-
Verfahren zum Brennen von mit Ausbrennstoffen versetzten, vorgeformten
und getrockneten Körpern Bei Kunststeinen wird häufig eine verhältnismäßig hohe
Porosität verlangt, sei es, um den Steinen ein geringeres Raumgewicht zu verleihen,
sei es, um ihre Isolierfähigkeit zu verbessern, sei es zur Schaffung einer Durchtrittsmöglichkeit
für Gase oder Flüssigkeiten. Die gewünschte Porosität wird beispielsweise dadurch
erzielt, daß der plastische Grundstoff mit Ausbrennstoffen, wie Sägemehl, Cellulosefasern,
Holzschliff, Anthrazit, Korkabfall, Reisschalen od. dgl., versetzt wird. In einem
Wärmeprozeß erfolgt dann das Ausbrennen und Vergasen der Ausbrennstoffe, so daß
innerhalb der Körper Hohlräume entstehen.
-
Die Feuerfestindustrie erzeugt auf diese Weise beispielsweise Isoliersteine.
Die verschiedensten feuerfesten Grundstoffe, wie Schamotte, Magnesit, Chrom-Magnesit,
Silika oder auch Diatomit bzw. Kieselgur, werden mit Hilfe von Ausbrennstoffen zu
hochporösem Isoliermaterial verarbeitet. Auf diese Weise werden unter anderem auch
Sterchamolsteine erzeugt. An diesen sei beispielsweise der Stand der Technik sowie
die Erfindung näher erläutert, die sich auf das Brennen von mit Ausbrennstoffen
versetzten, vorgeformten und getrockneten Körpern bezieht.
-
Grundsätzlich gilt, daß die Isolierfähigkeit eines Sterchamolsteines
um so größer ist, je geringer sein Raumgewicht ist. Dagegen nimmt die Druckfestigkeit
mit der Verringerung des Raumgewichtes ab.
-
Die mit Wasser angemachte Sterchamolniasse, die sich aus Molererde
und Ausbrennstoffen zusammensetzt, wird nach der Formung zu Steinen in Trockenöfen
getrocknet. Durch den Trockenprozeß verdunstet ein Teil des Wassers, so daß die
grünen Steine die nötige Festigkeit erlangen, um gestapelt werden zu können.
-
An den Trockenvorgang schließt sich der Brennvorgang an. Dieser muß
in bezug auf die Höhe der Temperatur und nach seiner Dauer ganz genau gesteuert
werden, wenn ein Ausbrennen und Entgasen der Ausbrennstoffe und ein einwandfreier
Brand gewährleistet sein sollen. Zunächst erfolgt das Anheizen oder das sogenannte
Zünden der grünen Steine, wobei die Steine innerhalb von 4 Stunden auf etwa 120°
C erwärmt werden. Daran schließt sich das Entgasen und das Ausbrennen der Ausbrennstoffe
bei einer Temperatur zwischen 120 und 650° C, maximal 700° C an, welche nicht überschritten
werden darf. Die Entgasung und Ausbrennzeit beträgt nach den bekannten Brennverfahren
etwa 70 Stunden. Nachdem alle Ausbrennstoffe restlos ausgebrannt sind, erfolgt ein
weiteres Aufheizen auf etwa 1000° C, um die geforderte Feuerfestigkeit der Steine
zu erreichen. Hieran schließt sich dann das Abkühlen und schließlich das Verladen
der Steine an.
-
Nach dem bekannten Verfahren erfolgt das Brennen der Sterchamolsteine
in Kammeröfen. Die grünen Steine werden entweder direkt auf der Herdsohle gestapelt
oder aber auf Herdwagen gestapelt in den Ofen eingefahren. Der Ofen wird dann dicht
verschlossen. Dies erfolgt in der Regel dadurch, daß die Ein- und Ausfahröffnungen
zugemauert und verschmiert werden. Die Ofenkammer wird dann zunächst auf eine Temperatur
von 120° C gebracht. Bei dieser Temperatur beginnt der in den Steinen enthaltene
Ausbrennstoff, z. B. Sägemehl, zu vergasen und auszubrennen. Das Sägemehl hat beispielsweise
einen Heizwert von etwa 1;350 kcal/kg. In einem Stein üblicher Abmessung sind 0,45
kg Sägemehl enthalten. Durch die Verbrennung des Sägemehls steigt die Ofentemperatur
langsam an. Für den Fall, daß der Ofen infolge von Undichtigkeiten oder aus anderen
Gründen zuviel Luft bekommt, erfolgt die Verbrennung der Ausbrennstoffe verhältnismäßig
schnell, gegebenenfalls derart schnell, daß die Temperatur von 700° C überschritten
wird. Dies bezeichnet man als »Durchgehen« des Ofens. Bei einer Temperatur von über
700° C beginnt nämlich das Sägemehl zu verkoken. Infolgedessen bleibt Holzkoks in
den Poren sitzen, welcher nicht mehr verbrennt. Die Steine können dann nicht mehr
auf die bestimmte Porosität gebracht werden. Die Isolierfähigkeit des Steines ist
damit geringer als vorgesehen, so daß die Steine als Ausschuß betrachtet werden
müssen. Infolgedessen ist von ausschlaggebender Bedeutung, daß ein Kammerofen bekannten
Aufbaus völlig dicht abgeschlossen ist, damit keine zusätzliche Luft eintritt, die
den Verbrennungsvorgang
unerwünscht beschleunigt. Nur so läßt sich
erreichen, daß die Temperatur nicht über 700° C ansteigt.
