CH688800A5 - Verfahren zur Herstellung von grobkeramischen Tonprodukten und durch das Verfahren hergestellte Produkte. - Google Patents

Description

  
 



  Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von grobkeramischen Tonprodukten gemäss dem Oberbegriff von Anspruch 1, sowie mittels des Verfahrens hergestellte Tonprodukte. 



  Gemäss dem Stand der Technik wird der aufgeschlossene, feuchte Ton verschiedenartigen Maschinen - alles unterschiedliche Bauformen von Pressen - in seine, dem endgültig herzustellenden Produkt ähnliche Form gebracht. Geläufige Pressenbauarten sind im wesentlichen Strangpressen für Mauersteine und z.B. Biberschwanz-Dachziegel und Formpresssen für die prägende Formgebung aus vorgeformten, mit Strangpressen erzeugten Tonbatzen, letztere im wesentlichen bei der Dachziegel- und bei der Tonplattenfabrikation im Einsatz. 



  Zur Verbesserung der Gleiteigenschaften im Tonmaterial - und damit gleichzeitig zur Verringerung von Materialtexturen beim Verpressen - erfolgt die Formgebung vielfach unter Einleitung von Dampf in das zu verpressende Material. 



  Bei solchen Nassverpressungs-Verfahren wird also ein möglichst feuchtes, warmes und dadurch plastisches Material benötigt. Durch grössere Fliesswege und zufolge auch grösseren Fliessgeschwindigkeiten des Tonmaterials besteht aber stets die Gefahr von Wasserausscheidung in den Gleitebenen des Tons, verbunden mit Texturbildungen und damit negativen, ungewollten Gefüge-Inhomogenitäten. 



  Neben den Nassverpressungsverfahren bestehen Trockenpressverfahren, bei denen mit wesentlich tieferen Feuchtigkeiten des zu verpressenden Tonmaterials gearbeitet wird. Diese zeichnen sich aber durchwegs durch die gleichen Verfahrensabläufe aus, lediglich in der Aufbereitung wird das Tonmaterial auf einen wesentlich tieferen Wassergehalt eingestellt, als dies bei der Nassverpressung der Fall ist. Trockenpressverfahren sind gekennzeichnet durch hohe Pressdrücke, hohen Pressenleistungsbedarf und hohen Maschinenverschleiss. 



  Nach der Verpressung erfolgt im nächstfolgenden Verfahrensschritt die Trocknung. Hier wird unter erheblichem Energieaufwand (bis zu 50% des Gesamtenergieaufwandes) die im Tonmaterial befindliche Feuchtigkeit entfernt. Da der Ton bei der Wasserabgabe eine Volumenverminderung erfährt, besteht bei Trocknung von grobkeramischen Tonprodukten, die nach bekannten Verfahren hergestellt sind, stets das erhebliche Risiko der Rissbildung infolge ungleichmässiger Austrocknung und ungleichmässiger Materialschwindung oder zumindest die Gefahr der Anlegung von Rissen, die nach dem Brennen erst hervortreten. 



  Generell kann in der Trockenschwindung des Tonmaterials und in der damit verbundenen Gefahr der Trockenrissbildung eine wesentliche technologische Grenze für die maximalen Abmessungen und geometrischen Ausbildungen der fabrizierbaren Produkte und auch für die maximale Trocknungsgeschwindigkeit gesehen werden. Hinzu kommt, dass der Austreibvorgang des Wassers im Bereich der grössten Materialschwindung nur sehr langsam zu erfolgen hat, damit die Volumenverminderung gleichmässig über den ganzen Körper erfolgt und damit auch der Eigenspannungszustand im grünen Ziegel minimiert ist. Insbesondere treten häufig dann Schwierigkeiten auf, wenn die zu formenden Teile grosse Unterschiede in den Wandstärken aufweisen. 



  Neben der Grösse des Formlings sind für die Trocknungsdauer unter anderem noch zwei weitere Grössen von Bedeutung: Seine Oberfläche und der von dem Wasser in den Tonkapilaren zurückzulegende Weg vom Materialkern bis an dessen Oberfläche - man denke an die Trocknungsempfindlichkeit und an die erforderlichen Trocknungszeiten bei Vollsteinen. 



