DE19813731A1 - Verfahren zum Brennen eines keramischen Formkörpers - Google Patents

Verfahren zum Brennen eines keramischen Formkörpers

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Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Brennen eines keramischen Formkörpers, in welchem der keramische Formkörper gebrannt wird, indem eine Brennleistung in solcher Weise gesteuert wird, daß ein hoher Leistungszustand und ein niedriger Leistungszustand abwechselnd wiederholt werden.
Generell ist ein Verfahren zum Brennen eines keramischen Formkörpers, in welchem der keramische Formkörper gebrannt wird, indem eine Brennleistung in solcher Weise gesteuert wird, daß ein hoher Leistungszustand und ein niedriger Leistungszustand abwechselnd wiederholt werden, beispielsweise aus der japanischen Offenlegungsschrift Nr. 8-73 274 (JP-A-8-73 274) bekannt. Das Verfahren dieser Art ist ein sogenanntes Impulsbrennverfahren. In dem bekannten sogenannten Impulsbrennverfahren werden - im Vergleich mit einem proportionalen Brennverfahren, in dem eine Brennleistung des Brenners kontinuierlich und linear in einem Brennofen gesteuert wird - nachstehend erwähnte Vorteile erreicht.
(1) Erlangen einer niedrigen Temperaturanstiegsrate in einem niedrigen Temperaturbereich unter Anwendung einer geringen Menge an Durchmischungsluft
Wenn im Fall des Impulsbrennverfahrens eine tatsächliche Temperatur in dem Brennofen über eine vorbestimmte Temperatur erhöht worden ist, kann eine Brennsteuerung dadurch durchgeführt werden, daß ein einen geringen Leistungszustand, vorzugsweise eine Nulleistung, eingrenzendes Restzeitintervall erhöht wird. Daher ist es möglich, selbst durch eine geringe Menge an Durchmischungsluft eine geringe Temperaturanstiegsrate in einem geringen Temperaturbereich zu erreichen. Überdies ist im Vergleich zum proportionalen Brennverfahren kein zusätzlicher Brennstoff notwendig.
(2) Geringer Brennstoffverbrauchsbetrag eines Nachbrenners
Da, wie im Absatz (1) erwähnt, im Vergleich mit dem proportionalen Brennverfahren eine Durchmischungsluftverbrauchsmenge in dem Impulsbrennverfahren gering ist, ist es möglich, eine Kraftstoffverbrauchsmenge des Nachbrenners zu senken.
Da ein Gas, das während eines Brennschrittes durch Zersetzen von Bindemitteln in Formungsmitteln erzeugt worden ist, eine Geruchskomponente hat, wird der sogenannte Nachbrenner verwendet, um eine solche Geruchskomponente vollständig zu verbrennen, so daß der Geruch von dem Gas entfernt wird, wobei anschließend das Gas, von dem der Geruch entfernt worden ist, in die Atmosphäre gegeben wird.
Wenn, wie oben erwähnt, das Impulsbrennverfahren beim Brennen des keramischen Formkörpers angewendet wird, ist es möglich, eine Verbesserung einer Temperatursteuereigenschaft, eine Verbesserung der Temperaturverteilung und eine Reduzierung der Kraftstoffverbrauchsmenge zu erreichen. Jedoch wurde vor kurzem herausgefunden, daß in einem gebrannten Körper ein Riß erzeugt werden kann, wenn der keramische Formkörper, insbesondere der keramische Bienenwabenstrukturformkörper, unter Anwendung des Impulsbrennverfahrens gebrannt wird. Die Ursachen der Rißbildung wurden untersucht und es wurde der folgende Grund für die Rißbildung herausgefunden:
Generell schließt der zu brennende keramische Formkörper als ein Formungsmittel eine große Menge an Bindemittel ein. Während des Brennens zersetzt sich das Bindemittel in einem Bereich mit relativ niedriger Temperatur durch Wärme zu Gas, d. h. zu sogenanntem Bindemitteldampf. Da, wie oben erwähnt ist, in dem Impulsbrennverfahren eine in den Brennofen zugeführte Gasmenge gering ist, ist es nicht möglich, einen solchen Bindemitteldampf vollständig zu einer Gasleitung auszustoßen. Der in dem Brennofen verbleibende Bindemitteldampf wird daher verbrannt, wodurch während des Brennens um den keramischen Formkörper ein schlagartiger Temperaturanstieg erzeugt wird, so daß in dem gebrannten Körper ein Riß gebildet wird.
