DE954289C - Verfahren zum Herstellen von Schaumglas oder Schaumquarzglas - Google Patents

Description

AUSGEGEBEN AM 13. DEZEMBER 1956

INTERNAT. KLASSE C 03c

P 12068 IVc 132b

sind als Erfinder genannt worden

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Schaumglas oder Schaumquarzglas.

Es ist bekannt, Schaumglas durch Erhitzen einer pulverförmigen Mischung glasigen Materials und eines gasentwickelnden Stoffes in geschlossener Form herzustellen. Weiter ist es auch nicht neu, Schaumglas, das sich für die Wärmeisolierung und ähnliche Zwecke eignet, herzustellen, indem man Glasscherben, die gewisse Sulfate und/oder Metalloxyde, z. B. Antimonoxyd, enhalten, fein mahlt, das gemahlene Glas mit einem feinen kohlenstoffhaltigen Zellenbildungsmittel, z. B. Ruß oder Kohlepulver, vermischt und dann das Gemisch auf so hohe Temperatur erhitzt, daß das Glas sintert und sich unter Zellenbildung aufbläht.

Die Sintertemperatur ist jene Temperatur, bei der die Glasteilchen weich werden und beim Zusammentreffen aneinander haften. Die Zellenbildung des Glases kommt durch eine chemische Reaktion zustande, die bei einer Temperatur eintritt, die in. der Nähe oder ein wenig über der Temperatur der Sinterung des Glases liegt und die zwischen dem Zellenbildungsmittel und den Sulfaten und/oder Metalloxyden in dem Glas er-

folgt. Dabei werden Gase, z. B. Schwefeldioxyd oder Kohlensäure, in situ in der gesinterten Masse erzeugt und in Form von Blasen eingeschlossen, die der Masse eine .zellenförmige Struktur erteilen und zu einem leichten und gegenüber Wärmeübertragung höchst widerstandsfähigen Produkt führen. Die Zellen sind in. den meisten Fällen geschlossen, so daß Flüssigkeiten oder Gase die Masse nicht durchdringen können.
ίο Schaumquarzglas wird durch Erhitzen einer feinpulverigen Masse aus -Kieselsäure, z. B. Quarzsand, und einem kohlenstoffhaltigen Zellenbildungsmittel auf so hohe Temperatur hergestellt, daß die Masse sintert und Zellen bildet. In diesem Fall entstehen in der Reaktion zwischen dem Kohlenstoff und demSiliciumdioxyd gasförmiges Siliciummonoxyd und Kohlensäure, mit deren Hilfe die Zellen gebildet werden. Die Sintertemperatur, die bei der Zellenbildung von Quarzglas erforderlich ist, ist viel höher als die entsprechende Temperatur bei Glas.

Bei der Herstellung eines zellenförmigen glasigen Materials aus einem feinpulverigen Rohstoff taucht ein Problem auf, das die ungleiche Sinterung und Zellbildung der Masse betrifft, wodurch ungleichförmige, zellenförmige Produkte entstehen, die Falten, Lücken und andere Anzeichen einer unregelmäßigen Zellenbildung aufweisen. Nun ist die Gleichmäßigkeit der Zellengrößen ein erstrebenswertes Ziel, damit die betreffenden Produkte im höchsten Maße isolierend wirken.

Zu Beginn der Erhitzung des feinpulverigen Rohstoffes werden die einzelnen Teilchen weich und haften an der Kontaktstelle aneinander. Dieser Vorgang wird als Sintern bezeichnet. Dabei bildet sich jedoch keine ununterbrochene einheitliche, gesinterte Masse, vielmehr tritt Sinterung unter Bildung einer großen Zahl einzelner unregelmäßiger Teile* ein. Je größer die Unregelmäßigkeit-dieser während der Sinterung auftretenden Teile ist, um so weniger gleichförmig ist die Zellenbildung.

