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Bewegen von schwer zu handhabenden Schüttgütern mit flexiblen Schneckenförderern

Flexible Schneckenfördersysteme können für den Transport von verschiedenen Schüttgütern konstruiert werden die zum Zusammenbacken, Verklumpen, Verschmieren, Auseinanderbrechen oder Verflüssigen neigen, sowie die Trennung von Mischprodukten verhindern.

Flexible Schneckenförderer (Abbildung 1) sind für die meisten frei und nicht frei fließenden Schüttgüter von Submikron-Pulvern bis zu großen Pellets geeignet. Sie sind in der Lage, Schüttgüter in jedem Winkel zu fördern — über oder unter Hindernissen hindurch sowie durch kleine Öffnungen in Wänden oder Decken. Ihre großen Vorteile sind ihre einfache Konstruktion, der geringe Platzbedarf, die Zuverlässigkeit im Betrieb und die günstigen Kosten. Obwohl angesichts der Anwendungsparameter eines Projekts andere Fördermethoden bevorzugt sein könnten, beschränkt sich dieser Artikel speziell auf die Diskussion von flexiblen Schneckenförderern für problematisch zu fördernde Materialien.

Planung für schwer förderbare Materialien

Bei der Konstruktion eines flexiblen Schneckenförderers für schwer zu handhabenden Materialien müssen die physikalischen wie auch die Fließeigenschaften, die Temperatur, der Feuchtigkeitsgehalt, die inhärenten Gefahren und der zulässige Zersetzungsgrad des Materials sowie die Materialquelle und der Bestimmungsort, die Förderrate und -strecke, die Reinigungsanforderungen, das Anlagenlayout und die Wirtschaftlichkeit berücksichtigt werden. Die Erfahrung zeigt, dass flexible Schneckenförderer geeignet sind für:

Kohäsive Materialien

Ultrafeine Partikel

Zerbrechliche oder brüchige Materialien

Abrasive Materialien

Fluidisierende Materialien

Mischprodukte mit Partikelgrößen und Schüttguteigenschaften.

Eine Warnung für alle Anlagenbauer: Die Fließeigenschaften eines Schüttguts, das unter besonderen Umständen gefördert wird, können nicht immer mit ausreichender Genauigkeit vorausgesagt werden, um eine erfolgreiche Lösung am Reis Brett zu gewährleisten. In diesen Fällen wird die Simulation der Anlagenbedingungen mit einem Förderer in voller Größe in einer Testanlage mit dem tatsächlichen Material des Kunden zu einer absoluten Notwendigkeit.

Der effiziente Fluss eines Schüttguts durch ein Schüttgutfördersystem ist im Allgemeinen eine Funktion der physikalischen Eigenschaften des Materials, kann aber auch durch externe Faktoren wie Umgebungsfeuchtigkeit und -temperatur sowie die Konstruktion seiner Handhabungsanlage beeinflusst werden. Obwohl bestimmte Materialparameter, wie z. B. der „Schüttwinkel“, durch die Auswertung einer Materialprobe im Labor bestimmt werden können, sind solche Tests unter kontrollierten Bedingungen nicht unbedingt aussagekräftig für das tatsächliche Fließverhalten in Anlagen im Produktionsmaßstab. Beim Umgang mit großen Materialmengen unter wechselnden Bedingungen kann die Fließfähigkeit eines Schüttguts nicht allein durch physikalische Eigenschaften wie Schüttdichte, Partikelgröße und -form, Verdichtbarkeit oder Kohäsionsfestigkeit vollständig bestimmt werden.

Daher muss der Ingenieur bei der Konstruktion eines flexiblen Schneckenförderers nicht nur die physikalischen Eigenschaften und Fließ Charakteren des Materials berücksichtigen, sondern auch wie diese durch die tatsächlichen Bedingungen in der Anlage und die Konstruktion der Ausrüstung beeinflusst werden:

Fließt das Material frei, nur schwer oder überhaupt nicht? Ist die Anlage mit geeigneten Fließhilfsmitteln und Trichter Geometrien ausgestattet?

Ist es hygroskopisch und wie viel Feuchtigkeit ist in der Werksumgebung zu erwarten?

Neigt es zum Zusammenbacken, Verklumpen oder Verschmieren?

