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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen eines Formkörpers aus Quarz- sand, wobei zunächst aus dem Quarzsand ein Rohling geformt wird, der anschliessend gesintert wird.
Für die Herstellung von Gebäuden und Strassen werden grundsätzlich steinartige Formkörper benötigt, die in möglichst grossen Mengen möglichst billig zur Verfügung stehen sollen. In zahl- reichen Regionen, z. B. im Vorderen Orient und Nordafrika, sind an vielen Orten weder Zement noch Kalk noch kiesartige Materialien als Baustoffe in ausreichendem Masse verfügbar und müssen zum Teil aus sehr weit entfernten Gebieten herangeschafft werden. So wird beispielsweise Kies für
Bauzwecke aus Australien unter erheblicher Belastung mit Frachtkosten in die Golfregion importiert.
In Ländern mit grossen Wüstengebieten steht anderseits Wüstensand als Rohstoff in prak- tisch unbegrenztem Masse zur Verfügung. Dieser Sand ist äusserst feinkörnig und besitzt eine hohe
Reinheit. Solche Quarzsande weisen ferner über grosse Landesgebiete hinweg gleichbleibende Zusam- mensetzung auf, so dass reproduzierbare Rohstoffverhältnisse vorliegen. Die Verwendung von Sand als Rohstoff für Baumaterialien, wie Bausteine, Fliesen, Wand- und Bodenbeläge u. dgl., setzt allerdings voraus, dass der Sand in geeigneter Weise verfestigt wird, was bisher durch die Ver- wendung von Sand als Magerungsmittel für Beton und Mörtel geschah. In Gebieten mit Wasserman- gel und Problemen bei der Beschaffung der übrigen benötigten Rohstoffe stellt dies jedoch keine praktikable Lösung für die Erzeugung von Baustoffen dar.
Die Herstellung von Formkörpern auf der Basis von Quarzsand ist seit langem auf dem Ge- biete des Formenbaues sowie zur Herstellung von Quarzkeramik bekannt. In diesen Fällen kommen jedoch zur Herstellung einer aus Körnern bestehenden Matrix Bindemittel zum Einsatz, um aus- reichend formstabile und bruchfeste Formkörper zu erzielen.
Darüber hinaus ist es bei der Herstellung eines Formkörpers aus Quarzsand bekannt (Silikat-Technik 13, Nr. 7,1962, Seiten 229-232), zunächst einen Rohling zu formen, der dann gesintert wird. Für die Formbeständigkeit des Rohlings ist es allerdings notwendig, diesem ein Bindemittel beizusetzen.
Aus der FR-OS 2291953 sind feuerfeste Sinterformkörper auf der Basis von Siliziumdioxyd in kristalliner sowie in glasartiger Form bekannt, die durch Vermischen von feingepulvertem kristallinem Siliziumdioxyd und glasartigem Siliziumdioxyd, Formgebung und Sinterung des Gemisches bei einer Temperatur erhalten werden, bei der noch keine rasche Kristallisation des glasartigen Siliziumdioxyds eintritt.
Schliesslich ist ein Verfahren zur Herstellung von Sinterformkörpern hoher Dichte auf der Basis von Glas und Quarz bekannt (DD-PS Nr. 130031), bei dem die beiden Hauptkomponenten gegebenenfalls unter Zusatz von Formgebungsmitteln gemeinsam nass vermahlen werden, worauf die erhaltene Suspension rasch getrocknet wird, um das Auslaugen von freiem Alkali zu verringern.
Die so erhaltenen keramischen Massen werden zwischen 700 und 1000 C, also durch einen im wesentlichen chemisch nicht reaktiven Dichtbrand zu dichten, steatitartigen Produkten gesintert.
