EP4010293A1 - Geblähtes granulat aus mineralischem material - Google Patents

Geblähtes granulat aus mineralischem material

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Publication number
EP4010293A1
EP4010293A1 EP20775638.8A EP20775638A EP4010293A1 EP 4010293 A1 EP4010293 A1 EP 4010293A1 EP 20775638 A EP20775638 A EP 20775638A EP 4010293 A1 EP4010293 A1 EP 4010293A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
temperature
sand
expanded
mineral material
grain
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP20775638.8A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Hartmut Kremer
Julian Neubacher
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Omya International AG
Original Assignee
Binder and Co AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Binder and Co AG filed Critical Binder and Co AG
Publication of EP4010293A1 publication Critical patent/EP4010293A1/de
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B20/00—Use of materials as fillers for mortars, concrete or artificial stone according to more than one of groups C04B14/00 - C04B18/00 and characterised by shape or grain distribution; Treatment of materials according to more than one of the groups C04B14/00 - C04B18/00 specially adapted to enhance their filling properties in mortars, concrete or artificial stone; Expanding or defibrillating materials
    • C04B20/02—Treatment
    • C04B20/04—Heat treatment
    • C04B20/06—Expanding clay, perlite, vermiculite or like granular materials
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B14/00—Use of inorganic materials as fillers, e.g. pigments, for mortars, concrete or artificial stone; Treatment of inorganic materials specially adapted to enhance their filling properties in mortars, concrete or artificial stone
    • C04B14/02—Granular materials, e.g. microballoons
    • C04B14/04—Silica-rich materials; Silicates
    • C04B14/14—Minerals of vulcanic origin
    • C04B14/18—Perlite
    • C04B14/185—Perlite expanded
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B26/00—Compositions of mortars, concrete or artificial stone, containing only organic binders, e.g. polymer or resin concrete
    • C04B26/02—Macromolecular compounds
    • C04B26/26—Bituminous materials, e.g. tar, pitch

Definitions

  • the invention relates to a method for producing an expanded granulate from sand-grain-shaped, mineral material which has a bound propellant, for example an expanded granulate made of pearlite sand, the sand-grain-shaped, mineral material being introduced into a feed opening at one end of a furnace shaft, along in a conveying direction a heat treatment section, preferably by gravity, is conveyed while being conveyed through the heat treatment section to a critical temperature above which the sand-grain-shaped, mineral material becomes plastic and begins to expand due to the blowing agent and the expanded granules are discharged at another end of the furnace shaft becomes.
  • a bound propellant for example an expanded granulate made of pearlite sand
  • the invention further relates to expanded granules made of sand-grained mineral material, for example expanded granules made of pearlite sand, and the use of the expanded granules as a mineral filler in a bitumen product.
  • lightweight materials are in great demand as starting materials for various applications such as insulation technology and the finished plastering industry.
  • the lightweight materials are basically divided into petroleum-based and mineral materials.
  • Petroleum-based materials are characterized by a well-researched manufacturing process, but they have the disadvantage of being flammable.
  • mineral materials which are mainly (crystal) water-containing rocks, such as perlite, obsidian, etc., in granulate form, are not flammable.
  • research into the manufacturing process has been significantly poorer than that of petroleum-based materials. Especially with regard to the achievable qualities, the manufacturing process still seems to have a lot of development potential.
  • Furnaces in which hot combustion air is blown from bottom to top through a vertically arranged pipe have long been known from the prior art.
  • the sand grain-shaped, mineral material to be expanded is heated in the hot exhaust gas in countercurrent well above a critical temperature, which is usually between 750 ° C and 800 ° C, in rare cases above 800 ° C, above which the sand-grain-shaped, mineral material becomes plastic and the water bound in the sand-grain-shaped, mineral material evaporates.
  • the evaporation process is accompanied by the bloating of the grain of sand, mineral material.
  • EP 2697181 B1 proposes a method for the expansion of sand-grain-shaped, mineral material with which it can be ensured that the expanded granulate has a largely closed-cell surface, so that there is little or no hygroscopicity having.
  • the method described there makes use of the finding that the swelling process is an isenthalpic process.
  • the cooling of the granulate associated with the isenthalpic expansion process is detected and the temperature is reduced in a targeted manner along a remaining fall path of the expanded granulate so that there is no further expansion process.
  • the present invention is therefore based on the object of providing an expanded granulate made of mineral material which overcomes the mentioned disadvantages of the prior art.
  • the expanded granules should be versatile.
  • This object is achieved in a method for producing an expanded granulate from sand-grain-shaped, mineral material which has a bound propellant,
  • the sand-grain-shaped, mineral material is heated to a second temperature above the critical temperature after heating to the critical temperature, which second temperature is below a third temperature , from which third temperature the surface of the expanded granulate bursts and the second temperature being selected as a function of a desired density of the expanded granulate, so that part of the blowing agent remains in bound form in the granulate.
  • a surface of a puffed granulate is not considered to have cracked open and thus closed-cell if less than 15%, preferably less than 10%, particularly preferably less than 5%, of the surface of the puffed granulate has burst and the remaining surface is smooth.
  • the controlled expansion of the sand-grain-shaped, mineral material makes it possible to set the density [kg / m 3 ] or an expansion factor of the expanded granulate for fields of application relevant in practice.
  • the second temperature by selecting the second temperature accordingly, expanded granules with different densities and thus different strengths can be produced, all of which nevertheless have closed surfaces, are mechanically stable and therefore not hygroscopic.
  • expansion factor is to be understood as the ratio of the volume of the sand-grain-shaped, mineral material before the expansion process to the volume of the granules after the expansion process.
  • the "closer" the second temperature is to the critical temperature, the "less” the sand-grain-shaped mineral material is expanded, i.e. the lower the expansion factor of the granulate. In this case, part of the propellant is not used for the expansion process. This remains in bound form in the granulate.
  • the second temperature is increased, the expansion factor of the granules also increases.
  • the "closer” the second temperature is to the third temperature, the more propellant is used for the expansion process - i.e. the less propellant remains in bound form in the granulate.
  • the expansion process is controlled insofar as it reduces the residual moisture of the expanded granules, i.e. the proportion of water not used for the expansion of the starting material, which in turn allows the density of the expanded granules to be set in a targeted manner.
  • the lower the second temperature selected the higher the density of the expanded granulate.
  • the higher the second temperature selected the lower the density of the expanded granulate. Since the density is proportional to the mechanical strength, the lower the density of the expanded granulate, the lower the mechanical strength of the expanded granulate, while the higher the density of the expanded granulate, the higher the mechanical strength of the expanded granulate.
  • the expanded granulate For any practical application of the expanded granulate, that strength can always be selected for which the mechanical strength is just sufficient. This ensures that the puffed granulate is just as stable as necessary, but at the same time as light as possible.
  • the expanded granules can therefore be used in many ways and, with the aid of the method according to the invention, can be adapted to the particular application in such a way that the solution is particularly efficient.
  • the method proceeds as follows:
  • the sand-grain-shaped, mineral material is first heated to the critical temperature and then to the second temperature while it is being conveyed through the heat treatment section. From the critical temperature, the sand-grain-shaped, mineral material, which comprises numerous grains, each with a structure and a surface, becomes plastic - i.e. the sand-grained, mineral material becomes soft.
  • the majority of the sand grain-shaped mineral material begins to expand at the critical temperature.
  • “majority” is understood to mean that more than 80%, preferably more than 90%, particularly preferably more than 95%, of the abandoned sand-grain-shaped, mineral material begins to expand. Since not all grains of the abandoned sand-grain-shaped, mineral material have the same physical and chemical parameters, it cannot be completely avoided that with a certain number of grains the plasticization and thus the expansion process does not start until later than with the majority of the grains.
