GOLDEN, CO — CoorsTek ist ein weltweit führender Anbieter von technischen Keramiken, also Werkstoffen, die äußerst widerstandsfähig gegen mechanische, chemische, elektrische und thermische Beanspruchungen sind. Die Anwendungsbereiche erstrecken sich über zahlreiche Branchen, darunter Luft- und Raumfahrt sowie Verteidigung, Chemie, Elektronik, Energie, Medizin und Halbleiter.
Im Jahr 2019 eröffnete CoorsTek sein „Center for Advanced Materials“ (CCAM) in Golden, Colorado. Es vereint ein Forschungs- und Entwicklungszentrum, ein Analyselabor und eine Produktionsstätte für Werkstoffe unter einem Dach. Das CCAM hat es sich zur Aufgabe gemacht, die Herstellung von Keramikprodukten für den kommerziellen Einsatz mithilfe modernster Technologien voranzutreiben.
Der Produktionsbereich des Unternehmens ist auf die Verarbeitung von Aluminiumoxid (Al₂O₃) spezialisiert, das auf der Mohs-Härteskala den Wert 9 erreicht und damit knapp unter Diamant liegt. „Es ist extrem abrasiv“, sagt Andrew Harm, Prozessingenieur bei CoorsTek, der die Inbetriebnahme der acht pneumatischen Fördersysteme bei CCAM leitete. Diese Dünnphasenleitungen wurden gebaut, um das Aluminiumoxid zwischen den einzelnen Arbeitsschritten zu transportieren – vom Entladen der Eisenbahnwaggons über das Mischen, Mahlen und Sprühtrocknen bis hin zur Lagerung. Die Rohrbögen der Fördersysteme waren dem abrasiven Aluminiumoxid leider nicht gewachsen.
„Ich glaube, es wurde nicht deutlich genug vermittelt, wie abrasiv unsere Materialien sind“, sagt Harm. „Sie haben sehr schnell Löcher in die Rohrbögen gebohrt.“ In einigen Fällen versagten die Rohrbögen bereits nach der Förderung von nur 20.000 bis 30.000 lb (9.100 bis 13.600 kg) Aluminiumoxid. „Unsere Chargengröße beträgt 100.000 lb (45.400 kg), daher war das für uns ein erhebliches Problem.“
Neben den Ausfallzeiten führte der vorzeitige Verschleiß zu einer Produktverunreinigung mit bis zu 150 ppm magnetischem Eisen, das durch den Verschleiß von Rohrleitungen und Rohrbögen entstand. „Wir legen großen Wert darauf, dass unser Material kein Eisen enthält, insbesondere bei den Materialien, die für die Halbleiterindustrie und den Verteidigungssektor bestimmt sind“, sagt Harm. „Die chemische Zusammensetzung und die Reinheit sind äußerst wichtig.“
Verhindern, dass abrasives Aluminiumoxid auf die Wand des Winkelstücks auftrifft
Die Keramikauskleidungen der ursprünglichen Rohrbögen wiesen eine Mohs-Härte von lediglich 5 bis 6 auf. Als diese abgenutzt waren, experimentierten Harm und seine Mitarbeiter mit anderen Rohrbogenmodellen. Als am effektivsten erwiesen sichdie Smart Elbow® -Abzweigrohrbögen der Firma HammerTek Corp.
Diese Spezialbögen verfügen über eine kugelförmige Wirbelkammer, die aus dem Einlassstutzen herausragt. Wenn Material in den Bogen eintritt, wird ein Teil der Strömung automatisch in die Wirbelkammer umgeleitet, wo es eine locker gepackte Masse bildet, die sich langsam in Strömungsrichtung dreht. Dadurch werden einströmende Partikel sanft um den Bogen herumgeleitet. Da ein Teil des Materials kontinuierlich aus der Kammer herausfällt, während neues Material nachströmt, wird die rotierende Materialkugel ständig aufgefüllt. Zudem tritt das Material gleichmäßig über den gesamten Auslass des Bogenabschnitts aus, ohne am Außenradius entlang zu rutschen, wie es bei Sweep-Bögen der Fall ist.
