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Verfahren zum Herstellen von geformten Gegenständen Es ist bekannt,
daß Kohle, wenn sie auf Temperaturen von etwa 35o° C und darüber erhitzt wird, einer
zersetzenden Destillation unterliegt und daß gewisse bituminöse Kohlen erweichen,
wenn sie auf die oder nahe der Temperatur des Einsetzens einer zersetzenden Destillation
erhitzt werden. Zersetzende Destillation ist von Aufblähen begleitet, wenn die Begleitumstände,
z. B. der Druck, solche sind, daß sie ein genügend schnelles Freimachen von flüchtigen
Bestandteilen innerhalb der erweichten Kohlesubstanz gestatten. Wenn die Temperatur
erhöht wird und die zersetzende Destillation fortschreitet, wird eine Stufe erreicht,
bei welcher die Kohle aufhört, plastisch zu sein, und Koks wird. Bisher ist diese
Erweichungseigenschaft für die Herstellung von Briketts dadurch nutzbar gemacht
worden, daß man Feinkohle in einer Form solchen Bedingungen von Temperatur und Druck
unterwirft, daß die Kohleteilchen agglomerieren. So ist beispielsweise von Dunkel
(vgl. Zeitschrift des Oberschlesischen berg- und hüttenmännischen Vereins,
1926, S. 36o bis 365) vorgeschlagen worden, Braunkohle ohne Bindemittel in
der Weise zu brikettieren, daß Kohle auf eine Temperatur zwischen dem Erweichungspunkt
und dem Zersetzungspunkt, vorzugsweise zwischen 320 und 375° C, erhitzt wird
und das Formen bei mäßigem Druck vorgenommen wird.
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Es wurde nun gefunden, daß es bei einem gewissen Minimalanteil an
äußerst feinen Teilchen und bei Vermeidung des Aufblähens während des Formens möglich
ist, aus Kohle geformte Gegenstände
herzustellen, welche in ihrer
Natur und ihren Eigenschaften sowohl von Briketts wie auch von Koksen grundlegend
verschieden sind und welche auf Grund ihrer ausgezeichneten physikalischen Eigenschaften
und Widerstandsfähigkeit gegenüber Chemikalien und der leichten Verfügbarkeit der
betreffenden Rohstoffe weite und wertvolle Verwendungsbereiche in der Industrie
haben.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung werden geformte Gegenstände aus Kohle
dadurch hergestellt, daß unter Anwendung der an sich bekannten Arbeitsweise, zerkleinerte
Kohle in einer Form einem hohen Druck, z. B. 25o bis 6oo at, vorzugsweise 3oo bis
.4oo at, bei einer Temperatur zu unterwerfen, die bei dem jeweils verwendeten Druck
zwischen der Temperatur, bei welcher die Kohle zu erweichen beginnt, und der Temperatur,
bei welcher die Kohle aufhört, plastisch zu sein, liegt und die unter der Temperatur
des Einsetzens des Blähens bei dem verwendeten Druck liegt, mit der Maßgabe gearbeitet
wird, daß die zerkleinerte Kohle mindestens 3o Gewichtsprozent Kornanteile unter
io Mikron enthält, wobei die zerkleinerte Kohle in bezug auf ihre Teilchengröße
vorzugsweise derart graduiert ist, daß ein verbesserter Grad enger Packung erhalten
wird, und daß die zerkleinerte Kohle einem hohen Druck zumindestens 2o Minuten lang
unterworfen wird.
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Bei den obigen und allen nachfolgenden Hinweisen auf die Teilchengröße
ist dabei eine solche zu verstehen, wie sie vermittels eines photoelektrischen Sedimentometers
bestimmt wird.
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Das erfindungsgemäße Verfahren unterscheidet sich von dem durch D
u n k e 1 in Vorschlag gebrachten Brikettierverfahren vor allem durch folgendes
Nach Dunkel genügen bereits verhältnismäßig niedrige Temperaturen, z. B. 32o° C,
um die Kohle für seine Zwecke zu erweichen und die Teilchen für eine Brikettbildung
genügend stark aneinander haften zu lassen. Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens
muß dagegen in den oben angegebenen Temperaturbereichen gearbeitet werden, damit
die Teilchen in der vergleichsweise kurzen Formzeit so weich werden, daß sie ineinander
zusammenfließen und ein dichtes homogenes Produkt bilden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren hat nichts mit einem Formen unterhalb
der zersetzenden (trockenen) Destiflation zu tun. Es ist vielmehr, wie nachstehend
im einzelnen noch näher erläutert werden wird, häufig vorteilhaft, über jener Temperatur
zu formen, wenn nur das Aufblähen vermieden wird, welche Erscheinung bei den vorerwähnten
Arbeiten von Dunkel keine Berücksichtigung gefunden hat.
