NO882820L

NO882820L - Isolasjonsmateriale.

Info

Publication number: NO882820L
Application number: NO882820A
Authority: NO
Inventors: Bohdan Gnyra
Original assignee: Alcan Int Ltd
Priority date: 1987-06-26
Filing date: 1988-06-24
Publication date: 1988-12-27
Also published as: AU1836188A; JPS6418980A; US4873209A; CA1274859A; BR8803135A; EP0296768A3; NO882820D0; EP0296768A2; US5033721A

Description

Foreliggende oppfinnelse omhandler lettvekts isolerende ildfaste materialer samt blandinger som brukes for å danne slike materialer. Mere spesielt omhandler oppfinnelsen lettvekts isolerende ildfaste materialer som er motstands-dyktige mot angrep fra smeltede metaller, spesielt smeltet aluminium og dets legeringer.

Under forarbeidelsen av metaller, såsom aliminium, sink, bly, kobber, tinn og deres legeringer og under støping av formede artikler av slike metaller, kommer forskjellige deler og strukturer i direkte kontakt med de smeltede metaller og må følgelig være i stand til å motstå de høye temperaturer samt kjemiske angrep. Delene og strukturene bør også fortrinnsvis være gode varmeisolatorer for å unngå rask avkjøling av de smeltede metaller. For å fremskaffe de nødvendige egenskaper blir delene og strukturene ofte laget av keramisk materiale eller har beskyttende keramiske belegg. Ildfast materiale av keramisk type har god motstand mot høye temperaturer, men kan være gjenstand for angrep av termisk belastningsoppsprekking eller kjemisk angrep av smeltede metaller. For eksempel er smeltet aluminium temmelig reaktivt med silikatinneholdende ildfaste materialer og visse aluminiumslegeringer (spesielt 4,5$ Mg/Al og 2, 5% Li/Al) er ekstremt kjemisk virksomme. Disse metaller har en tendens til å danne destruktive Al-Si-A^C^-keramiske metaller fra ildfast materiale av silikat.

For å motvirke denne destruktive prosess har vanlig praksis vært å bruke forskjellige vaskemidler og belegg for å beskytte de ildfaste overflater. Eksempler på slike vaskemidler og belegg er mica vask, wollastonitt, benaske, zirkonia, toria, titania og nylig, forskjellige karbider og nitrider. Disse fester seg imidlertid kun løst på overflaten som skal beskyttes og finner til slutt veien inn i det bearbeidede metall som uønskede urenheter.

Det et følgelig et behov for et godt isolerende lett ildfast materiale med forbedret motstand mot smeltet aluminium og andre lignede smeltede metaller, og for en blanding som brukes for å danne slike materialer.

I henhold til oppfinnelsen er det fremskaffet en herdbar blanding som omfatter en blandig av keramiske fibre, wollastinittpulver, en vandig kollodial silica med et faststoffinnhold på ca. 5-25 vekt#, hvor vektforholdet av de keramiske fibre til wollastonittpulveret er henholdsvis 0,8-1,2 : 1,5-2,5.

Oppfinnelssen angår også et ildfast materiale som dannes ved å tillate den herdbare blandig å herde og tørke.

Blandingen (som har blitt gitt betegnelsen "BGLM" blanding) omfatter også fortrinnsvis vermikulittpartikler og kan i tillegg innbefatte forsterkende materialer, såsom karbonfibre eller metallfibre, f.eks. stålfibre.

Det foretrukne vektforhold mellom keramiske fibre og wollastonittpulver i blandingen er henholdsvis ca. 1:2.

Når vermikulitt anvendes, er forholdet keramiske fibre: wollastonittpulver:vermikulitt vanligvis henholdsvis 0,8 - 1,2 : 1,5 - 2,5 : 0,25 - 1,75, og foretrukket ca.

1:2: 0,5.

