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GEBIET DER NEUERUNG
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Die
Neuerung betrifft Ofenausstattungselemente, insbesondere Brennofenkassetten.
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STAND DER TECHNIK
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Bei
der Herstellung von vielen Keramikprodukten, wie zum Beispiel Dachziegeln,
wird üblicherweise eine Keramikbeschichtung (eine sogenannte „Engobe”)
auf die Oberfläche des Dachziegels aufgetragen. Die Engobe
hat als Hauptfunktion, dem Dachziegel eine gleichmäßige
optische Erscheinungsform zu geben, wobei auch ihre anpassbaren
Farben von Vorteil sind. Die Engobe wird normalerweise vor dem Brennen
durch Spritzbeschichtung auf die Oberfläche des Dachziegels
aufgetragen, wobei das Brennen bei Dachziegeln üblicherweise
bei Temperaturen von 950 bis 1250°C erfolgt.
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Beim
Brennvorgang werden die engobierten Dachziegel auf Brennofenkassetten
aufgelegt, die normalerweise aus einem Keramikmaterial, wie zum Beispiel
Cordierit, bestehen. Hochtemperatur-Reaktionen zwischen der Cordierit-Kassette
und der Engobe des Dachziegels führen relativ häufig
zu Haftproblemen, was vor allem beim Ausladen der Dachziegel nach
dem Brennen problematisch ist, da sie zum Zerbrechen von sowohl
Dachziegel als auch Cordierit-Kassette führen können.
Dachziegel können zwar repariert werden, die Cordierit-Kassetten
aber nicht. Nach einer bestimmten Anzahl von Brennvorgängen weisen
die Auflagepunkte der Kassette Oberflächendefekte auf und
folglich kann die eigentliche Funktion der Auflagepunkte nicht mehr
ausreichend gewährleistet werden. Die Kassetten müssen
dann entsorgt werden, mit offensichtlichen wirtschaftlichen Nachteilen.
Daher kann das oben beschriebene Haftproblem zu einer beträchtlichen
Verringerung der Betriebsdauer der Kassette führen.
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Für
die Lösung dieses Problems sind gemäß Stand
der Technik bereits mehrere Lösungsvorschläge
unterbreitet worden. Die einfachste Lösung besteht im Bereitstellen
eines Hochtemperatur-Stahldrahts zwischen dem Dachziegel und der
Kassettenoberfläche. Dadurch wird die Haftwirkung nicht verringert,
aber die Betriebsdauer der Kassette wird dadurch erhöht,
dass ein direkter Kontakt zwischen der Kassette und der Engobe-beschichteten
Oberfläche des Ziegels verhindert wird. Diese Lösung
hat verschiedene Nachteile, so wie die kurze Lebenszeit des Drahts
und seine umständliche Fixierung.
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Eine
weitere aus dem Stand der Technik bekannte Lösung besteht
im Einsatz eines keramischen Basiselements, normalerweise mit einer
Anzahl Öffnungen in seinem mittigen Bereich, das zwischen
der Kassette und dem Dachziegel angeordnet wird. Dieses Basiselement
kann aus dem selben Material bestehen wie die Kassette, oder aus
einem nicht-haftenden Werkstoff, wie SiSiC (Silicium-infiltriertes SiC),
welches eine gute Beständigkeit gegen Abrieb, chemische
Belastung, Oxidation und Temperaturschocks hat. Werkstoffe wie SiSiC-Keramiken
sind besonders bevorzugt, weil sie keine offene Porosität haben
und die Engobe keine eingreifende Oberfläche hat und keine
starke Haftung an seine Oberfläche. Trotzdem stellt die
Verwendung von SiSiC-Basiselementen verschiedene Probleme, die durch
die genaue Fixierung solcher Elemente auf der Kassette und das zusätzliche
Gewicht als erhöhte Belastung für die Kassette
bedingt sind. Die Basiselemente können mit Hilfe von Hochtemperatur-Stahldraht
oder Keramikschrauben an die Kassetten fixiert werden.
1a und
1b zeigen
die Fixierung von keramischen Basiselementen an eine oder beide
Seiten einer Brennofenkassette, wobei je nach dem nur eine oder
beide Seiten der Kassette für das Brennen genutzt werden
können. Basiselemente können an der Kassette mit
Keramikschrauben fixiert werden, wie in
1b gezeigt
und in der
WO 2007/132276 beschrieben.
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Aus
diesen Gründen besteht Bedarf an einem verbesserten Ofenausstattungssystem,
das die Nachteile des Stands der Technik aufgreift und das die Probleme
löst, die mit dem Haften zwischen den engobierten Dachziegeln
und der Kassette auftreten, so dass eine längere Betriebsdauer
der Kassetten ermöglicht wird.
