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Brennkapsel und Brennverfahren für keramische Gegenstände Die Erfindung
betrifft eine Brennkapsel und ein Brennverfahren für keramische Gegenstände, die
in einer reduzierenden oder neutralen Atmosphäre gebrannt werden. .
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Nach einem bekannten Verfahren zur Herstellung harter, feuerbeständiger
Tonwaren werden keramische Gegenstände in der Weise reduzierend gebrannt, daß sie
in gemahlenem Koks eingebettet und in einer geschlossenen, ringsum durch Koks bis
zur Weißglut erhitzten Kapsel gebrannt werden. Das Brenngut ist dabei in unmittelbarer
Berührung mit den kohlenstoffhaltigen -Stoffen. Schon aus diesem Grunde eignet sich
dieses Verfahren nicht für glasierte keramische Gegenstände, da die Koksteilchen
an den glasierten Stellen ankleben bzw. anschmelzen würden. Außerdem läßt sich nach
dem bekannten Verfahren der Brand nicht mit der Feinheit und Genauigkeit durchführen,
wie es für die Erzeugung keramischer Werkstoffe mit besonders guten Festigkeitseigenschaften,
die sie selbst für hochbeanspruchte Maschinenteile, wie z. B. Turbinenschaufeln,
geeignet machen, erforderlich ist.
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Um keramischen Werkstoffen z. B. eine hohe Temperaturwechselfestigkeit
zu verleihen, setztman der Masse bekanntlich Karbide, Nitride, Boride od. dgl. zu,
,welche die Wärmeleitfähigkeit erhöhen. Die erwähnten Zusatzstoffe sind jedoch beim
keramischen Brande, namentlich im Bereich höherer Temperaturen, mehr oder weniger
empfindlich gegen Oxydation. Eine partielle oder totale Sauerstoffaufnahme führt
innerhalb einer solchen Komponente zu Zerfallserscheinungen und setzt die angestrebten
wärmetechnischen Vorteile erheblich herab. Andererseits ist aber auch ein stark
reduzierendes Erhitzen
des Brenngutes nachteilig, da hierbei eine
übermäßige Reduktion der Oxyde der keramischen Grundmasse erfolgen kann. Diese kann
unter Umständen sogar so weit fortschreiten, daß nicht nur eine Verflüchtigung der
Alkalioxyde, sondern auch der bis zu den Metallen reduzierbaren übrigen Bestandteile
des keramischen Systems stattfindet.
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Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, Mittel und Wege aufzuzeigen,
um keramische Massen mit solchen labilen Komponenten, die oxydationsempfindliche
und bei zu starker Reduktion sublimierbare Stoffe enthalten, mit dem gewünschten
Erfolg brennen zu können.
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Erreicht wird dies mit einer Brennkapsel nach der Erfindung, deren
Kapselwände mindestens eine Schicht aus kohlenstoffhaltigen Substanzen enthalten.
Während des Brennens diffundiert die Sauerstoff enthaltende Luft der oxydierenden
Ofenatmosphäre durch die kohlenstoffhaltige Schicht der Kapselwände in das Innere
der Kapsel. Der in-der Verbrennungsluft enthaltene Sauerstoff wird bei Überschuß
an reaktionsfähigem Kohlenstoff gemäß der chemischen Gleichung C +'/202 = C O in
Kohlenmonoxyd verwandelt und fördert den Reduktionsprozeß beim Brennen. Durch Variation
des reaktionsfähigen Kohlenstoffes hinsichtlich seiner Art, Quantität, Korngröße,
Schichtstärke kann man die Menge an entstehendem Kohlenmonoxyd und damit die Reduktionsfähigkeit
beeinflussen und steuern.
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Ebenso ist es auch möglich, durch sinnvolle Abstimmung dieser chemischen
Wechselwirkungen auf Grund der Wahl entsprechender kohlenstoffhaltiger Trägerschichten
eine neutrale Brennatmosphäre im Kapselinneren in der Weise zu erzeugen, daß der
eintretende Sauerstoff gemäß der Gleichung C+02=C02 vollkommen in das neutrale Kohlendioxyd
überführt und eine Bildung von Kohlenmonoxyd verhindert wird. Man hat es dabei in
der Hand, die Reduktion in den einzelnen, für das jeweilige keramische System erforderlichen
Temperaturstadien einsetzen und in beliebiger Stärke auf das Brenngut einwirken
zu lassen. Die einzelnen Schichten der erfindungsgemäßen Brennkapselwände, die eine
selbsttätige Steuerung des Reduktionsgrades der Innenatmosphäre bewirken, bestehen
im besonderen aus kohlenstoffhaltigen Substanzen verschiedener Zersetzungstemperaturen,
wie z. B. aus Holz, Torf, Braunkohle, Steinkohle, Anthrazit, Koks, Graphit oderKarbiden.
DieReduktion derBrennatmosphäre kann in einfacher Weise oder mehrfach fraktioniert
durchgeführt werden; zu diesem Zwecke werden die reduzierend wirkenden Stoffe in
einer Schicht angeordnet, oder es werden mehrere Schichten hintereinandergeschaltet.
