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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Druckschlicker-Gießvorrichtung
mit den oberbegrifflichen Merkmalen gemäß Patentanspruch
1 bzw. auf ein Verfahren zum Gießen eines Formteils mit
den oberbegrifflichen Merkmalen gemäß Patentanspruch
12.
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Allgemein
bekannt sind Schlickergießanlagen, wie sie z. B. beschrieben
sind in
DE 298 01
196 U1 und
DE
197 45 232 C1 . Druckschlickergusstechnologie ist ein bewährtes
Urformverfahren für eine kosteneffiziente Herstellung von
komplexen und großvolumigen Formteilen im Bereich der Sanitärkeramik.
Gefertigt werden mittels Schlickerguss durch Gießen von
Schlicker als einer fließ- und pumpfähigen Dispersion
in eine Gießform zum Beispiel Toilettenbecken, Wasserkästen,
Waschbecken und Bidets. Im Bereich Feinkeramik werden beispielsweise
Geschirr und Vasen mittels Schlickerguss gefertigt. Durch Einführung
der Schlickerdruckgusstechnik konnte die Herstellungsdauer von derartigen
Keramikartikeln auf 5% der bis dahin erforderlichen Gießzeit reduziert
werden.
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DE 12 99 546 A beschreibt
ein Verfahren zum Verhindern eines Anklebens von gegossenen Formteilen
an Formwandungen einer Gießform durch eine Wasserzuführung
in die poröse Gießform. Anschließend wird
keramischer Schlicker unter Druck in ein geschlossenes Werkzeug
bzw. die darin aufgenommene Gießform eingebracht und durch
die Gießform entwässert. Der sich dabei verfestigende
Artikel kann abschließend nach dem Öffnen der
Gießform mit Hilfe einer speziellen Saugvorrichtung entnommen
werden.
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Gegenüber
zuvor eingesetzten Gipsformen, welche zum Gießen nur weniger
Formteile einsetzbar waren, ergibt sich durch den Schlickerguss
eine enorme Zeitersparnis, ein Wegfall von platzraubenden Gipsformenlagern
und ein Wegfall einer aufwendigen Formenrücktrocknung.
Gießformen bestehen vorzugsweise aus permeablem bzw. porösem
Kunststoff oder Kunstharz und bieten eine gute Abrasionsbeständigkeit.
Außerdem gewährleisten die Gießformen
gegenüber Gießformen aus Gips eine völlig
gleichbleibende Konturenschärfe der gegossenen Formteile
und eine verbesserte Maßhaltigkeit der Artikel selbst nach
vielen Abgüssen. Beim Druckgussverfahren wird außerdem
der Putzaufwand erheblich reduziert, der Prozess kann leicht automatisiert
werden und bietet höchste Produktionsflexibilität.
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Allgemein
bekannt ist eine Druckgießanlage gemäß 4.
In einem Schlickerbehälter, der gegebenenfalls auch als
ein Mischbehälter 1 ausgestaltet sein kann, wird
in dessen Innenraum 2 ein Schlicker S bereitgestellt. Der
Schlicker S besteht im Wesentlichen aus Ton und einem Dispersionsmittel,
wobei weitere Bestandteile üblicherweise Feldspat und Quarz
sind. Das Dispersionsmittel ist eine chemische Komponente, welche
als Verflüssigungsmittel dient, um den Schlicker S pumpfähig
zu machen. Die Körnung der festen Bestandteile des Schlickers
S ist zum Herstellen keramischer Formteile üblicherweise
sehr fein und weist eine im wesentlichen monomodale Körnungsverteilung
auf.
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Der
Schlicker S wird aus dem Schlickerbehälter mittels einer
Pumpe 3 durch eine Schlickerleitung 4 in einen
Druckbehälter 5 befördert, wobei die
Schlickerleitung 4 üblicherweise einen Durchmesser
von 1,5 bis 2 inch aufweist. Bedingt durch den entsprechend engen
Querschnitt Q der Schlickerleitung 4 entsteht darin eine Strömung,
bei welcher im Randbereich der Schlickerleitung 4 beförderte
Körner des Schlickers S mit einer geringeren Geschwindigkeit
strömen als Körner des Schlickers S, welche in
der Mitte des Querschnitts Q der Schlickerleitung strömen.
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Der
in einen Innenraum 6 des Druckbehälters 5 strömende
Schlicker S wird direkt weiterbefördert durch eine Auslassleitung 7 des
Druckbehälters 5, welche in einen Forminnenraum 8 einer
Gießform 9 strömt. Auch die Auslassleitung 7 weist üblicherweise
einen Querschnitt Q von 1,5–2 inch auf, so dass eine Rand-Schlickergeschwindigkeit
va des Schlickers S geringer ist als eine Mitten-Schlickergeschwindigkeit
vi in der Leitungsmitte der Auslassleitung 7 bzw. va < vi gilt.
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Die
Gießform 9 ist üblicherweise aus zwei
oder mehr Gießformteilen 10, 11 ausgebildet,
welche zum Gießen eines Formteils unter Ausbildung des
Gießraums 8 zusammengesetzt werden. Die Schlickerleitung 7 geht
in eine Formbefüllungsleitung 12 über,
welche vorzugsweise als ein Kanal durch eine Formteilwandung zumindest
eines der beiden Formteile 10 in den Gießraum 8 hindurchfährt.
Ein Gießraum-Einlass 13 als Übergang
der Formbefüllungsleitung 12 in den Gießraum 8 befindet
sich vorzugsweise in einem unterseitigen Bereich des Gießraums 8,
um den Schlicker S von unten her in den Gießraum 8 einfüllen
zu können.
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Um
während des Befüllens des Gießraums 8 mit
dem Schlicker S in dem Gießraum 8 befindliche
Luft auslassen zu können, ist der Gießraum 8 bevorzugt
durch zumindest eines der Gießformteile 11 oder
durch einen Übergangsbereich zwischen den zusammengesetzten
Gießformteilen 10, 11 mit einer Entlüftungsleitung 14 verbunden.
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In
einem ersten Verfahrensschritt nach dem Schließen der Gießformteile 10, 11 wird
der Schlicker S aus dem Sammelbehälter mittels der Pumpe 3 mit
einer niedrigen und kontinuierlichen Geschwindigkeit durch den Druckbehälter 5 hindurch
in den Gießraum 8 gepumpt. Dabei liegt an dem
Schlicker ein relativ geringer Pumpdruck an. Nachdem der Gießraum 8 vollständig
mit dem Schlicker S befällt ist, werden Ventile 15, 16 in der
Schlickerleitung 4 bzw. in der Entlüftungsleitung 14 geschlossen.
Danach wird ein weiteres Ventil zu einer Druckquelle 18 geöffnet,
wobei die Druckquelle 18 ein gasförmiges Druckmedium
G bereitstellt, welches in den Druckbehälter 5 einströmt.
Dadurch wird über den Druckbehälter 5 bzw.
dessen Innenraum 6 und die Auslassleitung 7 ein
Druck p an den Schlicker S angelegt, welcher noch in der Auslassleitung 7 und
gegebenenfalls als restlicher Schlickeranteil im Innenraum des Druckbehälters 5 befindlich
ist. Nach dem Aufbauen eines ausreichenden Drucks p in dem Gießraum 8 der
Gießform 9 kann ein optional weiter vorgesehenes
Ventil 19 in der Auslassleitung 7 geschlossen
werden, um den Druck p in der Gießform 9 aufrechtzuerhalten.
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Die
Gießform 9 wird während des Vorgangs
mittels Pressstempeln einer Presse 20 mit einer angelegten
Presskraft F zusammengepresst. Die Gießform 9 besteht
aus porösen und permeablen Gießformteilen 10, 11,
welche einen Flüssigkeitsgehalt des Schlickers S durch
die Formteilwandungen austreten lässt, so dass sich in
dem Gießraum 8 an der Oberfläche der
Gießformteile 10, 11 ein Scherben ausbildet.
Abschließend wird die Presse 20 zurückgefahren,
um die Gießformteile 10, 11 öffnen
zu können und ein darin gebildetes Formteil entnehmen zu
können. Das Formteil wird nachfolgend gesintert, um ein
geschirrkeramisches oder sanitärkeramisches Erzeugnis bereitstellen
zu können.
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Um
die einzelnen Verfahrensschritte anzusteuern, weist eine solche
Anlage üblicherweise auch eine Steuereinrichtung C auf,
welche mit einem geeigneten Steueralgorithmus oder Steuerprogramm
angesteuert wird.
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Wesentliche
Schritte bei einem solchen Verfahren sind somit ein relativ langsames
und kontinuierliches, konstantes Befüllen des Gießraums 8 mit
Schlicker S mit Hilfe einer Niederdruckpumpe, welche einen großen
Volumenstrom ermöglicht, nachfolgend das Schließen
der Schlickerleitung 4, so dass durch diese in Rückwärtsrichtung
kein Druck entweichen kann und danach das Anlegen des eigentlichen
Drucks p, welcher als Gießdruck in der Gießform 9 auf
den Schlicker S einwirkt. Beim Anlegen des Drucks p findet kein
Volumenstrom des Schlickers S mehr aus dem Druckbehälter 5 oder
der Auslassleitung 7 in den Gießraum 8 statt.
