DE19847780C1 - Verfahren zur thermischen Behandlung von Kalksandsteinen, Porenbetonsteinen oder ähnlichen Bauelementen - Google Patents

Abstract

Bei einem Verfahren zur thermischen Behandlung von Kalksandsteinen, Porenbetonsteinen oder ähnlichen Bauelementen in einer Wasserdampfumgebung werden die zu behandelnden Steine mit einer Anfangstemperatur T¶0¶ in eine druckdichte Behandlungskammer eingebracht, woraufhin in die geschlossene Behandlungskammer unter Druck stehender Wasserdampf eingeleitet wird. Hierdurch werden die Temperaturen der Steine und der Druck p in der Kammer erhöht. Nach Beendigung der Wasserdampfeinleitung wird ein geregelter Druckausgleich zur Atmosphäre herbeigeführt. Schließlich werden die gehärteten Steine aus der Behandlungskammer entnommen. Dabei werden die Werte für den Druck p in der Behandlungskammer fortlaufend erfaßt. DOLLAR A Um eine Rißbildung insbesondere bei großformatigen Steinen bzw. Bauelementen zu verhindern, wird vorgeschlagen, daß zumindest zeitweise der als erste Regelgröße dienende Druck p in der Behandlungskammer nur in dem Maße in der Aufheizphase durch entsprechende Wasserdampfeinleitung erhöht und/oder in der Abkühlphase durch Druckabsenkung abgesenkt wird, daß der Betrag des als zweite Regelgröße dienenden Temperaturgradienten DELTAT/DELTAt in der Behandlungskammer einen bestimmten Grenzwert nicht überschreitet, wobei die maximale Druckänderung durch eine Druck-Zeit-Funktion begrenzt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur thermischen Behandlung von Kalksandsteinen, Porenbeton­ steinen oder ähnlichen Bauelementen in einer Wasserdampfumgebung, wobei die zu behandelnden Steine mit einer Anfangstemperatur T₀ in eine druckdichte Behandlungskammer eingebracht werden, sodann in die geschlossene Behandlungskammer unter Druck stehender Wasserdampf eingeleitet wird, wodurch die Temperatur der Steine und der Druck p in der Kammer erhöht werden, nach Be­ endigung der Wasserdampfeinleitung ein geregelter Druckausgleich zur Atmosphäre herbeigeführt wird und schließlich die gehärteten Steine aus der Behandlungskammer entnommen werden, wobei die Werte für den Druck p in der Behandlungskammer fortlaufend erfaßt werden.

Ein derartiges Verfahren ist allgemein bekannt und beispielsweise auch in der DE 195 41 866 A1 beschrieben. Es wird zur Härtung von beispielsweise Kalksandsteinen oder Gasbetonsteinen oder -platten eingesetzt. Für den Härteprozeß werden die Rohlinge der zu behandelnden Steine auf Wagen gestapelt und in sogenannte Autoklaven gefahren, bei denen es sich um druckdicht verschließbare kesselförmige Behandlungskammern handelt.

Der für die Härtung in einer Wasserdampfumgebung erforderliche und von einem Dampferzeuger oder dem Abdampf anderer Autoklaven zur Verfügung gestellte Wasserdampf wurde in früherer Ver­ gangenheit durch von Hand betätigbare bzw. einstellbare Ventile in die Behandlungskammer einge­ lassen. Der Erfolg des Härteprozesses war bei einer solchen Vorgehensweise nicht unerheblich von der Erfahrung des Bedienpersonals abhängig.

Die Notwendigkeit zur Verminderung der Baukosten, insbesondere des Personalkostenanteils, hat bereits seit geraumer Zeit zu einer Entwicklung von zunehmend größeren Steinformaten bzw. platten­ förmigen Bauelementen geführt. Hierdurch wurden auch die Anforderungen zur thermischen Behand­ lung dieser Bauelemente in einer Wasserdampfumgebung vergrößert, so daß zunehmend halb- oder vollautomatische Steuerungen für die Härtungsanlagen zum Einsatz kamen.

Beim vollautomatischen Betrieb derartiger Anlagen wird der in der Behandlungskammer herrschende Druck mittels eines Druckaufnehmers erfaßt und der Volumenstrom des zugeführten Dampfes so geregelt, daß eine vorgegebene Druck-Zeit-Funktion eingehalten wird. Von der Einhaltung einer solchen Druck-Zeit-Funktion mit geringen Druckgradienten versprach man sich eine geringere Belastung der zu härtenden Steine, um auf diese Weise eine Rißbildung innerhalb der Steine zu verhindern.

