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Verfahren und Vorrichtung zur Erwärmung von mittels einer
Strangpresse verpressten keramischen Materialien
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erwärmung von feuchten, in plastischem Zustand mittels einer Strangpresse verpressten keramischen Materialien, die z. B. in Zieh- oder Vakuumpressen der Kolben-oderSchneckentype stranggepresst werden. ImSinne der Erfindung bedeutet"Keramik* Grob- und Feinkeramik, also auch Porzellan.
Zweck einer solchen Erwärmung ist einerseits das Erzielen der Verfestigung oder Vertrocknung der keramischen Masse, anderseits die Verbesserung ihrer Eigenschaft beim Strangpressen und die Unterdrückung der Schneckenstruktur (Schneckentextur), eventuell die Verminderung der notwendigen Umformungsarbeit.
Die Masse für durch Strangpressen hergestellte keramische Produkte muss sich im plastischen Zustand befinden, gleichgültig, ob die Produkte unmittelbar durch Strangpressen erzeugt werden oder ob das stranggepresste Profil (der Massestrang oder Formling, sogenannter Hubel) bloss als Halbprodukt fttr weitere Bearbeitung verwendet wird.
Das Strangpressen erfolgt bisher in Zieh- oder Vakuumpressen bei Normaltemperatur ohne Erwärmung der Masse. Im plastischen Zustand ist aber die Masse recht weich und wird leicht deformiert. Für die weiteren Operationen muss die Masse durch den Verfestigungsprozess in den sogenannten lederharten Zustand gebracht werden. Dies erfolgt bisher durch die Trocknung der stranggepressten Masse entweder frei in der Luft in besonderen Trockenräumen oder in Trocknern. Ein solcher Verfestigungsprozess ist jedoch langwierig, dauert je nach dem Querschnitt des Profils auch mehrere Stunden oder Tage und beansprucht viel Lagerraum.
Auch für andere keramische Güter, z. B. Isolatoren mit komplizierten Umrissen, die in Formen eingedreht werden, ist eine Masse mit niedrigerem Feuchtigkeitsgehalt notwendig, als mit der bisherigen Technologie gewonnen werden kann. Die Zubereitung der keramischen Masse in üblichen Vakuumpressen mit dem gewünschten Feuchtigkeitsgehalt stösst bisher auf viele Schwierigkeiten.
Bei demstrangpressen erscheinenausserdeminderstranggepresstenmasse verschiedene makroskopische Inhomogenitäten, die sogenannten Schneckenstrukturen (Schneckentexturen). Wie der Mechanismus dieser Strukturen entsteht, wurde bisher nicht eindeutig klargestellt. Es wird vermutet, dass die Entstehung dieser Strukturen teilweise durch Störung der Masse von der Schnecke, teilweise durch ungleichmässige Verteilung des Druckes auf die stranggepresste Masse verursacht wird.
Infolgedessen weisen die Erzeugnisse einige Mängel auf, z. B. ihre mechanische und elektrische Festigkeit und ihre Widerstandsfähigkeit gegen Witterungseinflüssen wird beträchtlich herabgesetzt u. dgl.
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Manche Erzeugnisse werden schon beim Herstellen während der Trocknung und des Brennens oder im Ver- lauf der Proben unbrauchbar.
Es wurden bereits verschiedene Verfahren vorgeschlagen, um die keramische Masse zu erwärmen.
Durch das zu trocknende Produkt wird z. B. elektrischer Strom geleitet. Zu diesem Zwecke werden an den zu trocknenden Körder Elektroden angelegt. Die Trocknung erfolgt also durch Widerstands- oder dielektrische Erhitzung.