Selv om den kollodiale silica kan inneholde 5-25 vekt# fast materiale som angitt ovenfor, er et mer foretrukket område 10 - 17 vekt#, og det mest foretrukne område er 12 - 15 vekt#. Dersom faststoff(silica)-innholdet er mindre enn 5%, er det endelige ildfaste materiale uakseptabelt skjørt, fordi den kollodiale silica har dårlige bindingsegenskaper. Faststoffinnhold i området 5-10$ gir et ildfast materiale som kan være motstandsdyktig nok for enkelte former for bruk, men et faststoffinnhold på 12% eller mer danner et meget varig materiale. Dersom faststoffinnholdet er for høyt (over 25 vekt#) inneholder det resulterende materiale imidlertid for meget fri silica som kan bli angrepet av smeltede metaller, og den ildfaste egenskap bli svekket ved siliarekrystallisering under arbeide ved høy temperatur. Området 17-25 vekt$ kan gi et akseptabelt produkt for enkelte former for bruk, men den foretrukne maksimale mengde er omkring 15 vekt#.

Kollodial silica er et vandig kolloid av ekstremt fine silicapartikler som tørker for å danne Si02.2H20. Silica

kan være delvis hydrert til silisiumsyre. Kollodial silica er et kommersielt tilgjengelig produkt og har et melkeaktig utseende. Det komersielle produkt har normalt et faststoffinnhold på omkring 25-30 vekt$ og blir fortrinnsvis fortynnet med et likt volum vann før bruk i foreliggende oppfinnelse for å gi blandinger i det foretrukne 12-15$ område nevnt ovenfor. Passende kommersielle produkter innbefatter den kollodiale silica som selges under varemerket LUDOX av DuPont Company, spesielt LUDOX HS-40 og SM (negativt ladede kollodiale silicasoler).

De keramiske fibre anvendt i foreliggende oppfinnelse er fortrinnsvis laget av aluminiumsilikat (A1203.S102) og er generelt dannet fra smeltet kaolin. Fibrene er foretrukket kappet til en lengde på omkring en kvart inch (0,635 cm) eller mindre. Passende fibre innbefatter slike som selges under varemerket FIBERFRAX av The Carborundum Company og slike solgt under varemerket KA0W00L av B&W Co. De kjemiske og fysiske egenskaper til FIBERFRAX bulk-fibre er som føger: Wollastonittpulver består av nåleformede, naturlige krystaller av kalsiumsilikat (CaO.SiOg), og dette materiale kan fra enhver egnet kilde brukes i foreliggende oppfinnelse. Ingen forhåndsbehandling av dette materiale behøver å utføres.

Vermikulitt er et kompleks av hydrert aluminium-jern-magnesium silikat mineral. De varmeekspanderte partikler blir fortrinnsvis siktet og/eller malt (flaket) før bruk i foreliggende oppfinnelse. Vermikulitt med lavt alkali-innhold (4 vekt$ eller mindre alkali, vanligvis K2O eller NA2O) er foretrukket. Vermikulitten blir fortrinnsvis siktet eller malt før bruk og den ønskede partikkelstørrelse er vanligvis minus 6 til pluss 28 Tyler mesh.

Karbonfibre har når de blir anvendt generelt en lengde på ca. 1/4 og 1/2 tomme (6,35mm til 12,7 mm) og stålfibre når de blir anvendt generelt en lengde på 1/2 til 1 tomme (12,7 mm - 25,4 mm). Fortrinnsvis ligger tykkelsen til karbon-eller stålfibrene fra 3 - 30jjm. Mengden av disse fibre i det varmebestandige materiale bør holdes relativt lavt, f.eks. 1-5 vekt$, spesielt 1-2 vekt$ for karbonfibrene og 3-5 vekt# for stålfibrene. Karbonfibre har en tendends til å stive av materialet før det tørker og gi en vesentlig mekanisk forsterkning, selv om fibre nær overflaten i kontakt med metall kan brenne av og etterlate en ikke skadelig fin porøsitet. Stålfibre gir forsterkning mot utstrakt oppsprekking og slagbrudd.

Blandinger stivner og tørker passende ved romtemperatur, men moderat økede temperaturer kan anvendes om ønsket for å akselerere herdeprosessen. Når det er tilstekkelig herdet, blir materialet fortrinnsvis tørket ved å varme det opp til høye temperaturer. Når det er tørket, får materialet overraskende høy styrke og god motstand mot kjemisk angrep av smeltet aluminium og aluminiumslegeringer såvel som andre metaller, såsom sink, bly, kobber, tinn og deres legeringer.

