DE69838183T2

DE69838183T2 - Verfahren zum brennen von keramischen wabenstrukturen und dafür verwendeter tunnelofen

Info

Publication number: DE69838183T2
Application number: DE69838183T
Authority: DE
Inventors: Alan T. Elmira DULL; Thomas S. Wellsboro HINKLE; Christopher S. Beaver Dams WITTE; Edward F. Dublin ZUNIC
Original assignee: Corning Inc
Current assignee: Corning Inc
Priority date: 1997-12-22
Filing date: 1998-11-23
Publication date: 2008-04-30
Anticipated expiration: 2018-11-24
Also published as: US6089860A; EP1049904A4; WO1999032844A1; CN1172153C; DE69838183T3; EP1049904B1; ID25605A; ATE368835T1; KR20010033449A; JP2008285407A; JP2001527202A; DE69838183D1; EP1049904A1; JP4723085B2; BR9813730A; CN1282412A; JP4869295B2; EP1049904B2

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Brennen von zellularen Keramikkörpern und insbesondere von zellularen Keramikkörpern, die problematische hoch-organische Inhaltsstoffe aufweisen. Die Erfindung betrifft auch einen Tunnelofen, der für ein solches Brennverfahren eingerichtet ist.
Keramische Erzeugnisse mit einer Wabenform oder keramische Wabenstrukturen, d. h. zellulare Keramikkörper wurden hergestellt, indem ein keramischer Rohling gerfertigt wurde durch Mischen von keramischen Materialien mit Wasser und verschiedenen kohlenstoffhaltigen Materialien einschließlich Extrusions- und Formgebungshilfsmitteln zum Bilden eines plastizierten Gemenges, Formen des Körpers zu einem wabenförmigen keramischen Rohling durch Extrudieren des plastizierten Gemenges und schließlich Brennen des wabenförmigen keramischen Rohlings in einem Brennofen bei einer vorher festgelegten Temperatur.
Extrusions- und Formgebungshilfsmittel, die beim obigen Brennen der Wabenstruktur verwendet werden umfassen speziell organische Bindemittel, Plastizierer und Gleitmittel, wie Methylzellulose, Carboxymethylzellulose, Polyvinylalkohol, Alkalistearate und dergleichen.
Ferner wurden andere kohlenstoffhaltigen Materialien, wie Graphit, als porenbildendes Medium in das Gemenge eingebunden.
Es ist bekannt, dass die Abgabe oder Zerlegung des kohlenstoffhaltigen Materials eine Oxidation oder exothermische Reaktion ist, die große Mengen von Wärme freigibt. Anfangs tritt die exothermische Reaktion an der Außenhaut oder dem äußeren Abschnitt des Teils auf, was zu einer anfänglichen Temperaturdifferenz führt, wodurch der äußere Abschnitt des Keramikkörpers heißer als der Kern ist. Anschließend klingt die exothermische Reaktion der Außenhaut oder des äußeren Abschnitts ab und die exothermische Reaktion bewegt sich ins Innere der Ware. Weil typische Substrate aus keramischen Materialien, z. B. Cordierit, bestehen, die gute Isolatoren sind und eine zellulare Struktur darstellen, die zahlreiche Kanäle aufweist, treten beim wirksamen Entfernen der Wärme aus dem Keramikkörper entweder durch Fortleitung oder Wärmekonvektion Schwierigkeiten auf. Zusätzlich ist aufgrund der zellularen Struktur ein beträchtlicher Oberflächenbereich zum Fördern der Reaktion des Binders mit dem Sauerstoff in der Ofenatmosphäre vorhanden, so dass dieser innere exothermische Effekt verschlimmert wird. Als solcher weist der Keramikkörper während der Abgabe des kohlenstoffhaltigen Materials entweder eine positive oder negative Wärmedifferenz auf, d. h. der Kern des Keramikkörpers weist entweder eine höhere oder niedrigere Temperatur auf als diejenige an bzw. nahe der Oberfläche der Keramik. Diese exothermische Reaktion, die bei kohlenstoffhaltigen Materialien, wie einem organischen Binder oder dergleichen, in dem Temperaturbereich von 100 bis 600°C auftritt, oder in dem Temperaturbereich von 500–1000°C, wenn der Körper z. B. Graphit enthält, verursacht eine erhebliche Temperaturdifferenz zwischen dem Inneren und der Außenseite des Teils. Diese Temperaturdifferenz in dem Teil erzeugt Spannungen in dem Keramikkörper, die zu einer Rissigkeit des Teils führen können. Diese Erscheinung trifft insbesondere bei großen zellularen Keramikteilen oder Teilen zu, die große Mengen organischen Materials enthalten.