Obwohl die Umlenkbögen anfangs teurer sind als andere von Harm getestete Ausführungen, wie beispielsweise Blind-T-Stücke, haben sie die Kosten gesenkt und die Qualität verbessert. „Die Umlenkbögen weisen nur sehr geringen Verschleiß auf, sodass kein Metall in unser Produkt gelangt. Das allein reicht uns schon aus, um die Kosten zu rechtfertigen.“ Die Vermeidung von Ausbrüchen, Verschmutzungen und ungeplanten Ausfallzeiten war ein zusätzlicher Vorteil. „Auch aus rein fertigungstechnischer Sicht können wir die Vorteile darlegen“, sagt Harm.
Vorbeugender Austausch von Schwenkbögen
CoorsTek installierte die Umlenkbögen zunächst schrittweise, nachdem die jeweiligen Fördersysteme in Betrieb genommen worden waren und die ursprünglichen Bögen verschlissen waren. „Das haben wir bei einigen Systemen so gemacht, aber als wir dann das fünfte oder sechste System in Betrieb nahmen, haben wir gleich aufs Ganze gesetzt“, sagt Harm. „Das Warten [auf einen Ausfall] verursachte zu viele ungeplante Ausfallzeiten. Wenn man das Ersatzteil bereits vorrätig hat und entsprechend plant, ist die Austauschzeit minimal, vielleicht eine halbe Stunde.“
Der Austausch schwer zugänglicher Rohrbögen erfordert jedoch mehr Zeit und Planung. Am schwierigsten waren die Rohrbögen auf den 90 ft (27,4 m) hohen Außensilos von CCAM. Es dauerte zwei Tage und erforderte den Einsatz eines Krans sowie den Aufbau eines speziellen Gerüsts, aber es gab keine Alternative, sagt Harm. „Wir können unser Material nicht einfach ins Freie blasen.“
Das waren die letzten der 65 „Smart Elbow“-Bögen, die CoorsTek installiert hat. Einige der Bögen bestehen aus Gusseisen, die meisten sind jedoch aus HammerLoy™ von HammerTek gefertigt, einem abriebfesteren Werkstoff.
Reduzierung des Druckverlusts um die Hälfte bis zu einem Drittel
Neben der Vermeidung von Verunreinigungen und Ausbrüchen reduzierten die Ablenkbögen auch den Druckabfall. „Bei den Blind-T-Bögen haben wir einen Druckabfall von 0,2 bis 0,3 psi (1,38 bis 2,1 kPa) über den Bogen selbst. Bei den HammerTek-Bögen beträgt der Druckabfall etwa 0,1 psi (0,69 kPa)“, sagt Harms. „Das ist ein ziemlich deutlicher Unterschied. Würden wir vier oder fünf dieser anderen Bogen verwenden, könnte das allein über die Bogen hinweg einen Druckabfall von 20 Prozent bedeuten. Die Durchflussrate könnte dadurch so stark sinken, dass wir kein Material mehr durchleiten könnten.“
Die Durchsätze der acht Anlagen liegen zwischen 4.000 und 20.000 lb (1.800 bis 9.000 kg) pro Stunde. Die Förderstrecken betragen 80 bis 300 ft (24,4 bis 91,4 m) und die Rohrdurchmesser 4, 5 oder 6 in. (100, 125 oder 150 mm). Am Auslassende können die Materialgeschwindigkeiten 100 mph (161 km/h) überschreiten.
Das älteste der vor zwei Jahren installierten HammerTek-Rohrbögen funktioniert nach wie vor einwandfrei. In unkritischen Bereichen verfügt CoorsTek noch über einige Blind-T-Stücke und Bogen mit doppelwandiger Konstruktion. „Wenn wir es schaffen, sie nicht zu ersetzen, umso besser“, sagt Harm. „Aber sobald eines davon ausfällt, werden wir auch diese Teile austauschen.“
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