DE3808809C2 - - Google Patents
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine feuerfeste
Platte, die in der Produktion beim Brennen von feuerfesten
Stoffen, Feinkeramiken, Porzellan und Keramiken für
elektronische Teile usw. eingesetzt wird.
Beim Brennen der oben beschriebenen Produkte werden
gewöhnlich Werkzeugziegel verwendet, die man als Brennunterlage
oder Hordenplatte bezeichnet.
Die Eigenschaften, die von der Hordenplatte gefordert werden,
sind:
- (1) keine Reaktion mit dem Produkt;
- (2) hohe Bruchstabilität nach wiederholter Anwendung;
- (3) keine Deformation;
- (4) hoher Wärmeübergang.
Es ist deshalb notwendig, ein Material für die Hordenplatte
auszuwählen, das mit der Qualität der gebrannten Produkte
kompatibel ist. Als Materialien für die Hordenplatten
werden Oxide, wie Al₂O₃-SiO₂, Al₂O₃, ZrO₂ und
Nicht-Oxide, wie SiC bevorzugt,
aber es gibt keine Hordenplatte mit All-round-Eigenschaften.
So ist eine aus Al₂O₃-SiO₂ bestehende Hordenplatte in ihrer
Anwendung begrenzt, da sie mit dem Produkt reagieren
und sich beim Brennen deformieren kann. Bei einer aus Al₂O₃
gebildeten Hordenplatte ist eine hohe Brenntemperatur
erforderlich, so daß diese teuer ist, und zudem kann sie auch mit
gewissen Produkten reagieren.
Bei einer aus ZrO₂ bestehenden Hordenplatte tritt keine Reaktion
mit dem Produkt und keine Deformation auf, aber sie
besitzt Nachteile, wie schwere Handhabbarkeit aufgrund der
hohen spezifischen Dichte, sie ist sehr teuer, hat eine
niedrige Wärmeleitfähigkeit und beginnt nach
wiederholter Anwendung aufgrund einer durch
ZrO₂-Umwandlung bedingten, strukturellen Brüchigkeit zu zerbröckeln.
SiC ist stabil gegenüber Deformation, aber es
erfordert einen teuren Überzug, um eine oxidative Alterung
und eine Reaktion mit Produkten zu verhindern.
Um die oben beschriebenen Probleme zu lösen, wurde bei der
Herstellung einer aus Al₂O₃ bestehenden Hordenplatte eine
dreilagige Hordenplatte mit einer inneren Schicht von SiC,
die einen ausgezeichneten Kriechwiderstand besitzt und mit
zwei Al₂O₃-Schichten sandwichartig verbunden ist, hergestellt.
Jedoch ist eine dreilagige Hordenplatte teuer, und es ist
schwierig, drei gleichmäßige Schichten herzustellen. Des
weiteren können nach wiederholtem Gebrauch zwischen den
Schichten Brüche in Form von Abschälungen auftreten, so daß
dies für die oben beschriebenen Probleme keine wirksame
Lösung darstellt.
Als ein anderes übliches Verfahren offenbart JP-GM 61-1 92 300
(1986) einen mit einer keramischen Platte ausgekleideten
feuerfesten Behälter, wobei eine keramische Platte mit
0,1 bis 5,0 mm Dicke auf einer inneren, ebenen Oberfläche
oder einer rückseitigen, ebenen Oberfläche eines
feuerfesten Behälters in Form von einzelnen oder
doppelten Schichten ausgekleidet wird, indem man sie
zusammenpreßt oder zusammenkittet und dann brennt, um einen
einheitlichen, feuerfesten Behälter zu erhalten.
Jedoch wird diese keramische Platte über ein
Papierherstellungsverfahren erzeugt, und wenn eine
grüne, keramische Platte bei einem feuerfesten
Behälter verwendet wird, dann wird diese um mindestens 15%
in der Nähe der Brenntemperatur schrumpfen, und es werden
sich auch in der keramischen Platte Brüche bilden, so daß
es schwierig ist, solche Platten für einen feuerfesten
Behälter zu verwenden.