Die Zellenbildung innerhalb jedes Teiles eines gesinterten Ausgangsstoffes verläuft gewöhnlich progressiv. Der Grund dafür liegt darin, daß die benutzten kohlenstoffhaltigen Substanzen chemisch in keinem nennenswerten Ausmaß mit dem glasigen Material unter Bildung von Gasen reagieren, solange die Sinterung nicht eingetreten ist. Diese chemische Reaktion tritt also bei einer höheren Temperatur ein, als sie zum Sintern des glasigen Materials notwendig ist. Das ist vorteilhaft, weil das glasige Material bei den höheren Temperaturen noch weiter erweicht, so daß die sich entwickelnden, darin eingeschlossenen Gase das Material noch leichter bis zu dem gewünschten Ausmaß ausdehnen können. Es ist deshalb zweckmäßig, das glasige Material bei der Sintertemperatur zu halten, bis innerhalb der gesamten Masse eine praktisch gleichmäßige Temperatur herrscht. Während des Zeitraumes, in welchem das glasige Material von der Sintertemperatur auf Zellenbildungstemperaturen gebracht wird, verstreicht unvermeidbar eine gewisse Zeit zwischen der Temperaturzunahme an den Rändern und der im Innern eines jeden Stückes des gesinterten Materials. Aus diesem Grunde beginnt gewöhnlich die Zellenbildung an den Rändern eines jeden Stücßes, um erst später auf d.ie Mitte des Stückes überzugreifen. Wenn diese Zeitspanne zu lang ist, neigt die Zellstruktur an den Rändern dazu, größer zu werden als die innerhalb des Stückes. Und wenn, die Stücke des gesinterten Materials räumlich, weit voneinander entfernt sind, führt eine unbeschränkte Zellenbildung an den Rändern eines Stückes gewöhnlich zu einer übergroßen Zellstruktur, eventuell ■sogar mit geplatzten Zellen, wodurch die Bildung von Lücken und Falten unterstützt wird.

Gemäß der Erfindung wird vorgeschlagen, die Sinterung und Zellenbildung einer feinpulverigen Rohstoffmischung dadurch zu regeln, daß man die feinpulverige Masse zu Beginn in eine Anzahl kleiner Abschnitte aufteilt. Man kann das in der Weise tun, daß man die gepulverte Mischung einkerbt, in Würfel zerteilt oder in sonst geeigneter Weise unterteilt. Die Rohstoffmischung kann in eine Vielzahl gleichmäßiger Abschnitte aufgeteilt werden, um eine gleichmäßige Zellenbildung zu erreichen, oder man kann sie in ein bestimmtes Muster aufgliedern, um dann in diesem Muster die Zellenbildung zu erhalten. Durch diese Unterteilung der Mischung in Abschnitte dringt die Wärme verhältnismäßig gleichmäßig und schneller durch die gepulverte Masse, außerdem weisen die Stücke der gesinterten Masse praktisch gleiche Größen und Zwischenräume auf.

Sobald man auf diese Weise die Sinterung praktisch unter Kontrolle bekommen hat,-ist auch eine entsprechende automatische Regelung der Zellenbildung der gesinterten Stücke möglich. Auf Grund der praktisch gleichen Größe der gesinterten Ansatzstücke ist auch die verhältnismäßig gleichförmige Erhitzung dieser Stücke leichter zu erreichen. Da jedes Stück verhältnismäßig klein ist, wird es schneller und gleichmäßiger bis zur Zellenbildungstemperatur erhitzt, wodurch dann auch diese Temperatur praktisch gleichmäßig im ganzen Stück erreicht wird. Dadurch wird die Gleichmäßigkeit der Zellengröße innerhalb jeden Stückes und auch in der Beziehung zu jedem anderen Stück gefördert.

Ein gut ausgebildetes Verfahren zur Herstellung von Schaumglas erfordert die sorgfältige Herstellung und Mischung der Bestandteile der Rohstoffe, die dann in geeigneten Formen auf die zuvor bestimmten Sinter- und Zellenbildungstemperatüren in bekannter Weise erhitzt werden. Der mit den Zellen versehene Körper wird dann aus der Form herausgenommen, angelassen und für den Verwendungszweck bearbeitet. Die Erfindung soll im Hinblick auf die technische Durchführung des Verfahrens zur Herstellung von zellförmigem Glas unter Bezugnahme auf die Zeichnungen weiter erläutert werden.

Fig. ι zeigt in der Aufsicht die Bodenhälfte einer Form, die mit der Rohstoffmischung beschickt ist, die gemäß der Erfindung unterteilt ist;

Fig. 2 erläutert eine geeignete Vorrichtung zur Durchführung der Unterteilung der Rohstoffmischung;

Fig. 3 zeigt die in Fig. 2 abgebildete Vorrichtung von dex Seite;

Fig. 4 zeigt' in der Aufsicht die Bodenhälfte einer Form mit gesinterter Rohstoffmischung, aus der die typischen, durch Schrumpfung eingetretenen Sprünge zu erkennen sind, die auftreten, wenn to die Rohstoffmischung vor dem Sintern nicht in der Weise unterteilt wird,.wie das Fig. ι zeigt;

Fig. 5 zeigt in der Aufsicht die Bodenhälfte, bei der die Ausgangsstoffe nach erfolgter Unterteilung während der Sinterung, wie in Fig. ι angegeben, regelmäßige Schrumpfungen und_Sprünge der Rohstoffmischung aufweisen;

Fig. 6, 7 und '8 erläutern die Zellenbildung, wenn die Sinterung gemäß vorliegender Erfindung geregelt wird;

Fig. 9, 10 und 11 erläutern entsprechend die Zellenbildung, wenn die Sinterung nicht gemäß der Erfindung geregelt wird.