Techniken zum Steuern und Unterdrücken der Temperaturdifferenz und der daraus hervorgehenden Rissentwicklung sind altbekannt. Eine Technik beinhaltet das Verringern der Flammentemperatur des Brenners durch Verwenden von Luftüberschuss für die Verbrennung des Brenners, was zu einer verkleinerten Flamme zum Erzeugen des Temperaturgradienten und entsprechend niedrigeren Erwärmungsgeschwindigkeiten führt. Jedoch erbringt der hohe Luftüberschuss einen unerwünscht hohen Anteil sauerstoffhaltiger Atmosphäre, die mit den organischen Stoffen reagiert, wodurch die Abgabe beschleunigt und die innere exothermische Reaktion gesteigert werden. Als solche muss die Minimierung der Temperaturdifferenz, die sich während der organischen Abgabe entwickelt, durch sehr langsame Brennschemata durchgeführt werden oder alternativ durch Brennschemata, die der speziellen Ware im Brennofen angepasst sind.
Die Verwendung der Steuerung der Brennatmosphäre in Brennöfen der periodischen Bauart ist allgemein bekannt. Siehe zum Beispiel die US-Patentschriften Nr. 4,404,166 (Wiech, Jr.), Nr. 4,474,731 (Brownlow et al.), Nr. 4,466,315 (Wiech, Jr. et al) und Nr. 4,927,577 (Ohtaka et al). Obwohl sich diese Verfahren zur Verwendung in Brennöfen der periodischen Bauart als leistungsfähig genug erwiesen haben, werden sie aufgrund des beträchtlichen Einströmens von Umgebungsluft (20,9 % Sauerstoff) in die Brennatmosphäre nicht allgemein als wirkungsvoll in Tunnelöfen angesehen.
Die Anwendung einer pulsierenden Brenntechnik als Ersatz für proportionales Brennen ist ebenfalls als Verfahren zum Steuern und Unterdrücken von Wärmegradienten in periodischen Brennöfen offenbart. Das pulsierende Brennen umfasst die Anwendung von entweder nur Starkfeuer- oder Schwachfeuerbrennerleistung und erzeugt niedrige Erwärmungsverhältnisse ohne die Verwendung beträchtlicher Mengen von überschüssiger Luft (Sauerstoff); siehe zum Beispiel die Europäische Patentanmeldung Nr. 0 709 638 , die ein Verfahren zum Brennen von keramischen geformten Körpern unter Verwendung eines Brennofens mit Brennern offenbart, die von einem Hoch- zu einem Niedrigleistungsbrennstadium wechseln. Obwohl die Anwendung dieser Brenntechnik in periodischen Öfen einigermaßen effektiv war, was zu einer Verringerung des Auftretens von Rissbildung führte, wirft diese pulsierende Brenntechnik Schwierigkeiten auf, wenn sie in Tunnelöfen angewendet wird. Aufgrund der offenen Bauart von Tunnelöfen ist es erforderlich, das Eintreten von Umgebungsluft in die Zonen der organischen Abgabe des Brennofens durch andere Mittel zu steuern.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die zuvor erwähnten Probleme des Standes der Technik zu lösen, indem ein verbessertes Verfahren und ein Tunnelofen zum Brennen von keramischen Wabenstrukturkörpern geschaffen werden, die eine gleich bleibende Herstellung von hochwertigen rissfreien Erzeugnissen gewährleisten.
Es ist eine Aufgabe dieser Erfindung die zuvor erwähnten Probleme zu beseitigen und ein Verfahren und einen Brennofen zum Brennen von keramischen Wabenstrukturkörpern zu schaffen, welche die Herstellung von keramischen Wabenstrukturkörpern, die weniger Risse aufweisen, und ein gleichmäßigeres Brennen der inneren und äußeren Abschnitte der ungebrannten Wabenstrukturkörper unter Verwendung von Zyklen kurzer Bearbeitungsdauer ermöglichen.
Die Erfindung schafft ein Verfahren zum Entfernen von kohlenstoffhaltiger Materie aus einem ungebrannten keramischen Wabenstrukturkörper, der eine vorher festgelegte Menge von Rohmaterialien einschließlich einer Menge einer kohlenstoffhaltigen Materie enthält, die geeignet ist, einen gebrannten Wabenkörper zu ergeben, welches das Brennen des ungebrannten keramischen Wabenstrukturkörpers in einem Tunnelofen in einer Brennatmosphäre bis zu einer Temperatur und für eine Zeit beinhaltet, die ausreicht, eine Abgabe der kohlenstoffhaltigen Materie in die Brennatmosphäre auszulösen und ausreichend durchzuführen, wobei mindestens ein Teil der kohlenstoffhaltigen Materie vor ihrer Reaktion innerhalb der Brennatmosphäre entfernt wird.
