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Verfahren zur Herstellung eines hochporösen Isoliermaterials aus einem
tonhaltigen Ausgangsstoff sowie Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines hochporösen Isoliermaterials
aus einem tonhaltigen Ausgangsstoff, wobei voneinander getrennte Partikeln zusammen
mit einem gasförmigen Medium in die heiße Zone eines eine aus einer oberen heißen
und einer unteren kühleren Zone bestehenden Vertikalkammer aufweisenden Ofens derart
eingeführt werden, daß die Teilchen und ihr Trägermedium einer heftigen Bewegung
unterworfen werden, so daß die Partikeln aneinander und gegen die Oberfläche der
heißen Zone der Ofenkammer stoßen. Die Erfindung betrifft ferner eine zur Durchführung
des Verfahrens geeignete Vorrichtung.
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Es ist bekannt, feuerfeste Isoliersteine aus feuerfestem Material,
üblicherweise aus feuerfestem Ton oder Kaolin, herzustellen und so zu formen, daß
sie sehr porös sind und somit eine geringe Dichte haben. Ihre Wärmeleitfähigkeit
ist im wesentlichen proportional ihrer Dichte, je höher also ihre Porosität ist,
um so niedriger ist ihre Wärmeleitfähigkeit. Sie werden zum Auskleiden von Öfen
u. dgl. zwecks Wärmeisolierung verwendet.
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Das übliche Verfahren zur Herstellung dieser Ziegel besteht darin,
daß man formbarem feuerfestem Ton ein brennbares Material, häufig Sägemehl, beimischt.
Diese Mischung wird zu einem Ziegel geformt, getrocknet und dann in einem Ofen gebrannt,
wobei das brennbare Material ausbrennt und das fertige Erzeugnis mit poröser Struktur
zurückbleibt. Infolge des starken Schrumpfens bei diesem Verfahren ist es sehr schwierig,
Ziegel mit einem für ihre Zwecke ausreichenden Grad von Genauigkeit herzustellen,
sofern sie nicht mit einer übergröße hergestellt und darauf auf geeigneten Schleifmaschinen
auf Maß geschliffen werden, was sowohl kostspielig als auch unwirtschaftlich ist.
Ferner ist die Herstellung dieser Ziegel langwierig, und ihr Brennen in Massen ist
schwer zu überwachen und bringt hohen Ausschuß.
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Nach einem anderen bekannten Verfahren erzielt man die Porosität in
einem Ziegel dadurch, daß die Mischung, aus der der Ziegel hergestellt wird, eine
große Menge Gasbläschen enthält. Man nennt dieses Verfahren im allgemeinen das Schäum-
oder Schäumungsverfahren, das den Nachteil hat, daß Größe, Form und Dichte der nach
diesem Verfahren hergestellten Ziegel schwierig zu steuern sind.
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Ein weiteres bekanntes Verfahren besteht darin, daß man trockenen,
gemahlenen Lehm mit einem brennbaren Material, üblicherweise Kohle oder Koks, mischt
und diese Mischung auf einer Sintermaschine brennt. wobei durch Ausbrennen des brennbaren
Materials eine poröse Masse entsteht. Diese Masse kann zerkleinert, mit einem bindenden
Ton vermischt und zu einem Ziegel geformt, darauf getrocknet und schließlich zur
Erzeugung der endgültigen Gestalt in einem Ofen gebrannt werden. Nach diesem Verfahren
kann man Steine mit genauen Massen herstellen, jedoch ist es auf die Verwendung
von Tonarten beschränkt, deren Korn sich während des Sintervorganges aufbläht oder
ausdehnt.
