Prüfung von Speisern und Speisermassen

Häufig wird allgemein angenommen, dass die Richtlinie P81 auch als Wirksamkeitsprüfung für die exothermen Speiser herangezogen werden kann, wobei man eine Korrelation zwischen Abbrennverhalten und Wirksamkeit des Speisers annimmt. Da jedoch beim Abbrennen von außen der Luftsauerstoff für die Reaktion der Speisermasse mitgenutzt wird, während beim Gießen im vollständig eingeformten System nur der innerhalb der Rezeptur vorliegende Sauerstoff zur Verfügung steht und diese Sauerstoffverbindungen erst aufgespalten werden müssen, sind Brennverhalten und Abgussverhalten zwei verschiedene Reaktionsmechanismen, die nicht miteinander korrelieren. Dies wird unter dem Rasterelektronenmikroskop (REM) deutlich (Bild 1).

Prüfergebnisse

Nachfolgend sollen ausgewählte Ergebnisse einer exothermen, nach dem oben beschriebenen Verfahren geprüften Speiserrezeptur dargestellt werden. In Bild 3 sind die „Brennkurven“ nach P81 einer exothermen Speisermasse, gekennzeichnet mit „A“ als Doppelbestimmung, dargestellt. Dabei handelt es sich um in der F&E hergestellte und abgeprüfte Laborproben. Gemessen wird die Temperatur über die Zeit mit Thermoelementen des Typs B, Pt30 % Rh/Pt6 %Rh (Genauigkeit Class 3 ±4,0 °C oder ±0,005 | t |). Die Thermoelemente werden in keramischen Schutzrohren (610 Pythagoras) mit definiertem Innen- und Außendurchmesser gemantelt, um die Schädigung der Thermoelemente zu vermeiden.

Bild 4 zeigt die Temperatur-Zeit-Kurven von drei F&E-Proben und fünf Proben aus der laufenden Produktion der exothermen Speisermasse „A“. Dargestellt sind der besseren Übersichtlichkeit wegen jeweils Einzelmessungen.

Tabelle 1 fasst die wesentlichen Kennwerte der Speisermasse „A“ zusammen. Die Gegenüberstellung der Produktions- und Labordaten zeigt eine gute Übereinstimmung. In den Methodenfehler gehen Messfehler, verursacht durch die Messunsicherheiten der Thermoelemente, durch die Ausgleichsleitungen zwischen Thermoelement und Datenlogger sowie die Fehler bedingt durch die Mantelung mit dem keramischen Schutzrohr ein. Diese Fehler lassen sich durch die Auswahl geeigneter Thermoelemente unter Berücksichtigung von Anwendungstemperaturen und Genauigkeitsklassen minimieren. Außerdem kann eine Kalibration des Messaufbaus, d.h. Thermoelement, Ausgleichsleitung und Datenlogger, erfolgen. Größere Fehler beruhen auf der Handhabung der Methode selbst, z. B. durch Einsatz ungeeigneter Thermoelemente, ungeeigneter oder ungleichmäßig ausgebildeter Schutzrohre sowie ungleichmäßiger Bohrung der Löcher für die Thermoelemente.

Tabelle 1: Übersicht der Kennwerte einer exothermen Rezeptur, die F&E-Laborproben und Produktionschargen der Speiserrezeptur „A“ enthält.

Auf diese Weise werden die Temperatur-Zeit-Kurven jeder exothermen Speisermasse ermittelt (Bild 5). Die Kenndaten Zünd- und Brennzeit dienen als Sollwerte für die laufende Produktionskontrolle, die weiteren Kenndaten zur Kontrolle der Rückstellproben im Falle von Beanstandungen.