Die Erfindung schafft auch einen Tunnelofen zum Brennen von keramischen Wabenstrukturkörpern mit einem Vorraumbereich, einem Abgabebereich für kohlenstoffhaltige Materie, welcher mehrere Entzugszonen aufweist und stromab des Vorraumbereichs angeordnet ist, einem Sinterbereich, der stromab des Abgabebereichs für kohlenstoffhaltige Materie angeordnet ist, und einer Abgasabfuhranlage, die betriebsbereit mit den Entzugszonen des Abgabebereichs in Verbindung steht, um abgegebene kohlenstoffhaltige Materie zu entfernen, wobei die Abgasabfuhranlage mindestens eine Ableitungsöffnung aufweist, die oben in der Decke des Tunnelofens innerhalb jeder Entzugszone zum Entfernen abgegebener kohlenstoffhaltiger Materie angeordnet ist, die Ableitungsöffnungen betriebsbereit mit einer sekundären Sammelleitung in Verbindung stehen, und wobei jede sekundäre Sammelleitung betriebsbereit mit einer Hauptsammelleitung in Verbindung steht, wobei die Abgasabfuhranlage außerdem eine Leitungs-Reaktionsunterdrückungseinrichtung enthält, die eine Temperaturüberwachungseinrichtung und eine Einrichtung zum Einbringen von sauerstoffarmem Gas in die Hauptsammelleitung und die sekundäre Sammelleitung bei Temperaturen oberhalb einer vorher festgelegten Temperatur aufweist.
Üblicherweise ist die Hauptsammelleitung betriebsbereit mit einem Abgasgebläse verbunden.
Zum besseren Verständnis der Erfindung wird auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen, in denen:
1 ein Diagramm ist, das für die Temperaturunterschiede zwischen dem Kern und der Außenhaut eines keramischen Wabenstrukturkörpers repräsentativ ist, der geformt und durch herkömmliche Brennverfahren gebrannt wird,
2 eine schematische Darstellung ist, die eine Tunnelofenvorrichtung veranschaulicht, die angemessen brauchbar ist, das erfindungsgemäße Verfahren zum Brennen der keramischen Wabenstrukturkörper durchzuführen, und
3 eine schematische Darstellung ist, die eine andere Ausführungsform einer Tunnelofenvorrichtung veranschaulicht, die angemessen brauchbar ist, das erfindungsgemäße Verfahren zum Brennen der keramischen Wabenstrukturkörper durchzuführen.
Das Keramikbrennverfahren und die Keramikbrennvorrichtung gemäß der Erfindung basieren auf Kenntnissen, die durch Untersuchung herkömmlicher Brennöfen und ihrer Brenngegebenheiten erlangt wurden. Herkömmliche Brennverfahren, die verwendet werden, um das plastifizierte Gemenge oder den keramischen Rohling in ein keramisches Erzeugnis umzuwandeln, führen aufgrund der exothermischen Abgabe der Extrusions- oder Formungshilfsmittel aus organischem oder kohlenstoffhaltigem Material, die am Anfang in dem Gemenge enthalten sind, üblicherweise zu einer Temperaturdifferenz zwischen der Außenfläche oder Außenhaut und der Innenseite oder dem Kern. Diese Abgabe organischer oder kohlenstoffhaltiger Stoffe erfolgt bei organischen Bindern und Extrusionshilfsmitteln zwischen ungefähr 100–600°C oder bei graphitähnlichen Stoffen zwischen ungefähr 500–1000°C. Während die erzeugte Wärme an der Peripherie oder der Außenhaut leichter abgeführt wird, obgleich sie noch ausreichend ist, um Spannungen zu verursachen, welche die Festigkeit des Teils übersteigen können, ist die im Kern des Keramikkörpers erzeugte Wärme störender, weil sie aufgrund der zellularen Struktur und der isolierenden Eigenschaft des cordierit-keramischen Körpers nicht abgeführt wird. 1 stellt ein unerwünschtes Außenhaut/Kern-Temperaturprofil eines herkömmlich gebrannten cordierit-keramischen Wabenkörpers dar. Diese Temperaturdifferenz ist so, dass der erzeugte gebrannte Körper dazu neigt, sowohl wärmebedingte Verformungen als auch Brennrisse zu zeigen. Weil zellulare Körper dünnere Zellenwände und größere Zelldichten aufweisen und weil mehr und unterschiedliche organische Binder und graphitähnliche Stoffe verwendet werden, um die strukturelle Integrität dieser zellularen Körper aufrecht zu erhalten, ist es wahrscheinlicher, dass diese Erscheinung zunimmt.
Diese Erfindung liefert ein wirksames Verfahren gebrannte Wabenstrukturkörper herzustellen, das im Wesentlichen frei von irgendwelchen schädlichen Wirkungen infolge der Abgabe der kohlenstoffhaltigen Materie ist. Insbesondere umfasst das Verfahren vor dem Sintern ein Brennen des ungebrannten keramischen Körpers in einem Tunnelofen bis zu einer Temperatur und für eine Zeitdauer, die ausreicht, um im Wesentlichen die Abgabe der kohlenstoffhaltigen Materie zu erreichen, während zur gleichen Zeit auch mindestens ein Teil der abgegebenen kohlenstoffhaltigen Materie vor ihrer wesentlichen Reaktion in der Brennatmosphäre des Brennofens entfernt wird.
Die Erfindung kann auf jedes keramische Material angewendet werden, das durch Abgabe kohlenstoffhaltiger Materie nachteilig beeinflusst wird. Typische keramische Materialien umfassen zum Beispiel und ohne Einschränkung cordierit- und aluminiumoxidhaltige Keramikmaterialien.
