HERZOGCement

Seit vielen Jahren ist HERZOG einer der führenden Partner der Zementindustrie bei der Einrichtung und Entwicklung von Laborsystemen. Die zunehmende Bedeutung nachhaltiger Energiekonzepte, innovative Herstellungsprozesse unter Verwendung vielfältiger Zusatzstoffe sowie die zunehmende Diversifizierung der Zementsorten führen dazu, dass an die Laborsysteme immer höhere Ansprüche gestellt werden.

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Qualitätskontrolle für die Zement Anwendung

HERZOGCement wird diesen Ansprüchen durch ein außergewöhnlich stabiles und robustes Konstruktionsprinzip, ein auf die Anforderungen der Zementindustrie zugeschnittenes Maschinen-Portfolio sowie das Angebot integrierter und kompletter Laborlösungen gerecht.

DetailsZu Probenvorbereitungsschritte

Qualitätskontrolle für die Zement Anwendung

In der Zementproduktion kommen häufig verschiedene Gesteinsarten, wie Kalkstein, Ton, Mergel, Schiefer, aber auch andere Zuschlagsstoffe wie Sand, Flugasche und Eisenerz zum Einsatz. Die Rohmaterialien aus dem Tagebau werden gebrochen und fein vermahlen, um eine gute Mischung der Rohstoffe zu ermöglichen.

Die vermischten Rohmaterialen werden über den Vorheizturm in den Drehrohrofen zu geführt. Die heißen Abgase aus dem Ofen werden hierbei genutzt um das Rohmaterial aufzuheizen, so dass es schon heiß ist, wenn es dem Drehrohrofen zugeführt wird. Gewöhnlich sind so schon 30-40 % des Rohmaterials bereits dekarbonisiert. Mit einem zusätzlich vorgeschalteten Kalzinator können Dekarbonisierungsraten von bis zu 85 - 90 % erreicht werden.

In der Brennkammer des Drehofens können Temperaturen zwischen 1400 - und 1500°C herrschen, bei denen die Klinkerknollen und der fertige Klinker gebildet werden. Nach dem Verlassen des Drehofens kühlt der Klinker schnell ab und fällt in den Kühler. Das Kühlen des Klinkers ist kritisch, um Schäden an Komponenten wie Förderbändern zu verhindern oder das Überhitzen der Zementmühle zu verhindern. Auch die Silikatreaktivität erhöht sich dabei. Klinker werden vorwiegend in Kugelmühlen vermahlen. Gips wird untergemischt um die gewünschte Abbindeeigenschaft zu erreichen.

Laboranalyse

In Zementwerken werden Rohstoffe, Klinker und Zemente bei RFA und RDA analysiert. Mit diesen analytischen Methoden wird die Zusammensetzung von Rohstoffen, Rohstoffzuführung, Klinker und dem fertigen Zement bestimmt und kontrolliert. Die Analysenergebnisse haben damit direkten Einfluss auf Prozessparameter wie Zuführgeschwindigkeit, Drehofentemperatur, Mahldauer, Mischung und die chemische Zusammensetzung. All diese Parameter müssen kontinuierlich und akkurat überwacht werden.
Routinemäßig werden in Zementlaboratorien Analysen an verpressten Pulverproben durchgeführt. Borataufschlüsse sind zwar kosten- und zeitintensiver führen aber zu mehr zu verlässigen und akkuraten Ergebnissen. HERZOG bietet für beide Präparationsmethoden ein breites Produkt Portfolio.

Probennahme

Die Probennahme selbst ist ein wichtiger Teil der Produktionskontrolle in allen Bereichen eines Zementwerkes. Proben werden benötigt zur Kontrolle und Steuerung von chemischen Prozessen, Produkthomogenität und Produktqualität. Die Proben werden mit unterschiedlichsten Methoden untersucht. Dazu zählen Röntgenfluoreszenz, Röntgendiffraktrometrie, Feuchtigkeitsbestimmung und die Bestimmung der Feinheit (Korngrößenverteilung & Blaine Wert).
Während des Produktionsprozesses nehmen festinstallierte Probennehmer in einem festen Intervall von 30, 60, 90 oder Minuten eine Probe. In einem vorab festgelegten Zeitintervall werden Querschnitts- oder Stichproben entnommen. Der Transport der Proben erfolgt gewöhnlich manuell oder per Rohrpostsystem.
An vielen Probennahmepunkten in Zementwerken, herrscht oft eine signifikante Inhomogenität entlang des Materialstroms über eine definierte Zeit. Der Querschnitt des Materialstroms ist jeder über seine gesamte Höhe sehr homogen. Aus diesem Grund sind für die meisten Anwendungen in einem Zementwerke einfache Probennahmesysteme zufriedenstellend.

