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Verfahren zur Herstellung von Zement. Die Erfindung betrifft ein Verfahren,
um aus natürlichem, kieselsäurehaltigem Material, beispielsweise Feldspat und Tongestein,
ein wertvolles hydraulisches Bindemittel herzustellen. Es hat sich gezeigt, daß
man :durch die nachfolgend, beschriebene Behandlung von natürlichem, zugleich kieselsäure-
und alkalihaltigem Material, wie Feldspat, ein hydraulisches Bindemittel von wertvollen
Eigenschaften herstellen kann, und :dlaß, man auch das Kali oder sonstige Alkali
schnell und wirtschaftlich mit einer großen prozentualen Ausbeute gewinnen kann,
indem das Verfahren einen verhältnismäßig kleinen Brennstoffverbrauch erfordert
und -stetig betrieben werden kann. Wie weiter unten erläutert, ist das Verfahren
gemäß der Erfindung äußerst wertvoll für die Herstellung eines hydraulischen Bindemittels,
auch kann Kali. oder sonstiges Alkali als Nebenprodukt bei der Zementfabrikation
gewonnen werden.
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Das neue Verfahren besteht in seiner bevorzugten Ausführungsform darin:,
daß man natürlichem, tonigem, kieselsäurehaltigemMaterial, vorzugsweise Tongestein
oder Feldspat, in solcher Menge kalkhaltiges Material, z. B. Kalziumkarbonat, zusetzt,
@daß das kalkhaltige Material dien CaO-Gehalt des resultierenden Bindemittels bis
auf 40 bis 55 Prozent bringt, und daß man das Gemisch in einer oxydierenden oder
nicht reduzierenden Atmosphäre schmilzt und- die Stoffe, während sie sich in-geschniolzenem
Zustande befinden, in welchem sie praktisch :keine oxydierbaren Bestandteile enthalten,
mit einer Lösung eines Salzes eines oder mehrerer Alkalimetälle oder alkalischen
Erdmetalle, z. B. mit Magnesiumsulfat, behandelt, um das: geschmolzene Produkt zu
zersetzen und ihm zwecks Herstellung eines hydraulischen B-in.demittels hydraulische
Eigenschaften zu :erteilen. Das Alkali kann z. B. wirtschaftlich dadurch erhalten
werden, :daß man neben dem Kalkmaterial oder an Stelle eines Teiles desselben eine
so große Menge eines; Halogensalzes bzw. von Halogensalzen, z. B. Kalziumchlorid,
zusetzt, daß es sich mit dem in dem Feldspat enthaltenen, Alkali verbindet, so daß
dieses, welches durch das Schmelzenverflüchtigt wird, als Alkali-Halogen-Salz gewonnen,
werden kann und zwei wertvolle Stoffe direkt aus ,denselben Rohmaterialien erhalten
werden. Man kann auch :das Alkali ohne Verwendung von Halogensalzen erhalten, indem
man es beim Schmelzen in einer nicht reduzierenden Atmosphäre -durch Kohlendioxyd[
bindet, wobei leicht gewinnbares Alkalikarbonat entsteht.
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Der erzeugte Zement ist, obwohl er ausgezeichnete hydraulische Eigenschaften
besitzt, kein. Portlandzement im Sinne :der heutigen Bedeutung dieses Ausdruckes,
hauptsächlich wegen des geringen Gehaltes an Ca 0.
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Bei einer bevorzugten, beispielsweisen -Ausführung -des Verfahrens
wird Feldspat
(Orthoklas) in einem Ofen in, einer oxydierendenAtmosphäre
-mit so viel Kalziumchlorid geschmolzen, daß genügend Chlor entsteht, um das in
-dem Feldspat enthaltene Alkali zii binden, und mit einer so großen Menge Kalziumkarbonat,
daß der Kalziumoxyd'gehalt des Endmaterials zwischen 4o und 55 Prozent zu liegen
kommt. .Das Kalziurnchlorid: verbindet sich finit dem indem Silikat enthaltenen
Alkali zu Kalium- oder sonstigem Alkalichlorid, welches verflüchtigt wird und; durch
geeignete Kondensationseinrichtungen gesammelt werden kann. Das sich ergebende Material
.kann ungefähr die folgende Zusarnmnensetzung besitzen.: .
