DE4326615C2 - Verfahren zum Herstellen von feuerfesten Leichtsteinen - Google Patents

Description

Die hier beschriebene Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von feuerfesten keramischen Leichtsteinen unter Anwendung der halbtrockenen Formgebung aus einem anorganischen porösen Zuschlagstoff, Tonbindemittel, einem Al-Silikat in Form von winzigen Hohlglaskugeln, Ausbrennstoffen und Wasser. Die Gesamtporosität liegt zwischen 50 und 70 Vol.-%, das entspricht Rohdichten zwischen 0,8 und 1,3 g/cm³. Das Verfahren führt zur Einsparung des üblichen Trocknungsprozesses sowie zw. Verbesserung der Maßhaltigkeit und zur Erhöhung der Anwendungstemperatur gegenüber bekannten Herstellungsverfahren.

Es sind bereits unterschiedlichste Verfahren zur Herstellung gebrannter Leichtsteine bekannt.

Das übliche Verfahren zur Produktion von Leichtsteinen aus anorganischen porösen Zuschlägen und Bindemittel sowie gegebenenfalls Ausbrennstoffen ist die plastische Formgebung mittels Strangformgebung. In Abhängigkeit von der Arbeitsmasse und dem Preßdruck wird mit Feuchtegehalten von 15 . . . 25% gearbeitet, die Preßdrücke liegen unter 5 MPa. Nachteile dieses Verfahrens sind, daß im Anschluß an die Formgebung eine energie- und zeitintensive Trocknung nötig ist. Die Maßhaltigkeit dieser Erzeugnisse ist schlecht. Eine Nachbearbeitung ist unumgänglich. Dies bedeutet neben dem erheblichen technologischen Aufwand einen Materialverlust in Form von Schleifstaub von ca. 20%. Der Wiedereinsatz dieses Materials ist auf Grund der hohen Feinheit problematisch.

Außerdem unterscheiden sich die Erzeugnisse in ihrem Aussehen und Gebrauchseigenschaften deutlich von den Konkurrenzprodukten. Durch die sonst übliche Nachbearbeitung wird die ursprünglich dichte Brennhaut entfernt und das poröse Steingefüge freigelegt. Nach dem vorgeschlagenen Verfahren bleibt diese erhalten, die Erzeugnisse bieten dem Angriff von Gasen, Stäuben und Schlacken einen wesentlich verbesserten Widerstand.

Ein Leichtbaustoff, der geblähten Perlit als Zuschlagstoff und ein Bindemittel aus weniger als 6% Ton aufweist, ist aus DE 33 26 276 A1 bekannt. Die Verdichtung und Verfestigung des keramischen Körpers erfolgt durch eine schlagartige Walk-Bewegung, die zu einem Anbrechen und Verzahnen der hochporösen Zuschlagkörnung führt. Die Verdichtung beruht in erster Linie auf einer Zerstörung des Primärkorns des ursprünglich hochporösen Zuschlagstoffs. Die Fertigung ist an ein spezielles Verdichtungsaggregat gebunden und sehr aufwendig.

Ein anderes Verfahren ist aus DE 33 40 440 A1 bzw. DE 34 03 943 A1 bekannt. Es ist ebenfalls ein Verfahren zum Herstellen grobkeramischer hochporöser Formteile, geht aber in dem vorgeschlagenen Kornaufbau in erster Linie von sogenannten Einkornsystemen mit Korngrößen von 3-8 nun aus, die eine hohe Durchströmbarkeit und Porosität während und nach dem Brand gewährleisten sollen. Als Bindemittel wird neben Tonmehl Al-Fe-III-Silikat verwendet, welches festigkeitserhöhend wirkt.

Dieses besitzt einen hohen Anteil an Fe₂O₃ (<6,6%) und Erdalkalien, die stark die Feuerfestigkeit beeinträchtigen. Das Bindemittel wird in Form von Schlicker zugegeben. Die Formgebung erfolgt durch Rütteln, eine Vortrocknung ist nicht notwendig, dafür aber wird eine lange Aufheizzeit von 9 Stunden angegeben, die einer Vortrocknung entspricht. Einkornsysteme besitzen zwar eine hohe Porosität, gleichzeitig ist aber auch die Koordinationszahl, das heißt die Anzahl der Kontaktstellen eines Korns, sehr gering. Eingebrachte Verformungskräfte werden über die wenigen Berührungs- und Kontaktflächen übertragen und bewirken leicht eine Zerstörung des Einzelkorns, wenn dieses von geringer Festigkeit ist. Das vorstehend beschriebene Verfahren ist zur Lösung der erfindungsgemaßen Aufgabenstellung nicht geeignet.