Auch ist es schwierig, wenn man eine starre Platte aus
gebranntem Material verwendet, diese an einen feuerfesten
Behälter anzupassen, um als Substrat verwendet zu werden,
und wenn sie erfolgreich an einen feuerfesten Behälter
angepaßt worden sein sollte, werden Brüche oder
Abschälungen zwischen der Platte und dem feuerfesten
Behälter nach wiederholtem Gebrauch bei Betriebstemperaturen
auftreten, bedingt durch die Unterschiede in der thermischen
Expansion zwischen der keramischen Platte und dem feuerfesten
Behälter.
Aus der DE-OS 36 20 178 ist eine Hilfsvorrichtung zum
Brennen von Keramik bekannt, die aus einem keramischen
Schaumkörper mit dreidimensional vernetzter Struktur und
vielen miteinander verbundenen keramischen Strängen und
einer keramischen Fassungsschicht auf mindestens einem Teil
der Oberfläche des keramischen Schaumkörpers besteht. Eine
solche Vorrichtung aus Keramikschaum dient der Einsparung
von Energie, weil zum Aufheizen eines solchen
Keramikschaums weniger Energie als bei herkömmlichen
kompakten Körpern erforderlich ist.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine feuerfeste
Platte zur Verfügung zu stellen, die als Hordenplatte
geeignet ist und den vorher angegebenen Erfordernissen
entspricht. Eine erfindungsgemäß feuerfeste Platte reagiert
deshalb nicht mit dem zu brennenden Produkt, hat eine hohe
Bruchstabilität auch bei wiederholter Anwendung, zeigt
keine Deformation und weist einen hohen Wärmeübergang auf.
Diese Aufgabe wird durch eine zweilagige feuerfeste Platte
gemäß Anspruch 1 gelöst sowie durch das Verfahren zur
Herstellung solcher zweilagigen feuerfesten Platte gemäß
Anspruch 2.
Die einzige Figur zeigt einen Schnitt durch eine
zweilagige, feuerfeste
Platte der vorliegenden
Erfindung, wobei (1) ein Substrat
und (2) einen kornartigen
Oberflächenteil darstellt.
Die für das feuerfeste Substrat
verwendeten Materialien sind
stabil gegenüber den Temperaturänderungen
in einem Ofen, bruchbeständig, deformationsstabil, haben
eine hohe Wärmeleitfähigkeit und weisen einen
linearen Ausdehnungskoeffizienten auf, der ähnlich
dem des kornartigen Oberflächenteils ist.
Magnesiumoxid-Spinell und
Magnesiumoxid-Spinell-Zirkonoxid werden bevorzugt, da sie eine
hohe Haltbarkeit aufweisen. Die in der zweilagigen,
feuerfesten Platte der vorliegenden Erfindung verwendeten
Substrate stehen mit den gebrannten Produkten nicht direkt in
Kontakt, so daß man eine Reaktion zwischen dem Substrat und
dem Produkt nicht befürchten muß. Deshalb ist die Reinheit
der für das Substrat zu verwendenden Materialien nicht besonders
begrenzt.
Der kornartige Oberflächenteil der zweilagigen, feuerfesten
Platte der vorliegenden Erfindung ist der Teil, der während
des Brennens direkt mit dem Produkt in Kontakt steht, so
daß es notwendig ist, ein hochreines Material zu verwenden,
wenn man die Reaktion mit dem Produkt bedenkt.
Obwohl das Material des kornartigen Oberflächenteils vom
Material des zu brennenden Produktes abhängt, ist es möglich,
Materialien, wie Zirkonoxid (z. B. natürlicher Baddelit,
synthetisches Zirkonoxid, stabilisiert durch MgO, CaO,
Y₂O₃), Siliciumoxid, Aluminiumoxid, Magnesiumoxid, Spinell,
Siliciumcarbid, Siliciumnitrid, Kohlenstoff, zu
verwenden. In Abhängigkeit von der Qualität des zu brennenden
Produktes ist es möglich, ein oder mehr als eines der oben
beschriebenen Materialien zu verwenden.