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Bei einem Arbeiten nach Dunkel zeigen die danach hergestellten Briketts
im Bruch deutlich die einzelnen Kohleteilchen bei den von ihm bevorzugten Temperaturen
und Drücken eine ausgesprochene Neigung zum Reißen bzw. zur Rißbildung, wenn eine
Teilchengröße ,unter i mm verwendet wird. Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens
werden demgegenüber unter Verwendung einer zerkleinerten Kohle, die mindestens 3o
Gewichtsprozent Kornanteile unter io Mikron enthält, geformte Erzeugnisse erhalten,
welche bei Augenschein in sich homogen sind, einen muscheligen Bruch besitzen und
keinerlei Neigung zur Rißbildung zeigen.
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Wie oben bereits zum Ausdruck gebracht wurde, muß im Rahmen des erfindungsgemäßen
Verfahrens bei dem verwendeten Druck ein zum Formen geeigneter Temperaturbereich
bestehen, innerhalb dessen die Kohle plastisch ist, aber nicht aufbläht. Dies kann
entweder dadurch sichergestellt werden, daß man eine Kohle auswählt, welche unter
dem verwendeten Druck bei einer Temperatur unterhalb der des Einsetzens des Aufblähens
erweicht, oder dadurch, daß man gewisse, im nachstehenden beschriebene Bedingungen
einhält, welche die Temperatur des Einsetzens des Aufblähens erhöhen. Diese letzteren
Bedingungen können auch in dem Falle von Kohlen, welche in der vorerwähnten Weise
ausgewählt sind, um die Temperatur, bei welcher sie aufblähen; zu erhöhen, eingehalten
werden und so den Bereich der geeigneten Formungstemperaturen ausdehnen.
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Kohlen, welche unter dem verwendeten Druck bei einer Temperatur unterhalb
der des Einsetzens des Aufblähens erweichen, werden unter Kohlen gefunden, die einen
Gehalt an flüchtigen Bestandteilen von 13 bis 42% haben. Die folgenden Beispiele
mögen als solche für geeignete Kohlen angeführt sein: Northumberland (Ellington
High Main), durchschnittlich bzw. mittelmäßig backend, Gehalt an flüchtigen Bestandteilen
= 37'0/0, Yorkshire (Denaby), stark backend, Gehalt an flüchtigen Bestandteilen
= 36'%, Kent (Tilmanstone) stark backend, Gehalt an flüchtigen Bestandteilen =:27
°/o und Forest of Dean (High Delf), stark backend, Gehalt an flüchtigen Bestandteilen
== 41 o/a.
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Die obigen Gehalte an flüchtigen Bestandteilen und alles sonstwie
hierin angeführte sind auf die trockene aschenfreie Kohle berechnet.
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Der Druck, bei welchem das Formen ausgeführt wird, kann z. B. zwischen
3oo und 45o at liegen, es kann aber auch ein höherer oder etwas geringerer Druck
angewandt werden. Es ist für gute Ergebnisse außergewöhnlich, daß solche unter etwa
25o at erhalten werden.
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Wie oben ausgeführt wurde, ist es durch Einhaltung gewisser Bedingungen
möglich, die Temperatur des Einsetzens des Aufblähens zu erhöhen. So können durch
Einverleibung eines absorbierenden Füllstoffes in die zerkleinerte Kohle flüchtige
Bestandteile gebunden werden, so daß die Temperatur des Einsetzens des Aufblähens
erhöht wird. Auf diese Weise kann die obere Grenze des Formungstemperaturbereiches
von in der vorerwähnten Weise ausgewählten Kohlen wesentlich erhöht werden.
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Wir haben auch gefunden, daß die Temperatur des Einsetzens des Aufblähens
erhöht und der Formungstemperaturbereich der ausgewählten Kohlen
dadurch
beträchtlich nach aufwärts ausgedehnt werden kann, daß man die feinzerkleinerte
Kohle zuerst einem mäßig hohen Druck, z. B. von 5o bis 150 at, unterwirft, während
die Kohle auf die Formungstemperatur erhitzt wird, und daß man sie dann dem vollen
Formungsdruck, z. B. von 300 his .I59 at, bei der Formungstemperatur unterwirft.
