DE3248537C2 - Sinterformkörper auf der Basis von Quarzsand sowie Verfahren und Vorrichtung zu ihrer Herstellung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft Formkörper auf der Basis von Quarzsand, die aus getrocknetem Quarzsand durch Einwirkenlassen eines elektrostatischen Hochspannungsfeldes unter Orientierung und gegebenenfalls elektrostatischer Aufladung der Quarzsandkörner im elektrischen Feld und Sinterung im so erzielten Orientierungszustand erhältlich sind. Ein besonderer Vorteil des Verfahrens besteht darin, daß weder Bindemittel noch Wasser zur Verfestigung der Sandmatrix erforderlich sind. Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfaßt im wesentlichen eine Feldeinrichtung zum Anlegen eines elektrostatischen Feldes an den Quarzsand und einen nachgeschalteten Sinterofen sowie erforderlichenfalls einen Trockner mit Fördereinrichtung, die der Feldeinrichtung vorgeschaltet sind. Die erfindungsgemäßen Formkörper zeichnen sich durch hohe mechanische Festigkeit und hohe Porosität sowie dementsprechend günstige thermische und Schallisolationseigenschaften aus. Sie lassen sich vorteilhaft auf zahlreichen Anwendungsgebieten einsetzen, insbesondere als Baustoffe und Kiesersatz.

Description

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in Schritt (B) bei einer Temperatur im Bereich von 1450 bis 1600⁰C gesintert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Quarzsand im Komgrößenbereich von 0,02 bis 0,2 mm verwendet wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine quaderförmige Form mit elektrisch leitendem Boden und Deckel, die voneinander elektrisch isoliert sind, verwendet wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Form aus Graphit verwendet wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Sand in Schritt (A) in das elektrische Feld zwischen elektrisch leitenden Platten bzw. Formteilen eingeblasen wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Feldstärke von 1000 V/cm angewandt wird.

8. Sinterformkörper geringer Dichte und hoher Festigkeit auf der Basis von Quarzsand, erhältlich nach dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7.

8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch

— eine Feldeinrichtung mit kondensatorartig angeordneten Elektroden und einer Spannungsquelle zum Anlegen eines elektrostatischen Hochspannungsfeldes, wobei eine der Elektroden die dem herzustellenden Sinterformkörper entsprechende Form darstellt oder einen Teil davon bildet, und

— einen nachgeschalteten Brennofen.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch einen Trockner, in dem der eingesetzte Quarzsand getrocknet wird, und eine ihm nachgeschaltete Fördereinrichtung, die den getrockneten Quarzsand in die Feldeinrichtung fördert.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 oder 10, gekennzeichnet durch eine Feldeinrichtung zum Anlegen eines elektrostatischen Hochspannungsfeldes mit zwei waagerecht angeordneten, übereinanderliegenden plattenförmigen Elektroden, von denen die untere feststehend und die obere in senkrechter Richtung oder zur Seite schwenkbar ange

ordnet ist

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, gekennzeichnet durch eine Form mit elektrisch leitendem Boden und Deckel als Feldeinrichtung zum Anlegen eines elektrostatischen Feldes.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch eine Form aus Graphit mit elektrisch von den übrigen Formteilen isoliertem elektrisch leitenden Deckel.

Die Erfindung betrifft Sinterformkörper auf der Basis von Quarzsand, die nach einem trockenen Verfahren erhältlich sind und sich insbesondere als Baumaterialien, Wand- und Bodenbeläge, Magerungsmittel für Zement- und andere Mörtel, Filtermaterialien, hitzefeste Auskleidungen und Unter- und Oberbaumaterialien für den Straßen- und Wegebau eignen, ein Verfahren zu ihrer Herstellung sowie eine dazu geeignete Vorrichtung.

