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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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VERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
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Die
vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität der US utility patent application
Nr. 11/735,059, eingereicht am 13. April 2007, die hiermit in ihrer
Gesamtheit in die vorliegende Anmeldung aufgenommen wird.
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GEBIET DER ERFINDUNG
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In
einem Aspekt betrifft die Erfindung ein Gegengewicht. In einem weiteren
Aspekt betrifft die Erfindung ein Gegengewicht, das aus Abfallstoffen
aus Teilchen hoher Dichte hergestellt wird.
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BESCHREIBUNG DES STANDES DER
TECHNIK
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Häufig ist
es erforderlich, eine außermittige Last
im Zusammenhang mit einer Maschine, einem Fahrzeug oder einem Möbelstück auszugleichen.
Zu diesem Zweck werden Gegengewichte eingesetzt. Üblicherweise
werden solche Gegengewichte in das Objekt aufgenommen. Aufgrund
von Beschränkungen
hinsichtlich Ästhetik
und Größe ist es
häufig
erforderlich, die Abmessungen des Gegengewichts zu minimieren. Aus
diesem Grund wird ein Material hoher Dichte verwendet.
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Gegengewicht-Material
hoher Dichte besteht üblicherweise
aus Stahl, Eisen und ähnlichen
Metallen hoher Dichte. Derartige Materialien sind jedoch kostspielig.
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Es
ist zunehmend wünschenswert,
alternative Verwendungen für
Industrienebenprodukte und andere Abfallstoffe zu finden, die im
Allgemeinen in einer Mülldeponie
oder durch Offshore-Entsorgung beseitigt werden. Material, das als
Nebenprodukte der Verhüttung,
der Stahlherstellung und anderen Gießereiverfahren entsteht, hat
häufig
eine relativ hohe Dichte. Es ist ohne weiteres verfügbar und
verglichen mit den Kosten für
Metalle hoher Dichte wirtschaftlich. Derartiges Material wird jedoch üblicherweise
in einem losen körnigen
Zustand erzeugt, was seine Verwendung als Gegengewicht schwierig
machen kann.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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In
einem ersten Ausführungsbeispiel
der Erfindung umfasst ein Verbundmaterial ein Teilchenmaterial,
das als Abfallprodukt eines industriellen Prozesses erzeugt wird,
und ein Bindemittel zum Binden des Teilchenmaterials zu einer einheitlichen
Masse. Das Teilchenmaterial und das Bindemittel werden in vorgewählten Anteilen
vermischt und verdichtet, um ein Gegengewicht auszubilden, das eine
vorgewählte
Dichte und eine fest vorgegebene Konfiguration aufweist.
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In
einem zweiten Ausführungsbeispiel
der Erfindung umfasst ein Verfahren zum Herstellen eines Gegengewichts
die Schritte des Auswählens
eines ersten Anteils eines Teilchenmaterials, das als Abfallprodukt
eines industriellen Prozesses erzeugt wird, des Auswählens eines
zweiten Anteils eines Bindemittels zum Binden des Teilchenmaterials
zu einer einheitlichen Masse, des Vermischens des ersten Anteils
des Teilchenmaterials mit dem zweiten Anteil des Bindemittels zu
einer einheitlichen Masse, des Ausbildens des Gegengewichts aus
der einheitlichen Masse und des Aufnehmens des Gegengewichts in ein
Endprodukt.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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In
den Figuren zeigen:
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1 eine
schematische Ansicht eines ersten Ausführungsbeispiels eines Verfahrens
zum Herstellen eines Gegengewichts aus einem Teilchen-Abfallmaterial und
einem thermoplastischen oder duroplastischen Bindemittel gemäß der Erfindung,
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2 eine
schematische Ansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels eines Verfahrens
zum Herstellen eines Gegengewichts aus einem Teilchen-Abfallmaterial und
einem thermoplastischen oder duroplastischen Bindemittel gemäß der Erfindung,
und
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3 eine
schematische Ansicht eines dritten Ausführungsbeispiels eines Verfahrens
zum Herstellen eines Gegengewichts aus einem Teilchen-Abfallmaterial und
einem thermoplastischen oder duroplastischen Bindemittel gemäß der Erfindung.
