鉱物材料を独立気泡で膨張させる方法

本発明は、推進剤を用いて、砂粒形鉱物材料から、例えばパーライトまたは黒曜岩砂から膨張した粒状物を製造する方法に関し、該方法において、材料は垂直に直立した炉中に上から、好ましくはシュートにより供給され、前記材料は炉のシャフト中で垂直に互いに分離された複数の加熱ゾーンを通る落下区間に沿って降下し、各加熱ゾーンは、少なくとも１つの独立に制御され得る加熱要素を使用して加熱することができ、材料は、砂粒の表面が可塑化され砂粒が推進剤により膨張する臨界温度に加熱され、膨張した材料は炉の底端部から排出される。

本発明はさらに、膨張した粒状物を製造する装置に関し、該装置は、垂直に直立した炉に加えて炉のシャフトを含み、炉のシャフトの上端に砂粒形材料を供給するための供給口および炉のシャフトの底端部に排出口、ならびに炉のシャフト中の供給口と排出口との間に位置する落下区間を含み、この落下区間は、垂直に互いに分離された数個の加熱ゾーンを通って通じており、加熱ゾーンの各々は、材料を臨界温度に加熱するための互いに独立に制御され得る少なくとも１つの加熱要素を含み、該装置はまた、材料の温度を直接または間接に測定するための数個の温度センサー、および／または加熱ゾーンの加熱要素の電力を決定する手段を含む。

先行技術の説明

低密度材料には、建設産業、例えば生コンモルタル産業において、または断熱防音技法において種々の用途のための出発原料として大きい需要がある。 低密度材料は、主として油系材料と鉱物材料とに分かれる。 油系材料は、可燃性という不利点があるが、しかしながら、それらの製造プロセスは十分研究されており、したがって費用効率が適切な製造が可能である。 ポリスチレンは、建設産業において断熱材のために好ましく使用される油系断熱防音材の主な例である。 容易に燃えるという重要な不利点は、低価格の故に許容され、火災が起こると時には大惨事という結果をもたらす。

これと対照的に、主として、粒状物形態にある（結晶）含水岩石（例えば火山岩、例えばパーライト、黒曜岩等）に関係する鉱物材料で作製された断熱防音材は、非可燃性である。 しかしながら、製造プロセスは、油系断熱防音材のための製造プロセスほどには研究されていない。 達成できる品質および可能な製造コストに関して、鉱物断熱防音材の製造プロセスは、未だ大いに発展の可能性を有すると考えられる。

パーライト炉は、最新技術のはるか以前から知られており、そこでは高温の燃焼空気が垂直に配置されたパイプを通して下から頂点へと吹き込まれる。 膨張されるべき（パーライト）砂は、上からシュートを通して下方に、すなわち、どのような場合にも炉の底端部の上に配置された炉の領域に供給される。 砂は、向流の高温廃ガス中で、砂が可塑化されて砂に結合していた水が蒸発する臨界温度まで加熱される。 蒸発プロセスは、元の体積の２０倍までの砂の膨張を伴う。

個々の砂粒は、膨張プロセスにより割れて、その結果、孔の開通した非常に軽く吸湿性の強い粒状物が得られる。 この粒状物は廃ガス流で上向きに排出されてフィルタで分離される。 粒状物は液体天然ガス（ＬＮＧ）タンクの断熱材のための断熱防音技法において主として使用されるが、加工処理性能を向上させるために生コンモルタルへ添加される添加剤として、およびアパート家屋における床を建設するための断熱防音の底仕上げ材としても使用される。

この様式で膨張したパーライトの主な不利点はその開通孔であり、吸湿性の強い性質および限られた寸法安定性をもたらす。 その吸湿性を打ち消すために、後でシリコーンを含浸させることが最新技術から知られているが、これには費用のかかる追加のプロセスステップが必要であり、このステップには約２００℃から可燃性であるというシリコーンの不利点が伴う。

独立気泡で膨張したパーライトを製造するというこれまでの試みは不満足なものであった。 一方、独立気泡膨張の正確な成因は研究されたことがない。 他方、独立気泡膨張のプロセスを制御し、前記プロセスに合目的的に影響を及ぼすことは今までできなかった。 これは、製造プロセス中に膨張した粒の精密な表面構造を意図的に調節することができないことも意味する。 このことは、例えば、他の材料を伴う加工処理において再び重要な役割を果たす、粗度を調節することを妨げる。

さらに、含水率が過剰な場合に、すでに膨張した粒が、膨張中に冷却プロセスによりその表面が再び固化する前に分解することが認められていた。 このことに関連して、水分、すなわち材料に結合した水の画分は、未精製の砂の熱的調整によって、膨張に最適な値に下げられ得ることができることが、最新技術から知られている。

現行の膨張プロセス後に砂粒を再加熱すると膨張の再開を生じさせることはできるが、これは、すでに膨張した粒が分解するかまたは再開した膨張プロセス後に低い強度値を示す可能性につながる。

特許文献は、この目的のために使用される膨張プロセスまたは装置の個々の側面を扱うのみである。 膨張した粒状物の開通孔の形状の根底にある機構または制御された防止は検討されていない。 その結果として、ＥＰ０２２５０７４Ｂ１は、予熱および加熱という２段階の加熱、ならびに膨張した材料に冷却剤を吹きつけることによるその後の有効な冷却からなる、膨張性材料の熱処理の方法を示している。 ＡＴ５０４０５１Ｂ１は、２つの加熱段階の間に行う追加のスクリーニングを提案している。 ＷＯ２００９／００９８１７Ａ１は、膨張が起こるシャフト炉を示している。 膨張すべき材料は上から炉に供給されてシャフト炉の底端部で取り出されるが、それがＷＯ２００９／００９８１７Ａ１が当技術の最も近い技術水準とみなされる理由である。