Den varmebestandige blanding ifølge oppfinnelsen kan støpes for å danne formede produkter, f.eks. fallrør (innbefatende slike større enn 2 inches (50,8 mm) i diameter, som det ellers er vanskelig å fremstille), flottører, varmelokk, kontrollpinner, eller den kan bli brukt som pakning (sammen-bindende materiale) eller overflatemateriale for å danne et beskyttende belegg over andre materialer som virker som støttesubstrater. Det er en fordel at støpeproduktene kan bearbeides maskinelt.

Den følgende BGLM-blanding har blitt funnet nyttig for støping av små gjenstander:

For støping av store gjenstander har den følgende blanding blitt funnet å være mere egnet:

For fremstilling av tette skjøter og overflatebelegg ("face- off")-preparater, er de følgende blandinger tilfredsstil-lende for to-lags påføring:

Porsjonsstørrelsene kan selvfølgelig økes ved å øke mengdene av ingrediensene mens de relative mengdeforhold holdes konstant.

Generelt har en økende mengde av siktet vermikulitt en tendens til å senke tettheten (og således den termiske ledningsevne til materialet). Bruken av malt vermikulitt i stedet for siktet vermikulitt øker tettheten og styrken til den endelige støp vesentlig. Tettere materialer erholdes også ved å øke de relative mengder wollastonitt i blandingen, og også ved å gjøre blandingene mindre flytende ved å minke mengden av kollodialt silica bindemiddel.

Bestanddelene i blandingen blir fortrinnsvis blandet meget grundig sammen, f.eks. ved å bruke en "Blender-mixer"

(Hobart-type) eller andre egnede blandeanordnnger. De faste pulvere blir normalt først blandet sammen, og derpå blir de forblandede faste materialer tilsatt den kollodiale silica og blandingen fortsettes i ytterligere 5-10 minutter.

Støping av fallrør, flottører, kontrollpinner osv. utføres fortrinnsvis i "pustende" plast- eller gummiformer som tillater fri passasje av fuktighet når de formede artikler

herdes (stivner) og tørker, enten ved romtemperatr eller ved moderat økte temperaturer (f.eks. opptil ca. 50°C). De delvis tørkede stivnede artikler blir så fjernet fra formene og sakte tørket ved gradvis å oppvarme dem til ca. 400°C -

600°C før de settes i kontakt med smeltede metaller. Eter at de er fullstendig tørket, kan de brukes med smeltede metaller ved temperaturer opptil 800-900°C, selv om ar-beidstemperaturen fortrinnsvis er ca. 750°C (dvs. når de brukes med smeltet aluminium og aluminiumslegeringer).

Selv om de varmebestandige materialer erholdt fra BGLM-blandigen ifølge foreliggende oppfinnelse er anvendelige uten ytterligere behandling, har det blitt funnet at styrken til materialene og deres motstand mot angrep av smeltede metaller forbedres til en fullstendig uventet grad ved anvendelse av en magnesium-silisium-fluoridoppløsning eller søkers "SNF"-behandling beskrevet i søkers US-patent nr. 4.681.819 av 21. juli 1987.

Mere detaljert blir de varmebestandige materialer Ifølge oppfinnelsen når de er fullstendig herdet og tørket, fortrinnsvis overflatebehandlet med en vandig oppløsning av MgSiF6.6H20 ved neddykking, børsting eller sprøyting. Det komplekse fluorid reagerer delvis med det varmebestandige materiale og gjør det hardere, sterkere og mer motstandsdyktig mot kjemisk angrep.

Oppløsningen inneholder normalt ca. 250 g MgSiFfc.61120 pr. liter vann. Eventuelt blir overflatematerialet også bekledd med en blanding av et varmebestandig pulver i kollodial silica før eller etter fluoridbehandlingen. Belegget kan påføres for hånd eller ved sprøytisng og tørkes enten over natten ved romtemperatur eller i et par timer i en strøm av varmluft med en temperatur på opptil ca. 100°C.

En typisk varmebestandig pulverblanding egnet for denne behandling inneholder (pr. vekt)

En kilo av ovefor nevnte pulverblanding krever mellom 1/2 liter og 1 liter av kollodial silica med et faststoffinnhold på ca. 12-15 vekt$. Denne blandig danner en relativt flytende oppslemmlng som kan påføres materialoverflaten med pensel eller spray. Når det er tørt blir dette belegg normalt underkastet fluoridbehandlingen.

