DE4312742C1 - Brennhilfsmittelsystem für die Keramikindustrie - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Brennhilfsmittelsystem für die Keramikindustrie gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei der Herstellung von keramischen Erzeugnissen werden diese in einem Ofen bei etwa 1400°C gebrannt. Für den Brenn­ vorgang werden verschiedene Hilfsmittel benötigt, die dazu dienen, das Brenngut zu lagern, zu haltern, zu stapeln etc. Die bisher verwendeten Brennhilfsmittel bestehen hauptsäch­ lich aus silikatischen Bindungen, die teilweise auch rekri­ stallisiert sind. Dies ist z. B. dein Prospekt "Anna Nox CK" der Firma Anna Werk Keramische Betriebe GmbH zu entnehmen, der u. a. auch ein gattungsgemäßes Brennhilfsmittelsystem, bestehend aus Platten und Stützen, zeigt.

Brennhilfsmittel aus den bisher verwendeten Materialien weisen (z. B. Anna Nox CK) eine Vielzahl von Nachteilen auf. Die bisherigen Brennhilfsmittel sind wenig belastbar und deshalb sehr massiv. So müssen z. B. Platten auf denen die zu brennenden Gegenstände abgestellt werden, um genügend be­ lastbar zu sein, eine erhebliche Dicke aufweisen. Sie sind damit sehr schwer und haben ein großes Volumen. Aufgrund des großen Materialbedarfs ist auch die Wärmekapazität dieser Brennhilfsmittel besonders hoch. Das bedeutet, daß ein erheblicher Anteil, teilweise mehr als 50%, der für den Brennvorgang benötigten Energie zum Aufheizen der Brenn­ hilfsmittel verwendet werden muß.

Die Haltbarkeit der bisherigen Brennhilfsmittel ist eben­ falls sehr begrenzt, da ihre Temperaturwechselbeständigkeit nicht ausreichend hoch ist und sie mechanisch und chemisch nicht stabil sind. Die bisherigen Brennhilfsmittel sind teilweise mit einer Schutzschicht versehen, um mit dein Brenngut keine chemische Verbindung einzugehen und um eine Oxidation gemäß der Reaktion SiC + 20₂ → SiO₂+ CO₂ des Grundmaterials des Brennhilfsmittels zu verhin­ dern. Diese Schutzschicht hat ebenfalls eine nur begrenzte Lebensdauer. Die Belastbarkeit der bisher verwendeten Brenn­ hilfsmittel, die sich insbesondere in der Biegefestigkeit im Temperaturbereich zwischen 20°C und 1400°C wiederspiegelt ist ebenfalls relativ gering.

Um ein Ankleben von Brenngut an den Brennhilfsmittels zu verhindern wird auf diesen Keramikpulver aufgebracht. Nach­ teilig ist hierbei, daß das Keramikpulver leicht von den Brennhilfsmitteln abfällt und auf das Darunterliegende Brenngut rieselt, was in der Fachsprache als Befall bezeich­ net wird.

Um eine schnelle Erwärmung der Brennhilfsmittel zu errei­ chen, muß die Wärmeleitfähigkeit groß sein. Bei den bisher bekannten Materialien ist die Wärmeleitfähigkeit ebenfalls sehr gering, da sie eine poröse Struktur besitzen. Nachtei­ lig beim Brennvorgang wirkt sich ebenfalls die hohe spezi­ fische Wärme der bisher bekannten Materialien aus.

In der DE-AS 26 05 949 findet sich der Hinweis, daß neben einer Reihe weiterer Materialien u. a. Rohstoff e auf Korund­ basis mit unterschiedlichen Bindungen als Ausgangsmaterial für Brennhilfsmittel verwendet werden, da sich derartige Rohstoffe durch eine relativ gute Temperaturwechselbestän­ digkeit auszeichnen. Als Ausgangsmasse zur Herstellung eines Formlings werden dein Rohstoff ein Zuschlagsstoff und ein Bindemittel beigemengt. Die Formlinge werden getrocknet und schließlich gebrannt. Die auf diese Weise herstellbaren Brennhilfsmittel weisen jedoch fertigungsbedingt eine große Wanddicke auf, so daß auch in diesem Fall die Wärmekapazi­ tät des Brennhilfsmittels außerordentlich hoch ist.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Brennhilfs­ mittelsystem für die Keramikindustrie der eingangs genannten Art zu schaffen, das die geschilderten Nachteile nicht besitzt.