Keines dieser vorbekannten Verfahren führt zu Formkörpern geringer Dichte. Ausserdem müssen stets Bindemittel verwendet werden.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von Formkörpern auf der Basis von Quarzsand mit ausreichender Festigkeit und Beständigkeit und zugleich möglichst geringer Dichte anzugeben, wobei dieses Verfahren ohne Einsatz von Wasser und ohne Zusatzstoffe durchführbar sein soll.
Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe dadurch, dass die Körner des Quarzsandes vor dem Sintern des Rohlings in einem elektrostatischen Feld ausgerichtet und dann unter Erhaltung ihrer Ausrichtung zum Formkörper gesintert werden.
Durch diese Ausrichtung der Körner des Quarzsandes in einem elektrostatischen Feld wird ein Rohling mit zahlreichen Hohlräumen erhalten, die beim anschliessenden Sintern erhalten bleiben, wobei zur Erzielung einer für den praktischen Einsatz ausreichenden Festigkeit des Rohlings keinerlei Bindemittel erforderlich sind, weil durch das Feld bzw. die Aufladung der Sandkörner die Makrostruktur des Rohlings erhalten bleibt. Die orientierten und teilweise aufgeladenen Quarzsandkörner lagern sich im Feld zu einer niederen Packungsdichte aneinander, die insbeson-
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dere auch von ihrer Korngrösse und Korngrössenverteilung abhängt.
Aus der DE-OS 2941026 ist zwar ein Verfahren unter Anwendung eines elektrischen Feldes bekannt, doch dient dieses Feld dazu, eine feinvermahlene Glasur in trockenem Zustand auf ein keramisches Erzeugnis aufzubringen, wobei das Glasurpulver mit einem Bindemittel vorbeschichtet wird, bevor das glasurbeschichtete keramische Erzeugnis bei 800 bis 1000 C gebrannt wird. Durch dieses bekannte Verfahren kann daher keine Lehre für die Herstellung von Formkörpern mit geringer Dichte auf der Basis von Quarzsand erhalten werden.
Der eingesetzte Quarzsand ist, insbesondere im Fall von Wüstensand, in der Regel rein genug, so dass Reinigungsschritte in den meisten Fällen entfallen können. Erforderlichenfalls kann der Sand vor der Verarbeitung gewaschen werden. Der Sand wird dann gegebenenfalls nach einer Vortrocknung einem elektrostatischen Feld ausgesetzt, dessen Feldstärke von der Geometrie der zum Einsatz gelangenden Vorrichtung und von der Menge, Form und Schüttdichte des Quarzsandes abhängt. Die jeweils günstigste Feldstärke kann für die gegebenen Verhältnisse in einem Vorversuch festgelegt werden. In der Praxis haben sich Feldstärken von zirka 1000 V/cm als vorteilhaft für übliche Bedingungen herausgestellt.
Besonders günstige Verfahrensbedingungen werden in weiterer Ausbildung der Erfindung dadurch sichergestellt, dass die Körner des Quarzsandes in einem zwischen Plattenelektroden aufgebauten Feld ausgerichtet werden, in das die Körner des Quarzsandes vorzugsweise eingeblasen oder eingeschüttet werden. In dem zwischen den Plattenelektroden aufgebauten elektrischen Feld entsteht eine durch die Aufladung der Körner stabilisierte Schüttung, die zahlreiche, unregelmässige Hohlräume aufweist, die beim anschliessenden Sintern erhalten bleiben. Diese Plattenelektroden können dabei bereits die Form für den Rohling bilden.
Die orientierte Packung kann ohne mechanische Störung des Ausrichtungszustandes der Sandkörner anschliessend durch Erhitzen auf eine Temperatur oberhalb der Sintertemperatur bleibend fixiert werden. Die Sintertemperatur und die Sinterdauer hängen insbesondere von der eingesetzten Quarzsandqualität, der Sandmasse, der Schüttdichte und den Wärmeübertragungsverhältnissen ab und werden ebenfalls in einfachen Voruntersuchungen festgelegt. Die Sintertemperatur liegt ty-
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nur in Sonderfällen notwendig wird.