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KURZBESCHREIBUNG DER NEUERUNG
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Die
vorliegende Neuerung betrifft ein feuerfestes Ofenausstattungselement,
bevorzugt eine Brennofenkassette, umfassend einen oder mehrere keramische
Einsätze, wobei die Einsätze integral in mindestens
eine Oberfläche des Elements eingebaut sind. Die keramischen
Einsätze können in der oberen Oberfläche
und/oder der unteren Oberfläche des Elements integral eingebaut
sein, und dadurch eine haftabweisende und/oder eine abriebfeste
Wirkung entfalten. Der keramische Einsatz kann einen oder mehrere
Anker oder Aussparungen an einer Seite des Einsatzes aufweisen,
um sein Eingreifen und seinen Einbau in dem Ofenausstattungselement
zu erleichtern; der keramische Einsatz kann zudem eine oder mehrere
Antihaftrippen an einer Seite des Einsatzes aufweisen.
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Die
keramischen Einsätze werden während seiner Herstellung
in das Ofenausstattungselement eingearbeitet, und werden so integral
darin eingebaut. Das Ofenausstattungselement gemäß der
Neuerung vermeidet den Bedarf einer mechanischen Fixierung, eines
Einpressens oder Festklebens der Antihaft-Basiselemente gemäß den
Lösungen aus dem Stand der Technik, und ermöglicht
gleichzeitig effektive Antihaft- und Antiabriebwirkungen, was zu
einer längeren Betriebsdauer des Ofenausstattungselements
führt. Weil es keine Einschränkungen wie bei der
herkömmlichen Fixierung gibt, können zudem die keramischen
Einsätze auf verschiedenen Teilbereichen der Ofenausstattungsoberfläche
angeordnet werden, wie es durch die Ladung der zu brennenden Gegenstände
oder durch die Charge der Ofenausstattung erforderlich ist.
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KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
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Es
zeigt:
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1a bis 1b perspektivische
Ansichten von keramischen Basiselementen gemäß dem Stand
der Technik, welche mechanisch an eine oder mehrere Oberflächen
einer Brennofenkassette fixiert werden können, z. B. durch
mechanische Schraubenfixierung;
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2a eine
perspektivische Ansicht einer Brennofenkassette gemäß der
Neuerung mit keramischen Einsätzen, die integral in der
oberen Oberfläche der Kassette eingebaut sind;
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2b eine
perspektivische Ansicht einer Brennofenkassette vor dem Einbau der
keramischen Einsätze;
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3a bis 3d perspektivische
Ansichten von oben und unten eines gerippten keramischen Einsatzes
einer Brennofenkassette gemäß der Neuerung;
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4a bis 4d perspektivische
Ansichten von oben und unten eines gerippten keramischen Einsatzes
einer Brennofenkassette gemäß der Neuerung;
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5a bis 5b perspektivische
Ansichten einer Brennofenkassette vor integralem Einbau von keramischen
Einsätzen an die Basisfläche der Kassettenfüße;
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6a bis 6b perspektivische
Ansichten von oben und unten eines keramischen Einsatzes, ausgelegt
um integral in die Basisfläche der Füße
der Kassette eingebaut zu werden;
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7a bis 7d perspektivische
Ansichten von oben und unten eines keramischen Einsatzes, ausgelegt
um integral in die Basisfläche der Füße
der Kassette eingebaut zu werden.
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EINGEHENDE BESCHREIBUNG DER NEUERUNG
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Beim
Ofenausstattungselement gemäß der Neuerung sind
die keramischen Einsätze integral in mindestens eine Oberfläche
der Kassette eingebaut. Geeignete Ofenausstattungselemente können
ausgewählt sein aus der Gruppe umfassend Kassetten (so
wie Kassetten mit H- oder U-Profil), Fasermatten, Platten, Brennkapseln,
Balken, Rohre, Verbindungselemente und andere zweckmäßige
Aufsätze.
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Die
Ofenausstattungselemente können genutzt werden zum Auflegen
von Gegenständen zum Brennen oder zur thermischen Behandlung
in einem Ofen, wie z. B. von Dachziegeln, Ziegeln, Sanitärkeramiken,
Tischgeschirr, keramischen Isolatoren, keramischen Elektronikkomponenten,
technischer Keramik und Metallteilen. Das Brennen kann in Brennöfen
bei Temperaturen erfolgen, die in der Regel zwischen 950 und 1400°C
liegen; bei technischer Keramik kann die Temperatur bis zu 1750°C
betragen.
