Mischer/Mischtechnik So entscheidet die Mischtechnik über die Produkteigenschaften

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MASCHINENFABRIK GUSTAV EIRICH GMBH & Co KG

WAM GmbH

Dinnissen B.V.

Kohlenstoffwerkstoffe finden Anwendung in vielen Bereichen der modernen Industrie. Neben der Auswahl der Rohstoffe ist die Herstellungstechnologie ausschlaggebend für die Eigenschaften der Werkstoffe, die über eine Pech- oder Kunstharzbindung hergestellt werden. Das Untermischen der hochviskosen Bindemittel ist äußerst anspruchsvoll. Deshalb ist dafür weltweit die Mischtechnik von Eirich im Einsatz.

Das Eigenschaftsprofil der Kohlenstoffwerkstoffe, die der keramischen Industrie zugeordnet werden, wird wesentlich bestimmt durch die Gefügestruktur und die Eigenschaften der einzelnen Gefügebestandteile. Im Unterschied zu anderen keramischen Stoffen ist Kohlenstoff jedoch nicht schmelz- oder sinterbar; der Zusammenhalt des Werkstoffgefüges lässt sich nur durch eine zusätzliche Bindemittelmatrix erreichen. Dafür werden Peche oder Kunstharze mit hohem Kohlenstoffgehalt eingesetzt. Typische Bindemittel sind Steinkohlenteerpeche, in kleinerem Umfang auch Petrolpeche und Polymere, z.B. Phenolharze. Die festen Rohstoffe sind Graphite, Kokse und Ruße; alle diese Rohstoffe weisen eine graphitische Kristallstruktur auf, die sich jedoch in der Ausbildung und Größe der einzelnen Kristallite unterscheidet.

Die Ansprüche an die Aufbereitung der Werkstoffe sind groß, gefordert werden eine hohe Gleichmäßigkeit und möglichst hohe Dichten. Dazu braucht es eine intensive und homogene Vermischung der Bindemittel mit den festen Rohstoffen. Das Mischen erfolgt bei Temperaturen bis 300 °C. Für große Bauteile wird die noch heiße Mischung durch Extrusion oder Vibrationsverdichtung in Form gebracht. Für kleinere Bauteile wird die Mischung nochmals aufgemahlen und auf hydraulischen oder isostatischen Pressen zu Grünkörpern geformt. Durch Glühen unter Sauerstoffabschluss bei 600 bis 1200 °C wandelt sich das Bindemittel in Kohlenstoff um; flüchtige Bestandteile entweichen, es entsteht eine Koksmatrix. Daran schließt sich der Graphitierungsprozess an, eine Hochtemperaturbehandlung im Bereich von 1800 bis 3000 °C.

Wichtigstes Einsatzgebiet: Anoden und Kathoden

Mengenmäßig wichtigste Produkte der Kohlenstoffindustrie sind Anoden und Kathoden für die Aluminium- sowie Graphitelektroden für die Stahlherstellung. Daneben gibt es eine Vielzahl spezieller Anwendungen, z.B. Kohlenstoffsteine für Hochöfen. Während bei diesen und bei Elektroden relativ grobkörnige Graphitwerkstoffe eingesetzt werden, interessieren für Kohlebürsten, Lager- und Dichtungsmaterial oder Hochtemperaturanwendungen feinkörnige Spezialwerkstoffe.

Der weltweit größte Verbraucher von Elektroden ist die Aluminiumindustrie. Bei der elektrolytischen Gewinnung von Aluminium bestehen beide Elektroden aus Graphit; die Kathode dient dabei nur der Stromzuführung. An der Anode läuft jedoch ein elektrochemischer Prozess ab, in dessen Folge Graphit verbraucht wird; die Anode muss deshalb ständig erneuert bzw. ausgetauscht werden. In älteren Anlagen sind so genannte Söderberg-Anoden im Einsatz. Hier wird die unverbackene Elektrodenmasse in Bleche gefüllt und die Graphitierung erfolgt durch die hohe Temperatur der Metallschmelze.

Die zweite große Anwendung von Graphitwerkstoffen ist die Herstellung von Stahl aus Schrott oder Eisenschwamm in Lichtbogenöfen. Zwischen Graphitelektroden und Einsatzgut wird ein Lichtbogen gezündet, das Metall schmilzt auf. Die Elektroden sind dabei extremen Temperaturspitzen und Temperaturgradienten ausgesetzt. Die Reduktion von Oxiden am Graphit, die Lösung von Kohlenstoff in der Stahlschmelze sowie die Oxidation des Graphits an der Luft führen auch in dieser Anwendung zu einem kontinuierlichen Verbrauch der Elektroden.

