DE69212739T2

DE69212739T2 - Verbesserte Herstellung von extrudierten keramischen Gegenständen

Info

Publication number: DE69212739T2
Application number: DE69212739T
Authority: DE
Inventors: James Frederick Avery; Edward Chalmers Fletcher; Trevor Andrew Francis; Tudor Constantin Gheorghiu; Larry Jay Zook
Original assignee: Corning Inc
Current assignee: Corning Inc
Priority date: 1991-07-30
Filing date: 1992-05-13
Publication date: 1997-02-13
Anticipated expiration: 2012-05-14
Also published as: EP0525312B1; BR9202688A; DE69212739D1; US5205991A; KR100216256B1; EP0525312A1; JP3321825B2; JPH05184936A; KR930001980A

Description

Technisches Fachgebiet

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Extrudieren von keramischen Substanzen, wie sie in katalytischen Convertern benutzt werden und insbesondere auf ein Fertigungssystem, welches eine Feuchtigkeitssteuerung für die Herstellung von keramischem Trägermaterial für Katalysatoren aufweist, das im wesentlichen frei von Rissen und den damit zusammenhängenden Defekten ist.

Hintergrund der Erfindung

Es besteht seit langem das Problem bei der Fertigung, auf effiziente Weise keramische Monolithen zu produzieren. Keramik mit Oberflächendefekten, bekannt im Handel als "Fissuren" (Risse), sind für annähernd 37 % des gesamten Ausschusses verantwortlich. Risse sind Sammelpunkte von Spannungen und starken Wärmeunterschieden in dem keramischen Träger während des Autoabgasdurchlaufs. Diese kleinen Risse können nicht toleriert werden, weil sie sich evtl. ausbreiten und damit Schaden an dem katalytischen Trägermaterial verursachen.
Von Beginn an stellte bei der Fertigung keramischer Substanzen die Bildung von Rissen ein ständiges Problem dar. Dieses Problem wurde noch gravierender, als das zunächst absatzweise mit einem Preßkolben beschickte Extruder-System auf einen kontuinuerlich arbeitenden Prozeß umgestellt wurde, wobei die Beschickung durch einen Schneckenaufgeber erfolgte. Dieses kontinuerliche Verfahren hatte einen höheren prozentualen Anteil von auf Rissen zurückzuführenden Ausschuß zur Folge. Die Zunahme der Ausfälle forcierte die Anstrengungen, des Problems Herr zu werden, mit dem Ergebnis, daß die Ursache für die Schwierigkeiten letztlich ermittelt wurden.
Das keramische Material verläßt die Extruderdüse als eine lange, rohrförmige Masse, den "Strang". Wenn dieser Strang den Extruder verläßt, wird er mittels Luftlager zu einem Keramik-Förderer transportiert, der die Konturen des Stranges hat. Die keramischen Strangstücke werden dieelektrisch getrocknet, wobei die Wassermoleküle in dem Material zu Dampf werden, der durch die poröse Keramik- Struktur entweicht. Die getrockneten Strangstücke werden dann geschnitten und gebrannt, um so zum Trägermaterial für Katalysatoren zu werden.
Es passiert während der Bewegung zu dem Trocknungsförderer für die Keramik, daß die Oberfläche des Stranges reißt. Der den Extruder verlassende Strang ist im allgemeinen wärmer als die ihn umgebende Luft. Die Verdampfung des Wassers der Substanz beginnt sofort nach ihrem Austritt aus der Extruderdüse. Die Unterseite des Stranges trocknet schneller als der Rest des Materials durch den von dem Luftstrom erzwungenen Trocknungsvorgang an dessen Unterseite. Man hat die Theorie aufgestellt, daß eine Spannungsdifferenz zwischen der Ober- und Unterseite des Stranges erzeugt wird, die für die Risse verantwortlich ist, insbesondere in der oben liegenden Schicht. Die Bildung von Rissen baut die Spannung ab, die zwischen der schneller schrumpfenden unteren und der oberen Oberflächenschicht erzeugt wurde. Es ist vorgeschlagen worden, die Feuchtigkeit bis auf 100 % in der Luft anzuheben, die durch die Düsen des Luftlagers gedrückt wird. Dies brachte jedoch keine zufriedenstellende Lösung. Das Keramikmaterial, welches einen hohen Anteil feinen Lehms enthielt, wurde klebrig, sobald seine Oberfläche feucht wurde. Diese klebrige Oberfläche führte dann zu Schwierigkeiten, das Material über die Luftlager zu dem Trocknungsförderer zu transportieren.
Man fand jedoch heraus, daß lediglich ein bestimmter Feuchtigkeitsbereich der Luft aus den Düsen zu zufriedenstellenden Ergebnissen führt. War die Luft zu naß, dann wurde der Strang klebrig und problematisch im Transport über die Luftlagerflächen. War die Luft zu trocken, traten Risse am Strang auf. Darüber hinaus wurde beobachtet, daß unterschiedliches Schrumpfen nicht mehr auftritt, wenn der Strang so umhüllt war, daß die feuchte Luft die Oberflächen des Stranges umgab.
Deshalb wurde eine Haube über das Luftlager angeordnet, um die Feuchtigkeit in Strangnähe zu kontrollieren.
Die relative Feuchtigkeit des Luftstromes in den Lagern, welche notwendig ist, um das Reißen des Materials zu verhindern, konnte man in klar definierten Grenzen ausfindig machen. Die relative Feuchtigkeit mußte in einem Bereich von annähernd 85-97 % liegen mit einem bevorzugtem Betriebsbereich von annähernd 90 - 95 %. Innerhalb dieses relativen Feuchtigkeitsbereiches hatte, wie man feststellen konnte, die Lufttemperatur keinen signifikanten Einfluß auf die Bildung von Rissen. Der allgemeine Temperaturbereich der Luft während der Teste mit verschiedenen Feuchtigkeitsgehalten lag zwischen 18 und 40 ºC (65 º und 105 º F).