-
Fällt die Temperatur des Ofens ab, so ist dies ein Zeichen dafür,
daß der Ausbrennvorgang beendet ist. Es wird dann die Feuerung erneut in Gang gebracht,
um die Temperatur auf die Brenntemperatur von etwa 1000° C zu steigern. Haben die
Steine die Temperatur von 1000° C erreicht, wird die Feuerung abgestellt und es
schließt sich das Abkühlen des Ofeninneren einschließlich der Steine an. Dies wird
dadurch gefördert, daß die Ein- und Ausfahröffnungen aufgebrochen werden, die Ofenschieber
geöffnet und Kaltluft in den Ofen eingelassen wird.
-
Das bekannte Brennen der Steine in Kammeröfen hat mehrere große Nachteile,
die jedoch bisher in Kauf genommen wurden. Es ist zwar schon versucht worden, Sterchamolsteine
in Tunnelöfen zu brennen, jedoch sind die Versuche bisher ohne brauchbaren Erfolg
geblieben. Ein Tunnelofen kann nämlich nur für eine ganz bestimmte .Steingröße ausgelegt
werden, weil die Länge der einzelnen Zonen, nämlich der Ausbrennzone, der Brennzone
und der Kühlzone von der Steingröße abhängt. Außerdem ist es nicht möglich, während
der Ausbrenn- und Entgasungsperiode den Ofen so zu steuern, daß er in der Entgasungszone
die Temperatur von 700° C nicht überschreitet. Die einzelnen Zonen können nicht
luftdicht voneinander getrennt werden, wodurch die Erzielung eines einwandfreien
Brennproduktes unmöglich gemacht ist.
-
Kammeröfen zum Brennen von Sterchamolsteinen werden mit einem lichten
Ofenraum zwischen 3 und 60 m3 und darüber gebaut. Die bekannten Verfahren mit Kammeröfen
sehen gemäß den eingangs gegebenen Erläuterungen vor, daß der gesamte Brennvorgang
einschließlich des Ein- und Ausfahrens der Steine automatisch erfolgen kann, um
mit möglichst wenig Arbeitskräften und ohne schwere Arbeit die Anlage bedienen zu
können. Dies erfordert bei den Kammeröfen ein sehr kompliziertes System von Meß-und
Regelgeräten, von Schiebern, Klappen, Rohrleitungen und Kanälen. Die automatische
Meß- und Regelanlage eines Kammerofens für Sterchamolbrand ist aus diesem Grunde
außerordentlich kostspielig und vor allem auch empfindlich.
-
Da der Brennprozeß ein Aufheizen der Steine und später ein Abkühlen
derselben erforderlich macht, wird das gesamte Kammermauerwerk mit aufgeheizt und
später mit abgekühlt. Bei mittleren Kammergrößen ist der Wärmebedarf zum Aufheizen
des Kammermauerwerks teilweise größer als der Wärmebedarf zum Aufheizen der Steine.
Dies bedeutet, daß bei Außerachtlassung der üblichen Wärmeverluste durch Abgase,
Wand- und Kühlverluste, doppelt soviel Wärme dem Ofen zugeführt werden muß, als
zum Aufheizen der Steine an sich erforderlich wäre: Die Hauptursache ist darin zu
sehen, daß bei jedem Brennprozeß der erkaltete Kammerofen erneut aufgeheizt werden
muß.
-
Infolge des in seinem Verlauf genau einzuhaltenden Brennprozesses
fallen die Abgase bei Kammeröfen in bezug auf Temperatur und Menge sehr unterschiedlich
an. Ihre Ausnutzung beispielsweise in einem Luftvorwärmer, der die angewärmte Luft
dem Trockenprozeß der geformten Körper zuleitet, ist außerordentlich schwierig.