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Alternative
Lösungen aus dem Bereich der Sanitärkeramik sehen
z. B. vor, den Schlicker mittels einer Exzenter-Schneckenpumpe aus
einem Schlickerbehälter in die Gießform zu pumpen
oder mittels einer Pumpe mit Druckübersetzung in den Gießraum
zu befördern.
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Einsetzbar
ist beim Schlickerguss jedoch nur ein feinkörniges und
möglichst monomodales keramisches Material zum Herstellen
des Schlickers. Ein insbesondere nicht Ton-haltiges Material mit
groben Körnern, ein Material mit Körnern über
eine größere Spanne von Korndurchmessern oder
gar ein nicht monomodales Material führen hingegen beim
Schlickerguss zu Scherkräften beim Befördern des
Schlickers aus einem Druckbehälter zum Bereitstellen des
Schlickers in die Gießform. Eine Entmischung würde
insbesondere auch in Ventilen oder sonstigen ungleichmäßigen
Rohrabschnitten auftreten. Außerdem bewirken nicht-Ton-haltige Schlicker
Ablagerungen in den Leitungen bzw. Rohren, so dass nach mehreren
Gießvorgängen durch den verbleibenden Querschnitt
nur noch das Trägermedium des Schlickers befördert
wird. Jeder einzelne dieser Einflüsse führt zu
unbrauchbar ungleichmäßigen Formteilen.
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Für
Anwendungen im Hochtemperaturbereich werden keramische Erzeugnisse
mit einer Erweichungstemperatur oberhalb 1500°C favorisiert,
welche allgemein und insbesondere im Rahmen dieser Beschreibung
als feuerfeste Erzeugnisse bezeichnet werden. Diese unterteilen
sich in geformte und ungeformte Erzeugnisse. Als feuerfeste Materialien
mit Feuerfestkörnungen dienen überwiegend Oxide
wie SiO2, Al2O3, MgO, CaO, ZrO2 und
Cr2O3. Weitere Bestandteile
feuerfester Erzeugnisse sind Kohlenstoff und SiC. Auch sogenannte
Refraktärmetalle wie Molybdän und Wolfram und
Platingruppenmetalle als Edelmetalle und deren Legierungen zählen
je nach Einsatzgebiet allgemein zu feuerfesten Werkstoffen.
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Feuerfeste
geformte Erzeugnisse finden einen breiten Einsatz als Auskleidung
in metallurgischen Gefäßen, z. B. als kohlenstoffgebundene
Magnesiasteine in einem Konverter, oder als Schlüsselbauteile,
wie z. B. Tauchausgüsse, Schieberplatten, Stopfen oder
Gießrinnen im Stranggussbereich. Feuerfeste Erzeugnisse werden
weiterhin im Hochofenbereich, in Transportgefäßen,
wie z. B. Pfannen, oder in der chemischen Industrie oder in der
Müllverbrennungsindustrie als temperaturfeste Rohre, oder
in der Zementindustrie als Auskleidungsmaterial eingesetzt.
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Als
Verfahren zur Herstellung von Feuerfestteilen dienen überwiegend
sogenanntes uniaxiales Pressen, ein kalt isostatisches Pressverfahren
oder eine Strangpressformgebung von bildsamen Massen. Mit Hilfe solcher
Verfahren können komplexe Geometrien jedoch nicht erzeugt
werden. Für komplexe Geometrien und/oder großvolumige
Bauteile und insbesondere bei ungeformten feuerfesten Baustoffen
werden überwiegend Gießverfahren eingesetzt. Gießverfahren
werden mittels eines druckfreien Gießens in eine Gießform durchgeführt.
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Die
ungeformten feuerfesten Baustoffe haben in den letzten 30 Jahren
eine erhebliche Bedeutung erlangt. Mit einem Anteil von fast 45%
der Gesamtproduktion feuerfester Baustoffe sind sie eine wesentliche Gruppe
der Feuerfestkeramik. Die ungeformten feuerfesten Baustoffe sind
heute weitgehend hochwertige, definierte Materialien, die qualitativ
den geformten Erzeugnissen in keiner Weise unterlegen sind. Ungeformte feuerfeste
Erzeugnisse bestehen aus einem Gemenge von körnigen feuerfesten
Rohstoffen mit einer in der Regel definierten, gezielten Kornverteilung
und Bindemitteln. Die Verarbeitung bzw. Formgebung und die Temperaturbehandlung
erfolgen am Einsatzort bzw. unter den Einsatzbedingungen. Eine Verarbeitung
erfolgt direkt im Anlieferungszustand oder nach Zugabe einer notwendigen
Flüssigkeitsmenge. Von großer Bedeutung sind dabei
kohlenstoffhaltige Gießmassen aufgrund der hervorragenden
mechanischen thermischen und chemischen Eigenschaften des Kohlenstoffs,
u. a. der Nicht-Benetzbarkeit gegenüber Metallen und Schlacken und
der exzellenten Thermoschockbeständigkeit. Außer
Kohlenstoff oder kohlenstoffhaltigem Bindemittel werden weitere
oxidische und/oder nicht oxidische Körnungen gegebenenfalls
mit weiteren speziellen Zusätzen zugemischt, die eine gute
Oxidationsbeständigkeit gewährleisten. Diese kohlenstoffhaltigen
Gießmassen oder bildsamen Massen werden entweder als ungeformte
Erzeugnisse, z. B. als monolithische Feuerfestausmauerung, eingesetzt
oder zu Erzeugnissen über die Gießformgebung oder über
die bildsame Formgebung geformt. Bei Einsatz hydraulischer Bindemittel
erfolgt durch Wasserzugabe ein Verfestigen und Aushärten
im Raumtemperaturbereich durch eine Ausbildung wasserhaltiger Minerale.
Bei den ungeformten Erzeugnissen dauert einerseits die Trocknung
sehr lange, andererseits verbirgt die Trocknung die Gefahr von Trocknungsrissen
und die Vorbeschädigung von Ausmauerung oder von vorgefertigten
Bauteilen.
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Bei
Refraktärwerkstoffe besteht das Problem, dass sie trotz
einer relativ hohen Unempfindlichkeit gegenüber Einsatzbedingungen
im Bereich heißer, flüssiger Metallschmelzen oder
chemisch aggressiver Umgebung in vielen Einsatzbereichen stark verschleißen
und daher häufig auszutauschen sind. Insbesondere als Auskleidungskomponenten
eines Konvertors ist dies mit zudem besonders hohen Montagekosten
verbunden.
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Die
Aufgabe der Erfindung besteht darin, über den Einsatz eines
verbesserten Gießverfahrens Feuerfesterzeugnisse verschiedener
Geometrie schnell, effizient, kostengünstig und möglichst
riss- und spannungsfrei fertigen zu können. Außerdem
soll eine Druckschlicker-Gießvorrichtung zur Durchführung
eines solchen Verfahrens weiterentwickelt werden.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Druckschlicker-Gießvorrichtung
mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 bzw.
durch ein Verfahren zum Gießen eines Formteils mit den
Merkmalen gemäß Patentanspruch 12 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand von abhängigen
Ansprüchen.
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Ausgegangen
wird von einer Druckschlicker-Gießvorrichtung, aufweisend
eine mehrteilige Gießform mit einem Gießraum zum
Gießen eines Formteils mittels unter Druck in den Gießraum
eingebrachten Schlickers, einen Druckbehälter zum Bereitstellen
des Schlickers, eine Auslassleitung aus dem Druckbehälter
zum Durchleiten des Schlickers aus dem Druckbehälter in
den Gießraum, eine Druckquelle, die zum Bereitstellen eines
Druckmediums zum Versetzen des im Druckbehälter bereitgestellten
Schlickers unter Druck ausgebildet ist, und eine Steuereinrichtung
zum Steuern von Verfahrensabläufen und Komponenten zum
Gießen des Formteils. Diese wird vorteilhaft durch eine
Ausgestaltung der Auslassleitung aus dem Druckbehälter
und/oder eine Ausgestaltung und Ansteuerung des Bereitstellens des
Druckmediums derart, dass der zum Gießen im Druckbehälter
bereitgestellte Schlicker mittels des Druckmediums aus dem Druckbehälter
durch die Auslassleitung in den Gießraum befördert
wird, wobei der Schlicker zum Gießen des Formteils als
ein Feuerfesterzeugnis zusammengesetzt ist.
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Eine
derart modifizierte Ausgestaltung mit einer groß dimensionierten
Auslassleitung und Ansteuerung eines hohen Drucks ermöglichen
eine schussartige Beförderung des Schlickers aus dem Druckbehälter
in die Gießform. Dadurch wird Schlickergießen
auch mit im Vergleich zu Sanitärkeramik relativ zähem
Schlicker für feuerfeste Formteile mit einer bislang nur
für keramischen Schlickerguss einsetzbaren Druckschlicker-Gießvorrichtung
ermöglicht. Optional können die Auslassleitung
und eine Formbefüllungsleitung, welche durch eine Formwandung
in den Gießraum führt sogar die Breite oder einen
Durchmesser des Gießraums aufweisen.
