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Verfahren zur Herstellung von porösen keramischen Formkörpern Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von porösen keramischen Formkörpern,
insbesondere Leichtziegeln, bei dem einem Rohmaterial, insbesobaere Lehm oder Ton,
vor dem Verpressen ein Porosierungs' mittel beigemischt wird, aus dem beim Brennen
ein gas entsteht.
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In der Ziegelindustrie ist es lange bekannt, zweckS Verbesserung der
Wärmedämmung der Ziegel dem Rohmaterial verdampfbare oder brennbare Porosierungsmittel
zuzusetzen. Ein Aufsatz in der Zeitschrift "Ziegels industrie" 9 (1978), Seiten
500 bis 516 enthElt-etne zusammenfassende Darstellung, in der mehr als deii Literaturstellen
angegeben sind, die sich mit dieseth Thema befassen.
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Von den zahlreichen angegebenen Porosierungsmitteln haben nur wenige
eine praktische Bedeutung erlangt.
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Wohl am weitesten verbreitet ist die Verwendung von Polystyrolschaum.
Dieses Material wird in Form von Kugeln mit Durchmessern zwischen 1 und 4 mm zugesetzt.
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Ein Feinkornanteil ist nicht vorhanden. Daher fehlt im fertigen Ziegel
die Mikroporosität, die für die Erzielung hoher Wärmedämmwerte besonders wichtig
ist.
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Die maximal zusetzbare Menge ist ziemlich eng begrenzt weil bei zu
hohem Anteil zwischen den entstehenden Löchern keine ausreichenden Stege verbleiben,
so daß die Festigkeit niedrig und ungleichmäßig wird. Daher ist es bei schweren
Tonen kaum möglich, die geforderten Werte zu erreichen. Schon in der Anwärmzone
wird das Polystyrolmaterial bei etwa 1600 C vergast. Durch das entweichende Gas
bilden sich in den Ziegeln unerwünschte, nach außen offene Kanäle. Der an sich hohe
Heizwert des Materials geht ungenutzt durch den ScYornstein. Die Abgase belasten
die Umwelt, wenn sie nicht in kostspieligen Nachverbrennungseinrichtungen beseitigt
werden. Infolge der Kompressebilität des Materials neigen die Formlinge immer dazu,
sich nach dem Pressen auszudehnen, zu verziehen oder rissig zu werden.
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Eine gewisse Bedeutung hat auch der Zusatz von Sägemehl als Porosierungsmittel
erhalten. Diese hat stets eine faserige oder nadelige Struktur. Dadurch wird das
Fließverhalten beim Pressen gestört. Der Kraftbedarf nimmt erheblich zu. Die Verdichtung
fällt ungleichmäßig aus, und es bilden sich Schichtstrukturen, die die Festigkeit
und die Frostbeständigkeit herabsetzen. Das Sägemehl wird im Ofen bei Temperatur
über 5000 verbrannt. Hierdurch wird die Ofenführung erschwert. Denn das Ausbrennen
kann nur langsam erfolgen, weil einerseits der erforderliche Saurem stoff nur langsam
eindiffundiert und andererseits ein zu schnelles Ausbrennen wegen des hohen Heizwertes
eine
zu große Wärmemenge freisetzt, die bei schnellerem Ausbrennen zum Glühen und zur
Zerstörung der Ziegelformlinge führt. Aus dem letzteren Grunde ist überhaupt nur
ein relativ geringer Zusatz zulässig und damit auch nur eine geringe Porosität erreichba;
Vielfach ist das Ausbrennen nur unvollständig. Es verbleiben mit Rückständen gefüllte
schwarze Kernel die eine Verschlechterung der Wärmedämmung und dt Festigkeit bewirken,
das Aussehen sehr beeinträchtigen und die Gefahr des Nachglühens bedingen.
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Andere bekannte Zusätze, die nur wenig praktische Be deutung erlangt
haben, sind z.B. Torf, Kohlenstaub; Perlit, Getreidespelzen oder Flotationsberge.
Hierbei treten im wesentlichen ähnliche Nachteile auf wie bei den zuerst beschriebenen
Stoffen.