Die Erfindung wird nachfolgend im Hinblick auf cordierithaltiges keramisches Wabenmaterial beschrieben. Dies sollte jedoch nicht als Beschränkung der Erfindung auf dieses Keramikmaterial betrachtet werden.
Rohmaterialien für Keramikgemenge, die für die Herstellung von cordierit-keramischen Wabenstrukturkörpern verwendbar sind, die erfindungsgemäß gefertigt werden, können von jeder geeigneten Bezugsquelle ausgewählt werden. Hochreinen Ton, Talkum, Siliziumdioxid, Aluminiumoxid, Aluminiumhydroxid und Magnesiumoxid enthaltende Rohmaterialien werden üblicherweise für solche Keramiken verwendet und sind hier zufrieden stellend.
Die bevorzugten Gemengematerialien in der gewerblichen Anwendung für die Herstellung von mit sehr geringer Dehnung extrudierten cordierit-keramischen Körpern sind Ton, Talkum und Aluminiumoxid, wobei die Tone üblicherweise aus kaolinitischen Tonen bestehen, die lieber eine blättchenförmige (platey) als eine gestapelte Beschaffenheit aufweisen. Blättchen- Kaoline (Platey-Kaoline) können durch die Vorverarbeitung gestapelter kaolinitischer Tone erzeugt werden, oder das Rohmaterialgemenge, das den Ton enthält, kann in einer Weise verarbeitet werden, welche die Kristallstapel in Blättchen zerlegt.
Das Formen des trockenen Gemenges zu einem Pressling oder Rohling, der durch Brennen zur Umwandlung in Cordierit geeignet ist, kann durch irgendeine von einer Anzahl bekannter Techniken durchgeführt werden. Abhängig von der gewünschten Porosität in dem Cordieriterzeugnis kann das Gemenge mit geeigneten organischen Stoffen gemischt und einfach in die Form eines Presslings gepresst werden oder es kann durch ein Heißpressverfahren geformt werden.
Für die gewerbliche Herstellung von flachen oder dünnwandigen cordierit-keramischen Erzeugnissen, wie Keramikwaben ist Extrudieren die bevorzugte Formungstechnik. Eine zum Extrudieren geeignete Gemengemischung kann aus dem trockenen Gemenge durch Mischen desselben mit einem geeigneten flüssigen Bindemittel aufbereitet werden. Das Bindemittel kann Wasser und kohlenstoffhaltige Extrusionshilfsmittel enthalten, die erforderlich sind, um dem Gemenge plastische Formbarkeit und ausreichende Rohfestigkeit nach dem Formen zu verleihen, um einem Brechen vor dem Brennen Widerstand zu leisten. Alternativ können die Extrusionshilfsmittel mit den keramischen Gemengematerialien gemischt werden.
Die kohlenstoffhaltigen Extrusionshilfsmittel werden normalerweise aus einer flüssigen oder festen Kohlenwasserstoffmaterie bestehen, die eine Verdampfungs-, Oxidations- oder Entmischungstemperatur von unter ungefähr 600°C aufweist, einschließlich zum Beispiel organischer Binder wie Methylzellulose, Carboxymethylzellulose, Polyvinylalkohol, Alkalistearate, Weizenpulver, Stärkepaste, Glycerin und Wachs. Gemenge dieser Art, die üblicherweise 20–35% Wasser enthalten, sind genügend plastisch, so dass sie durch Extrudieren leicht zu Presslingen geformt werden können, die sehr dünne Wandabmessungen, d. h. von weniger als 1 mm, aufweisen. Die plastizierten Gemenge können auch bequem durch Walzen oder Pressen geformt werden, wobei die gewalzten oder gepressten Komponenten dann entweder direkt verwendet oder vor dem Brennen zu komplizierteren Formen zusammengesetzt werden.
Außerdem kann die Gemengemischung andere kohlenstoffhaltige Stoffe enthalten, die zur Verwendung als porenbildende Mittel geeignet sind, einschließlich, aber nicht darauf beschränkt, Graphit, Kirschkernmehl, Holzschnitzeln, Sägemehl und Stärke.
Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein erwünschtes cordierit-keramisches rissfreies Erzeugnis in einem Zweiphasenbrennverfahren erhalten, bei welchem der ungebrannte keramische Wabenstrukturkörper am Anfang bis zu einer Temperatur und für eine Zeit gebrannt wird, die ausreicht, eine Abgabe der kohlenstoffhaltigen Materie in die Brennatmosphäre auszulösen und ausreichend durchzuführen. Während dieser anfänglichen Brennphase wird die kohlenstoffhaltige Materie, die in den ungebrannten keramischen Wabenkörper eingearbeitet ist, entweder in ihrer flüchtigen oder in ihrer Form, die teilweise eine Reaktion eingegangen ist, abgegeben. Die Abgabe kohlenstoffhaltiger Materie, z. B. von Binder, erfolgt abhängig von der Art des organischen Binders zwischen ungefähr 100–600°C, während andererseits Graphit üblicherweise zwischen ungefähr 500–1000°C abgebaut wird. Als solche erfordert diese Abgabe- bzw. Abbauphase der kohlenstoffhaltigen Materie normalerweise ein Erwärmen auf eine erste Temperatur entweder oberhalb des ersten Bereichs oder oberhalb des zweiten Bereichs, abhängig davon, ob der Keramikkörper eine Menge von dem warmfesten Kohlenstoff, wie Graphit, enthält oder nicht. Der Abbau von flüchtiger oder teilweise in eine Reaktion eingegangener kohlenstoffhaltiger Materie führt infolge der Verbrennung im Brennraum des Brennofens zu einer anschließenden unerwünschten Wärmeabgabe, daher enthält der erste Brennschritt ein Entfernen mindestens eines Teils der unerwünschten abgegebenen organischen Materie an einem Punkt nahe der Stelle im Brennofen, an der sie abgegeben wird. Mit anderen Worten, das erfindungsgemäße Verfahren läuft darauf hinaus, dass verhindert wird, dass die kohlenstoffhaltige Materie in der Brennatmosphäre wesentlich reagiert.
Nach dieser Anfangsbrennphase, in der kohlenstoffhaltige Materie entfernt wird, wird der keramische Rohling weiter herkömmlich für eine Zeitdauer und bei einer Temperatur gebrannt, die ausreicht, um die Umwandlung des ungebrannten keramischen Wabenstrukturkörpers in einen gebrannten Wabenkörper auszulösen und ausreichend zu vollenden, dessen überwiegende Kristallphase Cordierit ist. Temperaturen in dem Bereich von 1340°–1450°C sind im Allgemeinen für diesen Zweck geeignet, wenn das Keramikmaterial aus einer cordierit-haltigen Keramik besteht.
Als Nächstes wird der erfindungsgemäße Brennofen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen ausführlicher beschrieben.
2 ist ein Schema, das die Konstruktion einer Ausführungsform des Tunnelofens zur Durchführung des erfindungsgemäßen Brennverfahrens veranschaulicht. Bei dieser Ausführungsform umfasst der Tunnelofen 10 einen Vorraumbereich 12, einen Abgabebereich 14 für kohlenstoffhaltige Materie mit einer Vielzahl von Entzugszonen (Z1–Z11), die stromab des Vorraumbereichs 12 angeordnet sind. Der Brennofen weist ferner einen teilweise dargestellten Sinterbereich 16 auf, der stromab des Abgabebereichs 14 für kohlenstoffhaltige Materie angeordnet ist. Eine Abgasabfuhranlage 18 zum Entfernen abgegebener kohlenstoffhaltiger Materie ist vorgesehen und steht betriebsbereit mit den Entzugszonen des Abgabebereichs 14 in Verbindung.
Die Abgasabfuhranlage 18 enthält eine Vielzahl von Ableitungsöffnungen 20, speziell mindestens eine für jede Entzugszone. Es sind diese Ableitungsöffnungen 20, die oben im Dach des Brennofens für die zugehörige Entzugszone angeordnet sind, durch welche die abgegebene kohlenstoffhaltige Materie entweder in ihrer flüchtigen oder in ihrer Form, die teilweise eine Reaktion eingegangen ist, entfernt wird. Jede der Ableitungsöffnungen 20 steht betriebsbereit mit einer sekundären Sammelleitung 22 in Verbindung.
Die wichtige Überlegung, welche die Anordnung der Ableitungsöffnungen betrifft, besteht darin, dass sie in einer Position angeordnet sind, wo die flüchtigen Anteile am leichtesten oder wirkungsvollsten entfernt werden. Bezüglich der Form der Ableitungsöffnung kann ein Fachmann Ableitungsöffnungen mit einer Form, die am geeignetsten für die optimale und wirkungsvolle Entfernung der abgegebenen kohlenstoffhaltigen Materie ist, empirisch ermitteln und so in die Tunnelofenkonfiguration eingliedern.
Jede der sekundären Sammelleitungen 22 steht mit einer Hauptsammelleitung 24 betriebsbereit in Verbindung. Ein Klappenventil 26 ist vorzugsweise in jeder der sekundären Sammelleitungen 22 stromauf des Anschlusses angeordnet, wo die sekundären Sammelleitungen und die Hauptsammelleitung miteinander in Verbindung stehen. Ein Abgasgebläse steht betriebsbereit mit der Hauptsammelleitung 24 in Verbindung und dient dazu, einen Zug auf die Brennatmosphäre des Brennofens auszuüben, der erforderlich ist, um die abgegebene kohlenstoffhaltige Materie abzusaugen. Außerdem ist ein Klappenventil 28 in der Hauptsammelleitung 24 angeordnet. Jedes der Klappenventile 26 kann so eingestellt werden, dass der exakte individuelle Abgaszug in jeder der Entzugszonen Z1–Z11 erreicht wird, und auf diese Weise kann das Entfernen der abgegebenen kohlenstoffhaltigen Materie verändert und/oder von Entzugszone zu Entzugszone variiert werden. Die Gesamtsteuerung des Zuges der Vielzahl der sekundären Leitungen 22 und zugehörigen Ableitungsöffnungen 20 und der Brennatmosphäre des Brennofens wird durch Einstellen des Klappenventils 28 gesteuert.