Ein weiteres aus DE 34 26 013 A1 bekanntes Verfahren bezieht sich auf die Herstellung von Formteilen aus Blähton. Der Versatz setzt sich aus Blähton in der Körnung 4-8 mm, Blähtonsand 1-4 mm, Tonmehl, Flußmittel und Wasser zusammen. Die Mischung der Feststoffe erfolgt trocken, die Formgebung erfolgt durch Rütteln unter Auflast. Im fertig gebrannten Stein sind die Winkel und Lücken zwischen den Teilchen des Blähtons vom Blähtonsand ausgefüllt. Der restliche Raum ist mit Tonmehl ausgefüllt, das die Teilchen des Blähtons ummantelt und diese Teilchen miteinander verbindet. Zusätzlich wird der Einsatz organischer Ausbrennstoffe, wie Holzprodukte und Polystyrol, in Anteilen von 2-30% empfohlen. Bei den eingesetzten Rohstoffen handelt es sich um wenig druckfestes sowie kompressibles Material, für das als Formgebungsmethode nur ein sehr schonendes Verfahren, wie die Rüttelformgebung, in Frage kommt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein modifiziertes Verfahren zur Herstellung von feuerfesten keramischen Leichtsteinen unter Verwendung von porösen Zuschlagstoffen, Bindemitteln auf Tonbasis und gegebenenfalls Ausbrennstoffen zu entwickeln, dessen Kernstück die für die Herstellung dichter Schamottesteine übliche Halbtrocken-Preßtechnik ist.

Als anorganischer poröser Zuschlagstoff wird ein geeignetes, weitgehend druckfestes und temperaturbeständiges Granulat, vorzugsweise Leichtschamotte, in abgestuften Korngrößen verwendet, das in Menge und Korngröße so eingestellt wird, daß die Körner des Zuschlagstoffes ein temperaturbeständiges, stabiles, beim Trocknen und Brennen nahezu nicht schwindendes Stützgerüst bilden.

Der Wassergehalt liegt in Abhängigkeit von der gewählten Zusammensetzung und der zu erreichenden Rohdichte zwischen 5 und 15 Gew.-%. Er wird so gewählt, daß die poröse Körnung vor der Preßformgebung getränkt ist und sich die Druckfestigkeit desselben durch die stabilisierende Wirkung des Wassers erhöht. Das Wasser dringt in die Poren ein und verhindert so weitestgehend das Eindringen der feinen Bindemittel bzw. zusätzlich eingesetzter chemischer Binder in die Poren des porösen Zuschlagstoffs. Eine ausreichende Bindekraft des zugefügten Bindetons muß gewährleistet sein.

In dem hier beschriebenen Verfahren kommt ein Al-Silikat zum Einsatz, das der Erhöhung der Festigkeit und gleichzeitig der Senkung der Rohdichte dient, wobei die Feuerfestigkeit nur wenig beeinträchtigt wird.

In den durchgeführten Untersuchungen wurde u. a. ein Produkt verwendet, welches die folgende Zusammensetzung besitzt:

SiO₂ 55 . . .|60%
Al₂O₃ 26 . . .	29%
Fe₂O₃ 4 . . .	6%

arm an Alkalien ist, dessen Korngröße zu 75% zwischen 0,1 und 0,25 mm liegt und aus glasigen Hohlkugeln mit einem Schüttgewicht von etwa 0,4 g/cm³ besteht.

Als Ausbrennstoffe werden nahezu inkompressible, nicht oder wenig quellfähige Stoffe mit Aschegehalten unter 10% verwendet. Wegen der Forderung nach Inkompressibilität und Druckfestigkeit handelt es sich vorzugsweise um Kokse, die auf Grund ihrer im Vergleich zur porösen Zuschlagkörnung wenig geringeren Kornrohdichte keine Entmischungsprobleme verursachen.