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Bekannt ist auch schon die Verwendung von Kork. Dieser kommt aber
wegen seines hohen Preises in der Praxi nur bei besonders hochwertigen Steinen für
Spezialanwendungen zur Verwendung.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein terfahren der eingangs
angegebenen Gattung anzugeben, das unter Verwendung eines billigen, aus reichlich
verfügbaren Ausgangsstoffen herstellbaren Pordsiew rungsmittels bei normaler Ofenführung
ohne st8rende Rückstände, ohne Umweltbelastung und ohne Übehitzung des Ofeneinsatzes
eine Nutzung des dem PorosierungS-mittel innewohnenden Heizwertes zuläßt und dabei
Formkörper, insbesondere Leichtziegel, mit hoher restigkeit, guter Wärmedämmung
und guter Maßhaltigkeit liefert.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichen des Anspruchs
1 angegebenen Maßnahmen geld
Dabei entsprechen die beiden angegebenen
Ausgangsstoffe ein und demselben Erfindungsgedanken: Sowohl bei gemahlener Baumrinde
als auch bei Schaumkohle handelt es sich um ein brennbares Material, dessen Heizwert
durch lockere, poröse Struktur im Vergleich zu einem aus massiven Körnern bestehenden
Material relativ niedrig ist. Dieser Heizwert kommt beim Ausbrennen voll dem Ofenprozeß
zugute und ermöglicht eine beträchtliche Brennenergieersparnis. Er ist aber niedrig
genug, um eine Materialschädigung durch aber hitzung zu vermeiden. Trotz der lockeren
Struktur ist das Granulat mechanisch stabil und praktisch inkompressibel.
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Schaumkohle läßt sich unter Verwendung von Stein-oder Braunkohlenstaub
oder kohlehaltigen Abfällen, wie Flugasche, unter Zusatz von Schaum herstellen.
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Dabei ist das Schüttvolumen der fertigen Schaumkohle etwa drei- bis'viermal
so groß wie das der Ausgangsstoffe, und entsprechend ist der Heizwert herabgesetzt.
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Die Rinde fällt in der Holzindustrie beim Entrinden zur Verarbeitung
bestimmter gefällter Stämme beliebiger Art in großen Mengen als wertloser Abfall
an und steht daher praktisch kostenlos zur Verfügung.
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Da die Rinde bisher kaum nutzbringend zu verwerten war, mußte sie
entweder auf Deponien abgelagert, einer Verbrennungsanlage zugeführt oder, um eine
Schädigung des Bodens durch den hohen Gerbsäuregehalt möglichst zu vermeiden, großflächig
im Wald verteilt werden. In jedem Fall war die Entsorgung mit erheblichen Kosten
verbunden.
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Die im Anspruch 2 angegebenen Rindenarten zeichnen sich, bedingt durch
den relativ schnellen Wuchs der
Nadelhölzer, durch eine besonders
lockere, porenreiche Struktur aus.
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Gemäß Anspruch 3 liegt der Heizwert vorzugsweise-in einem Bereich,
der etwa 1/10 bis 1/2 des Heizwertes von geschütteter Braunkohle mittlerer Qualität
be trägt. Die genaue Wahl des optimalen HeizwerteS hängt vor allem von der Menge
des erforderlichen Porosierungsmittels ab.
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Gemäß Anspruch 4 soll die Korngröße zweckmäßig bez grenzt sein, damit
insbesondere bei Lochziegeln aie Festigkeit der verbleibenden Stege nicht durch
tbetO große Poren beeinträchtigt wird.
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Durch Abstimmen der Korngröße auf dichte Kugelpackant gemäß Anspruch
5 wird erreicht, daß auch die Poren, in den Ziegeln eine dichte Packung bilden,
ohne daß die Festigkeit allzu sehr beeinträchtigt wird. Wich tig ist dabei, daß
auch ein Feinkornanteil vorhanden ist, der für die Besonders erwünschte Mikroporositit
sorgt.
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Erforderlichenfalls läßt sich der FeinkornanteiS durch den Zusatz
von Holzmehl gemäß Anspruch 6 te# größern. Unter Holzmehl wird hierbei vorzugsweise
Holzschliff verstanden, der-eine mehr körnige Als faserige Struktur aufweist, wobei
die Korngröße hunter 1 mm liegen soll.
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Durch die Maßnahme gemäß Anspruch 7 wird erreicht, daß sich das Porosierungsmittel
in den Rohton beton ders leicht einmischen läßt, wenn dieser die vorne schriebene
Feuchte für die Weiterverarbeitung aufweist.