Da jedoch auch eine vollelektronische Druckregelung die Entstehung von Ausschuß nicht hinreichend sicher verhindern konnte, wird bei einem ebenfalls allgemein bekannten Verfahren die in der Behandlungskammer nach dem Schließen der Kammertüren vorhandene Luftatmosphäre vor der Dampfeinleitung mit Hilfe von Vakuumpumpen entfernt. Der atmosphärische Stickstoff steht nämlich unter dem Verdacht, die während des Härteprozesses auftretenden chemischen Umsetzungen im Steinmaterial ungünstig zu beeinflussen. Alternativ zur Evakuierung der Atmosphäre aus der Behandlungskammer ist auch bereits versucht worden, die Atmosphäre durch Dampfeinleitung auszuspülen, wozu während einer Anfangsphase gleichzeitig zu den Dampfeinlaßventilen auch Auslaßventile geöffnet sind.

In diesem Zusammenhang ist auch ein Verfahren allgemein bekannt, um die Existenz von "Luftverunreinigungen" im Wasserdampf festzustellen. Hierzu wird der thermodynamische Zusammenhang zwischen Druck und Temperatur von Sattdampf, das heißt gesättigtem Wasserdampf ausgenutzt. Bei Sattdampf entspricht jedem Druck genau eine Temperatur. Sofern also in der Behandlungskammer eine Temperatur festgestellt wird, die im Hinblick auf den gleichzeitig gemessenen Druck unterhalb der bei Sattdampf zu erwartenden Temperatur liegt, so ist dies ein Anzeichen für das Vorhandensein von Restluft in der Behandlungskammer. Diese kann durch weitere Dampfzugabe bei gleichzeitigem Öffnen eines Auslaßventils entfernt werden. Wenn Temperatur und Druck ein auf der Sattdamptkurve liegendes Wertepaar bilden, ist davon auszugehen, daß keine "Verunreinigungen" durch Luft mehr vorliegen.

Das vorgenannte Verfahren ist nur dann erfolgreich anwendbar, wenn die Dampftemperatur hinrei­ chend genau gemessen werden kann, was mit den zur Zeit zur Verfügung stehenden Mitteln nicht wirtschaftlich sinnvoll möglich ist. Des weiteren versagt dieses Verfahren bei Temperaturen unter­ halb von 100°C, wie sie während der Anfahrphase, das heißt nach dem Einbringen der zu härtenden Steine in die Behandlungskammer, vorliegen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur thermischen Behandlung von Kalk­ sandsteinen, Porensteinen o. ä. in einer Wasserdampfumgebung vorzuschlagen, bei dem das Auftreten von Rissen oder ähnlichen Beschädigungen an den Steinen während des Härteprozesses zuverlässig vermieden werden kann.

Ausgehend von einem Härteverfahren der eingangs beschriebenen Art, wird diese Aufgabe erfin­ dungsgemäß dadurch gelöst, daß zumindest zeitweise der als erste Regelgröße dienende Druck p in der Behandlungskammer nur in dem Maße in der Aufheizphase durch entsprechende Wasserdampf­ einleitung erhöht wird, daß der Betrag des als zweite Regelgröße dienenden Temperaturgradienten ΔT/Δt in der Behandlungskammer einen bestimmten Grenzwert nicht überschreitet, wobei die maxi­ male Druckänderung durch eine Druck-Zeit-Funktion begrenzt wird.

Dem erfindungsgemäßen Verfahren liegt die Erkenntnis zugrunde, daß allein durch die Einhaltung einer bestimmten Druck-Zeit-Funktion, in der die Druckgradienten vergleichsweise klein gehalten werden, eine hinreichend sichere Vermeidung der Rißbildung nicht möglich ist. Vielmehr wird der gewünschte Erfolg der Ausschußvermeidung zuverlässig erst dann hinreichend erreicht, wenn der Temperaturverlauf innerhalb der Behandlungskammer ebenfalls überwacht und zu große Tempera­ turgradienten durch entsprechende Verminderung der Dampfzufuhr vermieden werden. Erst dadurch, daß die Regelung des Härteprozesses zumindest phasenweise sowohl von dem Parameter Temperatur als auch dem Parameter Druck abhängig gemacht wird, läßt sich eine eventuelle Beschädigung des zu härtenden Steinmaterials mit Sicherheit verhindern.

Dies liegt vor allem darin begründet, daß die Anfangsbedingungen des Härteverfahrens nicht hinreichend genau definiert sind. So ist die Schwankungsbreite der Ausgangstemperatur der Steine, die beim Beginn der Dampfeinleitung vorliegt, außerordentlich groß. Je nach Witterung, Lagerungsdauer vor dem Härteprozeß und dem Lagerort sind Schwankungen der Ausgangstemperatur von weit über 50°C möglich.