So wurde z. B. der Formungstemperaturbereich der obenerwähnten Yorkshire-Kohle als
bei 3.1.5 bis 35o° C liegend befunden, wenn unter einem direkt angewandten Druck
von 39o bis 4.5o at geformt wurde; aber dann, wenn ein Druck von r59 at angewandt
wurde, während die Kohle auf die Formungstemperatur erhitzt wurde, konnte die Kohle
bei diesem Druck auf eine Temperatur zwischen 3_1j und 375° C erhitzt und die Formung
unter einem Druck von 39o bis .I59 at zu Ende geführt werden. Die bei oder nahe
der oberen Grenze des ausgedehnten Temperaturbereiches erhaltenen Erzeugnisse haben
ein glänzenderes und besseres Aussehen als diejenigen, welche durch ein Formen direkt
bei dem vollen Formungsdruck hergestellt sind. Die Temperatur des Einsetzens der
Aufblähung kann auch erhöht und können ähnlich verbesserte Erzeugnisse erhalten
werden, wenn man die Form gelegentlich durch Aufheben des Druckes wenigstens einmal
während der Formungsoperation oder durch Entgasen der Kohle mittels einer vorhergehenden,
gewünschtenfalls unter Unterdruck, bei einer Temperatur unterhalb des Formungsbereiches
durchgeführten Hitzebehandlung entlüftet.
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Bei der Herstellung von großen Formen ist die Anwendung einer oder
mehrerer der oben beschriebenen Mittel für die Erhöhung der Temperatur, bei welcher
Aufblähung auftritt, besonders zu empfehlen. Es ist bekannt, daß dann, wenn Kohle
auf eine Temperatur erhitzt wird, bei der sie anfänglich plastisch ist, und auf
dieser Tetnperatur für lange Zeiträume, z. B. mehrere Tage, gehalten wird, sie aufhören
kann, plastisch zu sein. Es ist jedoch zu verstehen, daß für die Bestimmung der
Temperatur, bei der Plastizität aufhört, für die Zwecke der vorliegenden Erfindung
nur solche Erhitzungszeiten in Betracht kommen, wie sie für das Formen erforderlich
sind, was im allgemeinen eine Angelegenheit von .Minuten oder höchstens einigen
Stunden ist.
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Die aus Kohle allein gemäß der Erfindung geformten Kohlen sind für
das Auge homogen, haben einen muscheligen Bruch, ergeben keinen schwarzen Strich,
wenn sie auf Papier gerieben werden, und bleiben durch siedendes Toluol im wesentlichen
unbeeinflußt. Sie sind so auf der einen Seite von selbstgebundenen Briketts, welche
matt und körnig sind, beim Reiben auf Papier einen schwarzen Strich ergeben und
sich in siedendem Toluol auflösen, und auf der anderen Seite von Koksen, welche
matt sind und eine chemische Zersetzung erfahren haben, in charakteristischer Weise
verschieden.
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Die geformten, gemäß der Erfindung aus Kohle allein hergestellten
Gegenstände haben eine ziemlich gute Zugfestigkeit, eine Dielektrizitätskonstante
im allgemeinen von der Größenordnung und widerstehen einer längeren Berührung mit
Säuren oder Alkalien, wie z. B. Chlorwasserstoffsäure, Fluorwasserstoffsäure, Essigsäure
oder Lösungen von kaustischen Alkalien, sogar dann, wenn sich die Säuren oder Alkalien
auf Siedetemperatur befinden. Die zerkleinerte Kohle kann mit einem Zusatz von körnigen
oder faserigen Füllstoffen geformt werden. Solche Stoffe sind z. B. faserige organische
Materialien, Metalle oder gepulverter Koks und dürfen bei der Temperatur, dem Druck
und der Gasatmosphäre, unter welchen die Formung ausgeführt wird, nicht unwirksam
gemacht werden. Der Zusatz von Asbest (Pulver oder Faser), Stahlfeinspänen, feiner
Stahlwolle, gepulvertem Ferrosilizium, Quarzmehl oder Aluminiumpulver verstärkt
die Erzeugnisse und verhindert Schrumpfungsrisse. In einigen Fällen ist es vorteilhaft,
feingemahlene Elektrodenkohle als Füllstoff zu verwenden. Ein solcher Füllstoff
ist sehr geeignet, wenn eine völlige Kohlenstruktur in dem geformten Gegenstand
gewünscht wird. In allen Fällen werden die Füllstoffe vorzugsweise getrocknet, bevor
sie der feinverteilten Kohle zugesetzt werden. Es können auch Mischungen von zwei
oder mehr der obigen Füllstoffe verwendet werden.