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BESCHREIBUNG EINES AUSFÜHRUNGSBEISPIELS
DER ERFINDUNG
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Im
Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der
Erfindung beschrieben, das eine Verbundmischung aus Granulat- oder
Teilchen-Abfallmaterial und einem thermoplastischen oder duroplastischen Bindemittel
umfasst, die in ausgewählten
Anteilen vermischt und zu einem im Allgemeinen homogenen Material
mit einer ausgewählten
Dichte verdichtet werden. Das verdichtete Material kann in ausgewählten Größen hergestellt
und als kostengünstige
Gegengewichte für
eine Vielzahl von Anwendungen verwendet werden. Eine bevorzugte
Anwendung ist ein Gegengewicht für
Aktenschränke.
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Die
Gegengewichte können
aus einer Vielzahl von Abfallstoffen, wie z. B. Walzzunder, Sand aus
Sauerstoffkonverter-Klärvorrichtungen
(oxygen furnace clarifier grit), Takonit-Gruben-Tailings und dergleichen,
hergestellt werden. Der Hauptfaktor bei der Bestimmung der Brauchbarkeit
eines Materials ist die Dichte des Materials. Andere Faktoren umfassen
die Gleichförmigkeit
der Partikelgröße und die Anteile
an Bestandteilen, die das Abfallmaterial umfassen.
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Walzzunder
ist ein Nebenprodukt der Stahlherstellung. Geschmolzener Stahl wird
dazu verwendet, Brammen herzustellen, die während des Abkühlungsprozesses
mit Walzen bearbeitet werden, um Brammen ausgewählter Dicke herzustellen. Wenn eine
Bramme eine Folge von Walzen durchläuft, wird auf der Oberfläche der
Bramme eine dünne
Schicht aus oxidiertem Eisen erzeugt. Unter Hochdruck stehendes
Wasser wird auf die Oberfläche
der Bramme gerichtet, um die Oxidation zu entfernen, die als ”Zunder” bezeichnet
wird. Die resultierende Mischung aus Zunder und Wasser wird aufgefangen und
gefiltert, um den Zunder von dem Wasser zu trennen. Der Zunder wird
als ungefährliches
Abfallmaterial entsorgt.
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Der
Zunder ist üblicherweise
ein gleichförmiges,
flockiges oder körniges
Material, das mehr als 70 Gew.-% Eisenoxid enthält. Andere Bestandteile, wie
z. B. Mangan, Kohlenstoff, Silizium, Aluminium, Chrom, Blei, Zink
und andere Metalle sind in Anteilen von im Allgemeinen weniger als
1% vorhanden. Es handelt sich um ein üblicherweise stabiles, inertes Material
mit einem spezifischen Gewicht von größer 5.0.
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Sand
aus Sauerstoffkonverter-Klärvorrichtungen
ist ein Abfallprodukt, das durch Walzwerk-Abgaswäscher erzeugt wird, die zusammen
mit Sauerstoffkonvertern verwendet werden. Der Sand ist üblicherweise
ein gleichförmiges
Granulat- oder Teilchenmaterial, das im Allgemeinen mehr als 76%
Eisenoxid und kleinere Anteile an Kalziumoxid, Kohlenstoff, Mangan,
Zink, Chrom, Blei und anderen Bestandteilen enthält. Es ist im Allgemeinen stabil
und inert und hat ein spezifisches Gewicht von etwa 7.0.
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Die
Abgaswäscher
verwenden üblicherweise einen
geschlossenen Wasserkreislauf, um Teilchen aus dem Sauerstoffkonverter-Abgas
zu sammeln und zu entfernen. Der Sand kann in Form eines Klärschlamms
erzeugt werden, wenn er als Teil des Reinigungsprozesses mit Wasser
vermischt wird. Große Teilchen
und schwere Fraktionen werden mechanisch aus dem wasserbasierten
Schlamm entfernt, wobei feinere Teilchen in Klärvorrichtungen gesammelt und
unter Verwendung einer Filterpresse entwässert werden. Der angehäufte Sand
und die angehäuften
Feinteilchen werden üblicherweise
als ungefährliches
Abfallmaterial entsorgt.