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Wenn aber der Rohton zu naß oder zu trocken ist, wird zweckmäßig gemäß
Anspruch 8 die Feuchte des Porosierungsmittels so eingestellt, daß das Gesamtgemisch
auf die vorgeschriebene Feuchte kommt.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren geht man beispielsweise folgendermaßen
vor: Mit einem handelsüblichen Schaumgerät wird aus einem Gemisch von etwa 99 %
Wasser und etwa 1 % Schaumkonzentrat (Tensid, Fettalkoholsulfat, Alkylsulfonat oder
dgl.) ein stabiler, mikroporöser Schaum hergestellt, dessen Dichte nur etwas 30
bis 60 g/l beträgt. Hiervon getrennt wird eine Mischung aus folgenden Bestandteilen
hergestellt: 8 Gewichtsteile Braunkohlenstaub 8 Gewichtsteile Holzschliff 27 Gewichtsteile
Rinde 2,6 Gewichtsteile Perlitabfälle 27 Gewichtsteile Sulfitablauge als Binder
26 Gewichtsteile Zusatzwasser.
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Diese Mischung wird mit 1,4 Gewichtsteilen Schaum versetzt und z.B.
in einem Betonmischer oder einem Doppel wellenmischer intensiv durchmischt. Dabei
entsteht eine schaumige Masse von pastenartiger Konsistenz.
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Diese wird granuliert, indem sie z.B. mit einer Schnecke durch eine
Lochplatte hindurchgedrückt wird.
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Die Stränge werden getrocknet und gemahlen. Das Mahlgut hat schon
ein kontinuierliches Korngrößenspektrum, das einer dichten Packung schon ziemlich
nahe kommen kann. Durch Absieben kann das Korngrößenspektrum weiter optimiert werden,
so daß sich z.B. folgende Verteilung ergibt: 20 bis 40 % 1,5 bis 3,5 mm 20 bis 40
% 0,5 bis 1,5 mm 30 bis 50 % 0 bis 0,2 mm.
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Das so erhaltene Material hat auch in trockenem Zustand eine lockere,
schaumige Struktur. Die Kerner sind stabil und nicht kompressibel. Das Material
ist versand-und lagerfähig.
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Die Feuchte des Materials wird so eingestellt, daß sie mit der Feuchte
des Rohtons übereinstimmt, die t5r das Verpressen optimal ist. Diese liegt im allgemeinen
zwischen 17 und 37 %. Bei dieser Feuchte ist das Pobosierungsmittel noch rieselfähig,
da der Wassergehalt infolge der porösen Struktur kapillar gebunden -ist.
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Bei leichten Rohtonen genügt ein Zusatz von 10 bis 20 Volumenprozent,
um ein Scherbengewicht von maxin-a 1,45 kg/l zu erreichen. Bei schweren Tonen liegt
die erforderliche Menge des Porosierungsmittels bei etwa 25 bis 40 %. Diese Mengen
lassen sich infolge ae gdn; stigen Kornform und Oberflächenbeschaffenheit' dc'.
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Porosierungsmittels leicht einmischen. Es ist borat möglich, erheblich
größere Mengen zuzusetzen und aui diese Weise das Scherbengewicht weit.unter den
vorgeschriebenen Wert zu verkleinern, der mit herkömmlichen Porosierungsmitteln
kaum zu erreichen ist.
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Es hat sich gezeigt, daß sich das Gemisch mit erheblich reduziertem
Kraftaufwand verpressen läßt. Bei einem Versuch- wurde an der Presse eine Stromstärke
von 40 A gemessen gegenüber 100 A bei Verwendung eines herkömmlichen Porosierungsmittels.
Offensichtlich Wird durch das Schaummittel das Fließvermögen erheblich verbessert,
so daß sich die Partikel mit geringster ReiL bung in die günstigste spannungsfreie
Lage einprdnen.
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Die unerwünschten Spiralstrukturen', die bekanntlich in der Schneckenpresse
durch die Geschwindigkeitdifferenz zwischen Strangmitte und Außenbereich erzeugt
werden, treten nicht mehr auf.
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Beim Brennen der Ziegel wird das Porosierungsmittel während der normalen
Brenndauer restlos verbrannt.
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Hierzu genügt der aus der Ofenatmosphäre eindiffudiererr de Sauerstoff
in Verbindung mit dem in den geschäumten Körpern eingeschlossenen Sauerstoff. Das
entstehende Kohlendioxid entweicht offenbar durch Diffusion. Jedenfalls werden bei
den fertigen Ziegeln keine Gaskanäle beobachtet. Der Heizwert des Porosierungsmittels
kommt voll dem Brennprozeß zugute. Beträgt beispielsweise der Heizwert des Porosierungsmittels
8 x 103 kJ/kg und geht man von einem Zusatz von 30 Volumenprozent zum Rohton aus,
so ergibt sich eine Wärmeersparnis von etwa 8 x 105 kJ/m3 gelochte Ziegel.
