DE2717926A1

DE2717926A1 - Feuerfeste isolierfaserzusammensetzung und daraus aufgebaute isolierung zur anwendung in mittleren temperaturbereichen

Info

Publication number: DE2717926A1
Application number: DE19772717926
Authority: DE
Inventors: Alwin Bennett Chen; John Matthew Pallo
Original assignee: Johns Manville Corp; Johns Manville
Current assignee: Morgan Crucible Co PLC
Priority date: 1976-04-23
Filing date: 1977-04-22
Publication date: 1977-10-27
Also published as: NO771389L; FR2348899A1; AU2429977A; SE411621B; DK158895C; JPS548683B2; CA1073475A; DK158895B; DE2717926C3; DE2717926B2; SE7704655L; FR2348899B1; NO145467C; NO145467B; FI771280A; US4055434A; AU503972B2; FI60546B; FI60546C; JPS52132168A

Description

PATENTANWÄLTE

K.SIEBERT G. GRÄTTINGER

Dipl.-Ing.

Dipl.-Ing., Dipl.-Wlrtsch.-Ing.

8130 Starnberg bei München Postfach 16 49. Almeidaweg 12 Telefon (CS151) 127 3Ou. 41 15 Telegr.-Adr.: STARPAT Starnberg Telex: 526 422 star d

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Anwaltsakte: 6892/30

Johns-Maiiville Corporation Denver, Colorado 80217, (303) 979-1000 Ken-Caryl Eanch, USA

Feuerfeste Isoliorfasorzusaimnensetzung und daraus aufgebaute Isolierung zur Zuwendung in mittleren Terriperaturberc ichf-n

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Die Erfindung bezieht sich auf feuerfeste Isolierfaserzusammensetzungen für in Temperaturbereiclien von etwa 760 C bis 110Ü C verwendbare thermische Isolierunoen.

Alunosilicatfasern ndt im wesentlichen keinen weiteren Bestandteilen außer Aluminiumoxid und Siliciundioxid sind mehrere Jahre lang sehr häufig für die thermische Isolierung bei Temperaturen bis ungefähr 1260° C verwendet worden. Derartige Fasern sind in der US-PS 3 4 56 914 angegeben. In ähnlicher Weise sind für die thermische Isolierung bei Temperaturen bis ungefähr 1430 C Alumosilicatfasern mit bestimmten zugesetzten Oxiden, wie etwa Chromoxicen verwendet worden. Derartige Fasern sind in der US-PS 3 449 137 angegeben. Mit derartigen Zusammensetzungen ist die Faserbildung jedoch nur schwer durchzuführen, da der Temperaturbereich, in welchem die Schmelze in oinem faserbildenden Zustand bleibt, schmal ist und die Erstarrung schnell vor sich geht. Die Alnmosilicatfasern sind deshalb sehr teuer und werden lediglich dort benutzt, wo die Hochtemperaturberoiche ihre Verwendung erfordern.

Am anderen Ende der Tempera turs kai ei, also im Bereich von etwa 425° C bis 65O° C gibt es eine breite Vielfalt von billigen und leicht zu bildenden Fasern. Gewöhnliche Glasfasern sind üblicherweise für einen Temperaturbereich von 425 C bis 540 C geeignet. Mineralwolle (also Schlackenwolle, Steinwolle u. dgl. ) kann normalerweise bei Temperaturen bis hinauf zu 640 C verwendet werden. Die Glasfasern sind hauptsächlich siliciumhaltige Materialien, wohingegen die Mineralwollmaterialien im wesentlichen

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einen Alumosilicatgehalt aber auch sehr große Beträge an Calciumoxid (gewöhnlich 30 bis 45%) sowie Magnesiumoxid (2 bis 10%) enthalten. Die üblichen Rohmaterialien, wie Schlacke und verschiedene Arten von Gestein beinhalten auch viele Unreinheiten, die wesentlich ihre maximale Temperaturverwendung begrenzen. Da der hauptsächliche Rohmaterialbestandteil in den Glasfasern Siliciumdioxid ist, ist die Verwendung relativ reiner Materialien für die Glasfasern wirtschaftlich durchführbar. Allerdings können die Mineralwollen wirtschaftlich nicht aus reinen Bestandteilen, wie etwa Siliciumdioxid, Aluminiumoxid, Magnesiumoxid und Calciumoxid hergestellt werden, sondern müssen vielmehr aus Kostengründen aus billigen Materialien, wie etwa Schlacke, hergestellt werden.·

