Keramik-Anwendungen im Fokus:

Verfahrensoptimierung mit maßgeschneiderten Werkstoffen

Erschienen in: chemieanlagen + verfahren (CAV); 08.2000

Anlagenbetreiber in der chemischen Verfahrenstechnik setzen schon heute überall dort auf die Technische Keramik, wo Metalle oder Kunststoffe wegen zu hohem Verschleiß versagen, die Temperaturbeständigkeit nicht ausreicht oder das Medium zu korrosiv ist. Die Achema 2000 hat gezeigt, dass Ingenieurkeramiken weitere, überzeugende Möglichkeiten zur Verfahrensoptimierung bieten.

Mit Blick auf die chemische Verfahrenstechnik spielen keramische Werkstoffe ihre Vorteile vor allem dort aus, wo es auf Temperaturfestigkeit sowie Beständigkeit gegen Korrosion und Verschleiß bei gleichzeitig relativ niedrigem Gewicht ankommt. Genutzt bzw. gefordert werden diese Eigenschaften beispielsweise von Auskleidungen für Armaturen, Pumpen und Rohren, in der Filtertechnik oder auch für Füllkörper bzw. bei Katalysatorträgern.

Composit-Werkstoffe

Besondere Erfolge verzeichnen zunehmend sog. Composit-Werkstoffe, wie sie u.a. die Schunk Kohlenstofftechnik GmbH, Heuchelheim, produziert. Eine der Besonderheiten bei diesem Anbieter ist der Mischwerkstoff SiC30, eine Kombination aus Siliziumcarbid (62 %) und Graphit (35 %). Den Anwendernutzen bringt Vertriebsleiter Joachim Heym so auf den Punkt: "Unsere Entwicklungsingenieure konnten die Produktvorteile beider Werkstoffe verbinden." Mischreibungszustände, wie sie beispielsweise beim An- und Abfahren von Pumpen auftreten, bleiben mit dem SiC30 sehr gut beherrschbar. Zudem ist dieser Werkstoff thermoschockbeständig (hohe Temperaturwechselbeständigkeit), chemisch weitestgehend inert sowie blister-stabil (keine Blasenbildung an der Werkstoffoberfläche) und abrasionsfest. Dieser Werkstoff eignet sich daher besonders für Gleitringe und Lager beim Betrieb in nichtschmierenden Medien.

Auch aufgrund solcher Spezialentwicklungen festigt sich offenbar bei immer mehr Anwendern die Erkenntnis, dass der Werkstoff Keramik noch erhebliche Potentiale aufweist – die Ingenieurkeramik hat gegenüber Metallen und Kunststoffen in immer mehr Einsatzfällen die Nase vorn. "Unser Geschäft läuft zur Zeit sehr gut," stellt denn auch Dr. Hans-Jürgen Pohlmann, Geschäftsführer der TeCe GmbH, Selb, fest. Hintergrund seien auch die Exporterfolge beispielsweise der Pumpenindustrie und der Anlagenbauer aus dem Umfeld der chemischen Verfahrenstechnik. „Entscheidend für unseren Markterfolg sind aber kurze Lieferzeiten, die Einhaltung der zugesagten Liefertermine und natürlich eine hohe Produktqualität“

Erhöhte Standzeiten mit Keramikrotoren

Für eine ganze Reihe von Konstrukteuren steht trotz aller charakteristischen Werkstoffvorteile fest: Keramik hat ihren Preis und ihr Einsatz bedarf zum anderen vieler konstruktiver Kompromisse.

Ganz gewiss ist es nicht sinnvoll, jedes dem Verschleiß unterliegende Bauteil aus technischer Keramik zu fertigen. Wenn der Austausch eines Verschleißteiles problemlos ist und insbesondere dabei die Produktion nicht gestört wird, reichen herkömmliche Werkstoffe meist vollkommen aus. Anders ist die Situation bei Bauteilen, die beispielsweise durch ihren hohen Verschleiß in einem wesentlichen Ausmaß die Produktivität einer Anlage bestimmen: "Wenn die Keramikversion materialbedingt teuerer sein sollte, dafür aber eine mehrfache Standzeit bietet, dann darf man nicht nur den Verkaufspreis sehen", stellt Dr. Pohlmann wohl zu Recht fest: "In diesen Fällen sind es die Lifecycle-Kosten, die in Betracht zu ziehen sind: Dann werden nicht nur die reinen Investitionskosten betrachtet, sondern auch die Aufwendungen für An- und Abfahrzeiten sowie für den Produktionsstillstand addiert."