Gelöst wird die Aufgabe durch ein Brennhilfsmittelsystem, welches die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist. Eine vorteil­ hafte Weiterbildung ist durch die Merkmale des Anspruchs 2 angegeben.

Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, ein Brennhilfsmittel­ system aus Spritzgegossenem Aluimniumoxid (Al₂O₃) zu schaffen, bei dem die Platten ein Dicken-/Längenverhältnis von ca. 1 : 100 besitzen und Versteifungselemente in Form von wulstartigen Erhöhungen sowie Ausnehmungen aufweisen, und die Stützen sich verjüngende Körper darstellen, deren Außen­ wände mit Längsrippen verstärkt sind und die in Aufnahmeboh­ rungen der Platten einsetzbar sind.

Zwar sind auch schon aus der DE 39 33 566 C1 Tellerbrennkap­ seln bekanntgeworden, die insbesondere im Bereich von Schul­ ter und Rand Aussparungen aufweisen. Jedoch ist die Wand­ dicke dieser Tellerbrennkapseln relativ hoch, was einerseits auf das Herstellverfahren (Schlickergußverfahren) und ande­ rerseits auf den verwendeten Werkstoff (SiC) zurückzuführen ist.

Durch die Verwendung von Aluininiumoxid beim Brennhilfsmit­ telsystem gemäß der Erfindung ergeben sich erhebliche Vor­ teile. Durch die höhere Festigkeit von Aluminiumoxid kann die Wanddicke der Brennhilfsmittel kleiner dimensioniert werden. Dies hat vor allem zur Folge, daß die Masse der Brennhilfsmittel erheblich reduziert ist. Dadurch kann das Gewichtsverhältnis von Brennhilfsmittel zu Brenngut um den Faktor 3 reduziert werden. Da die spezifische Wärme eben­ falls kleiner ist als die der herkömmlichen Materialien, ergibt sich dadurch eine um den Faktor 3 bis 4 geringere Wärmekapazität. Dies führt konsequenterweise zu einem erheb­ lich geringeren Energieverbrauch im Ofen. Ebenfalls werden die Aufwärmzeiten kürzer und somit auch die Ofenzyklen. Ein weiterer Vorteil ist der geringere Platzbedarf der Brenn­ hilfsmittel. Bei gleicher Ofengröße kann mehr Brenngut eingesetzt werden. Der Werkstoff Aluminiumoxid besitzt noch weitere erhebliche Vorteile, z. B. oxidiert er nicht, was zu einer hohen Lebenserwartung führt. Eine zusätzliche Oberflä­ chenbehandlung, wie bei herkömmlichen Brennhilfsmitteln, ist nicht notwendig. Außerdem ist die Wärmeleitfähigkeit bei Aluminiumoxid mit einer Dichte von 98% höher als bei her­ kömmlichen porösen Brennhilfsmitteln, dadurch entstehen weniger Spannungen im Querschnitt und die Wärme wird schnel­ ler verteilt. Die höhere Biegefestigkeit macht sich eben­ falls positiv bemerkbar. In der nachstehenden Tabelle sind die wesentlichen Materialeigenschaften von Aluminiumoxid und Anna Nox CK zusammengestellt:

Durch die Verwendung des Materials Aluminiumoxid ist die Herstellung der Brennhilfsmittel mittels des an sich bekann­ ten Spritzgußverfahrens möglich. Derartige Verfahren sind dein Grunde nach bekannt, beispielsweise ganz allgemein für die Herstellung spritzgießfähiger keramischer Massen ent­ sprechend der DE 32 45 184 C2 oder zur Herstellung feuerfe­ ster Spezialkörper in Form von Gaszündkerzen, Brennerdüsen, Isolatoren etc. gemäß der DE-AS 24 09 942.

