Innovative Wärmebehandlung von Keramik mit „low ... - Riedhammer

420 KERAMISCHE ZEITSCHRIFT 6-2008
AUS FORSCHUNG UND TECHNIK
F.H. Becker, A. Hajduk
Innovative Wärmebehandlung von Keramik mit
„low-O2“-Technologie
Dipl.-Ing. Andreas Hajduk
hat sein Studium im Fachbereich
Feinwerktechnik an der
Georg Simon Ohm FH in Nürnberg
im Jahre 1992 absolviert.
Seinen beruflichen Werdegang
im Bereich Anlagenbau für die
keramische Industrie begann er im Jahre 1996 bei
der Firma Riedhammer GmbH. Bis heute hat er die
Positionen Versuchs- und Entwicklungsingenieur,
Projektleiter und Vertriebsmanager begleitet. Zusätzlich
übernahm er vor kurzem die Verantwortung
für das Riedhammer Labor.
Dipl.-Ing. Friedherz H. Becker
studierte Nichtmetallisch
Anorganische Werkstoffe und
Thermische Verfahrenstechnik
an der TU Clausthal. Seit 1974
ist er bei der Firma Riedhammer
beschäftigt und zuständig
für den Bereich Forschung und Entwicklung und
seit 2003 ist er ehrenamtlicher Vorsitzender der
Forschungsgemeinschaft Industrieofenbau e.V.
(FOGI).
KURZFASSUNG Moderne Formgebungsverfahren
in der Keramik benötigen organische Binder oder
Polymere, die im weiteren Verlauf der Herstellung
durch thermische Behandlung im Entbinderungsprozess
entfernt werden müssen. Es empfiehlt sich, diesen
Entbinderungsprozess mit dem des Sinterns ohne
zeitliche und örtliche Unterbrechung nacheinander
in der gleichen Anlage durchzuführen. Man
verhindert Umsetzungsschäden am Brenngut und
erspart sich Produktionszeitverluste.
Bereits beim Entbindern finden verschiedene Umwandlungsprozesse
statt, die unterschiedliche Zersetzungsprodukte
freisetzen. Sie müssen im Vorfeld
bestimmt werden, um den Entbinderungsprozess mit
optimierten Sauerstoffgehalt zu regeln und sicher
durchzuführen. Man verkürzt damit das gesamte
thermische Verfahren, wodurch Platzbedarf, Anlagengröße
und Investitionskosten minimiert werden.
Bewährt haben sich je nach Produktionskapazität
intermittierend und kontinuierlich betriebene Ofenanlagen.
In den beiden Anlagentypen integriert man
thermische Nachverbrennungseinrichtungen, die eine
saubere Oxidation aller im Prozess auftretenden
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unverbrannten Gase gewährleisten, womit sich nur
geringe Umweltbelastungen ergeben. Die heißen
und sauberen Verbrennungsprodukte aus der TNV
werden zum Ofen zurückgeführt, dort erhöhen sie
den Wärmeübergang und die Temperaturgleichmäßigkeit.
Die Atmosphärenstabilität, gekennzeichnet
durch die Konstanz der Sauerstoffkonzentration, erzielt
man durch die „low-O2“-Regelung. Produktqualitätsverbesserung
und Energieverbrauchsminderung
sind die erfreulichen Resultate.
ABSTRACT Innovative Heat Treatment of Ceramics
by Using “low-O2“-Technology Modern shaping processes in the ceramics production
require organic binders or polymers to be removed
again in the later course of the production process
by thermal treatment during the debinding
phase. It is advisable to realise the debinding process
together with the sintering process one after the
other in the same plant without time interruption or
material transfer to avoid production time losses as
well as transfer damages to the material to be fired.
Already during the debinding phase various transformation
processes take place in the course of which
different decomposition products are set free. It is
necessary to determine these products in advance to
permit the control of a safe debinding process with
optimised oxygen content. That way the total duration
of the thermal treatment is reduced and consequently
a minimisation of the space requirement,
plant size and investment costs can be achieved.
Depending on the production capacity intermittently
and continuously operated kiln plants have been
used successfully for this application. Both kiln types
can be equipped with integrated thermal postcombustion
systems ensuring a clean oxidation of all
unburnt gases produced during the process, thereby
minimizing environmental load. The hot and clean
combustion products of the thermal postcombustion
system are led back to the kiln where they improve
the heat transfer and the temperature uniformity.