  • the sand-grain-shaped, mineral material applied has grains with properties that are as identical as possible, so that the heating of the sand-grained, mineral material when carrying out the method according to the invention is the same for all grains, but at least for the majority of the grains Behavior causes.
  • the second temperature lies in a range between the critical temperature and the third temperature, the surface of the granulate bursting at the third temperature.
  • the sand-grain-shaped, mineral material expands to the greatest possible extent without bursting.
  • the structure and the surfaces of the sand-grain-shaped, mineral material have a temperature-dependent viscosity. At a higher temperature, the surfaces and the bodies of the sand-grain-shaped, mineral material are less viscous, which is why the sand-grain-shaped, mineral material is expanded more by the evaporating propellant. Below the critical temperature, the viscosity is so high that the surfaces and the bodies of the sand-grain-shaped, mineral material do not become plastic and there is no swelling process. Above the third temperature, the viscosity of the body and the surfaces is again so low, and on the other hand the evaporation pressure of the propellant is so high that the surfaces of the expanded granules burst open in the course of the expansion process.
  • the viscosity of the granulate, the expansion process and, subsequently, the density and mechanical strength of the expanded granulate are set via the level of the second temperature.
  • the expansion factor or the density of the expanded granules can be adjusted in a targeted manner by the level of the second temperature in such a way that the level of the second temperature is inversely proportional to the density of the expanded granules, ie the lower the The second temperature is selected, the higher the density of the expanded granules and vice versa.
  • the density is proportional to the mechanical strength.
  • the mechanical strength of the expanded granulate is also lower, while if the density of the expanded granulate is higher, the mechanical strength of the expanded granulate is higher.
  • that strength can always be selected for which the mechanical strength is just sufficient.
  • the expanded granulate not only has the advantages associated with a closed-cell structure, but is also just as stable as necessary, but at the same time as light as possible.
  • the expanded granules are therefore versatile and can be adapted to the respective application with the aid of the method according to the invention so that the solution is particularly efficient.
  • the grains of the expanded granules with a closed-cell surface are ideally spherical, but can also have the shape of an egg, potato or the shape of several interconnected entities - similar to several interconnected soap bubbles.
  • the propellant is bound, more or less uniformly, within the volume of the grains of the granulate.
  • several expanded cells can form within a grain, which do not split off from one another, creating several interconnected entities.
  • the sand-grain-shaped, mineral material is first preheated to a preheating temperature below the critical temperature after being introduced into the furnace shaft in preparation for the expansion process, preferably not more than 750 ° C.
  • the preheating temperature can also be in the range between 500 ° C and 650 ° C.
  • the preheating is used to slowly warm up the grain of sand-shaped, mineral material down to the core before the expansion process. By heating to the preheating temperature, all layers of the sand-grain-shaped, mineral material - starting from a surface to a core - are heated slowly and not suddenly.
  • the aim is to ensure that the preheating creates a temperature profile that is as uniform as possible within the layers of the sand-grain-shaped, mineral material. Limiting the preheating temperature prevents outer layers close to the surface from swelling and forming an insulation layer before the core is heated if the temperature is too rapid to reach the critical temperature. Furthermore, the limitation of the preheating temperature serves to prevent the propellant from developing so great a pressure that the sand-grain-shaped, mineral material expands in an uncontrolled manner, whereby the surface bursts open.
  • a duration of up to Reaching the preheating temperature between 0.5 and 1.5 seconds, preferably between 0.5 and 2 seconds, particularly preferably between 0.5 and 3 seconds.
  • the starting material in the furnace shaft is slowly preheated and not suddenly heated.
  • the temperature increase until the preheating temperature is reached is preferably linear. However, it is also conceivable that the temperature rise takes place exponentially or to a limited extent until the preheating temperature is reached.
  • the heat treatment section has heating elements for emitting heat to the sand-grained, mineral material, the control from within at least 1 m, preferably within at least 2.5 m, particularly preferably from within at least 4m, measured from the feed opening, arranged heating elements with a feed temperature of at most 750 ° C takes place.
  • the start of the expansion process in the furnace shaft can be shifted as far down as possible, depending on the starting material and the density to be set. The further down the start of the bloating process, the longer and more even the preheating. In any case, it must be ensured that the remaining conveying path is sufficient to achieve the second temperature and thus the desired density.
  • the control of the heating elements located in the conveying direction after the heating elements controlled by the feed temperature takes place at a temperature that is above the feed temperature, preferably between 800 ° C and 1100 ° C. This ensures that at least the critical temperature is reached, so that a swelling process occurs.
  • the second temperature is in a range between the critical temperature and 1.5 times or 1.4 times or 1.3 times or 1.2 times or 1.1 times the critical temperature .
  • the second temperature does not exceed 1.5 times the critical temperature.
  • the second temperature which is in any case below the third temperature, it is ensured that - depending on the starting material - more than 85%, preferably more than 90%, particularly preferably more than 95%, of the expanded granules after the expansion process in the second Temperature has a closed-cell, unbroken surface.
  • the first temperature and / or the critical temperature and / or the third Temperature for a certain type of starting material is determined experimentally before it is introduced into the furnace shaft, the first and / or the critical temperature being determined, for example, with the help of a test furnace, preferably with the help of a muffle furnace.
  • the corresponding temperatures are determined experimentally - especially in the case of unknown starting materials - before the granulate is introduced into the furnace shaft.
  • the moisture content of the granulate and its decrease in mass during drying are determined.
  • the starting materials are similar (raw sand type and grain size), a new determination is not necessary.
  • the first temperature and / or the critical temperature and / or the third temperature are then determined as a function of a material class of the mineral material in the form of sand grains, on an initial grain size of the mineral material in the form of sand grains and on the mass of the blowing agent.
  • the second temperature is then selected as a function of the desired density to be achieved.
  • the blowing agent comprises water, which water is bound in the sand-grain-shaped, mineral material.
  • the sand-grain-shaped, mineral material becomes plastic at the critical temperature, whereby the evaporating water-containing propellant exerts pressure on the sand-grain-shaped, mineral material, in particular on the surface of the sand-grain-shaped, mineral material, which leads to the expansion process.
  • the supply of heat to the expanded granules is regulated in such a way that the temperature of the expanded granules does not increase any further. This prevents another swelling process, the tearing of the expanded granulate is prevented and the inflation factor set by the second temperature can be maintained.
  • a large part - ie more than 85%, preferably more than 90%, particularly preferably more than 95% - of the expanded granulate at the other end of the furnace shaft has a closed-cell surface and a density set specifically by the second temperature.
  • the puffed granules are then characterized by a lack of hygroscopicity or a hygroscopicity which is less negative in practice and high mechanical stability.
  • the heating power of the heating elements in the heating zones in the heat treatment section remaining after the expansion process is preferably successively reduced. This means that after the second temperature has been reached, the temperature of the expanded granulate drops.
  • the second temperature is only reached in a region of the heat treatment section, which region is close to the other end of the furnace shaft. This has the advantage that the number of heating elements located behind this area, viewed in the conveying direction, can be kept low.
  • the expanded granules can be used as a mineral filler in a bitumen product. This is a particularly preferred area of application for the expanded granulate with a closed-cell surface and a targeted density.
  • the weight of the bitumen product can namely be optimized without adversely affecting the sealing effect of the bitumen product.
  • the unexpanded pearlite sand A has an initial grain size in a range from 100 ⁇ m to 300 ⁇ m.
  • a critical temperature which in this embodiment is 790 ° C
  • a third temperature which is> 1080 ° C
  • Table 1 shows - purely by way of example - an overview of the correlation between the second temperature and the bulk density of the expanded granulate and its compressive strength of the pearlite A when heated to the second temperature. Table 1 also shows the values in the expanded pearlite grains A remaining residual moisture, which is due to the remaining in the expanded granules, bound propellant, eg. Water, setting, evident.
