Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 1, 2021 og kan læses uden illustrationer, strukturer og ligninger herunder.
Procesudstyr i cementindustrien skal kunne håndtere vanskelige råvarer, som kan hobes op på overflader og lede til uønskede produktionsstop. Vådt ler, for eksempel, kan klæbe til vægge af udstyr, blokere transportbånd og være årsag til dyre renseoperationer. Kan “antistick” coatings løse problemet?
Af Søren Kiil, Claus E. Weinell og Kim Dam-Johansen, CoaST, DTU Kemiteknik
Ved brug af enhedsoperationer i cementindustrien, kan råmaterialer som vådt ler og kalkpulver klæbe til udstyrsoverflader, figur 1.
Et velkendt eksempel er indersiden af overføringsslisker mellem transportbånd, hvor blokering af udgange og uforudsigelig ophobning af råmateriale kan forekomme og lede til uønskede produktionsstop. Efterfølgende renseoperationer kan være vanskelige og tidskrævende.
De udsatte overflader kan udstyres med lavfriktionsforinger, der nedsætter akkumulering af materiale, og som kan modstå det hårde partikelslid i kontaktzonen. Imidlertid observeres der også ler i de omkringliggende ”sprøjtezoner”, hvor sliddet er lavere. Her kan billigere alternativer som ”antistick” coatings eventuelt anvendes, og det har været målet i et forskningsprojekt i samarbejde mellem FLSmidth A/S, Hempel A/S og DTU. I undersøgelsen har vi medtaget både coatede og ikke-coatede overflader, og vi har anvendt et pilotanlæg, som simulerer den tribologiske opførsel af råmaterialer, der rammer en udstyrsoverflade. Den fulde beskrivelse af arbejdet kan læses i Fasano et al. [1].
Nyt pilotanlæg
For at kunne måle effektive, statiske friktionskoefficienter, og dermed kunne karakterisere klæbeevnen af vådt ler på metal, foring eller coatede overflader, har vi designet et pilotanlæg. Konstruktionen simulerer ”sprøjtezonen” i en overføringssliske i en cementproduktion, hvor lerklumper og vanddråber – men ikke store sten eller klippestykker som af og til følger med råmaterialet – rammer væggene.
Under fuldskalaforhold trækker tyngdekraften i leret, efter at det har sat sig fast på væggen. I pilotanlægget simuleres den situation med en centrifugalkrafts påvirkning af en lerklump, der klæber (efter et fald) til en roterende skive, figur 2.
Skiven, der er 40 cm i diameter og kan rotere med forskellige hastigheder, er placeret i en beskyttende metalkasse. Over den findes en anordning med vakuumsug og højdejustering, hvorfra en lille lerkugle kan frigives ved påtrykning af trykluft, så den lander på skiven (i fravær af rotation) og sætter sig fast.
Software, udviklet til formålet, sørger for at øge omdrejningshastigheden af skiven fra 0 til 350 rpm over 70 sekunder med en konstant acceleration på 5,0 rpm/s. Undervejs noteres hastigheden, hvor lerklumpen glider af skiven. Den voldsomme stigning i hastigheden påtrykkes, fordi det våde ler hurtigt tørrer, når skiven roterer, hvorved lerets egenskaber ændres. Detaljer om, hvordan den effektive, statiske friktionskoefficient udregnes fra målingerne, findes i [1].
Den roterende skive og overfladerne
Skiven kan være lavet af metal (poleret eller sandblæst), en stiv højmolekylær polyethylen foring (kommercielt Matrox-produkt), eller et coatet metalsubstrat, figur 3.
”Polyuretan” dækker over en pigmenteret, tokomponent coating med en høj grad af hydrofobicitet, bestående af en fleksibel polyester polyol hærdet med en isocyanat. ”Silicone” er en pigmenteret et-komponent coating, hvor basen påføres og dagen efter en topcoat.
Slantzy ler
Den reologiske opførsel af Slantzy ler, et konkret råmateriale til cement som vi anvendte i undersøgelsen, blev målt med et avanceret reometer, figur 4.
Det ses tydeligt, at leret er et komplekst viskoelastisk naturmateriale med en viskositet, som afhænger af forskydningskræfterne. Derfor skal det sikres, at leret, i ethvert forsøg, er udsat for samme behandling før og under måling på skiven.
