DE2110498A1

DE2110498A1 - Verfahren zur Herstellung von kornfoermigen,expandierten keramischen Stoffen

Info

Publication number: DE2110498A1
Application number: DE19712110498
Authority: DE
Inventors: Emil Metzger
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1971-03-05
Filing date: 1971-03-05
Publication date: 1972-09-07
Also published as: AT328951B; IL38892A0; NL7202346A; IL38892A; BR7201253D0; CA965311A; BE778498A; US3887671A; GB1378333A; CH587197A5; IT949744B; FR2127973A5; ZA721295B; ATA114872A

Description

Beschreibung der Erfindung

Verfahren zur Herstellung von kornförmigen, expandierten keramischen Stoffen

Anmelder;
Emil Hetzger
8240 Thayngen Zieglerweg 54- - Schweiz -

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von kornförmigen expandierten keramischen Stoffen. Serartige Stoffe mit Körnern in der Größenordnung von etwa 5 Ms 20 mm Durchmesser finden in Folge ihres geringen Gewichts und ihres Wärmedämmvermögens vorteilhaft als Zuschlagstoffe von Leichtbeton Verwendung.

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Es ist bekannt, aus verhältnismäßig frühsinternden und unter Hitzeeinwirkung zu Gasbildung neigenden Tonen, z.B. bitominösen Tonen oder Ölschiefern oder solchen mit einem Gehalt von Eisen- und Siliziumoxyd Pellets vorzuformen, die unter Beigäbe eines Trennmittels im Ofen gebrannt werden. Die dort auftretenden Gasbildungen, die bei Erweichen der Tonmasse unter Hitzeeinfluß zu deren 7erschäumung führen, treiben die Pellets zu porösen mehr- oder minder kugelförmigen Körpern auf. Diese Gasbildung kann verschiedene Gründe haben, wie den einer Verschwelung eines Bitumengehaltes unter Luftabschluß, einer Reaktion von Eisenoxyd mit Siliziumoxyd oder den einer Umsetzung von Eisenoxyden, wobei in beiden Fällen Sauerstoff frei gesetzt wird. Es ist auch bekannt, daß zwischen den Rauchgasen des Ofens und den Eisenverbindungen in der Masse katalytisch^ Wechselwirkungen eintreten, denen zu Folge Kohlenstoff in der Masse eingelagert wird, der bei höheren Temperaturen verbrennt (E. Krause: Technologie der Keramik 1967, Band 4-, Seite 3).

Entscheidend für die Verschäumung ist es, daß das Plastischwerden des Materials mit der Gasentwicklung Schritt hält, so daß eine gleichmäßige Blasenstruktur erzielt und durch Anschmelzen der Außenschicht ein Entweichen der Treibgase in die Atmosphäre verhindert wird. Dies erfordert, daß die Masse im End-

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zustand eine homogene zähflüssige Schmelze ist, wobei die Form der geblähten Pellets nur durch den Druck der beim Brennen entwickelnden Gase bis zum Erstarren aufrecht erhalten wird.

Das sich damit ergebende Gefüge ist bei guter Beschaffenheit gleichmäßig von Blasen durchsetzt, wobei jedoch die Zwischenwände und Stege zwischen den Blasen ihrerseits wieder eine Blasenstruktur mit wesentlich kleinerer Größenordnung der Blasendurchmesser aufweisen. Diese Zwischenwände, die das innere Gerüst der gebrannten Körner darstellen, werden durch die in ihnen auftretenden umfangreichen sekundären Blasenbildungen ganz erheblich geschwächt, vorallem durch solche Blasen, die ihre Oberfläche durchsetzen. Dadurch wird die Druckfestigkeit der erhaltenen Körner stark vermindert. Durch Verbindung einer Mehrzahl solcher Bläschen in den Zwischenwänden und Stegen entstehen weit von der Kugelform einer Blase abweichende, zerklüftete und verzweigte Räume, die die Zwischenwände durchbrechen können, so daß sich die Körner durchziehende, durchströmbare Hohlraumsysteme bilden, die über Verletzungen in der Außenhaut, die beispielsweise bereits beim gegenseitigen Überrollen der Körner in ihrem Herstellungsprozess entstehen, oder durch Blasenausbrüche durch die Außenhaut mit der Atmosphäre in Verbindung stehen. Ihre damit sich ergebende durchgehende Porösität befähigt die Körner zur Wasseraufnähme, was ihre Wärmedämmfähigkeit in Frage stellt.