Als Standardlösungen bietet HERZOG Schneckenprobennehmer (HR-SN) für vertikale Ströme und den Rinnenprobennehmer (HR-RN) für horizontale Materialströme. Die Schnecke des HR-SN dreht sich langsam im kontinuierlichen Materialstrom. Die Probe wird einem Mischer aufgefangen, der sich gewöhnlich über einer Rohrpoststation im Werk befindet. Das regelmäßige Durchmischen der Querschnittsprobe führt zur erforderlichen Homogenität. Der Mischer kann in Intervallen von 30 bis 120 Minuten gefüllt werden, je nach erforderlicher Probennahmesequenz. Am Ende einer solchen Sequenz wird eine Teilmenge in die Rohrpostbüchse gefüllt und ins Labor geschickt. Das Restmaterial im Mischer wird in den Materialstrom zurückgeführt. Anschließend wird der Mischer gründlich gereinigt um Verschleppungen in die nächste Probe zu unterbinden. Alternativ kann die Probe dem verantwortlichen Personal auch in einem Behälter zur Verfügung gestellt werden.

In dem Rinnenprobennehmer (HR-RN) kommt ein vertikal installiertes, perforiertes Rohr zum Einsatz das eine Probe aus dem horizontalen Materialstrom entnimmt. Das perforierte Rohr rotiert in festen Intervallen im Materialstrom und das Material fällt in einen Auffangbehälter mit Mischer. Am Ende eines Probennahmeintervals, wird die Probe über das Rohrpostsystem ins Labor geschickt. Alternativ kann die Probe auch direkt von dem Bediener entnommen werden.

Für Probennahmepunkte mit besonderen Ansprüchen, wie z.B. für Heißmehl gibt es spezielles Probennahmesystem mit extra stabilen Design, Hydraulikantrieb und Kühlfunktion. Auch für explosionsgefährdete Bereiche gibt es Probennehmer. Für Klinker gibt es verschiedene Beprobungsmöglichkeiten, wie Rinnen, Löffel oder Lösungen für Förderbänder. Die genommene Probe fällt später in die Klinkersendestation (HR-LKC). Diese enthält einen Vibrationsförderer, einen Brecher, eine Dosiereinheit und eine pneumatische Sendestation. Zusätzlich ist der HR-LKC mit Vorbrecher, unterschiedlichen Teilungsverfahren und Standfläche.      

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Probenvorbereitung

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Rohrposttransport

Durch eine Rohrpostanlage werden Proben unterschiedlicher Art mit Hilfe von Rohrpostbüchsen zu unterschiedlichen Stationen innerhalb eines Rohrpostsystems transportiert. Die Technik beruht auf der schnellen Beförderung mit Luft als Antrieb. Den erforderlichen Druck und Sog für den Transport einer Rohrpostbüchse erzeugt ein Verdichter. Alternativ kann dafür auch die in den Werken üblicherweise vorhandene Druckluft verwendet werden. Das Produkt aus an der Büchse wirkendem Differenzdruck und Büchsenquerschnittsfläche muss so groß sein, dass die Gewichtskraft der Büchse bei Aufwärtstransport und Reibungskräfte überwunden werden. Die Rohrpostbüchsen sind mittig tailliert, um Kurven passieren zu können. Dabei haben die außen vorstehenden Dichtringe typischerweise einen Abstand von 3 bis 5 Rohrdurchmessern. Damit können i.d.R. Radien von 5 bis 10 Rohrdurchmessern problemlos überwunden werden.
Abhängig davon, ob eine Gebläse- oder Druckluft- Rohrpost eingesetzt wird, können Geschwindigkeiten zwischen 6 m/s bis zu 20 m/s erreicht werden. Bei besonders konfigurierten Rohrpoststrecken und besonderer Präparation der Rohrpostrohre sind teilweise auch höhere Geschwindigkeiten möglich. Üblicherweise werden Rohrpostrohre mit einem Außendurchmesser von 80 mm und einem Innendurchmesser von 75 mm installiert. Auf Kundenwunsch sind auch Anlagen mit größeren Durchmessern erhältlich.