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Bevorzugt
ist eine Dimensionierung der Auslassleitung, insbesondere ein Querschnitt
der Auslassleitung, aus dem Druckbehälter und/oder eine
Ansteuerung des Bereitstellens des Druckmediums derart gewählt,
dass beim Befördern des Schlickers durch die Auslassleitung
eine Rand-Schlickergeschwindigkeit des Schlickers nahe einer Leitungsinnenwand
der Auslassleitung gleich wie oder vernachlässigbar geringer,
insbesondere maximal 10 geringer, vorzugsweise 20% geringer als
eine Mitten- Schlickergeschwindigkeit des Schlickers in einer Leitungsmitte
der Auslassleitung ist.
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Bevorzugt
ist eine Dimensionierung der Auslassleitung, insbesondere ein Querschnitt
der Auslassleitung, aus dem Druckbehälter und/oder einer
Ansteuerung des Bereitstellens des Druckmediums mit dem Druck derart
gewählt, dass der Schlicker ohne auf diesen einwirkende
Scherkräfte oder mit vernachlässigbar auf diesen
einwirkenden Scherkräften durch die Auslassleitung beförderbar
ist.
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Abgestellt
werden gemäß dieser bevorzugten Ausgestaltungen
die Dimension und der Druck derart auf das Fließverhalten
des Schlickers, dass in diesem keine oder allenfalls vernachlässigbare
Scherkräfte wirken. Dies ist vorteilhaft, da Schlicker
für feuerfeste Formteile sehr zäh ist mit Viskositäten
von 50 mPa·sec bis 1200 mPa·sec und außerdem
durch eine bimodale Zusammensetzung bei Einwirkung von Scherkräften
leicht zu einer Entmischung der einzelnen Komponenten neigt.
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Der
Druckbehälter weist bevorzugt ein Aufnahmevolumen auf,
welches zum Aufnehmen einer Menge des Schlickers entsprechend einer
zum Gießen des Formteils erforderlichen Menge des Schlickers
dimensioniert ist. Diese Ausgestaltung ermöglicht ein schussartiges
Befördern des Schlickers in die Gießform und ist vorteilhaft,
da ein langsames kontinuierliches und im wesentlichen druckfreies
Befüllen, wie dies bei der Herstellung von sanitärkeramischen
Formteilen durchgeführt wird, in der Auslassleitung zu
einer Entmischung des bimodalen Schlickers für feuerfeste
Formteile führen würde.
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Die
Druckquelle zum Bereitstellen des Druckmediums ist vorzugsweise
als ein gasförmiges Druckmedium ausgebildet. Ein gasförmiges
Druckmedium ist vorteilhaft schnell unter hohem Druck in den Druckbehälter
einleitbar, um ein schussartiges Befördern des Schlickers
aus diesem in die Gießform zu ermöglichen. Ein gasförmiges
Medium bietet außerdem den Vorteil, dass es mit dem Schlicker
nicht in einem Maße in Wechselwirkung tritt, wie ein fluides
oder flüssiges Druckmedium, deren Einsatz jedoch nicht
ausgeschlossen ist.
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Im
Druckbehälter befindet sich vorzugsweise ein Schieber,
der mit dem Druck der Druckquelle in Richtung des Schlickers verstellbar
angeordnet ist zum Befördern des Schlickers in die Gießform.
Während ein gasförmiges Druckmedium in ungünstigen
Fällen in den Schlicker eindringt, ist der Einsatz eines
Schiebers zwar konstruktiv aufwendig, bewirkt aber ein gleichmäßiges
Herausschieben des Schlickers aus dem Druckbehälter, Der
Schieber kann z. B. als Stempel oder Diaphragma ausgebildet sein.
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Bevorzugt
wird eine Vorrichtung, bei welcher dem Druckbehälter ein
Mischbehälter mit einem Mischer vorgeschaltet ist zum Mischen
und/oder mischenden Ansetzen des Schlickers und welche Materialbehälter
mit feuerfesten körnigen Materialien zum Zuführen
der feuerfesten körnigen Materialien in den Mischbehälter
aufweist.
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Die
Vorrichtung ist bevorzugt mit einer Schlickerleitung zum Zuführen
des Schlickers in den Druckbehälter ausgestaltet, wenn
in der Schlickerleitung ein Mischbehälter-Auslassventil
ansteuerbar angeordnet ist zum Versperren eines Rückflusses
des Schlickers aus dem Druckbehälter durch die Schlickerleitung.
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In
einer bzw. der Druckbehälter-Auslassleitung zum Befördern
des Schlickers aus dem Druckbehälter in die Form ist bevorzugt
ein Ventil ansteuerbar angeordnet ist zum Versperren eines Flusses
des Schlickers aus dem Druckbehälter in die Gießform
vor einem Anlegen des Drucks an den in dem Druckbehälter
befindlichen Schlicker.
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In
einer Druckleitung zwischen der Druckquelle und dem Druckbehälter
kann ein Druckventil ansteuerbar angeordnet sein zum schlagartigen
Anlegen des Drucks an den in dem Druckbehälter befindlichen
Schlicker, insbesondere zum Anlegen des Drucks an den in dem Druckbehälter
befindlichen Schlicker in einem Zeitraum kürzer einer Sekunde.
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Die
Auslassleitung aus dem Druckbehälter und/oder eine/die
Schlickerleitung in den Druckbehälter weist bevorzugt einen
Durchmesser von zumindest 3 inch, insbesondere zumindest 5 inch
auf, um Scherkräfte innerhalb des Schlickers zu reduzieren.
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Verfahrensgemäß wird
ausgegangen von einem Verfahren zum Gießen eines Formteils
mittels Schlickerguss, bei dem ein fließ- und pumpfähiger
Schlicker aus einem körnigen Material, einem Dispergiermedium und
einem Bindemittel bereitgestellt und unter Druck in eine Flüssigkeit
aufnehmende oder für Flüssigkeit durchlässige
Gießform einer Druckgießanlage so eingebracht
wird, dass das Formteil aus dem körnigen Material auf einer
innenseitigen Oberfläche eines Gießraums der Gießform
durch Abführen von im Schlicker enthaltener Flüssigkeit
durch Gießform ausgebildet wird. Vorteilhaft wird das Verfahren
dadurch, dass das körnige Material feuerfestes Material
mit Feinanteilen mit ersten Körnungen in dem Bereich von
0,01 μm bis zu 100 μm und mit Grobanteilen mit
zweiten Körnungen in dem Bereich 100 μm bis 10
mm aufweist.
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Bei
einer solchen Zusammensetzung ermöglichen die eine Feuerfestigkeit
nicht bietenden Feinanteile eine ausreichende Fließfähigkeit.
Die bei sanitärkeramischen Schlickern nicht verwendeten
Grobanteile bewirken eine Feuerfestigkeit des gegossenen und endgefertigten
Formteils.
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Im
Gegensatz zur Herstellung sanitärkeramischer Formteile
wird somit ein bimodaler Schlicker verwendet. Dies ermöglicht überraschenderweise
eine trotz der Grobanteile ausreichende Fließfähigkeit.
Das Bindemittel verhindert dabei eine Entmischung der Feinanteile
und der Grobanteile und somit eine ausreichende Materialstabilität,
um ein Schlickergussverfahren mit feuerfesten Materialien ohne eine
Entmischung während des Beförderns des Schlickers
anwenden zu können.
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Mit
anderen Worten wird so ein Verfahren zur Herstellung von geformten
Feuerfestbauteilen bereitgestellt, bei welchem feuerfeste Körnungen
anhand eines Dispergiermediums und eines Bindemittels mit Hilfe von
anorganischen und/oder organischen Hilfsstoffen zu einem flüssigen
Schlicker überführt wird. Der Schlicker hat vorzugsweise
eine tixotrope Konsistenz. Der Schlicker wird unter Druck in eine
poröse bzw. permeable Druckgussform einer Druckgießanlage
eingebracht wird, um ein Formteil aus der feuerfesten Körnung
auf der Innenoberfläche der Druckgussform durch Entfernung
der Flüssigkeit des Schlickers in bzw. durch die poröse Druckgussform
entstehen zu lassen. Die Scherbenbildung erfolgt über Druck,
welcher auf den in der Gießform befindlichen Schlicker
einwirkt, oder Unterdruck, welcher von außen an der Gießform
anliegt und durch die Wandung der Gießform auf den Schlicker
einwirkt. In für sich bekannter Art und Weise kann das
Formteil nach dem Gießen in der Gießform entformt,
getrocknet, gesintert und zu einem feuerfesten Bauteil überführt
werden. Als neben weiteren Unterschieden hervorzuhebende Unterschiede
gegenüber bekanntem Gießen feuerfester Formteile
wirkt somit auf den Schlicker in der Gießform Druck ein,
die Gießform als solche ist ausgebildet die im Schlicker
enthaltene Flüssigkeit aufzunehmen und es ist ein speziell
zusammengesetzter Schlicker erforderlich.