  • bound propellant eg. Water, setting
  • the pearlite sand A is first brought to the critical temperature of 790 ° C. while being conveyed through a heat treatment section and then heated to the second temperature. From the critical temperature of 790 ° C. while being conveyed through a heat treatment section and then heated to the second temperature. From the critical temperature of 790 ° C. while being conveyed through a heat treatment section and then heated to the second temperature. From the critical temperature of 790 ° C.
  • the pearlite sand A becomes plastic, whereby the water bound in the pearlite sand A, the so-called crystal water, begins to evaporate and thus acts as a blowing agent.
  • the pearlite sand A swells to a multiple of its original volume.
  • the third temperature which in this exemplary embodiment is above 1080 ° C., that is to say, for example, 1090 ° C. or 1100 ° C. or 1200 ° C.
  • the surface of the perlite A begins to burst.
  • the water that was still bound in the granulate at the beginning evaporates completely.
  • the temperature is limited to a temperature (second temperature) below the third temperature, water remains in bound form in the granulate.
  • second temperature the proportion of bound water remaining in the granulate and thus the bulk density to be achieved can be adjusted. This fact can be seen from table 1 using numerical values. Since there is proportionality between bulk density and compressive strength, you can choose the second Temperature also the compressive strength can be adjusted.
  • the lowest bulk density of 90 kg / m 3 and the lowest compressive strength of 0.15 N / mm 2 is achieved with perlite A at a second temperature of approx. 1080 ° C - this is because in this case the second temperature is very close to the third Temperature is.
  • a high bulk density of 400 kg / m 3 and a high compressive strength of 3.60 N / mm 2 of the expanded perlite A is achieved at a second temperature of 950 ° C. - in this case the second temperature is closer to the critical temperature.
  • the bulk density of the non-expanded perlite sand A (raw material) is approx. 1050 kg / m 3 , the moisture 3.66 m%, which is only intended to serve as a comparison value for the original proportion of bound water.
  • the "closer” the second temperature is to the critical temperature, the "less” the pearlite sand A is expanded. Part of the water remains in bound form in perlite A.
  • the “closer” the second temperature is to the third temperature, the more water evaporates - that is, the less water remains in bound form in perlite A.
  • the residual moisture shown in Table 1 is a measure of the water remaining after the expansion process in perlite A. With a bulk density of the expanded perlite A of 90 kg / m 3 , only 0.74 m% of bound water remains in the expanded perlite A, while with a bulk density of 400 kg / m 3 1.40 m% of bound water remains in the expanded perlite A. In this context, it should be mentioned that here The unit used for the residual moisture is percent by mass [m%].
  • the unexpanded pearlite sand B has an initial grain size in a range from 75 ⁇ m to 170 ⁇ m.
  • the statements / definitions generally made in the first exemplary embodiment with regard to critical temperature, second temperature, third temperature, bulk density, residual moisture and compressive strength and their relationship to one another also apply to the second exemplary embodiment.
  • the pearlite sand B is likewise first brought to the critical temperature of 790 ° C. while being conveyed through the heat treatment section and then heated to the second temperature. From the critical temperature of 790 ° C, the pearlite sand B also becomes plastic, whereby the water bound in the pearlite sand B begins to evaporate and thus acts as a blowing agent. When it is heated above the third temperature, which in this exemplary embodiment is above 1015 ° C., that is to say, for example, 1025 ° C. or 1050 ° C. or 1100 ° C., the surface of the perlite B begins to burst. The water that was still bound in the granulate at the beginning evaporates completely.
  • pearlite B has a lower temperature than pearlite A due to the finer initial grain size.
  • pearlite sand B achieves higher bulk densities of expanded pearlite B and thus also higher compressive strengths.
  • more than 80%, preferably more than 90%, particularly preferably more than 95%, of the raw material (e.g. pearlite sand A or pearlite sand B) at the critical temperature specified in the two exemplary embodiments begin to expand and begin to break open at the third temperature listed in the tables, in order to be able to ensure by choosing the second temperature that only part of the water bound in the raw material is used for the expansion and the rest remains in the expanded granulate.
  • the raw material e.g. pearlite sand A or pearlite sand B

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines geblähten Granulats aus Sandkornförmigem, mineralischem Material, welches ein gebundenes Treibmittel aufweist, beispielsweise eines geblähten Granulats aus Perlitsand, wobei das Sandkornförmige, mineralische Material in eine Aufgabeöffnung an einem Ende eines Ofenschachts eingebracht wird, in einer Förderrichtung entlang einer Wärmebehandlungsstrecke, vorzugsweise durch Schwerkraft, befördert wird, während des Beförderns durch die Wärmebehandlungsstrecke auf eine kritische Temperatur erhitzt wird, ab welcher das Sandkornförmige, mineralische Material plastisch wird und aufgrund des Treibmittels zu blähen beginnt, und das geblähte Granulat an einem anderen Ende des Ofenschachts ausgetragen wird. Um das geblähte Granulat vielseitig einsetzbar zu machen, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Sandkornförmige, mineralische Material nach dem Erhitzen auf die kritische Temperatur auf eine zweite Temperatur oberhalb der kritischen Temperatur erhitzt wird, welche zweite Temperatur unterhalb einer dritten Temperatur liegt, ab welcher dritten Temperatur die Oberfläche des geblähten Granulats aufplatzt und wobei die zweite Temperatur in Abhängigkeit von einer gewünschten Dichte des geblähten Granulats gewählt wird, so dass ein Teil des Treibmittels in gebundener Form im Granulat verbleibt.

Description

GEBLÄHTES GRANULAT AUS MINERALISCHEM MATERIAL
GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines geblähten Granulats aus sandkornförmigem, mineralischem Material, welches ein gebundenes Treibmittel aufweist, beispielsweise eines geblähten Granulats aus Perlitsand, wobei das sandkornförmige, mineralische Material in eine Aufgabeöffnung an einem Ende eines Ofenschachts eingebracht wird, in einer Förderrichtung entlang einer Wärmebehandlungsstrecke, vorzugsweise durch Schwerkraft, befördert wird, während des Beförderns durch die Wärmebehandlungsstrecke auf eine kritische Temperatur erhitzt wird, ab welcher das sandkornförmige, mineralische Material plastisch wird und aufgrund des Treibmittels zu blähen beginnt und das geblähte Granulat an einem anderen Ende des Ofenschachts ausgetragen wird.
Weiters bezieht sich die Erfindung auf geblähtes Granulat aus sandkornförmigem, mineralischem Material, beispielsweise geblähtes Granulat aus Perlitsand, sowie die Verwendung des geblähten Granulats als mineralischer Füllstoff in einem Bitumenprodukt .
STAND DER TECHNIK
Leichtstoffe sind im Bauwesen gefragte Ausgangsmaterialien für diverse Anwendungen wie der Isoliertechnik und Fertigputzindustrie. Die Leichtstoffe unterteilen sich prinzipiell in erdölbasierte und mineralische Materialien.
Erdölbasierte Materialien zeichnen sich zwar durch einen gut erforschten Herstellungsprozess aus, haben allerdings den Nachteil der Brennbarkeit. Dem gegenüber sind mineralische Materialien, bei denen es sich hauptsächlich um (kristall-)wasserhaltige Gesteine, wie beispielsweise Perlit, Obsidian u.ä., in Granulatform handelt, nicht entflammbar. Allerdings ist der Herstellungsprozess deutlich schlechter erforscht als jener erdölbasierter Materialien. Speziell hinsichtlich der erzielbaren Qualitäten scheint der Herstellungsprozess noch eine Menge Entwicklungspotential zu haben.