The atmosphere stability marked by the constancy of
the oxygen concentration is obtained by the ”low
O2“ control. An improved product quality as well as a
reduced energy consumption are welcome results.
STICHWÖRTER Plastifizierer, PVA, PEG, Entbinderung,
„Low-O2“-Technologie, Wärmebehandlung
Keram. Z. 60 (2008) [6]
1 Einleitung
Moderne keramische Werkstoffe erfordern
moderne Herstellungsverfahren. Diese Forderung
zielt insbesondere auf weitere Verbesserung
der Mikro- und Makrostruktur,
zum Teil auf eine sehr komplizierte Geometrie
sowie auf verlängerte Lebensdauer.
Die notwendigen Formgebungsverfahren
bedingen eine ausreichende Plastifizierung
des keramischen Rohmaterials [1]. Die traditionellen
plastischen Rohstoffe wie z. B. Tone
und Lehm erfüllen oftmals nicht die hohen
Anforderungen der technischen keramischen
Industrie an die notwendige Reinheit der
Materialien, um die gewünschten Eigenschaften
des fertigen Produkts zu erreichen.
Synthetische reine Rohmaterialien, genauso
wie Feldspat oder Quarz, müssen als unplastisch
klassifiziert werden. Dennoch können
sie in plastischen Formgebungsverfahren
verwendet werden, wenn sie mit
plastischen Rohmaterialien oder mit organischen
Substanzen gemischt werden. Diese
organischen Substanzen sind Polymere oder
Binder.
2 Einsatz von Bindern und ihre
Zersetzungsprodukte [2]
Der Gebrauch von Polymeren variiert entsprechend
der keramischen Prozessmethode.
Man mischt sie in verschiedenen Konzentrationen
Suspensionen bei, die zum Schlickergießen
oder Sprühtrocknen verwendet
werden. Sie werden eingesetzt als Binder, als
Plastifizierungsmittel, als Gleithilfsmittel
oder als Verflüssiger.
Binder verwendet man in Schlickergießverfahren
oder während des Pressens, da sie
dem Grünling durch das Aneinanderkleben
von Partikeln an deren Grenzflächen die benötigte
Festigkeit geben. Für gewöhnlich
werden Binder zur Anwendung gebracht, die
auf Polyvinylalkoholen (PVA), Polyacrylaten
oder Zellulose basieren.
Hochpolymere Bestandteile wie Zellulose
und Polysaccharide dienen als Plastifizierungsmittel.
Während des Strangpressens er-

möglichen diese die Fließfähigkeit keramischer
Massen, sie können aber auch eine
Binderfunktion erfüllen.
Gleitmittel sind organische Hilfsmittel, deren
Funktionsweise auf der Interaktion ihrer
hydrophilen Gruppen basiert, also den Sauerstoffatomen
der Äthergruppe -C-O-C- und
den an der Oberfläche befindlichen H + -Ionen
der Me-OH-Gruppen. Als Resultat entstehen
gleichgeladene Teilchen, die leicht aneinander
vorbeigleiten können. Während des Trockenpressens
kann, durch die so verbesserte
Spannungsübertragung, eine höhere Gründichte
erreicht werden. Ein typisches Gleitmittel
ist Polyethylenglycol (PEG).
Als Dispersionshilfsmittel, als Stabilisatoren
und als Verflüssiger für Gießschlicker
werden kurzkettige Säuren von Polyacrylen
genutzt (PAA).
Die genannten organischen Zusätze müssen
vor dem eigentlichen Sinterprozess möglichst
gleichmäßig und vollständig aus dem
Scherben herausgetrieben werden, weil Kohlenstoffrückstände
sowohl einen negativen
Einfluss auf den Sinterprozess, als auch auf
die Qualität des Endprodukts haben können.
Die Temperaturen für den Entbinderungsprozess
variieren zwischen ca. 150–500 °C.
Man kann ihn in drei Schritte unterteilen:
• thermische Zersetzung der organischen
Zusätze
• Diffusion der Gase durch die Werkstoffporen
in den Ofenraum
• Oxidation dieser Gase im Ofenraum und
im keramischen Scherben.
