DE2605948B2

DE2605948B2 - Keramischer formkoerper mit hoher temperaturwechselbestaendigkeit

Info

Publication number: DE2605948B2
Application number: DE19762605948
Authority: DE
Inventors: Ludwig 8905 Menng Kohler Emil-Karl Dipl -Chem Dr -Ing Petschauer Hans 3432 Großalmerode Klopfer
Original assignee: Vereinigte Grossalmeroder Thonwerke 3432 Grossalmerode Kwm Keramik Werk Menng & Co Kg 8905 Menng GmbH
Current assignee: Vgt Ag 3432 Grossalmerode De Kwm Keramik-Werk Me
Priority date: 1976-02-14
Filing date: 1976-02-14
Publication date: 1978-01-12
Also published as: GB1557615A; JPS5298715A; FR2435685A1; DE2605948A1; NL7701546A; DE2605948C3; FR2435685B1

Description

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 einhält. Die Hrfindiing zeigt gleichzeitig ein Verfahren zur I lerstellung derartiger Formkörper, insbesondere in der Weiterbildung als Brennhilfsmittel mit verbesserter Temperatur Wechselbeständigkeit.

Das Brennen keramischer Formlinge, wie beispielsweise Geschirr, Fliesen usw., erfolgt in steigendem Maße in Schnellbrandofen. Bei der außerordentlich kurzen O;endurehlaufzeu in diesen Schnellbrandöfen von ca. JO bis 120 Minuten treten Tempeniturschockbelastungen 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 deiisen Herstellung Quarzgut eingesetzt wird. Feuerfeste keramische Formkörper sind aber von Breiinhilfsmilleln verschieden. Dieses Brennhilfsmittel kann als keramischer Formkörper angesprochen werden, aber nicht jsder feuerfeste keramische Formkörper ist ein Brennhilfsmittel. Bei einem feuerfesten keramischen Formkörper kommt es im wesentlichen nur auf eine Eigenschaft an, nämlich die hohe Betriebstemperatur aus/.uhalten, der dieser Formkörper ausgesetzt wird. Gemäß der DT-PS 9 05 237 soll der feuerfeste keramische Formkörper entweder überhaupt nicht gebrannt oder aber bei vergleichsweise niedriger Temperatur (etwa IOOO^JC) gebrannt werden. Zu erwarten ist damit ein feuerfester keramischer Formkörper niedriger Festigkeit und ohne jede nennenswerte Heißbiegefestigkeit. Als Zuschlagsstoff und Magerungsmittel wird /.. 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/cm¹. 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/ cm'. Obwohl es seit langem bekannt ist, daß Quarzgut und Quarzglas sehr kleine Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen, ist die Verwendung von Quarzgut allein oder in Verbindung mit keramischen Zuschlagsstoffen für die Herstellung von Brennhilfsmittel 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 Schmelzfliißverfahren herstellen;damit ist einer rentablen Fertigung von vornherein der Boden entzogen.

Darüber hinaus isi zahlreicher Stand der Technik bekannt, z. B. aus der DTPS ^r> ^r>5 767, der DT-PS 11 17 027 und der DT-F¹S 9 00 19b, die sich sämtlich mit

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 Sehnellbrandöfeii 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 IJOO⁰C gebrannt ist. Derartige Brennhilfsmittel sind insbesondere in der Temperaturwechselbeständigkeit, auch nach längerem Einsatz, aber auch bei ausreichender mechanischer Festigkeit und bei guter Heißbiegefestigkeit den bisher bekannten Brennhilfsmitteln, insbesondere Plat- jo ten, 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 w Bentonite. Auch beim Brand Cordierit bildende Bindemittel-Kombinationen mit vorzugsweise Talkum, Speckstein oder Mg-COs als MgO-Träger, können eingesetzt werden. Weiterhin sind Tonerdeschmelzzemente, vorzugsweise mit niedrigem Fe2Oj- oder hohem AbOi-Gehalt, 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 ω 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 Brennhilfsmitteln auf der Basis von Quar/gut bzw. ir, Quarzglas stellt sich die Hauptforderung, daß sie den Wärmeausdehnungskoeffizienten der Quar/gutmischung nur in geringem Ausmaß beeinflussen dürfen.

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 I

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
Kaltbiegefestigkeit
Temperaturwechselbeständigkeit
Wärmeausdehnung
bei 800⁰C

1,80 g/cm i
50 kp/cm²

> 50 Abschreckungen
0,20%

Beispiel 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.-% AI₂Oj 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-A^Oj-Mischung eingesetzt werden. Es ergeben sich folgende Eigenschaftsdaten:

Rohdichte	1,83 g/cm^J
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
Kaltbiegefestigkeit
Temperaturwechselbeständigkeit
Wärmeausdehnung
bei 800"C

2,0 g/cm¹
55 kp/cm²

> 50 Abschreckungen
0.18%

Beispiel 4

Rohstoff wurde 68 Gew.-% Quarzgut eingesetzt, kamen !0 Gew.-% Sillimanit als Zuschlagsstoff ? Gew.-°/o Kaolin als Bindemittel. Die hieraus Ilen Platten hatten folgende Eigenschaften:

:gefestigkcit
•raturwechseldigkeit

90 kp/cm²

> 50 Abschreckungen

Wärmeausdehnung
bei800"C

0,19%

Die gemäß den Beispielen hergestellten Platten wurden in Schnellbrandöfcn ?.um Brennen von l'liescn eingesetzt, und zwar bei einer Brenntemperatur von 1120"C und einer Ofendurchlaufzcit von 80 Minuten. Überraschenderweise hielten die Platten 600 Ofendiirchgängc ohne Brauch aus.

Claims

Patentansprüche:

1. Keramischer Formkörper mit hoher Temperaturwechselbeständigkeit, aus einer gemischten, ge- ί formten, getrockneten urid schließlich gebrannten Ausgangsmasse, die als mengenmäßig überwiegenden Rohstoff Quarzgut oder Quarzglas und einen Zuschlagsstoff sowie ein Bindemittel enthält, d a durch gekennzeichnet, daß er zur Weiterbildung als Brennhilfsmittel, insbesondere als Platte für den Brand keramischer Formlinge in einem Schnellbrandofen, als Zuschlagsstoff Cordierit bildende oder Cordierit enthaltende Stoffe, Mullit, Sillimanit, SiC oder eine Kombination dieser Stoffe r> enthält und daß die Ausgangsmasse bei einer Temperatur von über IJ00^oC gebrannt ist.

2. Verfahren zur Herstellung eines keramischen Formkörpers mit hoher Temperaturwechselbeständigkeit nach Anspruch I, 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 F.rzeugung von Brennhilfsmittel als Zuschlagsstoff « Cordierit bildende oder Cordierit enthaltende Stoffe, Mullit, Sillimanit, SiC oder eine Kombination dieser Stoffe Verwendung findet und daß die Ausgangsmasse bei einer Temperatur von über 1300⁰C gebrannt wird. )0

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

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekenn zeichnet, daß als Bindemittel beim Brand Cordierit js bildende Bindemittel-Kombinationen, mit vorzugsweise Talkum. Speckstein oder Mg-CO₁ als MgO-Träger. eingesetzt werden.

5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Bindemittel Tonerdeschmelzzemente, vorzugsweise mit niedrigem FejOj- und hohem AI/VGehalt, eingesetzt werden.

6. 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.