| Kieselsäure .... 35 Prozent, |
| Tonerde ...... io. |
| Kalziumoxy d .. 52 - |
| . Rest ......... !3 - . |
Die Schmelzung erfolgt vorzugsweise im Ofen in -einer oxydierenden oder wenigstens
nicht reduzierenden Atmosphäre, so,daß kein in den Doppelsilikaten enthaltenes Metall
reduziert w ird und den- Ofen verstopft.
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Das geschmolzene Material wird (nach Abscheidung des Alkalis, falls
dieses gewonnen werden soll) schnell und billig in einen ausgezeichneten., wertvollen,
hydraulischenZement umgesetzt. Zu diesem Zweck läßt man das Material entweder direkt
oder von- einem Löffel aus d!em Herd ablaufen, vorzugsweise auf eine umlaufende
Trommel, so. daß es in einer mit einem Sprühregen. .einer wäßrigen Lösung von Magnesiumsulfat
gefüllten Kammer in feinste Teilchen zerteilt wird!. Da das Magnesiumsulfat eine
wäßrige Lösung ist, beispielsweise eine 5prozentige Lösung, und mit den Teilchendes
Materials in Berührung kommt (welches sich noch in- geschmolzenem Zustande befindet,
in welchem es praktisch keine oxydierbaren Bestandteile enthält), wird das Lösewasser
schnell verdampft und schließt das Produkt beim Abkühlen: auf. Hierbei ergeben sich
bemerkenswerte Veränderungen in der chemischen und physikalischen-Beschaffenheit
der geschmolzenen Silikate, und es entsteht ein hochwertiger hydraulischer Zement.
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Die Ausdrücke »Schmelzung«, »geschmolzen« u. dgl. bezeichnen hierbei
nichts weniger als ein vollständig flüssig geschmolzenes Produkt .im Gegensatz zu
bloßen Sinterungsprodukten, wie man sie sonst vielfach :durch Brennprozesse erzeugt.
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Anstatt Kalziumchlorid, zu verwenden, kann man als. Ersatz jedes billige
Halogensalz oder mehrere solche Salze nehmen, welche einen Bestandteil enthalten,
der mit dem Alkali eine leicht flüchtige Verbindung einzugehen vermag. Statt Kalziumkarbonat-kann
-f- jedes andere geeignete kalkhaltige Material verwendet werden, welches den Kalziumoxyd=
gehalt des sich ergebenden Produktes auf einen höheren. Prozentsatz steigert. Desgleichen
kann man bei der zweiten Verfahrensstufe bei der Herstellung von, Zement andere
wasserlösliche Salze -der Alkali- oder Erdalkalimietalle- in das heiße Material
einführen. In manchen Fällen. kann man auch andere Materialien, .z. B. Eisensalze,
Alkalisalze usw., verwenden, für deren Auswahl der Gesichts-' punkt maßgebend ist,
daß bei dem zweiten. Abschnitt des Verfahrens die erforderlichen j Stoffe zugefügt
werden, damit ein hydraulischer Zement entsteht, welche Stoffe je nach *der Art
des bearbeiteten Grundstoffes und der besonderen Art oder Beschaffenheit dies verlangten
hydraulischen Zements schwanken.