Die Geschwindigkeit der Spaltung der Polymere
sollte die Diffusionsgeschwindigkeit der
Pyrolyseprodukte im Körper nicht überschreiten,
da es sonst zu einer Drucküberhöhung
der gasförmigen Pyrolyseprodukte kommen
könnte, die zu Rissen und zur Zerstörung des
Körpers führen würden. Förderlich für den
Entbinderungsprozess ist eine einheitliche
Körnungsgröße; allerdings wirken Agglomerate
oder Bereiche hoher Dichte verlangsamend.
Die Verwendung von feinem Pulver beschleunigt
die Sinterungsgeschwindigkeit, verringert
Tabelle 1 • Zerfallsbereiche von Polymeren
Organische
Substanz
Spaltungsbereich / °C
PVA 200–300
PEG 150–250
PAA 250–350
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aber die Geschwindigkeit der
Entbinderung.
Im Produktionsverfahren
kann sich die gesamte thermische
Behandlung bis zu 80 h
hinziehen, wobei der Entbinderungsprozess
im Zeit rahmen bis
40 h abläuft. Lange Brennzeit
bedeutet einen hohen Energie-
und Platzbedarf, Faktoren, die
zu hohen Investitions- und Betriebskosten
führen und des halb
auf ein mögliches Minimum reduziert
werden sollten.
3 Analyse der
Entbinderungsprozesse
Einen Überblick über den
Temperaturbereich, in dem die
Zerfallsreaktionen stattfinden,
gibt die Tabelle 1. Allerdings ist
zu beachten, dass verschiedene
keramische Stoffe unterschiedliche
katalytische Effekte auf den Temperaturverlauf
der Zerfallsreaktionen von Polymeren
haben. Al 2O3 z. B. steigert den Zerfallsprozess
der Polymerketten, so dass hier
die Reaktionen bei tieferen Temperaturen
ablaufen [3].
Die eingesetzten organischen Zusätze PVA,
PEG und PAA zerfallen während der Entbinderung
in verschiedenste chemische Verbindungen,
die in den Tabellen 2–4 festgehalten
sind [4].
Die ablaufenden thermischen Reaktionen
eines Probekörpers aus der industriellen Anwendung
lassen sich sehr deutlich an den
Diagrammen der Differential-Thermoanalyse
(DTA) (Bild 1) verfolgen. Während die organischen
Zerfallsprodukte aus dem Brenngut
entweichen, laufen zum Teil sehr ausgeprägte
exotherme und endotherme Reaktionen
ab. Der kritische Temperaturbereich liegt dabei
in den meisten Fällen zwischen 150 °C
und 400 °C. Untersucht man den Einfluss
des Sauerstoffgehaltes auf die Intensität dieser
Reaktionen, so stellt man fest, dass sie
durch die Ofenatmosphäre beeinflusst werden
können. Im theoretischen Ansatz hat
man damit ein Werkzeug gewonnen, das
Produkt mit maximal möglicher Geschwindigkeit
ohne Qualitätsverlust zu entbindern.
Im vorliegenden Fall bietet es sich an, den
Entbinderungsprozess durch eine „low-O 2“-
Einstellung zu beschleunigen und energetisch
günstig zu gestalten.
Bild 1 • Differentialthermoanalyse
KERAMISCHE ZEITSCHRIFT 6-2008
Bild 2 • Verbrennungsdiagramm für russisches Erdgas
4 Ofenanlagen mit „low-O 2“-Technologie
421
Abhängig u. a. von der Produktionskapazität
kommen für große Produktionsmengen
kontinuierlich betriebene Öfen zum Einsatz,
nämlich Tunnelöfen als Rollen-, Plattendurchschub-,
Tunnelöfen mit Wagenförderung
und Drehrohröfen; für kleine Produktionsmengen
sind intermittierend betriebene
Öfen einzusetzen, wie Herdwagen-, Hauben-,
Elevator- und Kammeröfen.
Die „low-O 2“-Technologie ist im weitesten
Sinne für alle genannten Öfen einsetzbar.