  Die Trockenempfindlichkeit bildet also in der gesamten grobkeramischen Industrie heute den technologischen Engpass hinsichtlich Produktgrösse, Durchlaufzeit, Produktqualität. 



  Nach der Trocknung werden die gepressten bzw. geformten Tonteile zum fertigen Tonprodukt gebrannt. Der Brennvorgang kann wie bekannt, in einem Tunnelofen erfolgen, aber auch der Schnellbrand im Rollenofen ist möglich. 



  Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens der eingangs genannten Art, mittels welchem bei geringerem Energieverbrauch einwandfreie Tonprodukte herstellbar sind und mittels welchem gezielt unterschiedliche innere Strukturen und Formen von Tonprodukten erreichbar sind. 



  Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale von Anspruch 1 gelöst. 



  Besonders vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den davon abhängigen Ansprüchen gekennzeichnet. 



  Ein mittels dem erfindungsgemässen Verfahren hergestelltes Tonprodukt ist durch die Merkmale von Anspruch 10 gekennzeichnet. 



  Das erfindungsgemässe Verfahren weist folgende Verfahrenssschritte auf: Aus aufbereitetem, aufgeschlossenem, feuchtem Ton wird Granulat hergestellt. Anschliessend wird das Granulat soweit vorgetrocknet, dass es noch plastisch verformbar ist, ohne dabei zu zerfallen. Im Granulatpartikel ist also der erste Trocknungsabschnitt abgelaufen, die Hauptschwindung hat somit im Granulat stattgefunden und nicht, wie bei bekannten Verfahren in einem verpressten Vorprodukt, welches bereits etwa die Abmessungen des gebrannten Endproduktes aufweist. Das derart vorgetrocknete Granulat wird dann in Formen gefüllt und zu einem Tonvorprodukt gepresst - anschliessend erfolgt die Fertigtrocknung und der Brennvorgang. 



  Durch die Herstellung eines Granulates wird der Trockenvorgang wesentlich effektiver durchgeführt, als dies für die Trocknung nach bekannten Verfahren der Fall ist. 



  Das Granulat kann jede beliebige Form aufweisen, wobei es vorzugsweise kugelförmig oder zylindrisch ausgebildet ist. 



  Durch die Herstellung zweier oder mehrerer Granulatfraktionen - wobei das Maximum der Korngrössenverteilung jeder Fraktion andere Granulatabmessungen bzw. Durchmesser aufweist - können für den Pressvorgang unterschiedliche Granulatmischungen hergestellt werden, welche vor der Verpressung bereits jeweils unterschiedliche Lückengrade bzw. Zwischenräume aufweisen, wodurch eine gewünschte Porosität des Tonproduktes nach der Verpressung erreichbar ist. 



  Soll eine möglichst dichte Ausgangsmischung vor dem Verpressen erzielt werden, so ist das Verhältnis der Granulatdurchmesser bei zwei Fraktionen in einem Bereich zwischen 1:3 und 1:20, vorzugsweise zwischen 1:5 und 1:10 zu wählen und ein Volumenverhältnis derart, dass das Volumen der kleineren Fraktion zwischen 20% und 40% des Volumens der Gesamtmischung beträgt. 



   Zur Erzielung möglichst hochporöser Tonprodukte ist dagegen die Verwendung von nur einer Fraktion mit enger Korngrössenverteilung sinnvoll, wobei hier ausserdem mit geringen Drücken bei der Verpressung gearbeitet werden kann. 



  Durch das Einbringen mehrerer Schichten unterschiedlicher Mischungsverhältnisse in die Form kann das Tonprodukt somit optimal an den Verwendungszweck angepasst werden. Es können somit z.B. Mauersteine hergestellt werden, mit äusseren Wänden hoher Dichte und Festigkeit und geringer Porosität und mit einer Füllung im inneren Bereich mit hoher Porosität und guter Wärmedämmung. 



