Härteparameter

Optimierung des Autoklavierungsprozesses zur Reduzierung der Produktionskosten und Qualitätssteigerung von Kalksandsteinen mittels statistischer Versuchsplanung

REM-Aufnahme: Tobermorite (C-S-H-Phasen) auf einem Quarzkorn

 Kalksandsteine sind Mauersteine, die aus Branntkalk und silikatischen Rohstoffen geformt und in einer Atmosphäre von gespanntem Wasserdampf autoklaviert werden. Hierbei bilden sich vorwiegend Calciumsilikathydrate (CSH-Phasen), die diesem Baustoff die erforderliche Festigkeit verleihen. Im Vergleich zu den an Luft sehr langsam ablaufenden Abbindereaktionen führt die Autoklavierung zu einer enormen Beschleunigung der CSH-Phasen-Bildung. Obwohl die Autoklavierung im Kalksandstein-Herstellungsprozess die energie- und zeitintensivste Größe ist, beinhaltet sie viele Freiheitsgrade in der Ausführung.

Die Härtekurven der Autoklavierung von Kalksandsteinen sind entsprechend der produktspezifischen Anforderungen variabel einstellbar. Eine grundlegende Optimierung dieses Prozessschrittes ist jedoch bislang nicht erfolgt, da man sich in bisherigen Forschungsvorhaben überwiegend mit der Optimierung der Kalksandsteineigen-schaften in Abhängigkeit der Zusammensetzung auseinandergesetzt hat. Im beantragten Projekt sollen die multifaktoriellen Zusammenhänge der Kalksandsteinherstellung mittels statistischer Versuchsplanung mit dem Ziel untersucht werden, den Autoklavierungsprozess zwecks Reduzierung der Produktionskosten zu optimieren. Die Produktqualität soll mindestens gleich bleiben oder sogar gesteigert werden. Der Ansatz mittels statistischer Versuchsplanung wird mittlerweile standardmäßig in vielen Branchen erfolgreich eingesetzt; zu nennen sind insbesondere der Automobilbau und der Maschinenbau.

Die technischen Einflussgrößen der Autoklavierung von Kalksandsteinprodukten wurden in der Vergangenheit ausschließlich unter verschiedenen Einzelaspekten untersucht. Dabei hat sich jedoch bereits deutlich gezeigt, dass Zusammenhänge zwischen den Rohstoffeigenschaften, den Parametern der Autoklavierung, der Steinqualität (àZielgröße Druckfestigkeit) und dem erforderlichen Energieaufwand für die Autoklavierung sehr komplex sind und von zahlreichen, sich überlagernden Einflussgrößen und deren Wechselwirkungen abhängen. Produktionstechnische Maßnahmen zur Reduzierung des Energieverbrauchs sind aufgrund dieser Komplexität der Zusammenhänge bis dato nicht verlässlich kalkulierbar gewesen. Daraus ist zwangsläufig ableitbar, dass auch in modernen KS-Werken die Autoklavierung in der betrieblichen Produktionspraxis nicht optimiert eingesetzt wird. Der Härtungsprozess erfolgt derzeit immer noch empirisch und ist bzgl. KS-Qualität, Produktionskosten und Energieverbrauch sowie Umwelt noch nicht ausreichend untersucht. Hier setzt das Forschungsprojekt an.

 Zur Klärung des Verständnisses dieser komplexen Zusammenhänge und zur Ermittlung effektiver Ansätze zur Reduzierung des Energieverbrauchs und der Qualitätsoptimierung sollen Methoden der statistischen Versuchsplanung (design of experiments) zum Einsatz kommen.Durch optimierte Härteparameter (Reaktionstemperatur, Druck, Dauer, Verlauf des Härtevorgangs) sollen der Energieverbrauch und die Produktionskosten bei gleichbleibender oder verbesserter Steinqualität signifikant abgesenkt werden. Die Ökobilanz wird verbessert und energiesteuerrechtliche Forderungen können einfacher erfüllt werden.

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Tim Schade (M.Sc.)

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