Det er antatt at fluoridet gir sin besyttelse ved følgende effekt. Den relativt ustabile MgSiF^.åHgO brytes lett ned ved oppvarming for å danne et svært stabilt MgFg varmebestandig materiale og en svært reaktiv lett SiF4gass. En vesentlig del av sistnevnte antas å reagere med elementene av det varmebestandige materiale og resulterer i dannelsen av en topas type Al2Si03.F(0H)2, som er et varmebestandig-materiale som er kjent for å være meget motstandsdyktig mot angrep av smeltet metall.

Bruken av BGLM varmebestandig materiale ifølge oppfinnelsen som overflatepåføringsmateriale, fulgt av fluioridet eller en fullstendig "SNF"- behandling som angitt ovenfor, er av spesiell interesse. Dette tillater overflatene av høyt isolerende materialer, f.eks. vermikulittplater, å bli bskyttet med et meget sterkt, tynt lag (f.eks. 1/4 tomme, 6,35 mm) av et korrosjons-motstandsdyktig materiale.

Spesielle eksempler på måten på hvilken de overflatebeskyt-tende materialer kan brukes, er vist i de medfølgende tegninger, hvor: fig. 1 er et tverrsnitt av en metallførende renne i henhold til en utførelsesform, og

fig. 2 er et tverrsnitt av en metallførende renne i henhold til en annen utførelsesform,

Rennen i fig. 1 omfatter et ståldeksel (10) belagt med isolerende vermikulittplater (11). Et keramisk fiberteppe (12) ligger over den isolerende plate og er dekket av en stålnettingskjerm (13). Et lag (14) av materialet ifølge oppfinnelsen uten stålfibre blir belagt for hånd over stålnettingen og underkastet den herdende og "SNF"-beskyttende overflatebehandling angitt ovenfor.

I fig. 2 er det ingen stålnettingskjerm og i stedet er materialet ifølge oppfinnelsen påført for hånd i to trinn for å danne to lag (14a) og (14b). Det underliggende lag (14a) inneholder stålfibre for innvendig støtte og det overliggende lag (14b) inneholder ingen stålfibre for å unngå kontakt mellom stålet og det smeltede metall som føres av rennen. I denne utførelsesform ligger teppet (12) av keramiske fibre mellom ståldekslet (10) og de isolerende plater (11). Det overliggende lag (14b) underkastes herde-og beskyttelsesbehandlingen som angitt ovenfor.

Blandingene og materialene ifølge forekliggende oppfinnelse har blitt underkastet betraktelige undersøkelser i indu-strielle omgivelser med gunstige resultater som vist i de følgende eksempler.

Eksempel 1

En 80 fot lang lettvekts isolerende renne ble støpt fra blandingen egnet for store formål som angitt ovenfor og underkastet "SNF"-behandlingen. Rennen har blitt brukt (Alcan Guelph Works) for å føre smeltet aluminium i over to år med kun små reparasjoner. Vanlige ikke-isolerende renner i samme bruk måtte bli fullstendig rekonstruert etter 6 måneders bruksperiode.

Eksempel 2

En 20 fots renne ble støpt fra blandingen egnet for store formål angitt ovenfor og underkastet "SNF"-behandlIngen. Rennen var i bruk i over 3 måneder (Alcan Pickering Works) med kun små skjønnhetsmessige reparasjoner før den ble ødelagt ved et uhell.

I tillegg til dette, på samme sted overtraff store isolerende støpebord (6x2x1 fot) laget av samme materiale de tidligere beste bord med en faktor på 3-5 i forhold til bruksmessig levetid.

Eksempel 3

Store 2 tommers (50,8 mm)(invendig diameter) "steady-eddy" fallrør/kraner ble støpt fra blandingen egnet for store formål som angitt ovenfor, og ble underkastet "SNF"-behandlingen. Disse fallrør/kraner var meget bedre enn lignende fallrør støpt av fusert silica med en faktor på 4-6 i forhold til nyttbar levetid (Alcan Arvida Works).

Eksempel 4

En 30 fot lang lettvekts isolerende renne ble støpt fra blandingen egnet for store formål som angitt ovenfor og har vært i kontinuerlig bruk for å føre smeltede aluminiumslegeringer i over 3 år med kun små reparasjoner (Alcan Kingston Experimental Foundry). En slik lang levetid er uvanlig og kan oppnås av materialene ifølge foreliggende oppfinnelse på grunn av enkeltheten og lettheten av reparasjoner (dvs. stedvis) ved å bruke disse blandinger.