Für die Herstellung von Gebäuden und Straßen werden grundsätzlich steinartige Materialien gebraucht, die in möglichst großen Mengen möglichst billig zur Verfügung stehen sollen:

In zahlreichen Regionen, z. B. im Vorderen Orient und Nordafrika, sind an vielen Orten weder Zement noch Kalk noch kiesartige Materialien als Baustoffe in ausreichendem Maße verfügbar und müssen zum Teil aus sehr weit entfernten Gebieten herangeschafft werden. So wird beispielsweise Kies für Bauzwecke aus Australien unter erheblicher Betastung mit Frachtkosten in die Golfregion importiert.
In Ländern mit großen Wüstengebieten steht andererseits Wüstensand als Rohstoff in praktisch unbegrenztem Maße zur Verfügung. Dieser Sand ist äußerst feinkörnig und besitzt eine hohe Reinheit. Solche Quarzsande weisen ferner über große Landesgebiete hinweg praktisch gleichbleibende Zusammensetzung auf, so daß zugleich reproduzierbare Rohstoffverhältnisse vorliegen.

Die Verwendung von Sand als Rohstoff beispielsweise für Baumaterialien wie Bausteine, Fliesen, Wand- und Bodenbeläge setzt allerdings voraus, daß der Sand in geeigneter Weise verfestigt wird, was bisher durch Verwendung von Sand als Magerungsmittel für Beton und Mörtel geschah.

In Gebieten mit Wassermangel und Problemen bei der Beschaffung der übrigen benötigten Rohstoffe stellt dies jedoch keine praktikable Lösung für die Erzeugung von Baustoffen dar.

Die Herstellung von Formkörpern auf der Basis von Quarzsand ist ferner bereits seit langem insbesondere auf dem Gebiet des Formenbaus sowie zur Herstellung von Quarzkeramik bekannt. In allen Fällen werden jedoch bisher zur Herstellung einer aus Körnern bestehenden Matrix Bindemittel angewandt, um ausreichend formstabile und bruchfeste Formkörper zu erzielen.
Aus der DE-PS 1 30 031 ist ein Verfahren zur Herstellung von Sinterformkörpern hoher Dichte auf der Basis von Glas und Quarz bekannt, bei dem die beiden Hauptkomponenten, ggfs. unter Zusatz von Formgebungsmitteln, gemeinsam naß vermählen werden, worauf die erhaltene Suspension rasch getrocknet wird, um die Auslaugung von freiem Alkali zu verringern; alternativ kann auch bei einem schwach sauren bis schwach alkalischen pH-Wert bis maximal 9 naß vermählen werden. Die so erhaltenen keramischen Massen werden zwi-

sehen 700 und 1000° C, also durch einen im wesentlichen chemisch nicht reaktiven Dichtbrand, zu dichten, steatitartigen Produkten gesintert.

Der FR-OS 22 91 953 sind feuerfeste Sinterformkörper auf der Basis von Siliciumdioxid in kristalliner sowie in glasartiger Form zu entnehmen, die durch Vermischen von feingepulvertem kristallinem Siliciumdioxid und glasartigem Siliciumdioxid, Formgebung und Sinterung des Gemischs bei einer Temperatur erhalten werden, bei der noch keine rasche Kristallisation des glasartigen Siliciumdioxids eintritt

Aus Silikat-Technik 13, Nr. 7 (1962) 229-232 ist ein Verfahren zur Herstellung von Kieselgut (Quarzgut) bekannt, bei dem ein Kieselsäurerohmaterial mit mindestens 99,6% S1O2, insbesondere Quarzsand, zunächst unter Formgebung, z.B. durch Trockenpressen, ausgeformt wird, worauf die erhaltenen Rohformkörper durch thermische Behandlung in der. glasartigen Zustand übergeführt werden. Bei diesem Verfahren ist der Zusatz eines Bindemittels, das den Rohformkörpern nach dem Trocknen eine ausreichende Festigkeit verleiht, erforderlich (vgl. a.a.O., S. 231, Ii. Sp, Z. 3-21), insbesondere Ethylsilikat Bei der thermischen Behandlung wird ferner ein Teil des Kieselsäurematerials geschmolzen.