Zur weiteren Beeinflussung des Reduktionsgrades weisen die einzelnen Substanzen
untereinander verschiedene Korngrößen auf; sie können entweder pulverförmig oder
in Form. fester Platten zur Anwendung kommen. Werden für die einzelnen Reduktionsschichten
pulverförmige Stoffe verwendet, so ist es zweckmäßig, die innere Schicht durch eine
poröse Kapsel von dem Brenngut fernzuhalten. Die äußereHülledes Schutzmantels gegenüber
der Atmosphäre bildet jeweils eine weniger poröse Außenkapsel. Durch entsprechende
Wahl der Kapselporosität kann schließlich noch eine weitere Steuerung der inneren
Brennzone in der gewünschten Richtung erfolgen.
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Bei Verwendung der im vorhergehenden beschriebenen Brennkapsel ergibt
sich somit ein Verfahren zum Brennen von Gegenständen aus keramischen Werkstoffen,
bei dem der Brand hinsichtlich des Reduktionsgrades durch Auswahl der in den Kapselwänden
enthaltenen Schichten aus Substanzen mit verschiedenem Kohlenstoffgehalt und verschiedenen
Zersetzungstemperaturen selbsttätig in mehreren Fraktionen gesteuert wird.
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In der Zeichnung sind mehrere Ausführungsbeispiele von Brennkapseln
gemäß der Erfindung dargestellt, und zwar zeigt Fig. i eine Brennkapsel im Schnitt
für eine einfache Reduktion mit einer plattenförmigen Reduktionsschicht, Fig. 2
eine Brennkapsel im Schnitt für eine einfache Reduktion mit einer pulverförmigen
Reduktionsschicht, Fig. 3 eine Brennkapsel im Schnitt für eine mehrfache Reduktion
mit zwei plattenförmigen Reduktionsschichten, Fig. q. eine Brennkapsel im Schnitt
für eine mehrfache Reduktion mit zwei pulverförmigen Reduktionsschichten.
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Sollen, beispielsweise glasierte keramische Bauteile, welche ihr Kristallwasser
bei 450 bis 800° C abgeben und deren Glasur bei etwa iooo° C zu erweichen beginnt,
von etwa 6oo° C ab bei an sich oxydierender Ofenatmosphäre reduzierend gebrannt
werden, so genügt hierfür die in Fig. i und 2 dargestellte einfache Reduktionsanordnung.
In diesem Falle wird die reduzierende Ummantelung des Brenngutes i lediglich aus
einem gegen höhere Hitzegrade beständigeren kohlenstoffhaltigen Material, wie Graphit
usw., gebildet, welches je nachdem erforderlichen Reduktionsgrad fein- oder grobflinzig
sein kann. Die Graphitsubstanz kann dabei entweder aus Platten 2 - wie in Fig. i
dargestellt -oder aus Pulvern 3 (Fig. 2) bestehen. In Fig. i erkennt man auch die
Außenkapsel q., welche aus wenig porösem keramischem Werkstoff hergestellt ist.
Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 wird die aus Graphikstaub bestehende Reduktionsschicht
3 von Kapseln 5 und 6 eingeschlossen. Die Innenkapsel 6 weist dabei eine stärkere
Porosität auf als die Außenkapsel 5, welche die Graphitsubstanz gegen die
äußere Ofenatmosphäre schützt.
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Die in den Fig. 3 und q. dargestellte mehrfache fraktionierte Reduktionsanordnung
kommt in vorteilhafter Weise beim Brennen von keramischen Körpern zur Anwendung,
bei denen die Reduktion bereits in verhältnismäßig niederen Temperaturbereichen
einzusetzen hat und dann beibehalten werden soll. Um eine derartige starke Reduktionsphase
zu
erzielen, wird die innerste Reduktionsschicht aus einer leichter verbrennbaren kohlenstoffhaltigen
Substanz, wie z. B. Koks, Kohle usw., gebildet, während die äußere Schicht aus auch
bei hohen Temperaturgraden beständigen, kohlenstoffhaltigen Substanzen, wie Graphiten,.
Karbiden usw., besteht. Die reduzierenden Stoffe können wiederum in Form von Platten
oder von Pulvern verwendet werden. In Fig. 3 sind die Graphitplatten mit 7 und die
Kohleplatten mit 8 bezeichnet, in Fig. q. erkennt man diie Graphitstaubschicht 9
und die Kohlestaubschicht io. Während des Einfüllvorganges der beiden pulverförmigen
Anteile (Graphit- und Kohlenstaub) werden diese zweckmäßigerweise durch eine Trennwand
aus Papier, Pappe oder einem anderen geeigneten Material an einer gegenseitigen
Vermischung gehindert. In beiden Fällen werden die Reduktionsmaterialien gegen die
äußere Brennatmosphäre durch eine wenig poröse Außenkapsel i i bzw. 12 geschützt.
Die innere pulverförmige Reduktionsschicht io der Schutzummantelung gemäß Fig. q.
wird mittels der Innenkapsel 13 von dem Brenngut i fernhalten. Diese Innenkapsel
13 weist wiederum eine stärkerePorosität auf als dieAußenkapsel 12.
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Die Brennkapseln sowie das Brennverfahren gemäß der Erfindung lassen
sich, wie bereits erwähnt, sowohl für eine reduzierende als auch für eine neutrale
Brennweise verwerten und können nicht nur bei rein keramischen Stoffen, sondern
auch bei gemischtkeramischen Materialien oder anderem Brenngut, wie Metallkeramik,
Sinterkeramik, mit Erfolg angewendet werden.