DE2735464A1 - Kontinuierliches extrusionsverfahren zum herstellen von keramischen honigwabenstrukturen - Google Patents
Kontinuierliches extrusionsverfahren zum herstellen von keramischen honigwabenstrukturenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein kontinuierliches Extrusionsverfahren
zum Herstellen von keramischen Honigwabenstrukturen mit Hilfe einerVakuun-Schneckenextrusionsmaschine, bei dem kontinuierlich
eine keramische Rohmaterialmasse durch ein Extrusionsformwerkzeug an der Maschine gedrückt wird.
Das Herstellen von keramischen Honigwabenstrukturen zum Einsatz als Katalysatorträger für Vorrichtungen zum Reinigen der
Abgase von Verbrennungskraftmaschinen, verschiedenen Fabrikationsbetrieben, Wärmekraftwerken und dgl. oder von verschiedenen
chemischen Industrieanlagen durch Extrusion von extrudierbaren plastischen Rohmaterialmassen erfolgte bislang mit Hilfe einer
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Kolbenextrusionsmaschine.
Dieses Verfahren hat jedoch den Nachteil, dass es intermittierend abläuft und sich daher nicht für eine Massenproduktion eignet.
Des weiteren ist der Austausch von Massen durch frische als auch deren Entlüftung kompliziert. Um gute extrudierte
Erzeugnisse zu erhalten, muss die Temperatur der Rohmaterialmasse im wesentlichen gleich der Temperatur des Extrusionszylinders
sein, in den die extrudierbare Masse eingegeben wird. In der Praxis ist die Wärmeleitfähigkeit der extrudierbaren Masse anders
als die Wärmeleitfähigkeit des metallischen Extrusionszylinders. Eine geringe Temperaturänderung bedingt daher ein Abweichen von
den optimalen Extrusionsbedingungen,und ferner besteht die Gefahr,
dass die extrudierten Erzeugnisse Risse bilden und brechen. Daher ist die Herstellung von extrudierten Erzeugnissen mit hohem
Ausstoss extrem schwierig.
Andererseits eignet sich ein kontinuierliches Extrusionsverfahren
unter Verwendung einer Vakuum-Schneckenextrusionsmaschine ganz besonders zur Massenfertigung. Bei der Extrusion von Bauteilen,
wie keramische Honigwabenstrukturen mit dünnen Wänden mittels eines Extrusionsformwerkzeuges mit einer kleinen Gesamtdurchgangsfläche
und einem extrem hohen Durchgangswiderstand sind sehr hohe Extrusionsdrücke erforderlich. Daher entsteht zwischen der
Schnecke der Vakuum-Schneckenextrusionsmaschine und der extrudierbaren Rohmaterialmasse eine hohe Reibungswärme, so dass
die Temperatur der durch die Schnecke ausgestossenen Massen im Masseninneren ansteigt und damit die Temperaturverteilung in
der Masse ungleichförmig wird. Folge davon ist, dass sich eine gleichförmige Extrusionsgeschwindigkeit nicht erzielen liess
und damit die Gefahr besteht, dass das extrudierte Erzeugnis Risse bildet und bricht. Daher war es bislang fast unmöglich,
ein qualitativ zufriedenstellendes Erzeugnis nach dem kontinuierlichen Extrusionsverfahren zu fertigen.
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2735A6A - ar-
Ein Ziel der Erfindung ist daher die Schaffung eines kontinuierlichen
Extrusionsverfahrens zum Herstellen von keramischen Honigwabenstrukturen mittels einer Vakuum-Schneckenextrusionsmaschine,
bei dem sämtliche mit den bekannten Vorgehensweisen verbundenen Nachteile beseitigt sind.
Nach zahlreichen Untersuchungen wurde ein kontinuierliches Extrusionsverfahren gefunden, das die Herstellung von qualitativ
hochwertigen keramischen Honigwabenstrukturen mittels einer Vakuum-Schneckenextrusionsmaschine erlaubt.
Erfindungsgemäss wird eine keramische Rohmaterialmasse durch das Extrusionsformwerkzeug der Vakuum-Schneckenextrusionsmaschine
gedruckt, indem die Temperatur am äusseren Umfang der hinter dem Formwerkzeug befindlichen Masse auf einen Wert gehalten
wird, der nicht niedriger als die Temperatur im Inneren der Masse ist.
Vorzugsweise beträgt der Temperaturunterschied zwischen der Temperatur am äusseren Umfang der hinter dem Formwerkzeug befindlichen
Masse und der Temperatur im inneren Bereich der Masse weniger als 100C , vorzugsweise 0,50C bis 5°C, berechnet
auf Basis eines Wertes, der in der Masse an einer Stelle gemessen wird, die vom Formwerkzeug in Richtung auf die Schnecke
in einem Abstand von 40 mm liegt.