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Die zweite Verfahrensstufe ändert den Charakter des geschmolzenen
Materials und macht -es zur Herstellung eines hydraulischen Zements geeignet, weil
das in flüssiger Form befindliche Salz bei -,der Berührung mit -dem heißen.Produkt
die Änderungen verursacht, welche für die Erzeugung eines Materials -wesentlich
sind, das die physikalischen: Eigenschaften von Zemnentklinkern zeigt. Zu diesem
Produkt wird nachher eine entsprechend, große Menge von Mörtel oder Gips zugesetzt,
um die gewünschte Abbindezeit des Zements hervorzurufen. Statt -des obenerwähnten
Ka1-ziumchlorid kann man- bei .der ersten Verfahrensstufe Kalziümkarbonat allein
verwenden. Wenn man so ein Doppelsilikat von -Kalium und, Aluminium nimmt, welches
im wesentlichen folgende Zusammensetzung besitzt:
| Kieselsäure ... 65 Prozent, |
| Tonerde. .... 18 - |
| Kaliumöxyd ... 14 - |
und Spuren von Eisen-, Natrium-, Kalzium-und Magnesiumoxyd und diese Materialien
mit einem verhältnismäßig reinen Kalkstein oder Marmor im Verhältnis von ioo Teilen
Doppelsilikat auf 1.7o Teile Kalziumkarbonat verbindet, erhält man ein geschmolzenes
Produkt von ungefähr folgender Zusammensetzung:
| Kieselsäure . . . . . . . 35 Prozent, |
| Tonerde . ....... io - |
| Kalziumoxyd . 52 - |
| sonstige Bestandteile - 3 - |
Diese Stoffe schmelzen sehr leicht und bei einer Temperatur, welche 200° bis 300°
tiefer liegt als die zur Herstellung voni Pörtländzemnent erforderliche Temperatur,
welche ungefähr i3oo° C beträgt. Hierdurch wird ihr Brennen - eine verhältnismäßig
einfache Sache, indem -die Stoffe auf ungefähr die
Größen gebrochen
und zermahlen; werden, welche für die Hochofenbearbeitung erforderlich sind, doch
können sie. gewün.schtenfalls :durch Walzen. grab zerquetscht und in einem Schachtofen
behandelt werden. Wenn die Materialien geschmolzen sind, wird das- Alkali verflüchtigt
und verbindet sich mit dem Überschuß an Kohlendioxyd, um Alkälikärbonat zu bilden,
welches sich in den Rauch-' kanälen kondensiert. und unter Benutzung einer geeigneten
Ofeneinrichtung gewonnen werden kann, welche das entweichende Gas kühlt.
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Wenn die Materialien in dien letztgenannterv Mengenverhältnissen vereinigt
werden, kann man aus j e 45 kg Orthoklas bei vollständiger Wiedergewinnung. ,des
ganzen Alkalis etwa 1 1,2, kg Alkalikarbonat erhalten.. Jedes Faß Zement würde ungefähr
9o kg Orthoklas erfordern, wenn Rücksicht genommen wird auf Unreinheiten im Kalk
und auf Zusätze von Asche und Magnesiumsulfat und Gips, welche in dien zweiten Verfahrensstufe
entstehen können. Es würde deshalb bei vollständiger Gewinnung des Alkalis möglich
sein, auf jedes Faß hydraulischen Zements aus solchen Materialien etwa 22,¢5 kg
Alkalikarbonat zu erhalten.
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Dadurch, daß man, das Schmelzen der Materialien in einer oxydierenden
oder- doch nicht reduzierenden Atmosphäre vornimmt, , werden beträchtliche. Vorteile
erzielt. Es werden nicht nur Metalle und oxydierbäre Stoffe ausgeschieden, welche
für die Beschaffenheit dies Zements nachteilig sein würden, wie z. B. Sulfide, sondern
das Alkali wird auch viel schneller und vollständiger abgegeben. Außerdem wird hierdurch
eine größere Wirtschaftlichkeit erzielt, -da ein kleinerer Brennstoffverbrauch erforderlich
ist und die Entstehung von freiem Metall verhindert wird, wodurch der Ofen verstopft
und der Betrieb periodisch gestört werden würde.
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Dadurch, -daß man die ob@engenannten Mengenverhältnisse von: CaO zu
-Säurebestandteilen einhält und das Gemisch' schmilzt, statt es nur einer bloßen'
Kalzinierung zu unterwerfen, wird praktisch das ganze Alkali leichtabgegeben und
gewonnen, während beim Kalzinieren ungefähr die halbe Alkalimnenge in den kalzinierten
Bestandteilen verbleiben würde. Die Schmelzung befördert ferner .die Wirtschaftlichkeit
insofern, -als weniger Brennstoffverbrauch erforderlich ist als beim Sintern.