本発明の目的

それ故、本発明の目的は、膨張した粒状物の閉じた表面を制御された様式で整えることができ、その結果、膨張した粒状物が少しもまたは殆ど吸湿性を示さない、推進剤による砂様鉱物材料の膨張方法を提供することである。 さらに、膨張した粒状物の表面構造に、およびそれ故その粗度に、目的に合った様式で影響を与える可能性が提供されることが望ましい。 本発明による方法を実施するための装置を提供することも本発明の目的である。

本発明の基礎は、実際の膨張プロセス（その基礎は、水蒸気の形成または他の推進剤と組み合わさった砂粒の軟化である）は、等エンタルピープロセス（砂粒体積が拡大する実際の膨張プロセス中に、エンタルピーが一定のままであることを意味する）であり、主として各砂粒が熱力学的系を表すが、現実には明らかに多くの組み合わさった砂粒が系を形成するという、多数の試験から得られた発見である。

等エンタルピー膨張プロセスは、材料温度における急な低下または降下と関連し、それは、温度急降下と分類することもでき、粒を再び硬くして膨張プロセスを止める。 等エンタルピー膨張プロセスは例えば１００℃を超える温度急降下を伴い得る、すなわち、材料の温度が膨張プロセス中に大きく降下し、また可塑性も降下する。

この知見により、使用される出発原料からは事実上独立した様式で膨張プロセスを検知することが可能になり、すなわち、何時および炉中のどこで膨張が起こるかを決定することができる。 他方、これにより、膨張プロセス後の熱供給が目的に合った様式でかなり減少するかまたは完全に妨げられるので、膨張したばかりの粒の急な破壊を首尾よく防止することが可能になる。 これは、温度急降下が材料温度における最初の低下を表し、それは炉を通る材料の通路に沿った２つの相次ぐ位置で検知されることを意味する。

温度急降下の検知は、炉中における砂の温度の直接測定によるか、または迂回して間接的に、それに続くプロセスにおける冷却水温度の測定によるかもしくは熱流における変化の決定によるかのいずれかで行われる。

膨張プロセスはそれ自体、出発原料がシュートにより上から供給されるシャフト様の垂直に直立した炉で起こる。 炉の内部、すなわち炉のシャフトは、材料のための落下区間を形成し、そこでは数カ所の加熱ゾーンが落下区間に沿って互いに分離されて垂直に配置され、その加熱ゾーンは、互いに独立に制御され調節され得る加熱要素を含む。 このようにして材料は、砂粒の表面が可塑化される臨界温度に加熱される。 水蒸気は材料に結合した水の結果として形成され、この場合その圧力が砂粒を等エンタルピーの様式で膨張させる。 同時に砂粒の冷却が検知される。 このことは、材料中に水ではない他の推進剤が存在する場合にも当てはまることは明らかである。 一般的に、炉のシャフトにおける膨張プロセスの起こる位置が全ての砂粒に対して同じであることはない。 それは砂粒が同じサイズおよび同じ重量であることは事実上決してないからである。 したがって、膨張プロセスは落下区間の領域で起こることになる。 この領域は、材料温度における最初の低下が決定される２点の間に存在する。

材料の温度は温度急降下が決定された位置または領域から再び上昇することはなく、前記温度は残る落下区間に沿って目的に合った様式で低下する。 このことは、残る落下区間に沿った加熱ゾーンにある加熱要素の電力が、残る落下区間の関数として下方制御されることで起こる。 これはステップの機能に関係していてもよく、それは、残る落下区間に沿った加熱ゾーン中の加熱要素の電力がゼロにより、または数ステップにおける加熱電力の低下により実現され得る。 材料の排出は水冷式シュートにより行われ、そこでは、水による冷却は、材料のさらなる冷却に、したがってその可塑性の変形性をさらに減少させることに役立つ。

落下区間に沿った２つの連続する位置間の材料の温度における最初の低下が検知されると、加熱要素は、残る落下区間に沿って臨界温度に応じて制御されることが、砂粒形鉱物材料から、例えばパーライトまたは黒曜岩砂から推進剤を用いて膨張した粒状物を製造する方法で提供される理由であり、ここで、材料は垂直に直立した炉中に上から、好ましくはシュートにより供給されて、前記材料は落下区間に沿って炉のシャフト中で垂直に互いに分離された複数の加熱ゾーンを通して降下し、ここで、各加熱ゾーンは少なくとも１つの独立に制御され得る加熱要素を使用して加熱可能であり、材料は砂粒の表面が可塑化し砂粒が推進剤により膨張する臨界温度に加熱されて、膨張した材料は炉の底端部から排出される。

膨張した粒の機械的性質または強度および完全に消失したかまたは可能な最低の吸湿性に関する最良の品質には、膨張した粒のそれぞれ固体状で破壊されていない表面が伴う。 それは、残る落下区間に沿った材料温度が臨界温度以上に上昇しないように、したがって再膨張を防止するように、加熱要素が残る落下区間に沿って制御される本発明による方法の好ましい態様において実現することができる。

膨張すべき砂粒が全て同一の寸法または質量を有するとは実際には限らないので、全ての砂粒が同時に臨界温度に達するとは実際には限らない。 したがって、膨張プロセスは１点で起こることはなく、炉のシャフトの領域で起こる。 砂粒の十分大きな画分が膨張して温度急降下が検知される領域の後では、加熱要素の電力は、本発明による方法の上記の好ましい態様にしたがって下方制御され、その結果再膨張が防止される。 全ての砂粒がこの領域で膨張するとは限らず、それは、砂粒が、その領域の終端部で特定のサイズおよび質量による臨界温度に未だ達していないからである。 本発明による方法の上記の好ましい態様において、これらの砂粒は、加熱要素の説明した制御の結果としてこの領域の後でさえ膨張することができず、それ故、膨張していない形態で炉のシャフトまたは炉から排出される。 このことは、この場合、材料の炉からの排出物が膨張していない砂粒の特定の分画を含有することを意味する。 膨張していない砂粒のこの分画を最小にするかまたは膨張した砂粒の分画を最大にして、材料の性質における悪化、特により高い吸湿性およびより低い強度を許容することが経済的に有用であることもあり得る。 この場合に、膨張した砂粒の分画は、残る落下区間に沿った温度急降下の検知後に、特に膨張プロセスに必要とされる臨界温度以上に、材料が再加熱されるかまたはさらに再び加熱されることで増大させることができる。 それ故、より重いまたはより大きい砂粒も、残る落下区間に沿って臨界温度に達して膨張することができ、その結果膨張した砂粒の合計分率は増大することになる。 その理由から、材料温度が残る落下区間に沿って臨界温度以上に上昇するように残る落下区間に沿って加熱要素が制御されることが、本発明による方法のさらに好ましい態様において提供される。 残る落下区間に沿った温度における再上昇は、強度が低下するかまたはすでに膨張した砂粒の表面が破れて開き得る再膨張が起こり得るので、すでに膨張した粒に材料品質の悪化をもたらす。 このことは、特に相伴う吸湿性に関する負の効果を有する。

