DE19735448B4

DE19735448B4 - Verwendung von kristallwasserfreiem saurem Alkaliphosphat als Schmelzbinder

Info

Publication number: DE19735448B4
Application number: DE19735448A
Authority: DE
Inventors: Ralf Dr. Giskow; Erwin Schmidt; Rüdiger WISSEMBORSKI
Original assignee: Chemische Fabrik Budenhiem KG
Current assignee: Chemische Fabrik Budenhiem KG
Priority date: 1997-08-16
Filing date: 1997-08-16
Publication date: 2007-02-01
Anticipated expiration: 2017-08-17
Also published as: DE19735448A1

Abstract

Verwendung von kristallwasserfreiem saurem Alkaliphosphat mit einem Molverhältnis von Alkalimetalloxid zu P₂O₅ von 0,4 bis 0,9 als trocken zu vermischender Schmelzbinder für anorganische Rohstoffe.

Description

Die Erfindung betrifft das Gebiet der Schmelzbinder für anorganische Rohstoffe, insbesondere für silikatische, oxidische und mineralische Rohstoffe. Solche Bindemittel verwendet man in verschiedenen Industriezweigen, wie in der Feuerfestindustrie, keramischen Industrie, Baustoffindustrie, für Isolationsmassen, Reibbeläge oder Induktionsöfen.

Beispielsweise aus der DE-A-21 19 668 sind feuerfeste Produkte aus einem feuerfesten Aggregat und Bindemittel bekannt, wobei das Bindemittel im wesentlichen aus gekörntem P₂O₅ enthaltendem Material und Fettsäure enthaltendem Pech besteht. Ein Spritzmittel zur Trockenspritzung der Auskleidung von metallurgischen Öfen, das als Bindemittel 10–30 Gew.-% organische Bestandteile und 5–15 Gew.-% Bindeton, Magnesiumsulfat, Kaolin, Bentonit oder Melasse enthält, ist aus der DE-A-17 56 037 bekannt. Solche Bindemittel haben den Nachteil, daß sie organische Stoffe enthalten, die bei höherer Temperatur zerstört werden und schädliche Gase freisetzen, wodurch nicht nur die Bindung geschwächt, sondern auch eine Umweltbelastung erzeugt wird.

Die EP 399.728 B1 beschreibt die Verwendung von Trialkaliphosphaten als Korrosionsschutzmittel in Reibbelägen oder in Festschmierstoffkombinationen für Reibbeläge. Diese Verwendung hat nichts mit derjenigen als Schmelzbinder zu tun, und die verwendeten Phosphate haben sehr hohe Schmelzpunkte.

Die WO94/14727 A1 beschreibt selbsthärtende Feuerfestmassen unter Verwendung anorganischer Salze, die hohe Anteile an Kristallwasser enthalten. Diese Salze sind zwar niedrigschmelzend, doch hat ihr hoher Wassergehalt den Nachteil, daß sie zu einer Hydratation der eingesetzten Rohstoffe führen können und daß sie bei Temperatureinwirkung große Mengen an Wasserdampf abgeben. Dieser Wasserdampf kann zur Rißbildung führen, was die Feuerfestmassen unbrauchbar machen würde.

Aus der DE 22 55 516 A ist eine feuerfeste Masse bekannt, die im wesentlichen aus einem Magnesia-Chromerz-Kornmaterial besteht und mit einem wasserlöslichen Phosphat als chemisches Bindemittel gebunden wird. Die beanspruchte Masse wird dabei als Stampfmasse bzw. Gießmasse unter Zusatz von Wasser verarbeitet. Auch hier kann bei Erhitzung Wasserdampf entstehen, der zur Rißbildung führt.

In der DE 22 49 418 A werden mit Wasser kalt abbindende feuerfeste Masse und Mörtel beschrieben, wobei als Bindemittel eine Mischung aus Portlandzement und festem saurem Phosphat verwendet wird.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe bestand daher darin, Schmelzbinder für anorganische Rohstoffe zu bekommen, die keine organischen Komponenten enthalten müssen, möglichst niedrigschmelzend sind, bei Temperatureinwirkung keine wesentlichen Mengen an Wasserdampf entwickeln und mit den anorganischen Rohstoffen, die sie binden sollen, reagieren.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch Verwendung von kristallwasserfreiem saurem Alkaliphosphat mit einem Molverhältnis von Alkalimetalloxid zu P₂O₅ von 0,4 bis 0,9 als trocken zu vermischender Schmelzbinder für anorganische Rohstoffe gelöst.