Ein rein druckgeregeltes Verfahren, das beispielsweise bei einer Ausgangstemperatur des Steinmaterials von 75°C bei einer festgelegten Druck-Zeit-Funktion - unbewußt - zu einem hinreichend kleinen Temperaturgradienten geführt hat und somit keinen Ausschuß auftreten ließ, führt unter Anwendung derselben Druck-Zeit-Funktion bei einer Ausgangstemeperatur von nur 25°C zu einem phasenweise viel zu raschen Temperaturanstieg in der Behandlungskammer, das heißt auch innerhalb der Steine, so daß eine Rißbildung die Folge ist.

Infolge des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei dem sowohl Druck als auch Temperatur als die die Wasserdampfeinleitung begrenzenden Parameter verwendet werden, kommt es insbesondere bei niedriger Ausgangstemperatur des Steinmaterials zu einer Verlangsamung des Temperaturanstiegs im Vergleich zu den bekannten rein druckgeregelten Verfahren, da die Druck-Zeit-Funktion nicht voll ausgeschöpft werden kann, um einen übermäßig schnellen Temperaturanstieg zu verhindern. Später wird der langsamere Druckanstieg jedoch wieder ausgeglichen, da zu diesen Phasen ein größerer Druckgradient möglich ist, ohne den Grenzwert des Temperaturgradienten zu überschreiten. Insgesamt können die Behandlungszeiten mit dem Verfahren nach der Erfindung sogar ganz erheblich verkürzt werden, so daß der Durchsatz durch bestehende Anlagen erhöht oder für einen vorgegebenen Durchsatz weniger bzw. kleinere Anlagen benötigt werden.

Besonders vorheilhaft ist es, wenn auch in der Abkühlphase zumindest zeitweise der als erste Regel­ größe dienende Druck p nur in dem Maß abgesenkt wird, daß der Betrag des als zweite Regelgröße dienenden Temperaturgradienten ΔT/Δt in der Behandlungskammer einen bestimmten Grenzwert nicht überschreitet, wobei die maximale Druckänderung durch eine Druck-Zeit-Funktion begrenzt wird.

Durch Anwendung einer solchen Regelstrategie läßt sich auch die Zeitdauer der Druckabsenkung verkürzen, ohne daß mit einer Rißbildung oder Produktverformung zu rechnen ist. Hierdurch kann die Produktivität des Verfahrens weiter gesteigert werden.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird alternativ auch durch ein Verfahren zur thermi­ schen Behandlung von Kalksandsteinen, Porenbetonsteinen und ähnlichen Bauelementen in einer Wasserdampfumgebung gelöst, wobei die zu behandelnden Steine mit einer Anfangstemperatur T₀ in eine druckdichte Behandlungskammer eingebracht werden, sodann in die geschlossene Behandlungs­ kammer unter Druck stehender Wasserdampf eingeleitet wird, wodurch die Temperatur der Steine und der Druck p in der Kammer erhöht werden, nach Beendigung der Wasserdampfeinleitung ein geregelter Druckausgleich zur Atmosphäre herbeigeführt wird und schließlich die gehärteten Steine aus der Behandlungskammer entnommen werden, wobei die Werte für den Druck p und die Tempera­ tur T in der Behandlungskammer fortlaufend erfaßt werden, und zumindest zeitweise die als erste Regelgröße dienende Temperatur T in der Behandlungskammer nur in dem Maße in der Aufheizphase durch entsprechende Wasserdampfeinleitung erhöht wird, daß der Betrag des als zweite Regelgröße dienenden Druckgradienten Δp/Δt einen bestimmten Grenzwert nicht überschreitet, wobei die maxi­ male Temperaturänderung durch eine Temperatur-Zeit-Funktion begrenzt wird.

Während bei dem weiter oben beschriebenen Verfahren der Druck in der Behandlungskammer als erste Regelgröße dient und als zweiter eventuell begrenzender Faktor der Temperaturgradient ΔT/Δt hinzutritt, sind die Verhältnisse bei dem vorstehend aufgeführten Verfahren genau umgekehrt.

Der Effekt ist jedoch bei beiden Verfahren derselbe, nämlich die Verhinderung eines zu schnellen Anstiegs sowohl der Temperatur als auch des Drucks in der Behandlungskammer. Nur auf diese Wei­ se kann während der Anfahrphase des Härtungsvorgangs, die sich bis zu einer Temperatur von ca. 100°C erstreckt, sowie in Fällen, in denen kein Sattdampf, das heißt keine bekannte Relation zwi­ schen Druck und Temperatur, vorliegt, eine Beschädigung der zu härtenden Steine verhindert werden.

Die Dauer der Abkühlphase kann verkürzt und eine Beschädigung der Steine auch in dieser Phase vermieden werden, wenn auch in der Abkühlphase zumindest zeitweise die als erste Regelgröße die­ nende Temperatur T nur in dem Maß abgesenkt wird, daß der Betrag des als zweite Regelgröße die­ nenden Druck Δp/Δt in der Behandlungskammer einen bestimmten Grenzwert nicht überschreitet, wobei die maximale Temperatur durch eine Temperatur-Zeit-Funktion begrenzt wird.