Die hergestellte Rohstoffmischung, die gewöhnlich aus feinpulverigem Glas und einem ein Gas bildenden kohlenstoffhaltigen Zellenbildungsmittel besteht, wird gewogen und in die Bodenhälfte einer Form eingefüllt. Die Mischung enthält zu diesem Zeitpunkt noch eine erhebliche Menge Luft. Man schüttelt zweckmäßig die Form mit der Rohstoffmischung, um sie gleichmäßig und eben zu verteilen und einen Teil der eingeschlossenen Luft auszutreiben. Diese feinpulverige Rohstoffmischung füllt etwa ein Sechstel des Rauminhalts der zusammengesetzten Form. Die Teilchen der Mischung haften ziemlich gut aneinander, so daß die Form um etwa 6o° gegenüber der Horizontalen geneigt werden kann, ohne daß sich die Masse' in der Form merklich bewegt.

Erfindungsgemäß wird dann eine geeignete Unterteilungsvorrichtung (vgl. Fig. 2 und 3) auf die Masse der Rohstoffmischung gelegt und in diese hineingepreßt, bis sie den Formboden berührt. Diese Unterteilungsvorrichtung besteht im wesentlichen aus Längsstäben 14 und Ouerstäben 15, die mittels Nuten ineinandergesetzt und in geeigneter Weise, z. B. durch Verschweißen, zu der Vorrichtung verbunden sind. An der Vorrichtung sind Griffe 17 od. dgl. zum Beispiel ebenfalls angeschweißt. Die Stangen 14 und 15 sind so breit, daß sie beim Einpressen in die Rohstoffmischung bis auf den Formboden 19 durchdringen.

Die UnterteilungsvoTrichtung wird dann herausgezogen, so daß die Rohstoffmischung das in Fig. 1 gezeigte Unterteilungsschema zeigt. Auf Grund der zwischen den Teilen von Natur- aus bestehenden Haftung zeichnen sich ziemlich scharfe, bestimmte Konturen in der unterteilten Rohmasse ab. Die Unterteilungsvorrichtung kann ganz tief in die Mischung eingesetzt werden; sie kann aber auch nur bis zu einer gewissen Tiefe eingedrückt werden. Dann wird in bekannter Weise der Deckel der Form auf den unteren Teil aufgesetzt und die zusammengesetzte Form in einen Heizofen gestellt.

Rohstoffmischung und Form werden dann je nach der Zusammensetzung der Mischung auf eine Temperatur zwischen 6sound73o° erhitzt, worauf die feinpulverige Rohstoffmischung sintert und sich in den einzelnen Teilen zusammenzieht. Wenn die Mischung nicht in der beschriebenen Weise unterteilt wird, ziehlt sich die Masse gewöhnlich in ganz unregelmäßiger Form zusammen, so daß Sinterstücke mit ganz unregelmäßigen Abständen voneinander entstehen, wie sie in Fig. 4 angedeutet sind. Wenn die feinpulverige Rohstoffmasse aber, wie oben beschrieben, unterteilt wird, zieht sie sich während der Sinterung in ganz regelmäßig geformten Segmenten in der Form zusammen, wie das aus Fig. 5 ersichtlich ist.

Wenn die Stücke des gesinterten. Materials sowohl in der Größe als auch in der räumlichen Entfernung voneinander ungleichmäßig sind, wie das in Fig. 4 gezeigt wird, entstehen gewöhnlich Falten und Lücken mit einer ungleichmäßigen Zellstruktur. In Fig. 4 ist z. B. das gesinterte Stückt von den gesinterten StückenB, C und D weiter entfernt als die Stücke B und C voneinander. Außerdem ist A auch kleiner. Das Stück A erreicht deshalb unter normalen Bedingungen die Zellenbildungstemperatur innerhalb des gesamten Stückes eher als die Stücke B, C bzw. D. Durch seitliche Ausdehnung des Stückes A wird der Spalt zwischen den Stücken B, C und D geschlossen, ehe in diesem letzteren wesentliche Zellenbildung eintritt. Aus diesem Grunde sind die Zellen in der ersten Zeit der Zellenbildung bei dem Stück A wesentlich größer als bei B, C und D. Die stark ausgedehnten Zellen von A werden bei Berührung mit den praktisch nicht in Zellenform gebrachten Stücken B, C und D platzen oder zerdrückt werden, sobald die Zellenbildung in B, C und D beginnt.