Es ist nämlich für den Trockenprozeß Warmluft konstanter Temperatur erforderlich,
die jedoch ein Kammerofen nur für die Dauer der einzelnen Heizperioden zu liefern
vermag. Praktisch beträgt die Entgasungs- und Ausbrennzeit mehr als 75 % der Gesamtbrennzeit.
Eine Verkürzung ist bei Anwendung der heute gebräuchlichen Verfahren nicht möglich.
-
Daneben ist es bekannt, das Brennen von keramischen Rohren, Stäben
od. dgl. in einem aus drei unabhängig voneinander betriebenen Kammern bestehenden
Ofen vorzunehmen, in welchem die zu brennenden Körper in aufeinanderfolgenden Stufen
einer Wärmebehandlung unterworfen werden. Im einzelnen ist es bekannt, das Brenngut
in Stufen aus der Anwärmkammer in die Brennkammer und aus dieser in die Abkühlkammer
zu bewegen, wobei die Verweilzeit des Brenngutes in den der Brennkammer "vor- und
nachgeschalteten Zonen ausschließlich von der Verweilzeit des Brenngutes in der
Brennkammer abhängt. Ein kontinuierlicher Betrieb zum Brennen von mit Ausbrennstoffen
versetzten, vorgeformten und getrockneten keramischen Körpern, z. B. Sterchamolsteinen,
bei welchen die Verweilzeiten in den Einzelkammern unterschiedlich sein müssen,
ist nicht möglich. Außerdem erfordert das Entgasen und das Ausbrennen der Ausbrennstoffe
besondere Betriebsbedingungen, die bei den bekannten Öfen nicht vorgesehen sind.
-
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Brennen von mit Ausbrennstoffen
versetzten, vorgeformten und getrockneten keramischen Körpern, z. B. Sterchamolsteinen,
in einem aus drei unabhängig voneinander betreibbaren Kammern bestehenden Ofen,
in welchem die Körper in aufeinanderfolgenden Stufen einer Wärmebehandlung unterworfen
werden; zu schaffen, bei dem die Verweilzeit des Brenngutes in den einzelnen Kammern
unterschiedlich sein und unterschiedliche Betriebsbedingungen eingehalten werden
können.
-
Die Erfindung sieht vor, daß die Gase in der ersten Kammer mittels
Umwälzgebläse umgewälzt werden, die Temperatur in dieser Kammer durch dosierten
Zusatz von Frischluft auf einer vorbestimmten Höhe gehalten wird und die Körper
dort bis zum Abschluß der Entgasung und des Ausbrennens der Ausbrennstoffe verbleiben,
die Körper anschließend in die zweite Kammer gebracht, dort auf Brenntemperatur
aufgeheizt werden und bis zum Abschluß des Brennvorganges verbleiben, die Körper
anschließend in die dritte Kammer eingebracht werden, wo sie bis zum Abschluß des
Kühlvorganges verbleiben.
-
Ein Hauptvorteil dieses Verfahrens liegt darin, daß die einzelnen
Kammern, in welche die vorgeformten Steine nacheinander eingefahren werden, stets
auf einer gleichbleibenden Temperatur aufgeheizt bleiben und die Zeit, während der
die Steine in der ersten Kammer verweilen, durch das Umwälzen des Gases eine Verkürzung
erfährt. Außerdem erfährt die Verweilzeit in den einzelnen Kammern dadurch eine
Verkürzung, daß die einzelnen beheizten Kammern beim Füllen und Entleeren keine
Abkühlung erfahren.
-
Sind beispielsweise die grünen Steine mittels eines Herdwagens oder
auf ähnliche Weise in die erste Kammer eingefahren, so erfolgt darin das Zünden
und Entgasen sowie Ausbrennen der Ausbrennstoffe. Ist die Kammer zunächst kalt,
erfolgt das Zünden des ersten eingefahrenen Satzes grüner Steine mit heißen Rauchgasen,
die von einem besonderen Aggregat
erzeugt werden können. Später
steht dann Abgas zur Verfügung, soweit nicht schon die Kammertemperatur zum Zünden
ausreicht. Durch Umwälzen der Rauchgase tritt in kürzester Zeit eine Aufheizung
aller Hohlräume im Inneren der Kammer auf. Durch Zusatz von Frischluft läßt sich
die bestimmte Temperatur genau einhalten, beispielsweise die Temperatur zwischen
120 und 650° C, welche bei Sterchamolsteinen 700° C nicht überschreiten darf. Das
Umwälzen des Rauchgas-Luft-Gemisches bewirkt, daß die auf Lücke gestapelten Steine
von allen Seiten umspült werden, so daß der Sauerstoff, der in dem Rauchgas-Luft-Gemisch
enthalten ist, sehr intensiv an die Ausbrennstoffe herangeführt wird.