Das Grundprinzip der „low-O 2“-Technik beinhaltet
die notwendige Atmosphärenregelung
in einem Ofen oder in Ofenbereichen,
die zum Stand der Technik gehört. Wenn
die gewünschten Eigenschaften des Fertigproduktes
nicht durch besondere Brennatmospärenbedingungen
beeinflusst werden,
sollte eine Verbrennung aus energetischen
Gründen immer unter stöchiometrischen
Bedingungen stattfinden, d. h. vollständige
Verbrennung des Brennstoffs mit geringstem
Sauerstoffgehalt. Bild 2 zeigt das Verbrennungsdiagram
für russisches Erdgas,
aus dem zu entnehmen ist, dass z. B. eine
Abweichung des Sauerstoffgehalts in der
Brennatmosphäre vom stöchiometrischen
Verbrennungspunkt um 5 % eine Erhöhung
des Abgasvolumens von ca. 32 % bedeutet
und der Energieverbrauch um diesen Betrag
steigen wird.

422 KERAMISCHE ZEITSCHRIFT 6-2008
Besondere Brennatmosphärenbedingungen
sind beispielsweise im Schnellbrand
beim Hartporzellan-Glattbrand notwendig.
Schnellbrand heißt hier, den gesamten
Brennprozess einschließlich der Kühlung in
4–8 h durchzuführen. Die gewünschte Farbe
und damit Qualität das Porzellanscherbens
wird durch eine nahstöchiometrische aber
reduzierende Brennatmosphäre (Luftfaktor
�≈0,95) im Temperaturbereich zwischen ca.
1100 °C und der Maximaltemperatur von ca.
1400 °C eingestellt und überwacht. Ähnlich
wird die Qualität von Elektroporzellan, wie
z. B. Hochspannungsisolatoren beeinflusst.
Zur thermischen Behandlung von Schüttgütern
unter bestimmten sauerstoffarmen Bedingungen
können auch indirekt beheizte
Drehrohröfen eingesetzt werden, die mit
Spezialdichtungen ausgerüstet sind (Bild 3)
und deren Brennraum über entsprechende
Lanzentechnik mit z. B. Inertgasen gespült
wird.
Bild 3 • Indirekt beheizter Drehrohrofen mit Atmosphärensteuerung
Wenn größere Produktionskapazitäten von
Weichferriten benötigt werden, kommen
elektrisch beheizte, gasdichte Rollenöfen
und insbesondere gasdichte Platten schuböfen
zum Einsatz.
Die magnetischen Eigenschaften von
Weichferriten werden durch einen zum Teil
sehr schnellen Wechsel von fast atmosphärischen
Bedingungen in Sauerstoffbereiche bis
zu 30 ppm erzielt. Dieser Atmosphärenwechsel
ist in den letzten Abschnitten der Temperaturkurve
zwischen Haltezeit bei Maximaltemperatur
bis unterhalb der Curietemperatur
notwendig. Je nach Produkt sind aber
bereits in der Aufheizphase unterschiedliche
Sauerstoffgehalte einzuhalten.
Rollenöfen und Plattenschuböfen werden
auch bei der Herstellung anderer Elektronikkeramiken
und keramischer Dieselpartikelfilter
eingesetzt.
Wenn kleinere Produktionskapazitäten
von Weichferriten benötigt werden, reichen
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Bild 4 • Zwei elektrisch beheizte,
gasdichte Hau ben öfen
intermittierend betriebene
Ofenanlagen aus. Das meist
verwendete Aggregat für diese
Produktion ist der elektrisch
beheizte, gasdichte Haubenofen
(Bild 4), in dem auch die
o. g. geringen Sauerstoffwerte
erreicht werden.
Als weiteres Beispiel für die
Vielzahl bekannter Anwendungen einer thermischen
Behandlung mit niedrigem Sauerstoffgehalt
sei die Herstellung von Kunstkohle
genannt. Der Abbrand von Kohlenstoff
kann nur verhindert werden, wenn kein Sauerstoff
und nach dem Boudouard’schen
Gleichgewicht kein CO 2-Gas während des Prozesses
mit der Kunstkohle in Berührung
kommt. Als eine typische Produktionsanlage
kann hier der Tiefofen zur Herstellung von
Anoden und Kathoden genannt werden. Diese
„quasi kontinuierliche“ Anlage besteht aus
einzelnen Kammern, die mit Produkt gefüllt
werden. Zwischen dem Produkt befinden
sich Kanäle aus keramischen Kassettensteinen.
