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Verfahren zum Herstellen von grobkeramischen Formteilen
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von grobkeramischen
Formteilen, z.B. Ziegelsteinen, bei welchem ein anorganisches Granulat mit einem
Bindemittel-Schlicker solcher Art und Menge vermischt wird, daß die Granulat-Körner
völlig umhüllt werden, daß aber zwischen den Körnern freie Kanäle, die den Gasdurchtritt
gestatten, freibleiben. Als Bindemittel wird dabei ein anorganischer Stoff oder
ein anorganisches Stoff-Gemisch verwendet, dessen Sinter- oder vorzugsweise Schmelztemperatur
niedriger ist als die Erweichungstemperatur der Granulat-Körner. Nach dem Vermischen
der Granulat-Körner mit dem genannten Schlicker wird die Masse geformt, gegebenenfalls
vorgetrocknet und sodann gebrannt. Das Brennen kann infolge der vorhandenen Gasdurchtrittskanäle
vorteilhafterweise im Durchströmverfahren geschehen, wobei die heißen Brenngase
zum Aufheizen nicht nur über die Oberfläche der Formlinge geführt, sondern durch
die Formlinge hindurchgeleitet werden. Bei diesem Brennverfahren tritt eine weitgehend
gleichmäßige Durchwärmung der Formlinge in kürzerer Zeit als sonst üblich ein. Ein
Verfahren dieser Art ist beispielsweise in der deutschen Patentanmeldung P 33 40
440.2 beschrieben.
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Bei der industriellen Durchführung des erwähnten Brennverfahrens besteht
der Wunsch, die Formlinge im Brennofen übereinanderzustapeln und, wie auch sonst
beim Brennen keramischer Körper üblich, als Stapel der Wärmebehandlung zu unterwerfen.
Gerade dies macht aber Schwierigkeiten, da die Sinter- oder Schmelztemperatur der
üblicherweise eingesetzten Bindemittel ziemlich in der Nähe der Erweichungstemperatur
der Granulat-Körner liegt. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn als Granulat-Körner
Blähtongranulat und als Bindemittel Ton eingesetzt wird. Die Kombination dieser
Komponenten ist besonders begehrt, da bei ihrem Einsatz poröse, gut wärme-isolierende
Ziegelsteine von geringem Raumgewicht und hoher Festigkeit entstehen. Nur leider
ist das Brennen im Stapel meist nicht möglich, da unter der Eigenlast der gestapelten
Steine sich die unteren und mittleren Schichten bei Erreichen der Brenntemperatur
verformen. Bei der Durchführung des genannten Verfahrens werden deshalb in besonders
konstruierten Öfen Einzelsteine gebrannt, was eine Lösung des Problemes darstellt,
jedoch in wirtschaftlicher Hinsicht nicht optimal ist.
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Es ist zwar bekannt (DE-OS 20 32 266) vergleichbare, jedoch nicht
poröse Leichtbaukörper aus Blähtongranulat und tonartigen Bindemitteln herzustellen
und die Sinter- oder Schmelztemperatur des Bindemittels durch Zuschläge zu erniedrigen.
Als Zuschläge kommen beispielsweise Soda, Wasserglas oder ähnliche Stoffe in Betracht.
Der Zusatz der Zuschlagstoffe hat aber den Nachteil, daß einerseits die Festigkeit
der gebrannten Körper niedriger ist und andererseits der Alkaligehalt zwangsläufig
angehoben wird, wodurch die Gefahr des Ausblühens der fertigen Ziegelsteine erhöht
wird.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für die Herstellung von
grobkeramischen Formteilen aus einem anorganischen Granulat, vorzugsweise Blähton
oder Blähschiefer ein Bindemittel zu ermitteln, welches trotz hinreichend niedriger
Sinter- bzw. Schmelztemperatur zu Formkörpern hoher Festigkeit führt. Unter der
Angabe "hinreichend niedriger Sinter- bzw. Schmelztemperatur" wird eine Temperatur
verstanden, die wenigstens 50 bis 1000C niedriger als die Erweichungstemperatur
des eingesetzten anorganischen Granulates liegt. Bei einer derartigen Differenz
der erwähnten Temperaturen kann auch im grobkeramischen Fabrikationsbetrieb sichergestellt
werden, daß eine maximale Festigkeit der herzustellenden Formteile erzielt wird,
ohne daß eine Verformung der eingesetzten Rohlinge, selbst wenn diese im Stapel
gebrannt werden, eintritt.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird vorgeschlagen, daß als Bindemittel
Al-Fe-III-Silikat, gegebenenfalls in Mischung mit Ton verwendet wird, wobei das
Al-Fe-III-Silikat als Rückstand industrieller Prozesse in reiner oder mit Alkali-,
Erdalkali- und/oder Titanoxiden verunreinigten Form eingesetzt wird.