使用された材料に関して、水が推進剤として結合した鉱物砂、例えばパーライトまたは黒曜岩の砂を使用することが可能なだけではない。 それは、含水鉱物結合剤と混合されている鉱物塵であることもでき、この場合、含水鉱物結合剤が推進剤として作用する。 膨張プロセスは、この場合以下のように起こり得る。

すなわち、例えば２０μｍの比較的小さい砂粒からなる鉱物塵は、例えば結合剤により５００μｍのより大きい粒を形成する。 鉱物塵の砂粒の表面は臨界温度で可塑化されて、より大きい粒の閉じた表面を形成するかまたは融合してそのような粒になる。 個々のより大きい粒の閉じた表面は、通常合計において前記のより大きい粒の形成に関与する鉱物塵の個々の砂粒の全ての表面の合計より小さいので、表面エネルギーがこの様式で得られて、表面対体積の比は減少する。

この瞬間から、より大きい粒はそれぞれ閉じた表面で存在し、そこで粒は、鉱物砂塵と含水鉱物結合剤とからなるマトリックスを有する。 これらのより大きい粒の表面は未だ可塑性であるから、したがって水蒸気の形成は続いてより大きい粒を膨張させることができる、すなわち、含水鉱物結合剤が推進剤として使用される。

あるいは、鉱物塵を、推進剤と混合することもでき、その場合推進剤は好ましくは含水鉱物結合剤と混合される。 例えばＣａＣＯ ₃は、推進剤として使用することができる。 この場合、膨張プロセスは、上記の場合と同様に起こり得る。 すなわち、比較的小さい砂粒サイズ（例えば直径２０μｍ）を有する鉱物塵が、推進剤および鉱物結合剤と共により大きい粒を形成する（例えば直径５００μｍ）。 臨界温度に達したとき、鉱物塵の砂粒の表面は、可塑化されてより大きい粒の閉じた表面を形成するかまたは融合してそのような粒になる。 より大きい粒の閉じた表面は未だ可塑性であり、このとき推進剤により膨張させることができる。 鉱物結合剤が水を含有すれば、それは追加の推進剤として作用することができる。 このことが理由で、推進剤を伴う鉱物材料は、水が結合しかつ推進剤として作用する鉱物材料、または推進剤として作用する含水鉱物結合剤と混合された鉱物塵、または鉱物結合剤と混合されている推進剤と混合された鉱物塵に関し、鉱物結合剤は、好ましくは水を含有し、追加の推進剤として作用することが、本発明による方法の好ましい態様において提供される。

本発明の方法を実行可能にするために、制御され得る加熱要素を有する数カ所の加熱ゾーンを有するシャフト炉に加えて、識別力を有する開いたループおよび閉じたループ制御ユニットが必要である。 それは、温度センサーからのデータを、例えば材料の温度急降下および炉のシャフト中におけるそれぞれの位置または領域を決定または検知するために評価する。 この検知に基づいて、開いたループおよび閉じたループ制御ユニットは、加熱ゾーンの加熱要素を、特に残る落下区間に沿って制御する。 落下区間に沿った加熱ゾーンの加熱要素は、膨張する位置または膨張する領域の前でも制御されて、それ故、膨張までの様々に異なる温度プロファイルへ調節することができることが理解される。 結果として、垂直に直立した炉に加えて炉のシャフトの上端に砂粒形材料を供給するための供給口および炉のシャフトの底端部に排出口、ならびに炉のシャフトにおける供給口と排出口の間に位置する落下区間（落下区間は、互いに分離されて垂直である数個の垂直な加熱ゾーン（加熱ゾーンは、材料を臨界温度に加熱するために互いに独立に制御され得る少なくとも１つの加熱要素を各々含む）を通って通じている）を有する炉のシャフトを含み、かつ材料温度の直接または間接測定のための数個の温度センサーおよび／または加熱ゾーンの加熱要素の電力を決定する手段を含む、膨張した粒状物を製造するための本発明による装置は、材料の最初の温度低下、好ましくは少なくとも１００℃を検知するために、温度センサー、および／または加熱ゾーンの加熱要素の電力を決定する手段と、落下区間に沿った２つの相次ぐ位置間の加熱ゾーンの加熱要素とに接続された、開いたループおよび閉じたループ制御ユニットが備えられていること、ならびに、特に材料温度が残る落下区間に沿って臨界温度にまたは臨界温度を超えて上昇することを合目的様式で防止するかまたは可能にするために、加熱要素は臨界温度に応じて開いたループおよび閉じたループ制御ユニットにより制御され得ることを特徴とする。 例えば、電気的加熱要素の場合に、加熱要素の電力または電力消費を決定する手段は、電流／電圧または電力測定機器に関係することができる。

膨張のために使用されるエネルギーの入力は、温度急降下の検知により合目的様式で最小化することができる。 同様に、独立気泡固体粒状物の製品品質は、出発原料とほぼ独立に確保することができる。 技術水準と比較して、さらに小さく微小な砂粒分画を独立気泡の方法で膨張することができる。 微細な膨張した粒状物は比較的大きい粒状物より高い強度値を有するので、興味ある新しい低密度材料を製造業のために実現することができる。