Die Länge des Abgabebereichs und die Länge und die Anzahl der Entzugszonen sind so, dass sie dazu geeignet sind, die Abgabe der kohlenstoffhaltigen Materie und einen Temperaturbereich für das Entfernen bei vielerlei unterschiedlichen Zusammensetzungen und Anforderungen für das Entfernen organischer Materie, die von Zusammensetzung zu Zusammensetzung wechseln, zu umfassen; d. h., sie weisen eine Gestaltung auf, die flexibel ist, so dass sie das Zuschneiden des Abgasprofils für einen gesamten Abgabebereich ermöglicht, der zwischen ungefähr 100 bis 660°C liegt.
Es wurde durch einen Versuch festgestellt, dass herkömmliche Brennöfen flüchtige oder teilweise in eine Reaktion eingegangene kohlenstoffhaltige Materie abgegeben, was beides die Fähigkeit der herkömmlichen Brennöfen beeinträchtigt, die Temperatursteuerung aufrecht zu erhalten. Der Hauptgrund für dies Einwirkung besteht darin, dass die abgegebenen kohlenstoffhaltigen Materialien in der Brennatmosphäre nahe den Stellen, wo das Material abgebaut wird, und besonders in den stromabwärts gelegenen Hochtemperaturzonen verbrennen, wo die abgegebene Materie infolge einer Oberströmung („crown drift") fließt. Diese Oberströmung wird durch heiße Gase verursacht, die von den stromauf gelegenen Zonen höheren Drucks zu den stromab gelegenen Zonen niedrigeren (mehr negativen) Drucks infolge dieser Druckdifferenz zwischen den Zonen gesaugt werden. Weil sich diese abgegebenen brennbaren kohlenstoffhaltigen Materialien in ihrer flüchtigen und/oder in ihrer Form, die teilweise eine Reaktion eingegangen ist, in die Zonen höherer Temperatur bewegen, reagieren sie mit dem vorhandenen Sauerstoff und verbrennen, wobei sie Wärme an den Prozess abgeben. Es ist diese Wärmeabgabe, die üblicherweise größer als diejenige ist, die von der Zone benötigt wird, um ihren Temperatursollwert aufrecht zu erhalten, die dazu führt, dass die Temperatur in der Zone über den gewünschten Temperatursollwert steigt. Dies ist sehr unerwünscht, weil die keramischen Wabenstrukturkörper infolge dieses Verlusts der Brennprozesskontrolle innerhalb des Brennofens rissig werden.
Der Vorteil des zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Brennofens besteht darin, dass verhindert wird, dass diese unerwünschte Verbrennung oder Wärmeabgabe auftritt, weil der Brennofen so gestaltet ist, dass einige oder alle von diesen flüchtigen oder teilweise in eine Reaktion eingegangenen organischen Materialien nächst der Abgabestelle im Warenraum des Brennofens aus der Brennatmosphäre entfernt werden und folglich bevor die abgegebene kohlenstoffhaltige Materie eine Gelegenheit hat zu reagieren. Speziell die abgegebene flüchtige oder teilweise in eine Reaktion eingegangene Materie wird durch das Abgasgebläse in die Ableitungsöffnungen 20 und durch die sekundären Sammelleitungen 22 und danach durch die Hauptsammelleitung 24 und schließlich durch das Abgasgebläse gesaugt, worauf sie ausgepumpt wird.
3 ist ein Schema, das die Konstruktion einer anderen Ausführungsform eines Tunnelofens zur Durchführung des erfindungsgemäßen Brennverfahrens veranschaulicht. Mit den gleichen Bezugszahlen wie in 2 sind die gleichen oder ähnliche Teile in 3 bezeichnet und deren Erläuterung wird weggelassen. Die Ausführungsform der 3 unterscheidet sich von derjenigen der 2 dadurch, dass die Abgasabfuhranlage eine Reihe von 4 Öffnungen aufweist, die in jeder der Entzugszonen Z1–Z11 zum Entfernen abgegebener, entweder flüchtiger oder teilweise in eine Reaktion eingegangener Materie aus der Brennatmosphäre angeordnet sind. Eine leichte Abwandlung dieser Ausführungsform enthält anstelle einer Reihe von im Dach angebrachten Ableitungsöffnungen eine durchgehende Ableitungsöffnung, d. h. einen Schlitz oben im Dach, der zum Entfernen der abgegebenen kohlenstoffhaltigen Materie betriebsbereit mit der sekundären Leitung verbunden ist.