In Abhängigkeit von der Brenntemperatur bei der Herstellung
der zweilagigen, feuerfesten Platte, der Haftfestigkeit
mit einem Substrat, der Temperatur des Ofens, der
Reaktivität mit dem Produkt und der Form und Größe des
Produktes werden Körner mit einem
Korngrößenbereich von 0,1 bis 2 mm verwendet.
Wenn die Korngröße innerhalb des oben
beschriebenen Bereiches liegt, dann ist die Dicke des
anhaftenden Teils klein, so daß jede Spannung, die durch
den Unterschied in der Wärmeausdehnung zwischen den
Körnern und dem Substrat verursacht wird, leicht aufgenommen
wird. Die Verringerungen in der Bindungskraft sind als
Folge davon klein, und man beobachtet kein Abschälen zwischen
den Körnern und dem Substrat.
Aus Fig. 1, die einen Schnitt durch eine zweilagige,
feuerfeste Platte der vorliegenden Erfindung darstellt,
ist klar erkennbar, daß ein Teil der Körner (2) in ein
Substrat (1) eingebettet ist, und daß die kornartige
Oberfläche aus einer Schicht von Körnern (2) besteht, die
in einer Reihe auf dem Substrat (1) angeordnet sind.
Der kornartige Oberflächenteil mit solch einer Struktur
kann über verschiedene Arten von Feuerfestherstellungsverfahren
erzeugt werden, so z. B. gleichförmiges
Belegen einer festen Form aus grünem
Substrat, das weich genug ist, damit die Körner eingebettet
werden können, mit den oben beschriebenen Körnern und
Zusammenfügen. Dann wird das
grüne Substrat mit dem kornartigen Oberflächenteil
gebrannt.
Die Brenntemperatur und Brennzeit sind nicht begrenzt und
können entsprechend dem Material des Substrates und der
Körner und der Korngröße variiert werden. Jedoch
ist es notwendig, bei einer höheren Temperatur als der
Arbeitstemperatur eines Ofens zu brennen, nämlich bei
Brenntemperaturen zwischen 1000 und 1800°C.
Die Brenntemperatur darf nicht die Temperatur übersteigen,
bei der alle Körner, die den kornartigen Oberflächenteil
bilden, schmelzen und in eine glasartige und dichte
Oberfläche übergehen. Da man glaubt, daß die Funktion und
Wirkung der zweilagigen, feuerfesten Platte der
vorliegenden Erfindung aufgrund der Lücken zwischen jedem
Korn des kornartigen Oberflächenteils erreicht wird, würden,
falls alle Körner unter Erhalt einer glasartigen und
dichten Oberfläche schmelzen, die Nachteile gerade wie bei
einer üblichen zweischichtigen, hitzebeständigen Platte
auftreten. Jedoch, selbst wenn eine lokalisierte Menge von
Körnern schmilzt und sich verdichtet, ist es möglich, ein
Abschälen und Brechen solange zu verhindern, wie einige
Lücken noch zwischen dem Rest der Körner bestehen bleiben.
Im Idealfall ist es vorzuziehen, daß jedes Korn einzeln auf
dem Substrat gehalten wird. Die Schmelztemperatur jedes Korns
variiert mit der Art und der Größe des verwendeten Materials.
Eine Verdichtung während des Schmelzens kann man verhindern,
indem man Körner einheitlicher Größe verwendet. Dies ist
der Fall, da, wenn die den kornartigen Oberflächenteil
bildenden Körner in ihrer Größe nicht einheitlich sind,
kleine Körner in die Lücken zwischen den größeren Körnern
gelangen und bei einer niedrigeren Temperatur schmelzen und
somit die Lücken verschließen und den kornartigen
Oberflächenteil verdichten.