Rohrpost Druckluft mit Weiche

 

 

1. SendestationHR-HSK/B (Werksseitig)

2. Empfangsstation HR-HSK/L (Laborseitig)

3. 2-Wege Weiche

4. Rohrverbindungssatz für Druckluft/Laborempfangsstation

5. Rohrverbindungssatz für Sendestation

6. Profinet Kabel / Optional: Optical link

7. PrepMaster Terminal (optional)



Rohrpost Gebläse mit Weiche

 

 

1. SendestationHR-HSK/B (Werksseitig)

2. Empfangsstation HR-HSK/L (Laborseitig)

3. Gebläse

4. 2-Wege Weiche

5. Rohrverbindungssatz für Gebläse/Laborempfangsstation

6. Rohrverbindungssatz für Sendestation

7. Profinet Kabel / Optional: Optical link

8. PrepMaster Terminal (optional)

Je nach Art des Probenmaterials werden unterschiedliche Rohrpostbüchsen verwendet. Für kalte Pulverproben und andere leichte Materialien werden Kunststoffbüchsen eingesetzt. Für heiße Pulverproben und Stahl- oder Eisenproben sind Büchsen aus Aluminium notwendig. Für den Transport von metallischen Proben wird in der Rohrpostbüchse häufig ein passgenauer Einsatz benutzt. Dadurch wird einerseits eine prozesssichere Probenhandhabung in vollautomatischen Anlagen möglich und andererseits die Lebensdauer der Rohrpostbüchsen verlängert, Rohrpostsysteme können manuell oder automatisch betrieben werden. Bei der manuellen Benutzung wird die Büchse, welche das Probenmaterial enthält, händisch in die werkseitige Rohrpoststation eingelegt und am Empfangsort aus der Station entnommen. Das in der Büchse enthaltene Probenmaterial wird nachfolgend manuell weiterverarbeitet.
Bei der automatischen Benutzung stehen je nach Material und Ausbaustufe unterschiedliche Optionen zur Verfügung. Bei pulverförmigen Materialien kann das Material nach der Probennahme in einer Betriebsstation vollautomatisch dosiert, in eine Rohrpostbüchse verpackt und ins Labor geschickt werden. Im Labor kann das Material durch eine vollautomatische Empfangsstation aus der Büchse entpackt und in einen Becher abgefüllt werden, welcher dann z.B. von einem Transportsystem oder Roboter zur weiteren Verarbeitung aufgenommen wird. Die Büchse wird nach Entleerung und Reinigung wieder verschlossen und an die Betriebsstation zurückgesendet. Bei metallischen Proben kann die Probe laborseitig in einer Entpackstation automatisch aus der Büchse entfernt und ggf. gekühlt werden. Dabei können unterschiedliche Probenformen gehandhabt werden. Anschließend erfolgt meist die vollautomatische Probenvorbereitung und Analyse im Labor.
Die Steuerung des Rohrpostsystems erfolgt im Zusammenspiel zwischen SPS, dem Scada- System (PrepMaster) sowie dem Level-2-System des Kunden. Durch die intelligente Systemsteuerung wird ein möglichst effizienter und schneller Probentransport ins Labor erreicht.