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Bei der Untersuchung zahlreicher in Betracht kommender Bindemittel
hat sich gezeigt, daß die erwähnten Stoffe bzw. Stoff-Gemische in überraschendem
Maße die zu stellenden Anforderungen, nämlich niedrige Sintertemperatur und hohe
Endfestigkeit im Verbund mit anorganischen Granulaten, insbesondere Blähton und
Blähschiefer zeigen. Als besonders vorteilhaft, auch in wirtschaftlicher Hinsicht,
hat sich erwiesen, wenn als Aluminium-Eisen-III-Silikat entweder Steinkohlenasche
(Steinkohlenflugasche) oder gemahlene Schmelzkammerschlacke aus Kraftwerken oder
eine Mischung dieser Stoffe eingesetzt wird.
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Steinkohlenaschen (Steinkohlenflugaschen), wie sie in Kraftwerken,
welche mit Steinkohle befeuert werden, anfällt, haben die nachfolgend aufgeführte
Durchschnittsanalyse: SiO2 36-44 Gew.% Al203 28-29 Gew.% Fe203 6,5-10,5 Gew.% TiO2
8,0-10,5 Gew.% CaO 5,0-7,5 Gew.% MgO 1,5-2,3 Gew.% K20 0,8-1,1 Gew.% Na20 0,9-2,7
Gew.% Die Bestandteile addieren sich zusammen mit einem Rest, welcher aus weiteren
Verunreinigungen besteht (je nach Herkunft der Steinkohle verschieden) zu 100,0
Gew.%.
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Steinkohlenasche ist folglich ein Aluminium-Eisen-III-Silikat, welches
Verunreinigungen aus Alkalioxiden, Erdalkalioxiden (einschließlich Magnesiumoxid)
sowie auch Titandioxid enthält. Es hat sich gezeigt, daß dieses Material hervorragend
zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist.
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Schmelzkammergranulat fällt als Verbrennungsrückstand in Kraftwerken
an, welche mit Kohle befeuert werden.
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Derartige Verbrennungsrückstände haben beispielsweise die folgende
Durchschnittszusammensetzung: Si02 45-55 Gew.% Al2 03 30-38 Gew.% Fe203 10-15 Gew.%
MgO 0,5-2,0 Gew.% Die Prozentzahlen der Bestandteile ergänzen sich zusam-
men
mit einem geringfügigen Rest weiterer Verunreinigungen zu 100,0 Gew.%.
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Bei Schmelzkammergranulaten, wie sie in Großkraftwerken auftreten,
handelt es sich folglich um weitgehend reines Aluminium-Eisen-III-Silikat mit nur
geringfügigen Verunreinigungen, die insbesondere aus Magnesiumoxid bestehen. Auch
diese Stoffe eignen sich gut zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Die Erfindung wird im folgenden anhand einiger Ausführungsbeispiele
näher beschrieben. Als anorganisches Granulat wurde bei diesen Ausführungsbeispielen
ein Blähton-Granulat eingesetzt, dessen Erweichungspunkt bei ca. 1020-1040°C liegt.
Als Bindemittel wurden zwei Tonsorten verwendet, nämlich der verhältnismäßig fette
Opalinuston sowie der magerere Lehrbergton. Die durchschnittliche Zusammensetzung
der beiden Tonsorten war wie folgt: Opalinuston: Si02 55,41 Gew.% Al203 21,33 Gew.%
Ti02 1,00 Gew.% Fe203 8,84 Gew.% Ca0 5,20 Gew.% MgO 2,29 Gew.% K20 4,08 Gew.% Na20
0,79 Gew.% Lehrbergton: SiO2 74,90 Gew.% Al203 13,06 Gew.% TiO2 0,78 Gew.% Fe203
4,90 Gew.%
Ca0 0,66ew..% MgO 1,42 Gew.% K20 2,72 Gew.% Na20 0,84
Gew.% Die Lage der erwähnten kritischen Temperaturen zeigt, daß es nicht möglich
oder nur sehr schwierig ist, Blähton-Granulat mit einer der genannten Tonsorten
abzubinden. Es gelingt dies nur, wenn die entsprechend vorbereiteten Rohlinge als
Einzelrohlinge gebrannt werden, so daß kein Druck auf diese einwirkt. Geschieht
dies, so entstehen Formkörper mit Festigkeiten von 2 etwa 45 kp/cm Zur Durchführung
von Vergleichsversuchen wurden 1125 1 Blähton mit einer Korngröße von 4-8 mm und
einem 3 Schüttgewicht von 330 kg/m mit 240 1 Bindemittelschlicker in einem Rührwerk
vermischt. Der Bindemittelschlicker hatte folgende Zusammensetzung: Ton 19 Gew.%
Al-Fe-III-Silikat in der jeweils unten angegebenen Form 56 Gew.% Wasser 25 Gew.%.
