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.
The invention relates to a method for producing coarse ceramic clay products according to the preamble of claim 1, and to clay products produced by means of the method.
According to the state of the art, the digested, moist clay of different machines - all different types of presses - is brought into its shape, which is similar to the final product to be manufactured. Common press types are essentially extrusion presses for bricks and e.g. Biberschwanz roof tiles and molding presses for the shaping of preformed clay blocks produced with extrusion presses, the latter mainly used in the production of roof tiles and clay plates.
In order to improve the sliding properties in the clay material - and thus at the same time to reduce material textures when pressing - the shaping is often carried out by introducing steam into the material to be pressed.
In such wet pressing processes, a material that is as moist, warm and therefore plastic as possible is required. Due to larger flow paths and, as a result, also higher flow velocities of the clay material, there is always the risk of water excretion in the sliding planes of the clay, combined with texture formation and thus negative, unwanted structural inhomogeneities.
In addition to the wet pressing processes, there are dry pressing processes which work with significantly lower moisture levels in the clay material to be pressed. However, these are characterized by the same procedures, only in the preparation the clay material is set to a much lower water content than is the case with wet pressing. Dry pressing processes are characterized by high pressing pressures, high press output requirements and high machine wear.
After pressing, drying takes place in the next process step. Here the moisture in the clay material is removed with considerable energy expenditure (up to 50% of the total energy expenditure). Since the clay is reduced in volume when water is released, there is always a considerable risk of crack formation due to uneven drying and uneven material shrinkage or at least the risk of cracking that occurs after firing when coarse-ceramic clay products are manufactured using known processes emerge.
In general, the dry shrinkage of the clay material and the associated risk of dry cracking can be seen as an essential technological limit for the maximum dimensions and geometric configurations of the products that can be manufactured and also for the maximum drying speed. In addition, the expulsion process of the water in the area of the greatest material shrinkage has to take place very slowly, so that the volume is reduced evenly over the whole body and thus the residual stress in the green brick is minimized. In particular, difficulties often arise when the parts to be molded have large differences in wall thickness.
In addition to the size of the molding, two other sizes are important for the drying time: its surface and the distance from the material core to the surface of the material in the clay capillaries - think of the sensitivity to drying and the required drying times for solid bricks.
The sensitivity to dryness therefore forms the technological bottleneck in the entire heavy clay industry with regard to product size, throughput time and product quality.
After drying, the pressed or shaped clay parts are fired to the finished clay product. As is known, the burning process can take place in a tunnel furnace, but rapid firing in the roller furnace is also possible.
The object of the present invention is to create a method of the type mentioned at the beginning, by means of which flawless clay products can be produced with lower energy consumption and by means of which different internal structures and shapes of clay products can be achieved in a targeted manner.
According to the invention, this object is achieved by the characterizing features of claim 1.
Particularly advantageous developments of the invention are characterized in the claims dependent thereon.
A clay product produced by means of the method according to the invention is characterized by the features of claim 10.
The process according to the invention has the following process steps: Granules are produced from processed, digested, moist clay. The granulate is then pre-dried to such an extent that it can still be plastically deformed without disintegrating. The first drying section in the granulate particle has therefore expired, the main shrinkage has thus taken place in the granulate and not, as in known methods, in a compressed preliminary product which already has approximately the dimensions of the fired end product. The pre-dried granulate is then filled into molds and pressed into a clay pre-product - then the finished drying and firing process takes place.
By producing a granulate, the drying process is carried out much more effectively than is the case for drying according to known methods.
The granulate can have any shape, it preferably being spherical or cylindrical.
By producing two or more granulate fractions - the maximum of the grain size distribution of each fraction having different granule dimensions or diameters - different granulate mixtures can be produced for the pressing process, which already have different gaps or gaps before the pressing, thereby creating a desired porosity of the clay product can be reached after pressing.
If as dense a starting mixture as possible is to be achieved before pressing, the ratio of the granule diameter for two fractions in a range between 1: 3 and 1:20, preferably between 1: 5 and 1:10, and a volume ratio such that the Volume of the smaller fraction is between 20% and 40% of the volume of the total mixture.
