DE2124146C2

DE2124146C2 - Verfahren zur Herstellung von Elementen aus anorganischen Schaumstoffen

Info

Publication number: DE2124146C2
Application number: DE19712124146
Authority: DE
Inventors: Aksel Jebens; Einar Hosle Kjelland-Fosterud
Original assignee: Sentralinstitutt for Industriell Forskning
Current assignee: Sentralinstitutt for Industriell Forskning
Priority date: 1970-05-15
Filing date: 1971-05-14
Publication date: 1981-12-10
Also published as: CH526480A; FR2091670A5; DE2124146A1; BE767233A; SE374092B; NL7106658A; ES391024A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung ^, von Werkstücken aus anorganischem viskosem Schaummaterial der im Oberbegriff des Anspruches 1 angegebenen Art.

Insbesondere handelt es sich um ein Verfahren zur Verhinderung von Rißbildungen in solchen Stoffen, wenn Rohstoffe wie ein Ton enthaltendes Material, Glaspulver oder Teile davon, Schlacke, Flotationsabfälle und ähnliches expandierbares Material verwendet werden. Derartige Stoffe sind besonders verwendbar als Bauelemente und Isolationsmaterial. Sie werden durch ü Einfüllen von z. B. Kügelchen, Granulaten oder Pulver in eine Form auf einer Transportvorrichtung oder in eine auf einer Fördervorrichtung bewegte Form hergestellt. Die Kügelchen können ursprünglich oder nach Zumischung ein Treibmittel enthalten, das m> entweder für sich oder durch Umsetzung mit dem Material Gas beim Schmelzen des Materials frei macht, wobei ein sehr viskoser Schaum gebildet wird, der durch Abkühlung fest wird.

Es sind zwei verschiedene Methoden zur Herstellung derartiger Schaumstoffe bekannt, von denen die eine die Füllung in die Form und danach eine Erhitzung bis zur Expansion betrifft (US-Patentschrift 18 45 350 und 18 58 499), das andere Verfahren eine allmähliche Einlagerung von Kugelschichten in der Form unter kontinuierlicher Erhitzung (US-Patentschrift 1877 137 und 18 82 082). Die vorliegende Erfindung ist in Verbindung mit beiden Methoden anwendbar.

Ein besonders geeigneter Schaumstoff der Art, wie er durch diese Verfahren hergestellt werden kann, ist geschäumter Ton. Im folgenden wird die Erfindung an diesem Material näher beschrieben, selbstverständlich ist jedes anorganische Material geeignet, das ähnlich wie Ton zusammengeschmolzen und aufgebläht werden kann.

Jedoch sind derartige Stoffe bisher nicht verwendet, offenbar weil es nicht möglich war, Elemente ohne Rißbildung während einer ökonomisch vertretbaren Kühlperiode herzustellen (DE-PS 9 11 475). Wie festgestellt werden konnte, sind derartige Elemente selbst nach einer sehr langsamen Abkühlung gerissen, d. h. die in der DE-PS erwähnte »langsame Abkühlung« erfordert unwirtschaftlich lange Behandlungszeiten.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, das eine relativ kurze Abkühlzeit ermöglicht ohne daß im Inneren des Materials Risse auftreten.

Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 genannten Verfahrensmerkmale gelöst

Wie gesagt ist es notwendig, daß das Material getempert wird und die Abkühlung sehr langsam erfolgt, am Rißbildung in den Blocks durch Wärmeausdehnung zu vermeiden, sei es daß der Block ein einfacher Baustein, eine lange Platte oder ein Streifen (string) aus geschäumtem Ton ist. der aus dem Ofen entnommen wird, oder Teile verwendbarer Größe, die aus diesen Platten oder Streifen geschnitten sind, oder kleine Teile, die durch Zerschneiden oder Teilen der Einheiten erhalten werden. Das Zerschneiden erfolgt vorzugsweise nach dem langsamen Abkühlen des Schaummaterials auf Handtcmpertar oder bei relativ hoher Temperatur, wenn das Material mehr oder weniger plastisch ist, vergl. US-Patentschrift 20 52 324.