Je nach der Art der zu härtenden Steine sowie deren Größe und Ausgangstemperatur ist es von Vor­ teil, den in der Behandlungskammer herrschenden Überdruck p-p₀ in einer Anfangsphase der Dampfeinleitung solange auf einem sehr niedrigen technisch gerade noch realisierbaren Niveau zu halten, bis in der Behandlungskammer ein positiver Temperaturgradient festgestellt wird.

Insbesondere bei niedrigen Ausgangstemperaturen der zu behandelnden Steine ist nämlich in der An­ fangsphase trotz Dampfeinleitung zunächst eine Temperaturabsenkung festzustellen. Dies hat seine Ursache darin, daß infolge der durch die Dampfeinleitung ausgelösten Strömung innerhalb der Be­ handlungskammer ein verstärkter konvektiver Wärmeübergang von dem Dampf auf die Steine statt­ findet. Aufgrund der vergleichsweise niedrigen Temperatur der Steine ist der Wärmestrom von dem in der Kammer befindlichen Luft-Wasserdampf-Gemisch auf die Steine größer als der durch den Frischdampf eingeführte Wärmestrom. Die Temperatur der Steine sinkt somit geringfügig unter das Ausgangsniveau.

Trotz des in dieser Phase negativen Temperaturgradienten in der Behandlungskammer käme es bei zu rascher Druckerhöhung zu einem enormen Energieeintrag in die Steine, der den Temperaturgradien­ ten in den Steinen bis zu einem Wert ansteigen ließe, in dem mit Rißbildung zu rechnen ist.

Mit der Erfindung wurde erkannt, daß der zu große Wärmestrom in die Steine in der Anfangsphase der Wasserdampfeinleitung auch bei einer Überwachung des Temperaturgradienten - bei Zugrundele­ gung einer stetig steigenden Druck-Zeit-Funktion - nicht hinreichend begrenzt ist. Erst wenn der Dampfzustrom und somit der Energieeintrag so weit vermindert wird, daß es nahezu zu keinem fest­ stellbaren Druckanstieg kommt, wird der Temperaturgradient in den Steinen auf einem die Rißgefahr ausschließenden Niveau gehalten.

Sobald ein positiver Temperaturgradient in der Kammer feststellbar ist, ist ein Gleichgewichtszustand zwischen dem Energiestrom in die Kammer und dem Energiestrom in die zu behandelnden Steine erreicht. Von diesem Zeitpunkt an herrscht mit zunehmender Dampfeinleitung ein positiver Temperaturgradient, so daß der Wärmestrom in die Steine kleiner als der Wärmestrom in die Kammer ist. Ab diesem Zeitpunkt kann der Druck gemäß einer vorgegebenen Druck-Zeit-Funktion - unter gleichzeitiger Beschränkung durch einen maximalen Temperaturgradienten - erhöht werden, ohne daß mit übermäßigem Energieeintrag, das heißt unzulässigen Spannungen, in den Steinen gerechnet werden muß.

Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Grenzwerte des Temperaturgradienten ΔT/Δt und/oder des Druckgradienten Δp/Δt von der Zeit, dem jeweiligen Druck p und/oder der jeweiligen Temperatur T abhängig sind. Auf diese Weise ist je nach dem zu härtenden Material eine flexible Anpassung des Verfahrens sowie einer Optimierung der Behandlungsdauern zu erzielen.

Eine Weiterbildung des erfingungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß als Wert des Temperaturgradienten T' und/oder des Druckgradienten p' jeweils ein über ein Zeitintervall Δt zwischen 0,1 s und 10 min gemittelter Wert verwendet wird. Angesichts der insgesamt zwischen ca. 5 und ca. 40 Stunden betragenden Behandlungsdauern ist die Verwendung eines derartigen zeitlichen Mittelwerts ausreichend. Außerdem wird der Berechnungsaufwand in der Steuerung im Vergleich zu kürzeren Zeitintervallen reduziert.

Des weiteren ist es unter Umständen vorteilhaft, die Temperatur T an mehreren voneinander entfernten Orten innerhalb der Behandlungskammer zu messen und einen Mittelwert aus den erfaßten Werten zu bilden.

Je nach Größe der Behandlungskammern, die beispielsweise eine Länge von bis zu 50 m aufweisen können, sowie der Anordnung der Düsen für die Dampfeinleitung, kann die Meßgenauigkeit mit mehreren Temperaturaufnehmern erhöht werden.

Die Erfindung weiter ausgestaltend ist vorgesehen, daß die Temperatur T durch Messung der Temperatur an der Außenseite einer Wandung der Behandlungskammer ermittelt wird.

