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Verfahren zur Herstellung von Produkten mit keramischen Gebrauchswerteigenschaften und Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Produkten mit keramischen Gebrauchswerteigenschaften, wie z. B. Irdengut, Steingut, Steinzeug, Porzellan, poröse Keramik, feuerfeste und technische Keramik, keramische Formlinge mit Stahlbewehrungen unter anderem aus einem Rohmaterial, das aus Ton, Lehm, Tonschiefer, Mergel, Kaolin, Schieferton bzw. aus Mischungen von diesen mit Quarz, Feldspat, keramischen Oxyden, Erdalkali- und Alkalisalzen besteht. Diese Produkte werden durch pneumato-hydrothermale Behandlung verfestigt.
Zur Herstellung keramischer Güter wird üblicherweise das nass oder trocken aufbereitete und danach verformte Rohmaterial in brennstoffbeheizten oder elektrisch beheizten Öfen gebrannt. Dabei besitzt die Rauchgas- oder Luftatmosphäre über den Reaktionsprodukten einen gleich oder geringfügig höheren Druck als die umgebende Atmosphäre. Die Höhe der Brenntemperatur sowie die Wärmebehandlungsdauer richtet sich dabei nach den geforderten Eigenschaften des zu erzeugenden keramischen Produktes. Die Mängel bestehen bei diesen üblichen keramischen Brennverfahren darin, dass bei relativ hohen Temperaturen und grossen Brennzeiten gebrannt werden muss.
Es entsteht ein hoher Verschleiss an den Brennvorrichtungen und den Brennhilfsmitteln bei hohem spezifischen Wärmebedarf zum Garbrennen der Erzeugnisse. Als Folge der hohen Wärmebehandlung tritt eine begrenzte Durchsatzleistung der Brennaggregate auf.
Als wesentlicher Mangel muss weiterhin angesehen werden, dass zur Herstellung der Mehrzahl keramischer Güter bestimmte, in diesem Sinn keramisch hochwertige Rohstoffe verwendet werden müssen. Bei der Produktion von Massengütern, z. B. Produkten der Baukeramik, führt die starke Rohmaterialabhängigkeit zur starken territorialen Bindung der Produktionsstätten an die Rohstoffvorkommen. Bei der Herstellung technischer Keramik führt sie dagegen zur Einengung der aus einer vorgegebenen Rohstoffbasis erzeugbaren Fertiggüter.
Es ist daher im letzten Jahrzehnt versucht worden, durch Änderung der Brennbedingungen die Vielzahl der Ton-, Mergel-, Lehm-, Tonschiefer- und Sandvorkommenuniversell zur Erzeugung von Produkten mit bekannten oder neuen keramischen Gebrauchswerteigenschaften zu nutzen. Es ist aus der keramischen Ofenpraxis die Beobachtung bekannt, dass die Brennofenatmosphäre die Reaktionenzwi- schen den Massebestandteilen des keramischen Erzeugnisses beeinflusst. Auch Hinweise auf die besondere Förderung des keramischen Brennprozesses durch einen hohen Wasserdampfanteil in der Brennofenatmosphäre sind zu finden. Exakte Angaben über Reaktionsmechanismus und Ausmass dieses Vorganges fehlen jedoch.
Bei Verwendung üblicher Brennstoffe wie Öl, Kohle, Heizgas ist der Wasserdampfgehalt der Rauch- und Abgase im wesentlichen abhängig von der Brennstoffzusammensetzung und übersteigt
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gewöhnlich ein Drittel des Atmosphärendruckes nicht. Zusätzlich in das Ofenaggregat eingesprühter Wasserdampf führt im Zusammenhang mit den relativ hohen Ofentemperaturen zu starken Korrosionserscheinungen im Ofen und zu technologischen Schwierigkeiten beim Unterschreiten des Wasserdampftaupunktes.
Bei der Herstellung von Chamottewaren ist es schon längere Zeit bekanntgeworden, dass gebrannter Ton unter hochgespanntem Dampf erhärtet werden kann. Hiebei wird kein Brennen durchgeführt. Die im gebrannten Ton enthaltene Kieselsäure wird unter Anwendung des Dampfdruckes unter Bildung eines Kalzium-Tonerde-Doppelsilikates aufgeschlossen. Hiebei ist es notwendig, kalziumhaltige Bindungsmittel zuzusetzen.