Stand der Technik

US-A-4180538 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von Keramikkörpern und erwähnt das Problem der Rißbildung. Man erklärt sich dieses Problem dadurch, daß das zu extrudierende Material einen synthetischen Harz enthält, der mit Wasser reagiert. In keiner Weise wird die Steuerung der Luftfeuchtigkeit erwähnt.
US-A-4810458 (Oshima et al) beschreibt eine Vorrichtung zum Formen eines keramischen Körpers, bestehend aus:
einem formenden Bauelement zur Gestaltung eines keramischen Ansatzes in einen rohen keramischen Körper, wobei das formende Element einen Ausgang bzw. ein Ausgangsende aufweist;
eine Einrichtung, durch die der rohe Keramikkörper längs dem Auflagebauelement unmittelbar nach Verlassen des formenden Bauelements leit- bzw. transportierbar ist; und
eine Einrichtung, durch die Luft zum Auflagebauelement durch die Öffnungen zur Schaffung eines Luftpolsters zwecks Haltens des Keramikkörpers auf dem Aufagebauelement zuführbar und unter Druck haltbar ist.
US-A-4810458 diskutiert jedoch nicht das Problem der Rißbildung.

Zusammenfassung der Erfindung

Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung, ausgehend vom Stand der Technik in der oben erwähnten US-A-481 0458 vorgeschlagen, die dadurch gekennzeichnet ist, daß durch das formende Bauelement der rohe Keramikkörper als zellenförmiger Körper zur Verwendung bei einem Auto-Katalysator- System formbar ist, und daß die Vorrichtung weiterhin eine Haube aufweist, die im wesentlichen das Auflagebauelement zur Bildung einer geschlossenen Auflagekammer umgibt, wobei die Öffnungen des Auflagebauelements in die Kammern münden, und daß Einrichtungen 18 vorgesehen sind, durch die Luft auf eine vorgegebene relative Luftfeuchtigkeit zur Vermeidung der Bildung von Spalten und Rissen an der Oberfläche des keramischen Körpers haltbar ist.
Die Luft wird bevorzugt bei einer relativen Feuchtigkeit von annähernd 85 - 97 % gehalten, vorzugsweise annähernd innerhalb des Bereiches zwischen 90 und 95 %. Die Haube stellt sicher, daß die den geförderten Strang umgebende Luft kontinuierlich bei einer im wesentlichen konstanten Feuchtigkeit innerhalb eines spezifizierten Bereiches halten wird, um die Bildung von Rissen an der Oberfläche des Keramikstranges zu verhindern.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Ein besseres Verständnis der vorliegenden Erfindung erhält man mit Hilfe der beigefügten Zeichnungen, indem man diese im Zusammenhang mit der im folgenden detaillierten Beschreibung betrachtet. Dabei zeigen:
Fig. 1 eine Draufsicht auf das gasförmige Fluidlagersystem, mit dem die keramische Substanz von einem Extruder zu einem Trocknungsförderer in Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung gefördert wird;
und
Fig. 2 eine perspektivische Ansicht eines Abschnittes des gasförmigen Fluidlagersystems (Luftlagersystems) nach Fig. 1, welche die mit Düsenöffnungen versehene Transportfläche zeigt, über der die schützende Haube angeordnet ist.

Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels

Die Erfindung sieht ein Fertigungssystem und ein Verfahren zur Herstellung von Trägermaterial für einen Katalysator für autokatalytische Converter vor, wie z.B. keramische Monolithen. Ein keramisches Material für diese Anwendung ist Cordierit. Die keramischen Materialien können entwoder absatzweise oder kontinuierlich gefertigt werden. Die Materialien werden gemischt und dann durch eine Düse extrudiert. Der Extruder kann entweder einen Preßkolben (absatzweise Fertigung) oder einen Schneckenaufgeber (kontinuierliche Fertigung) aufweisen, der die Materialien durch die Düse preßt und damit das Material in einen Strang formt. Nach dem Verlassen der Düse wird der keramische Strang gestützt und auf einem Luftlager zu einem Trocknungsförderer transportiert. Während dieses Förderprozesses wird die Befeuchtung erforderlich. Unter Umständen werden die Stränge geschnitten, getrocknet und gebrannt, bevor sie anschließend mit dem Katalysator beschichtet werden.
In Fig. 1 ist ein Luftlagersystem 10 dargestellt. Ein Strang 11 erstreckt sich über einen Leitweg A (Pfeil) des Luftlagersystems 10, nachdem dieser Strang den Extruder 13 verlassen hat. Das Luftlagersystem 10 umfaßt eine Serie von Luftauflagelagerkammern 12, von denen jede durch eine eigene Leitung 14 mit Luft versorgt wird, wobei jede dieser individuellen Leitungen 14 mit einer gemeinsamen Versorgungsleitung 15 verbunden ist. Um den Strang in Stücke 17 gleicher Länge zu schneiden, wird eine mechanische Säge 16 eingesetzt, die sich mit dem Strang 11 in gleicher Geschwindigkeit mitbewegt.
Luftgebläse 19 und ein Befeuchter 18, (z.B. Modell Nr. CES-012AS010-483 Chromalox Electric Boiler von Emerson Electric Co., Pittsburgh, PA und Modell Nr. LB-10 von Electro-Steam-Generator Corp., Alexandria, VA) sind in einer gemeinsamen Luftversorgungsleitung 16 stromaufwärts in Bezug auf die einzelnen Leitungen 14 angeordnet, um die passende Geschwindigkeit und den passenden Bereich der relativen Feuchtigkeit der Luft aufrecht zu erhalten, mit der das Luftlagersystem 10 versorgt wird. Wie bereits erwähnt, muß der richtige Bereich der Feuchtigkeit an der Kontakt- oder Trägerfläche des Stranges 11 bzw. der Strangstücke 17 aufrecht erhalten werden, um zu verhindern, daß der Strang Risse bekommt, während er sich auf einen sich anschließenden Trocknungsförderer 20 zubewegt. Man hat festgestellt, daß die relative Feuchtigkeit in etwa innerhalb des Bereiches von 85-97 % bei einer ungefähren Arbeitstemperatur zwischen 65 und 105 F liegen sollte, wobei der bevorzugte Bereich der relativen Feuchtigkeit zwischen 90 und 95 % liegt.
In Fig. 2 ist ein Abschnitt 21, eine der Luftlagerauflagekammern 12, gezeigt. Der Abschnitt 21 umfaßt eine Auflagefläche 22, welche in ihren Konturen der Oberfläche des Stranges 11 folgt, um diesen zu tragen und zu fördern. Die Auflagefläche 22 weist eine Vielzahl von Löchern 23 auf, durch welche die befeuchtete Luft unter Druck hindurchströmt. Eine rechtwinklige Haube 24 mit durchsichtigem Plastik (z.B. Lexan) ist über den Strang 11 und die Auflagefläche 22 angeordnet, um die befeuchtete Luft um den Strang 11 zu führen.
Die Haube 24 umschließt den Strang 11 und stellt sicher, daß die relative Feuchtigkeit der umgebenden Luft innerhalb eines definierten Feuchtigkeitsbereiches gehalten wird. Die über das Luftlagersystem 10 sich hinwegbewegenden Stränge 11 werden in einer im wesentlichen konstanten trocknenden Umgebung gehalten, womit die Bildung von Rissen an der äußeren Schicht 25 des Stranges verhindert wird.
Fertigungsexperimente wurden vorgenommen, um den Effekt der hohen Feuchtigkeit der in dem Luftlager strömenden Luft in Bezug auf das Auftreten von Rissen an den Strangproben zu demonstrieren. Tabelle I. zeigt die Ergebnisse dieser Teste. Der Lauf G fand während einer Periode instabiler Feuchtigkeit statt, und es ist nicht sicher, welcher aktuelle Feuchtigkeitslevel sich zu dem Zeitpunkt eingestellt hatte, als die Strangproben genommen wurden. Bei den verbleibenden Läufen kann jedoch abgelesen werden, daß alle Proben der Läufe mit einer Feuchtigkeit unter 85 % (C, D und H) Risse aufwiesen und lediglich ein kleiner Prozentsatz von Proben (0 - 12.5 % der Läufe) mit einer Feuchtigkeit von über 85 % (A, B, E, F, I, J, K u. L) Fissuren aufwies. Während dieser Experimente wurde auch festgestellt, daß während der Läufe, in denen die relative Feuchtigkeit 97 % oder höher war (E, F, I, K u. L), die Strangproben dazu tendierten, an den Luftlagern kleben zu bleiben. Tabelle I. - Befeuchtungswerte
* Stränge, die dazu tendierten, an dem Luftlager kleben zu bleiben
**Die Bedingung der relativen Feuchtigkeit war instabil