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Es ist zu beachten, daß. verschiedene Kalkmaterialien bei der Schmelzung
des Kieselsäurematerials verwendet werden können. Jedoch erscheint Kalziumkarbonat
als besonders geeignet. Kalziumsulfat kann beispielsweise verwendet werden, ist
aber nicht so ZweCkmäßig, weil SO., erst-bei einer verhältnismäßig höheren
Temperatur freigegeben wird und man bei Verwendung .:dieses Materials einen Zement
schwieriger herstellen .kann. Auch Magnesiumkarbonat und ähnliche Verbindungen wirken
bis zu einem gewissen Grade auf gleiche Weise wie Kalziumkarbo= nat und können als
Ersatzstoffe dafür dienen.
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Durch Verwendung des neuen Verfahrens können Orthoklas, Tonschiefer
oder sonstige . tonige, kieselsäurehaltige Materialien, zur Herstellung eines hydraulischen
Zements verwendet werden, wobei man gleichzeitig einen relativ höheren Prozentsatz
verflüchtigten Alkalis.-erhält, als es bisher mit. Hilfe eines Brennverfahrens möglich
gewesen ist.
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- Wesentlich für das vorliegende Verfahren und für den dadurch erstrebten
und erreichten Effekt ist, @daß eine Mehrzahl von Bedingungen gleichzeitig erfüllt
wird. Das kieselsäurehaltige, tonige Material -muß z. in an sich bekannter Weise
mit Kalk versetzt werden, und zwar in solcher Menge, daß :der Gehalt der Rohmischung
von Ca0 etwa 50 Prozent ihrer nicht flüchtigen Bestandteile beträgt; :dieses
zu dem Zweck, eine hinreichend niedrige Schmelztemperatur zu erzielen; 2. muß der
Schmelzprozeß der Rohmischung in, einer oxydierenden oder jedenfalls nicht reduzierenden
Atmosphäre durchgeführt werden,- so daß der Schmelzfluß keine oxydierbaren Bestandteile
enthält, und 3. muß die so beschaffene Schmelze mit die Hydraulizität steigernden
Alkalinnetallsalzlösuirgen behandelt werden.
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Es genügt nicht, @daß man in an sich bekannter Weise eine durch' hohen
Kalkgehalt bei verhältnismäßig niedriger Temperatur schmelzende Rohmischung herstellt
und diese einer ihre Hydraulizität steigernden Behandlung unterwirft, sondern; der
Schmelzprozeß muß in besonderer Art, nämlich in nicht reduzierender Flamme, (durchgeführt
werden, um die- Schmelze frei von oxydierbaren Bestandteilen zu halten, da diese
die Verflüchtigung,des stets vorhandenen und im besonderen als wertvolles Nebenprodukt
gewinnbaren Alkalis hindern, und auch um Metalleinschlüsse, insbesondere Einschlüsse
von metallischem Eisen, sowie Einschlüsse von Sulfiden aus in der Mischung vorhandenen
Sulfaten und aus dem Schwefel des Brennstoffs in dem herzustellenden Zement auszuschließen.
Dieser Zustand des Freiseins der Schmelze von oxydierbären Bestandteilen muß auch
aufrechterhalten werden Während der Behandlung mit den die Hydraulizität steigernden
Alkalimetalls-alzlösungen, und diese Behandlung muß durchgeführt werden, während
sich die Masse im schmelzflüssigen Zustande befindet. Das wesentlich Neue des
vorliegenden
Verfahrens gegenüber vorbekannten Verfahren, welche das eine oder das andere Merkmal,
wie die leichte Schmelzbarkeit der Rohmischung oder die Steigerung der Hydraulizität
.durch Alkalimetallsalzlösung, mit ihm gemein haben,-legtbesonders in der Erkenntnis
von der Bedeutung der Vermeidung eines Gehalts an oxydationsfähiger Substanz in
der Schmelze bei der Behandlung mit Alkali- oder Erdalkälimetallsalzlösung.