Es ist weiterhin bekannt, Ton, Lehme u. a. einer Wärmebehandlung bei Temperaturen von 450 bis 550 C in einem Autoklaven bei Wasserdampfdrücken von 4 bis 8 atü zu härten, wobei durch Zusätze von Alkali- oder Erdalkalisalzen der Erhärtungsvorgang beschleunigt und das Ausmass der Erhärtung erhöht werden kann.
Mängel ergeben sich bei dieser Verfahrensweise durch die Verwendung von Autoklaven.
In jüngster Zeit wurde ein Verfahren bekannt, das keramische Rohstoffe unterschiedlichster Wertigkeit durch stufenweise Behandlung in geänderten Temperaturbereichen und Wasserdampfdrücken verfestigt.
So wird beim Aufheizen von 20 bis 1150C in einer Behandlungskammer ein Wasserdampfüberdruck von 0,7 atü durch die Verdampfung des Anmachwassers der Rohlinge erzeugt.
Dieser Überdruck wird bei einer Temperatursteigerung auf 3740C und einer gewissen Haltezeit bei dieser Temperatur beibehalten und danach auf Atmosphärendruck abgesenkt. Es schliesst sich eine Behandlung bei 5700C in einer schwachen Dampf-Gas-Atmosphäre an, die durch einen langsamen Abkühlungsprozess beendet wird. Die Verfestigung des Rohmaterials erfolgt hiebei vorwiegend durch Kie-
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ausscheidet.
In der Nachbehandlungsphase treten auch chemische Prozesse auf, die zur Bildung von Hydroaluminosilikaten führen. Die Mängel dieses Verfahrens liegen vornehmlich in der wechselnden Behandlungsart während eines Fertigungsganges.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Nachteile des bekannten Standes der Technik zu vermindern und durch Anwendung neuer einheitlicher Brennbedingungen ein Verfahren zu finden, das es gestattet, bei niedriger Temperatur und geringer Wärmebehandlungszeit aus den unterschiedlichsten, auch keramisch minderwertigen Rohstoffen, Produkte mit gleichen oder verbesserten keramischen Gebrauchseigenschaften zu brennen.
Ausgehend davon, dass durch die Anwesenheit von überhitztem Wasserdampf und durch mässigen Überdruck des Wasserdampfes in der Gasphase die Reaktionen in silikatischen Massen stark beschleunigt werden und somit bereits bei tieferen Temperaturen mit ausreichender Geschwindigkeit verlaufen, ist das Verfahren nach der Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass die aus diesen Materialien hergestellten Formlinge in einer Atmosphäre überhitzten Wasserdampfes, die zusätzlich mit Kohlendioxyd angereichert werden kann, oder in einer wasserdampfangereicherten Atmosphäre bei Temperaturen vorzugsweise zwischen 550 und 14000C und Wasserdampfpartialdrücken vorzugsweise zwischen 0, 1 und 6 at gebrannt werden.
Es erfolgt also das Brennen keramischer Güter unter Wasserdampfüberdruck bei tieferen Temperaturen, als es für gewöhnliches Brennen erforderlich ist. Bei dieser Behandlung sind der Reaktionsmechanismus und die Reaktionsprodukte sowohl von der Zusammensetzung der verwendeten Rohstoffe als auch von der Brenntemperatur und dem Wasserdampfdruck in der Ofenatmosphäre abhängig. Die Reaktionsprodukte können dabei einmal durch den Reaktionstyp der Hydrothermalsynthese charakterisiert sein, indem die Wassermoleküle direkt an den Reaktionen beteiligt sind und chemisch gebunden werden, zum andern kann der Wasserdampf mehr die Rolle des Katalysators spielen, der die Reaktionen beschleunigt, wohl aber kaum zum Zweck der chemischen Bindung ausgenutzt wird.