Aus dem Stand der Technik sind seit langem Öfen bekannt, in welchen heiße Verbrennungsluft von unten nach oben durch ein vertikal angeordnetes Rohr geblasen wird. Das zu blähende sandkornförmige, mineralische Material wird dabei im heißen Abgas im Gegenstrom deutlich über eine kritische Temperatur, die in der Regel zwischen 750°C und 800°C, in seltenen Fällen auch über 800°C, angesiedelt ist, erhitzt, ab welcher das sandkornförmige, mineralische Material plastisch wird und das im sandkornförmigen, mineralischen Material gebundene Wasser verdampft. Mit dem Verdampfungsvorgang geht die Blähung des sandkornförmigen, mineralischen Materials einher.
Großer Nachteil dieser Öfen ist, dass der Blähvorgang des sandkornförmigen, mineralischen Materials größtenteils unkontrolliert abläuft - d.h. dass das sandkornförmige, mineralische Material sehr schnell und deutlich über die kritische Temperatur erhitzt wird, sodass die Oberfläche des geblähten Granulats aufplatzt. Dadurch entsteht ein offenzeiliges, sehr leichtes, fragiles, aber auch stark hygroskopisches Granulat. Immer dort, wo dieses offenzeilig geblähte Granulat mit anderen Komponenten zu einem Verbundmaterial vermischt wird, kommt es zu Abrieb, welcher das Volumen und insbesondere das Hohlraumvolumen des offenzeilig geblähten Granulats und damit die gewünschte erleichternde und dämmende Wirkung reduziert. Speziell in der Isoliertechnik und in der Fertigputzindustrie erweist sich auch die stark hygroskopische Wirkung des geblähten Granulats als besonders negativ, da dieses Feuchtigkeit anzieht und speichert. Um der Hygroskopie zu begegnen, ist eine nachgeschaltete Imprägnierung mit Silikon notwendig. Dies bedeutet jedoch einen teuren, zusätzlichen Verfahrensschritt verbunden mit dem Nachteil der Brennbarkeit von Silikon ab ca. 200°C.
Um die oben genannten Nachteile zu verhindern, wird in der EP 2697181 Bl ein Verfahren für das Blähen von sandkornförmigem, mineralischem Material vorgeschlagen, mit welchem sichergestellt werden kann, dass das geblähte Granulat über eine größtenteils geschlossenzellige Oberfläche verfügt, sodass dieses keine bzw. kaum Hygroskopie aufweist.
Das dort beschriebene Verfahren macht sich die Feststellung zu Nutze, dass der Blähvorgang ein isenthalper Prozess ist. Die mit dem isenthalpen Blähvorgang einhergehende Abkühlung des Granulats wird detektiert und die Temperatur wird entlang einer verbleibenden Fallstrecke des geblähten Granulats gezielt reduziert, sodass es zu keinem weiteren Blähvorgang kommt.
Wenngleich das durch dieses Verfahren geblähte Granulat eine hohe Qualität und nicht hygroskopische Eigenschaften aufweist, sind bestimmte Anwendungsgebiete wegen unpassender physikalischer Eigenschaften dennoch ausgeschlossen.
AUFGABE DER ERFINDUNG
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein geblähtes Granulat aus mineralischem Material zur Verfügung zu stellen, das die erwähnten Nachteile des Stands der Technik überwindet. Insbesondere soll das geblähte Granulat vielseitig einsetzbar sein.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren zur Herstellung eines geblähten Granulats aus sandkornförmigem, mineralischem Material, welches ein gebundenes Treibmittel aufweist, beispielsweise eines geblähten Granulats aus Perlitsand, wobei das sandkornförmige, mineralische Material
- in eine Aufgabenöffnung an einem Ende eines Ofenschachts eingebracht wird,
- in einer Förderrichtung entlang einer Wärmebehandlungsstrecke, vorzugsweise durch Schwerkraft, befördert wird,
- während des Beförderns durch die Wärmebehandlungsstrecke auf eine kritische Temperatur erhitzt wird, ab welcher das sandkornförmige, mineralische Material plastisch wird und aufgrund des Treibmittels zu blähen beginnt,
- und das geblähte Granulat an einem anderen Ende des Ofenschachts ausgetragen wird, erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das sandkornförmige, mineralische Material nach dem Erhitzen auf die kritische Temperatur auf eine zweite Temperatur oberhalb der kritischen Temperatur erhitzt wird, welche zweite Temperatur unterhalb einer dritten Temperatur liegt, ab welcher dritten Temperatur die Oberfläche des geblähten Granulats aufplatzt und wobei die zweite Temperatur in Abhängigkeit von einer gewünschten Dichte des geblähten Granulats gewählt wird, so dass ein Teil des Treibmittels in gebundener Form im Granulat verbleibt.
Es hat sich herausgestellt, dass, anders als aus dem Stand der Technik bekannt und angenommen, oberhalb der kritischen Temperatur ein Temperaturbereich existiert, innerhalb dessen die Expansion des sandkornförmigen, mineralischen Materials durch Wahl einer zweiten Temperatur, auf welche das sandkornförmige, mineralische Material erhitzt wird, in definierten Grenzen steuerbar ist, ohne dass es zu einem Aufplatzen der Oberfläche des geblähten Granulats kommt.
Wenn in diesem Zusammenhang vom Aufplatzen der Oberfläche gesprochen wird, so ist anzumerken, dass im Sinne der Erfindung eine Oberfläche eines geblähten Granulats dann nicht als aufgeplatzt und somit geschlossenzellig angesehen wird, wenn weniger als 15%, bevorzugt weniger als 10%, besonders bevorzugt weniger als 5%, der Oberfläche des geblähten Granulats aufgeplatzt ist und die restliche Oberfläche glatt ist.
Derart geringfügig aufgeplatzte Oberflächen bewirken immer noch geringste oder völlig fehlende Hygroskopie sowie eine ausgeprägte mechanische Stabilität des geblähten Granulats.
Wie sich ebenfalls herausgestellt hat, ermöglicht es die kontrollierte Expansion des sandkornförmigen, mineralischen Materials, die Dichte [kg/m3] bzw. einen Blähfaktor des geblähten Granulats für in der Praxis relevante Anwendungsfelder einzustellen. Mit anderen Worten kann durch entsprechende Wahl der zweiten Temperatur ein geblähtes Granulat mit unterschiedlichen Dichten und damit unterschiedlichen Festigkeiten hergestellt werden, die allesamt dennoch geschlossene Oberflächen aufweisen, mechanisch stabil und damit nicht hygroskopisch sind.
Unter dem Begriff Blähfaktor ist das Verhältnis des Volumens des sandkornförmigen, mineralischen Materials vor dem Blähvorgang zum Volumen des Granulats nach dem Blähvorgang zu verstehen. Je „näher" die zweite Temperatur bei der kritischen Temperatur liegt, desto „weniger" wird das sandkornförmige, mineralische Material gebläht, d.h. umso geringer ist der Blähfaktor des Granulats. Hierbei wird ein Teil des Treibmittels nicht für den Blähvorgang verwendet. Dieses verbleibt in gebundener Form im Granulat. Bei Erhöhung der zweiten Temperatur erhöht sich auch der Blähfaktor des Granulats. Je „näher" die zweite Temperatur bei der dritten Temperatur liegt, desto mehr Treibmittel wird für den Blähvorgang verwendet - d.h. umso weniger Treibmittel verbleibt in gebundener Form im Granulat.