Verzahnen oder verfilzen sich die Partikel?

Ist das Produkt so leicht abbaubar oder zerbrechlich, dass sein Nutzen oder Wert beeinträchtigt wird?

Ist es abrasiv?

Handelt es sich um ein Gemisch aus verschiedenen Partikeltypen und -größen, das während der Förderung homogen bleiben soll?

Bildet es Brücken oder Hügel in den Lagerbehältern, oder ist es anfällig für „Rattenlöcher“?

Neigt es bei der Handhabung zum auflockern oder sich zu verflüssigen?

Mit den Antworten auf diese praktischen Fragen und ggf. Tests in einer Anlage im Originalmaßstab lässt sich die Leistung eines Fördersystems für ein bestimmtes Schüttgut in jeder konkreten Anlagenumgebung vorhersagen.

Schneckengeometrie

Die Geometrie der flexiblen Schnecke ist entscheidend für die Leistung. Die Schnecken variieren von Runddrähten, die verhältnismäßig hohe Radialkräfte erzeugen, bis hin zu Flachschnecken mit vergleichsweise größeren Richtungskräften (Abbildung 2). Dieser Unterschied in der Art der Kräfteverteilung innerhalb des Förderers ermöglicht die Optimierung der Systemleistung auf der Grundlage der Eigenschaften des jeweiligen Materials. So ist z. B. für leichtere Pulver, die zur Fluidisierung neigen, eine flache Ausführung aufgrund der größeren Richtungskraft besser geeignet als eine mit Runddraht Es werden auch Kombinationen dieser beiden grundlegenden Schnecken Geometrie gefertigt. Zum Beispiel verteilen flache Schnecken mit abgeschrägten Außenkanten, wie sie in einer Vielzahl von kundenspezifischen und proprietären Ausführungen erhältlich sind, die Kräfte im Inneren des Förderers auf eine etwas andere Weise als eine nicht abgeschrägte Version. Diese Variante kann eine effiziente Materialförderung ermöglichen, die bei anderen Konstruktionen zu Problemen führen würde. Eine weitere Ausführung ist für hohe Beanspruchung die manchmal bei Materialien mit hohem Schüttgewicht eingesetzt wird. Die Werkstoffe und Oberflächengüte sind anwendungsspezifisch, mit Schnecken aus Feder- oder Edelstahl und Rohren aus Edelstahl oder Polymer.

Ausrüstung und Systeme

Flexible Schneckenförderer werden häufig in Anlagen mit Zubehör zum Beschicken und Entleeren von Schüttgütern integriert. Dazu gehören z. B. Big-Bag-Entleer Einheiten oder manuelle Sack Entleerstationen mit pneumatischer Staubabsaugung; Aufgabetrichter mit oder ohne Strömungsförderer wie z. B. pneumatische Vibratoren oder mechanische Rührwerke; Chargendosiersysteme zur präzisen Steuerung der Zuführung; Austrageinrichtungen wie z. B. Big-Bag-Befüller; und Steuerungssysteme.

Die Konstruktion des Aufgabetrichters ist bei der Spezifikation eines Fördersystems für schlecht fließende Produkte entscheidend, da die Durchsatzleistung jedes Förderers auf die Geschwindigkeit begrenzt ist, mit der das Material in seinen Aufnahmebereich gelangt. Die durch Gravitationskräfte und Fließerleichterungssysteme erzeugte Scherkraft muss ausreichend sein, um die statischen Kohäsionskräfte zwischen den soliden Partikeln zu überwinden. Anderenfalls wird Material im Behälter haften bleiben und „Rattenlöcher“ oder „Brücken“ bilden (Abbildung 3). Die dadurch hervorgerufenen Fließbehinderung kann den nachfolgenden Prozess wegen unzureichender Beschickung einschränken oder zu Überflutungen führen, wenn das Material schließlich sturzartig einfällt.

Zu den durch solche Rattenlöcher verursachten Problemen gehören der Verlust der effektiven Schwallkapazität im Zufuhrtrichter, ein verringerter Systemdurchsatz und zusätzlicher Zeitaufwand für den Bediener, wenn das stockende Produkt manuell im Trichter befreit werden muss. Das Hauptproblem bei Brückenbildung (auch bekannt als kuppelförmige Wölbung) besteht darin, dass nach Bildung einer solchen Brücke der Materialstrom im Wesentlichen unterbrochen wird, was zu Prozessstillständen kommt, bis das Material sich wieder bewegt.