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In einem neutralen Laboratorium wurde eine Serie von Ziegeln, die
unter Zusatz von 30 % des nach der Erfindung hergestellten Porosierungsmittels in
einer normalen Produktionsanlage gebrannt waren (Ziegel 1) mit Ziegeln verglichen,
die auf der gleichen Anlage unter Zusatz von 50 Volumenprozent Poystyrolschaumkugeln
hergestellt waren (Ziegel 2). Es ergaben sich folgende Mittelwerte: Ziegel n Ziegel
2 Raumdichte g/cm3 1,49 1,47 Wasseraufnahme % 32,7 32,9 Scheinbare Porosität % 47,0
48,3 WärmeleitfShigieit bei 20ob, W/mK 0,482 0,468 Die Wärmeleitfähigkeit wurde
nach dem in der Norm DIN 5i 048 vorgeschriebenen Heißdraht-Verfahren ermittelt.
Das Heißdraht-Verfahren erbringt erfahrungsgemäß gegenüber den bisher in Deutschland
zumeist verwendeten kalorimetrischen Verfahren (z.B. nach ASTM) oder gegenüber dem
Vergleichsverfahren um etwa 30 - 50 % höhere Werte. Dies ist bei einem Vergleich
der ange-
gebenen Ergebnisse mit den in der einschlägigen P6chliteratur
vorliegenden Werten zu beachten.
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In Bezug auf diese-Eigenschaften stimmen die Wette bei beiden Ziegelarten
also praktisch uberein. Gemaß amtlichem Prüfungszeugnis wurde jedoch für die Ziat*l
1 eine mittlere Druckfestigkeit von 11,3 N/mm2 festgestellt gegenüber 7,5 N/mm2
bei üblichen Ziegeln die unter Verwendung von geschäumten Polystyrol hegel stellt
sind.
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Das Verfahren läßt sich im Rahmen der Ansprüche in vielfacher Weise
variieren. So kann das Porosierungmittel, abweichend von dem angegebenen Beispiel,
statt Braunkohlenstaub natürlich auch Steinkohlenstaub enthalten, wenn dieser leichter
verfügbar ist. Es steht nichts im Wege, eine Schaumkohle zu verwenden, deuten Kohleanteil
gegenüber dem angegebenen Beispi#t efheblich größer ist. Man kann auch die Kohle
gans oer teilweise in Form von Flugasche einbringen. t>as Ft hergestellte Porosierungsmittel
hat einen besonders niedrigen Heizwert. Es kann auch zusätzliche heiswertmindernde
Füllstoffe, wie Perlit, enthalten. Statt der erwähnten Sulfitablauge kann es auch
andere Bindemittel enthalten, wie Gips, Wasserglas, Stärke oder Dextrin.
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Eine andere Variante der Herstellung des PorOsierungsmittels besteht
darin, daß Baumrinde und/oder Holzmehl im nassen Zustand mit Schaummittel durchsetzt
werden und daß anschließend die übrigen Feststoffe zugemischt werden. Es ist auch
möglich, zunächst nur die Kohle, gegebenenfalls zusammen mit inerten Be standteilen,
wie Füllstoffen und Bindemitteln, mit Schaum zu versetzen, zu granulieren, zu trocknen
und
zu mahlen und anschließend das so erhaltene Produkt mit gemahlener
Rinde und/oder Holzmehl zu mischen. Dabei füllt die Rinde vor allem den Grobkornbereich
auf, das Holzmehl den Feinkornbereich. Da Holzmehl einen relativ hohen, Rinde aber
einen relativ niedrigen Heizwert hat, läßt sich durch die Wahl des Mischungsverhältnisses
auch der Heizwert der Gesamtmischung in einem gewissen Bereich steuern.
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Das Verhältnis Rinde zu Schaumkohle kann je nach der gewünschten Feuchte,
mit der das Porosierungsmittel dem Rohton zugesetzt werden muß, variiert werden.
Wenn eine sehr hohe Feuchte verfahrenstechnisch zweckmäßig ist - beispielsweise
weil der Rohton zu trockenist -wird ein großer Anteil an Rinde gewählt. Eine normale
Feuchte von z.B. 35 % läßt sich aber auch mit reiner Schaumkohle realisieren, ohne
daß die Rieselfähigkeit beeinträchtigt wird.
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Für viele Anwendungsfälle sind zerkleinerte Rinde und Schaumkohle
wegen weitgehender Übereinstimmung der verfahrenswesentlichen Eigenschaften gegeneinander
austauschbar. Die Auswahl kann dann unter den Gesichtspunkten der Verfügbarkeit
und des Preises getroffen werden. Es ist praktisch immer möglich, durch Zusatz von
Inertmaterial den Heizwert in dem günstigsten Bereich zu halten.