-
Die dabei frei werdende Wärmemenge wird von dem umgewälzten Gasstrom
mitgenommen. Wenn die Temperatur beispielsweise stärker steigen sollte, wird die
Zufuhr. von Frischluft zu dem umgewälzten Rauchgas-Frischluft-Gemisch gedrosselt;
so daß die Verbrennung langsamer stattfindet und die Temperatur wieder absinken
muß. Ein Teil der heißen Umwälzgase wird abgeblasen und entweder durch kühlere Rauchgase
oder Frischluft ersetzt, so daß sich erreichen - läßt, , daß die Steintemperatur
niemals 700° C übersteigt. Versuche haben ergeben, daß mit Hilfe des Umwälzgebläses
ein Absinken der Entgasungs- und Ausbrennzeit um mehr als 501/o erreichbar ist.
Von besonderem Vorteil ist dabei, daß durch die Begrenzung der maximalen Temperatur
auf 700° C der Einbau eines Umwälzgebläses. möglich wird und das Mauerwerk der Kammer
lediglich auf diese Temperatur ausgelegt sein muß. Es kann daher eine feuerfeste
Auskleidung geringerer Qualität vorgesehen sein.
-
In Anwendung des Verfahrens nach der Erfindung kann weiterhin vorgesehen
sein, daß in der ersten Kammer ein überdruck aufrechterhalten wird, so daß die genau
dosierte Kammeratmosphäre nicht durch Einströmen von Falschluft verändert wird.
Dies bringt den Vorteil mit sich, daß die Kammer nicht luftdicht abgeschlossen werden
muß. Der überdruck sorgt dafür, daß kalte Fremdluft nicht unkontrolliert und ungeregelt
in die Kammer eintritt.
-
Zur Verbesserung der Dosierung kann vorgesehen sein, daß die Menge
der in die erste Kammer einzuführenden Luft über Thermostaten nach der Kammertemperatur
geregelt wird.
-
Nach beendetem Entgasen und Ausbrennen der grünen Steine werden diese
aus der ersten Kammer aus- und in den Brennofen eingefahren.
-
Die Steuerung des Brennprozesses läßt sich in ganz einfacher Weise
durchführen. Der zu brennende Steinstapel, z. B. Sterchamolsteine, wird so lange
von heißen Rauchgasen durchspült, bis die Austrittstemperatur der Rauchgase 1000°
C erreicht hat und konstant bleibt. Der Ofenraumdruck wird durch die Abgasklappe
gesteuert. Die Ofenraumtemperatur wird durch Zumischen von Frischluft zu den Verbrennungsgasen
zwischen 1000 und 1100° C gehalten.
-
Nach dem Brennprozeß werden die warmen Steine mit dem Herdwagen aus
der Brennkammer aus- und in die Kühlkammer eingefahren. In der Kühlkammer wird kalte
Luft mittels eines Gebläses durch den Steinstapel, geblasen, bis dieser z. B. auf
etwa 50° C abgekühlt ist. Die sich an den heißen Steinen erwärmende Luft kann direkt
den Trockenkammern zugeführt werden. Durch Zumischen von Frischluft wird die Heißluft
z. B: auf etwa 80 bis 120° C heruntergekühlt. Für den Trockenprozeß ist es außerdem
erforderlich, durch Zumischen von Wasserdampf der Warenluft die erforderliche Feuchtigkeit
zu geben.
-
Wie bereits erwähnt, erbringt das Verfahren nach der Erfindung in
der Zusammenfassung folgende Vorteile: 1. -Die Gesamtbrennzeit der Steine wird wesentlich
gegenüber dem bekannten Brennverfahren dadurch verkürzt, daß die 'Ausbrenn- und
Vergasungszeit wesentlich geringer ist. Weiterhin erfährt das Abkühlen eine Verkürzung,
weil lediglich die Steine, nicht aber das gesamte Innere einer aufgeheizten Kammer
abgekühlt werden muß.
-
2. Die Auskleidung der verschiedenen Öfen bzw. Kammern kann den jeweiligen
maximalen Temperaturen entsprechend gewählt werden. Es können daher zumindest für
die Entgasungs-und Ausbrennkammern sowie für die Kühlkammer geringwertigere Ausmauerungen
verwendet werden.