  Die Verwendung von mehreren Granulatfraktionen bietet aber noch weitere Optionen - so ist zum Beispiel durch Mischung von Granulat aus unterschiedlichen Tonen eine vielfältige farbliche Variation möglich. Weiterhin ist es denkbar, Tone mit unterschiedlicher Brennschwindung, Wärmedehnung, spezifischer Wärmekapazität und unterschiedlichen keramotechnischen Eigenschaften so zu mischen, dass ein gewünschtes, optimales Eigenschaftsprofil entsteht. Auch die Restfeuchte der Fraktionen nach der Trocknung kann unterschiedlich eingestellt werden, sodass z.B. hiermit gewisse Fraktionen gezielt zur Bindungsaufgabe eingesetzt werden  können, während die Fraktionen anderer Tone gezielt Stützaufgaben im Gefüge wahrnehmen. 



  Nachfolgend wird das erfindungsgemässe Herstellungsverfahren gemäss dem Prinzip, zuerst Granulate aus Ton zu erzeugen, diese dann zu trocknen und die vorgetrockneten, als Schüttgut behandelbaren, rieselfähigen, jedoch noch plastisch verformbaren Granulate in eine Pressform zu füllen und zu verpressen näher beschrieben. 


 Aufbereitung: 
 



  Bei dem vorgeschlagenen Herstellverfahren kann - muss aber nicht unbedingt - vom gleich aufbereiteten Ausgangsmaterial ausgegangen werden, wie es zur bekannten grobkeramischen Fabrikation benutzt wird. Der aus der Grube gelangende Rohstoff wird über Beschicker, Kollergang/Walzenbrecher, Walzwerke, Mischer und Zwischenlager in gleicher Weise bereitgestellt. An die Feinheit der Aufbereitung ist ggf. eine höhere Anforderung zu stellen, als dies bei üblichen Verfahren der Fall ist. Da das vorgeschlagene Verfahren bei der Verpressung insgesamt eine wesentlich geringere Verformung des Tons und damit auch Texturempfindlichkeit bedingt, ist es denkbar auf eine Zwischenlagerung des aufbereiteten Materials (Tonkeller, Maukturm o.ä.) zu verzichten. 


 Granulatherstellung: 
 



  Nun erfolgt einer der wesentlichen, neuen Verfahrensschritte: Die Herstellung des Tongranulates. Diese Problemstellung ist keineswegs trivial, da das Tonmaterial im feuchten Zustand dazu neigt, zu verkleben. Zudem kann es aus Gesichtspunkten gezielter Porositätseinstellung angezeigt sein, das Granulat in relativ enger Bandbreite der Korngrössenverteilung zu erzeugen. Diese Verfahrenszielsetzung ist mit unterschiedlicher maschineller Ausrüstung, die nur teilweise bekannt ist, zu bewerkstelligen. 



  Allen Granulierverfahren ist gemeinsam, dass
 1. zuerst dünne Tonstränge - ähnlich der Hackfleischherstellung im Fleischwolf - gepresst werden, die
 2. nach Austritt aus der Presse so abgeschnitten werden, dass Formkörper aus Ton entstehen. Bei runden Tonmaterialsträngen, aus denen man kugelförmiges Granulat herstellen will, wird man z.B. die Länge des Abschnitts etwa gleich dem Durchmesser wählen und diese Zylinder sodann arrondieren, indem man sie um statistisch variierende Achsen dreht  (z.B. mittels Arrondierteller oder beim Durchlauf durch eine leicht geneigte Drehtrommel);
 3. zur Vermeidung eines nachträglichen Zusammenbackens der soeben erzeugten, noch feuchten Formkörper aus Ton werden diese direkt nach ihrer Entstehung mit trockenem Tonstaub umhüllt. 