Keines der oben erläuterten vorbekannten Verfahren führt zu Formkörpern geringer Dichte. Ferner werden bei diesem Verfahren nach dem Stand der Technik Bindemittel verwendet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Formkörper auf der Basis von Quarzsand mit ausreichender Festigkeit und Beständigkeit und zugleich möglichst geringer Dichte, insbesondere für die oben angegebenen Verwendungszwecke, sowie ein einfaches, ohne Einsatz von Wasser und ohne Zusatzstoffe durchführbares Verfahren zu ihrer Herstellung sowie eine Vorrichtung zu seiner Durchführung anzugeben.

Die Aufgabe wird gemäß den Patentansprüchen 1,8 bzw. 9 gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Aus der DE-OS 29 41 026 ist ein Verfahren zum Auftragen von Glasuren, also Silikatglaspartikeln, auf keramische Erzeugnisse bekannt, bei dem die feinvermahlene Glasur in trockenem Zustand in einem elektrischen Feld auf das keramische Erzeugnis aufgebracht wird. Dabei wird nach Art der Pulverlackierung verfahren, wobei ferner das Glasurpulver mit einem Bindemittel (Methylhydrogenpolysiloxan mit Katalysator) vorbeschichtet wird. Danach wird das glasurbeschichtete keramische Erzeugnis bei 800 bis 1000°C gebrannt.

Auch dieser Verfahrensweise nach dem Stand der Technik liegt nicht die Aufgabe zugrunde, Formkörper auf der Basis von Quarzsand herzustellen, die eine möglichst geringe Dichte aufweisen und ohne zusätzliche Bindemittel erhältlich sind.

Verwendbar sind Quarzsande mit einer Korngröße im üblichen Bereich von etwa 0,002 bis etwa 2 mm, wobei der Korngrößenbereich von etwa 0,02 bis etwa 0,2 mm bevorzugt ist.

Der eingesetzt? Quiirzsend ist, insbesondere im Fa!! von Wüstensand, in der Regel rein genug, so daß Reinigungsschritte in den meisten Fällen entfallen können. Erforderlichenfalls kann der Sand vor der Verarbeitung in geeigneter Weise gewaschen werden.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird der als Rohstoff eingesetzte Quarzsand erforderlichenfalls zunächst in einem Trockenschritt vorgetrocknet. Besonders günstig ist es hierbei, als Trockenmittel die heiße Abluft aus dem Sinterschritt zu verwenden.

Anschließend wird der getrocknete Quarzsand in einer Vorrichtung mit plattenkondeniatorartig angeordneten Elektroden in Schritt (A) einem stationären elektrischen Hochspannungsfeld ausgesetzt, durch das der Quarzsand im elektrischen Feld orientiert und gleichzeitig elektrostatisch aufgeladen wird. Die Aufladung kann günstigerweise auch mit einer Coronaentladung vorgenommen werden.

Besonders günstig ist es, den vom Trocknungsschritt kommenden, noch warmen Quarzsand in einer Vorrichtung mit Elektrodenplatten am Trocknerausgang zu sammeln oder den Quarzsand zwischen die Elektroden der elektrostatischen Feldeinrichtung einzublasen.

Die erforderliche elektrische Feldstärke hängt von der Geometrie der Vorrichtung sowie von Menge, Form und Schüttdichte des Quarzsandes ab und wird für die jeweils gegebenen Verhältnisse in einem Vorversuch festgelegt Sie beträgt bei einer Formkörpergröße von etwa 20 χ 10 χ 3 cm ungefähr 1000 V/cm.

Die orientierten und teilweise aufgeladenen Quarzsandkörner lagern sich im Feld zu einer niederen Pakkungsdichte aneinander, die insbesondere auch von ihrer Korngröße und Korngrößenverteilung abhängt.