Eine derartige Vorgehensweise minimiert den apparativen Aufwand bei der Umrüstung bestehender Behandlungskammern, um darin das erfindungsgemäße Verfahren ausführen zu können. An den Außenseiten der Wandung der üblicherweise verwendeten Autoklaven sind in der Regel bereits Temperaturfühler vorhanden, mit denen eine ungleichmäßige Erwärmung des Autoklavenmantels festgestellt bzw. verhindert werden soll. Bei den sehr großen Längen der Autoklaven führen bereits vergleichsweise kleine Temperaturdifferenzen, wie sie beispielsweise durch örtlich auftretende Schwitzwasseransammlungen hervorgerufen werden können, zu nicht mehr tolerierbaren Verformungen des Autoklaven.

In Versuchen hat sich herausgestellt, daß die thermische Trägheit der Wandung, die zu einer zeitlich verschobenen Temperaturerhöhung der Außenseite des Mantels im Vergleich zum Innern der Kammer führt, angesichts der sehr großen Behandlungsdauern keinen spürbaren Einfluß hat.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand mehrerer Diagramme, die in der Zeichnung dargestellt sind, näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine Temperatur-Zeit-Kurve bei einem Verfahren nach dem Stand der Technik und einer Ausgangstemeperatur von 75°C;

Fig. 2 wie Fig. 1, jedoch mit einer Ausgangstemperatur von 25°C;

Fig. 3 wie Fig. 2, jedoch bei dem erfindungsgemäßen Verfahren;

Fig. 4 die drei Temperatur-Zeit-Kurven der Fig. 1 bis 3 in einem einzigen Diagramm;

Fig. 5 wie Fig. 1, jedoch bei anderem Steinmaterial und -format;

Fig. 6 wie Fig. 5, jedoch mit einer Ausgangstemperatur von 25°C;

Fig. 7 wie Fig. 6, jedoch bei dem erfindungsgemäßen Verfahren mit anfänglicher bloßer Temperierung und

Fig. 8 die drei Temperatur-Zeit-Kurven der Fig. 5 bis 7 in einem einzigen Diagramm.

Bei einem Verfahren nach dem Stand der Technik werden die zu härtenden Steine in einen Autoklaven eingebracht, in den mit Hilfe von Dampfventilen, einem Drucksensor und einer SPS- oder PC-Steuerung gerade soviel Wasserdampf eingeleitet wird, daß sich der Druck entlang einer vorgegebenen hier nicht näher gezeigten Druck-Zeit-Funktion erhöht.

Der in Fig. 1 gezeigte Verlauf der Temperatur über der Zeit ergibt sich, wenn unter Zugrundelegung der vorgenannten Druck-Zeit-Funktion die Anfangstemperatur in dem Autoklaven 75°C beträgt. Die Anfangstemperatur im Autoklaven wird im wesentlichen durch die Temperatur bestimmt, mit der die Steine in den Autoklaven gelangen. Diese Temperatur ist in erster Linie abhängig von den Lagerzeiten und -bedingungen der Steine vor dem Härteprozeß sowie eventuell der Art des dem Härten vorangegangenen Herstellungsschritts.

Wie sich der Fig. 1 entnehmen läßt, steigt die Temperatur-Zeit-Kurve zunächst über einen Zeitraum von ca. 40 Minuten vergleichsweise flach an, um dann in einen Bereich größerer Steigung (bis etwa 70 Minuten) überzugehen. Anschließend erfolgt wiederum ein flacherer Anstieg bis etwa 100 Minuten, woran sich ein nahezu konstanter Verlauf anschließt.

Auch im Bereich zwischen 40 und 60 Minuten liegt der Temperaturgradient nicht wesentlich über 2°C pro Minute.

In Fig. 2 ist die sich einstellende Temperatur-Zeit-Kurve gezeigt, die sich ergibt, wenn die Ausgangstemperatur beim Beginn der Dampfeinleitung 25°C beträgt. Wird hier - wie im Stand der Technik üblich - allein nach einer Druck-Zeit-Abhängigkeit geregelt, so ergibt sich zwischen einer Prozeßzeit von ca. 30 bis 50 Minuten ein sehr steiler Anstieg der Temperatur, dem sich bis ca. 90 Minuten wieder ein flacherer Verlauf anschließt. Nach ca. 90 Minuten sind keine wesentlichen Temperaturveränderungen mehr festzustellen.

Im vorgenannten Bereich zwischen ca. 30 und 50 Minuten kommt es zu einem maximalen Temperaturgradienten von ca. 4°C pro Minute. Hieraus resultieren infolge der vergleichsweise schlechten Wärmeleitfähigkeit der zu härtenden Steine große Spannungen, da insbesondere innerhalb größerer Steine hohe Temperaturdifferenzen zwischen inneren Zonen und Randzonen auftreten. Diese Spannungen führen fast unvermeidlich zur Rißbildung, so daß eine hohe Ausschußquote entsteht.