Wenn ein Block aus geschäumtem Ton während der Verfestigung beträchtlich abgekühlt wird, ist es beim Wärmetransport aus dem inneren Teil des Blocks zur Oberfläche desselben erforderlich, daß die Temperatur relativ schnell zur Oberfläche abnimmt Der Kühlvorgang kann mathematisch für den folgenden Idealfall und allgemein beschrieben werden. Eine Platte von unbestimmter Länge und Breite und von gleichmäßiger Dicke wird so gekühlt, daß die Temperatur auf jeder Seite der Platte gleich ist und um den gleichen Betrag abnimmt. Wenn der Wärmeausdehnungskoeffizient und der Koeffizient der Wärmeleitung nicht von der Temperatur abhängen und konstant durch die Dicke L des Blocks sind, ist der Querschnitt durch die Dicke des Blocks parabolisch. Dies kann nach der Formel

d²T dx²

= ρ

d7"

berechnet werden, wobei die X-Achse senkrecht zur Plattenebene ist und die Γ-Achse in dieser Ebene liegend angenommen ist. Bei konstanten Werten von λ = Koeffizient der Wärmeleitfähigkeit, ρ = Dichte und c=spez. Wärme und d/77df= Kühlrate in Graden pro Zeiteinheit ergibt sich die Gleichung:

Im praktischen FaJl, wenn der Block eine begrenzte Breite und Länge hat, beeinflussen die Oberflächen der vier Kanten das Temperaturprofi! so, daß es an allen 6 Oberflächen steiler als das parabolische Profil wird.

Beim geschäumten Ton steigt der Wärme-Koeffizient mit dem Temperaturanstieg entsprechend dem Wärmetransport durch Ausstrahlung in den Zellen. Dies führt auch zu einem flacheren Teniperaturprofil im mittleren Teil des Blocks und einem steileren an den Oberflächen im Vergleich zu dem parabolischen Profil, insbesondere bei höheren Temperaturen.

Wenn ein Block aus viskosem Material wie geschäumtem Ton über einen Temperaturabschnitt abgekühlt wird, bei dem die Viskosität unbegrenzt steigt, ist der Block solange spannungsfrei, als die Temperaturverteilung unverändert ist. Wenn die Temperatur in einem Raumteil des Blocks in dem Intervall Δ Tgeändert ist, bewirkt der Wärmeausdehnungskoeffizient λ eine Änderung der linearen Dimensionen des Teils durch den Faktor 1 +αΔ Τ. Wenn diese Änderung verhindert wird, tritt eine Spannung ein, die proportional der dimeraionalen Änderung (1+otZlT) des Materials verglichen mit dem spannungslosen Zustand ist. Demgemäß ist die mechanische Spannung in jedem Teil des Blocks mit symmetrischer Temperaturverteilung proportional der Differenz zwischen der Temperatur im Blockteil und der Temperatur, bei der der Teil spannungsfrei ist Um einen Ausgleich sicher zu stellen, muß die Durchschnittsspannung in dem freien Block=0 sein.

Dies bedeutet, daß Spannungen in einem geschäumten Tonblock auftreten, bei dem ein völliger Temperaturausgleich nach dem Kühlen erfolgt ist Diese Spannungen sind proportional diesen Temperaturgradienten, oder sie hängen mit anderen Worten von dieser Temperaturverteilung ab, die während der Verfestigung vorliegt Wenn der endgültige Temperaturausgleich stattfindet, d. h. wenn die äußeren Oberflächen die Raumtemperatur erreicht haben, und auch die inneren Teile des Schaumes auf diese Temperatur abgekühlt sind, treten Risse auf, weil die restlichen Spannungen, die nach dem gesamten Temperaturausgleich verbleiben, dadurch hervorgerufen sind, daß die inneren Teile des Blocks eine höhere Temperatur als die äußeren Teile nach beendigter Verfestigung haben. Die restlichen Spannungen treten demgemäß auf, weil die inneren Teile einige Grade mehr abgekühlt werden müssen, als die äußeren Teile nach der Verfestigung und schrumpfen daher relativ stärker. Die Wirkung ist dreidimensional.

Gemäß der Erfindung werden derartige Rißbildungen durch Zerschneiden oder Teilen des Blockes zu dem Zeitpunkt in dem Temperaturintervall verhindert, in dem die Viskosität zu hoch für Spannungen ist, um im Material durch innerliche Flüsse ausgeglichen zu werden, begrenzt auf das Zeitintervall ab dem die heißeste Zone des Blocks Verfestigungstemperatur erreicht hat, bis zu dem Zeitpunkt, wenn ihre kälteste Zone Handtemperatur hat, jedoch vor dem Temperaturausgleich, wobei die Temperaturverteilung zwischen den verschiedenen Zonen des Blocks im wesentlichen unverändert während der Kühlung durch das besagte Verfestigungsintervall gehalten wird, worauf die Kühlung bis zum Erreichen der Handtemperatur im ganzen Block fortgesetzt werden kann. Handtemperatur entspricht zumeist Raumtemperatur.