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Aus diesen und anderen Gründen können für dieses Verfahren hochfeuerfeste
Tonsorten nicht verwendet werden, weil sie nicht die Neigung des Aufblähens haben
und weil außerdem der Ton durch die Asche der Kohle oder des Kokses, mit denen sie
zum Bilden einer Sintermasse gemischt sind. verunreinigt werden, was ihre Feuerfestigkeit
herabsetzt. Somit ist dieses Verfahren auf die Herstellung von Steinen für nur verhältnismäßig
niedrige Temperaturen
beschränkt. Ferner kann mit diesem Verfahren
normalerweise kein Körper mit ausreichend niedriger Dichte oder hoher Porosität,
wie es für einen hochwirksamen Ziegel notwendig ist, gewonnen werden. Das Verfahren
liefert Körper mit einer Pakkungsdichte von 830 kg/m3 oder mehr, wenn die Masse
bis zu einer für die Herstellung von Ziegeln geeigneten Größe zerkleinert wird.
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Nach einem ebenfalls bekannten Verfahren wird tonartiges Material,
das in Form feiner Teilchen in einem gasförmigen Medium suspendiert ist, einer Temperatur
ausgesetzt, die so hoch ist und so lange anhält, daß ein vollständiges Schmelzen
der suspendierten Teilchen erfolgt, worauf man die Teilchen zu erhärteten einzelligen
kugeligen Teilchen abkühlen läßt, die voneinander getrennt und unzusammengeballt
bleiben. Dieses Verfahren ist jedoch auf die Verwendung von solchem tonartigem Material
beschränkt, dessen Teilchen sich unter der Wärmebehandlung derart aufblähen oder
quellen, daß sie sich zu einzelligen dünnwandigen Hohlkugeln ausdehnen.
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Für die Herstellung eines porösen Materials von geringem Gewicht,
das als Grundlage für Beton oder für die Herstellung von Ziegeln und anderen aus
gebranntem Ton herzustellenden Teilen bestimmt ist, hat man bereits mit einer Mischung
eines tonhaltigen Materials mit Wasser gearbeitet, welche in Form eines Breies in
einen abwärts gerichteten Strom durch einen Ofen fallengelassen wird, in dem eine
Temperatur herrscht, die zu einer Ausdehnung des tonhaltigen Materials führt. Dieser
Vorgang wird durch die Brenngase in dem Ofen bewirkt.
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Dieses bekannte Verfahren befriedigt deswegen nicht im vollen Umfang,
weil bei seiner Ausführung das tonhaltige Material mit Wasser gemischt werden muß,
wodurch insbesondere die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens wegen des für die Verdampfung
des Wassers erforderlichen Wärmeaufwands beeinträchtigt wird. Das Endprodukt dieses
Verfahrens besteht in diskreten gebrannten Teilchen, die sich in heißem Zustand
im Bodenraum des Ofens sammeln. Es sind also bei diesem Verfahren noch weitere Arbeitsgänge
erforderlich, um ein Agglomerieren der Teilchen zu erreichen.
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Der gleiche Nachteil besteht bei einem weiteren bekannten Verfahren,
bei dem die Teilchen in Form kugelförmiger Partikeln gebrannt werden und bis zu
ihrer Entfernung aus dem Ofen voneinander getrennt bleiben.
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Die letzterwähnten beiden Verfahren können nur mit solchen tonhaltigen
Materialien durchgeführt werden, deren Teilchen Quellbarkeit aufweisen. Damit ist
ihr Anwendungsbereich in gleichfalls nachteiliger Weise eingeschränkt.
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Das erfindungsgemäße Verfahren vermeidet die vorerwähnten Nachteile
der bekannten Verfahren und ist insbesondere auch auf Teilchen aus tonhaltigem Material
anwendbar, die nicht quellbar sind. Wegen der Vermeidung der Beteiligung von Wasser
ist das erfindungsgemäße Verfahren besonders wirtschaftlich. Es besteht darin, daß
die zusammen mit der Verbrennungsluft unter Druck vorzugsweise tangential in die
heiße Zone der vertikalen Ofenkammer eingeführten Partikeln durch Erzeugung einer
ausreichend hohen Temperatur, beispielsweise etwa zwischen 1000 und 1750° C, nicht
notwendigerweise unter vollständiger Vereinheitlichung und Ausdehnung in einen pyroplastischen
und klebrigen Zustand übergeführt werden, so daß die Partikeln zu Massen von hoher
künstlicher Porosität so weit agglomerieren, bis sie schwer genug sind, ihre Adhäsion
an der Ofenwand zu überwinden und von ihr in die kühlere Ofenzone herabzufallen,
von wo sie in gebranntem und erhärtetem Zustand als keramisch agglomerierte Massen
von hoher künstlicher Porosität entfernt werden.