TeCe hat bereits vor einigen Jahren in Zusammenarbeit mit dem Pumpenhersteller Netzsch mit der Entwicklung von Keramikrotoren für Exzenterschnecken-Pumpen begonnen. Auf der Basis dieses Know-hows offeriert der Keramik-Spezialist nun auch Schnecken für Extruder und Spritzgussmaschinen aus unterschiedlichen keramischen Hochleistungswerkstoffen. Günstig erweisen sich hier folgende Eigenschaften der Keramik:

• hohe Härte und damit hoher Verschleißwiderstand,

• gute Beständigkeit gegenüber sauren/basischen Medien,

• niedriger Wärmeausdehnungskoeffizient und

• niedriges spezifisches Gewicht.

Und man bietet jetzt auch verschleißfeste Keramik-Rotoren für Rührwerkskugelmühlen an. Vorteil für den Anwender: Es ist ein metallabriebfreies Mahlen möglich, was beim Zerkleinern beispielsweise von Farbpigmenten oder von Nahrungsmitteln ein gewichtiger Pluspunkt ist.

Konstruktive Kompromisse

Und wie sieht es mit den 'vielen konstruktiven Kompromissen' aus? So genannte Kompromisse müssen oft dann gemacht werden, wenn eine 1:1-Umsetzung zuvor metallischere Bauteile angestrebt wird.
Vom Grundsatz her gibt es aber einen besseren Weg: Jeder Werkstoff hat seine Eigenheiten, die es zu beachten gilt. Werden die wenigen Grundregeln für eine keramikgerechte Konstruktion beachtet, ist die Konstruktion mit Technischer Keramik nicht schwieriger als der Umgang mit anderen Werkstoffen.

Für den Erfolg ist allerdings die enge Zusammenarbeit zwischen Keramikhersteller und Konstrukteur wichtig: Bereits in der Planungsphase müssen Informationen über die genaue Funktion des zu entwerfenden Bauteils und die Eigenschaften der in Frage kommenden keramischen Werkstoffe beschafft werden. Die Machbarkeitsstudie sollte nicht nur die technischen Randbedingungen, sondern auch den Kostenrahmen abstecken, um die Gefahr von Fehlinvestitionen möglichst frühzeitig zu erkennen.

Keramische Auskleidungen

Der Geschäftsbereich Prozeßkeramik der CERA SYSTEM Verschleißschutz GmbH, Hermsdorf, hat langjährige Erfahrungen in der Fertigung und im Vertrieb von keramisch ausgekleideten Kugelhähnen. Bei diesen Armaturen sind die Auskleidung im Bereich des Medienstroms und die Kugel inklusive der Sitze aus Ingenieurkeramik (ZrO₂, Al₂O₃) gefertigt. Zum Einsatz kommen solche Kugelhähne überall in der Verfahrenstechnik, wenn besonders abrasive und/oder aggressive Medien zu fördern sind – also beispielsweise Polymermasse und Titandioxid in der Chemie, Kalkmilch in Rauchgasentschwefelungsanlagen oder Kaolinzusätzen in der Papierindustrie. Auch hier lohnt der Blick auf die Gesamtkosten einer Armatur, wie CERA System-Geschäftsführer Helmut Burghardt betont: "Ein Metallkugelhahn ist zwar um den Faktor 10 billiger. Aber medien- und strömungsabhängig weist beispielsweise unser Keramik-Kugelhahn SSK 3100 eine bis zu 50 mal höhere Standzeit auf!" Kugelhähne SSK 3100 gibt es in den Nennweiten DN 25 bis DN 200 (PN 10, 16, 25 und 40) für Temperaturen bis 180°C und Sonderausführungen bis 850°C. Gasdichte Varianten sind ebenfalls verfügbar. Als größter Anbieter von keramischen Kugelhähnen sieht Burghardt gerade in der Chemie einen bedeutenden Markt: "Man kann sich Stillstandszeiten aufgrund von Armaturendefekten ganz einfach nicht mehr leisten."