  Das Zwischenprodukt "feuchtes Tongranulat" weist eine enorm grosse Oberfläche auf und zeichnet sich dadurch aus, dass das beim Trocknen auszutreibende Wasser nur sehr kurze Wege zurücklegen muss, nämlich maximal vom Partikelkern bis zu seiner Oberfläche. Aus diesen Gründen kann bei der Granulattrocknung mit einer geringen Feuchtigkeitsdifferenz und auch mit geringen Temperaturdifferenzen zwischen Luftstrom und Granulatstrom gearbeitet werden und es werden dennoch kurze Trockenzeiten erreicht. Bereits geringe Enthalpiedifferenzen der Umgebungsluft gegenüber dem zu trocknenden Ton reichen nun für den Trocknungsvorgang aus, was erhebliche Energieeinsparung ermöglicht. In Sommermonaten und zu Zeiten mit niedriger relativer Feuchte der Umgebungsluft kann man ggf. ohne Zusatzenergiebedarf (Heizung) für die Trocknerei auskommen oder aber zumindest den Energiebedarf ganz erheblich reduzieren.

  In diesem Vorteil allein liegt bereits ein derart gravierender energetischer Nutzen, dass er ohne Einbezug aller anderen Vorteile bereits die Anwendung dieses Verfahrens rechtfertigen würde. 



  Die entsprechend erforderlichem Pressdruck und hierzu benötigter Plastizität auf unterschiedliche oder gleiche Restfeuchtigkeiten getrockneten Granulatfraktionen werden dann als Schüttgut in entsprechende Formen gefüllt und sodann verpresst. Da die wesentlichen Schwindungsvorgänge bereits bei der Trocknung des Granulats abgelaufen sind, sind die derart hergestellten Presslinge wesentlich spannungsärmer als solche, die nach den bekannten Verpressungsverfahren hergestellt wurden. 



  Eine Verfahrensvariante besteht darin, das Wasser weitestmöglichst auszutreiben und das Granulat auf eine Restfeuchtigkeit unter 4% herunterzutrocknen. Vor der Verpressung kann das Granulat dann mit einer brennbaren organischen Flüssigkeit soweit angefeuchtet werden, dass es für den folgenden Verpressungsvorgang optimale Gleit- und Verpressungseigenschaften aufweist, und zudem im Material bereits ein Energielieferant für den nachfolgenden Brennprozess gleichmässig eingebaut ist. 


 Verpressungsvorgang des vorgetrockneten Granulates: 
 



  Die Verpressung erfolgt in einer hierfür konzipierten Granulatpresse. Für die Dachziegel- und die Sichtmauersteinfabrikation gemeinsames Merkmal einer solchen Presse ist, dass die spätere Aussenseite oder sichtbare Fläche des Produktes in der Presse horizontal und unten in der Pressform angeordnet ist. Der Verpressungsvorgang erfolgt nun in den folgenden Schritten: 



   Einfüllen des getrockneten Granulates in die Form. Hierbei wird so verfahren, dass über die quantitative Zusammensetzung von mindestens zwei Granulatfraktionen der Lückengrad der gewünschten Porosität entsprechend unterschiedlich eingestellt werden kann. Wünschbar ist ein Durchmesserverhältnis von etwa 1:10 zwischen den Maxima der Korngrössenverteilungen der Durchmesser der kleinen und der grossen Granulatfraktion im Aussenhautbereich. Berücksichtigt man noch die erforderlichen Mengenverhältnisse und stellt die Menge der Fraktion mit dem kleinen Durchmesser so ein, dass sie gerade in die Lücken der grossen Fraktion hineingeht, so lassen sich bereits in der Schüttung Porositäten von ca. 18% erzeugen, die dann durch folgende Verpressung nochmals stark reduziert werden können. Somit lässt sich in der Aussenphase des Presslings ein gezielt dichtes Gefüge einstellen.

  Lässt man in der Folge, beim weiteren Auffüllen der Form nun z.B. den Anteil der feineren Fraktion weg, so erzielt man mit der groben Fraktion einen wesentlich höheren Lückengrad (Porosität). Bei einem Mauerstein lassen sich somit also gezielt unterschiedliche Porositäten und damit Produkteigenschaften beispielsweise über die Dicke eines Steins (einer Wand) einstellen. Es wird also möglich, einen Mauerstein herzustellen, der aussen ein dichtes Gefüge besitzt, und demzufolge in dieser Partie hohe Frostbeständigkeit, Abriebfestigkeit, Druckfestigkeit, gute Schlagregenbeständigkeit und niedrige Wasseraufnahme aufweist, in seinem Kern hingegen hohe Porosität, was zu einer guten Wärmedämmung bei gleichzeitiger Atmungsaktivität des gesamten Mauerwerks führt.

