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Fließfähigkeit Kann man die Fließfähigkeit von Pulvern messen?

Redakteur: Wolfgang Geisler

Der Umgang mit Schüttgütern ist nicht immer einfach. So bereitet es kein Problem, Pulver in einen Silo zu füllen, aber nicht immer lässt es sich auch wieder daraus entnehmen. Im Folgenden wird ein Werkzeug präsentiert, mit dem eine Vorhersage des Schüttgut-Verhaltens ermöglicht wird.

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Pulver bzw. Schüttgüter (bulk solids) sind gekörnte Materialien deren Grundelemente in der Größe von Mikrometer-Partikeln bis hin zu großen Steinen und Mineralien variieren. Im Gegensatz zu Flüssigkeiten, die unter dem Einfluss der Gravitationskraft meistens bestrebt sind eine horizontale Oberfläche zu erzielen, zeigen pulverförmige Stoffe eine Struktur, die es ihnen erlaubt in Abhängigkeit von der inneren Reibung „Halden“ zu formen, deren Oberfläche einen Winkel zur Grundfläche bilden auf der sie platziert werden. Bei Umgebungsbedingungen verändern Pulver ihr Fließverhalten aufgrund variabler Scherraten nicht, wogegen die meisten Flüssigkeiten dies tun. Wenn ein Silo mit Schüttgut beladen wird, kann der dabei entstehende Druck die Festigkeit (z.B. durch den Anstieg der internen Reibung) des Schüttgutes erhöhen, während eine Flüssigkeit unter Druck nur begrenzte Änderungen in der Rheologie zeigt. Eine Folge ist, dass das Schüttgut mehr Festigkeit erlangt und weniger leicht fließt.

Typische industrielle Probleme beim Umgang mit Pulvern

Das klassische Problem sind Fehlfunktionen beim zuverlässigen Entladen von Bunkern, Silos, Zuliefer- und ähnlichen Einrichtungen. Diese verursachen ungeplante Unterbrechungen im Produktionsprozess und können gelegentlich sogar zum kompletten Betriebsstillstand führen, um die Fließbehinderungen und Ausfälle zu korrigieren.

Qualitätskontrollabteilungen beschäftigen sich permanent mit Rohstoffen in Pulverform, die von verschiedenen Lieferanten kommen. Die Veränderlichkeit in Teilchengröße, Feuchtigkeitsgehalt und in der Natur der Grundstoffe erfordert eine Vielzahl von Eingangskontrolltests, um abzusichern, dass ein hinreichender Pulverfluss stattfinden wird, wenn der Rohstoff in die Produktionseinheit überführt werden soll.

Forschungsabteilungen sind fortwährend damit beschäftigt, Formulierungen von pulverförmigen Produkten nach kundenspezifischen Anforderungen zur verändern bzw. zu verbessern. Modifizierte Pulverformulierungen haben jedoch nicht zwingenderweise die gleichen Fließeigenschaften wie das Produkt zuvor, wodurch es zu Produktionsproblemen kommen kann, wenn der Prozess „hochgefahren“ wird.

Potenzielle Fließprobleme bei Pulvern erkennen

Es gibt eine anerkannte und bewährte wissenschaftliche Methode – die Ermittlung der Fließfunktion (Flow Function-Test) – welche Pulver auf ihr Fließverhalten hin analysieren kann. Der Standard ASTM D6128 (Standard Test Method for Shear Testing of Bulk Solids Using the Jenike Shear Cell) beschreibt diese Prozedur für verdichtete und gescherte Pulverproben in einer definierten Zelle. Die resultierenden Daten erzeugen eine Fließfunktion (Flow Function), die viel größere Aussagekraft hat als das Resultat bei Flüssigkeiten, wenn diese mit einem Viskosimeter gemessen werden, um deren Fließkurve (Flow Curve) zu erhalten. Die Analyse der Fließfunktion führt zur Berechnung der erforderlichen Dimensionen für die Größe der Öffnung am Siloboden, um ein zuverlässiges Entladen des Pulvers sicher zu stellen.

Obwohl der Standard ASTM D6128 seit vielen Jahren existiert, ist die hierfür notwendige Messtechnik bislang sehr teuer in der Anschaffung gewesen und erforderte in der Regel einen erfahrenen Bediener. Zusätzlich musste oftmals auch ein technischer Experte konsultiert werden, um die Resultate sicher interpretieren zu können.

Eine Alternative bietet sich jetzt mit dem neuen Powder Flow-Tester PFT von Brookfield Engineering. Damit kann auch eine untrainierte Person innerhalb von wenigen Minuten definierte Versuche durchführen und Messdaten aufnehmen. Die automatisierte Analyse durch die zugehörige Software „Powder Flow Pro“ bestimmt dann z.B. die notwendige Siloöffnung für zuverlässiges Pulverfließen und erlaubt damit allen Nutzern, die für ihr Unternehmen nötigen Daten selbst aufzunehmen. Durch die automatisierte Verarbeitung und Auswertung ergibt sich hier eine kommerziell interessante Möglichkeit zur Erweiterung der Produktüberwachung.

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