Mischer in der Elektrodenherstellung

Vor etwa 40 Jahren entdeckte die Kohlenstoffindustrie die Vorteile der Eirich-Aufbereitungstechnik, anfangs als Ersatz für langsam laufende Mischer und als Kühlmischer, einem Kneter nachgeschaltet. Schnell erkannten dann die Hersteller die Möglichkeiten der neuen Technik. Für die Anodenfabrikation wurde das EMC-Verfahren (Eirich Mixing Cascade), das Heißmischer und Kühlmischer enthält, eingeführt – verfügbar für Durchsätze von 15 bis 60 t/h, mit 20 Referenzen weltweit.

Ein überzeugendes Kosten-Nutzen-Verhältnis führte dazu, dass diese Technik der Standard in der Branche wurde. Weltweit setzen mehr als die Hälfte aller Anodenhersteller die Aufbereitungstechnik mit mindestens einem Eirich-Mischer ein, überwiegend im Konti-Verfahren, sowohl zur Erstellung der Heißmischung als auch zur anschließenden Kühlung auf Verarbeitungstemperatur, die auf ±3 K genau vorgewählt werden kann. Mehrere hundert Maschinen sind bei namhaften Herstellern in aller Welt im Einsatz, die damit die Eigenschaften ihrer Werkstoffe verbessern konnten. Die Leistungsfähigkeit der Eirich-Aufbereitungstechnik zeigt sich darin, dass eine Aluminium-Produktion von 600 000 Jahrestonnen mit einer einzigen EMC- Mischerlinie versorgt werden kann.

Auch die Herstellung der Kathoden für die Aluminiumindustrie hat sich mit der Technologie vereinfacht. Für die Kathodenproduktion steht – ebenso wie für Graphitelektroden – ein spezielles elektrisches Heizverfahren zur Verfügung, welches den Koks auf Mischungstemperatur bringt.

Übliche Leistungen für die chargenweise Aufbereitung von Graphitelektroden oder -kathoden betragen vier bis zwölf Tonnen pro Stunde. Der Lieferumfang reicht für diese Anwendungen von der Einzelmaschine bis zum kompletten Aufbereitungsturm inklusive der Dosierung und Verwiegung der Rohstoffe, dem Mischen und der bedarfsgerechten Befüllung der Presse. Selbstverständlich sind alle Abläufe vollautomatisiert.

Induktiv beheizte Mischer für Hersteller von Spezialprodukten

Für die Hersteller von Spezialitäten stehen seit einigen Jahren induktiv beheizte Mischer in Baugrößen zwischen fünf und 400 l zur Verfügung, die ebenso systembedingt alle – auch extrem zähplastische – Konsistenzen verarbeiten können. Hierbei bewirkt die induktive Beheizung des Mischbehälters eine direkte Erzeugung der Wärme in der Wandung des Mischbehälters. Der schnelle Wärmeübergang zwischen dem intensiv bewegten Mischgut und der rotierenden Behälterwandung ermöglicht einen hohen flächenspezifischen Leistungseintrag.

Das induktiven Heizverfahren eigene dynamische Regelverhalten ermöglicht eine genaue Temperaturwahl und eine hohe Reproduzierbarkeit. Die chemisch-thermische Reaktion in der Mischung, das so genannte Defuming, kann damit schnell gestartet und gezielt gestoppt werden, wenn die Masse ausreichend trocken ist, um weiterverarbeitet bzw. geformt zu werden.

Mit Heizleistungen zwischen fünf und 250 kW wird auch Mischen mit hochschmelzenden Bindemitteln, wie Festharzen anstelle von Harzlösungen, möglich. Festharze bringen weniger flüchtige Bestandteile, es resultieren kürzere Prozesszeiten und niedrigere Porositäten. Damit wird es möglich, neue Werkstoffarten zu entwickeln – auch in anderen Branchen, die Kunstharzbindung einsetzen.

Fazit und Ausblick: Eirich liefert zahlreiche Maschinen und Anlagen zur Aufbereitung von Kohlenstoffmassen für die Herstellung von:

• Blockanoden und Kathoden für die Elektrolyse von Primäraluminium,

• Söderbergmassen für Anwendungen bei Primäraluminium und in der Metallurgie,

• Graphitelektroden für Elektrolichtbogenöfen sowie Graphitspezialitäten,

• Produkten aus Kohlefaserwerkstoffen.

Dabei bestätigen die Hersteller, welche die Aufbereitungstechnik von Eirich wählten, bis zu 50 % Einsparungen bei den Investitionskosten, und bis zu 30 % weniger Unterhaltskosten.

Dies ist der Grund, dass auch aktuell wieder mehrere Aufträge eingingen, z.B. für Aluminium Bahrain (ALBA) PL6, Bahrain, mit einer EMC-Anlage für Anodenmassen für die Aluminiumindustrie, mit Heiß- und Kühlmischer mit einem Durchsatz von 55 t/h. Geliefert wird diese Anlage über den französischen Anlagenbauer Fives Solios.

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