Mahlen

Das Vermahlen von Probenmaterial ist ein zeit- und kostensparendes Verfahren, das für die Analyse von Zement und vielen anderen organischen und anorganischen Materialien verwendet wird. Vor dem Verpressen, muss das Material um eine ausreichende Homogenität sicherzustellen. HERZOG biete eine Vielzahl an Schwingmühlen in unterschiedlichen Größen und Konfigurationen zum Vermahlen von Probenmaterial. Neben den verwendeten Parametern, hängt die zu erreichenden auch von anderen Faktoren ab:

  • Material
  • Eingabemenge
  • Mahlhilfe
  • Korngröße der Proben
Mahlgefäße

Für die Analyse mittels RFA muss das Probenmaterial häufig auf eine Korngröße < 75 µm vermahlen werden. Um eine ausreichende Abriebfestigkeit zu garantieren, müssen die Mahlgefäße aus verschleißfesten Materialien gefertigt sein. Dies gilt besonders, wenn die Probe sehr harte Mineralphasen enthält und abrasive Eigenschaften hat (z.B. Klinker, Siliziumkarbide, etc.).
Bei der Vermahlung kommt es also unabdinglich zum Abrieb bei den verwendeten Mahlsteinen und des Mahlgefäßes. Applikationsabhängig sollte ein entsprechendes Mahlgefäß gewählt werden, das die entsprechende Härte und eine chemische Zusammensetzung besitzt, die keine Elemente enthält, die von analytischem Interesse sind. Um den Eintrag von analysenrelevanten Elementen zu vermeiden stehen unterschiedliche Mahlgefäße zur Verfügung.

Bei den automatischen Mühlen kann man zwischen folgenden Optionen wählen:

  • Löffeldosierung (legt die Eingabemenge fest und erlaubt Blindproben)
  • Pillendosierung (Präzise Dosierung der Mahlhilfstabletten)
  • Sandreinigung (mit Quartzsand oder anderen Schleifstoffen)
  • Nassreinigung (mit Wasser und Zusatzstoffen)

Automatische Mühlen mit Eingabemagazinen erlauben zudem die Möglichkeit einer Batchverarbeitung. Hierbei können mehrere Probenbecher, die zu einer Proben-charge gehören, vermahlen werden, ohne dass zwischen jedem Probenlauf eine Reinigung erfolgt. Dies minimiert nicht nur die Aufbereitungszeit, sondern hilft auch, mögliche Materialverluste zu reduzieren.
Mahlhilfen haben eine mannigfaltige Funktion bei der Zerkleinerung von Probenmaterial. Besonders bei Proben mit Bestandteilen, die unterschiedliche Mahleigenschaften aufweisen, werden Mahlhilfen eingesetzt. Die Menge der eingesetzten Mahlhilfe ist applikationsabhängig und bewegt sich meist zwischen 2 % und 10 % der Probenmenge. Zu hohe Anteile an Mahlhilfe führen zur Abschwächung der Intensitäten und erhöhen die Detektionsgrenzen der Analyse. Da gerade verpresste Proben zur Analyse von Spurenelementen verwendet werden, spielen Verdünnungseffekte in der Probenvorbereitung eine entscheidende Rolle.
Beim Verpressen können die Mahlhilfstabletten genutzt werden, um einen stabilen Pressling zu erhalten. Die Verwendung von wachshaltigen Mahlhilfstabletten bietet zusätzlich den Vorteil, dass die Feuchtigkeitsaufnahme reduziert wird.

Mahlhilfstabletten

Verpressen

Abhängig von den analytischen Ansprüchen kann zwischen vier standardmäßigen Pressverfahren gewählt werden:


Freies Verpressen

Das freie Verpressen ist das kostengünstige Pressverfahren, da keine Verbrauchsmittel verwendet werden. Eine genaue Dosierung des Probenmaterials ist ebenfalls nicht notwendig.


2-Komponenten-Verpressen

Das Verpressen von 2-Komponenten erfordert einen zusätzlichen Arbeitsschritt, bietet aber die Möglichkeit, auch kleine Probenmengen für die Analyse vorzubereiten. In einem ersten Arbeitsschritt wird das Rückfüllmagazin (z.B. Borsäure, Boreox) dosiert und vorgepresst. Hierfür kommt ein spezieller Presswerkzeugdeckel zum Einsatz. In einem zweiten Pressschritt wird dann das eigentliche Probenmaterial in die vorbereitet Matrix gepresst.

