Verfahren zur Erwärmung von feuchten, in plastischem Zustand verpressten keramischen Materialien und Strangpresse zur Durchführung des Verfahrens Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erwärmung von feuchten,
in plastischem Zustand mittels einer Strangpresse verpressten keramischen Materialien durch eine elektrische Widerstands- und/oder kapazitive und/oder induktive Heizung.
Im Sinne der Erfindung bedeutet Keramik Grob- und Feinkeramik, also auch Porzellan.
Die Masse für durch Verformung hergestellte kera mische Produkte muss sich im plastischen Zustand befinden, gleichgültig, ob die Produkte unmittelbar durch Ziehen erzeugt werden, oder ob das gezogene Profil (der Massestrang oder Formling, sogenannter Hubel) bloss als Halbprodukt für weitere Bearbeitung verwendet wird.
Das Ziehen erfolgt bisher in Zieh- oder Vakuum pressen bei Normaltemperatur ohne Erwärmung der Masse. Im plastischen Zustand ist aber die Masse recht weich und sie wird leicht deformiert. Ihre Feuchtigkeit ist z. B. bei Elektroporzellan 22 % bis 23 0/0. Für die weiteren Operationen muss aus dieser Masse ein gewisser Prozentsatz des
Wassers, gewöhnlich ca. 2 % bis 3 %, beseitigt werden und die Masse muss durch den Verfesti- gugnsprozess in den sogenannten lederharten Zustand gebracht werden, damit die Produkte oder Halbprodukte ohne Deformation zerschnitten, gelagert und transpor tiert, oder auch zerspannend bearbeitet oder eingedreht werden können.
Bisher erfolgt die Trockung und Verfe stigung der gezogenen Masse entweder frei in der Luft in besonderen Trockenräumen oder in Trocknern. Ein solcher Verfestigungsprozess ist jedoch langwierig und dauert je nach dem Querschnitt des Profils auch mehrere Stunden oder Tage. Es ist viel Lagerraum und wieder holtes Manipulieren notwendig, da die Massestränge mindestens zweimal umgelagert werden müssen.
Andere keramische Güter, z. B. Isolatoren mit kom plizierteren Formen werden in Gipsformen eingedreht. Die plastische Masse wird in die Form eingepresst und dann eingedreht. Nachdem sie die notwendige Form gewonnen hat, wird sie aus der Form herausgenommen. Auch zu diesem Zwecke werden Massestränge verwen det, die gewöhnlich in Vakuum-Schneckenpressen gezo gen werden. Gipsformen werden hier deshalb verwendet, weil die Masse, die ohne Schwierigkeit in gewöhnlichen Pressen zubereitet werden kann, zu weich ist, so dass sie nicht ohne Deformationsgefahr sofort nach Eindrehung herausgenommen werden kann.
Die Gipsform saugt aus der Masse einen Teil des Wassers weg, die Masse wird in der Form gefestigt und selbsttragend und das Produkt kann erst dann ohne grössere Deformationsgefahr her ausgenommen werden. Eine solche Verfestigung dauert je nach der Grösse des Produktes mehrere Stunden oder sogar Tage.
Es ist zwar bekannt, eine solche Masse auch in metallenen oder gummierten Formen einzudrehen, dazu ist jedoch eine Masse mit niedrigerem Feuchtig keitsgehalt notwendig, als mit der bisherigen Technolo gie gewonnen werden kann (bei Elektroporzellan müsste z. B. die Feuchtigkeit um 1 % bis 2 % niedriger sein, um die Anwendung von Metallformen zu ermöglichen).
Bei dem bisher erreichbaren Feuchtigkeitsgehalt der Masse stränge ist also dieses Verfahren für die übliche Fabrik fertigung ungeeignet. Die Zubereitung der keramischen Masse in üblichen Vakuumpressen mit dem gewünschten Feuchtigkeitsgehalt stösst bisher auf derartige Schwierig keiten, dass Eindrehung in Gipsformen sogar trotz der Nachteile und Verteuerung, die damit verbunden sind, vorteilhafter ist.