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Es ist ferner bekannt, die Pellets mit einem Trennmittel zu überziehen oder ein solches während des Brennvorganges zuzugeben, z.B. Zement oder groben Sand, um dadurch ein Verbacken der einzelnen Pellets untereinander zu verhindern, wobei diese Zuschlagstoffe einen höheren Schmelzpunkt haben sollen, als die zu verschäumende Masse (DAS 1 211 522, OS 1 905 319)·

Schließlich wurde vorgeschlagen, aus Ersparnisgründen besonders gut blähfähige Mineralien mit nicht selbstblähenden Stoffen wie entsprechenden Tonen oder Hochofenschlacke zu versetzen (DAS 1 211 522). Es entsteht jedoch auch hier eine im wesentlichen homogene Schmelze mit der oben beschriebenen nachteiligen Blasenstruktur. Torteile der Verbilligung werden jedoch durch die Kosten der Aufbereitung des blähfähigen Materialanteiles aufgewogen.

Aufgabe der Erfindung ist die Entwicklung eines Verfahrens zur Herstellung von Granalien aus verschäumten Mineralstoffen, die vielerorts leicht zugänglich sind und in reichen, keine besonderen Gewinnungskosten verursachenden Vorkommen gefunden werden können, wobei diese Granalien höhere Druckfestigkeiten aufweisen müssen, keine durchgängigen Hohlraum- und Porensysteme, insbesondere nicht solche aufweisen dürfen, die mit der Atmosphäre in Verbindung stehen und

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in folgedessen kein Wasser aufnehmen können. Ferner sollen sie eine feinkörnige rauhe, das heißt sehr ausgedehnte Oberfläche gegenüber Bindemitteln wie Beton oder Klebstoffen bieten. Um die erforderte Festigkeit bei Erhaltung einer für Wärmedämmung und Gewichtsersparnis notwendigen Blasenstruktur zu erzielen und andererseits durchströmbare Hohlraumsysteme zu vermeiden, sollen die sich zwischen den Blasen bildenden Stege und Wände im Wesentlichen nicht mit Hohlräumen durchsetzt sein und ein in sich geschlossenes Gefüge aufweisen.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß das Ausgangsmaterial, das zu mindestens 25 % Anteilen aus gasbildenden mineralischen Stoffen und im übrigen im wesentlichen aus mineralischen Stoffen mit einem 65 % übersteigenden Gehalt an SiO₂ besteht, nach Vermählen, Vermischen und Homogenisieren unter Wasser zusatz zu Pellets verformt wird, die in feuchtem Zustand durch Einwalzen oder Einrollen mit einer Zementschicht völlig umgeben werden, worauf diese Pellets in einem Trockenofen über eine Zeitdauer von 20 Minuten bei bis auf höchstens etwa 700° 0 ansteigenden iDemperaturen getrocknet und vorerhitzt, sodann unter sehr kurzfristigem lemperaturanstieg in einem Brennofen auf die Dauer von mindestens 3 bis 5 Minuten auf 1000 bis 1200° 0 erhitzt und anschließend langsam bis unter 550° C abgekühlt werden.

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Das gasbildende Ausgangsmaterial kann ein blähfähiger Ton oder Tonschiefer oder eine vulkanische Erde wie Bims sein. Das silikathaltige Material ist vorzugsweise Seesand oder Sandstein.

Die genannten Mischungsverhältnisse sind so zu verstehen, daß das Ausgangsmaterial für die Pellets aus einem Anteil gasbildender Stoffe wie z.B. Ton und aus einem silikathaltigern Anteil wie z.B. Sandstein bestehen kann. Die genannten Mischungsverhältnisse können aber auch bereits in einem einzigen natürlich vorkommenden Ausgangsmaterial wie z.B. tonhaltigem Sandstein gegeben sein.

Die die vorgeformten Pellets umgebende Zementschicht bindet in der Trocken- und Erhitzungsphase ab. Die beim Auftreiben der Pellets entstehenden Risse und Krakeluren in der dann festen Zementschale schmelzen bei den zu diesem Zeitpunkt bereits beistehenden Temperaturen zu, wobei das Material für diesen Vorgang aus Zement und der angrenzenden Schicht des Pelletmaterials gewonnen wird, dessen niedrigsinternden Komponenten als Flußmittel wirken. Dieser Effekt kann dadurch unterstützt werden, daß in der Brennphase neben dem Brenner parallel zur Flamme Zementstaub eingeblasen wird.