温度急降下を検知するために、材料の温度は、落下区間に沿った数点で測定することができる。 温度の測定は、直接または間接的に行うことができる。 直接測定は、炉の内部に配置された温度センサーにより行うことができる。 温度センサーは、材料と接触していてもしていなくてもよい。 後者の場合、加熱ゾーンにおける温度のみ測定される。 温度センサーは、温度急降下が局所的に起こる位置の推定を可能にするために、落下区間の上の垂直に間隔をとった位置に分布する様式で配置することが重要である。 したがって、本発明による方法の好ましい態様においては、落下区間に沿った２つの相次ぐ位置間における材料の最初の温度低下、好ましくは少なくとも１００℃を検知するために、炉のシャフトにある材料の温度が垂直に互いに間隔をとった数カ所の位置で直接または間接的に測定することが提供される。

特にこの場合、その場で支配的な温度を測定する少なくとも１つの温度センサーが各加熱ゾーンに配置されていれば、それは落下区間に沿った温度急降下の位置または局所的領域を決定するために有利である。 したがって、本発明による装置の好ましい態様においては、少なくとも１つの温度センサーが各加熱ゾーンに配置されていることが提供される。 これは、垂直に互いに間隔をとった温度センサーが装備されることを明らかに意味する。 直接温度測定の場合に、温度センサーは、炉のシャフトにまたは落下区間に沿って配置することができて、さらに材料と接触する。

温度急降下の検知は、一つの加熱ゾーンから他のゾーンへの熱流の変化を測定することにより行うこともできる。 加熱要素から材料への熱流が、この場合、意味される。 それは加熱要素と材料との温度差に依存する。 加熱要素と材料との温度差は、材料の加熱中に継続的に減少する。 したがって熱流は減少する、すなわち、一つの加熱ゾーンから次の加熱ゾーンへの熱流の測定される変化は、最初は減少である。 膨張プロセスおよび生ずる温度急降下の直後、材料と加熱要素の間の温度差は、膨張プロセスの直前より実質的に大きい。 したがって熱流も増加することになる、すなわち、一つの加熱ゾーンから次の加熱ゾーンへの熱流の測定される変化は、このとき増加である。 それ故この検知された熱流の増加は、温度急降下および炉のシャフトにおけるその領域を決定するために適当である。 したがって、本発明による方法の好ましい態様において、加熱要素から材料への熱流の変化が測定され、その場合、一つの加熱ゾーンと次の一つの、好ましくは続く次の加熱ゾーンとの間の変化が測定され、落下区間に沿った２つの連続する位置の間の材料の温度における最初の低下の検知が、一つの加熱ゾーンから次の、好ましくはその次に続く加熱ゾーンへの熱流の増加を検知することにより行われることが提供される。 熱流における変化の測定または熱流における増加の検知は、特に、到達すべき所定の目標温度における加熱要素により消費される電力の測定により行われる。 温度急降下後、目標温度と材料温度の間の差は、膨張プロセスの直前より大きく、それが、温度急降下が起こるおよび／または温度急降下の領域に続く加熱ゾーンにある加熱要素は、それ以前の加熱ゾーンの加熱要素との比較においてそれより多い電力を消費する理由である。 この電力における増加は、熱流における増加に対応している。

独立気泡の粒状物は、記載したようにして製造することができ、それは少しもまたは殆ど吸湿性を含まずかつ可燃性ではない。 粒状物粒は、異なった表面構造をもって製造することができる。 粒状物粒の特定の表面構造は、単純な球形の形状と、数個の相互に接続した石鹸の泡に類似したまたはブラックベリーの形状に類似した数個の互いに接続した実体の形状との間で調整することができる。

粒状物の粗度に対しておよびそれ故他の材料を伴うその加工処理性能に対して直接効果を有する表面構造は、就中、膨張プロセス後の熱処理により影響され得る。 この目的のために、加熱ゾーンにある加熱要素の加熱電力は、逐次減少するかまたは膨張プロセス後に残る落下区間で突然ゼロに落ち着く。 結果として、未だにある大きさの可塑性を備える膨張した粒は、程度に大小はあるが炉のシャフトで互いに接続する機会を与えられる。 パーライトを用いる試験では、如何なるさらなる熱供給も即時停止する場合に、５個から７個の互いに接続した実体からなる好ましい表面構造が生じた。 そのことが理由で、残る全落下区間に沿って加熱要素の電力がゼロに落ち着くことが、本発明による方法の好ましい変形において提供される。

高いプロセス温度の結果として、煙突のように働く炉のシャフトに揚力が存在し、その揚力は特に小さめの砂粒粒子に効果を有する。 したがって、揚力は、小さめのそれ故大きくて重い砂粒よりも軽い砂粒粒子の場合に炉のシャフトにおける滞留時間が長くなる。 このことは、小さくて軽い砂粒の方が炉のシャフトで過熱する可能性があり、それがこれらの例えば膨張した砂粒の機械的性質に不利な効果を有することを意味する。 大きく重い砂粒より小さく軽い砂粒の炉のシャフトにおける長期滞留を防止するために、炉のシャフトは微かな負圧で操業される。 このことは、プロセスエアが材料と共に炉のシャフトを通って頂上から底部に吸引され、より大きく重い砂粒とより小さく軽い砂粒の滞留時間が互いに調整されることを確実にする。 これが、本発明による方法の好ましい態様において、好ましくは炉のシャフトに負圧をかけることにより、材料が第１のプロセスエアと一緒に炉のシャフトを通って吸引されることが提供される理由である。

炉のシャフトを頂上から底部まで通して流れる第１のプロセスエアは加熱される。 これは炉のシャフト中の流速の増加に結びつき、したがって、炉のシャフト中の全ての砂粒子の滞留時間を短縮する結果となる。 これは望ましくない。 第１のプロセスエアの流速の増加を補償するために、炉のシャフトは下方に向かって頂上より幅の広い形状を備える。 炉のシャフト中の流速は、この方法でおよそ一定に保つことができる。 これが、第１のプロセスエアが炉のシャフトを通って実質的に一定の速度で流れることが本発明による方法の特に好ましい態様において提供される理由である。