D.h. durch die Wahl der zweiten Temperatur wird der Blähvorgang insoferne gesteuert, als dadurch die Restfeuchte des geblähten Granulats, also der Anteil an nicht für die Expansion verwendetem Wasser des Ausgangsmaterials eingestellt wird, wodurch sich wiederum die Dichte des geblähten Granulats gezielt einstellen lässt. Je niedriger die zweite Temperatur gewählt wird, desto höher ist die Dichte des geblähten Granulats. Je höher die zweite Temperatur gewählt wird, desto geringer ist die Dichte des geblähten Granulats. Da die Dichte proportional zur mechanischen Festigkeit ist, ist bei geringerer Dichte des geblähten Granulats auch die mechanische Festigkeit des geblähten Granulats geringer, während bei höherer Dichte des geblähten Granulats die mechanische Festigkeit des geblähten Granulats höher ist. Für jegliche praktische Anwendung des geblähten Granulats kann somit stets diejenige Festigkeit gewählt werden, bei der die mechanische Festigkeit gerade ausreicht. Damit ist gewährleistet, dass das geblähte Granulat genauso stabil wie nötig, aber gleichzeitig so leicht wie möglich ist. Das geblähte Granulat ist also vielseitig einsetzbar und kann mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens an den jeweiligen Anwendungsfall so angepasst werden, dass die Lösung besonders effizient ist.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung läuft das Verfahren wie folgt ab:
Das sandkornförmige, mineralische Material wird während des Beförderns durch die Wärmebehandlungsstrecke zuerst auf die kritische Temperatur und anschließend auf die zweite Temperatur erhitzt. Ab der kritischen Temperatur wird das sandkornförmige, mineralische Material, welches zahlreiche Körner, die jeweils ein Gefüge und eine Oberfläche aufweisen, umfasst, plastisch - d.h. das sandkornförmige, mineralische Material wird weich.
Aufgrund des Treibmittels beginnt die Mehrheit des sandkornförmigen, mineralischen Materials bei der kritischen Temperatur zu blähen. Unter „Mehrheit" wird in diesem Zusammenhang verstanden, dass mehr als 80%, bevorzugt mehr als 90%, besonders bevorzugt mehr als 95%, des aufgegebenen sandkornförmigen, mineralischen Materials zu blähen beginnt. Da nicht alle Körner des aufgegebenen sandkornförmigen, mineralischen Materials gleiche physikalische und chemische Kenngrößen aufweisen, kann nicht gänzlich vermieden werden, dass bei einer gewissen Anzahl an Körnern die Plastifizierung und damit der Blähvorgang erst später einsetzt als bei der Mehrheit der Körner. Aus diesem Grund ist es von Vorteil, wenn das aufgegebene sandkornförmige, mineralische Material Körner mit möglichst identischen Eigenschaften aufweist, so dass die Erwärmung des sandkornförmigen, mineralischen Materials bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens bei allen Körnen, zumindest aber bei der Mehrheit der Körner das gleiche Verhalten bewirkt.
Die zweite Temperatur liegt in einem Bereich zwischen der kritischen Temperatur und der dritten Temperatur, wobei bei der dritten Temperatur die Oberfläche des Granulats aufplatzt. Im Bereich zwischen der kritischen Temperatur und der dritten Temperatur bläht das sandkornförmige, mineralische Material weitestgehend, ohne aufzuplatzen.
Das Gefüge und die Oberflächen des sandkornförmigen, mineralischen Materials besitzen eine temperaturabhängige Viskosität. Bei höherer Temperatur sind die Oberflächen und die Körper des sandkornförmigen, mineralischen Materials weniger viskos, weshalb das sandkornförmige, mineralische Material durch das verdampfende Treibmittel stärker gebläht wird. Unterhalb der kritischen Temperatur ist die Viskosität so hoch, dass die Oberflächen und die Körper des sandkornförmigen, mineralischen Materials nicht plastisch werden und es zu keinem Blähvorgang kommt. Oberhalb der dritten Temperatur ist die Viskosität der Körper und der Oberflächen wiederum derart niedrig, andererseits der Verdampfungsdruck des Treibmittels derart hoch, dass die Oberflächen des geblähten Granulats im Zuge des Blähvorgangs aufplatzen. D.h. über die Höhe der zweiten Temperatur wird die Viskosität des Granulats, der Blähvorgang und in weiterer Folge die Dichte und die mechanische Festigkeit des geblähten Granulats eingestellt. Wie bereits oben ausgeführt, hat sich herausgestellt, dass durch die Höhe der zweiten Temperatur der Blähfaktor bzw. die Dichte des geblähten Granulats gezielt einstellbar ist und zwar derart, dass die Höhe der zweiten Temperatur umgekehrt proportional zur Dichte des geblähten Granulats ist, d.h.je niedriger die zweite Temperatur gewählt wird, desto höher ist die Dichte des geblähten Granulats und umgekehrt. Wie bereits oben geschrieben, ist die Dichte proportional zur mechanischen Festigkeit. Somit ist bei geringerer Dichte des geblähten Granulats auch die mechanische Festigkeit des geblähten Granulats geringer, während bei höherer Dichte des geblähten Granulats die mechanische Festigkeit des geblähten Granulats höher ist. Für jegliche praktische Anwendung des geblähten Granulats kann somit stets diejenige Festigkeit gewählt werden, bei der die mechanische Festigkeit gerade ausreicht.
Damit ist gewährleistet, dass das geblähte Granulat nicht nur die mit einem geschlossenzelligen Aufbau einhergehenden Vorteile besitzt, sondern darüberhinaus genauso stabil wie nötig, aber gleichzeitig so leicht wie möglich ist. Das geblähte Granulat ist also vielseitig einsetzbar und kann mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens an den jeweiligen Anwendungsfall so angepasst werden, dass die Lösung besonders effizient ist.
Die Körner des geblähten Granulats mit geschlossenzelliger Oberfläche sind idealerweise kugelförmig ausgebildet, können aber auch Eiform, Kartoffelform oder die Form mehrerer miteinander verbundener Entitäten - ähnlich mehrerer miteinander verbundener Seifenblasen - haben.
Das Treibmittel ist, mehr oder weniger gleichmäßig, innerhalb des Volumens der Körner des Granulats gebunden. Im Zuge des Blähvorgangs können sich - abhängig von einer Verteilung des Treibmittels - innerhalb eines Korns mehrere geblähte Zellen bilden, die sich nicht voneinander abspalten, wodurch mehrere miteinander verbundene Entitäten entstehen. In einer alternativen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es vorgesehen, dass das sandkornförmige, mineralische Material nach dem Einbringen in den Ofenschacht zur Vorbereitung auf den Blähvorgang zunächst auf eine unterhalb der kritischen Temperatur liegende Vorwärmtemperatur vorgewärmt wird, vorzugsweise höchstens auf 750°C vorgewärmt wird.
Je nach Ausgangsmaterial in Form von sandkornförmigem, mineralischem Material ist es nicht erforderlich, dass im Zuge des Vorwärmens die 750°C auch tatsächlich erreicht werden. Wesentlich ist nur, dass die 750°C nicht überschritten werden, wobei auch, in Abhängigkeit der Korngröße des Ausgangsmaterials, die 750°C deutlich unterschritten werden können. So kann die Vorwärmtemperatur beispielsweise auch im Bereich zwischen 500°C und 650°C liegen.
Die Vorerwärmung dient dazu, das sandkornförmige, mineralische Material vor dem Blähvorgang bis in ein Innerstes langsam zu durchwärmen. Durch das Aufheizen auf die Vorwärmtemperatur werden alle Schichten des sandkornförmigen, mineralischen Materials - ausgehend von einer Oberfläche bis hin zu einem Kern - langsam und nicht schockartig erwärmt.
