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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.