DD296476A5 - PROCESS FOR THE PRODUCTION OF SIC'FORMKOERPERN - Google Patents

PROCESS FOR THE PRODUCTION OF SIC'FORMKOERPERN Download PDF

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DD296476A5 DD34257690A DD34257690A DD296476A5 DD 296476 A5 DD296476 A5 DD 296476A5 DD 34257690 A DD34257690 A DD 34257690A DD 34257690 A DD34257690 A DD 34257690A DD 296476 A5 DD296476 A5 DD 296476A5
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Frank Piper
Bernd Weise
Gerolf Kunde
Gerald Rockstroh
Heinz Zimmermann
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Elektrokohle Lichtenberg Ag,De
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von poroesen Siliciumcarbidformkoerpern fuer die Filtration schmelzfluessiger Metalle. Erfindungsgemaesz werden sie mit einem Bindemittel hergestellt, das Borcarbid, Siliciumcarbid und Silicium enthaelt.{Verfahren; Herstellung; SiC-Formkoerper; Bindemittel; SiC; Silicium; Borcarbid; Kornform; Suspension; waeszrige Loesung}The invention relates to a process for the preparation of porous silicon carbide moldings for the filtration of molten metals. According to the invention, they are made with a binder containing boron carbide, silicon carbide and silicon. manufacture; SiC Formkoerper; Binder; SiC; silicon; boron carbide; Grain shape; Suspension; liquid solution}

Description

Anwendungsgebiet der ErfindungField of application of the invention

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von porösen Siliciumcarbidformkörpern für die Filtration schmelzflüssiger Metalle.The invention relates to a process for the production of porous Siliziumcarbidformkörpern for the filtration of molten metals.

Charakteristik des bekannten Standes der TechnikCharacteristic of the known state of the art Siliciumcarbidformkörper mit einer geeigneten Porenstruktur werden aufgrund ihrer hohen chemischen und thermischenSilicon carbide moldings with a suitable pore structure are due to their high chemical and thermal Beständigkeit als Filterelemente zur Reinigung von Metallschmelzen verwendet. Es sind verschiedene Verfahren bekannt, nachResistance used as filter elements for cleaning molten metals. Various methods are known, according to

denen derartige poröse SiC-Körper erzeugt werden.where such porous SiC bodies are produced.

Nach einem Verfahrensprinzip wird ein offenzelliger Kunststoffschwamm mit einem Schlicker aus feinstkörnigem SiC und einemAfter a process principle, an open-cell plastic sponge with a slurry of fine-grained SiC and a Iceramischen Bindemittel getränkt und nach dem Trocknen bei Temperaturen um 1275 K geglüht. Der Kunststoff wird dabeiIceramic binder soaked and annealed after drying at temperatures around 1275 K. The plastic will be there

thermisch zersetzt und der SiC-Schlicker liegt als fester Körper mit der Porenstruktur des ursprünglichen Kunststoffschwammesthermally decomposed and the SiC slip is as a solid body with the pore structure of the original plastic sponge

Bei solchen SiC-Filtern ist jedoch von Nachteil, daß sie infolge der geringen Wanddicken leicht ausbrechen, was zuIn such SiC filters, however, is disadvantageous in that they easily break out due to the small wall thickness, what to

schwerwiegenden Beschädigungen in den der Filtration nachgelagerten Bearbeitungseinrichtungen aber zumindest zu unerwünschten Verunreinigungen des Metalles führen kann. Des weiteren ist die Filterwirkung von Schaumkeramiken auf gröbere Partikel in der Schmelze beschränkt. Die Standzeit und der Durchsatz flüssigen Metalles ist bei solchen Filtern relativ niedrig.serious damage in the filtration downstream processing equipment but can at least lead to unwanted contamination of the metal. Furthermore, the filtering action of foamed ceramics is limited to coarser particles in the melt. The service life and the throughput of liquid metal is relatively low in such filters.

Erschwerend kommt hinzu, daß das zur Herstellung derartiger Filter benötigte Schaumpolyurethan bei der thermischenTo make matters worse, that required for the production of such filter foam polyurethane in the thermal Zersetzung umweltschädigende Pyrolyseprodukte erzeugt, die mittels aufwendiger nachgeschalteter ReinigungsanlagenDecomposition produces environmentally harmful pyrolysis products by means of complex downstream purification systems

entsorgt werden müssen.must be disposed of.