Es soll gewährleistet werden, dass sich durch die Vorwärmung ein möglichst einheitliches Temperaturprofil innerhalb der Schichten des sandkornförmigen, mineralischen Materials ausbildet. Durch Begrenzung der Vorwärmtemperatur wird verhindert, dass bei zu rascher Aufheizung auf die kritische Temperatur äußere, oberflächennahe Schichten bereits blähen und eine Isolationsschicht bilden, bevor der Kern erwärmt ist. Weiters dient die Begrenzung der Vorwärmtemperatur dazu, zu verhindern, dass das Treibmittel so großen Druck entfaltet, dass das sandkornförmige, mineralische Material unkontrolliert expandiert, wodurch die Oberfläche aufplatzt.
In einer alternativen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es vorgesehen, dass eine Dauer bis zur Erreichung der Vorwärmtemperatur zwischen 0,5 und 1,5 Sekunden, vorzugsweise zwischen 0,5 und 2 Sekunden, besonders bevorzugt zwischen 0,5 und 3 Sekunden, beträgt.
Wie bereits oben ausgeführt, wird es als wesentlich erachtet, dass das Ausgangsmaterial im Ofenschacht langsam vorgewärmt wird und nicht schockartig erhitzt wird. Neben der Begrenzung der Vorwärmtemperatur ist es daher auch erforderlich die Wärmezufuhr im Ofenschacht derart zu regeln, dass die Vorwärmtemperatur (nicht zwingend die maximale Vorwärmtemperatur) unter den verfahrenstechnischen Randbedingungen (zur Verfügung stehenden Förderstrecke) möglichst langsam erreicht wird.
Der Temperaturanstieg bis zum Erreichen der Vorwärmtemperatur erfolgt bevorzugt linear. Es ist allerdings auch vorstellbar, dass der Temperaturanstieg bis zum Erreichen der Vorwärmtemperatur exponentiell oder beschränkt erfolgt.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es vorgesehen, dass die Wärmebehandlungsstrecke Heizelemente zur Abgabe von Wärme an das sandkornförmige, mineralische Material aufweist, wobei die Ansteuerung von innerhalb von zumindest lm, bevorzugt innerhalb von zumindest 2,5m, besonders bevorzugt von innerhalb von zumindest 4m, gemessen ab der Aufgabeöffnung, angeordneten Heizelementen mit einer Anspeisetemperatur von höchstens 750°C erfolgt.
Dadurch kann der Beginn des Blähvorgangs im Ofenschacht, je nach Ausgangsmaterial und einzustellender Dichte, möglichst weit nach unten verschoben werden. Je weiter der Beginn des Blähvorgangs nach unten verschoben wird, desto länger und gleichmäßiger ist die Vorwärmung. Sicherzustellen ist aber jedenfalls, dass die verbleibende Förderstrecke ausreicht, um die zweite Temperatur und damit die gewünschte Dichte zu erreichen. So kann bei entsprechend leichtem Ausgangsmaterial ausreichend sein, lediglich die innerhalb lm nach der Aufgabeöffnung angeordneten Heizelemente mit einer Anspeisetemperatur von höchstens 750 anzusteuern, da dies für die langsame, gleichmäßige Erwärmung ausreichend sein kann. Bei schwererem Ausgangsmaterial hingegen kann es erforderlich sein, alle innerhalb von 4m nach der Aufgabeöffnung angeordneten Heizelemente mit einer Anspeisetemperatur von höchsten 750°C anzusteuern, da in diesem Fall die gleichmäßige, durchgehende Erwärmung einer längeren Fallstrecke bedarf.
In einer alternativen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es vorgesehen, dass die Ansteuerung der in Förderrichtung nach den mittels Anspeisetemperatur angesteuerten Heizelementen liegenden Heizelemente mit einer Temperatur erfolgt, die über der Anspeisetemperatur liegt, vorzugsweise zwischen 800°C und 1100°C. Dadurch ist sichergestellt, dass zumindest die kritische Temperatur erreicht wird, sodass es zu einem Blähvorgang kommt.
In einer alternativen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es vorgesehen, dass die zweite Temperatur in einem Bereich zwischen der kritischen Temperatur und der l,5fachen oder derl,4fachen oder der l,3fachen oder der l,2fachen oder der l,lfachen kritischen Temperatur, liegt.
D.h. je nach Rohstoffbeschaffenheit und Ausgangskorngröße übersteigt die zweite Temperatur das l,5fache der kritischen Temperatur nicht. Durch Wahl der zweiten Temperatur, die jedenfalls unter der dritten Temperatur liegt, wird sichergestellt, dass - abhängig vom Ausgangsmaterial - mehr als 85%, bevorzugt mehr als 90%, besonders bevorzugt mehr als 95%, des geblähten Granulats nach dem Blähvorgang bei der zweiten Temperatur eine geschlossenzellige, nicht aufgeplatzte Oberfläche aufweist.
In einer alternativen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es vorgesehen, dass die erste Temperatur und/oder die kritische Temperatur und/oder die dritte Temperatur für eine bestimmte Sorte des Ausgangsmaterials vor Einbringung in den Ofenschacht experimentell ermittelt wird, wobei die erste und/oder die kritische Temperatur zum Beispiel mit Hilfe eines Versuchsofens, vorzugsweise mit Hilfe eines Muffelofens, ermittelt werden. D.h. die Ermittlung der entsprechenden Temperaturen erfolgt - insbesondere bei unbekannten Ausgangsmaterialien - experimentell zeitlich noch vor dem Einbringen des Granulats in den Ofenschacht. Hierfür wird unter anderem der Feuchtegehalt des Granulats und dessen Masseabnahme beim Trocknen bestimmt. Bei ähnlichen Ausgangsmaterialien (Rohsandtyp und -körnung) ist eine erneute Ermittlung allerdings nicht erforderlich.
Abhängig von einer Materialklasse des sandkornförmigen, mineralischen Materials, von einer Ausgangskorngröße des sandkornförmigen, mineralischen Materials und von der Masse des Treibmittels werden dann die erste Temperatur und/oder die kritische Temperatur und/oder die dritte Temperatur bestimmt. In Abhängigkeit von der gewünschten zu erzielenden Dichte wird dann die zweite Temperatur gewählt.
In einer alternativen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es vorgesehen, dass das Treibmittel Wasser umfasst, welches Wasser im sandkornförmigen, mineralischen Material gebunden ist.
Wie bereits oben geschrieben, wird das sandkornförmige, mineralische Material bei der kritischen Temperatur plastisch, wobei das verdampfende wasserhaltige Treibmittel Druck auf das sandkornförmige, mineralische Material, insbesondere auf die Oberfläche des sandkornförmigen, mineralischen Materials ausübt, wodurch es zum Blähvorgang kommt.
In einer alternativen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es vorgesehen, dass nach Erreichen der zweiten Temperatur, die Wärmezufuhr zum geblähten Granulat derart geregelt wird, dass sich die Temperatur des geblähten Granulats nicht weiter erhöht. Dadurch wird ein weiterer Blähvorgang verhindert, ein Aufreißen des geblähten Granulats wird unterbunden und der durch die zweite Temperatur eingestellte Blähfaktor kann gehalten werden. Somit weist ein Großteil - d.h. mehr als 85%, bevorzugt mehr als 90%, besonders bevorzugt mehr als 95% - des geblähten Granulats am anderen Ende des Ofenschachts eine geschlossenzellige Oberfläche und eine gezielt durch die zweite Temperatur eingestellte Dichte auf. Das geblähte Granulat zeichnet sich sodann durch eine fehlende bzw. für die Praxis wenig negative Hygroskopie und hohe mechanische Stabilität aus.
