Keramik-Anwendungen im Fokus

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. Gefordert werden diese Eigenschaften beispielsweise von Auskleidungen für Armaturen, Pumpen und Rohren, in der Filtertechnik oder auch bei Füllkörpern und Katalysatorträgern.

Besondere Erfolge verzeichnen zunehmend Composit-Werkstoffe, wie sie unter anderem die Schunk Kohlenstofftechnik GmbH, Heuchelheim, produziert. Eine der Besonderheiten bei diesem Anbieter ist der Mischwerkstoff SiC30, eine Kombination aus Siliziumkarbid (62%) und Graphit (35%). Den Anwendernutzen bringt Vertriebsleiter Joachim Heym so auf den Punkt: „Unsere Entwicklungsingenieure konnten die Produktvorteile beider Werkstoffe miteinander verbinden.“ Mischreibungszustände, wie sie beispielsweise beim An- und Abfahren von Pumpen auftreten, bleiben mit dem SiC30 sehr gut beherrschbar. Zudem ist dieser Werkstoff thermoschockbeständig, chemisch weitestgehend inert, blister-stabil sowie abrasionsfest. Der Composit-Werkstoff eignet sich daher besonders für Gleitringe und Lager beim Betrieb in nichtschmierenden Medien. Aufgrund solcher Spezialentwicklungen festigt sich bei immer mehr Anwendern die Erkenntnis, dass der Werkstoff Keramik noch erhebliche Potentiale besitzt.

Für eine ganze Reihe von Konstrukteuren steht trotz aller charakteristischen Werkstoffvorteile fest: Keramik hat ihren Preis und ihr Einsatz bedarf vieler konstruktiver Kompromisse. Gewiss ist es nicht sinnvoll, jedes dem Verschleiß unterliegende Bauteil aus technischer Keramik zu fertigen. Wenn ein Verschleißteil einfach auszuwechseln ist, reichen herkömmliche Werkstoffe meist vollkommen aus. Anders ist die Situation bei Bauteilen, die beispielsweise durch ihren hohen Verschleiß die Produktivität einer Anlage bestimmen: „Wenn die Keramikversion teurer sein sollte, dafür aber ein mehrfaches der herkömmlichen Standzeit bietet, darf nicht nur der Verkaufspreis gesehen werden“, stellt Dr. Pohlmann, Geschäftsführer der TeCe GmbH, Selb, zu Recht fest: „In diesen Fällen sind es die Lifecycle-Kosten, die in Betracht zu ziehen sind.“

TeCe hat bereits vor einigen Jahren in Zusammenarbeit mit dem Pumpenhersteller Netzsch mit der Entwicklung von Keramikrotoren für Exzenterschneckenpumpen begonnen. Auf der Basis dieses Know-hows fertigt der Keramik-Spezialist nun auch Schnecken für Extruder und Spritzgussmaschinen sowie Rotoren für Rührwerkskugelmühlen aus unterschiedlichen keramischen Hochleistungswerkstoffen. „Unser Geschäft läuft zur Zeit sehr gut,“ bemerkt Dr. Hans-Jürgen Pohlmann. Hintergrund seien auch die Exporterfolge beispielsweise der Pumpenindustrie und der Anlagenbauer aus dem Umfeld der chemischen Verfahrenstechnik. „Entscheidend für unseren Erfolg sind aber kurze Lieferzeiten, die Einhaltung der zugesagten Liefertermine und natürlich eine hohe Produktqualität.“

Konstruktive Kompromisse beim Einsatz von Keramikbauteilen müssen oft dann gemacht werden, wenn eine 1:1-Umsetzung zuvor metallischer Bauteile angestrebt ist. Werden jedoch die wenigen Grundregeln für eine keramikgerechte Konstruktion beachtet, ist diese mit technischer Keramik nicht schwieriger als der Umgang mit anderen Werkstoffen. Für den Erfolg ist allerdings eine 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.

Der Geschäftsbereich Prozesskeramik der Cera System Verschleißschutz GmbH, Hermsdorf, zum Beispiel hat langjährige Erfahrungen in der Fertigung und im Vertrieb von keramisch ausgekleideten Kugelhähnen. Bei diesen Armaturen sind die Auskleidungen im Bereich des Medienstroms und die Kugel inklusive der Sitze aus ZrO2 oder Al2O3 gefertigt. Zum Einsatz kommen die Kugelhähne, wenn besonders abrasive oder aggressive Medien zu fördern sind, beispielsweise Polymermassen und Titandioxid in der Chemie, Kalkmilch in Rauchgasentschwefelungsanlagen oder Kaolinzusätze 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 für Temperaturen bis 180 °C (Sonderausführungen bis 850 °C). Gasdichte Varianten sind ebenfalls verfügbar. Burghardt sieht 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 dieses Unternehmens sind mit GFK ummantelte Keramik-Rohrauskleidungen. Vorteile der GFK-Variante gegenüber dem ursprünglichen Stahlrohr für den Anwender sind eine Gewichtsreduzierung um bis zu 60% für gleiche Einbaumaße.

Der Werkstoff Keramik zeigt auch beim Einsatz als Membran seine herausragenden Eigenschaften. 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. Generell zeigen sich die Keramik-Anbieter ausgesprochen optimistisch. Christian Münch von Kerafol Keramische Folien GmbH, Eschenbach, beispielweise sieht „alle Bereiche stark wachsend“. Besonderen Anklang findet offenbar der Anwendungsbereich Crossflow-Filtration mit den Keramik-Rotationsfiltern TRF. Hierbei wird nicht das Medium über die Filteroberfläche geführt, sondern die Filter selbst rotieren. Damit sind Überströmgeschwindigkeiten von mehr als 10 m/s möglich, und der erforderliche Energieeintrag zur Trennung ist geringer als bei herkömmlichen Crossflow-Filtern. Die 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 die Keramikmembranen innerhalb des Prozesssystems regenerieren, zum Beispiel durch Heißdampf-Sterilisation oder automatische Rückspülung. Anwendungen für die Keramik-Membranen aus ZrO2, Al2O3, MgAl2O4 finden sich beispielsweise bei der Aufbereitung korrosiver Medien unter hohen Betriebstemperaturen und bei der Emulsionsspaltung. Für variable Porengrößen von 7 nm bis 2 µm in Kombination mit rotierenden Filtern sieht das Unternehmen weite Anwendungsbereiche.

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 Nanofiltrationsmembran 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.“ Ein Praxiseinsatz ist zum Beispiel die Reinigung farbstoffbelasteter Abwässer der Textilindustrie. Mögliche weitere Applikationen sind die Teilentsalzung oder die Rückhaltung hochmolekularer Tenside.

Composit-Werkstoffe

E cav 201

Keramikrotoren

E cav 202

Keramisch ausgekleidete Kugelhähne

E cav 203

Keramik-Rohrauskleidung

E cav 204

Keramik-Rotationsfilter

E cav 205

Nanofiltrationsmembran

E cav 206