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Gemäß einer
Ausführungsform der Neuerung ist das Ofenausstattungselement
eine zum Auflegen von engobierten Dachziegeln geeignete Kassette.
Die Kassette umfasst vorzugsweise eine Anzahl Öffnungen,
die von einer oberen zu einer unteren Oberfläche durch
die Kassette reichen; vorzugsweise befinden sich die Öffnungen
in einem mittleren Abschnitt der Kassette.
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Das
Ofenausstattungselement gemäß der Neuerung ermöglicht
die Verwendung von keramischen Einsätzen von unterschiedlichen
Größen und Formen und diese haben bevorzugt eine
kleine Ausdehnung, um die Auswirkung auf das Gesamtgewicht des Elements
zu minimieren. Zudem können die Einsätze unterschiedliche
Positionen auf Oberflächen des Ofenausstattungselements
belegen, für ein ideales Auflegen des zu brennenden Gegenstands
und für die Maximierung der Abriebbeständigkeit.
Die keramischen sind vorzugsweise Einsätze integral in
die obere und/oder die untere Oberfläche des Elements eingebaut.
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Gemäß einer
Ausführungsform der Neuerung sind die keramischen Einsätze
in die obere Oberfläche des Ofenausstattungselements eingebaut,
und zwar auf Abschnitte der oberen Oberfläche des Elements,
welche während des Brennens in Berührung mit dem
aufgelegten zu brennenden Element sind. Wie in 2a gezeigt,
umfasst die Kassette 1 integrale keramische Einsätze 2,
die integral entlang einem Randabschnitt in der Oberseite der Kassette 1 eingebaut
sind. Vorzugsweise umfasst die Kassette 1 eine Anzahl Öffnungen 3,
die sich von einer oberen zu einer unteren Oberfläche durch
die Kassette erstrecken, weiter vorzugsweise in einem mittleren
Abschnitt der Kassette.
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3a und 3b zeigen
eine Ausführungsform des keramischen Einsatzes 2,
umfassend Antihaftrippen 6 an der Oberseite des Einsatzes
und einen Anker 4 an der Unterseite des Einsatzes, die das
Eingreifen und den Einbau des Einsatzes in die Kassette ermöglichen,
wie von den 2a–b illustriert. Der
Anker 4 weist eine Rippe 5 auf, welche bevorzugt
dünner ist als die gegenüber liegenden Antihaftrippen 6.
Die äußere Form der keramischen Einsätze
kann je nach Material der Einsätze variieren, oder je nach
Material, Größe und Form des Ofenausstattungselements,
und je nach den Anforderungen der spezifischen Form des zu brennenden
Gegenstands. Die Ausdehnung der keramischen Einsätze ist
gegenüber der Kassette vorzugsweise gering, so dass eine
hohe thermische Beanspruchung verhindert wird, und zwar wegen der
unterschiedlichen Wärmeausdehnung der keramischen Einsätze
und der Kassette beim Brennen, und dies bei gleichzeitiger hoher
mechanischer Stabilität. Die Form der Antihaftrippen 6 und
der eingreifenden Anker 4 muss der Gussform, der Kassette
und dem zu brennenden Gegenstand angepasst sein. Die Antihaftrippen 6 müssen
eine geeignete chemische Beständigkeit gegenüber
dem Engobematerial haben und die Berührungsoberfläche
der Antihaftrippen 6 ist vorzugsweise klein, wodurch die
Bedürfnisse für mechanische Stabilität
und Dauerhaftigkeit der Kassette gegeneinander abgewogen werden.
Die Größe des Ankers 4 muss so angepasst
sein, dass nach einer Anzahl Brennvorgängen bei hoher Temperatur
eine dauerhafte Befestigung in der Kassette 1 sichergestellt wird.
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Die 3c–3d und 4a–4d zeigen
weitere Ausführungsformen der keramischen Einsätze 2,
umfassend Antihaftrippen 6 und Ankerrippen 5 in
möglichen Größen und Formen.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform des feuerfesten Ofenausstattungselements
gemäß der Neuerung sind die keramischen Einsätze
an der unteren Oberfläche des Ofenausstattungselements
angeordnet, so dass eine verbesserte Abriebbeständigkeit
ermöglicht wird. Tatsächlich sind die Kassetten im
Allgemeinen in mehreren Schichten aufeinander gestapelt und auf
einem Ofenwagendeck angeordnet. Dadurch, dass unterschiedliche Werkstoffe
für das Ofnewagendeck und die Kassette angewandt werden
können, kann es durch Ausdehnungsunterschiede solcher Werkstoffe
zu einem Verrutschen zwischen dem Ofenwagendeck und der Kassette kommen.