Es wurde bereits verschiedene Verfahren vorgeschla gen, um die keramische Masse entweder beim Ziehen, beim Vakuuumprozess oder bei der Formung in ein Produkt zu erwärmen. Durch das zu trocknende Produkt wird z. B. elektrischer Strom geleitet. Zu diesem Zwecke werden auf den zu trocknenden Körper Elektroden angelegt. Die Trocknung erfolgt also durch Widerstands- oder dielektrische Erhitzung.
Es ist auch bekannt, die gezogene keramische Masse bereits in der Presse durch Heizkörper oder besondere geheizte Ummantelungen, durch die ein Heizmedium strömt, zu erhitzen. Im ersteren Falle wird die keramische Masse nicht vor Verlassen der Presse erhitzt, im zweiten Falle wird die notwendige Wärme nicht unmittelbar in der gezogenen Masse gebildet, so dass die Masse nicht gleichzeitig und gleichmässig im ganzen Querschnitt des gezogenen Pro duktes erhitzt wird.
Zweck der Erfindung ist Beseitigung der erwähnten Nachteile des bekannten Standes der Technik, was beim erfindungsgemässen Verfahren nunmehr dadurch er reicht wird, dass die keramische Masse vor ihrer Abtren nung von der Presse noch in der Presse durch einen Raum geführt wird, in dem durch in bezug auf den Mantel der Presse unbeweglich angeordnete Übertra gungselemente ein elektrisches Wechselstromfeld hervor gerufen wird. dessen Energie im ganzen Querschnitt des keramischen Stranges unmittelbar in Wärme umgewan delt wird. Die zur Verdampfung des Wassers notwendige Wärme kann durch diese Massnahmen nunmehr in genügender und leicht regulierbarer Menge bereits wäh rend des Strangpressens gänzlich gleichmässig im ganzen gepressten Profil erzeugt werden.
Die Masse verlässt also die Presse bereits erhitzt, so dass schon unmittelbar nach Verlassen der Pressmündung intensive Wasserverdam pfung in der Luft eintritt. Es ist klar, dass dadurch der Feuchtigkeitsgehalt des Masstranges schnell abfallen kann. Der Verfestigungsgrad kann durch die Tempera turhöhe des erhitzten Masstranges reguliert werden. Je nach dem Querschnitt des Masstranges kann genügende Verfestigung bereits nach einigen zehn Sekunden oder einigen Minuten eintreten. Durch diese Massnahmen kann also erreicht werden, dass der Massestrang nicht mehr deformiert werden kann, was erlaubt, weitere Operationen sofort zu beginnen.
Dieser Umstand bietet aber noch weitere Vorteile, indem nunmehr eine Bandfa brikation ohne Zeitverzögerung durch die Verfestigung des Halbproduktes möglich ist. Durch die Vergleichswei se mehrfache Beschleunigung der Verfestigung und Kürzung des Herstellungsprozesses entfällt viel Lager raum, insbesondere Trockenraum und weitere Hilfsein richtungen für die Verfestigung. Auch entfällt die bei den bisherigen Verfestigungsverfahren notwendige wie derholte Umlagerung der Güter.
Durch das erfindungs gemässe Verfahren kann ferner die Hygiene des Arbeits raumes verbessert werden und die Ausschussziffer her abgesetzt werden, da schnelle und gleichmässige Verfe stigung der Masstränge deren Verbiegung bei einseitiger Trocknung und Deformierung während Manipulierung und Umlagerung verhindert.