したがって、炉のシャフトの断面が、落下区間で供給口から排出口にかけて通常増加することが本発明による装置の好ましい態様において提供される。 炉のシャフトの幅の増加は、段階的にまたは連続的に起こることができる。 円錐形の形状は、そのような炉のシャフトの製造は比較的簡単なので、後者の場合に有利である。 これが、炉のシャフトの断面が落下区間に平行な円錐形の形状を有することが本発明による装置の特に好ましい態様において提供される理由である。

炉のシャフトに負圧を適用することと共に、炉のシャフトを通って流れる第１のプロセスエアの実質的に一定の速度が保証され得る。 これが理由で、第１のプロセスエアを実質的に一定の速度で炉のシャフトを通して吸引するために、炉のシャフトの落下区間に沿って、落下区間と平行で供給口から排出口に向かう降下して行く方向で負圧を生ずる手段が提供されることが、本発明による装置の特に好ましい態様において提供される。 そのような手段は、例えば、それぞれ寸法を合わせた真空ポンプであろう。 それは、同時に、炉からそれを排出した後で膨張した粒状物を除去するための、浮遊運搬流輸送の操業に使用することができる。 落下方向への負圧を生ずることは、負圧が降下方向に増大することを意味する。

砂粒が炉のシャフトを通って降下する速度は、最初、降下物体の速度に関する法則にしたがって増加する。 膨張していない砂粒はサイズが小さくそれらの密度が比較的高いので、空気抵抗による制動は小さい役割しか演じない。 それ故、膨張していない砂粒は、第１のプロセスエアの流速より高い速度に達するだけでなく、降下物体の速度に関する法則にしたがってさらに加速される。 砂粒の体積は、膨張の結果突然増大してそれらの密度は低下する。 それ故空気抵抗も突然増大して膨張した砂粒は第１のプロセスエアにより強く制動をかけられる。 その後、砂粒は炉のシャフトを通して実質的に一定の速度で降下し、その一定性は第１のプロセスエアの流速の一定性により決定される。 この降下速度の絶対値は、膨張した砂粒の直径または体積および密度に依存し、一般的に第１のプロセスエアの流速より大きい；すなわち、膨張した粒の降下速度は、降下物体の速度に関する法則と実質的に一定の速度で炉のシャフトを通って流れる第１のプロセスエアの抵抗との間の相互作用から得られ、その場合空気抵抗が支配的役割を演ずる。 これが理由で、膨張した材料は実質的に一定の速度で炉のシャフトを通って降下し、膨張した砂粒の降下速度はそれらの直径に依存することが、本発明による方法の特に好ましい態様において提供される。 したがって、炉のシャフトにおける砂粒の最大滞留時間は、砂粒の直径（および密度）に依存して得られ、その最大滞留時間は超えられることがない。

実質的放出を防止するために、炉のシャフトにおける熱の供給は、熱輻射により行う。 当技術分野の状態により、耐熱鋼がシャフトの材料として熱輻射による加熱において使用されるが、耐熱鋼は高い熱貯蔵質量を示す。 結果として、そのような装置は長い始動および運転停止時間を必要とする。 これを避けるために、炉のシャフトが、耐熱性の布帛または高耐熱性のガラスで作製されるか、またはそのような材料で内張される。 したがって、炉のシャフトが耐熱性の布帛またはガラス部分で内張された内部表面を有することが、本発明による装置の好ましい態様において提供される。

加熱要素は、炉のシャフトの半径方向の中心から外側の視野への方向へ見て、炉のシャフトの内部表面の内張の後ろに配置され、断熱材は加熱要素の後ろに配置される。

第１のプロセスエアの流速およびそれ故炉のシャフトにおける材料の滞留時間を一様にする上記の施策にもかかわらず、小さくて軽い砂粒子が大きく重いものより速く膨張温度に達することは基本的事実である。 これらの小さめの砂粒子の過熱は特に起こりやすい。 衝突が炉のシャフトで起これば、粒子が固着することにつながる。 そのような衝突および固着を妨げるために、耐熱性の布帛が、空気を透過するように配置され、その結果第２のプロセスエアを、断熱材と加熱要素が設置された炉のシャフトとの間の空間から炉のシャフトの半径方向の中心の方向で炉のシャフト中に吹き込むことができる。 空気量を、それぞれのスロットリング部材、好ましくは制御され得るバルブにより調節する。 耐熱性のガラスを備えた炉のシャフトの配列の場合、同様な効果が、ガラスを区分に小分割することにより得られ、間隙は、ガラス部分の間に位置することができ、そこから第２のプロセスエアを、上記の中間空間から炉のシャフト中に吹き込むことができる。 これが理由で、炉のシャフトの内部表面への材料の固着を防止するために、少なくとも１つのスロットリング部材により調節される多量の第２のプロセスエアが炉のシャフトの内部表面から炉のシャフトの半径方向の中心に向かう方向で吹き込まれることが、本発明による方法の特に好ましい態様で提供される。

耐熱性の布帛は空気透過性であり、第２のプロセスエアを炉のシャフトの半径方向の中心に向かう方向に空気透過性で耐熱性の布帛を通して吹き込むことができることが、本発明による装置の好ましい態様において同様に提供される。 したがって、炉のシャフトの内部表面への材料の固着を防止するために、間隙をガラス部分の間に配置して、第２のプロセスエアを、間隙を通して炉のシャフトの半径方向の中心に向かう方向で吹き込むことができることが本発明による装置の別の態様において提供される。 さらに、吹き込むべき第２のプロセスエアの量を調整可能にする少なくとも１つのスロットリング部材が、本発明による装置の特に好ましい態様において提供される。 スロットリング部材は、好ましくは制御され得るバルブに関係する。

