Vergleich der Fließfähigkeit von Pulvern und Schüttgütern

Fließfähigkeit von Pulvern und Schüttgütern

Die Fließfähigkeit ist ein zentraler Parameter für die Handhabung, Lagerung und Verarbeitung von Pulvern und Schüttgütern. Sie beeinflusst die Prozesssicherheit und Produktqualität in vielen Industriezweigen. In der praktischen Anwendung haben sich verschiedene Methoden zur einfachen und schnellen Quantifizierung der Fließfähigkeit für unterschiedliche Anwendungen etabliert.

• Qualitätskontrolle (z. B. Chargenüberwachung)
• Produktzertifizierung (Einhaltung von Grenzwerten und Vorgaben vom Abnehmer)
• Produktoptimierung (z. B. Anpassung an Prozessanforderungen)

Rieselfähigkeit

Bestimmung der Durchflusszeit einer definierten Menge Material durch eine standardisierte Öffnung:

• Einfache und schnelle Messung
• Für Applikationen in loser Schüttung geeignet
• nur für kohäsionslose oder schwach kohäsive Stoffe geeignet
• dimensionsloser Faktor zum Vergleich der Fließfähigkeit

Schüttwinkel (Böschungswinkel)

Bestimmung des Winkels, den ein Schüttgut durch herabrieseln aus einem Trichter unter genormten Bedingungen auf eine ebene Fläche bildet:

• Einfache und schnelle Messung
• Als Indikator für Applikationen in loser Schüttung geeignet
• Ableitung der Fließfähigkeit durch den Schüttwinkel. Größere Schüttwinkel deuten auf schlechtere Fließfähigkeit hin
• Hohe Kohäsion führt zu schlechter Reproduzierbarkeit der Ergebnisse

Fließfähigkeitsfaktor (ffc, FL, FLA)

Bestimmung der Fließfähigkeit durch Messung des Fließorts bei einer vorgegebenen Verfestigungsspannung im Schertest. Standardisiertes Messverfahren zur Bestimmung der inneren Reibung im konsolidierten Zustand:

• Bestimmung der Fließfähigkeit im konsolidierten Zustand
• Fließfähigkeitsfaktor (ffc, FL) abhängig vom Spannungsniveau
• Gleichzeitige Messung verschiedener Stoffparameter wie innerer Reibungswinkel, Kohäsion & Druckfestigkeit, ...
• Qualitative, reale Stoffdaten für weiterführende Berechnungen
• Ermittlung von Zeitverfestigung möglich
• Aufwendiger und zeitintensiver

Der Fließfähigkeitsfaktor bietet eine einfache und schnelle Möglichkeit, Stoffe quantitativ hinsichtlich ihrer Fließfähigkeit zu bewerten. Um Pulver zu klassifizieren und die Fließfähigkeit in einem einzigen Parameter zu quantifizieren, hat sich der Fließfähigkeitsfaktor (FL = ffc = σ₁/σ_c) als der am häufigsten genutzte erwiesen.

Die Bestimmung von Fließorten liefert zentrale mechanische Kennwerte zur Beschreibung des Fließverhaltens von Schüttgütern. Zu den typischerweise erfassten Parametern zählen u. a. die Hauptspannungen (σ₁, σ₂), die einaxiale Druckfestigkeit (σ_c), die Zugfestigkeit (σ_t), der innere Reibungswinkel (φ_i) sowie die Kohäsion (Τ_c).

Der Fließfähigkeitsfaktor ist ein dimensionsloser Kennwert zur schnellen Klassifikation von Pulvern und Schüttgütern hinsichtlich ihrer Fließfähigkeit und zur Bewertung der Gebrauchstauglichkeit in verfahrenstechnischen Anlagen. In der Praxis wird häufig der Fließfähigkeitsfaktor (FL = ffc = σ₁/σ_c) als Verhältnis der größten Hauptspannung zur Druckfestigkeit zur Quantifizierung der Fließfähigkeit verwendet.

Da die Druckfestigkeit σ_c immer vom Konsolidierungszustand abhängig ist, sind Vergleichswerte nur aussagekräftig, wenn diese bei gleicher Konsolidierungsspannung σ₁ ermittelt wurden. Der Fließfähigkeitsfaktor erlaubt eine pragmatische Einordnung, zeigt jedoch eine nichtlineare Empfindlichkeit gegenüber den zugrunde liegenden Messgrößen und muss deshalb im Kontext weiterer Kennwerte interpretiert werden.

Da sich gezeigt hat, dass der typische Fließfähigkeitsfaktor nicht für alle Materialien gleichsam geeignet war, wird auch eine Weiterentwicklung des klassischen Fließfähigkeitsfaktors verwendet. Der relative Fließfaktor (FLR) berücksichtigt dabei die Differenz zwischen der größten und der mittleren Hauptspannung im Verhältnis zur Druckfestigkeit und wird wie folgt berechnet: FLR = (σ₁ - σ₂) / σ_c. Dieser Kennwert ist besonders sensitiv gegenüber Materialien mit ausgeprägter innerer Reibung und ergänzt den klassischen FL.