Die zweilagige, feuerfeste Platte kann verschiedene
Kombinationen von Substratmaterial und Material für den
kornartigen Oberflächenteil, entsprechend der erwarteten
Anwendung, umfassen, und aus diesem Grunde beinhaltet die
vorliegende Erfindung verschiedene Kostenvorteile. So z. B.
wird eine gewöhnliche Hordenplatte aus Aluminiumoxid bei
ungefähr 1800°C gebrannt, um die
Kriechwiderstandsfestigkeit zu erhöhen, aber gemäß der
vorliegenden Erfindung ist es möglich geworden, die
Brenntemperatur auf ungefähr 1600°C zu senken, indem man
das Aluminiumoxidmaterial nur für den kornartigen
Oberflächenteil und hochkriechfestes Mullit für das Substrat
verwendet. Somit kann eine Hordenplatte mit niedrigeren
Kosten hergestellt werden.
Proben der vorliegenden Erfindung wurden hergestellt, indem
man die Körner mit einer in Tabelle 1 aufgeführten
Qualität in eine rechteckige, metallische Preßform mit den
Dimensionen von 150×150×10 mm zu einer ebenen
Schicht packt, und anschließend eine teigförmige
Verbindung, aus der ein Substrat mit einer in Tabelle 1
aufgeführten Qualität hergestellt wird, auf die aus Körnern
bestehende Schicht lädt, in einer Richtung zusammenpreßt,
formt und den noch grünen Gegenstand
bei 1500°C brennt.
(1) Die chemische Zusammensetzung der in den Beispielen
und Vergleichen verwendeten Materialien war wie folgt
Zirkonoxid: ZrO₂ 95% (CaO-stabilisiert)
Magnesiumoxid: MgO 99,5%
Spinell: MgO 28,9 Gew.-%, Al₂O₃ 69,9 Gew.-%
Aluminiumoxid:
eingesetzt als Substrat . . . Al₂O₃ 90%
eingesetzt als einzelne Platte (Vergleich) . . . Al₂O₃ 90%
eingesetzt als kornartiger Oberflächenteil . . . Al₂O₃ 99%
Mullit: Al₂O₃ 72,8 Gew.-%, SiO₂ 27,2 Gew.-%
Siliciumcarbid: SiC 98%
Zirkon: ZrO₂ 67 Gew.-%, SiO₂ 32 Gew.-%
Picrochromit: MgO 81 Gew.-%, Cr₂O₃ 18,5 Gew.-%
Chromoxid: Cr₂O₃ 99 Gew.-%
(2) Mischungsverhältnisse:
Beispiel 2:
Magnesiumoxid/Zirkonoxid Gewichtsverhältnis = 1/1
Beispiel 3:
Magnesiumoxid/Spinell/Zirkonoxid Gewichtsverhältnis = 10/5/1
Beispiel 4:
Aluminiumoxid/Mullit Gewichtsverhältnis = 1/1
Aluminiumoxid/Spinell Gewichtsverhältnis =1/2
Beispiel 5:
Magnesiumoxid/Spinell/Zirkon Gewichtsverhältnis = 3/1/1
Magnesiumoxid/Spinell Gewichtsverhältnis = 1/1
Zirkonoxid: ZrO₂ 95% (CaO-stabilisiert)
Magnesiumoxid: MgO 99,5%
Spinell: MgO 28,9 Gew.-%, Al₂O₃ 69,9 Gew.-%
Aluminiumoxid:
eingesetzt als Substrat . . . Al₂O₃ 90%
eingesetzt als einzelne Platte (Vergleich) . . . Al₂O₃ 90%
eingesetzt als kornartiger Oberflächenteil . . . Al₂O₃ 99%
Mullit: Al₂O₃ 72,8 Gew.-%, SiO₂ 27,2 Gew.-%
Siliciumcarbid: SiC 98%
Zirkon: ZrO₂ 67 Gew.-%, SiO₂ 32 Gew.-%
Picrochromit: MgO 81 Gew.-%, Cr₂O₃ 18,5 Gew.-%
Chromoxid: Cr₂O₃ 99 Gew.-%
(2) Mischungsverhältnisse:
Beispiel 2:
Magnesiumoxid/Zirkonoxid Gewichtsverhältnis = 1/1
Beispiel 3:
Magnesiumoxid/Spinell/Zirkonoxid Gewichtsverhältnis = 10/5/1
Beispiel 4:
Aluminiumoxid/Mullit Gewichtsverhältnis = 1/1
Aluminiumoxid/Spinell Gewichtsverhältnis =1/2
Beispiel 5:
Magnesiumoxid/Spinell/Zirkon Gewichtsverhältnis = 3/1/1
Magnesiumoxid/Spinell Gewichtsverhältnis = 1/1
In Tabelle 1 zeigen die Beispiele 1 bis 5 zweilagige,
feuerfeste Platten der vorliegenden Erfindung. Unter
diesen Beispielen zeigen die Beispiele 1 bis 3 besonders
gute Eigenschaften hinsichtlich Antireaktivität,
Rißbeständigkeit und Wärmeübergang, da hier rißbeständige,
kriechwiderstandsfeste und gut wärmeübertragende Materialien
als Substrat und antireaktive Materialien als kornartiger
Oberflächenteil aufeinander abgestimmt werden können.
Auch die Beispiele 4 und 5 zeigen gute Ergebnisse und auch
niedrige Kosten, weil für die Substrate übliche Materialien
verwendet werden.
Andererseits zeigen die Vergleiche 1 bis 3 bekannte Produkte.
Der Vergleich 1 wurde durchgeführt, indem man zwei Arten
von Materialien kombinierte, wobei das eine bruchstabile
Spinell als Substrat und das andere eine antireaktive
Platte aus Zirkonoxid mit einer Dicke von ungefähr 5 mm
war. Somit wurde eine vergleichsweise leichtgewichtige,
feuerfeste Platte hergestellt. Jedoch war die
Rißbeständigkeit aufgrund der Wärmeausdehnungsunterschiede
der zwei Materialien klein.
Claims (2)
1. Zweilagige, feuerfeste Platte aus einem Substrat aus
Magnesiumoxid, Spinell, Mullit, Zirkonoxid, Zirkon,
Aluminiumoxid, Schamott, Cordierit, Siliciumcarbid
und/oder Siliciumnitrid und einem kornartigen Oberflächenteil,
dadurch gekennzeichnet, daß das kornartige
Oberflächenteil einlagig aus einzelnen Körnern gebildet
ist, die aus Magnesiumoxid, Spinell, Zirkonoxid,
Aluminiumoxid, Siliciumoxid, Chromoxid
(Cr₂O₃), Siliciumcarbid, Siliciumnitrid; Kohlenstoff
und/oder Picrochromit bestehen, die Körner eine
Größe von 0,1 bis 2 mm haben und so auf dem Substrat
aufgebracht sind, daß zwischen den einzelnen Körnern
Lücken bestehen.
2. Verfahren zur Herstellung einer zweilagigen, feuerfesten
Platte gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß
- - der weiche Grünkörper aus Magnesiumoxid, Spinell, Mullit, Zirkonoxid, Zirkon, Aluminiumoxid, Schamott, Cordierit, Siliciumcarbid und/oder Siliciumnitrid, der das Substrat bildet, gleichförmig mit den einzelnen Körnern aus Magnesiumoxid, Spinell, Zirkonoxid, Aluminiumoxid, Siliciumoxid, Chromoxid (Cr₂O₃), Siliciumcarbid, Siliciumnitrid, Kohlenstoff und/oder Picrochromit, die den kornartigen Oberflächenteil bilden, belegt wird;
- - das mit Körnern belegte Substrat so zusammengefügt wird, daß die Körner teilweise im Grünkörper eingebettet sind, und
- - anschließend der zweilagige Körper bei 1000 bis 1800°C gebrannt wird.
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