Im folgenden wird diu Erfindung näher erklärt und illustriert. Angenommen es liegt ein eindimensionaler

Block vor, d.h. eine unbestimmt lange Platte von gleichmäOger Dicke. Wenn der Block noch etwas viskos ist, wird ein Spannungsausgleich während der Kühlung auftreten, während ein Ausgleich nicht länger stattfindet, wenn der ganze Block verfestigt ist Wenn der Block im gleichen Maße und gleichmäßig von beiden Seiten gekühlt wird, hat das Temperaturprofil die Form einer Parabel und wenn die äußeren Oberflächen Raumtemperatur erreicht haben, wird ein Temperaturausgleich beginnen. Bevor jedoch ein derartiger Temperaturausgleich stattfindet muß das Zerschneiden des Blocks gemäß der Erfindung stattfinden, damit sichergestellt ist daß eine fortgesetzte Zusammenziehung innerhalb des Blocks nicht zu Rißbildungen führen kann. Derartige Rißbildungen sind die Folge einer Spannungsverteilung entsprechend der Temperaturverteilung während der Verfestigung, unter Druckspannung in den Oberflächenschichten, zwei neutrale Ebenen parallel zur Oberfläche und Dehnungsspannung im mittleren Teil des Blockes, entsprechend der Summe der Druckspannungen.

in F i g. 1 ist ein Abschnitt durch einen eindimensionalen Block mit e*ner annähernd parabolischen Temperaturverteilungskurve gezeigt wobei t Bereiche mit Druckspannungen, a spannungsfreie Ebenen und s Bereiche mit Dehnungsspannungen bedeuten. Das zumeist verwendete Material, ζ. Β. geschäumter Ton, verträgt höhere Druckspannungen als Dehnungsspannungen, und durch B-üche infolge thermaler Restspannungen erscheinen selche Brüche ais Riß innerhalb des Blocks, bezeichnet mit S.

In F i g. 2 ist das Teilen oder Schneiden gemäß der Erfindung an mehreren Ausführungsbeispielen gezeigt Da die angenäherte Parabel an den Außenflächen am steilsten ist wird dies stark zu einer Spannung beitragen und Risse werden gebildet, wenn keine Schritte zu ihrer Verhinderung unternommen werden. Wenn diese äußeren Schichten erfindungsgemäß entfernt werden, werden die Spannungen wesentlich reduziert und Risse vermieden. Gewöhnlich wird das Schaummaterial aus dem Ofen in Form eines unendlichen Blocks mit rechteckigem Querschnitt entnommen, der in geeignete Längen geschnitten ist Wenn das Schneiden beendigt ist, wobei der Schaum noch plastisch *#ar, werden wenigstens alle vier seitlichen Oberflächen sauber beschnitten. Vorzugsweise werden die äußersten Schichten von allen sechs Oberflächen entfernt Eine weitere Verringerung von Spannungen wird erreicht durch Schneiden entlang von Abschnitten, welche senkrecht zu zwei der seitlichen Oberflächen verlaufen, vergl. die gebrochenen Linien von F i g. 2. Die äußeren entfernten Oberflächen sind mit f bezeichnet Die Aufteilung einschließlich der Entfernung der vier seitlichen Oberflächen führt zu einer bemerkenswerten Ausschaltung des Zuschusses zu den Restspannungen, welche die Temp^raturverteilung zur Länge und Breite während der Verfestigung bewirkt hat, so daß die Blöcke nur eine Restspannung besitzen, die der Temperaturverfeilung im Verlauf der Dicke entsprechen. Wenn zusatzlich das Material von den anderen zwei Qbei flächen befreit ist, d, h, wenn die ursprüngliche Dicke reduziert ist, wird eine weitere Verringerung der Spannung erzielt. Wenn Material von den vier Seitenflächen entfernt wird, jedoch Boden und Oberteil unbehandelt bleiben, können die Restspannungen zu 50—60% behoben werden, bei weiterer Entfernung der Boden- und Kopf flächen werden zusätzlich 10—20% der Restspannungen behoben. Dies hängt natürlich davon ab, wieviel Material entfernt ist. Dabei bleiben

etwa 40% an Spannungen im Vergleich zu denen eines unbearbeiteten Blocks, der vor Durchführung des Beschneidens dem Temperaturausgleich unterworfen wird. Für relativ große Werkstücke mit einer Größe von z.B. 2,70x 1,20 χ 0,25 m ist es zweckmäßig, soviel Material von den seitlichen Oberflächen zu entfernen, als wenigstens der Hälfte der Blockdicke (12 cm), vorzugsweise der ganzen Blockdicke (25 cm) entspricht.