すでに言及したように、一方では膨張を保証し、他方では膨張中の粒の分解を防止するために、対応する結合水または任意の他の推進剤の分画の調整が必要である。 未精製の砂の含湿率およびその乾燥中の重量減少は、最初に実験室で決定することができる。 それは未精製の砂の製造プロセス中の調整のための初期設定値として使用される。 すなわち、所望の含水率を調節するために、未精製の砂を、炉のシャフト中に導入する前にどのくらい長くどの温度で乾燥する必要があるかが、実験室における試験の結果として知られる。 この予備乾燥または熱的前処理は、通常管状炉中で行われるが、流動床炉でも実施することができる。 これが、本発明による方法の特に好ましい態様が、材料を、炉のシャフト中に入れる前に、好ましくは流動床炉中で熱的に前処理することを提供する理由である。 そのような熱的前処理が、炉のシャフト中で明らかに臨界温度未満の温度で行われることが理解される。

熱的後処理は、実質的に全ての砂粒が膨張した状態ですでに存在することを必要とする。 この場合、材料の膨張が可能な限り炉のシャフトの限定されたまたは狭い垂直な領域で起こることが確実にされる必要がある。 その結果として、砂粒が、同様に大きくなければならず、その結果全ての砂粒が可塑性になって、実質的に同時に同じエネルギー入力により膨張する。 これにより、本発明による方法の好ましい態様は、炉のシャフトにおいて、砂粒の可能な限り均一なサイズ分布を確実にするために、材料が炉のシャフトに入る前にスクリーニングされることを提供する。

上ですでに言及したように、膨張プロセス後の材料の熱処理は、表面の状態、特に膨張した粒状物の粗度に対して効果を有する。 粒状物のさらなる使用（例えば、パネルに加工される場合）によっては、膨張した材料の表面に粗な形状を与えることが重要である。 結果として、必要な強度値を有し寸法が安定なパネルの製造を可能にするために、個々の粒状物粒を、適当な結合剤例えば水ガラスにより互いに接着することができる。 そのようなパネルは、中でも高い断熱材性を有する居間の内部乾燥仕上げのために適しており、したがって、例えば、空調システムを夏に使用するときに、エネルギー消費の削減を達成する。

水ガラスを結合剤として使用することも、本発明により製造された粒状物の層を従来のポリスチレンパネルに応用することを可能にし、この層は防火のために使用される。 そのような耐火層または防火層も多数の他の部品、例えば鋼梁に応用することができることは理解される。

膨張した材料の表面には、膨張した粒を冷空気流中で固化するかまたはそれらに釉薬をかけることにより影響を及ぼすことができる。 この目的のために、冷却空気を、膨張シャフトの直後に、ここで存在するプロセスエアと膨張した材料との混合物と混合して、その結果１００℃未満、好ましくは８０℃未満への冷却が起こる。 この理由で、材料を１００℃未満、好ましくは８０℃未満の温度に冷却するために、冷却空気を、材料の炉または炉のシャフトから排出中に混合することが、本発明による方法の好ましい態様において提供される。 したがって、材料を炉または炉のシャフトから排出中に、冷却空気を混合する手段が、炉または炉のシャフトの底部の領域で提供されることが、本発明による装置の好ましい態様において提供される。 これらの手段は、好ましくは、冷却空気のための流出口（炉のシャフトの底端部に直接配置されている）、および冷却空気バルブ（制御され得る様式で特に配置されている）に関わる。

水冷シュートは、任意にまたは追加で材料を排出するために使用することができ、ここで水冷却は材料のさらなる冷却を助長して、その結果その可塑変形性はさらに低下する。 したがって、炉または炉のシャフトから材料を排出するために、好ましくは水冷シュートが備えられることが、本発明による装置の特に好ましい態様において提供される。

この様式で冷却された粒状物は、さらなるステップで空気式浮遊流輸送管により移送されてさらに冷却され、それにより表面の状態または粒状物の強度も影響される。 この理由で、本発明による方法のさらに好ましい態様は、材料が排出された後、空気式浮遊流輸送管により貯蔵コンテナに輸送され、そこで冷流体、好ましくは冷空気が使用され、それにより材料はさらに冷却されて、好ましくは貯蔵コンテナ中で室温になることを提供する。 このことは、容易な取り扱い、例えば、製造された粒状物の袋詰めを可能にする。 炉または炉のシャフトから排出された材料を貯蔵コンテナに輸送するために空気式浮遊流輸送管が提供されることが、本発明による装置の特に好ましい態様において同様に提供される。

ここで、本発明を、態様を参照することによりさらに詳細に説明する。 図面は、例を示し本発明の概念を説明するものであるが、決して最終的にそれに限定するまたは典型を示すものではない。

図１は、技術水準のパーライト砂を膨張させるシャフト炉の模式的断面図を示す。

図２は、技術水準から知られている、粒子を膨張させるさらなるシャフト炉の模式的断面図を示す。

図３は、本発明による独立気泡膨張のための本発明によるシャフト炉の模式的断面図を示し、図中に、炉に配置された材料も模式的に概略を示す。

図４は、球形の表面構造を有する、独立気泡膨張した粒状物を、上方から示した模式図を示す。

図５は、粗な表面構造を有する、独立気泡膨張した粒状物を、上方から示した模式図を示す。

図６は、本発明による方法の全体の流れ図を示す。

好ましい態様の詳細な説明

図１は、パーライト砂１を発泡または膨張させるための技術水準から知られた炉２の模式的断面図を示す。 炉２は、垂直に直立した炉のシャフト３から実質的になり、高温のガス３３が下から吹き込まれる。 パーライト砂１は、図１に示した態様では、炉のシャフト３の全高の約３分の１の高さを超えて上から導入される。 パーライト砂１の砂粒１５（図１に示していない）は高温のガス３３の結果として膨張し、その結果それらの密度は低下する。 このことは、その結果として、膨張した砂粒１５が炉のシャフト３中で浮上するという効果を生ずる。 高温の廃ガス３４は膨張した粒状物と共に炉のシャフト３の上端から排出される。 膨張した粒状物は、フィルタ（示していない）により分離することができる。 この方法においては、砂粒１５が膨張プロセス中に通常破れて開き、それ故極端に吸湿性であることが欠点である。