Aufgabe der Erfindung ist es, die oben erwähnten Nachteile zu beseitigen und ein Verfahren zum Brennen eines keramischen Formkörpers zu schaffen, in welchem - im Vergleich mit dem bekannten Impulsbrennverfahren - eine Temperaturverteilung in dem Brennofen gleichmäßig ist und in dem gebrannten Körper kein Riß erzeugt wird.
Erfindungsgemäß wird das bekannte Impulsbrennverfahren dahingehend verbessert, daß der Öffnungswinkel des Brenners unter einer Bedingung gesteuert wird, wonach das Tastverhältnis konstant aufrechterhalten wird. Daher kann eine Konzentration des Bindemitteldampfes in solcher Weise gesteuert werden, daß sie nicht über eine untere Explosionsgrenze, an der ein Bindemitteldampf schlagartig verbrannt wird, hinaus geht. Zusätzlich verbleibt erfindungsgemäß der Bindemitteldampf nicht in einer hohen Konzentration in dem Brennofen, da eine Atmosphäre in dem Brennofen bei einer hohen Geschwindigkeit und einer hohen Frequenz bewegt (umgerührt) wird.
Es zeigen:
Fig. 1 einen Graphen einer Beziehung zwischen einer Zeitdauer und einem Brenneröffnungswinkel in einem Impulsbrennverfahren;
Fig. 2a einen Graphen eines Beispiels einer Heizkurve,
Fig. 2b einen Graphen eines Ausführungsbeispiels, in welchem die Heizkurve gemäß Fig. 2a mittels des Impulsbrennverfahrens durchgeführt wird, und
Fig. 2c einen Graphen eines Ausführungsbeispiels, in welchem die in Fig. 2a gezeigte Heizkurve mit Hilfe eines Brennverfahrens mit gleichbleibendem Impuls durchgeführt wird;
Fig. 3 eine schematische Ansicht eines Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung, die ein Verfahren zum Brennen eines keramischen Formkörpers gemäß der Erfindung durchführt; und
Fig. 4 eine schematische Ansicht zur Erläuterung eines Brennersteuerverfahrens in der Vorrichtung gemäß Fig. 3.
Zunächst werden ein Konzept eines normalen Impulsbrennverfahrens und die im Impulsbrennverfahren verwendeten Grundbegriffe erläutert. Fig. 1 zeigt einen Graphen, der eine Beziehung zwischen einer Zeitdauer und einem Brenneröffnungswinkel in dem Impulsbrennverfahren zeigt. In dem Verfahren gemäß Fig. 1 sind jeweilige Zeitdauern wie folgt definiert:
A: Ein-Zeitdauer (hoher Leistungszustand)
B: Restzeitdauer (niedriger Leistungszustand)
C(=A+B): Frequenz
Tastverhältnis (%) = (A/C) × 100
Wenn in diesem Falle ein Wert des Tastverhältnisses größer ist, wird eine Brennhäufigkeit größer, so daß auch die in einen Brennofen zugeführte Wärmemenge größer wird.
Nachstehend wird ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Brennen eines keramischen Formkörpers (nachstehend manchmal als ein Brennverfahren mit gleichbleibendem Impuls bezeichnet) mit Bezug auf das bekannte proportionale Brennverfahren und dem Impulsverfahren erläutert, wenn diese mit der gleichen Heizkurve durchgeführt werden. Fig. 2a zeigt einen Graphen, der ein Beispiel einer Heizkurve darstellt, Fig. 2b einen Graphen eines Ausführungsbeispiels, in welchem die in Fig. 2a gezeigte Heizkurve durch das Impulsbrennverfahren ausgeführt wird, und Fig. 2c einen Graphen eines Ausführungsbeispiels, in welchem die in Fig. 2a gezeigte Heizkurve mit Hilfe eines Brennverfahrens mit gleichbleibendem Impuls ausgeführt wird.