Det er også blitt funnet at store eksperimentelle varmlokk på 6 tommer (152,4 mm)(innvendig diameter) laget av blandigen egnet for store formål og underkastet "SNF"-behandlingen, koster kun en brøkdel av de kommersielt tilgjengelige produkter for tilsvarende bruk.

Eksempel 5

Levetiden til kontrollkraner og skummeplater i et alumini-umsverk (Alcan Kitimat Work) har blitt øket 5-10 ganger ved anvendelse av overflateblandingen angitt ovenfor, fulgt av "SNF"-behandl ingen.

Claims

1. Herdbar blanding, karakterisert ved at den omfatter en blanding av keramiske fibre, wollastonittpulver, og vandig kollodial silica med et faststoffinnhold på omkring 5-25 vektprosent, hvori vektforhodet av de keramiske fibre til wollastonittpulver er henholdsvis 0,8 - 1,2 : 1,5 - 2,5.

2. Blanding ifølge krav 1, karakterisert ved at den vandige kollodiale silica har et faststoffinnhold i området ca. 10-17 vekt$.

3. Blanding ifølge krav 1, karakterisert ved at den vandige kollodiale silica har et faststoffinnhold i området ca. 12-15 vekt$.

4. Blanding ifølge krav 1, karakterisert ved at den ytterligere omfatter vermikulitt, hvori vektforholdet keramiske fibre : wollastonitt : vermikulitt er henholdvis 0,8 - 1,2 : 1,5 - 2,5 : 0,25 - 0,75.

5. Blanding ifølge krav 4, karakterisert ved at vektforholdet keramiske fibre : wollastonitt : vermikulitt er henholdsvis ca. 1 : 2 : 0,5.

6. Blanding ifølge etthvert av de foregående krav, karakterisert ved at den ytterligere omfatter karbonfibre som i tillegg omfatter 1-2 vekt$ karbonf ibre.

7. Blanding ifølge etthvert av de foregående krav, karakterisert ved at den ytterligere omfatter stålfibre.

8. Blanding ifølge krav 1, 2 eller 3, karakterisert ved at den har følgende sammensetning eller brøkdeler eller multiple deler derav:

9. Materiale ifølge krav 1, 2 eller 3, karakterisert ved at det har følgende sammensetning eller brøkdeler eller multiple deler derav:

10. Blanding ifølge krav 1. 2 eller 3, karakterisert ved at den har følgende sammensetning eller brøkdeler eller multiple deler derav:

11. Blanding ifølge krav 1,2, eller 3, karakterisert ved at den har følgende sammensetning eller brøkdeler eller multiple deler derav:

12. Ildfast materiale, karakterisert ved at det er erholdt ved å herde og tørke en blanding ifølge etthvert av de foregående krav.

13. Materiale ifølge krav 12, karakterisert ved at det har en overflate med øket motstand mot kjemisk angrep som stammer fra en overflatebehandling med en magnesium-silicium-fluoridoppløsning.

14. Materiale ifølge krav 13, karakterisert ved at oppløsningen er en vandig oppløsning av MgSiF6 .6H2 0.

15. Materiale ifølge krav 12, karakterisert ved at det har en overflate med øket motstand mot kjemisk angrep og som stammer fra en overflatebehandling med et varmebestandig pulver.

16. Materiale ifølge krav 15, karakterisert ved at det varmebesstandige pulver omfatter malte aluminiumsilikat-f ibre, malt CX-AI2 O3 , calsiumsilikat og kaolin, blandet med kollodial silika med et faststoffinnhold på ca.

12-15 vekt$.

17. Materiale ifølge krav 12, karakterisert ved at det har en overflate med øket motstand mot kjemisk angrep og som stammer fra en overflatebehandling med et ildfast pulver og en magnesium-silisium-fluiorid-oppløsning.

18. Materiale ifølge krav 17 eller 18, karakterisert ved at magnesium-silisium-fluorid-oppløsningen er en vandig oppløsnng av MgSiF^ .bH^ O.

19. Materiale ifølge krav 17 eller 18, karakterisert ved at det ildfaste pulver omfatter aluminiumsilikat-f ibre, malt CX-AI2 O3 , kalsiumsilikat og kaolin blandet med kollodial silika med et faststoffinnhold på ca. 12-15 vekt#.