Claims

1. Vorrichtung zum Formen eines keramischen Körpers, bestehend aus:

einem formenden Bauelement (13) zur Gestaltung eines keramischen Ansatzes in einen rohen keramischen Körper (11), wobei das formende Element einen Ausgang bzw. ein Ausgangsende aufweist;

ein Auflagebauelement (22), das an dem formenden Bauelement (13) unmittelbar angrenzend an das Ausgangsende des formenden Bauelements anliegt, wobei das Auflagebauelement zahlreiche Öffnungen (23) besitzt;

eine Einrichtung, durch die der rohe Keramikkörper (11) längs dem Auflagebauelement (22) unmittelbar nach Verlassen des formenden Bauelements leit- bzw. transportierbar ist; und

eine Einrichtung (19), durch die Luft dem Auflagebauelement (22) durch die Öffnungen (23) zur Schaffung eines Luftpolsters zwecks Haltens des Keramikkörpers (11) auf dem Auflagebauelement zuführbar und unter Druck haltbar ist,

dadurch gekennzeichnet, daß durch das formenden Bauelement (13) der rohe Keramikkörper (11) als zellenförmiger Körper zur Verwendung bei einem Autokatalysatorsystem formbar ist, und daß die Vorrichtung weiterhin eine Haube (24) aufweist, die im wesentlichen das Auflagebauelement zur Bildung einer geschlossenen Auflagekammer (12) umgibt, wobei die Öffnungen des Auflagebauelements in die Kammern münden, und daß Einrichtungen (18) vorgesehen sind, durch die die Luft auf eine vorgegebene relative Feuchtigkeit zur Vermeidung der Bildung von Spalten und Rissen an der Oberfläche des keramischen Körpers haltbar ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Einrichtungen (18) zur Beibehaltung der Luft auf eine vorgegebene relative Feuchtigkeit eine Befeuchtungseinrichtung zum Zuführen von Feuchtigkeit zu der Luft aufweist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, bei der die Befeuchtungseinrichtung für das Beibehalten einer relativen Feuchtigkeit der Luft in einem Bereich von 85 bis 97% vorgesehen ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, bei der die Befeuchtungseinrichtung für das Beibehalten einer relativen Feuchtigkeit der Luft in einem Bereich von etwa 90 bis 95% vorgesehen ist.

5. Vorrichtung nach einem vorangehenden Anspruch, bei der das Auflagebauelement (22) gemäß der Form des rohen keramischen Körpers (11) konturiert ist.