Welt­weit bewähr­te Auf­be­rei­tungs­tech­nik für die Kohlenstoffindustrie

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, wie 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.

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 soge­nann­te 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.

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 vor­züg­li­ches Kos­ten-Nut­zen-Ver­hält­nis führ­te dazu, dass die EIRICH-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 EIRICH 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 4 bis 12 t/h. Der EIRICH-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.

Für die Her­stel­ler von Spe­zia­li­tä­ten ste­hen seit eini­gen Jah­ren induk­tiv beheiz­te Mischer in Bau­grö­ßen zwi­schen 5 und 400 Liter zur Ver­fü­gung, die eben­so sys­tem­be­dingt alle — auch extrem zäh­plas­ti­sche — Kon­sis­ten­zen ver­ar­bei­ten kön­nen. Die induk­ti­ve Behei­zung des Misch­be­häl­ters bewirkt eine direk­te Erzeu­gung der Wär­me in der Wan­dung des Misch­be­häl­ters. Der schnel­le Wär­me­über­gang zwi­schen dem inten­siv beweg­ten Misch­gut und der rotie­ren­der 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 soge­nann­te Def­u­m­ing, kann damit schnell gestar­tet und gezielt gestoppt wer­den, wenn die Mas­se aus­rei­chend tro­cken ist, um wei­ter­ver­ar­bei­tet bzw. geformt zu wer­den. Mit Heiz­leis­tun­gen zwi­schen 5 und 250 kW wird auch Mischen mit hoch­schmel­zen­den Bin­de­mit­teln, wie z. B. 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.

Her­stel­ler, wel­che die Auf­be­rei­tungs­tech­nik von EIRICH wähl­ten, bestä­ti­gen bis zu 50 % Ein­spa­run­gen bei den Inves­ti­ti­ons­kos­ten, und bis zu 30 % weni­ger Unter­halts­kos­ten. Dies ist der Grund, dass auch aktu­ell wie­der meh­re­re Auf­trä­ge gewon­nen wer­den konn­ten, wie 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.