-
3. Infolge des kontinuierlichen Betriebes der aufeinander abgestimmten
Kammern behalten die Kammern laufend ihre Arbeitstemperatur bei, so daß sich nicht
die Notwendigkeit ergibt, das Speichervermögen der Kammerauskleidung gering zu halten.
Es können daher an Stelle der bisher üblichen hochwertigen und kostspieligen Feuerleichtsteine
billigere Feuerfeststeine als Innenausmauerung mit einer ebenso billigen Isolierung
als Hintermauerung der Kammer gewählt werden.
-
4. Der Brennstoffverbrauch pro Kubikmeter Steine sinkt um etwa 50
%, weil die Kammern nur einmal am Anfang aufgeheizt werden und dann. die eingestellte
Temperatur beibehalten wird. Die Speicherwärme der Kammern bleibt erhalten, weil
die Kammer nicht zwischendurch abgekühlt wird.
-
5. Die Meß- und Regelanlage wird insgesamt wesentlich einfacher, da
sie in Einzelregelanlagen aufgeteilt werden kann, die jedem Ofen bzw. jeder Kammer
speziell zugeordnet ist.
-
6. Nur die eigentlichen Brennkammern werden mit einer Beheizungseinrichtung
ausgerüstet. Das Aufheizen der Entgasungs- und Ausbrennkammer erfolgt durch Heißluft,
die beim Kühlprozeß anfällt.
-
7. Die Abgase fallen in gleichbleibender Menge und mit gleicher Temperatur
an, so daß die fühlbare Wärme der Abgabe durch einen nachgeschalteten Rekuperator
oder Abhitzekessel verwertet werden kann.
-
B. Die beim Kühlprozeß anfallende Heißluft kann unmittelbar zum Trockenprozeß
herangezogen werden.
-
9. Die Investitionskosten für eine neu zu errichtende Anlage zur Anwendung
des erfindungsgemäßen Verfahrens sind wesentlich geringer als die zur Durchführung
der bekannten Verfahren. Dies sei am nachstehenden Beispiel erläutert: Es handele
sich um eine Sterchamolbrennanlage für eine Leistung von etwa 1000 ms Sterchamolsteine
pro Monat. Unter der Annahme, daß jede Kammer mit etwa 13,5 m3 Sterchamolsteinen
besetzt werden kann, beträgt die Gesamtbrennzeit nach den bekannten Verfahren etwa
96
Stunden oder 4 Tage. Damit ist die Leistung je Kammer und Tag 13,5: 4 = 3,375 m3.
In 30 Tagen leistet eine Kammer etwa 100 m3. Folglich sind für eine Monatsleistung
von 1000 m3 zehn Kammern erforderlich. Jede dieser zehn Kammern ist mit einer separaten
Beheizungsanlage, mit einer sehr komplizierten Meß- und Regelanlage ausgestattet,
die in der Lage ist, den gesamten Brennvorgang automatisch zu steuern, und weiter
mit einem hochwertigen Feuerleichtmauerwerk ausgerüstet.
-
Bei gleichem Fassungsvermögen der Kammern verkürzt sich die gesamte
Brennzeit bei Anwendung des Verfahrens nach der Erfindung infolge der verkürzten
Entgasungs- und Ausbrennzeit auf 55 Stunden oder darunter. Die Zeit zum Zünden,
Entgasen und Ausbrennen sei mit 35 Stunden, die Heizzeit mit 10 Stunden und die
Kühlzeit ebenfalls mit 10 Stunden angenommen. Die Monatsleistung einer Entgasungs-
und Ausbrennkammer beträgt etwa 278 ms pro Monat. Bei einer Anzahl von vier Kammern
könnte die Monatsleistung von 1000 m3 gut durchgesetzt werden. Zum Heizen und Kühlen
ist für die Monatsleistung von 1000 m3 nur jeweils eine Kammer erforderlich. Es
werden demnach sechs Kammern für das Verfahren nach der Erfindung gegenüber zehn
Kammern nach dem bekannten Verfahren benötigt. Dementsprechend sinken also die Investitionskosten.
Neben diesen wirtschaftlichen Vorteilen verdienen die technischen besondere Beachtung,
weil die Steuerung der Temperaturen in den Einzelkammern wesentlich leichter und
exakter durchgeführt werden kann als die Steuerung der verschiedenen Einzelprozesse
in ein und derselben Kammer. Daneben ergibt sich eine erheblich bessere Ausnutzung
des Wärmekreislaufes, was insbesondere auf das laufende Konstanthalten der Temperaturen
in den einzelnen Kammern zurückzuführen ist.