Wesentlich bessere Ergebnisse werden mit einem ebenfalls handelsüblichen Filterelement erzielt, bei dem Korund- oderMuch better results are achieved with a likewise commercially available filter element, in the corundum or Siliciumcarbidkörner über oxidkeramische oder arteigene Bindemittel verbrückt sind. Das eingesetzte Primärkorn ist kompaktSilicon carbide grains are bridged on oxide ceramic or species-specific binder. The primary grain used is compact

und von abgerundeter Form, wobei die häufigsten Raumachsverhältnisse im Kombinationsbereich von 1:1:1 (Kugelkorn) bis 1:2:3 (ovales Korn) liegen. Diese Filterelemente weisen eine erhöhte Standzeit und einen von 3- bis zu 10f ach höheren Durchsatz auf. Als sehr nachteilig wird jedoch empfunden, daß die Bindemittelbrücken, bedingt durch Materialunterschiede zwischen Korn und Bindemittel, die sich unter anderem in unterschiedlichem Temperaturausdehnungsverhalten auswirken, sehr brüchigand of rounded form, with the most common spatial axis ratios in the combination range from 1: 1: 1 (spherical grain) to 1: 2: 3 (oval grain). These filter elements have an increased life and from 3 to 10f higher throughput. However, it is felt to be very disadvantageous that the binder bridges are very brittle due to material differences between the grain and the binder which, inter alia, have different thermal expansion behavior

Die Strukturanalyse am Materialanschliff zeigte auf, daß bereits am unbenutzten Filter die Bindemittelbrücken von MikrorissenThe structural analysis of the material cut revealed that the binder bridges of microcracks already existed on the unused filter

durchzogen waren. Diese Mikrorisse sind die Ursache für die Brüchigkeit und damit für die beobachteten Kornausbrüche. Das kann sich auf die der Filtration nachgelagerten Bearbeitungseinrichtungen verheerend auswirken und Ausschuß verursachen.were crossed. These microcracks are the cause of the brittleness and thus of the observed grain breakouts. This can have a devastating effect on the filtration downstream processing facilities and cause rejects.

Die mit der Nutzung der Filterelemente zwangsläufig auftretenden chemischen Veränderungen der Bindemittelbrücken durchThe inevitably occurring with the use of the filter elements chemical changes in the binder bridges

die Medien-und Temperatureinflüsse verstärken diesen Negativeffekt. Es kommt zur Kristallisation der Glasphase und erhöhterthe media and temperature influences increase this negative effect. It comes to the crystallization of the glass phase and increased

Rissigkeit des Bindemittels und somit zur weiteren Gerüstschwächung.Cracking of the binder and thus further degradation of the framework. Ziel der ErfindungObject of the invention

Das Ziel der Erfindung ist es, ein keramisches Bindemittelsystem für die Herstellung poröser SiC-Formkörper anzugeben, das eine hohe Festigkeit der Bindung über einen längeren Zeitraum bei hohen Temperaturen gewährleistet.The object of the invention is to provide a ceramic binder system for the production of porous SiC moldings, which ensures a high strength of the bond over a long period of time at high temperatures.

Wesen der ErfindungEssence of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine feste keramische Bindung zwischen SiC-Körnern durch Tränkung des Kornhaufwerkes mit einer glasbildende Stoffe enthaltenden Lösung zu schaffen.The invention has for its object to provide a solid ceramic bond between SiC grains by impregnation of the Kornhaufwerkes with a solution containing glass forming substances.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß in der wäßrigen Lösung Feststoffe, wie Borcarbid, Siliciumcarbid undAccording to the invention the object is achieved in that in the aqueous solution solids such as boron carbide, silicon carbide and Silicium, mit einer Korngröße von max. 80 pm suspendiert sind, wobei das Borcarbid zur Summe Siliciumcarbid und Silicium inSilicon, with a grain size of max. 80 pm are suspended, the boron carbide to the sum of silicon carbide and silicon in

einem molaren Verhältnis von 1:5 bis 1:15 und das Siliciumcarbid zu Silicium in einem molaren Verhältnis von 8:1 bis 12:1 stehen.a molar ratio of 1: 5 to 1:15 and the silicon carbide to silicon in a molar ratio of 8: 1 to 12: 1.