Unter erneuter Bezugnahme auf 1 enthält der erfindungsgemäße Tunnelofen zusätzlich eine Leitungs-Reaktionsunterdrückungseinrichtung. Es wurde beobachtet, dass abgegebene kohlenstoffhaltige Materie innerhalb der sekundären Sammelleitungen 22 und der Hauptsammelleitung 24 kondensieren kann. Wenn die Bedingungen (Sauerstofflevel und Temperatur) dafür günstig sind, kann diese Materie innerhalb dieses Leitungsraums zünden und unkontrolliert verbrennen. Diese unkontrollierte Verbrennung im Leitungsraum der Rohranlage ist unerwünscht, daher wird die Leitungs-Reaktionsunterdrückungseinrichtung einbezogen, die dafür ausgelegt ist, bei der Kontrolle dieser unkontrollierten Reaktion der kohlenstoffhaltigen Materie in der Leitung zu helfen. Diese Reaktionsunterdrückungseinrichtung enthält eine Temperaturanzeigevorrichtung und eine Einrichtung zum Einbringen eines Gases mit niedrigem Sauerstoffgehalt in die Hauptsammelleitung 24 und die sekundäre Sammelleitung 22, wenn die Temperaturen in den Leitungen oberhalb einer vorher festgelegten Temperatur liegen. Vorzugsweise besteht das Gas mit niedrigem Sauerstoffgehalt aus Stickstoff oder einem CO₂ angereicherten Gas. Die Reaktionsunterdrückungseinrichtung steht mit der Hauptsammelleitung 24 an einer Stelle zwischen dem Abgasgebläse und dem Anschluss, wo die Hauptsammelleitung 24 und die sekundären Sammelleitungen 22 miteinander verbunden sind betriebsbereit in Verbindung. Bei der Tunnelofenkonfiguration, welche diese Reaktionsunterdrückungseinrichtung enthält, ist das Klappenventil 28 zwischen dem Anschluss, wo die Reaktionsunterdrückungseinrichtung mit der Hauptsammelleitung 24 in Verbindung steht, und dem Abgasgebläse angeordnet. Wenn das Klappenventil 28 vollständig geschlossen ist, dient es sowohl dazu, das Entfernen der kohlenstoffhaltigen Materie auszusetzen, als auch die sekundären Leitungen 22 vom Abgasgebläse zu trennen, um die Unterdrückung der in der Leitung auftretenden unerwünschten Reaktionen zu erleichtern.
Die Reaktionsunterdrückungseinrichtung arbeitet speziell folgendermaßen: die Temperaturanzeigevorrichtung, z. B. ein Temperatursensor in der Hauptleitung stromauf des Hauptklappenventils, ist an ein Übertemperaturmessgerät angeschlossen, das die Leitungstemperatur mit einer vorher festgelegten Sollwerttemperatur vergleichen kann. Wenn die Temperatur des Temperatursensors den vorher festgelegten Sollwert erreicht, der ein Brennen in der Hauptsammelleitung oder den sekundären Sammelleitungen anzeigt, wird ein Klappenventil 30 geöffnet, das einen Strom von Gasen mit niedrigem Sauerstoffgehalt in die Hauptsammelleitung 24 entlässt, der den Sauerstofflevel wirksam auf einen Punkt absenkt, wo eine Verbrennung nicht länger fortgesetzt werden kann. Gleichzeitig wird das Klappenventil 28 der Hauptleitung geschlossen, so dass der Zug zur Brennatmosphäre des Brennofens beseitigt wird. Das Nettoergebnis ist die Unterdrückung der Verbrennungsreaktion innerhalb der Leitung, während gleichzeitig das Einströmen der abgegebenen und potentiell brennbaren kohlenstoffhaltigen Materie unterbunden wird.
Es sollte beachtet werden, dass die Menge der kohlenstoffhaltigen Entnahme aus jeder der einzelnen Entzugszonen und die Entnahme des gesamten Anlage, die zum Erreichen der gewünschten Brennbedingungen erforderlich ist, abhängig von einer Anzahl von Faktoren, einschließlich der Zusammensetzung, Größe und Form des Keramikkörpers, der Warenauslastung, der Größe der Zellenwand und Anzahl von Zellen, die der Keramikkörper aufweist, sowie der Brennofenkonfiguration und des verwendeten Brennschemas wechselt. Als solche sollten die Entnahmebedingungen, die zum Erreichen der einwandfreien Brennatmosphäre und -bedingungen erforderlich sind, für jeden Keramik- bzw. Brennofenaufbau empirisch ermittelt werden.
Wie aus der obigen Beschreibung klar ist, ergeben sich infolge des erfindungsgemäßen Brennverfahrens für keramische Wabenstrukturkörper und des dafür verwendeten Tunnelofens, sowie die Abgabe und Entnahme der kohlenstoffhaltigen Materie durch die erfindungsgemäßen Abgasabfuhrbereiche und -anlagen Brennbedingungen, bei denen Wabenstrukturkörper erzielt werden, die eine verringerte Temperaturdifferenz zwischen dem inneren Teil und dem äußeren Teil des Keramikkörpers aufweisen. Mit anderen Worten, Brennbedingungen, die weit förderlicher zum Herstellen gebrannter keramischer Wabenstrukturkörper sind, die frei von thermischen Verformungen und wärmebedingten Rissen sind.

