Efficient Dry and Burn – Energieeffizienter Trocknungs- und Brennprozess für Hochleistungswärmedämmmaterialien und Auskleidungssysteme

Die RATH AG stellt an mehreren Standorten in Österreich und anderen europäischen Ländern dichte und poröse Feuerfeststeine durch Brennen bei 1500°C in kontinuierlich betriebenen Tunnelöfen sowie bis maximal 1750°C in diskontinuierlichen arbeitenden Kammeröfen her. Der semikontinuierliche, industrielle Fertigungsprozess kann in die Formgebungs-, Trocknungs- und die Brennphasen der hauptsächlich aluminosilikatischen Ausgangsmaterialien unterteilt werden. Dieses Projekt konzentrierte sich auf die Optimierung der Trocken- und Brennphasen in Hinblick auf den spezifischen Energieverbrauch.

Die effiziente und vor allem angemessen schonende Trocknung von Grünlingen beinhaltet mehrere Problemstellungen, die behandelt wurden. Die Trocknung erfolgt in einem Batchprozess mit einer Dauer von bis zu 40 Stunden. Dieser Zeitraum sollte durch eine Optimierung der Trocknungsparameter verkürzt werden, um den Durchsatz und damit die Produktivität der eingesetzten Trockenöfen zu steigern und gleichzeitig die aufzuwendende Energie pro Tonne Trockengut zu senken. Auf Grund der nicht optimierten Luftführung innerhalb des Ofens kann es zu einer ungleichmäßigen Umströmung des Trockengutes und damit zu unterschiedlichen Trocknungsgraden in einer Charge kommen. Die unterschiedlichen Feuchten in den Grünlingen wirken sich negativ auf den Brennprozess aus, führen zu Spannungen, Rissen und Abblätterungen. Der geometrische Ist-Zustand und die Trocknungsparameter wurden erfasst. Durch Mehrpunktmessungen mit Temperaturfühlern und Feuchtesensoren sowie Datenaufzeichnung über einige Trocknungszyklen wurden die Randbedingungen für CFD-Simulationen ermittelt. Durch CFD-optimierte Einbauten kann die Luftführung im Trockner vergleichmäßigt und damit der Trocknungsausschuss reduziert werden.

Der Brennvorgang erfolgt nach der Trocknung und wird nach gewünschter Enddichte der Feuerfestmaterialien mit oder ohne organischen Porosierungsmittel, die während der Aufheizphase entgasen, durchgeführt. Der exotherme Verbrennungsvorgang des Porenbildners und dessen Kinetik haben eine große Bedeutung für die Qualität des Brennvorganges und können zu ungleichmäßigen Temperatur- und Spannungsverteilungen führen, was in einer Qualitätsminderung der Formstücke resultiert. Mit hochtemperaturtauglichen Datenloggern bzw. Telemetrie wurde der Temperaturverlauf im Inneren eines Werkstückes verfolgt. Die Ausbrandkinetik und der Einfluss auf den Brennprozess wurde grundlegend mit TGA/DSC und verwandten Methoden analysiert, um numerische Modelle zu generieren. Mit den orts- und zeitaufgelösten Simulationsdaten wurden Aussagen über die Temperaturverteilung in den Formteilen und notwendigen Verbesserungen an der Heißgasführung im Ofen gewonnen, um die Qualität der Feuerfeststeine zu erhöhen und gleichzeitig den Energieeintrag in den Brennofen zu verringern.

Durch Optimierung beim Brennen dichter feuerfester Steine konnten im Rahmen des Projektes der spezifische Energieverbrauch um etwa 10 % reduziert und die Produktivität um etwa 15 % erhöht werden.