Die Sinterung wird solange durchgeführt, bis die Formkörper durchgesintert sind und auch im Inneren eine ausreichende Fixierung der Körner relativ zueinander durch ein Zusammenwachsen an den sich berührenden Korngrenzen erzielt ist, was durch Bruch- und Festigkeitsmessungen einfach ermittelt werden kann.
Ein Pressen ist während des Einbringens des orientierten Quarzsandes in die Form bzw. bei der Einwirkung des elektrischen Feldes auf den bereits in der Form befindlichen Quarzsand nicht erforderlich, da die resultierende Packungsdichte des Quarzsandes zur Erzielung einer ausreichenden Festigkeit auch ohne Anwendung von Druck genügend hoch ist.
Für das erfindungsgemässe Verfahren ist wesentlich, dass zur Erzielung einer für den praktischen Einsatz ausreichenden Festigkeit keinerlei Bindemittel erforderlich sind, da das makroskopische Gefüge der Formkörper lediglich durch elektrische Feldeinwirkung und anschliessende Sinterung des im elektrischen Feld resultierenden Orientierungszustandes erzeugt wird.
Nach der Sinterung können die erhaltenen Formkörper glasiert werden, was für manche Anwendungszwecke, beispielswese für Boden- und Wandverkleidungsmaterialien, wie Fliesen, Kacheln u. dgl., besonders günstig ist und die Festigkeit des resultierenden Formkörpers weiter erhöht.
Wegen der günstigen Substrateigenschaften von Quarz können hiefür beliebige, herkömmliche Glasuren und Fritten verwendet werden, ebenso etwa Tonschlickerbeschichtungen. In zahlreichen Regionen Nordafrikas sowie etwa im Nahen Osten steht neben grossen Wüstensandvorkommen auch Meersalz in beliebiger Menge zur Verfügung. Es ist dementsprechend besonders günstig, unter derartigen Voraussetzungen Salzglasuren in der herkömmlichen Weise aufzubringen.
Das erfindungsgemässe Verfahren eignet sich gut für eine kontinuierliche Verfahrensführung.
Der Schritt der Feldeinwirkung ist zwar ein quasi diskontinuierlicher Einzelschritt, kann jedoch in eine insgesamt kontinuierliche Verfahrensweise integriert werden, wodurch sich die Effektivität
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und Produktivität des Verfahrens gegenüber dem absatzweisen Betrieb erhöhen lässt.
Nach dem erfindungsgemässen Verfahren hergestellte Formkörper können abschliessend in Ku- gelmühlen, Kollergängen od. dgl. wieder zu kleineren Bruchstücken mit Korngrössen über 2 mm zer- kleinert werden, um beispielsweise als Schotter- oder Kiesersatz für Beton und Mörtel sowie insbe- sondere als Unterbaumaterialien für den Strassen-und Wegebau eingesetzt zu werden. Das in die- ser Weise erhaltene Sintergut kann ohne wesentliche vorherige Abkühlung unmittelbar verarbeitet werden.
Nach dem erfindungsgemässen Verfahren hergestellte Formkörper zeichnen sich einerseits durch hohe Festigkeit aus, so dass sie als Bausteine im Hoch- und Tiefbau verwendet werden können, und besitzen anderseits auf Grund der herstellungsbedingten Makrostruktur zahlreiche Hohlräume und damit eine geringe Dichte, die erheblich unter der Dichte von Quarz bzw. Quarzschüttungen liegt und beispielsweise nur etwa 50% davon betragen kann. Diese Hohlräume stellen hervorragen- de Wärme- und Schallisolationseigenschaften sicher, wobei gegenüber Gasbeton deutlich höhere
Festigkeiten vorliegen. Diese Vorteile bleiben auch dann erhalten, wenn die Formkörper glasiert sind, weil die unter der Glasurschicht liegende Matrix hohe Porosität besitzt.