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Auch ist es zweckmäßig, während des Trocken- und Brennvorganges eine reduzierende Atmosphäre aufrecht zu erhalten, um den durch katalytische Kohlenstoff anreicherung erzielbaren Bläheffekt auszunutzen.

Schließlich kann, um die Blähwirkung zu verbessern, dem zum Anfeuchten des Pelletmaterials verwendeten Wasser Ätznatron (NaOH) in Mengen von 1-3 %, je nach Blähfestigkeit des Ausgangsmaterials, zugesetzt werden.

Die mit dem erfindungs gemäß en Verfahren erhaltenen Körner zeigen eine gleichmäßige Blasenstruktur, wobei die Zwischenwände und Stege zwischen den Blasen im wesentlichen aus einer "blasenfreien erstarrten Schmelze "bestehen, in die Kristallite mit hohem Siliziumgehalt gerüsfbildend eingelagert sind. Die Körner sind außen von einer geschlossenen festen Schale aus Zement umgehen, deren "beim Brennen entstandene Eisse und Krakeluren durch Verschmelzen verschlossen sind.

Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens wird an Hand der Zeichnungen näher "beschrieben.

Fig. 1 ist eine schematische Darstellung des erfindung s gemäße η Verfahrens.

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Pig. 2 Wiedergaben von drei Ausschnitten aus einem Anschliff eines bekannten Blähtonkornes in 500-facher Vergrößerung.

Pig. 3 Wiedergabe von drei Ausschnitten aus einem Anschliff eines nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Kornes in gleicher Vergrößerung.

Ausgangsstoffe für das erfindungsgemäße Verfahren sind ein blähfähiger Ton in 25-50 % Anteilen und ein Sand mit mehr als 55 % SiO₂~Gehalt in 75-50 % Anteilen, die in einer Kugelmühle 1 vermählen und gemischt werden. Das gewonnene Mahlgut wird in einem Horizontalmischer 2 mit sehne Häufendem Rührwerk angefeuchtet und vorgranuliert. Die gewonnenen Granalien werden sodann in einem leichtgeneigten sich drehenden Eohr 3 mit eingeblasenem Zementstaub überzogen, der durch gegenseitiges Überrollen der Granalien in deren Oberfläche eingewalzt wird. Es ist für die Erfindung wesentlich, daß dabei eine geschlossene und dichte Zementschicht über dem Pelletmaterial entsteht, die von dem in diesem enthaltenem Wasser in einer für das Abbinden des Zements ausreichenden Weise durchfeuchtet wird. Die so gewonnenen Granalien sind annähernd kugelförmig und von einer geschlossenen Zementschicht überzogen. Vor dem Brennofen 4- ist über dem Eingang seiner rotierenden von der Brennerflamme durchsetzten Trommel 5

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Trockenturin. 6 vorgesehen, der von den heißen, aus der Trommel 5 austretenden Heizgasen durchströmt wird und in dem die Temperatur Ms auf 700° C ansteigt. Die mit der Zementschicht versehenen Granalien werden oben in den Trockenturm 6 eingegeben und durchwandern ihn in einer halben bis einer ganzen Stunde. Dabei härtet die Zement schicht vollständig aus. Statt des Trockenturmes kann auch eine horizontale Vorwärmvorrichtung, z.B. ein Rostvorwärmer eingesetzt werden.

Beim Übergang des Gutes von dem Trockenturm in die Trommel 5 des Ofens 4 wird dieses rasch auf eine Temperatur von 1000 bis 1200° C gebracht, wobei die Verweilzeit im Ofen selbst mindestens 3 bis 5 Minuten betragen soll. Während dieser Phase tritt der Blähvorgang ein. Das geblähte Gut wird in der sich an den Ofen anschließenden Kühltrommel 7 unter 550° C abgekühlt, wobei eine Erstarrung des geblähten Materials eintritt.

Die eine geschlossene Schale ergebende Zementschicht hat bei diesem Vorgang die Aufgabe, in dem späteren Teil der Trockenphase das Austreten des zu diesem Zeitpunkt ausgetriebenen Kristallwassers aus den Granalien zu verhindern, so daß es am Blähvorgang mitwirken kann. Im Brennvorgang selbst kann die Zementschale dem durch das gegenseitige Überrollen der Granalien bei deren Erweichen mögliche