Es ist auch bekannt, die stranggepresste keramische Masse bereits in der Presse durch Heizkörper oder durch eine besonders geheizte Ummantelung, durch die ein Heizmedium strömt, zu erhitzen. Im ersteren Falle wird die keramische Masse ausserhalb der Presse erhitzt, im zweiten Fallewird die notwendige Hitze nicht unmittelbar in der stranggepressten Masse gebildet, so dass die Masse nicht gleichmässig und gleichzeitig im ganzen Querschnitt des stranggepressten Produktes erhitzt wird.
Es ist weiter bekannt, die Strangpresse mit Elektroden zu versehen, die mit der Gleichstromquelle verbunden sind. Man verwendet entweder Elektroden in Form eines Rahmens oder es wird eine Elektrode durch die Pressekonstruktion und die zweite durch die Schnecke gebildet.
Zweck einer solchen Anordnung ist es, durch elektroosmotische Wirkung des Stromes auf die stranggepresste Masse zwischen dem Strang und den Pressenwänden eine dünne Wasserschicht zu bilden. Diese Wasserschicht verursacht eine Senkung derSeitenreibung inAchsenrichtung der stranggepressten Masse und dadurch auch eine Verringerung der Grösse der Umformungsarbeit.
Die bekannte Vorrichtung kann jedoch nicht zum Vortrocknen der Masse verwendet werden, u. zw. deshalb, weil das elektrische Gleichstromfeld nur den Oberflächenteil des stranggepressten Profils beeinflusst und nicht den ganzen Querschnitt, weiter auch deshalb, weil mit auf solche Weise angeordneten Elektroden keine genügende Energie zugeführt werden kann. Im entgegengesetzten Falle würde es durch Wirkung der Elektrolyse zum Transport der alkalischen Komponenten kommen ; dadurch würde eine Inhomogenität des Hubels entstehen und seine Qualität und Verwendungsfähigkeit würde sinken.
Die Wassergrenzschicht entsteht hier natürlich nur zu Ungunsten der Viskosität der mittleren Schichten, deren Viskosität im Gegensatz anwächst, denn das Wasser wird von den elektroosmotischen Kräften von der Mitte zur Oberfläche transportiert.
Die Umformungsarbeit ist geringer, jedoch wird die Schneckenstruktur (Schneckentextur) nicht unterdrückt ; diese kann sich imGegenteil durch Einfluss der ungleichmässiggewordenenfeuchtigkeitsverteilung als noch ungünstiger erweisen.
Jede von den bekannten Möglichkeiten löst somit immer nur eine Aufgabe (die Verfestigung, die Verringerung der Umformungsarbeit usw. ).
Zweck der Erfindung ist die Beseitigung der erwähnten Nachteile des bekannten Standes der Technik.
Erfindungsgemäss ist das Verfahren zur Erwärmung von feuchten, im plastischen Zustand mittels einer Strangpresse verpressten, keramischen Materialien durch eine elektrische Widerstands-und/oder kapazi- tive und/oder induktive Heizung, dadurch gekennzeichnet, dass die keramische Masse vor ihrer Abtrennung von der Presse noch in der Presse durch einen Raum geführt wird, in dem durch in bezug auf den Mantel der Presse unbeweglich angeordnete Übertragungselemente ein elektrisches Wechselfeld hervorgerufen wird, dessen Energie im ganzen Querschnitt des keramischen Stranges unmittelbar in Wärme umgewandelt wird.
Die zur Verdampfung des Wassers notwendige Wärme wird somit in genügender und leicht regulierbarer Menge bereits während des Strangpressens gänzlich gleichmässig im ganzen stranggepressten Profil gebildet. Die Masse verlässt die Presse bereits erhitzt, so dass schon unmittelbar nach Verlassen der Pressenmündung intensive Wasserverdampfung in der Luft eintritt. Dadurch fällt der Feuchtigkeitsgehalt des Massestranges schnell ab.
Der Verfestigungsgrad kann durch die Temperaturhöhe des erhitzten Massestranges reguliert werden. Je nach dem Querschnitt des Massestranges tritt genügende Verfestigung bereits nach einigen zehn Sekundenodereinigen Minuten ein. Der Massestrang wird also nicht deformiert und weitere Operationen können sofort begonnen werden.