Diese Verfahren bieten als wesentliche Vorteile:

Quasi isostatische Verdichtung während der Formgebung, auch bei dünnwandigen Platten, der hohe Anteil an Plastifizierer vermindert die Reibung zwischen den Pulverteilchen und ermöglicht eine gleichmäßige Verdichtung,
die Verwendung von hochfeinen reaktiven Sintertonerden mit einer bimodalen Verteilung ermöglicht eine sehr hohe Grün­ dichte,
der geringe lineare Schwund, aufgrund der hohen Gründichte, ermöglicht eine Präzision und Prozeßsicherheit, die erst eine wirtschaftliche Fertigung erlaubt,
die Geometrie der Brennhilfsmittel läßt sich je nach Anfor­ derung ohne Qualitätseinbußen anpassen, so sind Ausbrüche, Löcher und Verrippung zur Verstärkung, bzw. Gewichtsreduzie­ rungen möglich,
die gleichmäßige Gründichte führt zu einer gleichmäßigen Sinterdichte im Bauteil und somit zu einer geringen Fer­ tigungsstreuung (weniger Bruch während des Brandes).

Nachfolgend ist ein Ausführungsbeispiel anhand der Zeich­ nung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 Aufsicht auf eine erfindungsgeinäße Brennplatte

Fig. 2 Schnitt entlang der Linie A-A gemäß Fig. 1

Fig. 3 Schnitt einer erfindungsgemäßen Stütze

Fig. 4 Aufsicht entsprechend Fig. 3

Fig. 5 Längs schnitt durch eine Konstruktion von mehreren Brennplatten und Stützen.

Die Brennplatte gemäß Fig. 1 besitzt eine im wesentlichen dreiecksförmige Gestaltung. In den Eckbereichen sind jeweils Bohrungen 1a, b, bzw. c vorgesehen. Diese Bohrungen 1a, b und c dienen zur Aufnahme von Stützelementen. Das Zentrum der Brennplatte bildet eine Mittelbohrung 3. Diese Mittel­ bohrung 3 ist von einem scheibenförmigen Bereich 4 der sich teilweise bis an den Rand 6 der Brennplatte erstreckt umge­ ben. Der scheibenförmige Bereich 4 ist durch eine Vielzahl von kleinen Bohrungen 5 unterbrochen. Zwischen den Bohrungen 1a, b und c und dem scheibenförmigen Bereich 4 befinden sich jeweils drei Ausnehmungen 8a, b und c. Der Rand der Boh­ rungen 8a, b und c verläuft im wesentlichen parallel zu den Rändern der Bohrung 1a, b und c, dem Rand 6 und der äußeren Begrenzungslinie des scheibenförmigen Bereichs 4. Die Ober­ seite der Brennplatte ist eben. Die Unterseite der Brenn­ platte weist wulstförmige Erhebungen zur Versteifung im Bereich der Bohrungen 1a, b und c, der Mittelbohrung 3 und der Ausnehmungen 8a, b, und c auf. Der äußere Rand 10 der Brennplatte ist ebenfalls wulstförmig erhöht. Die wulstarti­ gen Erhöhungen sorgen als Versteifungselement für eine größere Stabilität und erlauben deshalb die übrigen Bereiche dünner auszuführen. Dies führt ebenfalls zu einer Gewichts­ einsparung.

Fig. 2 zeigt einen Schnitt entlang der Linie A-A nach Fig. 1. Die Löcher und Aussparungen dienen vor allem zur Ge­ wichtsreduzierung. Weiter erhöhen sie das Verhältnis Ober­ fläche zu Volumen der Platte, was zu einer schnelleren Wärmeleitung führt. Zusätzlich wird hierdurch noch die Luftzirkulation verbessert und damit eine engere Beschick­ ung möglich, d. h. mehr Brandgut kann bei gleichem Ofenvolu­ men eingesetzt werden ohne daß sich schädliche Temperaturun­ terschiede, sogenannte Temperaturzonen, bilden. Die Löcher und Aussparungen dienen außerdem noch dazu, evtl. Rißaus­ breitungen in der Platte zu stoppen.

Fig. 3 zeigt einen Schnitt durch ein Stützelement, Fig. 4 die entsprechende Aufsicht. Das Stützelement hat im wesent­ lichen die Form einer Hülse. Das Kopfteil des Stützelementes 20 hat einen kleineren Durchmesser als das Fußteil 21. Das Stützelement 20 weist mehrere Rippen 30 an seiner Außenwand auf. Die Rippen 30 erstrecken sich über das Fußteil 21 und die Verjüngung 22.