Obgleich beide Enden des Temperaturspektrums deshalb durch die Wahl von Isolierfasern abgedeckt sind, gibt es für Temperaturbereiche zwischen den oberen und unteren Enden der Temperaturskala keine zufriedenstellenden und wirtschaftlichen Materialien. Somit müssen Hersteller, deren Temperaturerfordernisse nach Fasern verlangen, die im Temperaturbereich von 760⁰C bis 1100⁰C einsetzbar sind, entweder auf die Verwendung von Fasern verzichten und auf die Verwendung einiger Arten der Blockisolierung übergehen oder aber sie müssen teure Alumosilicatfasern verwenden. Die letztere Wahl ist nicht nur übermäßig teuer, sondern die Fasern selbst werden bei beträchtlich geringeren als ihren optimalen Betriebsbedingungen verwendet, da sie tatsächlich nur für einen Einsatz oberhalb 1100⁰C konzipiert sind.

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Die Einsatz- oder Betriebstemperatur der Fasern wird durch drei Parameter bestimmt. Der erste ist die Bedingung, daß die Faser bei der speziellen Temperatur nicht schmilzt oder sintert. Dies ist das Kriterium, welches die Verwendung vieler der Glas- und Mineralwollfasern bei Temperaturen oberhalb 65o C verbietet. Zweitens, ein aus Fasern hergestellter Filz oder Matte darf bei der Betriebs- oder Einsatztemperatur keine übermäßige Schrumpfung erfahren. "Übermäßige Schrumpfung" j st gewöhnlicherweise definiert als ein Maximum von 3 % direkter Schrumpfung bei verlängertem Aussetzen bei Einsatztemperatur (gewöhnlicherweise über 24 Stunden). Das Schrumpfen von als Ofenauskleidungen und ähnlichem verwendeten Matten oder Decken ist selbstverständlich ein wesentliches Merkmal, denn beim Schrumpfen der Matten oder der Decken entstehen Fisse durch welche ein Wärmefluß erfolgen kann, wodurch der Isolierzweck zunichte gemacht wird. Der dritte und letzte Faktor, der für die maximale Temperaturverwendung verantwortlich zeigt, ist der auftretende Betrag an Entglasung (teilweise oder vollständige Kristallisation). Destomehr eine Faser entglast ist, desto brüchiger wird sie, wodurch einerder Hauptvorteile der Fasern und Fasermatten eliminiert wird, nämlich deren Flexibilität und Nachgiebigkeit. Eine als "870° C-Faser" klassifizierte Faser ist derart definiert, daß sie bei dieser Temperatur weder schmilzt noch sintert und annehmbare Schrumpfeigenschaften und einen annehmbaren Oi^-ad an Entglasung aufweist, jedoch bei Temperaturen oberhalb 870° C einem oder mehreren der Standardparameter nicht mehr zu genügen beginnt.

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Es ist somit offensichtlich, daß ein dringender Bedarf für eine Klasse von feuerfesten fasrigen Materialien mit Exnsatztemperaturen im Bereich von 760° C bis 1100° C besteht. Derartige Fasern in Bulk-, Matten- oder Deckenform würden eine weite Verwendung als Isolierungen für Öfen, Regeneratoren und ähnlichen in hohen Temperaturbereichen eingesetzten Vorrichtungen finden. Insbesondere sind sie für Isolierung von im Automobilbau verwendeten katalytischen Auspuffen außerordentlich vorteilhaft.

Die US-PS 2 046 764 beschreibt ein überwiegend aluminiumhaltiges selbstbindendes Schleifmittel mit Aluminiumoxid, Siliciumdioxid, Calciumoxid und Magnesiumoxid. Dieses Material, welches für Schleifscheiben, Trittflächenbeschichtungen u. dgl. verwendet wirdj besteht aus großen Kristallen aus Aluminiumoxid, welche in einer relativ glasigen Matrix von anderen Oxiden verteilt ist. US-PS 3 4Ο2 055 gibt als Verstärkungs- oder Isolierfasern verwendbare Glasfasern an, welche überwiegend aus Siliciumdioxid mit geringeren Beträgen an Aluminiumoxid und Magnesiumoxid bestehen. US-PS 3 819 387 beschreibt harte Glasperlen zum Strahlen von Flächen zur Säiiberung und zum Abschmirgeln sowie zur Herstellung extra harter Platten und ähnlichem. Diese Zusammensetzung enthält einen Hauptanteil von Siliciumdioxid mit kleinen Beträgen von Aluminiumoxid, Calciumoxid, Magnesiumoxid sowie anderen Oxiden. Das Siliciumdioxid zu Aluminiumoxidverhältnis beträgt wenigstens 3:1. Für den Calciumoxid- und Magnesiumoxidgehalt kann Dolomit eingesetzt v/erden. Andere US-Patente beschreiben feuerfeste Zusammensetzungen mit größeren oder geringeren Beträgen an Siliciumdioxid, Aluminium-

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oxid, Magnesiumoxid und/oder Calciumoxid in verschiedenen Kombinationen (US-PS 1 966 406, 1 966 4O7, 1 966 408, 1 818 506 sowie 2 599 184).