Verpressen in eine Aluminiumschale

Beim Verpressen in Aluminiumschalen sollten die Pressstempel eine entsprechende Entlüftungsnut haben, um Kompression von Gasen im Pressstempel zu verhindern. Aluminiumschalen sind in verschiedenen Durchmessern erhältlich. Aluminiumschalen haben den Vorteil, dass im Falle, dass die Proben archiviert werden sollen keine großen Kosten entstehen. Dennoch biete eine Aluminiumschale keine Garantie, dass an den Rändern Ausbrüche entstehen können.


Verpressen in Stahlringe

Die Verwendung von Stahlringen bietet weitreichende Vorteile gegenüber den anderen Pressverfahren bezüglich der Verwendung in automatisierten Probenvorbereitungssystemen. Durch die Verwendung von Stahlringen wird das Risiko von Verschmutzungen im Spektrometer dadurch reduziert, dass Ausbrüche am Probenrand unterbunden werden. Hohe Kosten entstehen jedoch, wenn die wiederverwendbaren Ringe archiviert werden müssen. Für das Verpressen in Stahlringe stehen zwei Ringtypen zur Verfügung (Ø 40 mm & Ø 51 mm).

Zur Reinigung von benutzten Stahlringen nach der Analyse kann ein dreistufiges Bürstensystem verwendet werden. Dieses kann sowohl bei manuellen als auch bei automatischen Pressen zum Einsatz kommen. Bei manuellen Pressen wird der manuell in die Ringreinigung gegeben und anschließend entnommen. Bei automatischen Pressen verläuft die Reinigung vollständig ohne Eingreifen des Bedieners. Die leeren Ringe werden anschließend automatisch im internen Magazin gespeichert.

Für Katalysatoren- Proben muss beispielsweise nahezu kein Bindemittel eingesetzt werden, um qualitativ hochwertige Presslinge mit einer glatten Oberfläche herzustellen. Die Reinigung der automatischen Presse wird i.d.R. durch Druckluft vorgenommen. Wenn dieser Mechanismus nicht effizient genug ist, kann Mylar- Folie verwendet werden, um das Presswerkzeug abzudecken und vor Kontamination zu schützen. Die Presslinge werden in der automatischen Presse HP- PA vorbereitet, welche mit der Mühle HP- MA zu einer Automation zusammengestellt werden kann. Dadurch können Batches mit bis zu 100 Proben auf einfache Art und Weise abgearbeitet werden.

Aufschluss

Aufschlussprozess

Aufschluss ist eine höchst effiziente Methode der Probenvorbereitung für verschiedene Analysemethoden wie Röntgenfluoreszenz, ICP und AA. Der Begriff Aufschluss umfasst i.d.R. das Vermischen einer Probe mit einem Aufschlussmittel, Aufschmelzen der Mischung und Ausgießen in Form einer Glasperle bzw. Auflösen in einer Säurelösung.
Aufschluss ist die beste Aufschlussmethode, wenn Standards oder Probenmaterial keine übereinstimmende Matrix aufweisen. Dies ist üblicherweise der Fall bei Explorations-, Umwelt- und geologischen Proben einschließlich Minen- Material, Mineralien, Lehm, Erzen, Stäube und Abfallstoffen. Außerdem kommt es häufig bei Mischmaterialien wie z.B. Zement, Katalysatoren und elektronischen Materialien vor.

Verbesserung der Analyseergebnisse

Die Probenvorbereitung mit Hilfe des Aufschlussverfahrens führt zu einer signifikanten Verbesserung der analytischen Genauigkeit. Dies hat unterschiedliche Gründe. Erstens können sich Proben, die eine identische chemische Zusammensetzung haben, durch Mineralogie und Partikelgröße voneinander unterscheiden. Dies allein kann zu unterschiedlichen Zählraten in dem Analysegerät führen. Der Aufschlussprozess eliminiert diese Faktoren und erhöht dadurch die Messgenauigkeit. Zweitens findet beim Aufschluss durch das Hinzufügen von Aufschlussmittel eine Verdünnung statt. Dies führt zu einer Verringerung der Interaktion zwischen den zu analysierenden Elementen und einer Reduzierung des sogenannten Matrix- Effektes. Drittens erleichtert der Aufschluss erheblich die Durchführung einer Kalibrierung. Auf der einen Seite ist es möglich perfekte Matrix- angepasste Standards für eine Vielzahl von Materialien herzustellen. Auf der anderen Seite können synthetische Standards benutzt werden, wenn keine referenzierten Standards erhältlich sind. Entsprechend können synthetische Standards für nahezu jedes Material hergestellt werden, ohne das komplexe Regressionsanalysen für die Erstellung von Kalibrationskurven durchgeführt werden müssen.