In Fig.3 ist eine andere Ausfuhrungsform des Schneidens beispielhaft gezeigt. Sei es. daß die zwei großen Oberflächen unbehandelt bleiben oder nicht, wird eine wesentliche Verringerung der Spannungen erreicht, wenn durch die Wärmeverteilungsparabel entlang Ebenen geschnitten wird, die parallel /u den großen Oberflächen liegen. Oft ist es vorzuziehen. Schnitte parallel zu allen Seiten des Blocks durchzuführen.

Das Schneiden per Hand erfolgt mit Hilfe eines

geeigneien Werk/.eug>. wenn ücr Block ciiic Oiici'iiächentemperatur erreicht hat. die eine Handhabung erlaubt. Das Schneiden kann in einer Reihe von Abschnitten erfolgen, vorausgesetzt, daß es beendigt ist. bevor der Temperaturausgleich soweit fortgeschritten ist. daß eine Rißbildung stattfindet.

Es kann gelegentlich vorkommen, daß kurzzeitige Spannungen Rißbildungen nach dem erfindungsgemäßen Schneiden verursachen, wenn das Schneiden durchgeführt wird, sofern das Kühlen bei einer besonders hohen Temperaturdifferen/ zwischen den mittleren und äußeren Teilen des Blocks erfolgt, wobei die Schnittbereiche einem Temperature hock unterworfen werden. Wenn jedoch die geteilten Abschnitte aneinander anliegend gehalten werden können nach dem Schneidevorgang diese Abschnitte nicht zu schnell auskühlen, wodurch derartige Schocks vermieden werden. Die Blöcke können dann in dieser Verfassung wie üblich gelagert werden, beispielsweise einige Tage in einem Lagerhaus oder im Freien. In diesem Falle verbleiben die geteilten Elemente vorzugsweise in ihrer ursprünglichen Lage, die während des Transportes zum Lagerplatz unverändert bleibt.

r^o\i/r*hnli^h u/irH hrürhifff** ^rhniimmalprial rfnrrh Sägen oder Zermahlen geformt, dies ist jedoch insofern nachteilig, als die Werkzeuge durch das keramische Materia! bald abgenützt wird.

Zur weiteren Erläuterung des Verfahrens wird im folgenden beispielhaft ein Chargenbetrieb beschrieben: Als Rohmaterial dient ein Naturton, enthaltend Eisenoxyde (beispielsweise 4 — 8 Gewichtsprozente), sowie einige organische Verunreinigungen (beispielsweise entsprechend einem C-Gehalt von etwa 0.5 Gew-%). Der Ton bläht innerhalb 10 Minuten auf. wenn trockene Kugelchen (pellets) von 7 — 9 mm 0 in einer Form in einem Ofen bei 1130— 1150^C gebracht werden. Nach Entfernung der Gußform wurde der Biock in eine elektrisch beheizte Kühlkammer gebracht, der Kühlgrad konnte programmiert werden.

Während der ersten 6 Stunden wurde die Temperatur in der Kühlkammer auf etwa 680" gehalten, was der Verfestigungstemperatur entspricht. Wenn die Temperatur in der Mitte des Blocks beispielsweise 50 Grad höher liegt als die Temperatur an den Oberflächen des Blocks, wird die Temperatur in der Kühlkammer um 40"/h gesenkt, das entspricht annähernd 80' höherer Temperatur in der Mitte des Blocks als auf der Oberfläche. Nach 2V₂ Stunden fiel die Temperatur in der Mitte des Blocks von etwa 730" auf 630" und es ist sicher, daß der Block im Inneren verfestigt und frei von Spannungen war. Von jetzt an konnte die Temperatur differenz zwischen dem Inneren des Blocks und der Oberfläche, beispielsweise auf 100° gesteigert werden, oder um soviel wie möglich, ohne zu Rissen führende Spannungen zu erzeugen, die die Folge eines gesteigerten Kuhlgrades wären. Genauer gesagt, ist es möglich, einen höheren Kühlgrad anzuwenden, als dem Kühlgrad entspricht, der den Block absolut spannungsfrei während der fortgesetzten Kühlung erhält. Bei einem Kühlgrad von 35°/h in diesem Augenblick (630° in der Blockmitte) wird der Kühlgrad während der forgesetzlen Kühlung proportional der Wärmeleitfähigkeit des Materials gehalten. Das bedeutet, daß der Kühlgrad etwa annähernd folgende Größen hat: 25"/h bei 500 ; IT /h bei 400'; I5^c/h bei 300°; 15°/hbei 200" und 13 /h bei 100". bezogen auf die Temperaturen in der Mitte des Rlocks. Bei Anwendung des im obigen geschilderten

T Cl 1 dl 11 ClTS 131

Ill I IHCt

ItIlSj: I H 11. tlUIILIl. Uli

Kühlzeit von weniger als 36 Stunden zu erhalten.