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Takonit-Gruben-Abfall
wird auf eine von zwei Arten erzeugt. Der Abfall umfasst entweder
Gestein, das nicht ausreichend Erz zur Verarbeitung enthält und entsorgt
werden muss, oder unerwünschte
Mineralien, die ein intrinsischer Bestandteil des Erz enthaltenden
Gesteins sind und während
der Verarbeitung entfernt werden müssen. Diese Materialien werden
als ”Tailings” bezeichnet.
Takonit-Tailings
enthalten hauptsächlich
Quarz in einem Anteil von 55–60 Gew.-%,
gefolgt von Hämatit
mit 8–12
Gew.-% und eisenhaltige Karbonate, Silikate und Magnetit in Anteilen
von weniger als 10 Gew.-%. Spurenanteile von Schwermetallen findet
man ebenfalls häufig
in Tailings.
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Jedes
dieser Abfallprodukte kann als Material für ein Gegengewicht verwendet
werden. Walzzunder hat sich aufgrund seiner leichten Verfügbarkeit, seines
hohen Anteils an Bestandteilen hoher Dichte und seiner im Allgemeinen
gleichförmigen
Teilchengrößenverteilung
als besonders geeignet für
die Herstellung von Gegengewichten erwiesen.
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Die
Herstellung von Gegengewichten gemäß der Erfindung wird nachfolgend
anhand der Verwendung von Walzzunder beschrieben. Im Allgemeinen ist
das Verfahren aber das gleiche für
andere Abfallmaterialien, wie z. B. Sand aus Sauerstoffkonverter-Klärvorrichtungen
und Takonit-Tailings. Das grundlegende Verfahren umfasst das Vermischen
eines Bindemittels mit dem Walzzunder in ausgewählten Anteilen, um ein Gegengewicht
mit einer optimalen Dichte vorzusehen. Es hat sich herausgestellt, dass
ein bevorzugtes Bindemittel ein thermoplastisches oder duroplastisches
Material umfasst.
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Das
thermoplastische oder duroplastische Bindemittel kann ein Polyolefin
sein, wie z. B. Polyethylen oder Polypropylen hoher Dichte, ein
Phenolharz, Methylen-Diphenyl-Diisocyanat
und dergleichen. Das Bindemittel kann Neumaterial oder Recyclat
umfassen, wie z. B. eine recycelte Pulverbeschichtung oder andere
häufig
recycelte Thermoplaste oder Duroplaste. Weitere geeignete Bindemittel
können
ein nicht polymeres Material, wie z. B. Natriumsilikat, auch bekannt
als ”Wasserglas”, oder eine
Mischung aus Melasse und Kalk umfassen. Es kann erforderlich sein,
das Thermoplast vorab auf eine ausgewählte Partikelgröße zu verarbeiten
oder Verunreinigungen oder Schmutzpartikel zu entfernen, insbesondere
wenn Abfallstoffe als Bindemittel verwendet werden.
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Unter
Bezugnahme auf die 1 wird der Walzzunder 12 aus
einem geeigneten Generator 10, wie z. B. einem Stahlwalzwerk,
erhalten. Ein optionaler erster Schritt bei der Herstellung von
Gegengewichten liegt im Trocknen des Walzzunders in einem Trockner 16,
um möglicherweise
vorhandene überschüssige Feuchtigkeit
zu entfernen. Der Feuchtigkeitsgehalt des Walzzunders 18 nach
dem Trocknen sollte nicht mehr als 12 Gew.-% betragen. Ein bevorzugter
Feuchtigkeitsgehalt liegt bei 2 Gew.-%. Das Trocknen kann vor dem
Mischen des Walzzunders mit dem Bindemittel erfolgen, wie dies in 1 gezeigt
ist. Alternativ dazu kann der Walzzunder während des Vorgangs des Mischens
des Walzzunders mit dem Bindemittel in einer Mischvorrichtung oder einer
kombinierten Misch-Extrudier-Vorrichtung
getrocknet werden, wie nachstehend beschrieben. Ein Trocknen ist
nicht zwingend erforderlich, wird aber bevorzugt, um die Herstellung
des Endproduktes und seine resultierende Dichte genauer zu steuern.