In dem in Fig. 2b gezeigten bekannten Impulsbrennverfahren wird der Brenner in einer solchen Weise gesteuert, daß ein hoher Leistungszustand und ein niedriger Leistungszustand abwechselnd wiederholt werden, und zwar bei einem vorbestimmten konstanten Brenneröffnungswinkel, wobei eine Restzeitdauer (niedriger Leistungszustand) erhöht oder gesenkt wird, und zwar in Antwort auf eine Beziehung zwischen einer Zieltemperatur und einer Wärmeanstiegsrate, die in der Heizkurve gemäß Fig. 2a gezeigt worden ist, (d. h. das Tastverhältnis wird erhöht oder gesenkt). In diesem Falle wird, sofern eine tatsächliche Temperatur über der Zieltemperatur liegt, die Restzeitdauer erhöht. In der Restzeitdauer werden eine Zufuhr des Verbrennungsgases zur Verringerung eines Bindemitteldampfes und eine Bewegungswirkung (Umrührwirkung) zum Bewegen (Umrühren) eines Bindemitteldampfes gestoppt.
Andererseits wird in dem erfindungsgemäßen Brennverfahren mit gleichbleibendem Impuls der Brenner in solcher Weise gesteuert, daß ein hoher Leistungszustand und ein niedriger Leistungszustand abwechseln wiederholt werden, und zwar bei einem vorbestimmten konstanten Tastverhältnis, d. h. einer vorbestimmten konstanten Ein-Zeitdauer und Restzeitdauer, wobei der Brenneröffnungswinkel erhöht oder gesenkt wird, und zwar in Antwort auf eine Beziehung zwischen einer Zieltemperatur und einer Wärmeanstiegsrate. In diesem Falle wird, selbst wenn eine tatsächliche Temperatur über einer Zieltemperatur liegt, nur der Brenneröffnungswinkel gesenkt, während das Tastverhältnis stets gleich bleibt. Es ist daher möglich, sowohl eine Zufuhr der Verbrennungsluft als auch eine Bewegungswirkung (Umrührwirkung) in dem Brennofen aufrechtzuerhalten.
Wie aus dem obigen Vergleich klar ersichtlich ist, ist es in dem erfindungsgemäßen Brennverfahren mit gleichbleibendem Impuls möglich, eine Konzentration des Bindemitteldampfes gering zu halten, da eine ausreichende Menge an Verbrennungsgas in den Brennofen zugeführt werden kann. Überdies ist es möglich, eine gleichmäßige Verteilung des Bindemitteldampfes in dem Brennofen zu machen, da darin ein ausreichende Bewegung (Umrührung) bewirkt werden kann. Zusätzlich ist es möglich, eine schlagartige explosive Verbrennung des Bindemitteldampfes zu vermeiden, die erzeugt wird, wenn eine Konzentration des Bindemitteldampfes in dem Brennofen groß ist. Daraus resultiert, daß es möglich ist, eine Rißbildung in einem gebrannten Körper zu verhindern. Da in diesem Falle die vorbeschriebenen Wirkungen des Bindemitteldampfes beachtenswert sind, insbesondere in einem Bindemittelverbrennungstemperaturbereich, in welchem eine Temperatur gering ist und eine Temperaturanstiegsrate gering ist, ist es bevorzugt, das erfindungsgemäße Brennverfahren mit gleichbleibendem Impuls zumindest in einem Temperaturbereich von einer Bindemittelverbrennungsstarttemperatur zu einer Bindemittelverbrennungsendtemperatur, d. h. von einer Wärmeanstiegsstarttemperatur bis auf etwa 600°C, durchzuführen.
Überdies kann das Impulsbrennverfahren, das das Brennverfahren mit gleichbleibendem Impuls aufweist, für ein Brennen eines keramischen Bienenwabenstrukturformkörpers in einem Niedrigtemperaturbereich effektiv angewendet werden, d. h. in einem Temperaturbereich, in welchem eine große Menge an Durchmischungsluft notwendig ist, da eine niedrige Temperaturanstiegsrate verwendet werden muß, oder einem Temperaturbereich, in welchem der Nachbrenner verwendet werden muß, da ein Bindemitteldampf erzeugt wird.