  Es werden also die unterschiedlichen Funktionen vom Zweischalenmauerwerk: Aussenschale - Isolation - Innenschale in einem Stein einer neuen monolitischen Wandgeneration vereint. 



  Beim Einfüllen des Granulates in die Form kann, zumindest anfänglich, gegebenenfalls aber auch während des ganzen Befüllungsvorgangs, gleichzeitig die Form - oder Teile von ihr - in Schwingungen versetzt werden. Die Vibration bewirkt, dass sich die Partikel mit kleineren Durchmessern  bevorzugt am Boden der Pressform also an der späteren Aussenwand oder an der Dachaussenseite des Dachziegels, anordnen und dort bei der nachfolgenden Verpressung zusammen mit Partikeln grösseren Durchmessers zu minimaler Porosität führen. 



  Beim Dachziegeldach ergibt sich durch diese Art der Verpressung insbesondere der Nutzen" dass die Atmungsaktivität des Materials zur Dachinnenseite vergleichsweise grösser wird als nach aussen. Lösbare Salze im Scherben, die ggf. zu Ausblühungen führen, werden also bevorzugt nach innen abgeführt. Die Aussenhaut des Daches wird vergleichsweise weniger Ausblühungen aufweisen. 



  Im Kernbereich des Presslings ist es - insbesondere bei der Mauersteinfabrikation - möglich, durch Zugabe von entsprechenden Porosierungsmitteln wie Sägemehl, Kohlestaub oder ähnlicher beim Brennen ausbrennender Zumischungen - auch in Verbindung mit einem entsprechenden Bindemittel, wie z.B. flüssige Kohlenwasserstoffe - eine erhöhte Porosität einzustellen. Hierbei kann die Mischung der Komponenten vor dem Einfüllen in die Form oder aber auch beim Einfüllen erfolgen. 



  Da die Herstellung von Dachziegeln mit diesem Verfahren praktisch texturlos im Sinn der bisher durch das Verpressen aufgetretenen Inhomogenitäten erfolgt, und beim Pressvorgang kein Wasser ausgepresst wird, entfällt die Gipserei, es kann z.B. mit Stahlformen gearbeitet werden, die gegebenfalls zur Entlüftung beim Pressvorgang und/oder zur Verschleissminderung mit einer dünnen Schicht aus hochverschleissfestem Sintermetall ausgestattet werden können. Zur Entlüftung der Form ist zudem - wie bekannt - ein zweifacher Presshub ggf. mit Zwischenevakuation möglich. 



  Bei der Verpressung von Mauersteinen wird die gezielte Inhomogenität nicht allein durch unterschiedliche Mischungen von mehreren Fraktionen erzeugt, vielmehr wird durch geeignete Massnahmen zusätzlich dafür gesorgt, dass der Pressdruck und damit die Verdichtung über die Dicke des Steins von aussen nach innen abnimmt. Eine wesentliche Aufgabe hierbei übernehmen die Kerne, die so gestaltet sind, dass sie in die Pressform seitlich ein und ausgefahren werden können, wie dies bei zahlreichen Pressenkonstruktionen z.B. im Formenbau der Kunststoffindustrie üblich ist. Von besonderer Bedeutung sind bei der Mauersteinverpressung die äusseren Kernreihen, sie nehmen einen Grossteil des Pressdrucks auf und sorgen dafür, dass sich ein hoher Pressdruck vom Formenboden her bis zu ihnen aufbaut und demzufolge  im Aussenbereich des Steins ein dicht verpresstes Material entsteht.