Resultater af forsøg
Undersøgelsens hovedresultater er opsummeret i figur 5.
Overfladerne kan groft taget inddeles i to grupper; dem som klarede sig bedst (poleret rustfrit stål, Accolan 2G54 Teflon coating, Matrox og polyuretan), og de mindre gode (støbejern, silicone coating, og ikke-poleret rustfrit stål). De eksperimentelle usikkerheder er imidlertid betydelige, der er således kun signifikant forskel på de tre bedste og de tre dårligste overflader. Det er overraskende, at forskellen mellem de to grupper ikke er stor, højst en faktor to. Derudover forventede vi, at silicone-coatingen, der anvendes som en slags ”slip-let” coating på skibe til bekæmpelse af begroning, ville være at finde i gruppen med de højtydende coatings. En forklaring på den observation er endnu ikke fundet, dog kan det nævnes, at kontakt med havvand (på en skibsside) påvirker overfladeegenskaberne af coatingen.
Interessant nok kan den polerede ståloverflade matche både Matrox-foring og Teflon (Accofal 2G54) coating, og overfladeenergien må derfor være af sekundær vigtighed, idet stål har høj, og Teflon meget lav overfladeenergi. Det er således en mulighed at sikre bedst mulige ”antistick”-egenskaber ved at anvende tynde plader af højtpoleret stål i udvalgte områder af cementproduktionen (langtidseffekter kendes dog ikke).
For de to Teflon-coatings (Accolan LB og Accofal 2G54) har ruheden en mindre effekt end overfladematerialet, idet den mest ru af de to falder i gruppen med de bedst ydende overflader. Vi forestiller os, at vådt ler klæber til overflader på en helt særlig måde, og at kapillarkræfter er en oplagt mekanistisk kandidat [2], men det blev ikke undersøgt i indeværende arbejde.
Det bemærkes slutteligt, at Teflon-coatings med lav ruhed ikke kan bidrage med overbevisende ”antistick”-egenskaber, og det er derfor yderst tvivlsomt, om coatings alene kan løse udfordringen med klæbrigt vådt ler.
Konklusion
”Antistick” coatings og andre typer af overflader kan benyttes til at beskytte procesudstyr mod klæbrige råmaterialer. Et pilotanlæg er designet til hurtig test og måling af friktionskoefficienter og rangorden af forskellige overflader for deres modstandsdygtighed overfor vådt ler. Variationen mellem overfladerne var overraskende beskeden, højst en faktor to. De bedste overflader til formålet er poleret rustfrit stål, kommerciel Matrox-foring, samt coatings af Teflon eller polyuretan. For en uddybende beskrivelse af emnet henvises til [1].
Tak til Innovationsfonden, FLSmidth A/S, Hempel A/S, DTU og Hempels Fond for støtte til forskningsarbejdet, som er udført under platformen ”Minerals and Cement Process Technology (MiCeTech).
E-mail:
Søren Kiil, sk@kt.dtu.dk
Referencer
1. A. Fasano, L. Madaleno, S. Davidsdottir, L.S. Jensen, J. Palasi, C.E. Weinell, K. Dam-Johansen, S. Kiil (2020), Wet clay adhesion to antistick coatings: effects of binder type and surface roughness, J. Coat. Tech. Res., 17(1), 69-79.
2. A. Kooistra, P.N.W. Verhoef, W. Broere, D.J.M. Ngan-Tillard, A.F. van Tol (1998), Appraisal of stickiness of natural clays from laboratory tests, Proceedings of the National Symposium of Engineering Geology and Infrastructure, Delft, Netherlands, 101-113.
FAKTABOKS:
Forskning i bæredygtige coatings
The Hempel Foundation Coatings Science and Technology Center, CoaST, forsker på DTU Kemiteknik i bæredygtige coatings under overskriften ”Coatings for a better future”.
Følgende områder har særlig interesse: bundmalinger, antikorrosive malinger, passiv brandbeskyttelse, funktionelle coatings, formulering og produktion, samt nye biobaserede råmaterialer.
Vi samarbejder med råvareleverandører, coatingsproducenter og slutbrugere, og vi etablerer løbende nye projekter i tæt samspil med erhvervsvirksomheder, både nationalt og internationalt.
Kontakt: Centerleder, professor Kim Dam-Johansen, kdj@kt.dtu.dk eller professor Søren Kiil, sk@kt.dtu.dk.