Fig. 3 zeigt eine schematische Ansicht eines Ausführungsbeispiels einer bekannten Brennvorrichtung, die vorzugsweise ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Brennen eines keramischen Formkörpers durchführt. Die in Fig. 3 gezeigte Brennvorrichtung ist eine für einen periodisch arbeitenden Brennofen. In dem in Fig. 3 gezeigten Ausführungsbeispiel hat eine Verbrennungsvorrichtung 1 ein Grundelement 2, Seitenwände 3, die an dem Grundelement 2 eingerichtet sind, und ein an den Seitenwänden 3 eingerichtetes Deckenelement 4, die einen geschlossenen Raum (mit einem nicht gezeigten Türelement) ausbilden, wobei einer der Vielzahl von Brennern 5 (in diesem Ausführungsbeispiel werden drei Brenner verwendet) in den Seitenwänden 3 eingerichtet ist, und eine Steuervorrichtung 6 zum Steuern einer Brennbedingung jeweiliger Brenner 5. Überdies wird ein Brennen in einer solchen Weise durchgeführt, daß die jeweiligen Brenner 5 unter einer Bedingung brennen, wonach die zu brennenden keramischen Formkörper 8 an einer feuerfesten Platte 7 eingerichtet sind.
Fig. 4 zeigt eine schematische Ansicht zur Erläuterung eines Verfahrens zum Brennen eines keramischen Formkörpers gemäß der Erfindung unter Anwendung der Verbrennungsvorrichtung aus Fig. 3. In dem in Fig. 4 gezeigten Ausführungsbeispiel wird Luft zur Verbrennung zu einem Brenner 5 geführt, und zwar durch eine Verbrennungsluftzufuhrleitung 11 und eine Durchmischungsluftzufuhrleitung 12. Überdies wird ein abwechselndes Wiederholen einer Brennleistung in dem Brenner 5 zwischen einem hohen Leistungszustand und einem niedrigem Leistungszustand durchgeführt, indem ein in einer Verbrennungsluftzufuhrleitung 11 eingerichtetes Ventil 13, ein in der Durchmischungsluftzufuhrleitung 12 eingerichtetes Ventil 14 und ein in einer Kraftstoffgaszufuhrleitung 15 eingerichtetes Ventil 16 mit Hilfe eines Steuermotors 17 synchron geschlossen oder geöffnet wird. Ferner wird eine Steuerung eines Luft-/Kraftstoffverhältnisses zwischen einer Luft zur Verbrennung und einem Kraftstoff durchgeführt, indem ein in der Durchmischungsluftzufuhrleitung 12 eingerichtetes Ventil 21 mit Hilfe eines Steuermotors 22 unter einer Bedingung gesteuert wird, wonach ein in der Verbrennungsluftzufuhrleitung 11 eingerichtetes Ventil 18 und ein in der Kraftstoffgaszufuhrleitung 15 eingerichtetes Ventil 19 mit Hilfe eines Steuermotors 20 derart gesteuert werden, daß eine konstante Menge an Luft mit einem Luft-/Kraftstoffverhältnis von etwa 1 von der Verbrennungsluftzufuhrleitung 11 zugeführt wird. Der Grund für eine Zuführung einer Luft zum Brennen durch zwei Leitungen, d. h. der Verbrennungsluftzufuhrleitung 11 und der Kraftstoffgaszufuhrleitung 12, liegt darin, ein unbeabsichtigtes Feuer zu verhindern.
Nachstehend wird ein tatsächliches Ausführungsbeispiel erläutert.