Demgemäß wird erfindungsgemäß eine feuerfeste Faserzusammensetzung für verwendbare Wärmeisolierungen in Temperaturbereichen von 760 C bis 1100° C geschaffen, welche gekennzeichnet ist durch 84 bis 97 Gesamtgewichtsprozent Siliciumdioxid und Aluminiumoxid, wobei das Siliciumdioxid und Aluminiumoxid in einem Gewichtsverhältnis von Siliciumdioxid zu Aluminiumoxid im Bereich von 3:2 bis 1:1 vorliegen, sowie durch 3 bis 16 Gewichtsprozent eines dolomitischen Bestandteils mit gebranntem Dolomit oder Calciumoxid und Magnesiumoxid.

Die Erfindung umfaßt neuartige feuerfeste Faserzusarnmensetzungen, die durch Veränderungen hinsichtlich des Betrags der Bestandteile zur Herstellung von Fasern verwendet werden kann, welche für Wärmeisolierung bei Temperaturen von 760° C bis 11OO°C geeignet sind. Diese Zusammensetzungen weisen 84 bis 97 Gesamtgewichtsprozent Siliciumdioxid und Aluminionoxid mit einem Verhältnis von Siliciumdioxid zu Aluminiumoxid im Bereich von 3:2 bis 1:1, vorzugsweise ungefähr 5:4, sowie einen "dolomitischen Bestandteil" in einem Gesamtbetrag von 3 bis 16 Gewichtsprozent auf. Der dolomitische Bestandteil umfaßt gebranntes Dolomit oder Calciumoxid und Magnesiumoxid, normalerweise in in wesentlichen gleichen Beträgen. Das Gewichtsverhältnis von Siliciumdioxid und Aluminiumoxid wird durch die thermischen Eigenschaften der Faser und die Produktionsanforderungen bestimmt. Bei Siliciumdioxidbestandteilen oberhalb drei Teile Siliciumdioxid zu zwei

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Teilen Aluminiumoxid, sind die thermischen Eigenschaften der Fasern nicht zufriedenstellend. Bei Siliciumdioxidbestandteilen von weniger als einem Teil Siliciumdioxid zu einem Teil Aluminiumoxid wird die Produktionsrate übermäßig reduziert.

Die Rohmaterialien dieser Zusammensetzung können irgendein geeignetes Vorkommen von relativ reinem Siliciumdioxid, Aluminiumoxid und Dolomit (oder gesondert Calciumoxid und Magnesiumoxid) sein. Alle diese Materialien sind in einer Viel zahl von Formen im Handel verfügbar. Physikalische Variablen, wie etwa Teilchengröße, können auf der Basis der Kosten, Handhabbarkeit und ähnlichen Betrachtungen ausgewählt werden. Die Reinheit der Rohmaterialien sollte auf einem relativ hohen Stand gehalten werden, so daß nicht mehr als ungefähr 1 bis 2 % Unreinheiten in Form von anderen Oxiden, organischen Materialien und ähnlichem in der hergestellten Faser zugegen sind, da das Vorhandensein derartiger Unreinheiten nachteilige Wirkungen für das Temperaturverhalten der Faser hat. Eine Anzahl von Materialien genügender Reinheit sind im Handel verfügbar.

Die Faser wird in üblichen Faserformungsvorrichtungen und unter Verwendung üblicher Verfahren zur Bildung feuerfester Fasern hergestellt. Eine übliche Herstellung erfolgt durch einen elektrisch beheizten Schmelzofen. Die verschiedenen Rohmaterialien werden auf eine· für Schmelzmaterialien für feuerfeste Fasern übliche Größe granuliert oder sie können bereits derart granuliert gekauft v/erden. Die granulierten Rohmaterialien werden miteinander vermischt und dem elektrischen Ofen zugeführt, v/o sie über eine elektrische Widerstandsheizung erschmolzen werden. Die Schmelz-