Von der Prüfung des Abbrennverhaltens von organisch gebundenen Speisern in Anlehnung an die BDG Richtlinie P81 mittels Infrarot- oder Pyrometermessung wurde bei der Chemex nach Versuchen mit Geräten verschiedener Hersteller Abstand genommen. Bei dieser Messmethode wird die vom Prüfkörper emittierte Infrarotstrahlung erfasst. Der Emissionsgrad ist dabei vom Material, der Oberflächenbeschaffenheit, von der Temperatur, der Wellenlänge und dem Messaufbau abhängig. Dabei weisen feuerfeste Füllstoffe andere Emissionsgrade auf als Metalle. Da es sich bei den Pyrometermessungen um Punktmessungen von wenigen Millimetern Durchmesser auf der Oberfläche (meist werden 1 bis 3 mm von den Herstellern empfohlen) handelt und die Rohstoffe innerhalb der Speiser, sowohl Nichtmetalle als auch Metalle, meist im Korngrößenbereich von 0 bis 1 mm liegen, variiert, je nachdem welche Körner beim Abbrand erfasst werden, das Messergebnis in einem nicht akzeptablen Bereich. Die mögliche Rauchentwicklung in Abhängigkeit vom verwendeten Bindersystem kann die Messergebnisse zusätzlich verfälschen. In Bild 6 sind F&E-Proben der Speisermasse „A“ als 3-fach-Bestimmung dargestellt. Die Messdifferenzen bei einer Mehrfachbestimmung sind dabei nicht akzeptabel.

Prüfung nach interner Gießmethode

Die oben beschriebene interne Gießmethode P14-84 zur Rezepturerarbeitung führt ebenfalls zur Erfassung von Temperatur-Zeit-Kurven. Die Messungen erfolgten mit Thermoelementen des Typs B, Pt 30 % Rh / Pt 6 % Rh (Genauigkeit Class 3 ±4,0 °C oder ± 0,005 | t |). Die Thermoelemente sind mit Quarzglasrohren mit definiertem Innen- und Außendurchmesser gemantelt. Als zu prüfende Speisergeometrie wird EK 40/70 verwendet. Wirksamkeitsrelevante, aus diesen Kurven gewonnene Kenndaten sind Tmax sowie die Zeit bis zum Erreichen von 1200 °C und 1140 °C. Da die Messung bei offener Speiseroberfläche erfolgt, sind die Kenndaten nicht mit einem geschlossenen System beim Abgießen in der Gießerei vergleichbar. Die Methode gestattet aber den Vergleich von Rezepturen für eine erste Beurteilung der Speisungswirkung. Bild 7 zeigt die Temperatur-Zeit- Kurven aufgenommen beim Gießen nach Methode P14-84. Es handelt sich jeweils um zwei F&E-Chargen, die jeweils als 3-fach-Bestimmung an zwei verschiedenen Gießtagen geprüft wurden. Tabelle 2 gibt die aus den Kurvenverläufen ermittelten Kenndaten wieder.

Tabelle 2: Übersicht der Kennwerte exothermer Speiser von F&E-Laborproben der Speiserrezeptur „A“

In Bild 8 sind die Temperatur Zeit-Kurven von vier Produktionschargen der Speiser „B“ dargestellt. Abgeprüft wurde hier nicht die Geometrie EK 40/70, sondern EKD 70T.

Die vier Produktionschargen zeigen im Rahmen des Methodenfehlers vergleichbare Speisungswirkungen. Dies geht auch aus den Kenndaten der Tabelle 3 hervor.

Tabelle 3: Übersicht der Kennwerte exothermer Speiser von vier Produktionschargen der Speiserrezeptur „B“.

In Bild 10 sind die Ergebnisse der exothermen Speisermasse „A“ im Vergleich zum Naturspeiser dargestellt. Aus den Bildern geht hervor, dass der exotherme Speiser „A“ einen Modulverlängerungsfaktor von 1,4 bis 1,6 aufweist.

Neben einfachen Würfel- oder Plattenversuchen in der F&E zur Erfassung der Kenndaten der Speiserrezepturen erfolgen auch das Abgießen über verschiedene Speisergeometrien und -rezepturen, z. B. als Tele-Speiser für eine umfassende Kundenberatung (Bild 11).

Wie aus Bild 13 erkennbar, unterscheiden sich die Kenndaten der Prüfverfahren P81 und P14-84 signifikant, da keine Korrelation zwischen dem Abbrandverhalten und dem Abgussverhalten erkennbar ist. Daher ist die Prüfung nach P81 ausschließlich zur Prüfung exothermer Massen, nicht aber zur Wirksamkeitsprüfung der exothermen Speiser geeignet. Aus diesem Grund arbeitet die Chemex, gemeinsam mit weiteren Herstellern, an der Entwicklung einer verbesserten Prüfmethode von Speisern, die auch beim Kunden zum Einsatz kommen soll.