Es muß angenommen werden, daß dieser Vorgang die Ursache der unregelmäßigen Zellstruktur im Endprodukt und der Beginn der Bildung von Lücken und Falten ist. Ähnlich wird sich die Entwicklung zwischen den Stücken E und F abspielen. In dem Stück E werden auf Grund der unregelmäßigen Gestalt erhebliche Schwankungen in der Geschwindigkeit eintreten, mit der die einzelnen Teile dieses Stückes die Zelleubildungstemperatur erreichen. no

Wenn die Stücke des gesinterten Materials, wie in Fig. S angegeben, gleich groß und räumlich gleich weit voneinander entfernt sind, werden die Stücke naturgemäß auch viel leichter gleichmäßig erhitzt werden. Da jedes Stück verhältnismäßig klein ist, wird es auch schneller und gleichmäßiger auf Zellenbildungstemperatur erhitzt werden, so daß in jedem Stück und in den Stücken untereinander verhäil'tnismäißig gleich große Zellen entstehen.

Aus den Fig. 6 bis 11 ist zu ersehen, was mit den gesinterten Stücken geschieht, wenn die Temperatur der Form und ihres Inhalts während des Durchganges durch den Ofen auf 760 bis 840⁰ ansteigt. Sobald das gesinterte Rohstoffmaterial auf diese Temperatur gebracht wird, beginnen die Zellenbildungsmittel mit den Oxyden und/oder

Sulfaten, die in dem Glas enthalten sind oder der Rohstoffmischung zugesetzt werden, zellenbildende Gase zu bilden, die das gesinterte Material zu einer einzigen, mit Zellen versehenen Masse ausdehnen, die die Form ausfüllt.

Die Fig. 6 bis 8 erläutern die verschiedenen Wechsel in dem Material, das, wie in den Fig. ι bis 5 gezeigt wird, unterteilt und gesintert worden ist. Wenn die gesinterten Stücke in die Nähe der

ίο Zellenbildungstemperaturen kommen, dehnen sie sich aus und nehmen nacheinander die Form an, die in den Fig. 6, 7 und 8 angedeutet ist. In Fig. 8 haben sich die einzelnen, 'mit Zellen versehenen Stücke zu einer einzigen, eine praktisch gleichförmige Temperatur aufweisenden Masse vereinigt, so daß die früheren Unterteilungskerben nur noch als sehr schwache Einschnitte an der Oberfläche zu erkennen sind. Die Masse nimmt dann weniger als das halbe Volumen der ganzen

ao Form ein und dehnt sich weiter praktisch gleichförmig aus, bis die Form völlig gefüllt ist.

Die Strukturänderungen, die nacheinander bei dem gesinterten Material der Fig. 4 auftreten, sind aus den Fig. 9 bis 11 zu ersehen. Mit fortschrei-

z5 tender Zellenbildung haben sich einzelne Stücke der unterteilten Rohstoffmischung, wie aus Fig. 10 ersichtlich, bereits vereinigt, während das bei anderen Stücken noch nicht der Fall ist. In Fig. ii, in der sich alle Abschnitte der unterteilten Roh-Stoffmischung miteinander ^ vereinigt haben, sind die unregelmäßigen Zellenbildungen an den auf der Oberfläche des Materials entstandenen Falten 20 zu erkennen.

Natürlich sind in den Fig. 4 bis 11 der Zeichnung nur die Vorgänge in der Bodenhälfte der Form erläutert. Diese Vorgänge wurden beobachtet, wenn das Verfahren zur gegebenen Zeit unterbrochen und die noch nicht gefüllte obere Hälfte der Form abgenommen wurde.

Die Erfindung soll nun noch an der Zellenbildung von Schaumquarzglas erläutert werden. Naturbedingt sind zur Zellenbildung von Quarzglas viel höhere Temperaturen erforderlich. Dadurch wird das Problem der gleichmäßigen Erhitzung bei der Sinterung und Zellenbildung noch verschärft. Es wurde gefunden, daß bei einer großen Menge von feinpulveriger Rohstoffmischung aus Kieselsäure und einem kohlenstoffhaltigen, zellenbildenden Mitteln eine beträchtlich längere Sinterungszeit zur Erreichung eines gleichmäßig mit Zellen versehenen Materials notwendig war, wenn der Ansatz nicht unterteilt wurde.