Beispiel
Keramische Strukturkörper, die als ein Hauptbestandteil Kordierit und hauptsächlich aus Methylzellulose bestehende Formungsmittel einschließen, wurden unter Anwendung einer Metallform extrudiert, um Bienenwabenformkörper vorzubereiten. Die somit vorbereiteten Bienenwabenformkörper wurden gebrannt, um gebrannte Körper mit Probennummern 1-5 gemäß der Erfindung und Probennummern 11-13 gemäß dem bekannten Verfahren zu erhalten. Beim Brennen der Proben Nr. 1-5 gemäß der Erfindung wurde unter Anwendung des erfindungsgemäßen Brennverfahrens mit gleichbleibendem Impuls ein Brennen von einer Raumtemperatur bis auf 400°C durchgeführt, wie in der folgenden Tabelle 1 gezeigt, wobei nach 400°C ein Brennen mit Hilfe des proportionalen Brennverfahrens durchgeführt wurde. Andererseits wurde beim Brennen der Probennummer 11-13 gemäß dem bekannten Verfahren ein Brennen von einer Raumtemperatur bis auf 400°C mit Hilfe des bekannten normalen Impulsbrennverfahrens durchgeführt, wie es in der folgenden Tabelle 1 gezeigt ist, wobei ein Brennen nach 400°C mit Hilfe des proportionalen Brennverfahrens durchgeführt wurde. In dem vorbeschriebenen Brennverfahren mit gleichbleibendem Impuls wurde das Tastverhältnis stets aufrechterhalten, wie in der folgenden Tabelle 1 gezeigt ist, während eine während eines hohen Verbrennungszustandes, d. h. eines hohen Leistungszustands, zuzuführende Wärmemenge variiert wurde. Andererseits wurde in dem bekannten normalen Impulsbrennverfahren eine während des hohen Verbrennungszustandes zuzuführende Wärmemenge stets aufrechterhalten, wie in der folgenden Tabelle gezeigt ist, während das Tastverhältnis variiert wurde. Überdies betrug in den vorbeschriebenen jeweiligen Brennverfahren eine während eines Niederverbrennungszustandes, d. h. eines niedrigen Leistungszustandes, zugeführte Wärmemenge 5000 kcal/Stunde pro jeweiligem Brenner.
Anschließend wurde eine von jeweiligen Brennern zugeführte Gasmenge als eine Gasmenge pro organischer Substanzen (Formungsmittel) von einem 1 kg in dem Bienenwabenformkörper bestimmt, um eine in jeweilige Proben zuzuführende Durchmischungsgasmenge zu vergleichen. Überdies wurde nach dem Brennen auch der Rißerzeugungsprozentsatz gemessen. Zum weiteren Vergleich wurde auch eine Temperaturverteilung in dem Brennofen, ein Reduktionsprozentanteil der Kraftstoffverbrauchsmenge und ein Reduktionsprozentanteil der Energieverbrauchsmenge gemessen. Die Temperaturverteilung in dem Brennofen wurde dadurch erhalten, daß eine Temperatur an einer Vielzahl von Positionen in dem Brennofen gemessen und eine Temperaturdifferenz zwischen der maximalen Temperatur und der minimalen Temperatur berechnet wurde. Der Reduktionsprozentanteil der kraftstoffverbrauchenden Menge wurde als ein Reduktionsprozentanteil bezüglich einer Kraftstoffverbrauchsmenge des Proportionalbrennverfahrens gemessen. In diesem Falle wurde die Kraftstoffverbrauchsmenge der jeweiligen Proben als eine Summe der in dem in der Verbrennungsvorrichtung vorgesehenen Hauptbrenner verbrauchten Kraftstoffmenge und einer Kraftstoffmenge gemessen, die in dem in der Gasleitung vorgesehenen Nachbrenner zum konstanten Halten einer Abgastemperatur verbraucht wird. Der Reduktionsprozentanteil der Energieverbrauchsmenge wurde als ein Reduktionsprozentanteil bezüglich einer Energieverbrauchsmenge des proportionalen Brennverfahrens gemessen. Die Ergebnisse wurden in Tabelle 1 gezeigt.