Das erfindungsgemässe Verfahren wird an Hand folgenden Ausführungsbeispieles zur Herstellung von z. B. Ziegeln näher erläutert :
Die gefertigten Rohlinge werden im Temperaturbereich der kristallographischen Umwandlung für Tonmineralien bei etwa 6000C unter mässigem Überdruck in einer Atmosphäre überhitzten Wasserdampfes gebrannt. Die strukturell unausgebildeten Übergangsphasen bei kristallographischer Umwandlung rufen ein relatives Maximum an Aktivität gegen umgebende Reaktionspartner hervor. Unter Ausnutzung dieser Tatsache kommt es in Anwesenheit von Wasserdampf unter dem Einfluss des Überdruckes
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zur Bildung wasserhaltiger kristalliner Verbindungen, die das Material verfestigen. Dieser Reaktiontyp tritt besonders in silikatischen Massen mit einem hohen Anteil an Tonmineralien auf.
In sehr kalkreichen Tonen finden dagegen auch Reaktionen zwischen dem Quarz und dem Kalziumkarbonat sowie den Tonmineralien statt, die durch den Wasserdampfdruck im Sinne einer Temperaturerniedrigung mit ausreichender Geschwindigkeit zwischen den kristallisierten Phasen verlaufen. Die Verbindung und das Haftvermögen der Einzelkörner sind in diesem Produkt, im Gegensatz zu Keramikerzeugnissen, weniger auf das Sintern des Scherbens, sondern vorwiegend auf die Zementation der Teilchen beim Erhitzen zurückzuführen. Der bedingt zu erzielende Fortfall einer Brennschwindung verleiht dem so gebrannten Gut wesentliche Vorteile.
Es ist daher möglich, sowohl aus trockenen als auch aus halbtrockenen Rohlingen bei Temperaturen über 5000C durch Variationen der Brenntemperatur und des Wasserdampfdrukkes der Gasphase über die unterschiedlichsten ablaufenden Reaktionen die Eigenschaften des Fertigproduktes zu variieren.
Die Herstellung der in der Einleitung aufgeführten Produkte wird in ähnlicher Weise bei entsprechend andern Temperaturen und Drücken durchgeführt.
Das sich unter Einfluss des Wasserdampfdruckes nach tieferen TemperaturenverschiebendeSchmelz- intervall der keramischen Massen kann unter Ausnutzung der plötzlichen Entgasung bei Wegnahme des Überdruckes zur Erzeugung von poröser Keramik ausgenutzt werden.
Ausgehend von der Erkenntnis, dass die reaktionsfördernde Wirkung des Wasserdampfes durch die gleichzeitige Anwesenheit von Kohlendioxyd erhöht wird bzw. dass dieses selbstreaktionsfördernd wirkt, wird als weiterer Gegenstand der Erfindung eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens vorgesehen.
Diese Einrichtung ist im wesentlichen gekennzeichnet durch die Anordnung von Überdruckbrennern in einer gasdichten, wärmeisolierten Brennkammer zur Verbrennung von Brennstoffen, die einen möglichst hohen Anteil an Kohlenwasserstoffen aufweisen, (z. B. Erdgas u. a.) mit reinem Sauerstoff, sauerstoffangereicherter Luft oder Luft.
Durch die Anordnung dieser Überdruckbrenner wird im Brennaggregat die notwendige Temperatur
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undPATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Herstellung von Produkten mit keramischen Gebrauchswerteigenschaften, wie z. B. Irdengut, Steingut, Steinzeug, Porzellan, poröse Keramik, feuerfeste und technische Keramik, keramische Formlinge mit Stahlbewehrungen unter anderem aus einem Rohmaterial, das aus Ton, Lehm, Tonschiefer, Mergel, Kaolin, Schieferton bzw.
aus Mischungen von diesen mit Quarz, Feldspat, keramischen Oxyden, Erdalkali- und Alkalisalzen besteht, dadurch gekennzeichnet, dass die aus diesen Materialien hergestellten Formlinge in einer Atmosphäre überhitzten Wasserdampfes, die zusätzlich mit Kohlendioxyd angereichert werden kann, oder in einer wasserdampfangereicherten Atmosphäre bei Temperaturen vorzugsweise zwischen 550 und 14000C und Wasserdampfpartialdrücken vorzugsweise zwischen 0, 1 und 6 at gebrannt werden.