Um Schüttgüter mit unterschiedlichen Dichten noch besser vergleichen zu können, berücksichtigt der absolute Fließfähigkeitsfaktor (FLA) die unterschiedlichen Dichten der Schüttgüter und ermöglicht eine genauere Klassifizierung. Dieser absolute Fließfähigkeitsfaktor (FLA) ist definiert als das Produkt aus dem relativen Fließfähigkeitsfaktor (FLR) und der Schüttdichte (ρ_b0) des Materials. FLA = FLR * ρ_b0. Durch die Einbeziehung der Schüttdichte wird die Vergleichbarkeit zwischen Materialien mit unterschiedlichen Dichten verbessert, was zu einer präziseren Einordnung der Fließeigenschaften führt. In der Praxis wird häufig der absolute Fließfähigkeitsfaktor (FLA) anstelle des relativen Fließfähigkeitsfaktors (FLR) verwendet.

Die Klassifikation von Schüttgütern anhand des Fließfähigkeitsfaktors bietet eine schnelle und einfache Möglichkeit, das Fließverhalten zu bewerten. Dennoch sollte beachtet werden, dass dieser Faktor allein nicht alle Aspekte der Fließeigenschaften erfasst. Für eine umfassende Analyse sollten weitere mechanische Kennwerte und das spezifische Anwendungsumfeld berücksichtigt werden.

Schüttgüter mit ähnlichen Fließfähigkeitsfaktoren sollen ähnliches Fließverhalten in der Anwendung zeigen. Höhere Werte deuten auf bessere Fließeigenschaften hin, während niedrigere Werte auf eine eingeschränkte Fließfähigkeit hinweisen, was die Überprüfung von Silogängigkeit oder Verarbeitungsmöglichkeiten erfordert.

Dieses Verfahren bietet eine Methode, um verfahrenstechnische Prozesse bei Produktumstellungen oder unterschiedlichen Chargen von Roh- oder Produktstoffen hinsichtlich ihrer Verwendbarkeit zu gewährleisten.

Fließfunktion

Um die Fließfähigkeit eines Schüttguts über einen größeren Spannungsbereich abzubilden, wird die Fließfähigkeit bei verschiedenen Konsolidierungsspannungen gemessen. Die so erhaltenen Fließorte beschreiben die Abhängigkeit des Fließorts von der Konsolidierungsspannung und repräsentieren die Druckfestigkeit des Materials in Abhängigkeit von der Verfestigungsspannung. Die Fließfunktion wird in einem σ₁-σ_c-Diagramm dargestellt.

Die Fließfunktion wird verwendet, um weiterführende technologische Berechnungen (wie z.B. die Bestimmung der minimalen Auslauföffnung im Trichter) durchzuführen. Zur Ermittlung werden Fließorte bei mindestens drei unterschiedlichen Konsolidierungsspannungen gemessen, die den Anwendungsbereich abdecken sollten. Oft wird die Fließfunktion durch eine lineare Gleichung dargestellt, was weiterführende Berechnungen erleichtert. Jedoch zeigt sich hinsichtlich niedrigerer Spannungsbereiche oft ein gekrümmter Verlauf, welcher auch darin begründet ist, dass die Druckfestigkeit (σ_c) nicht größer sein kann als die größte Hauptspannung (σ₁). Ein Fließfähigkeitsfaktor kleiner als eins ist somit nicht möglich.

Bei höheren Spannungen können Schüttgüter durch Sättigungseffekte, Zersetzung oder Abrieb veränderte Fließeigenschaften aufweisen. Aber auch Verklumpungen oder ähnliche Effekte können sich einstellen und die Fließfähigkeit beeinflussen. Durch Messungen über einen größeren Spannungsbereich können diese Effekte sichtbar gemacht werden und Anwendungssicherheit herstellen.

Fließfunktionen mit dazugehörigen Fließfähigkeitsfaktoren für drei unterschiedliche Materialien.
Automatisch generierte Auswertung der Fließfunktion(en) nach den Messungen.

Anwendungsbeispiel

Die Fließfähigkeit eines Schüttguts hat direkten Einfluss auf die Austragsleistung aus Silos, Trichtern oder anderen Behältern. Eine gute Fließfähigkeit ermöglicht einen reibungslosen Materialfluss, während eine schlechte Fließfähigkeit zu Problemen wie Brückenbildung, Kern- oder sogar Schlotfluss einhergehend mit unregelmäßigem Materialfluss führen kann. Dies kann die Effizienz von Produktionsprozessen beeinträchtigen und zu Ausfallzeiten führen.

Verändert sich die Fließfähigkeit eines Schüttguts, z.B. durch Feuchtigkeitsaufnahme, Partikelveränderung oder andere Einflüsse, kann dies die Funktion der gesamten Anlage beeinträchtigen. Daher ist es wichtig, die Fließfähigkeit im laufenden Prozess oder bei Produktumstellung zu überwachen, um einen reibungslosen Prozessablauf sicherzustellen.