Aus den in Tabelle 1 gezeigten Ergebnissen ist verständlich, daß in den Beispielen der vorliegenden Erfindung im Vergleich mit den bekannten Beispielen der Rißbildungsprozentanteil gering ist und die Temperaturverteilung in dem Brennofen herausragend ist. Überdies ist verständlich, daß sowohl der Reduktionsprozentanteil der kraftstoffverbrauchenden Menge als auch der Reduktionsprozentanteil der energieverbrauchenden Menge gemäß den Beispielen der vorliegenden Erfindung im Vergleich mit den bekannten Beispielen gering sind, wobei diese allerdings im Vergleich mit dem proportionalen Brennverfahren ausreichend sind. Ferner ist verständlich, daß es unter den Beispielen der vorliegenden Erfindung bevorzugt ist, das Tastverhältnis über 10% und eine von dem Brenner pro organischer Substanzen von 1 kg in dem Bienenwabenformkörper zugeführte Gasmenge vor dem Brennen über 6 Nm3/Stunden zu gestalten, so daß eine Rißbildung nach dem Brennen reduziert wird. Um ferner eine Temperaturverteilung zu verbessern, ist es verständlich, daß es bevorzugt ist, eine Zeitdauer des Hochverbrennungszustands auf über 3 Sekunden zu setzen.
In dem in Fig. 4 gezeigten Ausführungsbeispiel sind jeweils die Verbrennungsluftzufuhrleitung und die Durchmischungsluftzufuhrleitung eingerichtet. Es ist jedoch möglich, das erfindungsgemäße Brennverfahren mit gleichbleibendem Impuls dadurch zu erreichen, daß eine große Menge an überschüssiger Luft lediglich durch die Verbrennungsluftzufuhrleitung geführt wird, ohne die Durchmischungsluftzufuhrleitung anzuwenden.
Wie aus den obigen Erläuterungen klar verständlich ist, wird erfindungsgemäß das bekannte Impulsbrennverfahren dahingehend verbessert, daß ein Öffnungswinkel des Brenners unter der Bedingung gesteuert wird, wonach das Tastverhältnis konstant gehalten wird. Daher ist es möglich, gegenüber dem bekannten Impulsbrennverfahren eine zuzuführende Gasmenge zu steigern, wodurch eine Konzentration des Bindemitteldampfes in solcher Weise gesteuert werden kann, daß diese nicht außerhalb einer unteren Explosionsgrenze liegt, an der ein Bindemitteldampf schlagartig verbrannt wird. Zusätzlich verbleibt in der vorliegenden Erfindung in dem Brennofen der Bindemitteldampf nicht in einer hohen Konzentration, da eine Atmosphäre in dem Brennofen bei hoher Geschwindigkeit und hoher Frequenz bewegt (gerührt) wird. Daher ist es möglich, eine Rißbildung in den gebrannten Körpern zu verhindern.
Es ist ein Verfahren zum Brennen eines keramischen Formkörpers offenbart, in welchem der keramische Formkörper dadurch gebrannt wird, daß eine Brennleistung in solcher Weise gesteuert wird, daß ein hoher Leistungszustand und ein niedriger Leistungszustand abwechselnd wiederholt werden, mit einem Schritt zum Steuern eines den hohen Leistungszustand festlegenden Öffnungswinkels eines Brenners, während ein Tastverhältnis, das ein Verhältnis zwischen dem hohen Leistungszustand und dem niedrigen Leistungszustand angibt, konstant aufrechterhalten wird.

Claims (5)

1. Verfahren zum Brennen eines keramischen Formkörpers, in welchem der keramische Formkörper dadurch gebrannt wird, daß eine Brennleistung in solcher Weise gesteuert wird, daß ein hoher Leistungszustand und ein niedriger Leistungszustand abwechselnd wiederholt werden, mit
einem Schritt zum Steuern eines den hohen Leistungszustand festlegenden Öffnungswinkels eines Brenners, während ein Tastverhältnis, das ein Verhältnis zwischen dem hohen Leistungszustand und dem niedrigen Leistungszustand angibt, konstant aufrechterhalten wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt zum Steuern eines Öffnungswinkels eines Brenners bei einer Temperatur durchgeführt wird, in der ein in dem keramischen Formkörper eingeschlossenes Bindemittel gebrannt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei eine von dem Brenner zugeführte Gasmenge pro kg organischer Substanzen indem keramischen Formkörper während des Brennens auf über 6 Nm3/Stunden gesteuert wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Temperatur, in der ein in dem keramischen Formkörper eingeschlossenes Bindemittel gebrannt wird, von einer Temperaturanstiegsstarttemperatur bis etwa 600°C geht.
5. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der keramische Formkörper ein keramischer Bienenwabenstrukturkörper ist.
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