Der Anteil der suspendierten Feststoffe in der Lösung beträgt 5% bis 20%.The proportion of suspended solids in the solution is 5% to 20%. Es hat sich gezeigt, daß das Borcarbid bei längerem Gebrauch unter Anwendungstemperatur Bortrioxid bildet und der infolgeIt has been found that the boron carbide forms with prolonged use at application temperature boron trioxide and due Medien- und Temperatureinfluß einsetzenden Bindungsschwächung, z. B. durch Kristallisation und Rissebildung, durchMedia and temperature influence onset weakening, z. B. by crystallization and cracking, by Glasneubildung entgegenwirkt.Counteracts new glass formation. Der Zusatz von Siliciumcarbid und Silicium in bestimmten Mengenverhältnissen, die im Zusammenhang stehen mit derThe addition of silicon carbide and silicon in specified proportions related to

unterschiedlichen Reaktionsgeschwindigkeit zur Bildung des Oxydationsproduktes Siliciumdioxid, stabilisiert den Ablauf derdifferent reaction rate to form the oxidation product silica, stabilizes the flow of the

Alterungskompensation.Aging compensation. Zur Herstellung des Formkörpers wurde auch ein spezielles SiC-Korn verwendet.For the production of the shaped body, a special SiC grain was also used. Im Widerspruch zur üblichen Fachmeinung, für die Erzeugung von Formkörpern gerundetes Korn einzusetzen, wurde einContrary to the usual opinion, to use rounded grain for the production of moldings became

prismatisch gebrochenes SiC-Korn mit Raumachsverhältnissen im Kombinationsbereich von 1:1:2 bis 1:3,5:6 verwendet. Dasprismatically broken SiC grain with spatial spacings in the combination range of 1: 1: 2 to 1: 3.5: 6 used. The

Korn wies außerdem eine offene Mikroporosität von 10Vol.-% bis 20Vol.-% auf.Grain also had an open microporosity of 10% by volume to 20% by volume. Dieses besondere SiC-Korn bewirkte durch teilweise flächige Kontakte im Verbund eine Festigkeitserhöhung. WesentlicherThis special SiC grain caused an increase in strength due to partially flat contacts in the composite. essential

scheint aber in Hinsicht auf die Anwendung als Filter die Erhöhung der Rauhigkeit und der Unregelmäßigkeit im Porenraum durch das Spezialkorn, welche einen besseren Filtrationseffekt hervorrufen.However, with regard to the application as a filter, it seems that the roughness and the irregularity in the pore space by the special grain increase, which produce a better filtration effect.

Ausführungsbeispielembodiment

4000g einer Körnung aus prismatisch gebrochenem SiC, entnommen einer Siebfraktion von 3,15mm bis 6,00mm, mit einer Einzelkorn rohdichte von durchschnittlich 2,5 g/cm3 und den häufigsten Raumachsverhältnissen von 1:1,1:2,2 bis 1:3,2:5,6 sowie einer offenen Mikroporosität von 16Vol.-%, wurde mit 1930g einer wäßrigen Suspension, die die wasserlöslichen Salze von4000g of a grain size of prismatically broken SiC, taken from a sieve fraction of 3.15mm to 6.00mm, with a single grain density of an average of 2.5 g / cm 3 and the most common spatial axis ratios of 1: 1.1: 2.2 to 1: 3.2: 5.6 and an open microporosity of 16Vol .-%, with 1930g of an aqueous suspension containing the water-soluble salts of

18,13g K2O18.13 g K 2 O

7,65 g Na2O 13,38 g CaO7.65 g Na 2 O 13.38 g CaO

9,75g MgO 40,96g AI2O3, 292,18g SiO2 (in kolloider Form)9.75 g MgO 40.96 g Al 2 O 3 , 292.18 g SiO 2 (in colloidal form)

und die Feststoffe vonand the solids of

72,00g B4C (max. Korngröße 75цт)72,00g B 4 C (max.