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Aus der so bereiteten Mischung wurden quaderförmige Prüfkörper geformt.
Die Prüfkörper hatten folgende Abmessungen: 3 15,0 x 15,0 x 15,0 cm Zur Formung
wurde die Masse drucklos in eine entsprechende Form eingefüllt und durch Rütteln
verdichtet.
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Die Prüfkörper wurden ohne Vortrocknung bei 950ob gebrannt. Dabei
wurde folgendes Wärmebehandlungsschema eingehalten:
Anheizzeit
bis zur Brenntemperatur 9 Stunden Haltezeit auf Brenntemperatur 7 Stunden Abkühlzeit
bis Raumtemperatur 7 Stunden An den so erzeugten Prüfkörpern wurde die Druckfestigkeit
bestimmt. Es ergaben sich folgende Werte: Bindemittel: Ton mit Steinkohlenasche
Bindemittel- Druckfesiigkeit Verhältnis % in kp/cm Ton : SKA*) Opalinuston Lehrbergton
| 80 20 19 1 11 |
| 70 1 30 20 1 12 |
| 60 1 40 20 1 15 |
| 50 1 50 27 1 18 |
| 40 60 31 1 22 |
| 30 1 70 34 1 31 |
| 20 80 41 49 |
| 10 90 45 1 45 |
) SKA = Steinkohlenasche Bindemittel: Ton mit Schmelzkammergranulat-Mehl Bindemittel-
Druckfestigkeit Verhältnis % in kp/cm
| * |
| Ton : Skg -Mehl Opalinuston Lehrbergton |
| 80 1 20 17 9 |
| 70 30 19 1 10 |
| 60 1 40 21 1 12 |
| 50 50 24 1 15 |
| 40 1 60 33 1 19 |
| 30 1 70 37 1 24 |
| 20 1 80 38 1 37 |
| 10 90 33 1 41 |
| 1 100 26 1 33 |
*) Skg = Schmelzkammergranulat Der Übersichtlichkeit halber wurden
die ermittelten Festigkeitswerte in Abhängigkeit von der Bindemittelzusammensetzung
in der beiliegenden Zeichnung graphisch dargestellt. Es zeigen: Fig. 1 die Werte
für Opalinuston und Lehrbergton in Mischung mit Steinkohlenasche entsprechend Tabelle
1; Fig. 2 die Werte für Opalinuston und Lehrbergton in Mischung mit Schmelzkammermehl
entsprechend Tabelle 2.
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Als anorganisches Granulat wurde in allen Fällen Blähtongranulat eingesetzt.
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Der Kurvenverlauf zeigt bei allen dargestellten Ergebnissen, daß die
erzielte Festigkeit bei etwa 80 Gew.% Aluminium-Eisen-III-Silikat (in der jeweils
eingesetzten Form), Rest Ton ein Maximum zeigt. Sie fällt nach reinem Aluminium-Eisen-III-Silikat
hin wieder deutlich ab. Die Kurvenform ist unabhängig von der eingesetzten Tonsorte;
lediglich die absoluten Werte hängen etwas von dieser ab.
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Weitere Untersuchungen haben gezeigt, daß nicht nur das Brennverhalten
und die Festigkeit der erzielten Formkörper gut ist, sondern auch das Verhalten
gegenüber der Atmosphäre, insbesondere gegenüber Beregnung in SO2- und C02-haltiger
Luft. Gerade unter solchen Bedingungen neigen vorbekannte grobkeramische Formkörper
zum Ausblühen, insbesondere, wenn sie Soda oder Wasserglas enthalten. Qualitative
Vergleiche haben ge-
zeigt, daß dies bei Formkörpern, die nach
dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt worden sind, nicht der Fall ist.
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Je nach Zusammensetzung des eingesetzten Al-Fe-III-Silikates ist die
Färbung der erzeugten Formkörper gelblich bis rot. Soll ein Silikat eingesetzt werden,
welches an sich zu gelben Formkörpern führen würde, sind aber rote Formkörper gefragt,
so ist es ohne Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften möglich, der Masse
gebranntes Eisenoxid als Färbemittel zuzusetzen. Auch die Hydrolysebeständigkeit
der erzeugten Steine wird durch diesen Zusatz nicht verschlechtert.
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