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Die Porosität der künstlich gebildeten harten Massen entsteht durch
die sowohl zwischen den aneinanderhaftenden Teilchenklumpen als auch zwischen den
aneinanderhaftenden einzelnen Teilchen vorhandenen Hohlräume. Diese Struktur der
Masse ergibt sich unmittelbar aus der vorstehend beschriebenen Behandlung der Teilchen.
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Als Ausgangsmaterial können die Teilchen einen gewichtsmäßigen Feuchtigkeitsgehalt
von 15% haben, jedoch sollen zweckmäßigerweise 5 % Feuchtigkeitsgehalt nicht überschritten
werden.
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Die Teilchen können in der Ofenkammer durch Verbrennen einer in geeigneter
Weise in die Ofenkammer eingeführten brennbaren Gasmischung erhitzt werden. Zusätzlich
kann noch vorgewärmte Sekundärluft zur Unterstützung der Verbrennung in den Ofen
geleitet werden.
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Die Teilchen können in die Ofenkammer geleitet werden, indem sie in
der brennbaren Gasmischung oder in der Sekundärluft oder in einer besonderen Trägerluft
mitgenommen werden, und haben vorzugsweise eine Körnung von maximal etwa 12 mm.
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Um die Teilchen während ihrer Behandlung in der Ofenkammer eine heftige
Bewegung zu geben, wird das Gasgemisch oder die Sekundärluft oder beide tangential
zu einem Kreis um die Achse der Ofenkammer in diese so eingeführt, daß die Teilchen
eine Wirbelbewegung erhalten.
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Das Medium zur Verbrennung in der Ofenkammer kann Gas, öl oder pulverisierter
Brennstoff sein, der mit Hilfe von Brennern oder auf sonstige geeignete Weise in
die Brennkammer eingeführt wird.
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Die in der heißen Zone erforderliche Temperatur hängt von dem jeweils
verwendeten feuerfesten Material ab und liegt, je nach der Temperatur, bei der die
Teilchen pyroplastisch werden, zwischen 1000 und 17501 C.
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Die Teilchen des zu verwendenden Materials brauchen in ihrem unbehandelten
Zustand keine Plastizität zu haben und müssen so groß sein, daß sie leicht in den
wirbelnden heißen Gasen in der Schwebe gehalten werden können.
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Ein Beispiel für ein brauchbares, zwischen 1250 und 1300° C pyroplastisch
werdendes Material ist ein feuerfester Ton mit nachstehender Analyse: Gewichtsprozent
SiO@ ....................... 46,55 A1.,03 *****''*1*«
........... 31,94 Fe,02
...................... 3,04 TiÖ2 ....................... 1,28 CaO .......................
0,25 MgO ....................... 0,77 Na20 ...................... 0,30 K.,0 ........................
2,33 Glühverlust ................. 13,35
Ein weiteres Beispiel für
ein feuerfestes, zwischen 1600 bis 1650' C pyroplastisch werdendes Material ist
Sillimanit folgender Zusammensetzung:
| Gewichtsprozent |
| . 35.70 |
| AI@O_; ...................... 62,28 |
| Fe#,O.; ...................... 1,74 |
| TiO., ....................... 0,18 |
| Mg0 ....................... 0,13 |
| CaO ....................... Spuren |
Die künstlich gebildeten hochporösen und zusammengeballten Massen werden nach der
Entnahme aus dem Ofen zu kleineren Körpern gebrochen, und zwar in eine Größe, die
zur Herstellung von leichtem feuerfestem Mörtel geeignet ist, oder sie werden in
noch kleinere Körper gebrochen, die sich in Mischung mit einem Bindemittel zur Herstellung
von porösen feuerfesten Isoliersteinen oder sonstigen Körpern verwenden lassen.