Es finden die üblichen feuerfesten Bindetone Verwendung. Die Menge des Bindemittels soll so bemessen sein, daß sich beim Mischen um die porösen Zuschlagkörner ein dünner Bindemittelfilm bildet, der dieselben nach dem Brand fest verbindet, selbst aber nur unwesentlich zur Erhöhung der Rohdichte beiträgt.

Die Überlegungen zur Wahl der Korngrößenverteilung sollen kurz erläutert werden. Man geht davon aus, daß man sich die Erkenntnisse über dichte Kornpackungen durchaus zunutze machen sollte, aber nicht konträr, sondern analog. Da es sich bei dem vorgebrannten Zuschlagstoff bereits um ein hochporöses Ausgangsmaterial handelt, sollte dies bewußt ausgenutzt werden. Die Zuschlagstoffkörner sollten, im Gegensatz zu den üblichen Technologien zur Herstellung feuerfester Leichtsteine, möglichst dicht gepackt werden. Dadurch erhöht sich zwar die Steinrohdichte; durch die verbesserte Packung der Körner erhöht sich aber auch die Festigkeit bedeutend, und der erforderliche Bindemittelbedarf sinkt. Eine hohe Packungsdichte hat neben guten mechanischen Eigenschaften den Vorteil, daß sie wenig Bindemittel erfordert.

Ein weiterer Vorteil ist die hohe Koordinationszahl der Packung. Die einzelnen Korngrößenanteile stützen sich gegenseitig ab und der Preßdruck kann erhöht werden, da sich der Betrag an Verformungsenergie auf die hohe Anzahl an Kontaktstellen aufteilt und weniger zu einer Zerstörung der wenig druckfesten porösen Zuschlagkörnung führt, was letztendlich geringere Rohdichte und höhere Festigkeit bedeutet.

Die weiteren Überlegungen zur Senkung der Rohdichte zielen darauf ab, daß der optimale Körnungsaufbau zwar beibehalten wird, aber im feinen und/oder mittleren Korngrößenbereich die Zuschlagstoffe durch Ausbrennstoffe ersetzt werden. Wichtig ist bei diesem Austausch eine volumenmäßige Substitution, um die Packungsverhältnisse konstant zu halten. Die Mengenanteile für die einzelnen Komponenten lassen sich nicht exakt angeben, sie hängen in erster Linie von der zu erreichenden Rohdichte und von der Kornrohdichte der verwendeten Feststoffe ab. Die Bestimmung der Mengenanteile erfordert eine exakte Sieb- und Kornrohdichteanalyse, um eine Umrechnung von gewichts- in volumenmäßige Kornverteilungen zu ermöglichen. Die Kornrohdichten des porösen Zuschlags und der Ausbrennstoffe differieren um bis zu 50%.

Dieser Ersatz von Körnungsanteilen hat auf die Eigenschaften des trockenen und grünen Körpers kaum Einfluß (vorausgesetzt, es handelt sich um Ausbrennstoffe nach Anspruch 4), der Einfluß wirkt sich erst im Brand aus. Die "Zwischenraumfüller" brennen aus und erhöhen die Porosität. Auf die Festigkeit hat dieser Prozeß wenig Einfluß, da die Kontaktstellen im stabilen Korngerüst erhalten bleiben. Die Ausbrennstoffe dienen vor dem Brand als Stabilisierung zum Zwecke der Preßformgebung und als "Platzhalter", damit sich in die Zwickel und Hohlräume zwischen dem groben Korn kein Bindemittel unkontrolliert absetzen kann.

Die Mischung der Komponenten erfolgt in der Weise, daß zuerst 50 bis 100% des Wassers mit der porösen Zuschlagkörnung gemischt werden. Danach erfolgt die Zugabe der Ausbrennstoffe. Zuletzt erfolgt die Zugabe des Bindemittelgemisches in trockener Form oder in Kombination trocken / verschlickert.

Die Formgebung erfolgt auf den für die Herstellung dichter, halbtrocken gepreßter Steine üblichen Formgebungsaggregaten bei Drücken von 20 bis 30 MPa.