Im Rahmen des Erfindungskonzepts werden die Form selbst oder Teile davon als Elektroden zum Anlegen des elektrischen Felds verwendet; diese Verfahrensweise hat den Vorteil, daß der getrocknete Quarzsand unmittelbar in die unter Feldeinwirkung stehende Form eingebracht und in ihr anschließend gesintert werden kann.

Günstig werden Formen mit abklappbaren Wänden verwendet, um die fertigen Sinterformkörper nach der Sinterung (B) und Abkühlung in einfacher Weise und schnell entnehmen zu können, insbesondere zur Herstellung von Bausteinen, Ziegeln, Kacheln, Fliesen u. dgl.. Ein bevorzugtes Formmaterial ist Graphit, auch hinsichtlich seiner elektrischen Leitfähigkeit

Der Eintrag des vorgetrockneten Quarzsandes zwischen die beiden Elektroden, die bevorzugt plattenkondensatorartig ausgebildet sind, bzw. in die mit Elektroden versehene oder als Elektrode verwendete Form in Schnitt M geschieht günstigerweise durch Einfallenlassen oder Einblasen. Hierbei entsteht im elektrischen Feld eine dicht erscheinende, durch Aufladung stabilisierbare »Schüttung«, die zahlreiche unregelmäßige Hohlräume aufweist, die beim anschließenden Sintern erhalten bleiben.

Die Elektroden können erfindungsgemäß auch klappbar bzw. in senkrechter Richtung verfahrbar ausgebildet sein, wobei üblicherweise die untere der beiden etwa waagerecht und übereinander angeordneten Elektroden feststehend ist.

Die orientierte Packung kann ohne mechanische Störung des Ausrichtungszustands anschließend durch Erhitzen auf eine Temperatur oberhalb der Sintertemperatur gesintert und damit bleibend fixiert werden.
Sintertemperatur und Sinterdauer hängen insbesondere von der eingesetzten Quarzsandqualität, der Sandmasse und der Schüttdicht? sowie den Wärmeübertn»- gungsverhältnissen ab und werden ebenfalls in einfachen Vorversuchen vorab festgelegt. Nachdem bei gegebener Produktion diese Einflußgrößen im wesentlichen konstant bleiben, ist die Vorabermittlung der Betriebsbedingungen nur einmal erforderlich.

Die Sintertemperatur liegt typischerweise im Bereich von etwa 1450 bis etwa 1600°C. Erforderlichenfalls kann

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die Temperatur bis in die Nähe des Schmelzpunkts von det werden können, und besitzen andererseits aufgrund

Quarz (1710° C) erhöht werden, was jedoch in der Praxis der herstellungsbedingten Makrostruktur zahlreiche

nur in Sonderfällen erforderlich ist Hohlräume und damit eine geringe Dichte, die erheblich

Die Sinterung im Schnitt (B) wird so hnge durchge- unter der Dichte von Quarz bzw. Quarzsandschüttun-

führt, bis die Formkörper durchgesintert sind, d. h„ bis 5 gen liegt und beispielsweise nur etwa 50% davon betra-

auch im Inneren eine ausreichende Fixierung der Kör- gen kann.

ner relativ zueinander durch Zusammenwachsen an den Durch das Vorliegen der Hohlräume ist zugleich ein

sich berührenden Korngrenzen erzielt ist, was durch besonders günstiger k-Wert gegeben; entsprechendes

Bruch- und Festigkeitsmessungen leicht ermittelt wer- Mauerwerk besitzt hervorragende Wärme-, Kälte- und

den kann. 10 Schallisolationseigenschaften, wobei zugleich etwa ge-

Ein Pressen ist während des Einbringens des orien- genüber Gasbeton deutlich höhere Festigkeit vorliegt

tierten Quarzsands in die Form bzw. bei der Einwirkung Diese Vorteile bleiben auch dann erhalten, wenn die

des elektrischen Felds auf den bereits in der Form be- Sinterformkörper glasiert sind, da die unter der Glasur-

findlichen Quarzsand nicht erforderlich, da die resultie- schicht liegende Matrix hohe Porosität besitzt

rende Packungsdichte des Quarzsandes zur Erzielung 15 Nachdem für die Herstellung der erfindungsgemäßen

einer ausreichenden Festigkeit auch ohne Anwendung Sinterformkörper weder Wasser noch Zusätze oder Zu-

von Druck genügend hoch ist Schlagmaterialien erforderlich sind, eignet sich die erfin-