Ein Schmelzbinder für anorganische Rohstoffe ist anmeldungsgemäß ein bei Raumtemperatur festes Bindemittel, das eine Schmelztemperatur aufweist, die unterhalb der Schmelztemperatur der zu bindenden Rohstoffe liegt, und beim Erhitzen eines Gemisches von zu bindenden Rohstoffen und Schmelzbinder oberhalb der Schmelztemperatur des Binders und anschließendem Abkühlen das Gemisch unter Verfestigung physikalisch abbindet.

Die genannten sauren Alkaliphosphate, insbesondere Natrium- oder Kaliumphosphate, besonders Natriumphosphate, sind rein anorganisch und enthalten keine organischen Bestandteile. Selbst im Fall, daß sie in Verbindung mit geringeren Mengen organischer Substanzen eingesetzt werden, bieten sie als Hauptbestandteil des Schmelzbinders den Vorteil, rein anorganisch zu sein. Sie besitzen niedrige Schmelzpunkte in der Größenordnung von 50°C bis 120°C, sind kristallwasserfrei, d.h. sie enthalten im Durchschnitt maximal 10% Kristallwasser und entwickeln daher beim Erhitzen keine oder nur geringe Wasserdampfmengen, und schließlich sind sie hoch reaktiv mit einem pH-Wert von etwa 2,2, so daß sie beispielsweise oxidische und silikatische Rohstoffe gut binden.

Die erfindungsgemäßen Bindemittel können selbstverständlich auch in Kombination mit anderen Substanzen benutzt werden, wobei die Bindung über den Schmelzprozeß erfolgt. Bei Verwendung zusammen mit anderen Bindemittelkomponenten wird man darauf achten, daß die oben geschilderten Vorteile der erfindungsgemäßen Schmelzbinder durch die zusätzlichen Komponenten nicht aufgehoben werden.

Die erfindungsgemäß verwendeten sauren Alkaliphosphate besitzen zweckmäßig ein Molverhältnis von Alkalimetalloxid, insbesondere Natriumoxid, zu P₂O₅ im Bereich von 0,5 bis 0,8, was bedeutet, daß es sich dabei um Gemische saurer Alkaliphosphate handeln kann. Besonders zweckmäßig ist es, wenn das saure Alkaliphosphat nach der Erfindung aus dem kristallwasserfreien Me_0,5H_2,5PO₄, worin Me Na oder K, insbesondere Na bedeutet, besteht, oder dieses Phosphat im Gemisch mit anderen kristallwasserfreien sauren Alkaliphosphaten, wie Mononatriumphosphat, enthält.

Die sauren Alkaliphosphate können erfindungsgemäß für die eingangs genannten Anwendungszwecke eingesetzt werden, allgemein jedoch zur Bindung mineralischer oder keramischer Rohstoffe, insbesondere zur Bindung silikatischer oder oxidischer anorganischer Rohstoffe. Dabei können die kristallwasserfreien sauren Alkaliphosphate in einem weiten Bereich, bezogen auf die Gesamtmasse, als Bindemittel eingesetzt werden, zweckmäßig im Bereich von 2–50 Gew.-%, vorzugsweise im Bereich von 5–15 Gew.-%, bezogen auf das Trockengewicht der gebundenen Masse, bestehend aus Bindemittel und anorganischen Rohstoffen.

Die erfindungsgemäß verwendeten sauren Alkaliphosphate werden zweckmäßig durch Kristallisation der stöchiometrischen Gemische von 75%iger Phosphorsäure und zum Beispiel 50%iger Natronlauge erhalten. Um ein Molverhältnis von Na₂O:P₂O₅ von 0,525 zu erhalten, geht man beispielsweise von 5228 Gramm 75%iger Phosphorsäure (40,0 Mol) und 1680 Gramm (21,0 Mol) 50%iger NaOH aus.