Vom wärmetechnischen Standpunkt aus betrachtet, ergibt die Umwandlung elektrischer Energie in Wärme unmittelbar in der gezogenen Masse den besten thermi schen Wirkungsgrad, da Verluste infolge Konvektion, Leitung und Ausstrahlung minimal sind. Ausserdem kann man durch die erfindungsgemässen Massnahmen der Masse pro Zeiteinheit eine vielfach grössere Wärme menge als durch alle anderen technisch möglichen Verfahren zuführen. Ferner kann die Erwärmung nun mehr gleichmässig, leicht und elastisch regulierbar, prak tisch ohne Wärmeträgheit. durchgeführt werden. Dies gestattet die genaue Dosierung der notwendigen Wärme menge und Kontrolle der Verfestigung der Masse.
Ferner betrifft die vorliegende Erfindung eine Strangpresse zur DDurchführung des Verfahrens, die sich auszeichnet durch die Anordnung von feststehenden Elektroden und/oder feststehenden Spulen im Inneren dees Pressenzylinders vor dem Pressenmundstück und/oder am äusseren Pressenumfang vor dem Pressen mundstück.
Beispielsweise Ausführungsformen des Erfindungs gegenstandes sollen anhand der Zeichnung nachfolgend näher erläutert werden. Es zeigen: Fig. 1 eine Anordnung zur Durchführung des Ver fahrens mit einer elektrischen Widerstandsheizung, Fig. 2 eine Anordnung mit induktiver Heizung, Fig. 3 eine Anordnung mit dielektrischer Heizung, Fig. 4 ein Blockdiagramm des Regulierkreises zur Regulierung der Heizleistung, Fig. 5 eine Ausführungsvariante eines Ausschnittes des Blockdiagramms gemäss Fig. 4,
Fig. 6 einen weiteren Ausschnitt der Variante ge- mäss Fig. 5 und Fig. 7 eine Wärmekennlinie des Reguliermechanis mus.
Im nachfolgenden sollen die Elektroden für die Widerstands- oder dielektrische Heizung und die Induk- tivität für die induktive Heizung auch als Übertragungs elemente für die Umwandlung elektrischer Energie in Wärmeenergie bezeichnet werden.
Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform zur Verfqstigung von Massensträngen, wo die notwendige Wärme der gezogenen 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 ringförmi ge Elektrode 4 eingebaut. Der Zylinder der Presse 1 und der Dorn 5 sind mit dem zweiten, geerdeten Pol der Quelle verbunden. Der Strom fliesst zwischen der Elek trode 4 und dem Dorn 5, bzw. zwischen dem Mantel des Arbeitszylinders der Presse 1 durch die gezogene Masse, die durch unmittelbaren Stromdurchgang geheizt wird.
Bei der Ziehung 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 gezogen, z. B. Röhre, erstreckt sich der Dorn 5 bis in die Mündung und er dient auch zur Hohlraumgestaltung. Dieser Fall ist in der Zeichnung 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 Dornes 5 als Elektrode dienen. Es ist allerdings auch eine andere Elektrodenan- ordnung möglich.
Das Verfahren kann auch, wie bereits erwähnt, durch andere Mittel zur Umwandlung elektrischer Ener gie in Wärme unmittelbar in der gezogenen Masse, durchgeführt werden.
Fig. 2 illustriert die prinzipielle Anordnung zur Durchführung des vorbeschriebenen Verfahrens durch induktive Heizune der Masse dicht vor - in Pressrich- tung gesehen - der Mündung einer Kolbenpresse. Vor der Mündung des Arbeitszylinders 1 ist eine Spule 7 an geordnet, die aus einem HF-Generator 8 gespeist wird. Den Kern dieser Spule bildet das stranggepresste Profil 9, da sich die stranggepresste Masse im plastischen Zustand wie ein Halbleiter verhält.
Fig. 3 zeigt die prinzipielle Anordnung zur Durch führung des Verfahrens durch dielektrische Heizung. Die gezogene Masse 9 wird zwischen den Elektroden 10 und 11 des HF-Generators 12 geführt, die hinter der Mün dung 2 der Presse 1 angeordnet sind. Die Elektroden können je nach Bedarf in geeigneter Weise geformt werden.