In einem Fall, bei dem dieses Verfahren nicht angewandt wurde, konnte man die Rißbildung, nachdem der Block aus der Kühlkammer entnommen war, infolge des Auftretens dauernder Spannungen, während des Temperaturausgleichs hören. Die Temperatur in der Blockmitte wurde dabei gemessen (durch ein Loch, das bei einer Blocktemperatur von 700" gebohrt war). Sie lag 25 hoher als die Oberflächentemperatur. Ein derartiger Hörtest zur Feststellung, ob der Kühltemperaturgrad zu hoch ist. ist an einem Block beim Auskühlen auszustellen.

Die Blöcke werden aus der Kühlkammer herausgenommen, wenn die Oberflächentemperatur 25 — 40" und die Temperatur in der Blockmitte 70—100" betrug. Das Zerschneiden der Blöcke erfolgte, bevor die Temperaturdifferenz zwischen Mitte und Oberfläche unter 50" gesunken war. Zum Schneiden auf genaue Dimensionen wurden etwa 5 cm den 4 Seiten abgeschnitten, der Block in der Länge halbiert und I oder 2 cm an der Ober- und Unterfläche abgetrennt. Ein Rohrstück von 80 χ 60 χ 28 cm ergab so 2 Blöcke von 70 χ 25 χ 25 cm.

F«; ist natürlich nirht notwendig. ffan7 penau die im obigen angegebenen Kühlgrade einzuhalten. Wichtig ist. daß dabei keine vorläufigen Spannungen auftreten, die so hoch sind, daß sie zu Rissen führen, und daß die schnellstmöglich^ Kühlung erreicht wird durch Einhalten des Kühlgrades proportional der Wärmeleitfähigkeit des Materials zu jeder Zeit. Es ist leicht festzusteller, wie hoch der Kühlgrad als Funktion der Temperatur, beginnend mit einem bestimmten Kühigrad sein soll. Ein Block wird einfach mit Einern konstanten Kiihlgrad gekühlt und die Temperaturdifferenz zwischen der Blockmitte und der Oberfläche bei verschiedenen Temperaturen gemessen. Die Tempera turdifferenz ist dann annähernd umgekehrt proportional der Wärmeleitfähigkeit des Materials. Wenn ein anderer Block gekühlt werden soll, wird ein Kühlgrad gewählt, der zu irgend einem Zeitpunkt umgekehrt proportional der erwähnten Temperaturdifferenz ist Entsprechend der Veränderung der Wärmeleitfähigkeit (abhängig von der Höhe der Temperatur) durch den Block bei hohen Temperaturen, gibt diese Arbeitsweise zwar kein absolut korrektes Resultat, dies ist aber später leicht zu korrigieren.

Wie bereits ausgeführt ist das erläuterte Verfahren besonders zur Bildung von Körpern aus geschäumten Ton geeignet.

Hijr/ii ! Blau /eichnuneen

Claims

Patentansprüche;

1. Verfahren zur Herstellung von Werkstücken aus anorganischem, viskosem Schaummaterial, das Ton, Glaspulver, Schlacke, Flovationsrückstände oder ähnlich verschäumbares Material enthält, durch Erhitzen des Materials bis zum Schmelzen und Ausdehnen unter Bildung eines Blockes, folgendes Kühlen und Verringern des Formats durch Schneiden und Aufteilen des Blocks, dadurch ge- kennzeichnet, daB das Kühlen des Blocks unter Aufrechterhaltung derjenigen Temperaturdifferenzen zwischen den verschiedenen Zonen, die während der Erstarrung der inneren Zone bestehen, bis zum Schneiden und Aufteilen des Blockes erfolgt, das vorzugsweise vorgenommen wird, wenn die äußeren Randzonen des Blocks die Raumtemperatur erreicht haben.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, da£ die Formatverringerung durch Entfer- nung der äußeren Schichten des Blocks, wenigstens von seinen 4 Seitenflächen erfolgt

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Schneiden des Blocks zur Formatverringerung durch parallele Schnitte an 2 Seitenflächen erfolgt

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daB beim Schneiden die äußersten Schichten des Blocks entfernt werden und der verbleibende Block entlang paralleler Ebenen zu allen Seitenflächen geteilt wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet daß die aufgeteilten Stücke des Blocks an den Schnittflächen aneinander gedrückt und dann a.j ein einziger Block gelagert werden, bis der Temperaturausgleich erfolg! ist

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die geteilten Stücke während des Transportes zum Lagerplatz in ihrer ursprünglichen Lage gehalten werden.