12,00g Si (max. Korngröße 40 цт)12,00g Si (max grain size 40 цт)

138,00g SiC (max. Korngröße 30um)138.00g SiC (max grain size 30um)

enthielt, gemischt. Der Anteil der Feststoffe in der Suspension betrug somit 11,5% und das B4C stand zum summarischen Anteilcontained, mixed. The proportion of solids in the suspension was thus 11.5% and the B 4 C was the summary share

Si und SiC in einem molaren Verhältnis von 1:5,4, worin sich die molare Relation von SiC zu Si wie 8:1 verhielt.Si and SiC in a molar ratio of 1: 5.4, wherein the molar ratio of SiC to Si as 8: 1 behaved. Die erhaltene breiige Masse wurde abgeformt und mit Form bei 2000C getrocknet. Danach wurde der erhaltene Körper aus derThe resulting pulpy mass was molded and dried with mold at 200 0 C. Thereafter, the body obtained from the Form entfernt und bei einer Endtemperatur von 1625 K in oxidierender Atmosphäre gebrannt.Form and fired at a final temperature of 1625 K in an oxidizing atmosphere. Es entstand ein offen-makroporöser Formkörper, dessen SiC-Körner allseitig mit einer glasigen Schicht umhüllt und festThe result was an open-macroporous molding whose SiC grains coated on all sides with a glassy layer and solid

miteinander verbrückt waren. Die Strukturanalyse eines Materialanschliffes ergab eine von Mikrorissen freie, gut ausgebildete glasartige Bindung.were bridged together. Structural analysis of a material cut revealed a microcrack-free, well-formed vitreous bond.

Die ermittelte Makroporosität betrug 42Vol.-%.The determined macroporosity was 42% by volume.

Claims (2)

1. Verfahren zur Herstellung von Siliciumcarbidformkörpern, die oxidkeramisch gebunden und makroporös sind, indem ein SiC-Korngemisch mit einer glasbildende Stoffe enthaltenden wäßrigen Lösung gemischt, anschließend abgeformt, getrocknet und bei Temperaturen um 1 625K gebrannt wird, gekennzeichnet dadurch, daß in der Lösung Borcarbid, Siliciumcarbid und Silicium mit einer maximalen Korngröße von 80 μητι suspendiert sind, wobei Borcarbid zur Summe Siliciumcarbid und Silicium in einem molaren Verhältnis von 1:5 bis 1:15 und das Siliciumcarbid zu Silicium in einem molaren Verhältnis von 8:1 bis 12:1 stehen und der Anteil der suspendierten Feststoffein der Lösung 5% bis 20% beträgt.A process for the preparation of Siliziumcarbidformkörpern which are oxide-ceramic bound and macroporous by mixing a SiC grain mixture with an aqueous solution containing glass forming, then molded, dried and fired at temperatures around 1 625K, characterized in that in the solution boron carbide , Silicon carbide and silicon having a maximum grain size of 80 μητι are suspended, wherein boron carbide to the sum of silicon carbide and silicon in a molar ratio of 1: 5 to 1:15 and the silicon carbide to silicon in a molar ratio of 8: 1 to 12: 1 and the proportion of suspended solids in the solution is 5% to 20%. 2. Verfahren zur Herstellung von Siliciumcarbidformkörpern, die oxidkeramisch gebunden und makroporös sind, nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß das SiC-Korngemisch ausgeprägt kantig und prismatisch gebrochen ist, die häufigsten Raumachsverhältnisse im Kombinationsbereich von 1:1:2 bis 1:3,5:6 liegen, und daß der Kornwerkstoff eine offene Mikroporosität von 10Vol.-% bis 20Vol.-% besitzt.2. A process for producing Siliziumcarbidformkörpern which are oxide-ceramic bound and macroporous, according to claim 1, characterized in that the SiC grain mixture is pronounced edged and prismatic broken, the most common Raumachsverhältnisse in the combination range of 1: 1: 2 to 1: 3, 5: 6, and that the grain material has an open microporosity of 10Vol .-% to 20Vol .-%.
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