In Fig. 3 ist die Temperatur-Zeit-Kurve dargestellt, wie sie sich, beginnend bei der gleichen Ausgangstemperatur von 25°C, einstellt, wenn das erfindungsgemäße Verfahren angewendet wird. Hierbei wird zwar auch angestrebt, den Druck als primäre Regelgröße entlang derselben Druck-Zeit-Funktion zu erhöhen, die auch den Verläufen gemäß den Fig. 1 und 2 zugrundeliegt. Als begrenzender Faktor für den Druckanstieg wird jedoch der sich einstellende Temperaturgradient herangezogen, der durch eine fortlaufende Temperaturmessung und Auswertung bei der Regelung in der SPS-Steuerung mitverwendet wird.

Wie sich dem in Fig. 3 gezeigten Temperaturverlauf entnehmen läßt, ist die Steigung in einer Anfangsphase bis ca. 20 Minuten sehr gering und liegt unterhalb der maximal zugelassenen 2°C pro Minute. In dieser Anfangsphase ist die Druck-Zeit-Kurve die begrenzende Größe, die einen schnelleren Temperaturanstieg in dieser Phase nicht erlaubt.

Im weiteren Verlauf ab ca. 25 Minuten stellt der maximal zulässige Temperaturgradient von ca. 2°C pro Minute den begrenzenden Faktor dar, so daß die Temperaturerhöhung in dem nun folgenden Bereich bis ca. 95 Minuten mit konstantem Temperaturgradienten, das heißt linear, erfolgt.

Im Anschluß daran ist nur noch ein unbedeutender Temperaturanstieg bzw. nahezu eine Temperaturkonstanz festzustellen.

In Fig. 4 sind die Temperatur-Zeit-Kurven der Fig. 1 bis 3 in einem Diagramm zusammengefaßt. Aufgrund der hohen Ausgangstemperatur von 75°C bei Kurve 1 erfolgt der Temperaturanstieg auch bei alleiniger Druckregelung vergleichsweise flach. An einigen Stellen wird jedoch auch hier ein Wert des Temperaturgradienten von 2°C pro Minute überschritten.

Bei einer deutlich niedrigeren Ausgangstemperatur von 25°C verläuft die Kurve 2 zunächst vergleichsweise flach, um in einem mittleren Bereich jedoch mit einem zeitweise sehr großen Gradienten von ca. 4°C pro Minute in Kurve 2 überzugehen. Während dieser Phase ist die Gefahr einer Rißbildung in den Steinen besonders groß. Die alleinige Druckregelung nach dem Stand der Technik kann den sehr schnellen Temperaturanstieg in dieser Phase nicht verhindern, da z. B. ein Fahren entlang der Sattdampfkurve bei Temperaturen unterhalb von 100°C nicht möglich ist.

Die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erzielte Kurve 3 stimmt in einer Anfangsphase bis etwa 25 Minuten mit Kurve 2 überein (gleiche Ausgangstemperaturen). In dieser Phase ist die Druck-Zeit-Kurve der begrenzende Faktor, so daß eine relativ hierzu erforderliche Drosselung der Dampfzufuhr wegen möglicher Überschreitung des Temperaturgradienten nicht erforderlich ist. Eine derartige Drosselung ist erst etwa nach 25 Minuten notwendig, wobei die Druck-Zeit-Kurve ab diesem Zeitpunkt zugunsten eines verlangsamten Temperaturanstiegs nicht eingehalten werden kann. Eine Rückkehr zu der vorgegebenen Druck-Zeit-Kurve findet erst nach insgesamt ca. 90 Minuten Prozeßzeit wieder statt, da die Kurven 1 und 2, die sich bei strikter Einhaltung dieser Druck-Zeit-Abhängigkeit einstellen, zu diesem Zeitpunkt vergleichsweise flach verlaufen und zu derselben Temperatur von ca. 190°C führen, wie eine stetige Temperaturerhöhung mit konstantem Temperaturgradienten gemäß Kurve 3.

Fig. 5 zeigt den Temperaturverlauf wie er sich beispielsweise bei der Härtung von Porenbetonsteinen einstellt, wenn - wie im Stand der Technik üblich - ein rein druckgeregeltes Verfahren zur Anwendung kommt. Beginnend bei der Ausgangstemperatur in der Kammer von 75°C kommt es infolge der Dampfeinleitung zunächst zu einer leichten Temperaturabsenkung, da die Dampfeinleitung eine Konvektion innerhalb der Kammer bewirkt, die den Wärmeübergang auf die vergleichsweise kälteren Steine erhöht. Da im Rahmen des rein druckgeregelten Verfahrens vom Beginn der Härtebehandlung an ein stetiger Druckanstieg vorgesehen ist, ist die Einbringung großer Wasserdampfmengen erforderlich, um den durch Kondensation an den kalten Steinen eintretenden Druckverlust ständig auszugleichen. In dieser Anfangsphase der Behandlung ist daher der durch die Dampfeinleitung bestimmte Wärmestrom in die Kammer kleiner als der Wärmestrom in die Steine, so daß es zu dem dargestellten Rückgang der Temperatur innerhalb der Kammer kommt.