Die Spule nach Fig. 2 und die Elektroden nach Fig. 3 können auch im inneren Raum der Presse angeordnet werden, falls der Zylinder aus einem Metall besteht, dessen Eigenschaften die Funktion der Heizquelle, z. B. nach Fig. 2 nicht behindern, also z. B. aus Aluminium u. dgl.
Die Verwendung eines der möglichen oben erwähn ten Heizverfahren und die maximale zulässige Tempera tur der Masse hängt von den physikalischen, chemischen und elektrischen Eigenschaften der gezogenen Masse, der Form des gezogenen Profils, der Konstruktion der Presse und ihrer Leistung ab. Es istf ür den Fachmann klar, dass eventuell auch beliebige Kombinationen der erwähnten Heizverfahren verwendet werden können.
Es wurde bereits erwähnt, dass die Wärmezufuhr in die gezogene keramische Masse vorteilhaft in gewissen Grenzen selbsttätig reguliert werden soll.
Ein Ausführungsbeispiel eines solchen Regulierkrei ses soll nun näher erklärt werden.
Auf der Bahn der gezogenen keramischen Masse wird ein Kontrollpunkt gewählt und die Wärmeregulie rung wird in Abhängigkeit von der Wärme dieses Punktes ausgeführt. Ein auf Temperatur empfindliches Fühlelement oder Temperaturfühler, z. B. ein wärmeab hängiger Wiederstand (Thermistor) oder ein Wider standsthermometer wird zu diesem Punkt angeordnet. Dieser Temperaturfühler ist mit einem Regulierkreis verbunden, in dessen Ausgangskreis ein Kontrollelement angeordnet ist, welches die Zufuhr der Wärmeenergie in die eben definierten übertrabaungselemente kontrol liert.
Fig. 4 zeigt das Blockdiagramm eines Ausführungs- beispieles des Regelkreises. A bezeichnet den Tempera turfühler, B den automatischen Regelkreis, C das Kon- trollelement im Ausgangskreis des Regelkreises, D eine Quelle elektrischer Energie oder einen Generator des elektrischen Heizfeldes und E die oben definierten Übertragungselemente, z. B. Elektroden.
Fig. 7 zeigt die Temperaturkennlinie des Kontroll punktes als Funktion der Zeit während die keramische Masse gezogen wird. Nach Einschaltung der Quelle der elektrischen Energie steigt die Temperatur im Kontroll punkt zu einem Wert t2 an. In diesem Augenblick beginnt die Kontrolleinrichtung die zugeführte Leistung herabzusetzen, oder schaltet sie gänzlich ab.
Nachdem die Temperatur auf einen Wert t1 gesunken ist, welche die zulässige untere Temperaturgrenze des Vortrock- nungsprozesses bezeichnet, wird die Quelle wieder einge schaltet falls sie vorher abgeschaltet wurde - oder wird die Leistungszufuhr wieder gesteigert, bis die Temperatur wieder auf den Wert t-2 anwächst. Die Kontrolleinrichtung ist derart eingestellt dass die Tem peratur im Kontrollpunkt niemals unter den Wert tt sinkt. Dies sichert die richtige Stufe der Vortrocknungs- temperatur zum Zwecke der Erfindung, ausser am Anfang, wenn die Einrichtung in Tätigkeit gesetzt wird.
Falls der Massestrang wieder nach dem vorerwähn ten Vortrocknungsprozess noch weiter geformt werden soll, kann der Wärmebereich zwischen t1 und t2 verringert werden, da sich die einzelnen Schichten vermischen. Das Verfahren findet z. B. Anwendung bei der Her stellung keramischer Bestandteile für die Elektrotechnik (Widerstände, Kondensatoren usw.), in der Konstruk tionskeramik (pyrometrische Rohre, Träger u. a.), bei der Herstellung von Elektroporzellan, z. B. für die Herstel lung von HF und NF Isolatoren durch Eindrehung, oder beim Übergang auf die neue Technologie der Eindrehung bei der Erzeugung von Steingut, wie z. B. Rohre u. dgl.