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Zum
Erzeugen des Schlickers werden bevorzugt die Feinanteile mit den
ersten Körnungen und die Grobanteile mit den zweiten Körnungen
so ausgewählt bereitgestellt, dass aufgetragen über
einen Körnungsdurchmesser die ersten Körnungen
eine Kurve der ersten Körnungen und die zweiten Körnungen
eine Kurve der zweiten Körnungen als zwei Gaußkurven
mit zueinander versetzten Maxima für die Feinanteile und
die Grobanteile ausbilden.
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Die
Feinanteile und die Grobanteile werden bevorzugt so ausgewählt
bereitgestellt, dass die Gaußkurven der ersten Körnungen
und der zweiten Körnungen einander nicht überlagern. Überaschenderweise
ergaben erste Betrachtungen, dass besonders gute Ergebnisse erzielbar
sind, wenn sich die beiden Körnungskurven nur geringfügig
oder besser gar nicht überlagern. Bevorzugt wird somit,
dass die Bestandteile mit feuerfesten Körnungen zumindest
einen sich nicht hinsichtlich der Körnung überlappenden
Körnungsbereich aufweisen oder zumindest die Maxima der
beiden Gaußkurven deutlich voneinander beabstandet sind.
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Zum
Erzeugen des Schlickers werden bevorzugt die Feinanteile und die
Grobanteile so ausgewählt bereitgestellt, dass der Schlicker
aus zumindest 10 Feinanteilen und aus zumindest 10% Grobanteilen
zusammengesetzt wird.
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Als
das Dispergiermedium kann insbesondere Wasser, Alkohol und/oder
Harz, insbesondere flüssiges Harz, verwendet werden. Dabei
bilden Harz und/oder Alkohol vorteilhaft zugleich Kohlenstoffquellen
aus. Flüssiges Harz wandelt sich bei einer Vorverfestigung
während des Gießprozesses in eine Kohlenstoffverbindung um.
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Als
das Dispergiermedium kann insbesondere ein Dispergiermedium mit
organischem Lösungsmittel und/oder als das Bindemittel
kann insbesondere ein Bindemittel mit organischem Lösungsmittel
verwendet werden, wodurch eine geeignete Viskosität des
Schlickers einstellbar ist.
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Zum
Erzeugen des Schlickers werden als die Grobanteile bevorzugt nur
erste Körnungen aus dem Bereich 100 μm bis 1 mm
verwendet.
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Der
Schlicker weist insbesondere das feuerfeste Material in Form von
feuerfesten Oxiden auf. Vorzugsweise weist der Schlicker auch Nicht-Oxide
und/oder Kohlenstoff enthaltendes Material auf. Im Vergleich zu
sanitärkeramischen Formteilen aus Oxide enthaltendem Material
wird zusätzlich ein Kohlenstoff-haltiges Material in den
Schlicker eingebracht. Als die feuerfesten Oxide werden insbesondere
Al2O3, MgO, MgAl2O4, CaO, ZrO2, Cr2O3,
CeO2, Y2O3, TiO2, Bauxit,
Andalusit, Dolomit, Schammotte und/oder solche enthaltende Rohstoffe
verwendet. Als Nicht-Oxide werden insbesondere SiC, Si3N4, BN und/oder B4C
verwendet. Das feuerfeste körnige Material kann bevorzugt
mit Graphit, Ruß oder anderen Kohlenstoffarten kombiniert
werden.
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Bevorzugt
wird das Bindemittel derart ausgewählt wird, dass eine
erste Verfestigung des Formteils bereits in der Gießform
erfolgt. Unter Verfestigung wird somit nicht nur eine dichtere Anlagerung
der Körner aufgrund einer Entwässerung verstanden,
sondern eine aktive, insbesondere adhäsive Verfestigung.
Dazu kann je nach gewählten feuerfesten Materialien und
nach gewähltem Dispergiermedium ein geeignetes Bindemittel anorganischer
und/oder organischer Basis zum Herstellen des Schlickers zugegeben
werden. Die erste Verfestigung ist vorteilhaft, da das Formteil
ansonsten im Gegensatz zu Formteilen aus keramischem Schlicker beim
Entformen leicht beschädigt werden kann. Im Vergleich zu
sanitärkeramischen Formteilen, bei welchen sich die enthaltenen
Tonteile aktiv verbinden, können dadurch außerdem
größer dimensionierte feuerfeste Formteile gegossen
werden.
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Als
das Bindemittel können zementhaltige, phosphathaltige oder
aluminiumhydroxidhaltige Materialien verwendet. Im Gegensatz zu
sanitärkeramischen Materialien, welche hohe Anziehungskräfte
zwischen den einzelnen Körnern haben, sind die Anziehungskräfte
der Körner feuerfester Materialien nur gering. Daher ist
die Verwendung solcher Materialien als das Bindemittel vorteilhaft,
um durch die aus einer die Anfangsverfestigung in der Gießform
bewirkenden Materialumwandlung eine höhere Festigkeit des
Formteils und außerdem eine leichtere Entformbarkeit aus
der Gießform erzielen zu können. Als das Bindemittel
können insbesondere auch SiO2-Sole
oder -Gele, Ligninsulfonate oder Wasserglas verwendet werden.
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Zum
Verfestigen des in die Gießform gegossenen Schlickers kann
CO2 in die Gießform eingeleitet
werden. Vorteilhaft bewirkt CO2 bei Verwendung
von Schlicker, welcher als Bindemittel insbesondere Wasserglas enthält
oder phosphathaltig ist, eine schnelle Verfestigung der Materialschicht,
die sich an der innenseitigen Oberfläche der Gießform
ausgebildet hat. Das Einleiten des CO2 in
die Gießform erfolgt entsprechend bevorzugt erst nachdem
der eigentliche Gießvorgang abgeschlossen ist und sich
die Materialschicht ausgebildet hat.
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Bevorzugt
wird, wenn als das Bindemittel oder dem Bindemittel zugegeben Harz,
Harz auf Novolak- oder Resol-Basis, Pech, Kunstpech oder Bitumen
verwendet wird. Dadurch werden mittels des Bindemittels Kohlenstoffe
in den Schlicker eingebracht.
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Als
das Bindemittel oder dem Bindemittel zugegeben können auch
Ester oder eine esterhaltige Verbindung verwendet werden.
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Dem
Schlicker können metallische Zusätze, refraktäre
Metalle, oder metallische Fasern zugegeben werden. Dies führt
zu einer Verbesserung der thermomechanischen Eigenschaften der feuerfesten
Bauteile.
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Der
Schlicker kann zur Einstellung von spezifischen rheologischen Eigenschaften
in Kombination mit dem geeigneten Bindemittel vorgewärmt
werden.
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Optional
können auch mehrere unterschiedlich zusammengesetzte Schlicker
nacheinander in die Gießform und/oder an bestimmte Stellen
der Gießform eingebracht werden. Dadurch können
ein Schichtaufbau oder gradierte Strukturen im Formteil erzeugt
werden.
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Eigenständig
beansprucht wird ein Druckguss-Schlicker zum Herstellen von Feuerfesterzeugnissen als
das Formteil mittels einer solchen Vorrichtung und/oder mittels
eines solchen Verfahrens, wobei der Schlicker bimodal zusammengesetzt
ist aus körnigem und feuerfestem Material mit Feinanteilen
mit ersten Körnungen in dem Bereich von 0,01 μm
bis zu 100 μm und mit Grobanteilen mit zweiten Körnungen
in dem Bereich 100 μm bis 10 mm. Der Schlicker ist bevorzugt
zusammengesetzt aus Bestandteilen zumindest eines feuerfesten Oxids
und zumindest einer Kohlenstoffquelle.
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Eigenständig
vorteilhaft ist auch eine Verwendung einer solchen Vorrichtung zum
Gießen eines Formteils mit einem solchen Verfahren und/oder
mit einem derart zusammengesetzten Schlicker.
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Eigenständig
vorteilhaft ist auch ein spritzgegossenes und gesintertes Formteil,
das bimodal zusammengesetzt ist aus körnigem und feuerfestem
Material mit Feinanteilen mit ersten Körnungen in dem Bereich von
0,01 μm bis zu 100 μm und mit Grobanteilen mit
zweiten Körnungen in dem Bereich 100 μm bis 10
mm und das insbesondere hergestellt ist mittels einer solchen Vorrichtung
und/oder mittels eines solchen Verfahrens.
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Das
Formteil ist bevorzugt als ein Feuerfestbauteil ausgebildet als
eine Auskleidungskomponente oder Auskleidungs-Stein oder Auskleidungsring
metallurgischer Gefäße oder der Zementindustrie,
als eine Stranggussbereichkomponente, insbesondere Auslaufdüse,
Tauchausguss, Schieberplatte, Stopfen, Spülkegel oder Gießrinne,
als eine Hochofenkomponente, als eine Transportgefäßkomponente,
insbesondere Pfanne, oder als ein temperaturfestes Rohr.