Zweckmäßigerweise wird hierfür ein durch Hydration abbindendes Bindemittel verwendet,
wobei zur Bildung der erforderlichen nassen Mischung zum Formen der gewünschten
Körper (Ziegel, Platten, Rohre usw.) Wasser zugesetzt wird.
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Das Bindemittel für die Mischung kann aus rohen ungebrannten Teilchen
tonartigen Materials bestehen, das dem zum Bilden der in der Mischung verwendeten
Massen im Ofen behandelten Material ähnlich ist.
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Zur Wärmebehandlung der erwähnten tonartigen oder sonstigen feuerfesten
Teilchen wird zweckmäßigerweise ein Ofen verwendet, der eine senkrechte Kammer kreisförmigen
Querschnitts hat, deren oberer Abschnitt eine heiße Zone und deren unterer Abschnitt
eine kühlere Zone bilden, wobei die heiße Zone mit Eintrittsöffnungen für ein brennbares
gasförmiges Medium und für Sekundärluft so versehen ist, daß in der heißen Zone
eine heftige Wirbelbildung entsteht und die Teilchen durch Mitnahme in der Sekundärluft
in die heiße Zone gelangen.
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Die schematische Zeichnung veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel
eines Ofens zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Es zeigt F i g. 1
einen vertikalen Schnitt durch den Ofen, F i g. 2 eine Draufsicht auf den Ofen nach
F i g. 1 und F i g. 3 eine zeichnerische Darstellung einer Mikroaufnahme mit 15facher
Vergrößerung der Oberfläche eines sehr dünnen Schnittes, der von einem kleinen zusammengeballten,
von einem größeren Körper abgebrochenen Körper geschnitten wurde.
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Nach F i g. 1 und 2 umschließt ein gemauerter Aufbau 10 mit rechteckigem
Außenquerschnitt eine senkrechte Ofenkammer 11 mit kreisförmigem Querschnitt, die
sich von einer Decke 12 aus zu einem Boden 1.3 hin verjüngt. Zum Absaugen der Abgase
ist im unteren Abschnitt der Ofenkammer 11 eine Öffnung 14 vorgesehen.
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In dem oberen Abschnitt der Ofenkammer 11 wird durch vier nach unten
durch die Decke 12 hindurchbrennende und tangential mit etwa 30° zur Senkrechten
geneigte Brenner 15 ein brennbares Medium geführt, das den Brennern aus einer nicht
dargestellten Quelle über eine Verteilerleitung 16 zugeführt wird. Unmittelbar unter
der Decke 12 ist die Ofenkammer 11 mit vier über den Umfang der Ofenkammer verteilt
angeordneten Eintrittsöffnungen 17 für die Sekundärluft versehen, denen über eine
Speiseleitung 18 und je mit einer Einlaßöffnung 17 in Verbindung stehende Abzweigungen
19 vorgewärmte Sekundärluft zugeführt wird.
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Die Einlaßöffnungen 17 für die Sekundärluft sind so angeordnet, daß
sie tangential zur Ofenkammer 11 in diese einmünden und dadurch der Sekundärluft
und dem durch die Brenner 15 in die Ofenkammer eintretenden brennbaren Medium
eine Wirbelbewegung aufdrücken.
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Von der Mitte der Decke 12 ragt ein säulenartiger Kern 21 mit rundem
Querschnitt über eine der heißen Zone 20 entsprechende Länge in die Ofenkammer hinein
und gibt der heißen Zone 20 eine ringförmige Gestalt.