Der Brand kann als Beibesatz im normalen Brennprozeß unter Berücksichtigung des Brennwertes der Ausbrennstoffe oder in speziellen Ausbrennöfen erfolgen. Die Steine werden unter Verfestigung und Ausbrand der enthaltenen organischen Substanz bei Temperaturen oberhalb der Sintertemperatur des Bindemittelgemisches, aber unterhalb der Erweichungstemperaturen der zugegebenen porösen Zuschlagstoffe gebrannt. Die Körner des vorgebrannten Zuschlagstoffes bilden ein Stützgerüst und die Preßlinge haben eine zu vernachlässigende Trocken- und Brennschwindung. Daraus folgend ist im Anschluß keine Nachbearbeitung notwendig, wie dies sonst üblicherweise bei den anderen Verfahren zur Leichtsteinproduktion erforderlich ist.

Dieses Verfahren läßt sich durchführen, weil zum einen weitgehend inkompressible Rohstoffe eingesetzt werden, und zum anderen durch die sorgfältig abgestimmte Korngrößenverteilung aller Feststoffkomponenten eine dichte, sich gegenseitig abstützende Packung entsteht, die ein Zerbrechen und Zerstören der porösen Zuschlagkörnung verhindert.

Der Vorzug des hier beschriebenen Verfahrens gegenüber allen anderen vorstehend beschriebenen Verfahren liegt in der einfachen Verfahrenstechnologie, die sich weitgehend an die allgemein bekannte Mehrschamottetechnologie zur Erzeugung dichter Schamotteerzeugnisse anlehnt. Es ist möglich, dieses Verfahren in bestehende Trockenpreßlinien zu integrieren. Das Verarbeiten von Massen mit geringen Feuchtegehalten bietet ökonomische und technologische Vorteile. Wie Untersuchungen für den Tunnelofenbrand gezeigt haben, ist für die nach dem hier beschriebenen Verfahren hergestellten Formteile keine Kammer-Trocknung und Nachbearbeitung notwendig.

Die Erfindung soll an den folgenden 2 Beispielen erläutert werden.

Im folgenden soll noch einmal schematisch der Verfahrensablauf für die hier vorgestellte Erfindung dargestellt werden.

Anhand der 2 Figuren wird die Struktur des erfindungsgemäßen Leichtbausteins näher erläutert.

Sie zeigen ausschnittsweise in einem schematischen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Leichtbaustein im rohen (1) und gebrannten (2) Zustand in stark idealisierter Form die poröse Zuschlagkörnung (3), den Bindemittelfilm (4) und die Ausbrennstoffe (5) bzw. die nach dem Brand verbleibende Porosität (6).

Claims (6)

1. Verfahren zum Herstellen eines feuerfesten Leichtsteines, bei dem
40 bis 75 Gew.-% eines weitgehend druckfesten und temperaturbeständigen anorganischen Granulats als poröser Zuschlagstoff mit
5 und 15 Gew.-% Wasser getränkt und mit
0 bis 25 Gew.-% nahezu inkompressiblem, nicht oder wenig quellfähigem Ausbrennstoff und
10 bis 30 Gew.-% Bindemittel auf Tonbasis
zu einer preßfähigen Masse gemischt werden,
die Masse nach der Halbtrocken-Preßtechnik zu einem Leichtstein geformt und gebrannt wird, wobei der poröse Zuschlagstoff in abgestuften Korngrößen verwendet wird, der in Menge und Korngröße so eingestellt wird, daß die Körner des Zuschlagstoffes ein temperaturbeständiges, stabiles, beim Trocknen und Brennen nahezu nicht schwindendes Stützgerüst bilden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem als Bindemittel eine Mischung aus 25 bis 100 Gew.-% feuerfesten Bindetonen und 75 bis 0 Gew.-% Al-Silikat verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem Leichtschamotte als poröser Zuschlagstoff verwendet wird.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, bei dem Ausbrennstoffe mit Aschegehalten unter 10%, vorzugsweise Kokse, verwendet werden.

5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, bei dem die Korngröße der Ausbrennstoffe so abgestimmt ist, daß diese Körner genau in die durch die poröse Zuschlagkörnung gebildeten Zwickel und Lücken passen und so nach dem Brand dieselben als Hohlräume zurückbleiben.

6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5, bei dem die Formgebung durch Pressen bei Drücken zwischen 8 und 30 MPa erfolgt.