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Der
Walzzunder 18 kann mit Grobgut 26 vermischt werden,
das weiter verarbeitet und gemahlen wurde, um eine Mischung 28 zu
erzeugen, die einer Siebvorrichtung 24 zugeführt wird.
Der Walzzunder 22 wird gesiebt, um Teilchen 26 zu
entfernen, die für die
Aufnahme in das gewählte
Endprodukt zu groß sind
oder aus einer vorgewählten
Größenverteilung herausfallen.
Die Teilchengrößenverteilung
kann im Bereich zwischen 0,1 mm und 12,5 mm liegen. Eine bevorzugte
Teilchengröße liegt
zwischen 0,5 mm und 6,25 mm.
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Das
gesiebte Material 27 wird einem Speicher 29 zugeführt, während das
Grobgut 26 einem Mahlwerk 20 zur weiteren Verarbeitung
auf die ausgewählte
Größenverteilung
zugeführt
wird. Das Mahlen kann nach Bedarf mit einem zusätzlichen Sieben und Mahlen
einhergehen, um ein Material zu erzeugen, das in den Bereich der
ausgewählten
Größenverteilung
fällt.
Möglicherweise
ist die Teilchengrößenverteilung
des Walzzunders, wie er aus der Quelle kommt, derart, dass die Sieb- und Mahlschritte
entfallen können.
Der gemahlene und gesiebte Walzzunder 27 wird dann in den
Speicher 29 befördert.
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Das
thermoplastische oder duroplastische Bindemittel 14 wird
ebenfalls nach Bedarf verarbeitet, insbesondere wenn das Bindemittel 14 ein
Recyclat ist, um unerwünschte
Bestandteile oder Verschmutzungen zu entfernen oder eine vorgewählte Teilchengrößenverteilung
zu erzeugen. Das Bindemittel 14 wird in einem Bindemittelspeicher 30 gelagert,
dann mit dem Walzzunder aus dem Speicher 29 in einer kombinierten
Misch-Extrudier-Vorrichtung 50 bzw. Mischstation 32 (2 und 3)
vermischt.
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Der
Walzzunder 27 und/oder das Bindemittel 14 können vor
dem Einbringen der beiden Komponenten in die Misch-Extrudier-Vorrichtung 50 bzw. Mischstation 32 erwärmt werden.
Thermoplaste erfordern üblicherweise
kein Vorerwärmen,
da das Mischen und Bearbeiten des Bindemittels und Walzzunders in
der Misch-Extrudier-Vorrichtung 50 bzw. Mischstation 32 ausreichend
Wärme erzeugen
wird, um das Bindemittel in einen gewünschten bearbeitbaren Zustand
zu versetzen. Es hat sich gezeigt, dass auf diese Weise eine Temperatur
von etwa 180°F
für ein
Polyethylen hoher Dichte erzeugt werden kann. Duroplaste werden üblicherweise
eine höhere
Temperatur erfordern, was die Verwendung einer externen Wärmequelle
erforderlich machen wird. Duroplaste werden üblicherweise auf eine Temperatur
zwischen 325°F
und 500°F
erwärmt.
Dieses Erwärmen
kann in der Misch-Extrudier-Vorrichtung 50 bzw.
Mischstation 32 erfolgen. Die Temperatur des Bindemittels
wird hauptsächlich
auf der Basis des verwendeten spezifischen thermoplastischen oder duroplastischen
Bindemittels gewählt,
sowie der Bearbeitbarkeit, die für
das Verbundmaterial gewünscht ist,
um das Mischen der Materialien und die Homogenität der resultierenden Mischung
zu erleichtern bzw. zu fördern.