Bevorzugt wird die Heizleistung der Heizelemente in den Heizzonen in der nach dem Blähvorgang verbleibenden Wärmebehandlungsstrecke sukzessive verringert. D.h. nach dem Erreichen der zweiten Temperatur sinkt die Temperatur des geblähten Granulats ab.
Es wäre vorstellbar, dass die zweite Temperatur erst in einem Bereich der Wärmebehandlungsstrecke erreicht wird, welcher Bereich nahe am anderen Ende des Ofenschachts ist. Dies hat den Vorteil, dass die Anzahl von in Förderrichtung gesehen hinter diesem Bereich liegenden Heizelemente gering gehalten werden kann.
Sofern der Blähvorgang in einem Bereich der Wärmebehandlungsstrecke stattfindet, welcher Bereich nicht nahe am anderen Ende des Ofenschachts ist, sondern beispielsweise in einem mittleren Abschnitt des Ofenschachts, wäre es auch vorstellbar, dass die Leistung der in Förderrichtung hinter dem Bereich, in welchem die zweite Temperatur erreicht wird, liegenden Heizelemente auf Null gesetzt wird.
Dadurch wird sichergestellt, dass es nach diesem Bereich zu keinem weiteren Blähvorgang kommt und das geblähte Granulat, welches eine im Wesentlichen geschlossenzellige Oberfläche aufweist, nicht aufplatzt. Erfindungsgemäß kann das geblähte Granulat als mineralischer Füllstoff in einem Bitumenprodukt verwendet werden. Hierbei handelt es sich um ein besonders bevorzugtes Einsatzgebiet des geblähten Granulats mit geschlossenzelliger Oberfläche und gezielt eingestellter Dichte. Durch die Verwendung des geblähten Granulats kann nämlich das Gewicht des Bitumenprodukts optimiert werden, ohne die Abdichtwirkung des Bitumenprodukts negativ zu beeinflussen.
WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
Die Erfindung wird nun anhand von zwei Ausführungsbeispielen näher erläutert, wobei in beiden Ausführungsbeispielen als Rohmaterial für die Herstellung des geblähten Granulats Perlitsand zum Einsatz kommt.
Im ersten Ausführungsbeispiel (Perlit A) weist der ungeblähte Perlitsand A eine Ausgangskorngröße in einem Bereich von 100 gm bis 300 gm auf. Oberhalb einer kritischen Temperatur, welche in diesem Ausführungsbeispiel bei 790°C liegt, und unterhalb einer dritten Temperatur, welche bei >1080°C liegt, existiert ein Temperaturbereich, innerhalb dessen die Expansion des Perlitsandes A durch Wahl einer zweiten Temperatur, auf welche der Perlitsand A erhitzt wird, steuerbar ist - ohne dass es zu einem Aufplatzen der Oberfläche kommt, indem ein Teil des Treibmittels in gebundener Form im Granulat verbleibt und nicht zur Expansion benutzt wird.
Durch diese kontrollierte Expansion und teilweise Nichtnutzung des gebundenen Treibmittels kann eine Schüttdichte und damit einhergehend eine Druckfestigkeit des geblähten Perlits A für in der Praxis relevante Anwendungsfelder eingestellt werden.
Tabelle 1 stellt - rein beispielhaft - eine Übersicht über die Korrelation zwischen zweiter Temperatur und Schüttdichte des geblähten Granulats sowie dessen Druckfestigkeit des Perlits A dar bei Erhitzung auf die zweite Temperatur. Des Weiteren ist aus Tabelle 1 auch die in den geblähten Perlitkörnern A verbleibende Restfeuchte, die sich aufgrund des im geblähten Granulat verbleibenden, gebundenen Treibmittels, zB. Wasser, einstellt, ersichtlich.
Der Perlitsand A wird im ersten Ausführungsbeispiel während des Beförderns durch eine Wärmebehandlungsstrecke zuerst auf die kritische Temperatur von 790°C gebracht und anschließend auf die zweite Temperatur erhitzt. Ab der kritischen
Temperatur von 790°C wird der Perlitsand A plastisch, wobei das im Perlitsand A gebundene Wasser, das sogenannte Kristallwasser, zu verdampfen beginnt und so als Treibmittel wirkt. Mit dem Beginn des Verdampfungsvorgangs einhergehend ist die Aufblähung des Perlitsandes A auf ein Vielfaches seines ursprünglichen Volumens. Bei einem Erhitzen über die dritte Temperatur, welche in diesem Ausführungsbeispiel oberhalb von 1080°C liegt, also zB 1090°C oder 1100°C oder 1200°C betragen kann, beginnt die Oberfläche des Perlits A aufzuplatzen. Das zu Beginn noch im Granulat gebundene Wasser verdampft völlig.
Beschränkt man die Temperatur allerdings auf eine Temperatur (zweite Temperatur) unterhalb der dritten Temperatur, verbleibt Wasser in gebundener Form im Granulat. Durch Auswahl der zweiten Temperatur kann daher der Anteil des im Granulat verbleibenden, gebunden Wassers und damit die zu erzielende Schüttdichte eingestellt werden. Aus Tabelle 1 ist dieser Umstand anhand von Zahlenwerten ersichtlich. Da zwischen Schüttdichte und Druckfestigkeit Proportionalität besteht, kann durch Wahl der zweiten Temperatur auch die Druckfestigkeit eingestellt werden.
Konkret bedeutet dies: Je niedriger die zweite Temperatur gewählt wird, desto höher ist die Schüttdichte des geblähten Perlits A und damit auch dessen Druckfestigkeit. Je höher die zweite Temperatur gewählt wird, desto geringer ist die Schüttdichte des geblähten Perlits A und damit auch dessen Druckfestigkeit. Damit kann durch entsprechende Wahl der zweiten Temperatur gewährleistet werden, dass der geschlossenzellig geblähte und damit nicht hygroskopische Perlit A genauso stabil wie nötig, aber gleichzeitig so leicht wie möglich ist - der geblähte Perlit A ist also vielseitig einsetzbar.
Die niedrigste Schüttdichte von 90 kg/m3 und niedrigste Druckfestigkeit von 0,15 N/mm2 wird bei Perlit A mit einer zweiten Temperatur von ca. 1080°C erreicht - dies deshalb da in diesem Fall die zweite Temperatur sehr nahe an der dritten Temperatur liegt. Eine hohe Schüttdichte von 400 kg/m3 und hohe Druckfestigkeit von 3,60 N/mm2 des geblähten Perlits A wird bei einer zweiten Temperatur von 950°C erreicht - in diesem Fall liegt die zweite Temperatur näher bei der kritischen Temperatur. Zum Vergleich: die Schüttdichte des ungeblähten Perlitsands A (Rohmaterial) beträgt ca. 1050kg/m3, die Feuchte 3,66 m%, welche lediglich als Vergleichswert für den ursprünglichen Anteil des gebundenen Wassers dienen soll.
Je „näher" die zweite Temperatur also bei der kritischen Temperatur liegt, desto „weniger" wird der Perlitsand A gebläht. Hierbei verbleibt ein Teil des Wassers in gebundener Form im Perlit A. Je „näher" die zweite Temperatur bei der dritten Temperatur liegt, desto mehr Wasser verdampft - d.h. umso weniger Wasser verbleibt im Perlit A in gebundener Form. Die in Tabelle 1 dargestellte Restfeuchte ist ein Maß für das im Perlit A nach dem Blähvorgang verbliebene Wasser. Bei einer Schüttdichte des geblähten Perlits A von 90 kg/m3 verbleibt lediglich 0,74 m% gebundenes Wasser im geblähten Perlit A, während bei einer Schüttdichte von 400 kg/m3 1,40 m% gebundenes Wasser im geblähten Perlit A verbleibt. In diesem Zusammenhang sei erwähnt, dass es sich bei der hier verwendeten Einheit der Restfeuchte um Massenprozent [m%] handelt.