  Die Kerne sollten vorzugsweise leicht konische Längsausdehnungen aufweisen, damit ein Kernauszug nach der Verpressung nicht zur mechanischen Beschädigung des Presslings führt. Es ist weiterhin denkbar, dass die Kerne beheizt oder gekühlt werden, sodass sich auf ihrer Oberfläche ein dünner Flüssigkeitsfilm bildet, der den Kernauszug aus der Form erleichtert. 



  Es ist vorstellbar, dass der Verpressungsvorgang bei gleichzeitig erfolgender Vibration der Form oder eines Teils der Form erfolgen kann, sodass eine höhere Verdichtung nahe der Wandung erzielt wird, infolge des insgesamt niedrigeren Pressdrucks bei Vibrationsüberlagerung aber im Innern des Presslings dennoch eine hohe Porosität erhalten bleibt. 



   Die Verpressung erfolgt durch ein- oder mehrstufiges Zustellen von Presszylindern in einer oder mehreren Richtungen, zeitgleich oder zeitversetzt. 



  Nach der Verpressung wird der Pressling aus der Form herausgenommen und auf eine für den Transport geeignete Seite gestellt. Bei Dachziegeln ist dies die Ziegelunterseite, bei Mauersteinen mit entsprechend dem Verfahren vorteilhaft ausgepresstem Boden die Seite, die dem Boden gegenüberliegt. 



  Sowohl Dachziegel wie auch Mauersteine können infolge des niedrigen Restwassergehaltes nach der Verpressung ggf. direkt dem Brennprozess zugeführt werden. Gegebenenfalls ist es erforderlich, die Vorwärmzone oder Aufwärmzone des Durchlaufofens zu verlängern. 

Claims (10)

1. Verfahren zur Herstellung grobkeramischer Tonprodukte, insbesondere von Dachziegeln oder Mauersteinen, dadurch gekennzeichnet, dass aus aufgeschlossenem, feuchtem Ton ein Granulat von mindestens einer Fraktion hergestellt wird, dass das Granulat soweit vorgetrocknet wird, dass es einen für eine plastische Verformbarkeit erforderlichen Restfeuchtigkeitsgehalt aufweist, dass das Granulat in Formen eingefüllt und zu einem Tonprodukt gepresst wird und dass das Tonprodukt einem Brennprozess zugeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Granulat Körner einer beliebigen Form aufweist, wobei die Körner vorzugsweise kugelförmig oder zylinderförmig ausgebildet sind, und dass innerhalb einer Fraktion alle Granulatkörner die gleiche Form aufweisen.

3.

Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Mischung mit mindestens zwei Fraktionen mit zueinander unterschiedlichen Grössen bzw. Durchmessern der Granulatkörner hergestellt werden, wobei das Verhältnis der Grössen- bzw. Durchmesserunterschiede der Granulatkörner zwischen den Fraktionen 1 zu 3 bis 1 zu 20, vorzugsweise 1 zu 5 bis 1 zu 10 beträgt.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Mischung von zwei Granulatfraktionen in einem vorbestimmten Mischungsverhältnis verwendet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Mischung der Anteil des Volumens VK aller kleinen Granulatkörner am Gesamtvolumen V der Mischung 20 bis 40% beträgt.

6.

Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass in die Form mehrere Mischungen mit jeweils anderen Mischungsverhältnissen eingefüllt werden.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die an mindestens einer Formwand anliegende Granulatschicht eine Mischung mit einem höheren Füllungsgrad bzw. geringerer Porosität ist als die übrige Granulatfüllung.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass unterschiedliche Tone für die einzelnen Fraktionen verwendet werden, um hierdurch die Farbe und/oder keramotechnische Kenngrössen des Produktes gezielt einzustellen.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Granulatfraktionen auf unterschiedliche Feuchtigkeitsgehalte vorgetrocknet werden.

10.

Tonprodukt, hergestellt nach dem Verfahren gemäss einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Tonprodukt mindestens an einer Seite eine Aussenschicht mit höherer Dichte bzw. geringerer Porosität aufweist als der restliche Teil des Tonproduktes, welcher gegenüber der Aussenschicht eine höhere Porosität zwecks besserer Wärmeisolierung aufweist.