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Soweit
der Ablauf eines teil- oder voll-automatisierten Programms oder
Algorithmus für das Verfahren oder die Vorrichtung erforderlich
ist, weist die Vorrichtung einen Speicher mit zumindest einem Programm
oder Algorithmus zum Durchführen der Ansteuerung von Komponenten
und/oder der Verfahrensschritte auf.
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Die
Druckschlicker-Gießvorrichtung und das Verfahren sind für
die Herstellung von Feuerfesterzeugnissen durch Druckschlickerguss-Formgebung
vorteilhaft einsetzbar. Ermöglicht wird insbesondere die
Herstellung von Feuerfesterzeugnissen mit oder ohne Kohlenstoffzusätzen
durch die für Anwendungen in der Metallurgie, in der chemischen
Industrie, in der Zementindustrie und in der Müllverbrennungsindustrie.
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Als
feuerfeste Materialien mit Feuerfestkörnungen dienen überwiegend
Oxide wie Al2O3,
MgO, MgAl2O4, CaO,
ZrO2, Cr2O3, CeO2, Y2O3, TiO2 oder
Rohstoffe, welche diese Oxide enthalten, wie z. B. Bauxit, Andalusit,
Dolomit, Schammotte. Als feuerfeste Materialien mit Feuerfestkörnungen
dienen außerdem Nicht-Oxide, wie z. B. SiC, Si3N4, BN, B4C. Dabei
spielt Kohlenstoff in Form von Graphit oder in Form von Ruß eine
außerordentliche Rolle aufgrund der Nicht-Benetzbarkeit
gegenüber Schlacken und Metallen und verleiht feuerfesten
Verbundsystemen in Kombination mit derartigen Oxiden und/oder Nicht-Oxiden
eine hervorragende Thermoschockbeständigkeit.
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Bei
den feuerfesten Erzeugnissen werden aufgrund der hohen Oberflächenaktivität
von feinkeramischen Pulvern im Mikrometerbereich grobkörnige
Anteile von 0,1 bis 30 mm mit feinkörnigen Anteilen von
10 nm–0,1 mm kombiniert. Alternativ dazu werden im Falle
von nur feinkörnigen Anteilen dichte Erzeugnisse bevorzugt,
bei welchen eine nur geschlossene Porosität vorhanden ist.
Metallische, anorganische oder organische Fasern können
die thermomechanischen Eigenschaften weiter verbessern.
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Als
Bindemittel dienen einerseits hydraulisch abbindende tonerdereiche
Calciumaluminatzemente, Phosphate oder nanoskalige Zusätze
auf Basis Aluminiumhydroxid. Bei kohlenstoffgebundenen Erzeugnissen werden
vorzugsweise Phenolharze, wie z. B. Resol(en) oder Novolak(en),
Kunstpeche, wie z. B. Carbores, Steinkohlepeche, Bitumen oder Kombinationen
von denen favorisiert eingesetzt. Zur Optimierung der Oxidationsbeständigkeit
von kohlenstoffhaltigen Erzeugnissen werden überwiegend
metallische Additive, wie z. B. Al oder Mg, oder halbmetallische
Additive, wie z. B. Si, eingesetzt.
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Ein
Ausführungsbeispiel wird nachfolgend anhand der Zeichnung
näher erläutert. Es zeigen:
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1 Komponenten
einer Druckschlicker-Gießvorrichtung in Schnittansicht
gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung
zum Herstellen eines feuerfesten Formteils,
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2 schematisch
Komponenten einer Anordnung gemäß 1 zur
Veranschaulichung von drei verschiedenen Verfahrensschritten beim
Druckschlickerguss eines feuerfesten Formteils,
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3 ein
Diagramm zur Veranschaulichung einer Scherbenstärke eines
Formteils abhängig von einer Druck-Gießzeit und
einem Gießdruck beim Gießen eines feuerfesten
Formteils mittels Schlickerguss und
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4 eine
Druckschlicker-Gießvorichtung gemäß dem
Stand der Technik zum Gießen sanitärkeramischer
Formteile.
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1 zeigt
im wesentlichen nur bevorzugte Komponenten einer Druckschlicker-Gießvorrichtung
einer Druckschlickergießanlage in einem Umfang, in welchem
dies für das Verständnis für den Einsatz
der Druckschlickergusstechnologie zur Herstellung von Feuerfesterzeugnissen
erforderlich ist. Bezüglich weiterer Komponenten und Verfahrensabläufe
wird auf die im Bereich der Sanitärkeramik für
sich genommen bekannte Druckschlickergusstechnologie verwiesen.
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1 zeigt
einen Mischbehälter 1, in dessen Innenraum 2 ein
Schlicker S gemischt und bereitgestellt wird.
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Mittels
einer ersten Zuführungseinrichtung 21 wird ein
erstes körniges Material in Form eines feuerfesten Materials
mit Feinanteilen K1 mit ersten Körnungen k1 bereitgestellt
und nach Bedarf in den Mischbehälter 1 geführt.
Mittels einer zweiten Zuführungseinrichtung 22 wird
als weiteres körniges feuerfestes Material ein feuerfestes
Material mit Grobanteilen K2 mit einer zweiten Körnungen
k2 bereitgestellt und nach Bedarf in den Mischbehälter 1 eingefüllt.
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Bei
den feuerfesten Materialien handelt es sich vorzugsweise um Oxide
xOi. Wie dem skizzierten Mengendiagramm
entnehmbar ist, in welchem eine Menge m der feuerfesten körnigen
Materialien über einem Körnungsdurchmesser bzw.
einer Körnung Φ abgebildet ist, werden die Feinanteile
K1 und die Grobanteile K2 so ausgewählt, dass ein bimodales
bzw. im Falle noch weiterer Materialien ggfs. ein mehr-modales Gemisch
aus feuerfesten Materialien entsteht. Unter einem bimodalen Gemisch
ist wie skizziert zu verstehen, dass die Mengen der ersten Körnungen
k1 und der zweiten Körnungen k2 über der Körnung Φ aufgetragen
jeweils ein individuelles Maximum Φ1 bzw. Φ2 ausbilden,
wobei die beiden Maxima Φ1, Φ2 voneinander beabstandet
sind. Besonders bevorzugt wird dabei, wenn der Bereich der ersten
Körnungen k1 und der Bereich der zweiten Körnungen
k2 einander nicht überlappen oder nur geringfügig überlappen.
Zur Erzeugung feuerfester Formteile wird dabei für die
ersten Körnungen k1 ein Bereich von 0,01 μm bis
zu 100 μm verwendet wird. Der Bereich der zweiten Körnungen
k2 liegt vorzugsweise in dem Bereich von 100 μm bis 1 mm
oder sogar 10 mm.
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Der
Schlicker S wird dadurch erzeugt, dass den Feinanteilen K1 und den
Grobanteilen K2 ein Dispergiermittel D aus einer Dispergiermittel-Zuführungseinrichtung 23 zugeführt
wird. Außerdem wird aus einer Bindemittel-Zuführungseinrichtung 24 ein
Bindemittel B in den Mischbehälter 1 zugeführt.
Mittels eines Mischers 31 mit einem Mischerantrieb 25,
welcher über eine Mischerwelle 26 einen Mischerrotor 27 in
Rotation ω versetzt, wird dann aus den in den Mischbehälter 1 eingefüllten
Komponenten der Schlicker S gemischt. Da es sich bei einem Schlicker
zur Herstellung feuerfester Formteile um einen sehr zähen
und üblicherweise tixotrophen Schlicker handelt, welcher
hinsichtlich seiner festen Bestandteile bimodal zusammengesetzt
ist, wird mit dem Mischer 31 vorzugsweise kontinuierlich
gerührt, um den Schlicker S stets in einer fließ-
und pumpfähigen Konsistenz zu halten. Vorzugsweise weist
der Mischbehälter zusätzlich eine Heizung 28 auf,
mittels welcher der Schlicker S auf eine vorteilhafte Gießtemperatur
erwärmt werden kann. Besonders bevorzugt werden gemäß erster
Versuche Temperaturen von 20°C, insbesondere 50°C
und mehr.
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Aus
dem Schlickerbehälter 1 wird der Schlicker S über
eine Schlickerleitung 4 in einen Druckbehälter-Innenraum 6 eines
Druckbehälters 5 geführt. Die Schlickerleitung 4 ist
dabei so dimensioniert, dass der Schlicker S ohne oder mit nur vernachlässigbar
auf den Schlicker S einwirkenden Scherkräften durch die
Schlickerleitung 4 befördert wird. Wie dies anhand
eines Diagramms skizziert ist, werden dabei Partikel bzw. Körner, welche
nahe einer Wandung der Schlickerleitung 4 transportiert
werden, mit etwa der gleichen Geschwindigkeit transportiert, wie
Körner, welche in der Leitungsmitte der Schlickerleitung 4 transportiert
werden. Dadurch wird ein Entmischen des Schlickers S vermieden.