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bildung kann durch kontinuierliches oder losweises Schmelzen erfolgen, wobei das erstere bevorzugt ist. Das erschmolzene Gemisch der Oxide wird dann den Faserbildungsvorrichtungen zugeführt, wie etwa Spinnvorrichtungen oder Blasvorrichtungen. Zur Faserbildung ist eine große Anzahl von Vorrichtungen und Geräten bekannt, welche im einzelnen hierin nicht beschrieben werden müssen. Die derart gebildeten Fasern besitzen Durchmesser der Größenordnung von 0,5 bis 10 Mikrometer mit einem durchschnittlichen Faserdurchmesser von etwa 3,5 Mikrometer und Längen von 0,5 bis 20 cm. Nach Faserbildung können die Fasern in einem Bulk gesammelt oder in separate Vorrichtungen zur Formung der Fasern in Matten, Decken und ähnlichen Strukturen geleitet werden. Die hierzu üblicherweise eingesetzten Verfahren zur Bildung gleichartiger Gegenstände aus feuerfesten Alumosilicatfasern für hohe Temperaturbereiche sind gleichfalls für die Verwendung bei den vorliegenden Fasern geeignet.

Kennzeichnende Beispiele der erfindungsgemäßen Zusammensetzung sind in der nachfolgenden Tabelle angegeben:

Probe

A _B_

Bestandteile, (Gewichtsprozent)

Siliciumdioxid	54	Temperatur-Betriebsgröße	2000	52	50	47
Aluminiumdioxid	43	°F	1100	42	40	37
Dolomit	3	°C	6	10	16

1800	1600	1400
980	870	769

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, ..■·" -Patentansprüche-

Claims

Patentansprüche ;

ίU Feuerfeste Isolierfaserzusammensetzung für in Temperatur-

^■^ ο ο

bereichen von 76o C bis 1100 C verwendbare Wärmeisolierungen, gekennzeichnet durch 84 bis 97 Gewichtsprozent Siliciumdioxid und Aluminiumoxid, wobei das Siliciumdioxid und das Aluminiumoxid in einem Gewichtsverhältnis von Siliciumdioxid zu Aluminiumoxid im Bereich von 3:2 bis 1:1 vorliegen, sowie durch 3 bis 16 Gewichtsprozent eines dolomitischen Bestandteils mit gebranntem Dolomit oder Calciumoxid und Magnesiumoxid.
2. Faserzusamnensetzung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der dolomitische Bestandteil aus gebranntem Dolomit besteht.
3. Faserzusammensetzung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der dolomitische Bestandteil aus Calciumoxid und Magnesiumoxid besteht.
4. Faserzusammensetzung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Siliciumdioxid und Aluminiumoxid in einem Gewichtsverhältnis von ungefähr 5 Teilen Siliciumdioxid zu 4 Teilen Aluminiumoxid vorhanden sind.
5. Faserzusammensetzung nach Anspruch 1· für bei einer Temperatur von etwa 1100 C verwendbare Wärmeisolierungen, gekennzeichnet durch ungefähr 54 Gewichtsprozent Siliciumdioxid, 43 Gewichtsprozent Aluminiumoxid sowie 3 Gewichtsprozent gebrannten Dolomit.

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6. Faserzusammensetzung nach Anspruch 1 für bei einer Temperatur von ungefähr 980° C verwendbare Wärmeisolierungen, gekennzeichnet durch ungefähr 52 Gewichtsprozent Siliciumdioxid, 42 Gewichtsprozent Aluminiumoxid sowie 6 Gewichtsprozent gebrannten Dolomit.
7. Faserzusammensetzung nach Anspruch 1 für bei einer Temperatur von ungefähr 870. C verwendbare Wärmeisolierungen, gekennzeichnet durch ungefähr 50 Gewichtsprozent Siliciumdioxid, 40 Gewichtsprozent Aluminiumoxid sowie 10 Gewichtsprozent gebrannten Dolomit.
8. Faserzusammensetzung nach Anspruch 1 für bei einer Temperatur von ungefähr 760 C verwendbare Wärmeisolierungen, gekennzeichnet durch ungefähr 47 Gewichtsprozent Siliciumdioxid, 37 Gewichtsprozent Aluminiumoxid sowie 16 Gewichtsprozent gebrannten Dolomit.
9. In Form einer Matte ausgebildetes feuerfestes Fasergebilde unter Verwendung einer Vielzahl von Fasern der Zusammensetzung nach Anspruch 1.
10. In Form einer Matte ausgebildetes feuerfestes Fasergebilde unter Verwendung einer Vielzahl von Fasern der Zusammensetzung nach Anspruch 7.

Starnberg, den 21. April 1977/1O5662/d

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