Die Formkörper nach dem erfindungsgemässen Verfahren können durch Schleifen, Sägen und
Brechen leicht und genau bearbeitet werden, ohne dass hiefür spezielle Werkzeuge oder Einrichtun- gen erforderlich sind.
Eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens weist als wesent- liche Teile eine Feldeinrichtung mit kondensatorartig angeordneten Elektroden zum Anlegen des elektrostatischen Hochspannungsfeldes sowie einen nachgeschalteten Sinterofen auf. Für Fälle, in denen der Quarzsand vorgetrocknet werden muss, ist zusätzlich ein Trockner vorzusehen, der vor- zugsweise als heissluftbetriebener Wirbelschichttrockner ausgebildet ist.
Die Feldeinrichtung zum Anlegen eines elektrischen Hochspannungsfeldes umfasst vorzugsweise zwei etwa waagrechte, übereinander angeordnete und voneinander ausreichend beabstandete Elektrodenplatten, von denen die untere vorzugsweise feststehend und die obere in senkrechter Richtung oder zur Seite schwenkbar beweglich ausgebildet ist. Besonders einfache Verhältnisse werden dabei geschaffen, wenn die Feldeinrichtung zugleich die Form für den Rohling bildet. Graphitformen eignen sich auf Grund ihrer thermischen Beständigkeit sowie ihrer elektrischen Leitfähigkeit für diesen Zweck besonders gut.
Die Feldeinrichtung kann ferner so ausgebildet sein, dass der Quarzsand gleichzeitig mit der Ausrichtung im elektrischen Feld zumindest teilweise elektrostatisch aufgeladen wird, oder eine zusätzliche Einrichtung zur Aufladung des Quarzsandes aufweisen, beispielsweise eine Coronaentladungseinrichtung, die günstig mit derselben Spannungsquelle wie die Feldeinrichtung betrieben wird.
Als Sinterofen wird vorzugsweise ein Tunnelofen eingesetzt, wobei es vorteilhaft ist, die Heissluft aus diesem Sinterofen für den Trockner zu verwenden.
Für den Einsatz beim Strassen-und Wegebau kann eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens fahrbar ausgeführt sein, wobei zumindest die Feldeinrichtung und der Sinterofen und vorzugsweise auch ein Vorratsbehälter für Quarzsand und ein ihm nachgeschalteter Trockner sowie eine Fördereinrichtung vor der Feldeinrichtung miteinander zu einer fahrbaren Einheit zusammengebaut sind, die bevorzugt selbstfahrend ausgebildet ist, d. h. einen eigenen Antrieb einschliesslich Stromversorgungseinrichtung aufweist.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zum Herstellen eines Formkörpers aus Quarzsand, wobei zunächst aus dem Quarzsand ein Rohling geformt wird, der anschliessend gesintert wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Körner des Quarzsandes vor dem Sintern des Rohlings in einem elektrostatischen Feld ausgerichtet und dann unter Erhaltung ihrer Ausrichtung zum Formkörper gesintert werden.
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The invention relates to a method for producing a shaped body from quartz sand, wherein a blank is first formed from the quartz sand, which is then sintered.
Stone-like moldings are generally required for the production of buildings and streets and should be available in the largest possible quantities as cheaply as possible. In numerous regions, e.g. B. in the Middle East and North Africa, in many places neither cement nor lime nor gravel-like materials are available as building materials to a sufficient extent and some have to be brought in from very distant areas. For example, gravel for
Construction purposes imported from Australia into the Gulf region under considerable freight costs.
In countries with large desert areas, on the other hand, desert sand is available as a raw material in practically unlimited quantities. This sand is extremely fine-grained and has a high
Purity. Such quartz sands also have a constant composition across large areas of the country, so that reproducible raw material ratios are available. The use of sand as a raw material for building materials such as building blocks, tiles, wall and floor coverings u. Like., however, presupposes that the sand is solidified in a suitable manner, which was previously done by using sand as a lean agent for concrete and mortar. In areas with water shortages and problems with the procurement of the other raw materials required, however, this is not a practical solution for the production of building materials.