図２は、ＷＯ２００９／００９８１７Ａ１から知られた炉２の模式的断面図を示す。 この炉２も垂直に直立した炉のシャフト３を含む。 この場合に、パーライト砂１は上から炉のシャフト３を通って落下することが可能であり、すなわち、パーライト砂１は、炉のシャフト３を通して広がる落下区間４に沿って降下する。 加熱要素６は、落下区間４に沿って配置され、その加熱要素はパーライト砂１に熱を供給し、したがって膨張をもたらす。 炉２または加熱要素６は、断熱材２５により外側に対して絶縁されている。

膨張した粒状物は炉のシャフト３から炉２の底端部で排出されて浮遊流輸送管１７中に降下する。 膨張した粒状物は、実質的に水平に配列された管中で冷空気１８、３５の強い流れにより運び去られる。 独立気泡膨張した粒状物は、図２に示した炉により、ある条件で製造することができるが、ＷＯ２００９／００９８１７Ａ１は膨張プロセスについて如何なる詳細も示していない。

図３は、本発明による炉２を示し、それは水または任意の他の推進剤が結合した砂粒形鉱物材料の独立気泡膨張のための本発明による方法を実施するのに適する。 炉２は、垂直に伸びる炉のシャフト３を含み、その上端２６に、膨張させるべき材料、例えばパーライト砂１のための供給口１９が配置されている。

このプロセスにおいて、パーライト砂１は、結合した水または推進剤の分画に関する炉２への供給に先立って、例えば流動床炉３８（図６を参照されたい）中で前処理することができる。 パーライト砂１を炉２または炉のシャフト３に供給することは、シュート（示していない）により行うことができ、またはパーライト砂１の供給はバルブ３７により制御することができる。

パーライト砂１は、供給口１９から落下区間４に沿って降下方向２３に炉のシャフト３を通って垂直に炉２または炉のシャフト３の底端部２７にある排出口２０に降下する。

炉のシャフト３の幅（すなわち、炉のシャフト３の降下方向２３に対して法線方向の断面）は、供給口１９から排出口２０にかけて増加する。 例示した態様において、この幅は連続的に広がり、その結果、炉のシャフト３の断面は降下方向２３と平行な円錐形の形状を有する。 降下方向２３に対して法線方向の炉のシャフト３の断面は、長方形のまたは正方形の形状、または丸いまたは円形の形状を有することができる。

炉２は、炉のシャフト３を通って降下するパーライト砂１を加熱するために、降下方向２３でそれぞれ少なくとも１つの加熱要素６を有する加熱ゾーン５（図３中に破線で示した）に小分割される。 例示された態様において、加熱要素６は、炉のシャフト３の半径方向の中心１４を通って広がる平面に対して対称的に配置される。 加熱要素６は、電気的加熱要素６とやはりガスで働く加熱要素６の両方と関わってよい。 加熱要素６が熱輻射を供給するように配置される；すなわち、熱のパーライト砂１への伝達は主として熱輻射によって起こり、例えば対流にはよらないことは意味がある。

炉２の半径方向の中心１４の方向で見られるように、耐熱性の布帛２４は加熱要素６の後ろに配置される。 炉のシャフト３は、それ故、耐熱性の布帛２４で内張された内部表面１３を含み、または耐熱性の布帛２４は炉のシャフト３の内部表面１３を形成する。 耐熱性の布帛２４は、技術水準により通常使用される耐熱鋼と比較して熱貯蔵質量または容量が低く、その結果、炉２の急速な始動および停止時間が実現できるという利点を提供する。

耐熱性の布帛２４は空気に対して透過性でもある。 その結果、加熱された砂粒１５の炉のシャフト３の内部表面１３への固着を妨げるために、第２のプロセスエア１１を、布帛２４を通して炉のシャフト３の半径方向の中心１４の方向に吹き込むことができる。 第２のプロセスエア１１は、炉のシャフト３またはその内部表面１３と炉２の外側の断熱材２５との間に配置された中間の空間に導かれ、そこに加熱要素６も配置されている。 第２のプロセスエア１１の量は、好ましく制御され得るバルブ１２により制御される。

温度センサー２１も布帛２４中に配置されている。 温度センサー２１は、垂直に互いに間隔を開けてある位置９に配置されている、その結果少なくとも１つの温度センサー２１が各加熱ゾーン５に置かれている。 例示された態様において、パーライト砂１の温度は加熱ゾーン５において支配的な温度に関して決定される。

加熱要素６および温度センサー２１は、温度データに基づいて炉のシャフト１５中の砂粒１５の膨張が起こる位置または領域２２を決定する開いたループおよび閉じたループの制御ユニット４０（図６を参照されたい）に接続されている。 この位置またはこの領域２２で、例えば膨張したパーライト砂１の温度における明確な低下、すなわち、１００℃を超える温度急降下がある。 この温度急降下はパーライト砂１の等エンタルピー膨張プロセスの結果であり、該膨張プロセスは砂粒１５の表面７の軟化により生じ、続いて砂粒１５中に形成された水蒸気または水蒸気圧の結果としての膨張プロセスが起こる。 パーライト砂１は、例えばその膨張の直前に約７８０℃の温度を有し、等エンタルピーの膨張プロセスの直後には僅か約５９０℃の温度を有し、すなわち、この例においては１９０℃の温度急降下が起こる。 開いたループおよび閉じたループの制御ユニットは、降下方向２３に見られるような温度急降下の位置または領域２２の後ろに置かれた加熱要素６を制御して、その結果、（膨張した）パーライト砂１のさらなるまたは引き続く温度上昇はもはや起こらない。 最も簡単な場合、これらの加熱要素６の電力はゼロに調節される。