Eine Brennerbühne „wandert“ im periodischen
Abstand von 26–32 h von einer
Kammer zur nächsten. Ihre Brenner erzeugen
Abgase, die durch die Kanäle geführt
werden und so für den indirekten Wärmeübergang
sorgen. Vor dem Schließen jeder
Kammer wird das Produkt allseitig in Koks
eingepackt, um den Sauerstoffzutritt sicher
zu verhindern.
5 Die neue „low-O 2“-Technologie
Die neue „low-O2“-Technologie für innovative
Wärmebehandlungsanlagen mit integriertem
Entbinderungsprozess unterscheidet
sich im Wesentlichen in verfahrenstechnischer
Hinsicht von den beschriebenen Anlagen.
Die neue „low-O 2“-Technologie ist eine
thermische Verfahrenstechnik, mit der bei
nahstöchiometrischer Verbrennung die kürzeste,
energetisch günstigste thermische Behandlung
von keramischen Produkten bester
Qualität erzielt wird. Als wichtigste Regelgröße
ist die bei Betrachtung des Entbinderungsprozesses
herzuleitende Abhängigkeit
dieses Prozesses vom Sauerstoffgehalt und
der Reaktionsintensität einzusetzen.
Auch wenn die Konzentrationen der gasförmigen
Entbinderungsprodukte in allen
bisher bekannten Fällen im ungefährdeten
ppm-Bereich liegen, ist für die neue „low-
O 2“-Technologie die Kenntnis der Entbinderungsreaktionen
und die Berechnung der
möglichen Konzentrationen während des
Entbinderungsprozesses notwendig, um Deflagrationen
vorzubeugen.
Wie die Tabellen 1–3 zeigen wird beim
Entbinderungsprozess vorwiegend Formaldehyd
– auch Methanal genannt – freigesetzt.
Die Gase sind in einem Gas-Luftgemisch
mit 7 % – das ist die untere Explosionsgrenze
(UEG) – bis zur oberen Explosionsgrenze
(OEG) mit 73 % explosiv. Die folgende Explosionsschutzbetrachtung
bezieht sich beispielhaft
auf das ternäre System Methanal, Stickstoff
und Luft (Bild 5).
Die drei Achsen mit einer Skaleneinteilung
von jeweils 0–100 % definieren mit den jeweiligen
Eckpunkten den Ausgangszustand
einer reinen Komponente. Um Punkte im
Dreistoffsystem eindeutig den prozentualen
Anteilen zuzuordnen, werden die Bezugsachsen
parallel verschoben, bis sie den gesuchten
Konzentrationspunkt treffen. Die drei
Konzentrationsanteile der Stoffe müssen zusammen
immer 100 % ergeben. Zur Konzentrationsermittlung
eines Punktes reicht die
Tabelle 2 • Pyrolyseprodukte von PVA
Pyrolyseprodukte Summenformel
Formaldehyd CH2O
Acetaldehyd CH3CHO
Cotonaldehyde C4H6O
Benzen C6H6
Phenol C6H5OH
Benzaldehyd C7H6O
Toluen C7H8
Styrol C8H8
Cresol C 7H 8O
Benzofuran C8H6O
Naphthalin C10H 8

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KERAMISCHE ZEITSCHRIFT 6-2008 -- Licensed for DVS Media GmbH --
graphische Bestimmung der Anteile zweier
Komponenten, die dritte ergibt sich dann
rechnerisch. Die (UEG) gibt den minimalen,
für eine Explosion erforderlichen Anteil an
brennbarem Gas im Stoffgemisch an. Unter
der UEG ist keine Explosion möglich, da der
brennbare Stoff in zu geringer Konzentration
vorliegt. Die (OEG) gibt den für eine Zündung
maximal möglichen Anteil an Brennstoffen
im Stoffgemisch an. Über die OEG ist ebenfalls
keine Explosion mehr möglich, da der
Oxidator, meistens Sauerstoff, in zu geringen
Mengen vorhanden ist. Zwischen der UEG
und der OEG ist beim Vorhandensein einer
Zündquelle eine Explosion zu erwarten. Die
Grenzen sind in Bild 5 eingezeichnet.