The production of moldings based on quartz sand has long been known in the fields of mold construction and for the production of quartz ceramics. In these cases, however, binders are used to manufacture a matrix consisting of grains in order to achieve sufficiently dimensionally stable and unbreakable molded articles.
In addition, when producing a shaped body from quartz sand (silicate technique 13, No. 7.1962, pages 229-232) it is known to first form a blank, which is then sintered. For the shape stability of the blank it is necessary to add a binder to it.
FR-OS 2291953 discloses refractory sintered shaped bodies based on silicon dioxide in crystalline and in glass-like form, which are obtained by mixing finely powdered crystalline silicon dioxide and glass-like silicon dioxide, shaping and sintering the mixture at a temperature at which no rapid crystallization has yet occurred of the glassy silicon dioxide occurs.
Finally, a process for the production of sintered moldings of high density on the basis of glass and quartz is known (DD-PS No. 130031), in which the two main components are optionally ground together with the addition of shaping agents, whereupon the suspension obtained is quickly dried, to reduce leaching of free alkali.
The ceramic masses obtained in this way are sintered between 700 and 1000 ° C., that is to say by means of a substantially chemically non-reactive sealing firing to form steatite-like products.
None of these previously known methods leads to low density molded articles. In addition, binders must always be used.
The invention is therefore based on the object of specifying a method for producing moldings based on quartz sand with sufficient strength and resistance and at the same time as low a density as possible, this method being intended to be able to be carried out without using water and without additives.
The invention solves this problem in that the grains of the quartz sand are aligned in an electrostatic field before the sintering of the blank and then sintered to the shaped body while maintaining their alignment.
This alignment of the grains of the quartz sand in an electrostatic field results in a blank with numerous cavities which are retained during the subsequent sintering, no binders being required in order to achieve a strength of the blank which is sufficient for practical use because the field or the Charging the grains of sand the macro structure of the blank is preserved. The oriented and partially charged quartz sand grains accumulate in the field at a low packing density, which in particular
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which also depends on their grain size and grain size distribution.
From DE-OS 2941026 a method using an electric field is known, but this field serves to apply a finely ground glaze in a dry state to a ceramic product, the glaze powder being pre-coated with a binder before the glaze-coated ceramic product 800 to 1000 C is burned. This known method can therefore not be used to obtain a teaching for the production of low density molded articles based on quartz sand.
The quartz sand used is, in particular in the case of desert sand, generally pure enough that cleaning steps can be omitted in most cases. If necessary, the sand can be washed before processing. The sand is then optionally exposed to an electrostatic field after predrying, the field strength of which depends on the geometry of the device used and on the amount, shape and bulk density of the quartz sand. The most favorable field strength for the given conditions can be determined in a preliminary test. In practice, field strengths of around 1000 V / cm have proven to be advantageous for normal conditions.
Particularly favorable process conditions are ensured in a further embodiment of the invention in that the grains of the quartz sand are aligned in a field built up between plate electrodes, into which the grains of the quartz sand are preferably blown or poured. In the electrical field built up between the plate electrodes, a bed stabilized by the charging of the grains is created, which has numerous, irregular cavities which are retained during the subsequent sintering. These plate electrodes can already form the blank.
The oriented packing can then be fixed in place without mechanical disturbance of the orientation of the sand grains by heating to a temperature above the sintering temperature. The sintering temperature and the sintering time depend in particular on the quartz sand quality used, the sand mass, the bulk density and the heat transfer conditions and are also determined in simple preliminary examinations. The sintering temperature is typically
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only necessary in special cases.