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Eine Kontrolle und Regelung der absoluten Teilchengröße und der Größenaufteilung
der Kohle und des Füllstoffes, welch letzterer vorzugsweise in einer solch zerkleinerten
Form vorliegen sollte, daß mindestens 3o Gewichtsprozent hiervon ro Mikron in der
Teilchengröße nicht überschreiten, trägt zu der Einheitlichkeit und Festigkeit des
Erzeugnisse bei. Beispielsweise ist es als besonders vorteilhaft befunden worden,
Kohle, die auf eine solche Teilchengröße gemahlen ist, daß 5o0/9 hiervon kleiner
als ro Mikron sind, in Verbindung mit Asbestfaser oder mit Tonerde zu verwenden,
die auf eine solche Feinheit gemahlen ist, daß 30'/o hiervon kleiner als to Mikron
sind, und auf eine solche Teilchengröße klassiert ist, daß ein hoher Grad enger
Packung sichergestellt ist.
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Die relativen Mengenanteile von Kohle und Füllstoff können nach Bedarf
variiert werden; gewöhnlich wird der Füllstoff 5 bis 6o Gewichtsprozent der zu formenden
Mischung ausmachen. Für hohe mechanische Festigkeit ist eine Mischung von 6o Gewichtsteilen
Kohle mit 2o Teilen Asbest und 2o Teilen Tonerde als geeignet befunden worden. Bei
Füllstoffen geringer chemischer Widerstandsfähigkeit wird ein verhältnismäßig geringer
Mengenanteil an Füllstoff vorgezogen, z. B. 95 Teile Kohle mit 5 Teilen Tonerde.
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Als absorbierender Füllstoff kann gepulverter Koks oder eine gepulverte
Kohle verwendet werden, die bei der Formungstemperatur nicht erweicht oder eine
zersetzende Destillation nicht erfährt, z. B. eine Kohle von Anthrazitherkunft.
An Stelle einer solchen Kohle oder Kokses können auch feinzerkleinerte anorganische
Materialien von hochporösem und absorbierendem Charakter, wie z. B. kolloidale Kieselsäure
oder kolloidale Tonerde, verwendet
werden. Sollte ein Erzeugnis,
welches aus einer solchen Mischung geformt worden ist, nicht die geforderten mechanischen
Eigenschaften besitzen, so kann dies durch den Zusatz von verstärkenden Füllstoffen,
wie bereits beschrieben, korrigiert werden.
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Die Formungsoperation kann in einer Formpresse ausgeführt werden,
die bei einem maximalen Arbeitsdruck in der Größenordnung von 5o t elektrisch oder
durch heißes Gas oder Dampf geheizt wird, wie z. B. den Dampf einer organischen
Flüssigkeit geeigneten Siedepunktes, wobei der Dampf gewünschtenfalls unter Druck
stehen kann.
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Die folgenden Beispiele veranschaulichen die Erfindung, wobei die
angegebenen Teile Gewichtsteile sind. Ausführungsbeispiele i. Northumberland- (Ellington
High Main-) Kohle mit einem Gehalt an flüchtigen Stoffen von 37°/0 (berechnet auf
die trockene aschenfreie Kohle) wird gemahlen und klassiert, um eine im wesentlichen
einheitliche Verteilung der folgenden Teilchenröße zu ergeben-e>
ioo% der
Kohle weniger als 53 Mikron, 9o, i o/a der Kohle weniger als q.o 1\-'I ikron, 8o,5
% der Kohle weniger als 2o Mikron, 5o,8-% der Kohle weniger als io Mikron, 15,6'°/o
der Kohle weniger als 5 Mikron, i,8o/o der Kohle weniger als 2 Mikron. Zoo g der
gemahlenen Kohle werden in einer 127-1-nm-Scheibenform angeordnet, die vorher gründlich
gereinigt und poliert worden ist und die mit einem seitlich umlaufenden elektrischen
Heizelement ausgestattet ist, um übermäßige Wärmeverluste zu vermeiden. Die Form
wird dann geschlossen und zwischen den Platten einer 5o-t-Presse angeordnet. Die
Platten werden elektrisch geheizt, und die Temperatur der Charge wird vermittels
eines Thermostaten reguliert, der durch ein in der Form angeordnetes Thermoelement
gesteuert wird. Die Charge wird einem Druck von ioo at ausgesetzt und auf eine Temperatur
zwischen 345 und 375° C erhitzt. Wenn die gewünschte Temperatur, z. B. 36o° C, erreicht
ist oder nach Erhitzen für 5 Minuten, wenn die besagte Temperatur in weniger als
dieser Zeit erreicht ist, wird ein voller Formdruck von 45o at angewandt und dieser
Druck für einen Zeitraum von 2o Minuten aufrechterhalten. Der Druck wird dann aufgehoben,
und der geformte Gegenstand wird unverzüglich aus der Form herausgenommen und langsam
abkühlen gelassen.