Um dies zu erzielen, weist eine bevorzugte Schlickerleitung 4 gemäß erster
Betrachtungen vorzugsweise einen Durchmesser von 5 inch und mehr
auf.
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Von
dem Druckbehälter 5 führt eine Auslassleitung 7 zu
einer Formbefüllungsleitung 12 einer Gießform 9.
Die Formbefüllungsleitung 12 führt durch
eine Gießformwandung der Gießform 9 in
einen innenseitigen Gießraum 8 der Gießform 9.
Wie dargestellt, kann sich dabei die Formbefüllungsleitung 12 zu
einem Gießraum-Einlass 13 des Gießraums 8 verjüngen.
Besonders bevorzugt wird jedoch, dass eine solche Verjüngung nicht
oder nur in möglichst geringem Maße erfolgt.
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Vorzugsweise
sind sowohl die Auslassleitung 7 als auch die Formbefüllungsleitung 12 so
dimensioniert, dass der durch diese hindurchgeführte Schlicker
S nicht entmischt wird, wie dies anhand eines Geschwindigkeitsdiagramms
skizziert ist. Körnungen in einer Leitungsmitte 33 der
Auslassleitung 7 werden mit einer Mitten-Schlickergeschwindigkeit
vi transportiert bzw. befördert, welche gleich oder ungefähr
gleich einer Rand-Schlickergeschwindigkeit va in der Nähe
einer Leitungsinnenwand 34 der Auslassleitung 7 ist.
Um dies zu erzielen, weist eine solche Auslassleitung 7 vorzugsweise
einen sehr großen Durchmesser von beispielsweise 5 inch
und mehr auf.
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Um
den Gießraum 8 beim Befüllen mit dem
Schlicker S entlüften zu können, ist aus dem Gießraum 8 vorzugsweise
eine Entlüftungsleitung 14 herausgeführt.
Diese kann zum Aufbauen eines ausreichenden Drucks nach dem Entlüften
mittels eines Entlüftungsventils 16 geschlossen
werden.
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Die
Gießform 9 besteht in für sich bekannter
Art und Weise aus mehreren Gießformteilen 10, 11,
welche zusammengesetzt den Gießraum 8 umschließen.
Die Gießformteile 10, 11 oder zumindest
eine dem Gießraum 8 zugewandte Schicht sind derart
porös und permeabel ausgestaltet, dass ein in dem Gießraum 8 befindlicher
Schlicker S bei Druckeinwirkung seine Flüssigkeitsbestandteile
durch die Gießformteile 10, 11 entweichen
lässt, während die körnigen feuerfesten
Materialien, das heißt die Feinanteile K1 und die Grobanteile K2
einen Scherben an der Innenseite der Gießformteile 10, 11 ausbilden.
Die Gießformteile 10, 11 werden mittels
einer Presse 20 zusammengepresst, um einen Gegendruck zu
dem Gießdruck innerhalb des Gießraums 8 aufzubauen.
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Um
eine Entmischung während des Transports des Schlickers
S aus dem Druckbehälter 5 in den Gießraum 8 zu
verhindern bzw. in einem vernachlässigbarem Maße
zu halten, hat sich besonders vorteilhaft herausgestellt, den Schlicker
S aus dem Druckbehälter-Innenraum 6 schussartig
innerhalb einer möglichst kurzen Zeit heraus und in den
Gießraum 8 zu befördern. Um dies zu ermöglichen,
ist die Auslassleitung 7 mit großem Durchmesser
ausgebildet. Außerdem ist an den Innenraum 6 des
Druckbehälters 5 ein Druck p anlegbar, welcher
so groß gewählt wird, dass der Schlicker S mittels
des anliegenden Drucks p durch die Auslassleitung 7 schussartig
in den Gießraum 8 befördert wird.
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Gemäß der
beispielhaft dargestellten Ausführungsform dient als eine
Druckquelle 18 beispielsweise eine Druckquelle, welche
ein gasförmiges Druckmedium G über eine entsprechende
Druckleitung 32 und ein vorzugsweise vorgesehenes Druckventil 17 anlegen
lässt. Das gasförmige Medium G kann dabei nach Öffnen des
Druckventils 17 direkt in den Druckbehälter-Innenraum 6 eingelassen
werden, um mit dem Schlicker S in direkte Wechselwirkung zu treten.
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Damit
durch die Schlickerleitung 4 kein Druck p entweichen kann,
ist in der Schlickerleitung 4 vorzugsweise ein Mischbehälter-Auslassventil 15 angeordnet,
welches optional auch nur als ein Rückschlagventil ausgestaltet
sein kann. Mit Blick auf einen möglichst entmischungsfreien
Transport des Schlickers S aus dem Mischbehälter 1 in
den Druckbehälter 5 ist das Mischbehälter-Auslassventil 15 jedoch
vorzugsweise als ein Schieber zum vollständigen Öffnen
bzw. Schließen der Schlickerleitung 4 ausgestaltet.
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Gemäß der
durch gestrichelte Linien skizzierten Ausgestaltung wird jedoch
das gasförmige Druckmedium G der Druckquelle 18 nicht
zum direkten Beaufschlagen des Schlickers S mit dem Druck p verwendet, sondern
ein Schieber 29 zwischengeschaltet, welcher rückseitig
mit dem gasförmigen Druckmedium G beaufschlagt wird, um
den Schlicker S aus dem Druckbehälter-Innenraum 6 möglichst
schnell und schussartig herauszuschieben. Ein solcher Schieber 29 kann
als starre Komponente ausgestaltet sein, welche gleichmäßig verschiebbar
innerhalb des Druckbehälter-Innenraums 6 angeordnet
ist. Möglich ist aber auch der Einsatz eines elastischen
Diaphragmas, welches von dem gasförmigen Medium G gegen
den Schlicker S gedrückt wird.
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Sofern
der Schlicker S ohne den Druck p fließfähig ist,
wird vorzugsweise ein weiteres Ventil 19 in der Auslassleitung 7 vor
der Gießform 9 eingesetzt, um die Auslassleitung 7 bis
unmittelbar vor dem Öffnen des Druckventils 17 bzw.
Anlegen des Drucks p geschlossen zu halten. Auch das Ventil 19 in
der Auslassleitung 7 ist vorzugsweise schieberartig ausgestaltet,
um den Querschnitt der Auslassleitung 7 möglichst
ungestört freizugeben, so dass ein Entmischungsvorgang
an Ventilkomponenten zumindest weitestgehend vermieden wird.
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Zur
Erzeugung feuerfester Formteile in der Gießform 9 werden
vorzugsweise Schlicker S eingesetzt, welche in dem Dispergiermittel
D und/oder in dem Bindemittel B kohlenstoffhaltige Komponenten yCk aufweisen. Optional kann jedoch auch eine
Kohlenstoffquelle, beispielsweise eine CO2-Quelle 30 vorgesehen
sein, welche über beispielsweise die Leitungen zur Entlüftung
des Gießraums 8 Kohlendioxid oder ein sonstiges kohlenstoffhaltiges
Medium in den Gießraum 8 einlässt. Eine
solche Anordnung ermöglicht, Kohlenstoff nach dem eigentlichen
Gießvorgang und Ausbilden eines Scherbens in dem Gießraum 8 einzuleiten,
um mittels des Kohlenstoffs und einer entsprechenden Reaktion mit
weiteren Komponenten des Dispergiermittels D und/oder des Bindemittels
B eine schnelle Vorverfestigung des Scherbens vor dessen Entformen
aus der Gießform 9 zu erzielen.
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Zur
Steuerung der verschiedenen Verfahrensabläufe und Komponenten
weist die Anlage in für sich bekannter Art und Weise eine
geeignet eingerichtete und/oder angesteuerte Steuereinrichtung C
auf. Insbesondere ist der Steuereinrichtung C ein Speicher zum Speichern
eines Algorithmus und/oder Steuerprogramms zugeordnet, welche zum
Durchführen der Verfahrensabläufe erforderlich
sind.
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Bei
der Ausgestaltung gemäß 1 führt
die Schlickerleitung 4 von einer seitlichen Richtung in
den Druckbehälter-Innenraum 6, so dass oberhalb
des Einlasses der Schlickerleitung 4 Raum zum Anordnen
des Schiebers 29 während des Befüllens
des Druckbehälters 5 verbleibt. Jedoch können
gemäß alternativer Ausgestaltungen, insbesondere
dann, wenn kein solcher Schieber 29 oder ein Diaphragma
vorgesehen wird, auch Schlickerleitungen 4 vorgesehen werden,
welche beispielsweise durch eine Oberseite des Druckbehälters 5 in den
Druckbehälter-Innenraum 6 hineinführen.
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Zum
Anlegen des Drucks p an den im Druckbehälter 5 befindlichen
Schlicker S ist beispielhaft eine Druckquelle 18 skizziert,
welche ein gasförmiges Druckmedium G in den Druckbehälter-Innenraum 6 drückt. Jedoch
ist nicht zwingend der Einsatz eines gasförmigen Druckmediums
G erforderlich. Insbesondere können auch Fluide oder flüssige
Druckmedien vom Grundgedanken her eingesetzt werden, solange diese
nicht zu einer Entmischung oder sonstigen Veränderung des
Schlickers S führen.