In contrast, the use of only one fraction with a narrow grain size distribution makes sense to achieve the most porous clay products possible, and it is also possible to work with low pressures during the pressing.
The clay product can thus be optimally adapted to the intended use by introducing several layers of different mixing ratios into the mold. Thus, e.g. Bricks are made with outer walls of high density and strength and low porosity and with a filling in the inner area with high porosity and good thermal insulation.
However, the use of several granulate fractions offers further options - for example, a mixture of granules from different clays enables a wide range of colors to be varied. Furthermore, it is conceivable to mix clays with different combustion shrinkage, thermal expansion, specific heat capacity and different ceramic-technical properties so that a desired, optimal property profile is created. The residual moisture of the fractions after drying can also be set differently, so that e.g. certain fractions can thus be used specifically for the binding task, while the fractions of other clays perform specific supporting tasks in the structure.
The production process according to the invention is described below in accordance with the principle of first producing granules from clay, then drying them and filling the pre-dried, free-flowing, free-flowing, but still plastically deformable granules into a mold and compressing them.
Processing:
In the case of the proposed production process, it is possible, but not necessarily, to start from the same prepared starting material as is used for the known heavy ceramic production. The raw material coming from the pit is made available in the same way via feeder, pan mill / roller crusher, rolling mill, mixer and intermediate storage. The refinement of the preparation may have to meet higher requirements than is the case with conventional processes. Since the proposed method results in a substantially lower deformation of the clay and thus also texture sensitivity during the pressing, it is conceivable to dispense with intermediate storage of the processed material (clay cellar, wall tower or the like).
Granule production:
Now one of the essential new process steps takes place: the production of the clay granulate. This problem is by no means trivial, since the clay material tends to stick when wet. In addition, from the point of view of a targeted porosity setting, it can be indicated to produce the granulate in a relatively narrow range of the grain size distribution. This process objective can be achieved with different machine equipment, which is only partially known.
All granulation processes have in common that
1. First, thin strands of clay - similar to minced meat production in a meat grinder - are pressed
2. after exiting the press, are cut off in such a way that molded articles are made of clay. With round clay material strands from which you want to produce spherical granules, you will e.g. choose the length of the section approximately equal to the diameter and then round off these cylinders by rotating them around statistically varying axes (e.g. using a rounding plate or when passing through a slightly inclined rotating drum);
3. To avoid subsequent caking of the just-made, still moist molded articles made of clay, they are coated with dry clay dust immediately after they are formed.
The intermediate product "moist clay granulate" has an enormously large surface area and is characterized by the fact that the water to be expelled during drying only has to travel very short distances, namely from the particle core to its surface at most. For these reasons, granulate drying can be carried out with a low moisture difference and also with low temperature differences between the air flow and the granulate flow and short drying times are nevertheless achieved. Even small enthalpy differences in the ambient air compared to the clay to be dried are now sufficient for the drying process, which enables considerable energy savings. In the summer months and at times with low relative humidity of the ambient air, you can possibly do without additional energy (heating) for the dryer or at least reduce the energy requirement considerably.
In this advantage alone there is already such a serious energy benefit that it would justify the use of this method without including all other advantages.
The correspondingly required pressing pressure and the plasticity required for this, granulate fractions dried to different or the same residual moisture content are then poured into appropriate shapes as bulk goods and then pressed. Since the essential shrinkage processes already took place during the drying of the granulate, the compacts produced in this way are substantially less stressed than those which were produced by the known compression processes.
One method variant is to drive out the water as much as possible and to dry the granulate to a residual moisture below 4%. Before pressing, the granulate can then be moistened with a flammable organic liquid to such an extent that it has optimal sliding and pressing properties for the following pressing process, and that an energy supplier for the subsequent burning process is already evenly integrated into the material.