Im zweiten Ausführungsbeispiel (Perlit B) weist der ungeblähte Perlitsand B eine Ausgangskorngröße in einem Bereich von 75 gm bis 170 gm auf. Die beim ersten Ausführungsbeispiel allgemein getroffenen Aussagen / Definitionen hinsichtlich kritischer Temperatur, zweiter Temperatur, dritter Temperatur, Schüttdichte, Restfeuchte sowie Druckfestigkeit und deren Beziehung zueinander treffen auf das zweite Ausführungsbeispiel ebenso zu.
Tabelle 2: Übersicht - Perlit B Der Perlitsand B wird im zweiten Ausführungsbeispiel während des Beförderns durch die Wärmebehandlungsstrecke ebenfalls zuerst auf die kritische Temperatur von 790°C gebracht und anschließend auf die zweite Temperatur erhitzt. Ab der kritischen Temperatur von 790°C wird auch der Perlitsand B plastisch, wobei das im Perlitsand B gebundene Wasser zu verdampfen beginnt und so als Treibmittel wirkt. Bei einem Erhitzen über die dritte Temperatur, welche in diesem Ausführungsbeispiel oberhalb von 1015°C liegt, also zB 1025°C oder 1050°C oder 1100°C betragen kann, beginnt die Oberfläche des Perlits B aufzuplatzen. Das zu Beginn noch im Granulat gebundene Wasser verdampft völlig.
Die niedrigste Schüttdichte von 220 kg/m3 und niedrigste Druckfestigkeit von 1,50 N/mm2 wird bei Perlit B mit einer zweiten Temperatur von ca. 1015°C erreicht. Eine hohe
Schüttdichte von 550 kg/m3 und hohe Druckfestigkeit von 7,80 N/mm2 des geblähten Perlits B wird bei einer zweiten Temperatur von 825°C erreicht. Hinsichtlich der Restfeuchte wird festgehalten, dass im zweiten Ausführungsbeispiel bei einer Schüttdichte von 220 kg/m3 1,03 m% gebundenes Wasser im geblähten Perlit B verbleibt, während bei einer Schüttdichte 550 kg/m3 1,62 m% gebundenes Wasser im geblähten Perlit B verbleibt. Zum Vergleich: die Schüttdichte des ungeblähten Perlitsands B (Rohmaterial) beträgt ca. 1000kg/m3, die Feuchte 3,66 m%, welche auch in diesem Ausführungsbeispiel lediglich als Vergleichswert für den ursprünglichen Anteil des gebundenen Wassers dienen soll.
Aus Tabelle 2 ist u.a. ersichtlich, dass bei Perlit B aufgrund der feineren Ausgangskorngröße im Vergleich zu Perlit A die dritte Temperatur niedriger ist. Infolgedessen werden beim Perlitsand B verglichen mit Perlitsand A höhere Schüttdichten des geblähten Perlits B und damit auch höhere Druckfestigkeiten erzielt.
Für den Fachmann nachvollziehbar ist, dass es für das erfindungsgemäße Verfahren besonders vorteilhaft ist, wenn das zum Einsatz kommende Rohmaterial, bevor es dem erfindungsgemäßen Verfahren unterworfen wird, entsprechend konditioniert wird, um möglichst gleiche Ausgangsbedingungen für die einzelnen Körner zu schaffen.
Besonders bevorzugt ist es dabei vorgesehen, dass mehr als 80%, bevorzugt mehr als 90%, besonders bevorzugt mehr als 95%, des Rohmaterials (zB. des Perlitsands A bzw. des Perlitsands B) bei der in den beiden Ausführungsbeispielen angegebenen kritischen Temperatur zu blähen beginnen sowie bei der in den Tabellen angeführten dritten Temperatur aufzubrechen beginnen, um durch Wahl der zweiten Temperatur auch gewährleisten zu können, dass lediglich ein Teil des im Rohmaterial gebundenen Wassers für die Expansion verwendet wird und der Rest im geblähten Granulat verbleibt.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Verfahren zur Herstellung eines geblähten Granulats aus sandkornförmigem, mineralischem Material, welches ein gebundenes Treibmittel aufweist, beispielsweise eines geblähten Granulats aus Perlitsand, wobei das sandkornförmige, mineralische Material
- in eine Aufgabeöffnung an einem Ende eines Ofenschachts eingebracht wird, in einer Förderrichtung entlang einer
Wärmebehandlungsstrecke, vorzugsweise durch Schwerkraft, befördert wird, während des Beförderns durch die Wärmebehandlungsstrecke auf eine kritische Temperatur erhitzt wird, ab welcher das sandkornförmige, mineralische Material plastisch wird und aufgrund des Treibmittels zu blähen beginnt, und das geblähte Granulat an einem anderen Ende des Ofenschachts ausgetragen wird, dadurch gekennzeichnet, dass das sandkornförmige, mineralische Material nach dem Erhitzen auf die kritische Temperatur auf eine zweite Temperatur oberhalb der kritischen Temperatur erhitzt wird, welche zweite Temperatur unterhalb einer dritten Temperatur liegt, ab welcher dritten Temperatur die Oberfläche des geblähten Granulats aufplatzt und wobei die zweite Temperatur in Abhängigkeit von einer gewünschten Dichte des geblähten Granulats gewählt wird, so dass ein Teil des Treibmittels in gebundener Form im Granulat verbleibt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das sandkornförmige, mineralische Material nach dem Einbringen in den Ofenschacht zur Vorbereitung auf den Blähvorgang zunächst auf eine unterhalb der kritischen Temperatur liegende Vorwärmtemperatur vorgewärmt wird, vorzugsweise höchstens auf 750°C vorgewärmt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Dauer bis zur Erreichung der Vorwärmtemperatur zwischen 0,5 und 1,5 Sekunden, vorzugsweise zwischen 0,5 und 2 Sekunden, besonders bevorzugt zwischen 0,5 und 3 Sekunden, beträgt.
4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die
Wärmebehandlungsstrecke Heizelemente zur Abgabe von Wärme an das sandkornförmige, mineralische Material aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuerung von innerhalb von zumindest lm, bevorzugt innerhalb von zumindest 2,5m, besonders bevorzugt von innerhalb von zumindest 4m, gemessen ab der Aufgabeöffnung, angeordneten Heizelementen mit einer Anspeisetemperatur von höchstens 750°C erfolgt.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die
Ansteuerung der in Förderrichtung nach den mittels Anspeisetemperatur angesteuerten Heizelementen liegenden Heizelementen mit einer Temperatur erfolgt, die über der Anspeisetemperatur liegt, vorzugsweise zwischen 800°C und 1100°C.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Temperatur in einem Bereich zwischen der kritischen Temperatur und der l,5fachen oder der l,4fachen oder der l,3fachen oder der l,2fachen oder der l,lfachen kritischen Temperatur, liegt.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Temperatur und/oder die kritische Temperatur und/oder die dritte Temperatur vor Einbringung in den Ofenschacht experimentell ermittelt
5 werden.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Treibmittel Wasser umfasst, welches Wasser im sandkornförmigen, mineralischen Material gebunden ist.
10 9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass nach Erreichen der zweiten Temperatur, die Wärmezufuhr zum geblähten Granulat derart geregelt wird, dass sich die Temperatur des geblähten Granulats nicht weiter erhöht.
1510. Geblähtes Granulat aus sandkornförmigem, mineralischem Material, beispielsweise ein geblähtes Granulat aus Perlitsand, welches geblähte Granulat durch ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9 erhältlich ist.
11. Verwendung des geblähten Granulats nach Anspruch 10 als
20 mineralischer Füllstoff in einem Bitumenprodukt.
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