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Besonders
bei einer Ausgestaltung mit einem Schieber 29 kann anstelle
einer Druckquelle 18 zum Eindrücken des gasförmigen
Mediums G zum Bewegen des Schiebers 29 auch ein andersartiger
Verstellantrieb für den Schieber 29 bereitgestellt
sein. Insbesondere kann es sich dabei auch um motorische, beispielsweise elektromotorische,
oder hydraulische Antriebe zum Bewegen des Schiebers 29 handeln.
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Neben
dem besonders vorteilhaften Aspekt eines sehr großen Leitungsquerschnitts
Q der Schlickerleitung 4 und vor allem der Auslassleitung 7 ist
von besonderem Vorteil, wenn diese Schlickerleitung 4 und
besonders die Auslassleitung 7 eine möglichst
geringe Länge aufweisen. Dadurch wird die Beförderungsstrecke für
den Schlicker S und somit das Entmischungsrisiko reduziert.
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Während
in der Darstellung der Druckbehälter 5 seitlich
neben der Gießform angeordnet ist, was den Vorteil bietet,
dass der Schlicker S von unten her in den Gießraum 8 befördert
werden kann, können prinzipiell auch andere Anordnungen
gewählt werden. Beispielsweise kann der Druckbehälter
auch oberhalb der Gießform angeordnet sein, wobei dann
die Auslassleitung optional sogar von der Seite oder von oben her
in die Gießform 9 und den Gießraum 8 geführt
sein kann.
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In
jedem Fall wird bevorzugt, wenn das Volumen des Druckbehälters 5 und
der Auslassleitung 7 sowie gegebenenfalls bei fehlendem
Ventil 19 auch der Formbefüllungsleitung 12 in
der Auslassleitung 7 im Verhältnis zu der Menge
des darin eingefüllten Schlickers S so groß sind,
dass der eingefüllte Schlicker S ausreicht, um beim Anlegen
des Drucks p mittels der Druckquelle 18 den Schlicker S
schussartig in den Gießraum 8 zu befördern.
Dabei sollte so viel Schlicker S in den Gießraum 8 befördert
werden, dass nach dem vorzugsweise schussartigen Einfüllen kein
weiterer Schlicker S mehr zusätzlich in den Gießraum 8 zu
befördern ist.
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2 zeigt
beispielhaft drei Zustände einer solchen Druckschlicker-Gießanordnung
entsprechend dreier zeitlich aufeinander folgender Verfahrensschritte.
Die Bezugszeichen entsprechen dabei den Bezugszeichen aus 1,
so dass bezüglich der Komponenten auf die Beschreibung
zu 1 verwiesen wird.
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In
einem ersten Verfahrensschritt befindet sich der Schlicker S in
dem Mischbehälter 1. Das Mischbehälter-Auslassventil 15 ist
geschlossen, so dass kein Schlickerfluss sf in den Druckbehälter 5 erfolgt.
Sowohl der Druckbehälter-Innenraum 6 des Druckbehälters 5 als
auch der Gießraum 8 der Gießform 9 sind
entsprechend leer und ohne Schlicker. Außerdem sind die
weiteren Ventile, das heißt das Ventil 19 vor
der Gießform 9 in der Auslassleitung 7 und
das Druckventil 17 zum Anlegen des Drucks p geschlossen,
so dass weder der Schlicker S von dem Druckbehälter 5 in
die Gießform 9 fließen kann noch das
gasförmige Medium aus der Druckquelle 18 in den
Druckbehälter 5 strömen kann.
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In
einem daneben skizzierten nachfolgenden Verfahrensschritt wurde
das Mischbehälter-Auslassventil 15 geöffnet,
so dass der Schlicker S aus dem Mischbehälter 1 in
den Druckbehälter 5 befördert wird.
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Nachdem
ausreichend Schlicker S in den Druckbehälter 5 eingefüllt
ist, wird, wie in der dritten Abbildung skizziert, das Mischbehälter-Auslassventil 15 geschlossen,
um sowohl einen weiteren Fluss des Schlickers S aus dem Mischbehälter 1 in
den Druckbehälter 5 zu unterbinden als auch ein
Rückströmen von Schlicker S oder dem gasförmigen
Medium in den Mischbehälter 1 zu verhindern. Nach
dem Öffnen des Entlüftungsventils 16 zum
Entlüften e = 1 des Gießraums 8 und,
sofern vorhanden, dem Öffnen des Ventils 19 in
der Auslassleitung 7 wird das Druckventil 17 geöffnet,
um den Druck p in vorzugsweise kürzest möglicher
Zeit an den in dem Druckbehälter-Innenraum 6 befindlichen
Schlicker S anzulegen. Dadurch wird der Schlicker S aus dem Druckbehälter 5 in
den Gießraum 8 befördert und zugleich
ein Druck p = 1 in der Strecke von dem Druckbehälter-Innenraum 6 über
die Auslassleitung 7 bis in den Gießraum 8 aufgebaut.
Mit ausreichender Befüllung des Gießraums 8 bzw.
ausreichender Entlüftung des Gießraums 8 wird
das Entlüftungsventil 16 geschlossen, um einen
ausreichenden Druckaufbau in dem Gießraum 8 zu
ermöglichen. Dadurch fließt dann Flüssigkeit
w aus dem Schlicker S durch die Wandung der Formteile ab.
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3 zeigt
beispielhaft eine Scherbenstärke m eines sich in dem Gießraum
an den innenseitigen Oberflächen des ersten bzw. des zweiten
Gießformteils ausbildenden Scherbens eines auszubildenden
Formteils gegenüber der Druckgießzeit, das heißt
gegenüber der Verweildauer des in dem Gießraum
unter Druck gesetzten Schlickers. Beispielhaft zum Ausbilden eines
feuerfesten Formteils ist eine Al2O3-C-Gießmasse für einen
Tauchausguss betrachtet. Eine beispielhafte Schlickertemperatur
beträgt 22°C bei einem Schlicker mit einem Liter-Gewicht
von 1800 g. Das Verhältnis von Soda zu Wasserglas beträgt
1:130%. Dargestellt ist die sich aufbauende Scherbenstärke
in mm gegenüber der Druckgießzeit in Minuten für
vier verschiedene Gießdrücke bzw. für
vier verschiedene durch die Druckquelle angelegte Drücke
mit 5 bar, 10 bar, 20 bar bzw. 40 bar.
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Verfahrensgemäß werden
in einer Druckgießanlage auf Pressplatten zwei oder mehr
komplementäre Druckguss-Gießformteile montiert.
Die Gießformteile werden in eine Schließstellung
gefahren und der Schlicker S wird unter Druck p in die Gießform
eingebracht. Die Gießform besteht zumindest innenseitig
aus einer permeablen Filterschicht, durch welche die Flüssigkeit
des Schlickers S hindurchtreten kann. Auf der Oberfläche
der Filterschicht bildet sich dadurch aus den feuerfesten Bestandteilen
des Schlickers ein Scherben, welcher nach Entnahme und Sintern das
keramische feuerfeste Bau- bzw. Formteil bildet.
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Zum
Bereitstellen des Schlickers werden als Körnungen Mischungen
aus Grob- und feinkörnigen Anteilen aus feuerfesten Oxiden
und/oder Nicht-Oxiden und/oder Kohlenstoff in Kombination mit Dispergiermedien,
temporären organischen und/oder anorganischen Hilfsstoffen
wie z. B. Verflüssiger, Stabilisator, Verflockungsmittel
und dgl. verwendet. Dabei werden grobkörnige Anteile aus
dem Bereich 0,1 bis 30 mm der feuerfesten Körnung mit feinkörnigen
Anteilen aus dem Bereich 10 nm–0,1 mm der feuerfesten Körnung
kombiniert. Für den Schlickerguss können insbesondere
nur feinkörnige Anteile aus dem Bereich 10 nm–0,1
mm für den Aufbau der feuerfesten Körnung dienen,
um ausreichend dichte feuerfeste Erzeugnisse mit nur geschlossener
Porosität herzustellen.
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Als
Feuerfestkörnungen werden insbesondere die Oxide Al2O3, MgO, MgAl2O5, CaO, ZrO2, Cr2O3, CeO2, Y2O3,
TiO2 oder Rohstoffe, die diese enthalten,
wie z. B. Bauxit, Andalusit, Dolomit, Schammotte, und Nicht-Oxide,
wie z. B. SiC, Si3N4,
BN, B4C, verwendet. Die Feuerfestkörnungen
können mit Kohlenstoffarten, u. a. Graphit und/oder Ruß,
kombiniert werden. Außerdem können metallische
Zusätze, z. B. Al, Mg, B, Fe, Halbmetalle, wie Si, oder
refraktäre Metalle, z. B. Wolframkarbid, oder anorganische,
organische oder metallische Fasern zur Verbesserung der thermomechanischen
Eigenschaften eingesetzt werden.