Vorzugswelse wird weiter die extrudierbare Materialmasse
durch ein Kühlmedium vorgekühlt, das durch einen Zylinder zirkuliert, der wenigstens die Schnecke der Schneckenextrusionsmaschine
umgibt, wodurch vermieden wird, dass die Temperatur der extrudierbaren Rohmaterialmasse durch die zwischen Schnecke
und Zylinder erzeugte Reibungswärme übermässig gross wird.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert, wobei die Zeichnung eine geschnittene
Ansicht von einer Vakuum-Schneckenextruslonsmaschine
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zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens darstellt.
Die in der Zeichnung gezeigte Vakuum-Schneckenextrusionsmaschine
1 weist eine Schnecke 2 und einen die Schnecke 2 umgebenden Zylinder 3 auf. Wenigstens der Zylinder 3 wird von einem Kühlmedium
4, wie Wasser, eine Lösung aus Wasser und Äthylenalycol oder dgl., gekühlt, um eine extrudierbare Rohmaterialmasse 51,
die unter Druck durch die Schnecke 2 zugeführt wird, und aus Dichroit , Mullit, Aluminiumoxid und dgl. zusammengesetzt
ist, vorzukühlen. Dieses Kühlen ermöglicht nicht nur eine Einstellung der Temperatur der extrudierbaren Rohmaterialmasse
dergestalt, dass die Rohmaterialmasse 5 aufgrund von Reibungswärme nicht übermässig hoch erwärmt wird und das Leistungsvermögen
der Extrusionsmaschine nicht herabgesetzt wird, sondern verhindert auch, dass die sich zwischen der Schnecke 2 und
dem sie umgebenden Zylinder 3 befindliche Masse 51 nach hinten
strömt, so dass eine Extrusion unter hohem Druck möglich ist. Zwischen dem Zylinder 3,der das vordere Ende der Schnecke 2 der
Extrusionsmaschine 1 umgibt, und einem Honigwaben-Extrusionsformwerkzeug
6 ist ein hohler Zylinder 7 mit einem Innendurchmesser angeordnet, der im wesentlichen gleich dem Innendurchmesser
des Zylinders 3 ist. Der hohle Zylinder 7 wird von einem Heizband 8 umgeben, das den äusseren Umfang der Rohmaterialmasse
5 im hohlen Zylinder 7 erwärmt.
Das Heizband 8 steht mit einer automatischen Temperaturregeleinrichtung
9 in Verbindung, die automatisch den durch das Heizband 8 fliessenden elektrischen Strom so steuert, dass die
Temperatur der Masse 5 an einer Stelle A, die im wesentlichen dem äusseren Umfang von einer extrudierten Honigwabenstruktur
12 entspricht und hinter dem Formwerkzeug 6 in einem Abstand von diesem von im wesentlichen 40 mm liegt, nicht niedriger als
die Temperatur der Rohmaterialmasse 5 ist, die sich an einer Stelle B befindet, welche einem zentralen Bereich der Masse
entspricht. Vorzugsweise beträgt der Unterschied zwischen den Temperaturen an den beiden Stellen A und B weniger als 100C und
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liegt insbesondere zwischen 00C und 100C, vorzugsweise 0,50C und
5°C. Um die Temperatur der Rohmaterialmasse 5 an den beiden Stellen A und B zu messen und auf den vorgenannten Temperaturbereich
zu steuern, ist ein Schutzrohr 10 an einer Stelle angeordnet, die von dem Honigwaben-Extrusionsformwerkzeug 6 in
Richtung auf die Schnecke 2 in einem Abstand von etwa 40 mm liegt. Das Schutzrohr 10 erstreckt sich diametral durch den
hohlen Zylinder 7 und ist aus einem diamant- oder stromlinienförmig gestalteten Rohr aus festem Werkstoff, z.B. Stahl, gebildet,
so dass es den Extrusionsdruck der Materialmasse 5 aushalten kann. In dem Schutzrohr 10 ist ein Paar gegenüberliegende
Temperaturmesselemente 11 eingesetzt, die aus einem Paar Thermoelemente, z.B. mit der Paarung Chromel-Alumel/bestehen kämen
und an der Stelle A bzw. B angeordnet sind. Die Thermoelemente messen die Temperatur an den Stellen A und B und erfassen den
Temperaturunterschied zwischen diesen. Die automatische Temperaturregeleinrichtung 9 bringt den herrschenden Temperaturunterschied
auf den vorerwähnten bestimmten Temperaturbereich.