The sintering is carried out until the shaped bodies are sintered through and an adequate fixation of the grains relative to one another is achieved by growing together at the touching grain boundaries, which can be easily determined by breaking and strength measurements.
Pressing is not necessary during the introduction of the oriented quartz sand into the mold or when the electric field is applied to the quartz sand already in the mold, since the resulting packing density of the quartz sand is sufficiently high to achieve sufficient strength even without applying pressure .
It is essential for the method according to the invention that no binders are required to achieve sufficient strength for practical use, since the macroscopic structure of the shaped bodies is produced only by the action of an electric field and subsequent sintering of the orientation state resulting in the electric field.
After sintering, the moldings obtained can be glazed, which for some applications, for example for floor and wall covering materials such as tiles, tiles and the like. Like., Is particularly favorable and the strength of the resulting molded body is further increased.
Because of the favorable substrate properties of quartz, any conventional glazes and frits can be used, as well as clay slip coatings. In numerous regions of North Africa and in the Middle East, in addition to large desert sand deposits, sea salt is also available in any quantity. Accordingly, it is particularly advantageous to apply salt glazes in the conventional manner under such conditions.
The process according to the invention is well suited for continuous process control.
The field action step is a quasi discontinuous single step, but can be integrated into an overall continuous procedure, which increases the effectiveness
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and increase the productivity of the process compared to the batch operation.
Shaped bodies produced by the process according to the invention can finally be crushed again in ball mills, pan mills or the like to smaller fragments with grain sizes of more than 2 mm, for example as ballast or gravel substitute for concrete and mortar and in particular as substructure materials for the road and path construction to be used. The sintered product obtained in this way can be processed immediately without substantial prior cooling.
Shaped bodies produced by the process according to the invention are distinguished on the one hand by high strength, so that they can be used as building blocks in civil engineering, and on the other hand, due to the production-related macrostructure, they have numerous cavities and thus a low density, which is considerably below the density of Quartz or quartz beds and can only be about 50% of it, for example. These cavities ensure excellent heat and sound insulation properties, while significantly higher than gas concrete
Strengths are present. These advantages are retained even if the moldings are glazed because the matrix under the glaze layer has high porosity.
The moldings according to the method of the invention can by grinding, sawing and
Crushing can be processed easily and precisely without the need for special tools or equipment.
The essential parts of a device for carrying out the method according to the invention include a field device with capacitor-like electrodes for applying the electrostatic high-voltage field, and a downstream sintering furnace. For cases in which the quartz sand has to be pre-dried, a dryer must also be provided, which is preferably designed as a hot air-operated fluidized bed dryer.
The field device for applying an electrical high-voltage field preferably comprises two approximately horizontal, one above the other and sufficiently spaced apart electrode plates, of which the lower is preferably fixed and the upper is designed to be pivotable in the vertical direction or to the side. Particularly simple conditions are created when the field device also forms the shape for the blank. Due to their thermal resistance and their electrical conductivity, graphite molds are particularly well suited for this purpose.
The field device can furthermore be designed such that the quartz sand is at least partially electrostatically charged at the same time as it is aligned in the electric field, or have an additional device for charging the quartz sand, for example a corona discharge device which is advantageously operated with the same voltage source as the field device.
A tunnel furnace is preferably used as the sintering furnace, it being advantageous to use the hot air from this sintering furnace for the dryer.
For use in road and path construction, a device for carrying out the method according to the invention can be designed to be mobile, at least the field device and the sintering furnace and preferably also a storage container for quartz sand and a dryer connected downstream of it, and a conveyor device in front of the field device to form a mobile unit are assembled, which is preferably self-propelled, d. H. has its own drive including power supply device.
PATENT CLAIMS:
1. A method for producing a shaped body from quartz sand, wherein a blank is first formed from the quartz sand, which is then sintered, characterized in that the grains of the quartz sand are aligned in an electrostatic field before the sintering of the blank and then while maintaining their alignment Shaped bodies are sintered.