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Die Sekundärluft wird in vorgewärmten Zustand über das Zuführende
22 der Leitung 18 zugeführt, die durch eine die Ausgangsöffnung 14 der Ofenkammer
11 mit einem Schornstein 24 im Gemäuer 25 verbindende Kammer 23 für die Abgase hindurchgeht
und durch Berührung mit den heißen, aus der Ofenkammer entweichenden Abgasen erhitzt
wird.
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Die Leitung 18 für die Sekundärluft ist an ihrer Austrittsstelle 26
aus der Kammer 23 für die Abgase und an der Druckseite eines Gebläses 28 mit einem
Trichter 27 versehen.
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Das in der Ofenkammer zu behandelnde Material wird in zerteilter Form
in den Trichter 27 gegeben, worauf die Teilchen des Materials infolge der Wirkung
des in die Zufuhrleitung 18 für die Sekundärluft eingeschalteten Gebläses 28 von
der vorgewärmten Sekundärluft mitgenommen und in dieser in die heiße Zone 20 der
Ofenkammer gelangen, wo sie einer heftigen Wirbelbewegung unterliegen und so lange
einer ausreichend hohen Temperatur ausgesetzt sind, daß die Teilchen pyroplastisch
werden.
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Infolge der ringförmigen Gestalt der heißen Zone 20 der Ofenkammer
11 wird durch die den Teilchen gegebene heftige Wirbelbewegung auf diese eine Zyklonwirkung
ausgeübt, und durch die dabei auftretende Zentrifugalkraft stoßen die Teilchen aneinander
und prallen auf Flächen der Ofenkammer sowie auf die Fläche des säulenartigen Kernes
21 so auf, daß sie nach Erreichen des pyroplastischen Zustandes aneinanderkleben
und in Brocken an den Flächen haftenbleiben, wobei sie zu zusammengeballten Massen
oder Brocken 29 wachsen, bis deren Gewicht so groß geworden ist, daß sie infolge
der Schwerkraft von den Flächen auf den Boden der Ofenkammer und damit in eine kühlere
Zone der Kammer herabfallen.
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Der Boden 13 der Ofenkammer kann zu einer Entnahmeöffnung 30 hin so
abwärts geneigt sein, daß die zusammengeballten Massen bei ihrem Herabfallen selbsttätig
zum Abkühlen aus dem Ofen heraustreten oder mittels einer Schaufel 31 von Hand ausgestoßen
werden.
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In F i g. 3 ist zu sehen, daß eine erfindungsgemäß hergestellte zusammengeballte
Masse, die klein genug für eine Mischung zur Formung eines porösen feuerfesten Steines
ist, infolge der zwischen den aneinanderhaftenden Teilchenballungen 33 vorhandenen
Hohlräume 32 eine hohe Porosität hat.
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Wenn die zusammengeballten Massen zur Herstellung von porösen feuerfesten
Isoliersteinen oder
sonstigen Körpern verwendet werden sollen, wer-den
sie nach der Entnahme aus der Ofenkammer, jedoch in abgekühltem und erhärtetem Zustand,
zu kleinen Körpern gebrochen, indem sie über Maschentrommeln aus Draht geführt und
in verschiedene Fraktionen gesiebt und sortiert werden, wobei die maximale Körnung
der gebrochenen und ausgesiebten Körper beispielsweise 4,5 mm beträgt. Diese größten
Körper werden mit den kleineren Fraktionen und mit einer aus Wasser und einem Bindemittel
bestehenden Bindemasse zu einer nassen Mischung zusammengemischt; das Bindemittel
kann aus Teilchen eines ungebrannten tonartigen Materials bestehen. Der Mischung
kann noch Sulfitlauge oder ein ähnliches Bindemittel zusätzlich beigegeben werden.
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Wenn die erfindungsgemäß hergestellten zusammengeballten Massen in
abgekühltem Zustand nach der Entnahme aus dem Ofen gebrochen und größenmäßig sortiert
sind, haben sie entsprechend der je-Weiligen Größe eine Packungsdichte oder ein
Schüttgewicht von 250 bis 750 kg/ms.