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Mehrere
alternative Heizverfahren können zum
Erwärmen
und Mischen des Walzzunders mit dem Bindemittel eingesetzt werden.
In einem Verfahren werden der Walzzunder und das Bindemittel getrennt
erwärmt
und dann vermischt. In einem weiteren Verfahren wird Walzzunder
bei Raumtemperatur mit erwärmtem
Bindemittel vermischt. In einem weiteren Verfahren werden der Walzzunder
und das Bindemittel bei Raumtemperatur vermischt, gefolgt von einem
Erwärmen
der gesamten Mischung in der Mischvorrichtung. In noch einem weiteren
Verfahren werden der Walzzunder und das Bindemittel bei Raumtemperatur
vermischt und durch die Scherwirkung der Mischmaschine auf die Mischung
erwärmt. Die
ist im Allgemeinen nur bei thermoplastischen Bindemitteln wirksam,
da die Temperatur, die durch den Mischvorgang erzeugt wird, für duroplastische
Bindemittel nicht ausreichend sein wird.
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Unter
Bezugnahme auf die 1 können die Materialien nach dem
Verarbeiten des Walzzunders und des Bindemittels von den Speichern 29, 30 zu
einer kombinierten Misch-Extrudier-Vorrichtung 50 befördert werden.
Eine geeignete kombinierte Misch-Extrudier-Vorrichtung ist ein Extruder
mit einer oder zwei Schnecken, der von der CDL Technology Inc. aus
Addison, Illinois, hergestellt wird. Der Mischvorgang in der Misch-Extrudier-Vorrichtung 50 kann ausreichen,
um ein thermoplastisches Bindemittel auf einen gewünschten
Bearbeitungsgrad zu erwärmen.
Die Misch-Extrudier-Vorrichtung 50 vermischt den Walzzunder
und das Bindemittel zu einem Verbundprodukt 38, das eine
ausgewählte
Dichte und ausgewählte
Abmessungen hat.
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Das
Verbundmaterial wird dann durch eine Kühlkammer 40 geleitet
und unter Verwendung von entweder Luft oder Wasser gekühlt, gefolgt
von einer maschinellen Bearbeitung des Materials zu dem Endprodukt
in einer Bearbeitungsvorrichtung 42. Die Bearbeitung kann
abgeschlossen werden, wenn das Material vollständig abgekühlt und ausgehärtet ist oder
während
die Mischung noch etwas warm und biegsam ist. Das Endprodukt 44 kann
dann bei der weiteren Herstellung von Objekten, die ein Gegengewicht
erfordern, wie z. B. ein Aktenschrank 46, eingesetzt werden.
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Ein
alternatives Verfahren zum Vermischen des Walzzunders mit dem Bindemittel
und zum Ausbilden des Verbundproduktes ist in 2 dargestellt. In
diesem Ausführungsbeispiel
werden der Walzzunder und das Bindemittel wie zuvor beschrieben
verarbeitet und in den Speichern 29, 30 gelagert.
Material aus den Speichern 29, 30 wird einer geeigneten Mischvorrichtung 32 zugeführt, um
den Walzzunder und das Bindemittel zu dem Verbundmaterial 34 zu vermischen,
wie z. B. ein Banbury® Cargen-Innenmischer,
hergestellt von der Farrel Corporation aus Ansonia, Connecticut.
Wie bei der kombinierten Misch-Extrudier-Vorrichtung 50 kann
der Mischvorgang in dem Mischer 32 ausreichen, um ein thermoplastisches
Bindemittel auf einen gewünschten
Bearbeitunggrad zu erwärmen.
Nach dem Mischen wird das Verbundmaterial 34 einer Form 54 zugeführt, die so
konfiguriert ist, das sie ein Produkt liefert, das ausgewählte Endprodukt-Abmessungen
aufweist. Das Material 34 wird in der Form 54 durch
eine geeignete Pressvorrichtung 52 auf eine ausgewählte Dichte verdichtet.