Aufgabetrichter für Materialien, die Rattenlöcher oder Brücken bilden können, sollten mit einer geeigneten Geometrie und ausreichend steilen Wänden konstruiert werden. Um den Durchfluss zu fördern und/oder das Material von den Trichterwänden zu lösen können Vorrichtungen wie Rüttler, mechanische Rührwerke oder Luftverteiler eingebaut werden.

Kohäsive Materialien

Kleben, Anbacken, Verklumpen und Schmieren sind das Ergebnis von Partikelbindungen, die durch chemische Reaktionen, partielles Schmelzen, Aushärten des Bindemittels oder Kristallisation gelöster Substanzen, Adhäsion/Kohäsion durch mechanische Verformung zusammengefügten Partikeln, elektrostatische oder magnetische Anziehungskräfte, ineinandergreifende Kräfte aufgrund unregelmäßiger Partikelformen oder Feuchtigkeits-, Öl- oder Fettgehalt verursacht werden können.

Feuchtigkeit ist besonders problematisch bei hygroskopischen Materialien wie Magnesiumchlorid. Wenn sie Wasser aus der umgebenden Atmosphäre aufnehmen, können frei fließende Materialien zu agglomerieren beginnen. In Extremfällen können sich große Mengen hygroskopischer Materialien verfestigen und große Materialmassen bilden, die den Durchfluss behindern oder bewegliche Anlagenteile blockieren. Da flexible Schneckenförderer jedoch völlig geschlossen sind, können Temperatur und Feuchtigkeit des Produkts aufrechterhalten werden. Auch vor- und nachgelagerte Anlagen wie Big-Bag-Befüller, Big-Bag-Entleerer, Aufgabetrichter, Siebmaschinen, Mischer und Austragsbehälter können luftdicht ausgeführt werden.

Darüber hinaus sind Materialien mit hohem Fettgehalt, wie z. B. Kuchenmischungen, in der Regel nicht frei fließend. Ähnliches gilt für Materialien wie Zinkoxid und Titandioxid, die von Natur aus kohäsiv und komprimierbar sind, was sie zu guten Kandidaten für flexible Schneckenförderer macht.

Ein Beispiel aus der Farben- und Lackindustrie zeigt die Konstruktion einer mobilen Förderanlage für kohäsive Materialien. Ein flexibler Schneckenförderer transportiert ein Gemisch aus fünf Materialien, nämlich Kalziumkarbonat, Titandioxid-Pulver, zwei halb frei fließenden Talken und ein frei fließendes Harz für einen US-amerikanischen Hersteller von Autolacken. Diese Materialien sind aufgrund der unterschiedlichen Schüttdichten (260-740 kg/m³) und Fließeigenschaften, die von frei bis schwer fließend reichen, besonders schwierig zu fördern. Das Unternehmen rüstete von der manuellen Entleerung von Säcken auf einen 3 m langen, in einem 45°-Winkel angeordneten, mobilen, flexiblen Schneckenförderer um, der auf einem Wagen mit integriertem Einfülltrichter und Staubabscheider montiert ist. Die speziell entwickelte Schneckenausführung ermöglicht die Funktion des Systems mit einer großen Bandbreite von Materialien. Der Einfülltrichter wurde mit steilen Wänden und anderen vorteilhaften geometrischen Merkmalen konstruiert. Strömungsförderer in Kombination mit geeigneten Strömungswinkeln verhindern Brückenbildung, indem sie das Material zur Rückwand und nach unten in den Förderer leiten. Die Schnittstellenadapter für Förderer haben vertikale Wände, um den Materialfluss zu gewährleisten. Fördertests an Geräten in Originalgröße waren ein wesentlicher Faktor für den Erfolg der Konstruktion.

Ultrafeine Partikel

Mechanische Förderer sind bei leichten und/oder staubigen Materialien gegenüber der pneumatischen Förderung im Vorteil, da feine Partikel die Betriebsbereitschaft der Filter in Filterbehältern erschweren können.

