Quarzgut bzw. ηί Quarzglas stellt sich die Hauptforderung, daß sie den Wärmeausdehnungskoeffizienten der Quarzgutmischung nur in geringem Ausmaß beeinflussen dürfen.

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55 Die ganz ausgezeichnete Temperaturwechselbeständigkeit ist u. a. vielleicht auch darauf zurückzuführen, daß sich im Gefüge Mikrorisse bilden, die bestehende Spannungen abbauen, ohne die Festigkeit wesentlich zu beeinflussen. Die überraschenden Eigenschaften können auch darauf beruhen, daß trotz der teilweisen Rekristallisation der Quarzgutkörner zu Cristobalit und Tridymit im Brennhilfsmittel die Spannungen nur örtlich auftreten, da die einzelnen Quarzgutkörner durch Bindemittelbrücken voneinander getrennt sind und sich die Spannungen daher nicht über die Bindemittelgrenze hinaus auf den Bereich der gesamten Platte addieren können.

Nachstehend werden einige Ausführungs- bzw. Anwendungsbeispiele aufgeführt, die die geschilderten Vorteile und überraschenden Eigenschaften erkennen lassen:

Beispiel 1

80 Gew.-% Quarzglasgemisch als Rohstoff in einer Körnung von 0 —3 mm werden mit 20 Gew.-% Kaolin als Bindemittel zu der Ausgangsmasse verarbeitet. Weiterhin wurden bei durchgeführten Versuchen 0,5 Gew.-% organisches Bindemittel und ca. 4% Wasser hinzugefügt. Die vermischte Ausgangsmasse wurde zu Platten verpreßt. Nach dem Brand bei SK 15 wurden folgende Eigenschaftsdaten ermittelt:

Rohdichte	Be	1,80 g/cm³
Kaltbiegefestigkeit	50 kp/cm²
Temperaturwechsel-
beständigkeit	> 50 Abschreckungen
Wärmeausdehnung
bei 800° C	0,20%
ispiel 2

80 Gew.-% Quarzglasgemisch als Rohstoff mit einer Körnung von 0 — 3 mm wurden mit einem Bindemittel, bestehend aus 12 Gew.-% Talkum und 8 Gew.-% Al₂O₃ mit 0,5 Gew.-% organischem Bindemittel und 4,5 Gew.-% Wasser vermischt, zu Platten verpreßt und bei SK 14 gebrannt. Wahlweise kann als Bindemittel auch 20 Gew.-% einer MgO-AhOs-Mischung eingesetzt werden. Es ergeben sich folgende Eigenschaftsdaten:

Rohdichte	1,83 g/cm³
Kaltbiegefestigkeit	65 kp/cm²
Temperaturwechsel-
beständigkeit	> 50 Abschreckungen
Wärmeausdehnung
bei 800° C	0,19%

Beispiel 3

85 Gew.-% einer Quarzglasmischung als Rohstoff mit einer Körnung von 0 —3 mm wurden mit 15% Kalziumaluminat als Bindemittel unter Hinzufügung von 4 Gew.-% Wasser zu einer preßfähigen Masse gemischt und zu Platten verpreßt. Nach dem Brand bei SK 14 ergaben sich folgende Eigenschaften:

Rohdichte	2,0 g/cm³
Kaltbiegefestigkeit	55 kp/cm²
Temperaturwechsel-
beständigkeit	> 50 Abschreckungen
Wärmeausdehnung
bei 800° C	0,18%

Beispiel 4

Als Rohstoff wurde 68 Gew.-% Quarzgut eingesetzt Hinzu kamen 10 Gew.-% Sillimanit als Zuschlagsstoff und 22 Gew.-% Kaolin als Bindemittel. Die hieraus gepreßten Platten hatten folgende Eigenschaften:

Rohdichte 2,0 g/cm³ Kaltbiegefestigkeit 90 kp/cm² Temperaturwechselbeständigkeit > 50 Abschreckungen

Wärmeausdehnung bei 800⁰C

0,19%

Die gemäß den Beispielen hergestellten Platten wurden in Schnellbrandöfen zum Brennen von Fliesen eingesetzt, und zwar bei einer Brenntemperatur von 1120⁰C und einer Ofendurchlaufzeit von 80 Minuten. Überraschenderweise hielten die Platten 600 Ofendurchgänge ohne Brauch aus.

Claims

Patentansprüche:

1. Keramischer Formkörper mit hoher Temperaturwechselbeständigkeit, aus einer gemischten, geformten, getrockneten und schließlich gebrannten Ausgangsmasse, die als mengenmäßig überwiegenden Rohstoff Quarzgut oder Quarzglas und einen Zuschlagsstoff sowie ein Bindemittel enthält, dadurch gekennzeichnet, daß er zur Weiter- bildung als Brennhilfsmittel, insbesondere als Platte für den Brand keramischer Formlinge in einem Schnellbrandofen, als Zuschlagsstoff Cordierit bildende oder Cordierit enthaltende Stoffe, Mullit, Siilimanit, SiC oder eine Kombination dieser Stoffe enthält und daß die Ausgangsmasse bei einer Temperatur von über 1300⁰C gebrannt ist

2. Verfahren zur Herstellung eines keramischen Formkörpers mit hoher Temperaturwechselbeständigkeit nach Anspruch 1, bei dem eine Ausgangsmasse aus dem mengenmäßig überwiegenden Rohstoff Quarzgut oder Quarzglas, einem Bindemittel und einem Zuschlagsstoff geformt, getrocknet und gebrannt wird, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung von Brennhilfsmitteln als Zuschlagsstoff Cordierit bildende oder Cordierit enthaltende Stoffe, Mullit, Siilimanit, SiC oder eine Kombination dieser Stoffe Verwendung findet und daß die Ausgangsmasse bei einer Temperatur von über 1300⁰C gebrannt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Bindemittel Tone, Kaolinite oder Bentonite eingesetzt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Bindemittel beim Brand Cordierit )5 bildende Bindemittel-Kombinationen, mit vorzugsweise Talkum, Speckstein oder MgCCh als MgO-Träger, eingesetzt werden.

5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Bindemittel Tonerdeschmelzzemente, vorzugsweise mit niedrigem Fe2Ch- und hohem A^Ch-Gehalt, eingesetzt werden.

δ. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Bindemittel Kalziumaluminate oder Kombinationen aus Mineralen, die beim Brennen Kalziumaluminate ergeben, Verwendung finden.

7. Verfahren nach Anspruch 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Bindemittel in einem Gewichtsanteil von 5 — 30%, vorzugsweise 10 -20%, hinzugefügt werden.

8. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Quarzgut bzw. Quarzglas ohne Fein- und Feinstgut eingesetzt wird.