Fig. 5 zeigt ein System von übereinander angeordneten Brennplatten und Stützen. Das Kopfteil 20 ragt dabei durch eine der Bohrungen 1a, b und c. Auf dem Kopfteil 20 sitzt ein weiteres Stützelement mit seinem Fußteil 21. Der Abstand zwischen den Brennplatten wird durch die Rippen 30 defi­ niert. Auf diese Weise sind mehrere Brennplatten übereinan­ der angeordnet. Wesentlicher Vorteil dieses Stützsystems ist, daß alle Teile aus dem gleichen Werkstoff hergestellt sind und dadurch dem gleichen Wärmeausdehnungskoeffizient besitzen. Nachteilige Spannungsdifferenzen werden somit verhindert. Die Stützeleinente haben ebenfalls ein geringes Gewicht und eine geringe Wärmekapazität. Durch die Verrip­ pung wird eine spannungsarme schnelle Temperaturanpassung erreicht. Außerdem ist dadurch der Aufbau sehr stabil und wackelt nicht.

Zur Herstellung derartiger Brennhilfsmittel wird erfindungs­ gemäß das sog. Pulver-Spritzgießverfahren angewendet. Dieses Verfahren ist an sich schon seit langem bekannt und wird beispielsweise zur Herstellung von Isolationskörpern, Spu­ lenkörpern, Zahnräder oder dergleichen angewendet. Eine Anwendung des Verfahrens auf die Herstellung von Brennhilfs­ mitteln ist jedoch nicht bekannt und bislang nicht nötig gewesen, da keine komplexe Geometrie der Brennhilfsmittel gefordert wurde.

In einem ersten Verfahrens schritt wird das Aluminiumoxidpul­ ver mit einem Plastifizierer gemischt. Das so aufbereitete Ausgangsmaterial wird dann mit Hilfe einer Spritzgußmaschine in die eigentliche Form gepreßt. Das so erhaltene Zwischen­ produkt wird als Grünling bezeichnet. Mit Hilfe dieses Verfahrens ist eine quasi isostatische Verdichtung während der Formgebung insbesondere auch bei dünnwandigen Platten möglich. Der hohe Anteil an Plastifizierer vermindert außer­ dem die Reibung zwischen den Pulverteilchen und ermöglicht deshalb eine gleichmäßige Verdichtung. Eine sehr hohe Grün­ dichte wird dadurch erreicht, daß hochfeine reaktive Sinter­ tonerden mit einer bimodalen Verteilung Verwendung finden. Aufgrund der hohen Gründichte ist außerdem der lineare Schwund relativ gering, was zu einer hohen Präzision und Prozeßsicherheit und damit zu einer wirtschaftlichen Ferti­ gung führt. Mit Hilfe dieses Verfahrens lassen sich Brenn­ hilfsmittel beliebiger Geometrie ohne Qualitätseinbußen herstellen. Als mögliche Formen sind Ausbrüche, Löcher und Verrippungen erwähnt. Ein weiterer wesentlicher Vorteil dieses Verfahrens ist die hohe Qualität der Werkstücke. Durch die gleichmäßige Gründichte wird auch eine gleichmäßi­ ge Sinterdichte im Bauteil erreicht, was zu sehr geringen Festigkeitsstreuungen führt. Dadurch wird auch die Wahr­ scheinlichkeit für einen Bruch während dem Brand verringert.

Claims (2)

1. Brennhilfsmittelsystem für die Keramikindustrie, beste­ hend aus Platten und Stützen, dadurch gekennzeichnet, daß
die Platten aus spritzgegossenem Aluminiumoxid (Al₂O₃) bestehen, ein Dicken-/Längenverhältnis von ca. 1 : 100 und Versteifungselemente in Form von wulstartigen Erhöhungen besitzen sowie eine Vielzahl von Ausnehmungen aufweisen, und
die aus dein gleichen Material bestehenden Stützen (20) sich verjüngende Hohlkörper darstellen, deren Außenwände mit Längsrippen (30) verstärkt sind und in die Aufnahme­ bohrungen (1a, 1b, 1c) der Platten einsetzbar sind.

2. Brennhilfsmittelsystem nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß es aus Aluminiumoxid mit einer Reinheit von mindestens 98% besteht.