Vom wärmetechnischen Standpunkt aus betrachtet, gibt die Umwandlung elektrischer Energie in Wärme in der stranggepressten Masse den bestmöglichen thermischen Wirkungsgrad, da Verluste infolge Konvektion, Leitung und Ausstrahlung minimal sind. Ausserdem kann man durch das erfindungsgemässe Verfahren der Masse per Zeiteinheit eine vielfach grössere Wärmemenge als durch alle andern technisch möglichen Verfahren zuführen. Die erfindungsgemässe Erhitzung ist gleichmässig, leicht und elastisch regulierbar, praktisch ohne Wärmeträgheit. Dies erleichtert die genaue Dosierung der notwendigen Wär- memenge und Kontrolle der Verfestigung der Masse.
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Durch gleichmässigeDurchwärmung der Masse entsteht eine Verringerung der Viskosität (genauer ge- sagt eine Erhöhung der Plastizität) im ganzen Querschnitt der stranggepressten Masse. Infolgedessen ver- ringert sich die notwendige Menge der Umformungsarbeit viel mehr, als durch die blosse Einwirkung von
Elektroosmose. Nach Messungen beträgt die zum Pressen einer auf 800C erwärmte Masse notwendige Kraft nur die Hälfte der Kraft, die zum Pressen einer kalten Masse (unter denselben Bedingungen) notwendig wäre.
Gleichzeitig tritt überraschenderweise eine Verringerung der Schneckenstruktur (Schneckentextur) auf, wodurch die Homogenität der Scherben besser wird. Infolgedessen erhöht sich die Zugfestigkeit der fertigen Erzeugnisse durchschnittlich um 5-10%.
Erfindungsgemäss werden also gleichzeitig drei verschiedene technische Aufgaben gelöst : Verfestigung,
Verringerung der Umformungsarbeit und Verringerung der Schneckenstruktur (Schneckentextur). Infolge- dessen wird eine Verbesserung der mechanischen Parameter der Masse erzielt.
Die Verfestigung gemäss der Erfindung kann auf verschiedene Arten und mit Hilfe von verschiedenen, innerhalb der Presse bzw. rings um deren Mündung angeordneten Wärmequellen ausgeführt werden. Die erfindungsgemässe Vorrichtung kann derart automatisiert werden, dass die zugeführte Wärme selbsttätig reguliert wird in Abhängigkeit von der Feuchtigkeit der stranggepressten Masse, oder vom Grad ihrer Erhitzung bzw. von dem gewünschten Verfestigungsgrad, d. h. von dem Verhältnis zwischen schliesslicher und anfänglicher Feuchtigkeit, derart, dass das Material nicht durch Überhitzung beschädigt wird.
Vorteilhaft ist z. B. der Zustand, bei dem die Wärmezufuhr derart geregelt wird, dass die Wärme der stranggepressten Masse in Abhängigkeit vom Querschnitt des stranggepressten Profils und der Zusam- mensetzung der stranggepressten Masse 1200C nicht überschreitet. Das Signal zur Regulierung kann entweder unmittelbar von der Wärme der Masse, oder indirekt von der Änderung des elektrischen Widerstan- des der Masse abgeleitet werden. Dieser Widerstand vermindert sich bei keramischer Masse mit steigen- der Temperatur, was sich dann durch eine Änderung des Stromes bei einer bestimmten Spannung äussert.
Die Erfindung soll nun mit Hilfe einiger in den Zeichnungen dargestellter Ausführungsbeispiele näher erklärt werden. Fig. 1 zeigt die Durchführung der Erfindung durch direkte elektrische Widerstandsheizung, gemäss Fig. 2 wird induktive Heizung und gemäss Fig. 3 dielektrische Heizung verwendet, Fig. 4 ist ein Blockdiagramm des Regelkreises zur Regulierung der Heizleistung gemäss der Erfindung, Fig. 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel einiger Einzelheiten des Blockdiagrammes, Fig. 6 zeigt weitere Einzelheiten im Zusammenhang mit Fig. 5 und Fig. 7 zeigt die Wärmekennlinie des Regelmechanismus.