Einige feine Materialien neigen zur Fluidisierung; zum Beispiel ist pyrogene Kieselsäure (synthetisches amorphes Siliziumdioxid) so leicht, dass sie eine Schüttdichte von nur 40-50 kg/m³ und eine sehr kleine Partikelgröße (0,2-0,3 Mikrometer) aufweist. Sie ist deshalb nicht nur anfällig für Staubbildung, sondern neigt zu Fluidisierung und nähert sich zu einer flüssig ähnlichen Charaktere, was sie zu einem besonders schwierig zu fördernden Material macht. Eine richtig konstruierte Schnecke mit flacher Ausführung und einigen anderen Modifikationen hebt die Partikel an, so dass ihre Tendenz zur Fluidisierung verringert wird. Sackentleerungsstationen für solche feinen Materialien sollten mit internen Staubabscheidern ausgestattet sein, einschließlich Patronenfiltern und Puls-Jet-Filterabreinigung.

Viele Pigmente bestehen aus Partikeln mit einer Größe von weniger als 5 Mikrometern, und obwohl ihre Schüttdichten variieren können, haben Materialien wie Titandioxid, Eisenoxid und Ruß alle eine Tendenz zur Verklumpung. Um ein Festfahren des Förderers bei solchen Materialien zu verhindern, muss die ideale Förderschnecke eine Geometrie haben, die die Kräfte im Inneren des Förderers so verteilt, dass Kompression minimiert wird.

Flexible Schneckenförderer können die Fluidisierung und Luftanreicherung von leichten Schüttgütern durch den Einsatz geeigneter Konstruktionselemente reduzieren. Zum Beispiel neigt Kieselgur (DE), ein trockenes, staubiges Material, das aus unregelmäßig geformten Partikeln von 5 - 25 Mikron mit einer typischen Schüttdichte von 164 - 260 kg/m³ besteht, dazu, Brücken und Rattenlöcher in Fülltrichtern zu bilden und während des Transports zu fluidisieren. Flexible Schneckenförderer für solche Materialien sind im Allgemeinen so konstruiert, dass sie der Luftanreicherung mit einer breiten, flachen Spiralschnecke entgegenwirken, die breitere Förderflächen mit positiver Vorschub- und minimaler Radialkraft haben.

Zerbrechliche und empfindliche Materialien

Tests sind besonders wichtig bei zerbrechlichen oder mürben Partikeln, die ohne Bruch transportiert werden müssen. Die selbstzentrierende Wirkung der rotierenden flexiblen Schnecke kann einen ausreichenden Abstand zwischen Schnecke und Rohrwänden aufrechterhalten, um Produktschäden zu vermeiden oder zu minimieren.

Abrasive Materialien

Flexible Schneckenförderer eignen sich für abrasive Materialien vor allem wegen der Wartungsfreundlichkeit auf Grund ihrer Konstruktion, ohne interne Lager und mit nur einer beweglichen, mit dem Material in Kontakt kommenden Komponente. Wasserfreies Borax zum Beispiel ist abrasiv, aber mit einer Schüttdichte von 760 kg/m³ und einer Partikelgröße von 74 Mikron (200 Mesh) leicht und flauschig. Es kann mit einer flexiblen Förderschnecke mit einer hochbelastbaren Flachdrahtschnecke gefördert werden, die dem Abrieb standhält. Die flache Förderfläche minimiert die Radialkraft, um die Reibung und den Verschleiß der Förderrohrwand zu reduzieren. Falls erforderlich, kann die flexible Schraube zur Inspektion oder zum Austausch mit minimaler Ausfallzeit herausgenommen werden.