Der zum Nachfahren der vorgegebenen Druck-Zeit-Funktion erforderliche Dampfvolumenstrom und damit der Wärmestrom ist derart groß, daß der noch größere Wärmestrom in die Steine zu einem großen Temperaturgradienten innerhalb der Steine führt. In dieser Anfangsphase des Prozesses ist daher, insbesondere bei Porenbetonsteinen, das Auftreten von Spannungsrissen sehr wahrscheinlich.

Zu dem Zeitpunkt, in dem der Temperaturgradient null ist, das heißt zum Zeitpunkt der minimalen Kammertemperatur, herrscht ein Gleichgewicht zwischen dem mit dem Dampf in die Kammer eintretenden Energiestrom und dem an die Steine abgegebenen Energiestrom. Die Wärmekapazität der zunächst kalten Steine ist zu diesem Zeitpunkt insofern ausgeschöpft, als ab diesem Zeitpunkt mit weiterer Dampfeinleitung gemäß einer vorgegebenen Druck-Zeit- Kurve eine Temperaturerhöhung in der Kammer einhergeht, weil der Wärmestrom in die Steine kleiner als der in die Kammer ist.

Fig. 6 zeigt den analogen Verlauf, wenn die Anfangstemperatur in der Kammer 25°C beträgt und das Steinmaterial eine im Vergleich dazu geringere Temperatur besitzt.

Wie sich sehr anschaulich dieser Figur entnehmen läßt, laufen die Temperatur-Zeit-Kurven gemäß den Fig. 5 und 6 ab ca. 130 Minuten deckungsgleich. Ab diesem Zeitpunkt sind die voneinander abweichenden Anfangsbedingungen nicht mehr feststellbar.

Fig. 7 zeigt eine Temperatur-Zeit-Kurve, wie sie sich bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens einstellt, wenn der in der Behandlungskammer herrschende Überdruck in der Anfangsphase der Härtebehandlung durch entsprechend geringe Dampfeinleitung solange auf einem sehr niedrigen technisch gerade noch realisierbaren Niveau gehalten wird, bis in der Behandlungskammer ein positiver Temperaturgradient festgestellt wird. Auch bei dieser Verfahrensweise kommt es in der Anfangsphase zu einem leichten Temperaturabfall in der Kammer, da durch die Dampfeinleitung der konvektive Wärmeübergang von dem in der Kammer befindlichen Luft-Dampf-Gemisch in die Steine erhöht wird. Der Energieeintrag in die Kammer wird durch entsprechende Drosselung der Dampfzufuhr jedoch auf einem derart niedrigen Niveau gehalten, daß auch der Wärmestrom in die Steine ein Ausmaß, bei dem Rißgefahr besteht, nicht erreicht.

Als Regelgröße kommt in dieser Anfangsphase mangels eines aussagekräftigen positiven Temperaturgradienten bei dem in der Kammer befindlichen Gasgemisch lediglich der Druck in Frage, der jedoch nicht, wie im Stand der Technik, gemäß einer festen Zeitabhängigkeit erhöht wird, da dies infolge der sofortigen Dampfkondensation einen unkontrollierten Energieeintrag zur Folge hätte. Vielmehr wird der in der Kammer herrschende Druck auf einem technisch gerade noch realisierbaren Minimalniveau gehalten, das in Abhängigkeit von den verwendeten Dampfventilen, beispielsweise im Bereich von 0,01 bis 0,1 bar Überdruck liegt. Es findet in der An­ fangsphase des Prozesses somit lediglich eine Temperierung der Steine statt, ohne daß es zu einem spürbaren Druckanstieg in der Kammer kommen soll.

Sobald der in die Kammer eingebrachte Energiestrom zumindest genauso groß wie der an die Steine abgegebene Energiestrom ist (das heißt, sobald ein positiver Temperaturgradient vorliegt), wird auf das erfindungsgemäße Verfahren mit gleichzeitiger Druck- und Temperaturregelung umgeschaltet, so daß der Temperaturanstieg zwischen 60 und ca. 280 Minuten Prozeßzeit mit dem maximal zulässigen Temperaturgradienten erfolgt.

Aus der in Fig. 8 abgebildeten Zusammenschau der drei Temperaturgraphen aus den Fig. 5 bis 7 ergibt sich, daß bei dem Verfahren nach der Erfindung zu keinem Zeitpunkt der zur Vermeidung einer Rißbildung tolerierbare Temperaturgradient überschritten wird. Des weiteren wird eine Zerstörung der Steine aber auch in der Anfangsphase der Dampfeinleitung verhindert, in der trotz eines negativen Temperaturgradienten im Gasgemisch bei dem mit einer sofortigen Druckerhöhung einhergehenden Verfahren nach dem Stand der Technik ein sehr großer Energiestrom in die Steine auftritt.