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Der geformte Gegenstand ist schwarz und hat eine glänzende Oberfläche.
Er ergibt beim Abstreichen auf Papier keinen schwarzen Strich. Er zeigt einen muscheligen
Bruch mit einer glänzenden Oberfläche und zersetzt sich nicht in siedendem Toluol.
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2. Das Verfahren ist das gleiche wie im Beispiel i, mit der Ausnahme,
daß die einleitende Pressung bei ioo at weggelassen und der volle Druck von 4.5o
at unverzüglich angewandt wird. Während der Periode des Aufheizens und Formens entlüftet
man die Form durch mehrmaliges Aufhebendes Druckes, um hierdurch die entwickelten
Gase aus der Charge entweichen zu lassen.
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3. 6o Teile der im Beispiel i beschriebenen gemahlenen Kohle werden
in einem Kollergang 15 Minuten lang mit do Teilen geschmolzener Tonerde gemischt,
welche derart gemahlen worden ist, daß sie ein 64oo-Maschen-/cm2-Sieb passiert.
200 g der Mischung werden unter Druck in einer I27-mm-Scheibenform nach demselben
Verfahren geformt, wie es im Beispiel I beschrieben ist. Der geformte Gegenstand
ist schwarz, aber seine Oberfläche ist nicht so glänzend wie die des Erzeugnisses
von Beispiel I. Er ergibt beim Streichen auf Papier keinen schwarzen Strich. Er
weist einen muscheligen Bruch auf und zersetzt sich nicht in siedendem Toluol. Das
Erzeugnis ist von besserer mechanischer Festigkeit als das Erzeugnis von Beispiel
i.
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d.. 8o Teile der im Beispiel i beschriebenen gemahlenen Kohle werden
mit 2o Teilen Asbestfaser in einem Kollergang gemischt, bis die Faser einheitlich
durch die Masse hindurch verteilt ist. Vor der Mischungsoperation wird die Asbestfaser
gründlich bei iio° C getrocknet und auf 12,7 mm zerschnitzelt. Die Mischung
wird dann nach dem im Beispiel i beschriebenen Verfahren geformt.
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Der geformte Gegenstand ist schwarz und hat eine glänzende Oberfläche,
auf welcher die Asbestfasern schwach sichtbar sind. Seine sonstigen Eigenschaften
sind die gleichen, wie sie für das Erzeugnis des Beispiels i erwähnt wurden, aber
zusätzlich hierzu ist er von besserer mechanischer Festigkeit.
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5. 6o Teile der im Beispiel i beschriebenen geinahlenen Bohle, 2o
Teile geschmolzener Tonerde, welche derart gemahlen ist, daß sie ein 6d.oo-Maschen-jcm2-Sieb
passiert, und 2o Teile Asbestfaser (vorher getrocknet und zerschnitzelt wie im Beispiel
4.) werden in einem hollergang zusammengemischt, bis eine einheitliche Mischung
vorliegt. Die Mischung wird dann nach dem im Beispiel i beschriebenen Verfahren
geformt.
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Der geformte Gegenstand ist in seinen Eigenschaften ähnlich dem Erzeugnis
von Beispiel q., hat aber beträchtlich größere mechanische Festigkeit.
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In den obigen Beispielen kann die gemahlene Kohle oder die Mischung
von Kohle und Füllstoff, anstatt in die Form in losem Zustand eingeführt werden,
zuerst durch Kompression bei atmosphärischer Temperatur in Pillen geeigneter Gestalt
für das Ausfüllen der Form vorgeformt werden.