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Deformieren Widerstand leisten und die Kugelform der Granalien aufrecht erhalten. Die "beim Blähen auftretenden Risse und Krakeluren in der Zementschicht werden durch ein Anschmelzen der Grenzzone zwischen dem Material der Granalien und dem Zement fortschreitend ausgeglichen, so daß die Gasdichte der vom Zement gebildeten Außenschieht im wesentlichen während des ganzen Brennvorganges erhalten bleibt. Dieser Torgang kann durch Einblasen vom Zementstaub während des Brennens unterstützt werden. Die früher sinternden Anteile des Materials der Granalien wirken dabei als Flußmittel, während die äußere Schicht der Zementschale bzw. die von ihr erhalten gebliebenen Schollen wegen des höheren Schmelzpunktes des Zements hart bleiben. Außerdem wirkt die bei den herrschenden Brenntemperaturen nicht erweichte Zement schicht als Trennmittel, die das Verbacken der Granalien verhindert. Die Oberfläche der Zementschicht weist eine gute, feinkörnige Rauhigkeit auf, die eine feste Verbindung mit Zement oder Klebstoffen zuläßt.

Die in diesem Verfahren erhaltenen Granalien weisen eine sehr hohe Festigkeit auf, ohne daß dadurch ein geringerer Verschäumungsgrad, das heißt Blasenzwischenwände mit größerer Dicke, in Kauf genommen werden muß. Ihr Materialgefüge zeigt Fig. 3 im Gegensatz zu Fig. 2. Bei letzterer sind die Stege zwischen

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den Blasen von einer sekundären, die Festigkeit stark herabsetzenden Blasenstruktur, wobei durch Zusammenwachsen von Blasen die oben beschriebenen zerklüfteten und durchströmbaren Hohlräume gebildet wurden. Das Material ist hier eine homogene Schmelze, deren durchgängige und gleichmäßige "Viskosität während des Brennvorganges dieses Zerschäumen der tragenden Zwischenwände und Stege zuließ. Bei den erfindungsgemäßen Granalien sind, wie dies Fig. 3 zeigt, die Stege zwischen den Blasen nicht porös, jedoch durchsetzt von Kristallxten aus der stark siliziumhaltigen Materialkomponente. Diese weisen Durchmesser von der Größenordnung von um bis zu etwa 0,03 mm auf. Diese Kristalliten waren am Schmelzprozess des Blähmaterials nur im Anschmelzen ihrer Oberfläche beteiligt, wie dies an größeren Kristallxten gut an einer um sie gebildeten Grenzschicht zu sehen ist, was zu einer innigen Verbindung zwischen beiden Komponenten geführt hat. Aber auch diese Grenzschicht ist mit Kristallxten kleinster Größenordnung durchsetzt. Die Körnerstruktur, in der die genannten Kristallite feste Bausteine des Gefüges bilden, ergibt die erhöhte Festigkeit des erfindungsgemäßen Granulats. Die durchschnittliche Dicke der Zwischenwände zwischen den einzelnen Blasen war bei beiden Proben ungefähr gleich, wie dies der Abstand A-A in Fig. 2 gegenüber dem Abstand B-B in Fig. 3 zeigt. Für die beiden nichtbezeichneten Darstellungen in Fig. 3 wurden größere

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Schnittflächen ausgewählt, um das sich ergebende Gefüge "besser zu zeigen. Im übrigen kann die Wandstärke der Blasenzwischenwände bei dem erfindungsgemäßen Verfahren durch Veränderung des Verhältnisses an blähfähigen Anteilen eingestellt werden, ohne daß sich dadurch das Gefüge dieser Zwischenwände selbst ändert.

Beispiele ;

(Bei jeweils gleicher durchschnittlicher Korn- und Blasengröße)

Beispiel 1

Herstellung nach bekanntem Verfahren. Ausgangsmaterial: Opalinuston mit

üblicher Aufbereitung und Blähung

ohne Zusatz an Send.

Die Druckfestigkeit des erhaltenen Korns in Beton mit 5OO kg/nr Portlandzement war 31 kg/cm .

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Beispiel 2

Ausgangsmaterial: Materialkomponente I:

Opalinuston wie in Beispiel Λ zu 50 % der Gesamtmasse Materialkomponente II: Meersand mit 92 °/o SiO₂ zu 50 % der Gesamtmasse.

Die Materialien wurden zu 3¹OOO Blaine gemahlen und homogenisiert. Die Behandlung erfolgte nach dem erfindungsgemäßen Verfahren.

Die Druckfestigkeit des erhaltenen Korns "betrug

■χ ρ

in Beton mit JOO kg/nr Portlandzement 476 kg/cm

Beispiel 3

Ausgangsmaterial: Materialkomponente I:

Opalinuston zu 25 % der Gesamtmasse wie Beispiel 1 Materialkomponente II: Rätsandstein mit 72 % SiO₂ zu 75 % der Gesamtmasse.