Vorzugsweise wird das Schutzrohr 10 von dem Formwerkzeug 9 in einem Abstand von mehr als 20 mm gehalten, so dass die durch
das Schutzrohr 10 in zwei Hälften aufgeteilte Masse 5 sich wieder zu einem Körper verbinden kann, der dann an der Rückseite
des Formwerkzeuges 6 ankommt.
Es ist nicht immer notwendig, mittels des Heizbandes 8 den äusseren Umfang des hohlen Zylinders 7 zu erwärmen. Vielmehr
kann das Heizband 8 auch in den hohlen Zylinder 7 eingebettet sein. Des weiteren versteht es sich, dass der hohle Zylinder
8 auch durch irgendeine andere Heizeinrichtung anstelle einer elektrischen erwärmt werden kann.
Wie zuvor erwähnt, wird bei dem erfindungsgemässen kontinuierlichen
Extrusionsverfahren eine extrudierbare Rohmaterialmasse, bestehend aus keramischen Pulvern aus Dlchroit, Mullit, Aluminium-
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-AT-
oxid und dgl. , und einem hinzugefügten und damit verkneteten Bindemittel in die Vakuum-Schneckenextrusionsmaschine 1 eingegeben,
wonach durch Unterdruck eine Entlüftung vorgenommen wird. Danach wird die entlüftete Masse unter Druck durch die Schnecke 2 in
den hohlen Zylinder 7 bewegt, wobei wenigstens der die Schnecke 2 umgebende Zylinder 3 gekühlt wird. Die Rohmaterialmasse
5 wird über die Wand des hohlen Zylinders 7 erwärmt, wobei die Wärme vom äusseren Umfang des hohlen Zylinders 7 zum mittleren
Bereich der Masse 5 geleitet wird. Da die Masse 5 kontinuierlich extrudiert wird, ist der aussere Umfang der Masse 5 einer
wesentlich grösseren Erwärmung als deren inneren Bereich ausgesetzt. Daher wird die Temperatur der im hohlen Zylinder 7
befindlichen und in ihrem inneren Bereich aufgrund der Reibungserwärmung durch die Schnecke 2 wesentlich stärker erhitzten
Masse 5 im wesentlichen zu der Temperatur am äusseren Umfang der Masse 5 ausgeglichen.Folglich stellt sich in der Masse 5
eine gleichförmige Temperaturverteilung ein.
Die Masse 5 an der Stelle A wird auf eine Temperatur erwärmt,
die gleich oder etwas höher als die Temperatur der Masse 5 an der Stelle B ist. Mit zunehmender Temperatur wird die Fliessfähigkeit der Masse 5 grosser. Daher 1st die Extrusionsgeschwindigkeit am äusseren Umfang der extrudierten Honigwabenstruktur 12 etwas grosser als an deren inneren Bereich. Die
Honigwabenstruktur 12 wird somit durch das Formwerkzeug 6 dergestalt extrudiert, dass ihre extrudierte Vorderfläche flach oder
leicht konkav wird. Eine Extrusion unter einer derartigen Bedingung ist optimal zur Bildung der keramischen Honigwabenstruktur nach dem kontinuierlichen Extrusionsverfahren. Das erfindungsgemässe Verfahren ist ein Verfahren zum Extrudieren
der Honigwabenstruktur, bei dem diese zuvor einer inneren Druckspannung unterworfen wurde. Diese innere Druckspannung verhindert
die Bildung von Rissen beim nachfolgenden Trocknen und Sintern.
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Im allgemeinen ändert sich die Temperatur der durch den hohlen Zylinder 7 strömenden und an der Stelle B befindlichen Rohmaterialmasse 5 nicht nur in Abhängigkeit von der Temperatur
oder der Menge an der Extrusionsmaschine 1 zugeführter Masse, sondern auch mit der atmosphärischen Aussentemperatür. Ein
optimales Extrusionsergebnis wird dann erhalten, wenn die Temperatur an der Stelle A höher als die Temperatur an der
Stelle B ist, wobei der Temperaturunterschied im Bereich von 00C bis 1O0C, vorzugsweise 0,50C bis 50C, unabhängig von den
vorgenannten Temperaturänderungen liegt.