Dieses Verrutschen führt zu Abrieb und Absplittern an den
Fußkanten der Kassette, dem sogenannten „chipping-effect”.
Wie in den 5a und 5b gezeigt,
sind die Keramikeinsätze 2 vorzugsweise integral
in die Basisoberfläche der Füße 7 der Kassette 1 eingebaut,
so dass die Berührungspunkte der Kassette mit dem Ofenwagendeck
verbesserte Abriebbeständigkeit und mechanische Eigenschaften
aufweisen, wodurch der Abrieb minimiert wird und zu einer verlängerten
Lebensdauer des gesamten Ofenausstattungssystems führt.
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Die äußere
Form der keramischen Einsätze kann je nach dem Material
der Einsätze, oder je nach Material, Größe
und Form des Ofenausstattungselements, und je nach den mechanischen
Anforderungen variieren. 6a und 6b zeigen
eine Ausführungsform des keramischen Einsatzes 2,
umfassend Ankerrippen 5, welche es ermöglichen,
dass die Einsätze ineinander greifen und sie in die Kassette eingebaut
werden können. 7c–7d zeigen weitere
Ausführungsformen der keramischen Einsätze 2,
umfassend Ankerrippen 5 in verschiedenen Anzahlen, Größen
und Formen, oder umfassend Aussparungen 8 für
das Ermöglichen des Ineinandergreifens und Eingliederns
des Einsatzes in die Kassette.
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Die
keramischen Einsätze können zudem einen oder mehrere
Werkstoffe umfassen, ausgewählt aus der Gruppe bestehend
aus:
- – Siliciumcarbid(SiC)-basierende
Werkstoffe, so wie:
– Silicium-infiltriertes SiC (SiSiC),
Siliciumnitrid-gebundenes SiC (NSiC), rekristallisiertes SiC (RSiC),
gesintertes SiC (SSiC), flüssigphasengesintertes SiC (LPSiC)
und
– Silicat-, Aluminiumoxidsilicat- und Mullit-gebundenes
SiC, Oxid-gebundenes SiC (OSiC);
- – Aluminiumoxid-(Al2O3) und Mullit-basierende Werkstoffe, so wie
hohe Aluminiumoxide, Mullite, Alluminiumoxid-Mullite und Aluminiumoxidsilicate;
- – Mullit-Cordierit-basierende Werkstoffe;
- – Zirconiumdioxid(ZrO2)-basierende
Werkstoffe, so wie teil- oder vollstabilisiertes ZrO2,
ZrO2-Mullit, Zirconsilicat (ZrSiO4) und Aluminiumoxid-ZrO2; und
- – Si3N4-basierende
Werkstoffe, so wie gesintertes Si3N4 (SSN), reaktionsgebundenes Si3N4 (RBSN) und postgesintertes reaktionsgebundenes
Si3N4 (SRBSN).
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Die
vorgenannten Werkstoffe haben vorzugsweise eine sehr niedrige oder
fast fehlende Porosität, hohe Abriebbeständigkeit
und hohe chemische Beständigkeit bei hohen Temperaturen.
Diese Bedingungen ermöglichen niedrige Haftung und niedrigen
Abrieb bei Berührung mit der Engobe des Ziegels und/oder
des Ofenwagendecks auf welches die Ofenausstattungselemente aufgesetzt
werden.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform umfassen die keramischen Einsätze
SiSiC, welches den zusätzlichen Vorteil hat, dass es bei
den hohen Temperaturen von 1380°C, die bei Ofenbetrieb
erreicht werden, sehr stabil ist und ausgezeichnete Beständigkeit
gegen thermischen Schock aufweist. Dabei hat das Si SiC besonders
hohe mechanische Festigkeit, Abriebbeständigkeit, Bruchfestigkeit
und Beständigkeit gegen Oxidation und Kriechdehnung.