Die Phosphorsäure wird vorgelegt und die Natronlauge zugegeben. Sodann wird bei 145°C eingedampft und auf <80°C abgekühlt. Die gebildeten Kristalle werden abgetrennt und bei 100°C getrocknet.

Stattdessen, aber weniger bevorzugt, kann die Herstellung der sauren Alkaliphosphate durch Aufsprühen von Phosphorsäure auf Mononatriumphosphat erfolgen. Beispielsweise werden 85 Gewichtsteile wasserfreies Mononatriumphosphat vorgelegt und mit 15 Teilen 85%iger Phosphorsäure besprüht. Das Produkt wird ohne zusätzliche Trocknung gemahlen.

Beispiel 1:
Eine Mischung aus Quarzsand und Quarzmehl wird mit dem Natriumsalz trocken vermischt. Ohne die Zugabe von Wasser wird das Gemenge in eine Form trocken einvibriert und anschließend bei 150°C getempert. Die Temperung erfolgt, nachdem das Gemenge in der Form in den kalten Ofen eingebracht wurde. Anschließend wurde der Ofen mit 10°C pro Minute auf 150°C aufgeheizt. Anschließend wird 3 Stunden gehalten. Nach dem Ausformen ergibt sich ein stark verfestigtes Formteil.
Beispiel 2:
Das in Beispiel 1 genannte Gemenge aus Quarzsand und -mehl wird mit dem Natriumsalz trocken vermischt. Ohne die Zugabe von Wasser wird das Gemenge in eine Form trocken einvibriert und anschließend in einen 200°C heißen Ofen gestellt und dort für zwei Stunden belassen. Nach dem Ausformen ist das Formteil verfestigt. Rißbildungen durch Gasdruck konnten nicht beobachtet werden.
Beispiel 3:
In der Feuerfestindustrie wird unter anderem hochtemperaturbeständiger Olivin, ein natürlich vorkommender Rohstoff, bestehend aus Mischkristallen der Reihe Forsterit (2MgO·SiO₂) und Fayalit (2FeO·SiO₂) verwendet. Der Rohstoff besitzt einen starken Überschuß von Forsterit von über 80%. In diesem Beispiel wird eine Olivinmasse der Zusammensetzung 55% MgO, 37% SiO₂, 5% FeO, 2% Al₂O₃ mit 5% des Natriumsalzes trocken vermengt. Anschließend wird die trocken einvibrierte Masse in den kalten Ofen gestellt und dieser mit einer Aufheizgeschwindigkeit von 100°C pro 10 Minuten schnell auf 300°C gebracht. Nach einer Stunde wird abgekühlt und ausgeformt. Es entsteht ein fester Verbund.
Beispiel 4:
Das Gemenge aus Beispiel 3 wird mit 10% des Natriumsalzes angemischt und bei 200°C getempert. Die Aufheizrate wird mit 50°C pro 10 Minuten gewählt. Nach dem Abkühlen wird ausgeformt.
Beispiel 5:
Perlitstaub wird mit dem Natriumsalz volumetrisch 1:1 vermengt. Anschließend wird das Gemenge in eine Stahlform einvibriert und mittels eines Stahlstempels verdichtet. Anschließend wird das Formteil für 2 Stunden bei 250°C getempert. Nach dem Auskühlen wird ausgeformt. Es entsteht ein Leichtbaukörper von guter Festigkeit.
Beispiel 6:
Ein Gemenge bestehend aus aluminiumoxidhaltigen Rohstoffen der folgenden Zusammensetzung wird bei 150°C sowie bei 300°C getempert. Die Zugabemenge an dem Natriumsalz wird zwischen 5 und 15% variiert. Versatz:

Al₂O₃-Rohstoff der Körnung 1–3 mm 42%

Al₂O₃-Rohstoff der Körnung 0–1 mm 32%

Al₂O₃-Rohstoff der Körnung DIN 70 20%

Feuerfester Ton 6%
Nachdem die Gemenge ausgekühlt sind, wird ausgeformt. In jedem Fall entsteht ein fester Formkörper, der stabil ist und hantiert werden kann. Die Formen konnten ohne Bruch gezogen werden.
Beispiel 7:
Ein Reibbelaggemenge gängiger Art, bestehend aus Metallen, Füllstoffen, Gleitmittel, Faserarmierungsstoffen sowie Harzen wird zusätzlich mit dem Natriumsalz (5%) vermengt. Nach dem Verpressen und Tempern (150°C) wird das Formteil auf eine Temperatur von 600°C erhitzt. Hierbei wird die Harzbindung zunehmend zerstört. Es kann festgestellt werden, daß die verglasende Schmelzbindung des Salzes die aufbrechende Harzbindung abfängt und den Reibbelag auch bei hoher Temperatur festigt.
Beispiel 8:
Ein Gemenge aus Schamotte und Ton wird mit 15% des Natriumsalzes gebunden. Der Versatz lautete:
42% Schamotte Otavi "Mono" 1–3 mm
32% Schamotte Otavi "Mono" 0–1 mm
20% Schamotte Otavi "Mono" DIN 70
6% Feuerfester Ton DIN 70
15% Seminatriumhydrogenphosphat (= Natriumsalz)
Die leicht verdichtete Masse wird bei 200°C getempert. Nach dem Auskühlen wird ausgeformt. Die Festigkeit ist sehr gut.
Beispiel 9:
Ein Versatz der folgenden Zusammensetzung wird mit 15% des Natriumsalzes gebunden. Der Versatz besteht aus 70% Tabulartonerde 0-0, 18 mm und 30% Tabulartonerde 0-0, 15 mm. Nach der Temperung bei 200°C wird das ausgekühlte Formteil bewertet. Das Gemenge zeigt einen sehr festen Verbund.
Beispiel 10:
90% eines groben Schmelzmagnesia werden mit 10% des Natriumsalzes versetzt. Nach eingehender Mischung wird die Masse in eine Form vibriert und leicht verdichtet. Die Form wird anschließend in einen kalten Ofen gestellt und dieser langsam auf 200°C aufgeheizt. Er wird 3 Stunden bei dieser Temperatur gehalten und anschließend langsam abgekühlt. Nach dem Ausformen zeigt sich ein fester Verbund.
Beispiel 11:
Eine Masse entsprechend dem Beispiel 3 wird mit dem Kaliumsalz (5%) trocken vermengt. Anschließend wird die trocken einvibrierte Masse in den kalten Ofen gestellt und dieser mit einer Aufheizgeschwindigkeit von 100°C pro 10 Minuten schnell auf 300°C gebracht. Nach einer Stunde wird abgekühlt und ausgeformt. Es entsteht ein fester Verbund.

Claims

Verwendung von kristallwasserfreiem saurem Alkaliphosphat mit einem Molverhältnis von Alkalimetalloxid zu P₂O₅ von 0,4 bis 0,9 als trocken zu vermischender Schmelzbinder für anorganische Rohstoffe.
Verwendung von saurem Alkaliphosphat mit einem Molverhältnis von Alkalimetalloxid zu P₂O₅ von 0,5 bis 0,8 nach Anspruch 1.
Verwendung von Me_0,5H_2,5PO₄-haltigem Alkaliphosphat, worin Me Na oder K, insbesondere Na bedeutet, nach Anspruch 1 oder 2.
Verwendung von durch Kristallisieren aus einer wässrigen Lösung von Phosphorsäure und Natronlauge gewonnenem saurem Alkaliphosphat nach einem der Ansprüche 1 bis 3.
Verwendung von durch Aufsprühen von Phosphorsäure auf Mononatriumphosphat erzeugtem saurem Alkaliphosphat nach einem der Ansprüche 1 bis 3.
Verwendung von saurem Alkaliphosphat nach einem der Ansprüche 1 bis 5 zur Bindung silikatischer oder oxidischer Rohstoffe.
Verwendung von saurem Alkaliphosphat nach einem der Ansprüche 1 bis 6 in einer Menge von 2–50, vorzugsweise 5–15 Gew.-%, bezogen auf die Gesamtheit von Schmelzbinder und anorganischen Rohstoffen.