Vermeidung von Fehlern

Aufschluss ist ein äußerst wichtiger Bestandteil der Materialanalyse durch Röntgenfluoreszenz, ICP und AA. Aufschluss ist eine hervorragende Methode, um Fehler zu vermeiden, welche die Genauigkeit der entsprechenden Messmethode negativ beeinflussen können. Aufschluss ist die einfachste und verlässlichste Methode, um Fehler infolge einer inhomogenen Partikelverteilung, mineralogischer Effekte und unzureichenden Oberflächenqualität auszuschalten.

Verbesserung der Probenlösung

Aufschluss kann oxidische Proben leicht auflösen, welche mit Hilfe des Säureaufschlusses schwierig vorzubereiten sind. Ein konventioneller Säureaufschluss von widerstandsfähigem Material wie z.B. Silikaten, Aluminium, Zirkonium u.ä. benötigt sehr lange und führt häufig nur zu einer unvollständigen Auflösung. Eine komplette Probenlösung ist jedoch ein äußerst wichtiger Faktor um die Genauigkeit und Reliabilität von Analyseergebnissen zu verbessern.

Perfekt geeignet für die Fluoreszenzanalyse

Das Aufschlussverfahren bringt eine Glasperle hervor, welche perfekt für Röntgenfluoreszenz- Instrumente geeignet ist. Die Glasperle hat die optimalen Ausmaße, weist eine exzellente Homogenität und flache Oberfläche auf.

Zeitersparnis

Ein typischer Aufschlussvorgang dauert selten länger als zehn Minuten. Im Gegensatz dazu benötigt ein Säureaufschluss Stunden, bevor ein zufriedenstellendes Ergebnis erreicht werden kann.

Sicherheit

Aufschluss ist ein sicheres Probenvorbereitungsverfahren, welches ohne schädliche Säuren und Reagenzien auskommt. Besondere Sicherheitsmaßnahmen sind daher nicht erforderlich. Das Aufschlussverfahren ist besonders sicher, wenn es in einem Gerät mit automatischer Probenhandhabung, Aufschmelzen und Ausgießen der Schmelze erfolgt.

Aufschlussverfahren

Am häufigsten wird ein Borat- Aufschluss durchgeführt. Dabei wird eine Probe mit einem Überschluss an Lithiumborat aufgeschlossen und in Form einer Glasperle mit einer flachen Oberfläche ausgegossen. Während des Aufschlussprozesses werden die Materialphasen der Probe in glasähnliche Borate umgewandelt, was zu einer homogenen Aufschlussperle führt, die perfekt für die Röntgenfluoreszenzanalyse geeignet ist.
Zunächst wird das fein gemahlene Probenmaterial mit einem Borat- Aufschlussmittel (üblicherweise Lithium) in einem Tiegel gemischt, welcher zu 95% aus Platin und 5% aus Gold besteht. Dann wird der Tiegel auf Temperaturen über 1000°C erhitzt, bis die Probe in dem Aufschlussmittel gelöst ist. Eine Bewegung der Schmelze während des Aufschlusses verbessert die Homogenisierung des Materials zusätzlich. Ein Benetzungsmittel (Bromid, Iodid, Fluorin) kann hinzugefügt werden, um die Ablösung des geschmolzenen Materials von der Wand des Platinmaterials zu unterstützen.
Borat- Aufschluss von Elektroschrott oder Katalysatoren in einem Platintiegel ist kompliziert, da Pt, Pd und Rh, welche in der Probe enthalten sind, mit der Tiegelwand eine Legierung eingehen. Jedoch kann die Herstellung von Aufschlussperlen die Analysegenauigkeit um den Faktor 5 verbessern. Daher sollte von Fall zu Fall geprüft werden, ob ein Aufschlussverfahren eingesetzt werden kann.

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