Im Sinne der Erfindung werden die Elektroden für die Widerstands- oder dielektrische Heizung und die Induktivität für die induktive Heizung auch als "Übertragungselemente" für die Umwandlung elektrischer Energie in Wärmeenergie bezeichnet.
Fig. l zeigt ein Durchführungsbeispiel der Erfindung zur erfindungsgemässen Verfestigung von Massesträngen, wobei die notwendige Wärme der stranggepressten Masse bereits in der Presse noch vor ihrer Mündung durch direkte elektrische Widerstandsheizung zugeführt wird. Knapp vor der Mündung 2 ist im Arbeitszylinder 1 in einer Isoliereinlage 3 eine ringförmige Elektrode 4 eingebaut, die an einen Pol der elektrischen Quelle 6 angeschlossen ist.
Der Zylinder der Presse 1 und der Dorn 5 sind mit dem zweiten, geerdeten Pol der Quelle verbunden. Der Strom fliesst zwischen der Elektrode 4 und dem Dorn 5 bzw. zwischen dem Mantel des Arbeitszylinders der Presse 1 durch die stranggepresste Masse, die durch unmittelbaren Stromdurchgang geheizt wird.
Beim Strangpressen voller Profile dient der Dorn 5 nur als Elektrode. In diesem Falle reicht er bloss bis zu einer genügenden Entfernung von der Mündung der Presse, derart, dass in der Masse kein Hohlraum gebildet werden kann. Dieser Fall ist in der Figur durch volle Striche dargestellt. Werden jedoch hohle Profile in der Presse verpresst, z. B. Rohre, erstreckt sich der Dorn 5 bis in Mündung und er dient auch zur Ausbildung des Hohlraumes. Dieser Fall ist in den Zeichnungen gestrichelt dargestellt.
Je nach der Konstruktion der Presse ist es manchmal vorteilhaft, zwei Dorne hintereinander zu verwenden. Einer von ihnen dient als Elektrode, der zweite als Werkzeug zur Hohlraumbildung. Bei Vakuumpressen kann die Schnecke anstatt des Domes 5 als Elektrode dienen. Es ist allerdings auch eine andere Elektrodenanordnung möglich.
Die Erfindung kann auch, wie bereits erwähnt, durch andere Mittel zur Umwandlung elektrischer Energie in Wärme unmittelbar in der stranggepressten Masse, durchgeführt werden.
Fig. 2 illustriert die prinzipielle Anordnung zur Durchführung der Erfindung durch induktive Heizung der Masse dicht vor-in Pressrichtung gesehen-der Mündung einer Kolbenpresse. Vor der Mündung 2
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ger usw.), bei der Herstellung von Elektroporzellan, z. B. für die Herstellung von HF-und NF-Isolatoren durch Drehen, oder beim Übergang auf die neue Technologie des Drehens bei der Erzeugung von Steingut, wie z. B. Rohre u. dgl.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Erwärmung von feuchten, im plastischen Zustand mittels einer Strangpresse verpressten, keramischen Materialien durch eine elektrische Widerstands- und/oder kapazitive und/oder induktive Heizung, dadurch gekennzeichnet, dass die keramische Masse vor ihrer Abtrennung von der Presse noch in der Presse durch einen Raum geführt wird, in dem durch in bezug auf den Mantel der Presse unbeweglich angeordnete Übertragungselement ein elektrisches Wechselstromfeld hervorgerufen wird, dessen Energie im ganzen Querschnitt des keramischen Stranges unmittelbar in Wärme umgewandelt wird.