Für das erfindungsgemäße Verfahren ist wesentlich, dungsgemäße Verfahrensweise besonders für Gebiete

daß zur Erzielung einer für den praktische!· Einsatz aus- mit Wassermangel, in denen übliche Baumaterialien

reichenden Festigkeit keinerlei Bindemittel erforderlich 20 schwer oder nicht verfügbar sind,

sind, da das makroskopische Gefüge der Formkörper Die erfindungsgemäßen Sinterformkörper können

lediglich durch elektrische Feldeinwirkung und an- durch Schleifen, Sägen und Brechen leicht und genau

schließende Sinterung des im elektrischen Feld resultie- bearbeitet werden, ohne daß hierfür spezielle Werk-

renden Orientierungszustands erzeugt wird. zeuge oder Einrichtungen erforderlich sind.

Nach der Sinterung können die erhaltenen Formkör- 25 Die Formkörper gemäß der Erfindung sind neben

per glasiert werden, was für manche Anwendungszwek- dem Einsatz als Baumaterialien und Baustoffe auch auf

ke, beispielsweise für Boden und Wandverkleidungsma- zahlreichen anderen Anwendungsgebieten vorteilhaft

terialien, wie Fliesen, Kacheln u. dgl., besonders günstig einsetzbar, beispielsweise als Filtermaterialien sowie als

ist und zugleich die Festigkeit der resultierenden Form- hitzefeste Auskleidungsmaterialien etwa anstelle von

körper noch weiter erhöht 30 Schamotte.

Wegen der günstigen Substrateigenschaften von Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist als wesent- Quarz können hierfür beliebige herkömmliche Glasuren liehe Teile eine Feldeinrichtung mit kondensatorartig

und Fritten verwendet werden, ebenso etwa Tonschlik- angeordneten Elektroden zum Anlegen des elektrosta-

kerbeschichtungen. tischen Hochspannungsfelds sowie einen ihr nachge-

In zahlreichen Regionen Nordafrikas sowie etwa im 35 schalteten Sinterofen auf. Für Fälle, in denen der Quarz-Nahen Osten steht neben großen Wüstensandvorkom- sand vor der Verfestigung zu Formkörpern getrocknet men auch Meersalz in beliebiger Menge zur Verfügung. werden muß, umfaßt die erfindungsgemäße Vorrich-Es ist entsprechend besonders günstig, unter derartigen tung ferner einen Trockner zum Trocknen des einge-Voraussetzungen Salzglasuren in der herkömmlichen setzten Quarzsands sowie eine ihm nachgeschaltete Weise aufzubringen, wobei vorzugsweise Meersalz ein- 40 Fördereinrichtung, die den getrockneten Quarzsand in gesetzt wird. die Feldeinrichtung fördert

Die erfindungsgemäßen Sinterformkörper werden Als Trockner wird vorzugsweise ein heißluftbetriebe-

bei Verwendung als Baumaterialien vorzugsweise in ner Wirbelschichttrockner oder ein beheiztes Rohr mit

Normstein-Abmessungen hergestellt. Förderschnecke verwendet, wobei in diesem Fall die Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich gut für 45 Förderschnecke gleichzeitig als Fördereinrichtung zum

eine kontinuierliche Verfahrenslührung. Der Schritt der Transport des getrockneten Quarzsands in die nachge-

Feldeinwirkung ist zwar ein quasi diskontinuierlicher schaltete Feldeinrichtung herangezogen werden kann. Einzelschritt, kann jedoch in eine insgesamt kontinuier- Günstigerweise kann ferner auch eine Blaseinrich-

liche Verfahrensweise integriert werden, wodurch sich tung oder ein Druckluftförderer zur Förderung des vor-

die Effektivität und Produktivität des Verfahrens gegen- 50 getrockneten Quarzsands verwendet werden,