Rainer Steven, Vertriebsleiter der ETEC Gesellschaft für Technische Keramik mbH, Siegburg, sieht das ähnlich: "Unsere Anwender keramischer Kugelhähne wollen den Zeitraum zwischen zwei Instandhaltungen deutlich strecken – nur so können sie beispielsweise Produktionsausfälle minimieren und bei Personalkosten einsparen." Eine Besonderheit des Unternehmens sind mit GFK ummantelte Keramik-Rohrauskleidungen – bei herkömmlich ausgekleideten Stahlrohren ist die Keramik mit Kleber oder Mörtel fixiert. Vorteile der GFK-Variante gegenüber dem ursprünglichen Stahlrohr für den Anwender sind Gewichtsreduzierung um bis zu 60% (Handling-Vorteil) für gleiche Einbaumaße und Maßhaltigkeit.

Keramische Filterelemente

Die herausragenden Eigenschaften von keramischen Membranen sind seit langem anerkannt. Hohe thermische Stabilität, chemische Beständigkeit über nahezu den gesamten pH-Bereich und Stabilität gegenüber bakteriellem Angriff charakterisieren die keramischen Filtermaterialien. Dadurch ist auch die Behandlung problematischer Medien möglich. Gegenüber Polymermembranen sind – neben den erweiterten Einsatzgebieten – auch die materialbedingten, sehr langen Standzeiten von Vorteil.

Generell zeigen sich die Keramik-Anbieter ausgesprochen optimistisch. Beispiel Kerafol Keramische Folien GmbH, Eschenbach. Christian Münch sieht "alle Bereiche stark wachsend". Freude macht offenbar insbesondere der Anwendungsbereich Crossflow-Filtration mit den Keramik-Rotationsfiltern TRF (turbulent flow): Hierbei wird nicht das Medium über die Filteroberfläche geführt, sondern die Filter selbst rotieren. Vorteil: Es sind Überströmgeschwindigkeiten von mehr als 10 m/s möglich, der erforderliche Energieeintrag zur Trennung ist geringer als bei herkömmlichen Crossflow-Filtern. Die strömungsgünstigen Keramikfilter weisen zudem eine sehr glatte Oberfläche auf. In Verbindung mit weiteren strömungstechnischen Finessen wird so ein Festsetzen von verblockenden Stoffen sicher verhindert. Darüber hinaus lassen sich Keramikmembranen innerhalb des Prozess-Systems regenerieren, wie z.B. durch Heißdampf-Sterilisation oder automatische Rückspülung. Anwendungen für die Keramik-Membranen (gefertigt aus ZrO₂, Al₂O₃, MgAl₂O₄) finden sich beispielsweise bei der Aufbereitung korrosiver Medien unter hohen Betriebstemperaturen und bei der Emulsionsspaltung. Für variable Porengrößen (2 µm bis 7 nm) in Kombination mit rotierenden sieht das Unternehmen erweiterte Anwendungsbereiche.

Hohe Trennschärfe

Auch die Rauschert Technische Keramik, Pressig, sieht Chancen in der keramischen Nanofiltration. Die vom Unternehmen im Rahmen eines BMBF-Verbundprojektes zusammen mit dem Hermsdorfer Institut für Technische Keramik entwickelte Membran besitzt einen asymmetrischen Multischichtaufbau: Auf einem grobporösen Träger aus reinem Aluminiumoxid wird durch Sol-Gel-Technik eine Nanofiltrationsmembran aus Titanoxid aufgebracht. Projektmanager Friedrich Moeller von Rauschert: "Die Resonanz des Marktes auf unsere neue NF-Filtrationsmembran ist sehr gut. Die Anwender schätzen die Vorteile wie hohe Temperaturbeständigkeit bis 350°C, gute Korrosionsbeständigkeit, gute Lösemittelbeständigkeit, die Verschleißbeständigkeit gegenüber abrasiven Medien und die scharfe Trenngrenze bei 450 g/mol." Als Praxiseinsatz wird z.B. die Reinigung farbstoffbelasteter Abwässer der Textilindustrie. Mögliche weitere Applikationen sind die Teilentsalzung oder die Rückhaltung hochmolekularer Tenside angegeben.

Fazit

Ingenieurkeramiken eröffnen neue Möglichkeiten zur Verfahrensoptimierung. Wesentlich für den erfolgreichen industriellen Einsatz von Hochleistungskeramiken ist allerdings die ganzheitliche Betrachtungsweise:
Analyse der Aufgabe, Konstruktion, Werkstoffauswahl und Fertigung müssen als geschlossene Prozesskette verstanden werden, wobei der Kontakt zum Keramikhersteller frühzeitig gesucht werden sollte.

08. Januar 2004