Claims

Verfahren zum Entfernen von kohlenstoffhaltiger Materie aus einem ungebrannten keramischen Wabenstrukturkörper, der eine vorbestimmte Menge von Rohmaterialien einschließlich einer Menge einer kohlenstoffhaltigen Materie enthält, die geeignet ist, einen gebrannten Wabenkörper zu ergeben, welches das Brennen des ungebrannten keramischen Wabenstrukturkörpers in einem Tunnelofen in einer Brennatmosphäre bis zu einer Temperatur und für eine Zeit beinhaltet, die ausreicht, eine Abgabe der kohlenstoffhaltigen Materie in die Brennatmosphäre auszulösen und ausreichend durchzuführen, wobei mindestens ein Teil der kohlenstoffhaltigen Materie vor ihrer Reaktion innerhalb der Brennatmosphäre entfernt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die kohlenstoffhaltige Materie nahe der Stelle entfernt wird, wo sie abgegeben wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der ungebrannte keramische Wabenstrukturkörper ferner für eine Zeitdauer und auf eine Temperatur erwärmt wird, die ausreichen, um dessen Umwandlung in einen gebrannten Wabenkörper auszulösen und ausreichend zu vollenden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die kohlenstoffhaltige Materie aus einer flüssigen oder festen kohlenstoffhaltigen Materie besteht, die eine Verdampfungs-, Abbau- oder Verdunstungstemperatur unterhalb von ungefähr 600°C aufweist.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei die kohlenstoffhaltige Materie ein Polymerbindemittel, ein Kohlenwasserstofföl oder ein Wachsbindemittel oder Graphit enthält.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die sinterbaren Rohmaterialien ein Gemisch aus Kaolin, Talkum, Aluminiumoxid und anderen Cordierit bildenden Materialien umfassen, jedes der Rohmaterialien in einer effektiven Menge enthalten ist, welche in Verbindung mit den anderen Rohmaterialien darin geeignet ist, einen gebrannten Wabenkörper zu ergeben, dessen vorherrschende Kristallphase Cordierit ist.
Tunnelofen (10) zum Brennen von keramischen Wabenstrukturkörpern mit einem Vorraumbereich (12), einem Abgabebereich (14) für kohlenstoffhaltige Materie, welcher mehrere Entzugszonen (Z1–Z11) aufweist und stromab des Vorraumbereichs angeordnet ist, einem Sinterbereich (16), der stromab des Abgabebereichs für kohlenstoffhaltige Materie angeordnet ist, und einer Abgasabfuhranlage (18), die betriebsbereit mit den Entzugszonen des Abgabebereichs in Verbindung steht, um abgegebene kohlenstoffhaltige Materie zu entfernen, wobei die Abgasabfuhranlage mindestens eine Ableitungsöffnung (20) aufweist, die oben in der Decke des Tunnelofens innerhalb jeder Entzugszone zum Entfernen abgegebener kohlenstoffhaltiger Materie angeordnet ist, die Ableitungsöffnungen betriebsbereit mit einer sekundären Sammelleitung (22) in Verbindung stehen, und wobei jede sekundäre Sammelleitung betriebsbereit mit einer Hauptsammelleitung (24) in Verbindung steht; wobei die Abgasabfuhranlage außerdem eine Leitungs-Reaktionsunterdrückungseinrichtung enthält, die eine Temperaturüberwachungseinrichtung und eine Einrichtung zum Einbringen von sauerstoffarmem Gas in die Hauptsammelleitung und die sekundäre Sammelleitung bei Temperaturen oberhalb einer vorher festgelegten Temperatur aufweist.
Tunnelofen nach Anspruch 7, wobei jede sekundäre Sammelleitung mit einem sekundären Klappenventil zum Steuern der Menge der abgegebenen kohlenstoffhaltigen Materie versehen ist, die durch jede sekundäre Sammelleitung entfernt wird.
Tunnelofen nach Anspruch 7 oder 8, wobei die Hauptsammelleitung mit einem Hauptklappenventil zum Steuern der Gesamtmenge der abgegebenen kohlenstoffhaltigen Materie versehen ist, die aus der Brennatmosphäre entfernt wird.
Tunnelofen nach Anspruch 9, wobei das Hauptklappenventil zum Unterdrücken des Entfernens der kohlenstoffhaltigen Materie schließbar ist.
Tunnelofen nach einem der Ansprüche 7 bis 10, wobei die Hauptsammelleitung betriebsbereit mit einem Abgasgebläse verbunden ist.
Tunnelofen nach Anspruch 11, wobei die Reaktionsunterdrückungseinrichtung mit der Hauptsammelleitung an einer Stelle zwischen dem Abgasgebläse und dem Anschluss in Verbindung steht, wo die Hauptsammelleitung und die Sekundärsammelleitung verbunden sind.
Tunnelofen nach einem der Ansprüche 7 bis 10, wobei das sauerstoffarme Gas Stickstoff oder ein CO₂-angereichertes Gas ist.