über dem absatzweisen Betrieb erhöhen läßt. Die Feldeinrichtung zum Anlegen eines elektrischen

Die erfindungsgemäßen Sinterformkörper können Hochspannungsfelds umfaßt vorzugsweise zwei etwa

abschließend wieder zu kleineren Bruchstücken mit waagerechte, übereinander angeordnete und voneinan-

Korngrößen > 2 mm zerkleinert: werden, beispielsweise der ausreichend beabstandete plattenförmige Elektro-

in Kugelmühlen, Kollergängen 11. dgl. Derartige Bruch- 55 den, von denen die untere vorzugsweise feststehend und

materialien eignen sich günstig beispielsweise als Schot- die obere in senkrechter Richtung oder zur Seite

ter- oder Kiesersatz für Beton und Mörtel sowie insbe- schwenkbar beweglich ausgebildet ist.

sondere als Unterbaumaterialien für den Straßen- und Eine besonders günstige Ausführungsform der erfin-

Wegebau. dungsgemäßen Vorrichtung besteht in einer Einrich- Das in Schritt (B) anfallende heiße Sintergut kann 60 tung zum Anlegen eines elektrostatischen Felds, die mit

ferner günstigerweise direkt und ohne wesentliche vor- der Form integriert ist, wobei die Form günstigerweise

herige Abkühlung aus der Sintereinrichtung ausgetra- einen elektrisch leitenden Boden und Deckel aufweisen

gen und als Baumaterial verwendet werden, insbesonde- kann, die in diesem Fall als Elektroden dienen,

re als Oberbau- oder Belagsmaterial für den Straßen- Graphitformen eignen sich hinsichtlich der thermi-

und Wegebau. 65 sehen Beständigkeit sowie der elektrischen Leitfähig-

Die Sinterformkörper gemäß der Erfindung zeichnen keit für diesen Zweck besonders gut. sich einerseits durch hohe Festigkeit aus, so daß sie z. B. Die Feldeinrichtung kann ferner eine zusätzliche Einais Bausteine im Hoch- und Tiefbau vorteilhaft verwen- richtung zur Aufladung des Quarzsands aufweisen, bei-

spielsweise eine Coronaentladungseinrichtung, die günstig mit der gleichen Spannungsquelle wie die Feldeinrichtung betrieben wird.

Als Sinterofen wird in der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorzugsweise ein Tunnelofen eingesetzt, wobei es besonders günstig ist, die Heißluft aus dem Sinterofen zum Trockner rückzuführen, um hierdurch Energie einzusparen.

Für den Einsatz beim Straßen- und Wegebau kann die erfindungsgemäße Vorrichtung günstigerweise fahrbar ausgeführt sein, wobei zumindest die Feldeinrichtung und der Sinterofen mit Austrag und vorzugsweise ferner auch ein Vorratsbehälter für Quarzsand und ein ihm nachgeschalteter Trockner sowie eine Fördereinrichtung vor der Feldeinrichtung miteinander zu einer fahrbaren Einheit zusammengebaut sind, die bevorzugt selbstfahrend ausgebildet ist, d. h. einen eigenen Antrieb einschließlich Stromversorgungseinrichtung, z. B. eines Generators, aufweist

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Claims (1)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung von Sinterformkörpern geringer Dichte und hoher Festigkeit auf der Basis von Quarzsand, dadurch gekennzeichnet, daß

A. Körner vom Quarzsand im Komgrößenbereich von 0,002 bis 2 mm in eine dem herzustellenden Sinterformkörper entsprechende Form eingebracht werden, an der ein stationäres elektrisches Hochspannungsfeld anliegt, und darin aufgeladen werden, und

B. die erhaltene Anordnung der aufgeladenen Körner des Quarzsands in der Form gesintert wird.