übersteigt die Temperaturdifferenz den Wert von 100C, so wird
die vordere Fläche der extrudierten Honigwabenstruktur zu einer Ubermässig konkaven Gestalt verformt. Diese Verformung führt
zu einem Verstopfen der Durchgänge in der Honigwabenstruktur und wirkt als Quellen für sog. Vakuumausnehmungen aufgrund der
Entlüftung unter herabgesetztem Druck. Wenn umgekehrt,die Temperatur an der Stelle A niedriger als die Temperatur an der
Stelle B wird,fällt die Extrusionsgeschwindigkeit am äusseren
Umfang der Honigwabenstruktur 12 ab, so dass die extrudierte Frontfläche eine konvexe Form annimmt und das extrudierte Erzeugnis zur Rissbildung und zu einem Brechen neigt.
Daraus folgt, dass es sehr wichtig ist, die Temperatur an der Stelle A der Rohmaterialmasse so zu steuern, dass sie höher als
die Temperatur an der Stelle B ist, wobei der Temperaturunterschied im Bereich von 00C bis 100C liegt.
Selbst wenn die Temperatur an irgendwelchen anderen Stellen der
Rohmaterialmasse 5 als an den Stellen A und B gemessen und
gesteuert wird, kann der gleiche erfindungsgemässe Effekt erzielt werden, vorausgesetzt, der gemessene und umgerechnete
Temperaturunterschied beträgt weniger als 100C. Dabei erfolgt
die Umrechnung auf Basis desjenigen Wertes, der in der Masse gemessen wird, wenn diese sich an der vom Formwerkzeug in einem
Abstand von 40 mm in Richtung auf die Schnecke liegenden Stelle befindet.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines praktischen Beispiels weiter erläutert.
3 Gewichtsteile einer Stärkepaste und 32 Gewichtsteile Wasser wurden 100 Gewichtsteilen pulverförmiges^ Dichroit zugefügt und
zur Bildung einer extrudierbaren Dichroitmasse miteinander verknetet.
4 Gewichtsteile Stärkepaste und 30 Gewichtsteile Wasser wurden 100 Gewichtsteilen pulverförmigem Mullit zugefügt
und zur Bildung einer extrudierbaren Mullitmasse verknetet. Es wurden drei verschiedene Vakuum-Schneckenextrusionsmaschinen
mit dem in der Zeichnung dargestellten Aufbau, jedoch mit unterschiedlichem Durchmesser von 100, 200 und 250 mm eingesetzt.
Die Temperaturen der extrudierbaren Rohmaterialmassen wurden automatisch auf die in der nachfolgenden Tabelle 1 wiedergegebenen
Werte eingestellt,und es wurden Honigwabenstrukturen mit verschiedenen in Tabelle 1 gezeigten Konfigurationen durch
kontinuierliches Extrudieren hergestellt. Die erzielten Ergebnisse sind in Tabelle 1 wiedergegeben, die auch ein Bezugsbeispiel
zeigt, bei dem die extrudierbaren Materialmassen auf solche Temperaturen geregelt waren, die ausserhalb des erfindungsgemässen
Bereiches lagen.Tabelle 1 zeigt weiter ein Beispiel für das herkömmliche Verfahren zur Bildung einer Honigwabenstruktur.
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| Verfahren | Hr. |
keramisches *
Rohmaterial |
Extruder-
durch— messer (mm) |
Konfiguration
der Honigwaben- Struktur (in den drei Dimensionen oder als Durch messer χ Lunge) |
Zellkonfi
guration |
Wand-
dicke (mm) |
ZeI-
len- ab- stanc (mm) |
Massentemperatur |
an
Stel le B ΊΒ (0C) |
Temperatur-
unterschied zwischen Stellen A und B TA-TB (eC) |
Ergebnis
e gut ο ziemlich gut χ schlecht |
I |
|
nach
Erf In- durc |
1 | Dichroit | 100 | 50x50x50L | viereckig | 0,3 | 1,8 |
an
Stel le A TA (0C) |
36 | 0 | O | |
|
Besuga-
bei- spial |
2 | M | 200 | 118^c150L | sechseckig | 0,3 | 1,0 | 36 | 48 | 1 | O | |
|
herkon—
lieh |
3 | Mullit | It | N | H | It | H | 49 | 47 | 1 | O | |
| 4 | Dichroit | N | N | N | Il | Il | 48 | 49 | 3 | O | ||
| 5 | It | Il | H | It | n | Il | 52 | 50 | 5 | e | ||
| 6 | Mullit | η | N | It | •1 | Il | 55 | 49 | 5 | O | ||
| 7 | Dichroit | H | M | N | •1 | Il | 54 | 51 | 7 | O | ||
| 8 | H | 250 | 15OxISOxIOO1' | viereckig | 2,5 | 4,0 | 58 | 56 | 10 | O | ||
| 9 | Dichroit | 100 | 50x50x50L | viereckig | 0,3 | 1,8 | 66 | 36 | -1 | X | ||