Die UEG und OEG können mit entsprechenden
Formeln errechnet werden [9]. Um nun
einen Explosionsbereich festzulegen, wird
noch ein dritter, den Explosionsbereich eingrenzender
Punkt benötigt. Er wird mit den
gleichen Formeln zur Bestimmung der UEG
und OEG, durch Variation der Sauerstoffanteile
berechnet und stellt den Schnittpunkt der
Linie der stöchiometrischen Verbrennung mit
der des zur Reaktion geringsten Sauerstoffanteils
dar. In Bild 5 ist der Explosionsbereich
durch das Gebiet 1 gekennzeichnet.
Da der Übergang von nicht explosiver Mischung
zum explosiven Bereich sehr rasch
möglich ist, fügt man quasi als Begrenzung eines
Übergangsbereichs die Limit-Air-Concentration
(LAC)-Linie ein, die mit der LOC (Limiting-
Oxygen-Concentration) durch die Beziehung
LOC = 0,209 × LAC
verknüpft ist. Jedes Gemisch, das rechts der
LOC liegt, ist nicht zündbar und auch relativ explosionssicher.
Doch da bei hohen Methanalanteilen
ein geringer Sauerstoffeinbruch
schon eine Explosion hervorrufen kann, wird
Tabelle 3 • Pyrolyseprodukte von PEG
Pyrolyseprodukte Summenformel
Formaldehyd CH2O
Acetaldehyd CH3CHO
Valeraldehyd C5H 10O
Mono-, Di- and
Trimer des
Äthen- Glykols
C 2H4(OH)2
Methyl-1,3-Dioxolan C 4H 6O 3
Benzen C6H6
dieser Bereich durch die Linie ICR (inert gas–
combustion gas–rate) noch weiter eingeschränkt.
Diese Gerade hat ihren Ursprung bei
einer Konzentration von 100 % Luft und verläuft
durch den Endpunkt des Explosionsbereiches.
Der so ermittelte Bereich, begrenzt durch
die LAC- und ICR-Linien kann nun als inert und
damit als sicher, eingestuft werden. Alle anderen
Bereiche müssen als explosionsgefährdet
betrachtet und somit gemieden werden.
In Vorversuchen hat man wie oben beschrieben
die einzelnen Entbinderungskomponenten
zu bestimmen und auch ihre möglichen
Konzentrationen über den gesamten
Entbinderungsprozess. Für jede Komponente
ist dann ein Explosionsdiagramm nach Bild 5
aufzustellen, wenn die gemessenen Konzentrationen
oberhalb der ICR-Linie liegen. Da
bei den bisherigen Prozessen die gemessenen
Konzentrationen immer im niedrigen
ppm-Bereich liegen, also weit unterhalb der
ICR-Linie, besteht auch keine Explosionsgefahr.
Es reicht zur Überwachung eine verlässliche
Sauerstoffmessung.
6 Periodische Ofenanlagen mit neuer
„low-O 2“-Technologie
Ofenanlagen der innovativen Technologie
müssen, um markt- und produktgerecht zu
sein, die folgenden Merkmale besitzen:
Bild 5 • Dreistoffsystem Methanal-Stickstoff-Luft Bild 6 • Schema einer Herdwagenofenanlage mit „low-O2“-Technologie
Tabelle 4 • Pyrolyseprodukte von PAA
Pyrolyseprodukte Summenformel
Formaldehyd CH2O
Acetaldehyd CH3CHO
Aceton C3H 6O
2-Butanon C4H8O
Benzen C6H 6
Xylen C 8H 10
Phenol C6H5OH
Cresol C7H 8O
• periodische und kontinuierliche Produktionsmethoden,
passend zu den geforderten
Kapazitäten
• Entbindern und Sintern in einem Brand
bzw. in einer Anlage
• keine gasdichten Anlagen, sondern dem
Standard und den Prinzipien der Herdwagen-
bzw. Tunnelöfen entsprechend, um
auf Bewährtes zurückzugreifen und um Investitionskosten
zu minimieren;
• Brennstoffbeheizung, aus verfahrenstechnischen
und aus Betriebskostengründen
• präzise Atmosphärenregelung im besonderen
während der Entbinderung unter Berücksichtigung
der Explosionsschutzregeln
• hoher und gleichmäßiger Wärmeübergang
bei produktschonender Binderentgasung
• Verwendung einer thermischen Nachverbrennung
des Binders zur Reduzierung des
Energieverbrauchs zur Vermeidung von
Umweltschäden
• sicherer Betrieb im explosionsungefährdeten
Bereich.