Es wurde ferner beobachtet, daß in dem mit Zellen versehenen Quarzglas große Lücken und Falten auftraten, wenn die Kieselsäure gesintert und bis zur Zellenbildung erhitzt wurde, ohne sie zuvor unterteilt zu haben. Kieselsäure ist bei den Siniterungs- und Zellenbildungstemperaturen ein viskoses Material, das sich nach der Seite hin, d. h.

also in der Horizontalen, viel leichter in Zellen umwandelt und ausdehnt als in der Höhe, d. h. also in der Vertikalen. Die in Zellen übergehenden Schaumquarzglasrohstoffe dehnen sich also demzufolge seitlich aus, bis sie die Seitenwand der Form des Ofens, in dem sie stehen, erreichen, um dann Buckel zu bilden. Die ganze in Zellen übergehende Masse erhebt sich in der Mitte, wodurch sich der Boden der Masse in der Mitte nach oben bewegt und von der Form abhebt. Diese Entwicklung im Zellenbildungsansatz wird als Faltenbildung bezeichnet.

Erfindungsgemäß wurde gefunden, daß eine kürzere Sinterungszeit erforderlich und eine gleichmäßige, von Falten freie Zellen.bild.ung erhalten wurde, wenn kleine einzelne Abschnitte des Ansatzes hergestellt, in geringer Entfernung über einer Graphitplatte gebracht und dann erhitzt wurden. Als zweckmäßig haben sich Segmente erwiesen, die so kompakt wie möglich sind. So wurden z. B. hundertzwölf kompakt gebildete Segmente von etwa 4 cm² Größe und etwa 1,5 cm Dicke auf eine etwa 32 X 45 cm große Graphitplatte gelegt. Es wurden acht Reihen von je vierzehn Segmenten gebildet, von denen jedes 6 bis 9 mm von dem anderen entfernt war. Das Ganze wurde dann in einen elektrischen-Widerstandsofen gesetzt und etwa 27 Minuten lang !gleichmäßig erhitzt, bis eine Temperatur von etwa i860⁰ erreicht war, die 9 Minuten eingehalten wurde, worauf die Masse auf Raumtemperatur abkühlen gelassen wurde. Auf go diese Weise wurde eine einzige Platte von gleichförmig in Zellen umgewandeltes Schaumquarzglas gebildet, das 10 X 32 X 45 cm groß war und eine Dichte von 0,192 g/cm³ aufwies.

Obwohl die vorliegende Erfindung insbesondere an der Zellenbildung von Glas und Quarzglas beschrieben worden ist, ist sie selbstverständlich auch bei der Zellenbildung anderer feinpulveriger, glasiger Massen, z. B. bei Schlacke oder natürlichen Mineralsilikaten, anwendbar, wenn dabei das zellenbildende Mittel, also ein kohlenstoffhaltiges Material,, benutzt und die Masse so hoch erhitzt wird, daß Sinterung und Zellenbildung eintritt. Die Erfindung soll auch bei der Zellenbildung von feinpulverigen Rohstoffmischungen aus glasigem Material und Zell'enbildungsmitteln angewendet werden, zu denen kleine Mengen Metalle, Metalloxyde und -sulfate und andere Stoffe zugesetzt wurden, die die Zellenbildung unterstützen.

Die Erfindung ist im Hinblick auf die Zellenbildung eines feinpulverigen Rohstoffes in einer geeigneten Form beschrieben worden. Sie ist aber nicht auf diese Verfahrensweise beschränkt. Die Rohstoffmischung kann auch auf einem endlosen Förderband in geeigneter Weise, z. B. durch: rotierende Unterteilungsvorrichtungen, in Abschnitte unterteilt und dann durch eine Erhitzungszone transportiert werden. Es können auch andere Maßnahmen vorgesehen werden, um das Unterteilen, Sintern und Zellenbilden der glasigen Produkte zu bewirken, ohne daß der Erfindungsbereich verlassen würde.

Claims (1)

1. PATENTANSPRUCH:

   Verfahren zum Hersfellen von Schaumglas oder Schaumquarzglas durch Erhitzen einer

   pulverförmigen Mischung glasigen Materials und eines gasentwickelnden Stoffes in einer geschlossenen Form, dadurch gekennzeichnet,.daß die Sinterung und die ersten Stufen der Zellenbildung der Mischung durch vorheriges Einkerben der Oberfläche der Rohstoffmischung nach Einfüllen in die Form und vor dem Schließen der Form zwecks Erhitzens des Inhaltes geregelt werden.

   In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschrift Nr. 827 539.

   Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

   © 609 546/187 6.56 (609 705 12.56)