| 10 | Mullit | 200 | 1ie*x150L | sechseckig | 0,3 | 1,0 | 35 | 47 | -1 | X | ||
| 11 | Dichroit | 250 | 15OxISOxIOO1' | viereckig | 2,5 | 4,0 | 46 | 56 | 11 | X | ||
| 12 | Dichroit | 200 | 1180x15OL | sechseckig | 0,3 | 1,0 | 67 | 68 | -24 | X | ||
| 44 | ||||||||||||
* Alt keramisches Rohmaterial kann solche· verwendet werden, das die Herstellung eines bestimmten keramisohen to
Produktes durch Sintern erlaubt. Z.B. kann eine Mischung aus bestimmten Mengen von Ton, Aluminiumoxid und cn
Talk tür Schaffung einer keramischen Honigwabenstruktur aus Dichroit verwendet werden. .>
Wie aus Tabelle 1 hervorgeht, kann mit dem kontinuierlichen
erfindungsgemässen Extrusionsverfahren zum Herstellen von
extrudierten Erzeugnissen aus einer extrudierbaren Rohmaterialmasse, bei dem die Temperatur an der Stelle A der Masse höher
als die Temperatur an der Stelle B ist und der Temperaturunterschied im Bereich von 00C bis 100C liegt, eine extrudierte
Honigwabenstruktur mit der gewünschten Eigenschaft auf kontinuierliche Weise geschaffen werden.
Wie zuvor erwähnt, umfasst das erfindungsgemässe kontinuierliche
Extrusionsverfahren zum Herstellen von extrudierten keramischen Honigwabenstrukturen aus einer extrudierbaren Rohmaterialmasse
unter Verwendung einer Vakuum-Schneckenextrusionsmaschine die
Erwärmung des zwischen dem Zylinder und dem Honigwaben-Extrusionswerkzeug
befindlichen hohlen Zylinders und die Einstellung der Temperatur der Masse an der Stelle A, die vom Formwerkzeug in
Richtung auf die Schnecke in einem Abstand von 40 mm liegt, auf einen Wert gleich oder grosser als die Temperatur der äussersten
Oberfläche der Materialmasse an einer Stelle B, die sich im Inneren der Masse und auf der Mittelachse des Formwerkzeuges
befindet, wobei der Temperaturunterschied im Bereich von 00C bis
100C liegt. Mittels der beschriebenen Massnahmen lassen sich
auf kontinuierliche Weise keramische Honigwabenstrukturen unter Verwendung einer konventionellen Vakuum-Schneckenextrusionsmaschine
herstellen, was bislang nicht möglich war. Das erfindungsgemässe Verfahren kann zur Herstellung von kontinuierlich extrudierten
keramischen Honigwabenstrukturen zur Verwendung für verschiedene Arten von Katalysatorträgern vorgesehen werden, eignet
sich ausgezeichnet für eine Massenfertigung und stellt einen wesentlichen Fortschritt auf dem Gebiet der Herstellung von
keramischen Honigwabenstrukturen dar.
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Claims (4)
- PATENTANSPRÜCHE( 1.J Kontinuierliches Extrusionsverfahren zum Herstellen von keramischen Honigwabenstrukturen, bei dem eine keramische Rohmaterialmasse durch ein Extrusionsformwerkzeug von einer Vakuum-Schneckenextrusionsmaschine gedrückt wird, dadurch gekennzeichnet , dass die Temperatur am äusseren Umfang der hinter dem Formwerkzeug befindlichen Masse auf einem Wert gehalten wird, der nicht niedriger als die Temperatur im inneren Bereich der Masse ist.
- 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Unterschied zwischen der Temperatur809807/0683 - 2 -ORIGINAL INePBCTBDam äusseren Umfang der hinter dem Formwerkzeug befindlichen Masse und der Temperatur im inneren Bereich der Masse weniger als 100C beträgt, wobei dieser Betrag auf der Basis eines Wertes berechnet wird, der in der Masse an einer Stelle gemessen wird, die vom Formwerkzeug in Richtung auf die Schnecke in einem Abstand von 40 mm liegt.
- 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , dass der Temperaturunterschied 0,50C bis 50C beträgt.
- 4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , dass der äussere Umfang der hinter dem Formwerkzeug befindlichen Masse so erwärmt wird, dass die Temperatur am äusseren Umfang der Masse nicht geringer als die Temperatur in deren inneren Bereich ist.809807/0683
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