Der schematische Aufbau einer periodisch
betriebenen Ofenanlage nach der neuen
„low-O 2“-Technologie ist dem Bild 6 zu entnehmen.
Die thermische Nachverbrennung
(TNV) muss brennstoffbeheizt sein, um während
des Gesamtprozesses den Sauerstoffgehalt
im System zu steuern. Sie ist von ihrer
Baugröße so zu dimensionieren, dass eine
ausreichende Verweilzeit
der Kohlenwasserstoffe zu
deren Oxidation verbleibt.
Der zum System gehörende
Wärmetauscher kann
mit Luft oder mit Wasser
als Kühlmedium betrieben
werden. Der hohe Wärmeübergang
des Wasserbetriebs
lässt die oftmals
erwünschten kleinen Bau-

größen von Wärmetauschern zu. Der verfahrenstechnische
Ablauf beginnt nach der Beladung
und Beschickung des Ofens mit dem
vorgeschriebenen Spülvorgang der Gesamtanlage.
Es folgt das Aufheizen der TNV auf
eine Temperatur, bei der sichergestellt ist,
dass alle Kohlenwasserstoffe, die bei der im
nächsten Schritt beginnenden Entbinderung
entstehen, vollständig oxidiert werden. Die
Atmosphäre in der TNV wird auf ihren Sauerstoffgehalt
kontinuierlich überprüft und gesteuert.
Die Abgase aus der TNV leitet man
über den Wärmetauscher zum überwiegenden
Teil zurück zur Ofenanlage. Die hohe
Abgasumwälzung und die entsprechende
Brennerleistung bewirken eine zügige Sauerstoffkonzentrationsanpassung
im System an
den gewünschten „low-O 2“-Wert. Während
des gesamten Prozesses wird entsprechend
dem zugehörigen Dreikomponentendiagramm
der Sauerstoffgehalt zuverlässig über
Sauerstoffmesseinrichtungen unterhalb des
Explosionsbereichs eingehalten.
Das Aufheizprogramm für den Entbinderungsprozess
im Ofen wird mit der Abgasumwälzung
realisiert. Mit den beschriebenen
Betrachtungen und notwendigen Untersuchungen,
die im Vorfeld eine Analyse des
Entbinderungsprozesses ermöglicht haben,
kann ein angepasstes Temperatur-Zeit-Profil
abgefahren werden.
Wie bereits erwähnt, liegen die Konzentrationen
von Entbinderungsgasen weit unterhalb
der Explosionsgrenzen, also innerhalb des Bereichs
3 im Dreiphasendiagramm des Bildes 5,
so dass bei jeder möglichen Sauerstoffkonzentration
keine Explosionsgefahren während des
Entbinderungsprozesses bestehen.
Der Enbinderungsprozess ist abgeschlossen,
wenn der O 2-Gehalt im System dem der
Gas-Luftverhältnisseinstellung der TNV-Brenner
entspricht. Es schalten sich temperaturgeregelt
die Hauptbrenner des Ofens für den
geregelten Sinterprozess ein und mit einer
bestimmten Zeitverzögerung die Brenner der
Bild 7 • Herdwagenofenanlage mit „low-O 2“-Technologie
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TNV aus. Die beschriebene Ofenanlage wird
in Bild 7 gezeigt.
7 Kontinuierlich betriebene Ofenanlagen
mit neuer „low-O 2“-Technologie
Aus wärmetechnischer Sicht handelt es
sich bei den klassisch betriebenen Tunnelöfen
um zwei hintereinander geschaltete
Wärmetauscher, bei denen zum einen die
heißen Abgase aus den Brennern im Gegenstrom
zur Ware von der Brennzone über die
Vorwärmzone zum Ofeneinlauf strömen,
hierbei ihre Enthalpie an das Brenngut abgeben
und sich selbst dabei abkühlen. Zum
anderen strömt in der Kühlzone die Kühlluft,
die am Ofenauslauf eingeblasen wird, ebenfalls
im Gegenstrom zur Ware in Richtung
Brennzone, kühlt das Brenngut und erwärmt
sich dabei.