Compression process of the pre-dried granules:
The compression takes place in a granulate press designed for this purpose. A common feature of such a press for roof tile and exposed brick production is that the later outside or visible surface of the product in the press is arranged horizontally and below in the mold. The pressing process now takes place in the following steps:
Pour the dried granules into the mold. The procedure here is such that the degree of gap of the desired porosity can be set correspondingly differently via the quantitative composition of at least two granulate fractions. A diameter ratio of about 1:10 between the maxima of the grain size distributions and the diameters of the small and large granulate fractions in the outer skin area is desirable. If one takes into account the required proportions and sets the amount of the fraction with the small diameter so that it just goes into the gaps of the large fraction, porosities of approx. 18% can already be generated in the bed, which can then be pressed can be greatly reduced again. In this way, a deliberately dense structure can be set in the outer phase of the compact.
If you subsequently leave the form, e.g. away the proportion of the finer fraction, the coarse fraction achieves a much higher degree of gap (porosity). In the case of a brick, different porosities and thus product properties can be set in a targeted manner, for example via the thickness of a brick (a wall). It is therefore possible to produce a brick that has a dense structure on the outside and consequently has high frost resistance, abrasion resistance, pressure resistance, good driving rain resistance and low water absorption in this section, while its core has high porosity, which results in good thermal insulation with simultaneous breathability of the entire masonry.
So the different functions of the two-shell masonry are combined: outer shell - insulation - inner shell in one stone of a new monolithic wall generation.
When filling the granulate into the mold, the mold - or parts of it - can be set into vibration at the same time, at least initially, but possibly also during the entire filling process. The vibration has the effect that the particles with smaller diameters preferentially arrange themselves on the bottom of the mold, i.e. on the later outer wall or on the roof outside of the roof tile, and there lead to minimal porosity in the subsequent pressing together with particles of larger diameter.
In the case of roof tile roofing, this type of pressing results in particular in "the fact that the breathability of the material on the inside of the roof is comparatively greater than on the outside. Detachable salts in the cullet, which may lead to efflorescence, are therefore preferably removed inwards. The outer skin of the roof will have comparatively less efflorescence.
In the core area of the compact, it is possible - especially in the manufacture of masonry - by adding appropriate porosity agents such as sawdust, coal dust or similar additives that burn out when fired - also in conjunction with an appropriate binder, e.g. liquid hydrocarbons - adjust porosity. The components can be mixed before filling into the mold or during filling.
Since the production of roof tiles with this process is practically textureless in the sense of the inhomogeneities that have previously occurred due to the pressing, and since no water is pressed out during the pressing process, the plastering shop is omitted, e.g. steel molds are used, which may be equipped with a thin layer of highly wear-resistant sintered metal for ventilation during the pressing process and / or to reduce wear. As is known, a double press stroke is also possible to vent the mold, if necessary with intermediate evacuation.
When bricks are pressed, the targeted inhomogeneity is not only created by different mixtures of several fractions, but by means of suitable measures it is additionally ensured that the pressure and thus the compression decreases over the thickness of the stone from the outside in. The cores, which are designed in such a way that they can be moved laterally into and out of the press mold, take on an essential task, as is the case with numerous press designs, e.g. is common in mold making in the plastics industry. The outer core rows are of particular importance in brick pressing, they absorb a large part of the pressing pressure and ensure that a high pressing pressure builds up from the mold base to them and consequently a tightly pressed material is created in the outer area of the stone.
The cores should preferably have slightly conical longitudinal expansions so that core extraction after pressing does not lead to mechanical damage to the compact. It is also conceivable that the cores are heated or cooled, so that a thin film of liquid forms on their surface, which facilitates core extraction from the mold.
It is conceivable that the pressing process can take place while the mold or part of the mold is vibrating at the same time, so that a higher compression is achieved near the wall, but due to the overall lower pressing pressure when vibrations are superimposed, a high porosity is nevertheless retained inside the compact.
The pressing is carried out by one or more steps of pressing cylinders in one or more directions, at the same time or at different times.
After pressing, the compact is removed from the mold and placed on a side that is suitable for transport. In the case of roof tiles, this is the underside of the tile, in the case of bricks with a floor which is advantageously pressed out in accordance with the method, the side which lies opposite the floor.
Due to the low residual water content after pressing, both roof tiles and bricks can be fed directly into the firing process. It may be necessary to extend the preheating zone or heating zone of the continuous furnace.