Die Materialien wurden wie bei Beispiel 2 "behandelt. Druckfestigkeit des erhaltenen Korns in Beton mit

■χ Ο

kg/m Portlandzement war 396 kg/cm .

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Bei allen drei Beispielen war die erhaltene Blasenstruktur und Blasengröße gleich mit der Ausnahme, daß die sekundäre Blasenstruktur bzw. Hohlraumbildung in den Zwischenwänden bei den Produkten nach Beispiel 2 und 3 im Gegensatz zu Beispiel 1 fehlten.

Die bei Beispiel 2 und 3 erhaltenen Granalien waren annähernd kugelförmig und hatten eine geschlossene, im wesentlichen porenfreie Außenschale, deren Oberfläche eine feinkörnige Rauhheit aufwies, die eine gute Bildung mit Beton oder Klebemitteln zuläßt. Die Fugen und Krakeluren der Betonschale war von angeschmolzenem Zement abgedeckt. Im Gegensatz dazu wies das Produkt nach Beispiel 1 eine verhältnismäßig glatte gesinterte Oberfläche auf, deren Haftung mit Beton oder Klebemitteln herabgesetzt war. Diese war zudem von Blasen durchbrochen oder bei nahe der Außenhaut liegenden größeren Hohlräumen durch mechanische Einwirkung eingedrückt bzw. eindrückbar.

Die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erhaltenen Granalien eignen sich besonders für Fertigteile in Leichtbauweise, die eine hohe Festigkeit bei geringen Querschnitten und Gewichten und gute Wärmedämmfähigkeit aufweisen sollen.

Pat en t anspr üc he

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Claims

a te ntansprüche

Verfahren zur Herstellung von kornförmigen expandierten keramischen Stoffen, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangsmaterial, das zu mindestens 25 % Anteilen aus gasbildenden mineralischen Stoffen und im übrigen im wesentlichen aus mineralischen Stoffen mit einem 65 % übersteigenden Gehalt an SiOo "besteht, nach Vermählen, Vermischen und Homogenisieren unter Wasserzusatz zu Pellets verformt wird, die in feuchtem Zustand durch Einwalzen oder Einrollen mit einer Zementschicht völlig umgeben werden, worauf diese Pellets in einem Trockenofen über einen Zeitraum von etwa 20 Minuten bei bis auf höchstens etwa 700° C ansteigenden Temperaturen· getrocknet und vorerhitzt, sodann unter sehr kurzfristigem Temperaturanstieg in einem Brennofen auf die Dauer von mindestens 3 bis 5 Minuten auf 1000 bis 1200° C erhitzt und anschließend langsam bis unter 550° C abgekühlt werden.

Verfahren nach Anspruch 1

dadurch gekennzeichnet, daß das gasbildende Ausgangsmaterial ein blähfähiger Ton, Tonschiefer oder eine vulkanische Erde wie Bims und das silikathalt ige Material vorzugsweise Seesand oder Sandstein ist.

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3. Verfahren nach Anspruch 1,2,

dadurch gekennzeichnet, daß in der Brennphase neben dem Brenner parallel zur Flamme Zementstaub eingeblasen wird.

4-. Verfahren nach Anspruch 1,2,3»

dadurch gekennzeichnet, daß während des Brennvorganges eine reduzierende Atmosphäre aufrecht erhalten wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1,2,3,4-,

dadurch g ekennzeichnet, daß der Ausgangsstoff ein natürlich vorkommendes Material ist das zu 25 % aus gasbildenden Stoffen und im übrigen aus Stoffen mit einem 65 % übersteigenden Gehalt aus SiOp besteht.

6. Verfahren nach Anspruch 1,2,3?²K5*

dadurch gekennzeichnet, daß zum Verformen der Pellets dienenden Wasser Ätznatron (UaOH) in Mengen von 1-3 % zugesetzt wird.

7. Nach Verfahren zu Anspruch 1,2,3j4- hergestelltes kornfb'rmiges keramisches Material dadurch gekennzeichnet, daß es eine gleichmäßige Blasenstruktur aufweist, wobei die Zwischenwände und -Stege zwischen den Blasen aus einer im wesentlichen blasenfreien erstarrten Schmelze bestehen, in die Kristallite mit hohem Siliziumgehalt gerüstbildend eingelagert sind und daß sie von einer rauhen festen Schale aus Zement umgeben sind.

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