Mischungen aus unterschiedlichen Materialien

Ein optimal konstruierter flexibler Schneckenförderer kann die Entmischung von Gemischen über die gesamte Länge des Förderers unabhängig von Unterschieden in den Fließeigenschaften, der Schüttdichte oder der Partikelgröße verhindern, während es bei pneumatischen oder anderen Arten von mechanischen Förderern sehr wohl zu Gemisch Trennungen kommen kann. Ein großes Gewürzunternehmen arbeitet zum Beispiel mit über 8000 verschiedenen Rezepten, die jeweils aus einer Mischung von 1 bis 25 Zutaten mit Partikelgrößen von Mesh 100 (150 Mikron) bis 6,5 mm bestehen können. Das Unternehmen versuchte es zunächst mit einem pneumatischen Förderer, der eine Entmischung der Produkte verursachte, sowie mit einem Becherförderer und einer starren Förderschnecke, die sich beide als schwierig zu reinigen erwiesen. Dann fand das Unternehmen heraus, dass flexible Schneckenförderer die Mischungen nicht trennen und auch ihre empfindlichen Gewürze nicht beschädigen. Es betreibt nun 15 flexible Schneckenförderer, die alle täglich laufen (Abbildung 7). Eine abnehmbare Reinigungskappe am Einlass jeder Röhre ermöglicht das Umkehren der Schneckendrehung, um die Röhre vollständig zu evakuieren und die Reinigung zu erleichtern.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass flexible Schneckenförderer für den Transport vieler schwer zu handhabenden Materialien geeignet sind. Und sorgfältige Tests sowie das Hinzuziehen echter Fachleute sind der Schlüssel für die optimale Auslegung.

Literaturhinweise

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Bewegen von schwer zu handhabenden Schüttgütern mit flexiblen Schneckenförderern

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Abbildung 1. Flexibles Schneckenfördersystem - Richtig konstruierte flexible Schneckenfördersysteme können frei und nicht frei fließende Schüttgüter in jedem Winkel, durch kleine Öffnungen in Wänden oder Decken transportieren. Die Schnecken und Rohre bestimmter Konstruktionen können unter, über oder um Hindernisse geführt werden, so dass keine exakte Führung des Förderers erforderlich ist.

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Abbildung 2. Flexible Schnecken - Die Geometrie flexibler Schnecken kann so gestaltet werden, dass die Effizienz sowohl für frei als auch für nicht frei fließende Schüttgüter optimiert wird, einschließlich Mischungen aus Bestandteilen, die zur Entmischung neigen.

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Abbildung 3. Durchflussbegrenzungen in Behältern und Trichtern - Rattenloch (links) beschreibt einen zackigen, tunnelförmigen Hohlraum durch im Behälter stagnierendes Material. Brückenbildung (rechts), auch Doming oder Wölbung genannt, beschreibt einen hohlen Bereich am Behälterausgang. Sowohl Rattenlöcher als auch Brückenbildung unterbrechen den Materialfluss komplett.

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Abbildung 4. Mobiles Sackentleerungs-Fördergerät - Dieses in sich geschlossene, staubfreie mobile Sackentleerungs-Fördersystem bewegt klebrige Bestandteile mit unterschiedlichen Fließeigenschaften und Schüttdichten.

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Abbildung 5. Testgeräte in voller Größe - Ein Dichtstoffhersteller musste eine Vielzahl von Inhaltsstoffen vom Erdgeschoss in zwei Hochgeschwindigkeits-Dispergier Geräten auf ein 3 m hohes Zwischengeschoss fördern. Um die schwer förderbaren Materialien erfolgreich zu transportieren, mussten die Sackabwurfstation und der Trichter mit flexiblen Schnecken in Originalgröße mit verschiedenen Durchmessern, Längen und Schnecken Geometrien bei unterschiedlichen Neigungen und Drehzahlen getestet werden.

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Abbildung 6. Elektronenmikroskopische Aufnahme von pyrogener Kieselsäure bei 100.000-facher Vergrößerung - Mit einer Schüttdichte von nur 40 bis 50 kg/m³ ist pyrogene Kieselsäure ein ultraleichtes Pulver, dessen kettenartige Partikelmorphologie zu den Eigenschaften beiträgt, die es so schwer handhabbar machen.

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Abbildung 7. Mehrere flexible Schneckenförderer - Flexible Schneckenförderer können die Produktzersetzung und die Trennung von Mischungen aus Materialien mit unterschiedlichen Partikelgrößen und Fließeigenschaften verhindern.

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Schwer zu handhabende Materialien - Flexible Schneckenförderer können für die Förderung einer Vielzahl von Schüttgütern mit unterschiedlichen physikalischen und Fließeigenschaften wie den oben genannten Beispielen ausgelegt werden.

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