Claims (9)

1. Verfahren zur thermischen Behandlung von Kalksandsteinen, Porenbetonsteinen oder ähnli­ chen Bauelementen in einer Wasserdampfumgebung, wobei die zu behandelnden Steine mit ei­ ner Anfangstemperatur T₀ in eine druckdichte Behandlungskammer eingebracht werden, so­ dann in die geschlossene Behandlungskammer unter Druck stehender Wasserdampf eingeleitet wird, wodurch die Temperatur der Steine und der Druck p in der Behandlungskammer erhöht werden, nach Beendigung der Wasserdampfeinleitung ein geregelter Druckausgleich zur Atmo­ sphäre herbeigeführt wird und schließlich die gehärteten Steine aus der Behandlungskammer entnommen werden, wobei die Werte für den Druck p in der Behandlungskammer fortlaufend erfaßt werden, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest zeitweise der als erste Regelgröße die­ nende Druck p in der Behandlungskammer nur in dem Maße in der Aufheizphase durch ent­ sprechende Wasserdampfeinleitung erhöht wird, daß der Betrag des als zweite Regelgröße die­ nenden Temperaturgradienten ΔT/Δt in der Behandlungskammer einen bestimmten Grenzwert nicht überschreitet, wobei die maximale Druckänderung durch eine Druck-Zeit-Funktion be­ grenzt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auch in der Abkühlphase zumindest zeitweise der als erste Regelgröße dienende Druck p nur in dem Maß abgesenkt wird, daß der Betrag des als zweite Regelgröße dienenden Temperaturgradienten ΔT/Δt in der Behandlungs­ kammer einen bestimmten Grenzwert nicht überschreitet, wobei die maximale Druckänderung durch eine Druck-Zeit-Funktion begrenzt wird.

3. Verfahren zur thermischen Behandlung von Kalksandsteinen, Porenbetonsteinen oder ähnli­ chen Bauelementen in einer Wasserdampfumgebung, wobei die zu behandelnden Steine mit ei­ ner Anfangstemperatur T₀ in eine druckdichte Behandlungskammer eingebracht werden, so­ dann in die geschlossene Behandlungskammer unter Druck stehender Wasserdampf eingeleitet wird, wodurch die Temperatur der Steine und der Druck p in der Behandlungskammer erhöht werden, nach Beendigung der Wasserdampfeinleitung ein geregelter Druckausgleich zur Atmo­ sphäre herbeigeführt wird und schließlich die gehärteten Steine aus der Behandlungskammer entnommen werden, wobei die Werte für den Druck p und die Temperatur T in der Behand­ lungskammer fortlaufend erfaßt werden und zumindest zeitweise die als erste Regelgröße dienende Temperatur T in der Behandlungskammer nur in dem Maße in der Auf­ heizphase durch entsprechende Wasserdampfeinleitung erhöht wird, daß der Betrag des als zweite Regelgröße dienenden Druckgradienten Δp/Δt einen bestimmten Grenzwert nicht über­ schreitet, wobei die maximale Temperaturänderung durch eine Druck-Zeit-Funktion begrenzt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß auch in der Abkühlphase zumindest zeitweise die als erste Regelgröße dienende Temperatur T nur in dem Maß abgesenkt wird, daß der Betrag des als zweite Regelgröße dienenden Druck Δp/Δt in der Behandlungskammer einen bestimmten Grenzwert nicht überschreitet, wobei die maximale Temperatur durch eine Tempe­ ratur-Zeit-Funktion begrenzt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der in der Behand­ lungskammer herrschende Überdruck p-p₀ in einer Anfangsphase der Härtebehandlung durch eine entsprechende Dampfeinleitung so lange auf einem sehr niedrigen, technisch gerade noch realisierbaren Niveau gehalten wird, bis in der Behandlungskammer ein positiver Temperatur­ gradient festgestellt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Grenzwerte des Temperaturgradienten ΔT/Δt und/oder des Druckgradienten Δp/Δt von der Zeit, dem jeweiligen Druck p und/oder der jeweiligen Temperatur T abhängig sind.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Wert des Tem­ peraturgradienten ΔT/Δt und/oder des Druckgradienten Δp/Δt jeweils ein über ein Zeitintervall Δt zwischen 0,1 s und 10 min gemittelter Wert verwendet wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur T an mehreren voneinander entfernten Orten innerhalb der Behandlungskammer gemessen und ein Mittelwert aus den erfaßten Werten gebildet wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur T durch Messung der Temperatur an der Außenseite einer Wandung der Behandlungskammer ermittelt wird.