Erfahrungsgemäß erfolgt
die Verdichtung nach einem leichten Abkühlen der Mischung, um den Verdichtungspro zess
zu erleichtern. Das Material wird dann aus der Form 54 entfernt,
gekühlt
und maschinell bearbeitet, wie dies oben beschrieben wurde.
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Ein
drittes Verfahren zum Vermischen des Walzzunders mit dem Bindemittel
und zum Ausbilden des Verbundproduktes ist in 3 gezeigt.
In diesem Ausführungsbeispiel
werden der Walzzunder und das Bindemittel wie zuvor beschrieben
verarbeitet und in den Speichern 29, 30 gelagert.
Material aus den Speichern 29, 30 wird in dem
Mischer 32 vermischt. Nach dem Erwärmen und Mischen wird die Mischung 34 in
einer Extrudiervorrichtung 36 zu einem Verbundprodukt 38 extrudiert,
das eine ausgewählte
Dichte sowie ausgewählte
Abmessungen hat.
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Die
relativen Anteile an Walzzunder und Bindemittel werden von solchen
Faktoren, wie z. B. dem spezifischen Gewicht des Walzzunders, der
Art des verwendeten thermoplastischen oder duroplastischen Bindemittels
und der Targetdichte des Endprodukts abhängen. Bevorzugte Anteile an
Walzzunder und Bindemittel betragen 95 Gew.-% Walzzunder und 5 Gew.-%
Bindemittel. Es haben sich jedoch Anteile von 80–98 Gew.-% Walzzunder und 2–20 Gew.-%
Bindemittel als geeignet erwiesen. Eine Targetdichte für ein Gegengewicht
zur Verwendung in einem Aktenschrank beträgt 51% der Dichte von Stahl oder
ungefähr
250 Pfund pro Kubikfuß.
Erreichbare Dichten können
jedoch im Bereich zwischen 170 Pfund pro Kubikfuß und 340 Pfund pro Kubikfuß liegen.
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Stahlschrott,
wie z. B. Schrott aus der Herstellung von Nägeln, Schrauben und dergleichen, kann
zum Zeitpunkt des Erwärmens
und Mischens des Walzzunders und des Bindemittels zugefügt werden,
um ein Produkt mit einer höheren
Dichte vorzusehen.
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Obgleich
die Erfindung speziell in Verbindung mit bestimmten spezifischen
Ausführungsbeispielen
derselben beschrieben wurde, versteht es sich, dass dies rein zur
Veranschaulichung und nicht zur Beschränkung dient. Angemessene Variationen und
Modifizierungen sind im Rahmen der vorstehenden Offenbarung und
der Zeichnungen möglich, ohne
dass der Schutzumfang der Erfindung, wie er in den angehängten Ansprüchen definiert
ist, verlassen wird.
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Zusammenfassung
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Ein
Verbundmaterial umfasst ein Teilchenmaterial, das als Abfallprodukt
eines industriellen Prozesses erzeugt wird, und ein Bindemittel
zum Binden des Teilchenmaterials zu einer einheitlichen Masse. Das
Teilchenmaterial und das Bindemittel werden in vorgewählten Anteilen
vermischt und verdichtet, um ein Gegengewicht mit einer vorgewählten Dichte
und einer fest vorgegebenen Konfiguration auszubilden. Ein Gegengewicht
wird hergestellt durch Auswählen
eines ersten Anteils eines Teilchenmaterials, das als Abfallprodukt
eines industriellen Prozesses erzeugt wurde, Auswählen eines
zweiten Anteils eines Bindemittels zum Binden des Teilchenmaterials
zu einer einheitlichen Masse, Vermischen des ersten Anteils des
Teilchenmaterials mit dem zweiten Anteil des Bindemittels zu einer
einheitlichen Masse, Ausbilden des Gegengewichts aus der einheitlichen
Masse und Aufnehmen des Gegengewichts in ein Endprodukt.