膨張プロセス後の砂粒１５の熱処理は、それらの表面構造に影響する。 一方、表面は冷却により高い強度の条件内で釉薬をかけられる。 他方、数個の小さい砂粒が合同してより大きい一つの砂粒になることにより、異なったレベルの粗度の膨張した粒状物を得ることができる。 図４は、排出された膨張した材料が球形表面７を有する個々の砂粒１５から実質的になる場合を示す。 図５は、膨張した粒状物を粗な表面７を有するより大きい砂粒１５と対照して示す。

膨張したパーライト砂１の急速な冷却を可能にするために、冷却空気１６が炉２（図３を参照されたい）から排出中に吹き込まれる。 冷却空気１６のための流出口２９は、この目的のために排出口２０の領域に設けられている。 冷却空気１６の量は好ましく制御され得るバルブ２８により調節することができる。 冷却空気は、膨張したパーライト砂１を１００℃未満、好ましくは８０℃未満の温度に冷却する。

シュート８は、排出口２０の後ろの降下方向２３に見られるように、冷却空気１６のための流出口２９に直接隣接して配置される。 前記シュートは、冷却水３０により冷却され、その量は、好ましく制御され得るバルブ３１により制御される。 膨張したパーライト砂１はこの様式でさらに冷却される。

膨張したパーライト砂１は、シュート８により最終的に浮遊流輸送管１７に達し、それによりパーライト砂１は貯蔵コンテナ３９に輸送される（図６）。 浮遊流輸送管１７は冷空気１８により作動し、冷空気の量は好ましく制御され得るバルブ３２により制御される。 冷空気１８または膨張したパーライト砂を伴う冷空気３５は例えば真空ポンプ３６により吸引される。

浮遊流輸送管１７で急速に移動する冷空気１８または膨張したパーライト砂を伴う冷空気３５は、炉のシャフト３に対して負圧を生ずる。 この負圧が、パーライト砂１がプロセスエア１０と一緒に供給口１９から炉のシャフト３を通して吸引されることを確実にする。 このことは、パーライト砂１の膨張した砂粒１５が第１のプロセスエア１０と一緒に炉のシャフト３を通って可能な限り一定の速度でおよび好ましくは同じ速度で移動するという結果に再び結びつく。

さらに、位置または領域２２の明確さは、砂粒１５の可能な限り一様なサイズ（およびそれ故質量）が炉２中への進入に先立つ砂粒１５のスクリーニング（示していない）により保証され、その結果全ての砂粒１５が、炉のシャフト３中における同じ熱処理時間で可能な限り膨張するということによりさらに改善することができる。

図６は、本発明による方法の全体の流れ図を示し、その中で本発明による炉２は膨張のために使用される。 このプロセスにおいてパーライト砂１は、最初に材料供給箇所から粗なスクリーン４３に供給され、スクリーン４３は非常に大きすぎる例えば３０ｍｍを超える大きい直径を有する粒をスクリーニングして除く。 これらの大きすぎる砂粒１５は、顎式粉砕機４６に供給されて、そこで顎式粉砕機４６により粉砕された砂粒１５は粗なスクリーン４３に再び達する。

パーライト砂１が粗なスクリーン４３を通過すると、それはロッドミルに達し、ロッドミルが均一に小さい直径の、例えば直径０．５ｍｍのパーライト砂１の砂粒１５を製造する。 この小さい直径は、ロッドミル４５の後ろに置かれた微細スクリーン４４により検査される。 大きすぎる粒はロッドミル４５に再び供給される。

パーライト砂１は、微細スクリーン４４の後にサイロ４７に達する。 充填レベル制御ユニット４８は、前記サイロ４７における充填レベルをモニターして、不十分な充填レベルの場合に、さらなるパーライト砂１の材料供給箇所への供給を活発化させる。 パーライト砂１は、サイロ４７からバルブ３７を通して流動床炉３８に供給される。 パーライト砂１の熱的前処理は、含水率または結合した推進剤の含有率を調節するために、流動床炉３８において行われる。

流動床炉３８における加熱は、例えば燃焼空気５４と一緒にしてバーナー５１で燃焼される天然ガス５３により行われる。 燃焼空気５４は、例えば真空ポンプ３６によりバーナーに供給される。 バーナー５１に供給される天然ガス５３の量はバーナー５１の温度を制御する温度制御ユニット５６により作動されるバルブ４２により制御される。

流動床炉３８からの廃気５５は、サイクロン５０により排出され、そこで廃気は、例えばさらなる真空ポンプ３６によりバーナー５１に再び供給されるか、またはバルブ５７を通って逃げることができる。 バルブ５７は、流動床炉３８で圧力を制御する圧力制御ユニット４９により作動する。 パーライト砂１は、流動床炉３８からさらなるサイロ４７に達し、そこからバルブ３７を通って炉２に供給され得る。

図６は、やはりパーライト砂１を供給されるさらなる炉２を示す。 それは、サイクロン５０中で廃気５５から分離され、さらなるサイロ４７に輸送されたパーライト砂１に関わる。

図６に示した態様において、各炉２は電気的に加熱され、その場合、加熱要素６（図３を参照されたい）は電力供給５２により電力を供給される。 電力供給５２は、開いたループおよび閉じたループ制御ユニット４０に接続されている。 加熱要素６の電力をこの様式で制御することが可能であるだけでなく、温度急降下の位置または領域２２（図３を参照されたい）も相次ぐ加熱要素６の電力消費の決定により決定することができる。

膨張したパーライト砂１は、炉２から排出後、一部真空ポンプ３６により吸引される冷空気１８により作動する浮遊流輸送管１７により貯蔵コンテナ３９に輸送される。 廃気５５は、さらなる真空ポンプ３６により貯蔵コンテナ３９から排出することができる。

貯蔵コンテナ３９は、例示された態様では袋詰め装置４１の上に配置され、それにより、膨張したパーライト砂は、例えばいわゆる大袋または他の好ましくは柔軟性の積み荷コンテナに、袋詰めまたは包装することができる。