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Das
Ofenausstattungselement kann aus mehreren verschiedenen Werkstoffarten
hergestellt werden, je nach der Betriebstemperatur, den Brennbedingungen
und den zu brennenden Gegenständen; geeignete Werkstoffe
können ausgewählt werden aus der folgenden Gruppe:
- – Cordierit-haltige Werkstoffe, so
wie Cordierit und Cordierit-Mullit-Verbundstoffe;
- – Siliciumcarbid(SiC)-basierende Werkstoffe, so wie
– Silicium-infiltriertes
SiC (SiSiC), Siliciumnitrid-gebundenes SiC (NSiC), rekristallisiertes
SiC (RSiC), gesintertes SiC (SSiC), flüssigphasengesintertes
SiC (LPSiC), und
– Silicat-, Aluminiumoxidsilicat-
und Mullit-gebundenes SiC, Oxid-gebundenes SiC (OsiC)
- – Aluminiumoxid-(Al2O3) und Mullit-basierende Werkstoffe, so wie
hohe Aluminiumoxide, Mullite, Alluminiumoxid-Mullite und Aluminiumoxidsilicate;
- – Zirconiumdioxid(ZrO2)-basierende
Werkstoffe, so wie teil- oder vollstabilisiertes ZrO2,
ZrO2-Mullit, Zirconsilicat (ZrSiO4) und Aluminiumoxid-ZrO2;
- – Si3N4-basierende
Werkstoffe, so wie gesintertes Si3N4 (SSN), reaktionsgebundenes Si3N4 (RBSN) und postgesintertes reaktionsgebundenes
Si3N4 (SRBSN);
sowie
Mischungen davon. Diese Werkstoffe können als poröse
und/oder dichte Keramiken eingesetzt werden.
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Das
Ofenausstattungselement, so wie die Kassette, umfasst vorzugsweise
einen Cordierit-basierenden Werkstoff, und weiter bevorzugt ein
Cordierit-Mullit, welches hervorragende Beständigkeit gegen
thermischen Schock und hohe thermische Beständigkeit aufweist,
wie sie üblicherweise bei zyklischen Hochtemperaturanwendungen
erforderlich sind.
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Die
keramischen Einsätze werden bei der Herstellung in das
Ofenausstattungselement eingearbeitet. Das Ofenausstattungselement
gemäß der vorliegenden Neuerung, z. B. eine Kassette,
kann durch dem Fachmann bekannte Verfahren hergestellt werden, vorzugsweise
durch keramischen Schlickerguss. Das Element kann erhalten werden durch
Anordnen eines oder mehrerer keramischer Einsätze in eine
Schlickergussform, Gießen eines keramischen Schlickers
in die Form, so dass mindestens ein Teil von jedem der keramischen
Einsätze umschlossen wird, zur Bildung eines Rohlings,
der die keramischen Einsätze enthält, und Sintern
der so gebildeten Rohlinge, so dass das Element gebildet wird. Vor
dem Sintern wird der entformte Rohling vorzugsweise getrocknet.
Während des Sinterns schrumpft das keramische Material
auf die keramischen Einsätze, so dass die keramischen Einsätze eng
fixiert werden. Die keramischen Elemente, die in die Schlickergussform
eingesetzt werden, sind vorzugsweise vorgefertigt und vorgebrannt.
Wie in 2b gezeigt, werden beim Gießen
vorgefertigte und vorgebrannte keramische Einsätze 2 in
vorbestimmten Positionen in die Gussform der Kassette 1 eingesetzt.
Wie in den 3a und 3b angegeben,
umfasst der keramische Einsatz 2 bevorzugt einen Anker 4 mit
einer Rippe 5 an der Unterseite des Einsatzes 2,
die das Gießen und Eingreifen in die Kassette vereinfacht.
Während des Schlickergussverfahrens wird der Anker durch
den Schlicker umschlossen und so in die Kassette eingebettet, so
dass eine stabilere Fixierung der Einsätze in das Basismaterial
der Kassette sichergestellt wird; d. h. die Einsätze sind
fest eingearbeitet und integral in die Kassette eingebaut. Nach
dem Ausformschritt (Schlickergießen) durchläuft
die Kassette ein Hochtemperatur-Sinterverfahren, was zu einem Schrumpfen
des Basismaterials auf die Kassette, nicht aber auf die vorgebrannten
Keramik-Einsätze, führt. Infolgedessen schrumpft
das Basismaterial der Kassette auf die keramischen Einsätze,
wodurch die gewünschte feste Fixierung und der integrale
Einbau geboten wird.
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Die
obige Beschreibung betrifft bestimmte Ausbildungsformen der vorliegenden
Neuerung für illustrative Zwecke. Es ist allerdings für
den Fachmann ohne weiteres erkennbar, dass viele Änderungen
und Abwandlungen der hier beschriebenen Ausbildungsformen möglich
sind. Alle solche Änderungen und Abwandlungen sollen in
den Schutzbereich der Neuerung fallen, so wie in den Schutzansprüchen
definiert.
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- 1
- Ofenausstattungselement
- 2
- Einsatz
- 3
- Öffnungen
- 4
- Anker
- 5
- Ankerrippen
- 6
- Antihaftrippen
- 7
- Füße
- 8
- Aussparung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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