Für die „low-O 2“-Technologie ist der Ofenanlage
eine Entbinderungszone vorgeschaltet,
in der die Gase im Gleichstrom zur Ware
strömen. Dadurch werden die kohlenwasserstoffbeladenen
Gase im steigenden Temperaturprofil
geführt, so dass sie bei entsprechend
niedriger Sauerstoffkonzentration
zum großen Teil bereits in dieser Zone
verbrennen. Die Gase strömen zur TNV über
den Kamin, der zwischen Entbinderung-
und Vorwärmzone installiert ist. In der TNV
werden durch eine geregelte thermische
Behandlung eventuell noch vorhandene
Restkohlenwasserstoffe sauber verbrannt.
Auch Kondensate können sich wegen der
hohen Temperatur in der Abgasrohrleitung
nicht ablagern. Die reinen Abgase aus der
thermischen Nachverbrennung werden zurück
zum Ofen geleitet und dienen mit Unterstützung
von Spezialbrennern zur direkten
Beheizung der Entbinderungszone. Mit
diesen Brennern, die als Injektoren für die
Gase aus der TNV wirken, wird sowohl die
Temperatur in den Entbinderungsbereichen
der Anlage als auch die Sauerstoffatmosphäre
in diesen Zonen geregelt.
Die Sauerstoffmessung
mit der einbezogenen
Regelung garantiert während
des gesamten
Prozesses konstante „low-
O 2“- Atmo sphären ver hältnisse.
Das System gewährleistet
einen sicheren Betrieb
außerhalb der
Explosionsgrenzen. Die hohen
Gasumwälzmengen im
KERAMISCHE ZEITSCHRIFT 6-2008
425
Bild 8 • Schema einer Entbinderungszone für einen
Tunnelofen
Ofenkanal bewirken gute Temperaturgleichmäßigkeiten
und konstante Atmosphärenkonzentrationen.
Das beschriebene und in Bild 8 schematisch
dargestellte Grundprinzip des Entbinderungssystems
ist inzwischen bewährt. Es
zeichnet sich durch geringen Energieverbrauch,
sichere Betriebsweise und niedrige
Abgasverluste bei minimalen Umweltbelastungen
aus, die sich auf die bei der Verbrennung
von fossilen Brennstoffen nicht zu vermeidenden
CO 2-Bestandteile beschränken.
Mit Tunnelöfen, die auf diesem Prinzip
basieren, konnte der Gesamtprozess der
thermischen Behandlung im Vergleich zu
der bis dato üblichen Technik auf 50 % bis
70 % der Zeit verkürzt werden. Entsprechend
kleinere Anlagenabmessungen mit den Einsparungen
des Platzbedarfs und den geringeren
Investitionskosten sind die weiteren
herausragenden Vorteile.
Literatur
[1] Locher, C., Pfaff, E., Schulz, P., Zografou, C.:
Untersuchungen zum Ausbrennen organischer
Substanzen im keramischen Scherben.
Keram. Z. 34 (1982) [7] 361–364
[2] Becker, F.: Debinding processes –physical
and chemical conclusions and their practical
realisations. cfi 83 (2006) [5] E2–E13
[3] Ferrato, M., Cartier, T., Baumard, J.F., Coudamy,
G.: Der Bindemittelabgang in keramischen
Scherben. cfi/Ber. DKG 71 (1994)
[1/2] 8–12
[4] Ziegler, G., Willert-Porada, M.: Schadstoffreduzierung
durch Prozessoptimierung bei
der thermischen Zersetzung organischer
Additivsysteme für die keramische Formgebung
unter Einbeziehung der Mikrowelleneinkopplung.
Report to research project no.
12068 N
[5] Fuß, O.: Ermittlung und Berechnung der
Sauerstoffgrenzreaktion von brennbaren
Gasen. Dissertation des Fachbereichs Chemie,
Universität Duisburg-Essen, Mai 2004
Eingegangen: 17.11.2008