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Bevorzugt
werden Bindemittel anorganischer und oder organischer Basis zugegeben,
die unter anderem eine erste Verfestigung der Bauteile bereits in
der Gießform hervorrufen. Solche bevorzugte Bindemittel können
zementhaltige, phosphathaltige und/oder aluminiumhydroxidhaltige
Bindemittel sein und/oder Harze, z. B. Harze auf Basis Novolak(en)
oder Resol(en) mit oder ohne Ester, Peche, Kunstpeche, z. B. auf
Basis „Carbores", und Bitumen, z. B. auf Basis „Thermocarbon".
Schließlich können SiO2-Sole,
Ligninsulfonate oder weitere Hilfsmittel auf Basis Wasserglas zur
Verfestigung in der Gießform oder nach Verlassen der Gießform eingesetzt
werden. Nanoskalige Zusätze z. B. auf Basis Al2O3, SiO2 oder TiO2 können zur Einstellung der rheologischen
Eigenschaften erfindungsgemäß eingesetzt werden.
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Zum
Erzielen einer schnellen Verfestigung kann CO2 in
die Gießform eingeleitet werden. Dazu werden insbesondere
geeignete Bindemittel für die Herstellung des Schlickers
S ausgewählt, die sich unter CO2-Einwirkung
verfestigen lassen.
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Vorteilhaft
ist, den Schlicker S zur Einstellung von spezifischen rheologischen
Eigenschaften in Kombination mit dem geeigneten Bindemittel vorzuwärmen.
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Die
Scherbenbildung kann durch Anlegen des Schlickers S an die Innenwandung
der Gießform über Druck oder Unterdruck erfolgen.
Bei einer Einführung von mehreren Schlickern S nacheinander
oder an bestimmten Stellen der Form kann ein Schichtaufbau erzeugt
werden oder gradierte Mikro- und Makrogefüge können
realisiert werden.
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Als
alleinige flüssige Komponente des Schlickers dient als
Dispergiermedium nur Wasser, flüssiges Harz oder Alkohol
oder Gemische aus Wasser, flüssigem Harz und Alkohol. Optional kann
als weitere Flüssigkeit organisches Lösungsmittel
hinzugefügt werden.
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Für
einen Dauerbetrieb der Schlickergießanlage dienen als Formwerkstoffe
bevorzugt Kunststoffe, Keramiken, Metalle oder Kombinationen daraus.
Das Volumen der offenen Poren und die Permeabilität muss so
beschaffen sein, dass der Druckverlust in der Gießform
mit Blick auf deren Filterwiderstand vernachlässigbar klein
gegenüber dem Druckverlust im wachsenden Scherben bzw.
dessen Scherbenwiderstand ist. Damit wird die Filtrationsgeschwindigkeit
formenmaterialunabhängig. Durch die Variationsmöglichkeiten
der Permeabilität, der Porengrößenverteilung,
der Porenform sowie des Porenvolumens kann das Gießformmaterial
weitgehend an die Bedürfnisse des vorliegenden Schlickers
S angepasst werden.
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Zur
Kompensation des sich in der Gießform aufbauenden Innendrucks
des Schlickers S wird während des Formvorgangs ein Schließdruck
durch Anlegen der Presskraft F aufgebracht, so dass ein entsprechend dichtes
Anliegen der die Gießform bildenden Gießformteile
gewährleistet ist. Nach Abschluss des insbesondere zeitgesteuerten
Gießprozesses werden Schlickerinnendruck und Schließdruck
abgebaut und die Gießformteile geöffnet. Zum Ablösen
des Formteils wird das entsprechende Gießformteil bevorzugt
mit Druckluft beaufschlagt.
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Eines
solches Verfahren kann z. B. für die Herstellung von Auslaufdüsen,
Tauchausgüssen, Rinnen, Ofenteilen, Verteilerkomponenten,
Steinen oder Ringen, Schieberplatte oder Spülkegeln eingesetzt
werden.
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Nachfolgend
wird als ein Ausführungsbeispiel einer Al2O3-C-Druckschlickergussmasse als der Schlicker
S für ein Tauchausgussbauteil mit einer Länge
von 400 mm und einer Wandstärke von 10 mm beschrieben.
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Bevorzugt
besteht die Zusammensetzungen des kohlenstoffhaltigen Schlickers
S als Gießmasse aus Al2O3-Fein- und Al2O3-Grobkörnungen mit einem für
Gießmassen abgestimmten Körnungsband. Außerdem weist
der Schlicker S den Kohlenstofflieferanten Graphit in bevorzugt
Pulver- oder Flockenform, Russ und/oder den Kohlenstofflieferanten
Pech bzw. anderen Kohlenstoffquellen, wie z. B. modifizierte Produkte
auf Basis von Steinkohlenteerpech bzw. bitumenstämmiger
Produkte dieser Art, auf. Zur Ausfüllung des Feinkornbereichs
werden geeignete Fraktionen der Kohlenstoffquellen Graphit, Russ,
Koks und/oder der Kohlenstofflieferanten modifiziertes Steinkohleteerpech
bzw. modifizierter bitumenstämmiger Produkte eingesetzt.
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Als
Beispiel für einen Versatz einer Druckschlickergießmasse
ist im Weiteren ein Masseversatz mit Thermocarbon, einem modifizierten
bitumenstämmigen Produkt, dargestellt. Äquivalent
dazu kann dieses auf Bitumen basierende Produkt durch Carbores P
der Fa. Rütgers, ein modifiziertes Steinkohlenteerpecherzeugnis,
ersetzt werden.
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Mengenmäßig
besteht dieser Schlicker S als Gießmasse zum größten
Teil aus der im Körnungsband für Gießmassen
abgestimmten oxidischen Komponente Aluminiumoxid in Form von Schmelzkorund
mit z. B. 40 Gew.-% und Sinterkorund mit z. B. 60 Gew.-%. Im unteren
Kornbereich werden Fraktionen der verschiedenen Kohlenstoffträger
Graphit (Thermocarbon), Petrolkoks (CarboresP) eingesetzt. Zur Einstellung
der benötigten rheologischen Eigenschaften werden Netzmittel
und Verflüssiger eingesetzt. Dabei handelt es sich einerseits
um flüssige Präparate auf der Basis einer Carbonsäurezubereitung
(Dolapix PC67) und/oder Ammoniumpolymethacrylat (Darvan7).
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Des
Weiteren wird Magnesium-Ligninsulfonat in Pulverform zugesetzt,
welches im getrockneten Zustand als temporärer Binder in
der Masse fungiert. Schließlich werden dem Schlicker S
auch metallisches Silizium und Borkarbid zugesetzt.
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In
der nachfolgenden Tabelle ist eine Beispielzusammensetzung einer
Druckschlickergussmasse dargestellt. Nach dem Verkoken bei 800°C
in einer Koksschüttung weisen die nach der dargestellten
Zusammensetzung hergestellten Versätze offene Porositäten
von 14% (
DIN EN 993-1) sowie Kaltbiegefestigkeiten
von 8,5 MPa (
DIN EN 993-6) auf. Tabelle: Beispielhafte Zusammensetzung
des Schlickers S
Körnung
CarboresP (Rütgers) | | beispielhafte
Zusammensetzung |
Bereich:
0,02–1 mm | Schmelz-
und Sinterkorund | 100% |
| | |
Feinkornbereich
(< 0,2 mm): | Graphit
(AF96/97, Kropfmühl) | 8,0%* |
| Koks
(gemahlen, < 0,5mm) | 1,0%* |
| Russ
(MT Thermax Floform N-990, Lehmann&Voss&Co) | 1,0%* |
| elementares
Si, 150 μm | 5,0%* |
| Borkarbid,
40 μm | 0,5%* |
| | |
Kohlenstoff-Lieferanten: | Thermocarbon
(OTAVI) bzw. | 14%* |
| | |
Additive: | Dolapix
PC67 (Zschimmer&Schwarz) | 0,3%* |
| Darvan7
(Vanderbilt) | 0,3%* |
| Magnesiumligninsulfonat
(Otto-Dille) | 0,5%* |
| | |
Wasser: | | 30,0%* |
- Die mit einem „*" gekennzeichneten
Komponenten sind mengenmäßig bezogen auf 100%
der Körnung mit 0,02–1 mm.
-
4 zeigt
eine Scherbenstärke eines beispielhaften derart spritzgegossenen
Formteils in Abhängigkeit von einer Druckgießzeit
und vom Gießdruck p. Deutlich zu erkennen ist der starke
Einfluss des Gießdrucks p auf die Scherbenbildungsgeschwindigkeit.
So werden bei 5 bar Gießdruck p für ca. 8 mm Scherbenstärke 20
min benötigt, während bei 40 bar 8 mm bereits
nach ca. 4 min erreicht werden. Bei 20 bar werden ca. 8 min benötigt.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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-
Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 29801196
U1 [0002]
- - DE 19745232 C1 [0002]
- - DE 1299546 A [0003]
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- - DIN EN 993-1 [0113]
- - DIN EN 993-6 [0113]