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Luftstrahlsiebung Moderne Varianten der Luftstrahlsiebung

Autor / Redakteur: Andreas Theisen* / Dr. Ilka Ottleben

Bei der Qualitätssicherung von Schüttgütern gehört die prozessbegleitende Bestimmung der Korngröße und ihrer Verteilung zu den wesentlichen Analyseverfahren. Lesen Sie, wie aktuelle Varianten der Luftstrahlsiebung auch über lange Zeiträume zuverlässige und reproduzierbare Siebergebnisse ermöglichen.

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Abb. 1: Die Luftstrahlsiebmaschine AS 200 jet von Retsch. (Bild Retsch)
Abb. 1: Die Luftstrahlsiebmaschine AS 200 jet von Retsch. (Bild Retsch)
( Archiv: Vogel Business Media )

Die Korngrößenbestimmung und die Ermittlung der Korngrößenverteilung sind wichtige Kriterien der Qualitätssicherung von Schüttgütern. In laufenden Produktionsprozessen muss das Ergebnis möglichst schnell vorliegen, um unmittelbar Einfluss auf die Produktionsparameter nehmen zu können. Je nach erwarteter Partikelgröße und Probenmenge kommen zur Analyse unterschiedliche Siebverfahren und Siebmaschinen in Betracht. Die für eine Bestimmung der Partikelgröße verwendete Methode ist zunächst durch die Feinheit des zu siebenden Gutes bestimmt. Der klassischen Siebung von trockenen Schüttgütern mit Wurf-, Plan- oder Klopfsiebmaschinen ist dabei eine Grenze bei etwa 40 µm gesetzt. Durch Nasssiebung kann man mit Wurfsiebmaschinen auch in den Bereich bis etwa 20 µm vordringen. Jedoch muss hierzu die Probe zunächst in Flüssigkeit dispergiert und nach der Siebung filtriert, getrocknet und zurückgewogen werden.

Prinzip der Luftstrahlsiebung

Für eine Trockensiebung unter 40 µm bietet sich das Verfahren der Luftstrahlsiebung an. Aber auch zur Bestimmung von Partikelgrößen bis etwa 200 µm wird die Luftstrahlsiebung gerne als schnellere Alternative der Wurfsiebung vorgezogen (s. Abb. 3). Mit allen hier genannten Verfahren kann sowohl die Partikelgröße (sog. Siebschnitt) als auch die Partikelgrößenverteilung einer Probe bestimmt werden. Im Gegensatz zu anderen Verfahren wird bei der Luftstrahlsiebung grundsätzlich immer nur mit einem Sieb gearbeitet. Dabei wird das Sieb mit dem Siebgut auf der Maschine platziert und mit einem Deckel abgedeckt. Der Raum unterhalb des Siebes wird über einen leistungsstarken Staubsauger abgesaugt. Die hierbei angesaugte Luft strömt durch eine Schlitzdüse nach, die nahe unterhalb des Siebs rotiert. Dadurch wird das Siebgut von der einströmenden Luft immer wieder aufgewirbelt und gleichmäßig über die gesamte Siebfläche verteilt. Nun kommen mehrere Effekte zum Tragen:

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  • Durch den Luftstrom wird eine dauernde Neuorientierung der Partikel auf der Sieb-oberfläche bewirkt. Partikel mit Größen kleiner als die Siebmaschenweite werden vom Staubsauger abgesaugt.
  • Mithilfe niedriger Siebe (i.d.R 25 mm) wird das Siebgut von der einströmenden Luft gegen den Deckel geschleudert und Agglomerate werden so aufgebrochen.

Normalerweise sind die Drehzahlen der Schlitzdüse unterhalb des Siebes bei Luftstrahlsiebmaschinen fest eingestellt. Allerdings ist eine Variation der Drehzahl durchaus hilfreich. Für empfindliche Materialien empfiehlt sich z.B. die Wahl einer niedrigen Drehzahl, um die Beanspruchung der Probe zu minimieren. Die Beanspruchung kann durch Verwendung von Sieben mit 50 mm Höhe zusätzlich reduziert werden, da das Probenmaterial nicht so stark gegen den Siebdeckel prallt. Für Proben mit starker Tendenz zur Agglomeration sind hohe Drehzahlen vorteilhaft. Dadurch wird die Prallfrequenz deutlich erhöht und auch festere Agglomerate werden innerhalb kurzer Siebdauer durch den häufigen Prall gegen den Siebdeckel aufgebrochen.

Anwendungsbeispiel

  • Zwei gleiche Proben ZrO2-Mehl wurden bei unterschiedlichen Drehzahlen gesiebt (s. Abb. 4 und 5). Die Parameter:
  • Sieb: Durchmesser 203 mm, Höhe 25 mm gemäß ISO 3310-1, Maschenweite 63 µm
  • Material: je 20 g ZrO2-Mehl mit Agglomeraten
  • Drehzahl: 20 und 55 U/min
  • Siebdauer: 10 s und 2 min
  • Unterdruck: ca. 3,5 kPa

Die Abbildungen zeigen deutlich, dass für die vollständige Auflösung von Agglomeraten eine hohe Drehzahl von Vorteil ist. Zusätzlich lässt sich auch der durch den Staubsauger erzeugte Unterdruck regeln, wodurch neben der Prallfrequenz auch die Prallgeschwindigkeit variiert werden kann. Dies ermöglicht neben der gewählten Siebhöhe eine weitergehende Einflussnahme auf die Siebung empfindlicher Materialien.

Leistungsfähigkeit und Siebpflege

Gerade sehr feinmaschige Siebe sind anfällig gegen sog. Steckkörner, also Verunreinigungen, die das Siebgewebe verstopfen. Dies führt zur Verschlechterung der Siebergebnisse und zu einem frühzeitigen Verschleiss des Siebes. Um die Leistungsfähigkeit des Siebes und damit auch die Reproduzierbarkeit der Siebungen aufrecht zu erhalten und den Reinigungsaufwand zu minimieren, hat sich die Einführung der sog. „Open-Mesh-Funktion“ in der Retsch Siebmaschine AS 200 jet als sehr hilfreich erwiesen. Diese Funktion bewirkt, dass sich die Luftstrahldüse nicht kontinuierlich unterhalb des Siebes bewegt, sondern nach dem Muster „Zwei Schritte vor, einen zurück“ zunächst eine Vorwärtsbewegung um 20° und nachfolgend eine Rückwärtsbewegung um 10° durchführt (s. Abb. 6). Dadurch ändert sich die Strömungsrichtung durch das Sieb und Steckkörner werden aus dem Siebgewebe freigeblasen.

In Abbildung 7 ist das Siebgewebe eines 45-µm-Siebes nach Siebung von Quarzsand ohne und mit Open-Mesh-Funktion dargestellt. Deutlich erkennbar sind einige Maschen nach der Siebung ohne Open-Mesh-Funktion noch verstopft, während das Sieb unter Verwendung dieser Funktion komplett frei bleibt. Sie erhöht also durch die schonende Reinigung des Siebgewebes die Reproduzierbarkeit der Siebung und die Standzeiten der Siebe gegenüber einer normalen Luftstrahlsiebung.

Partikelgrößenverteilungen

Obwohl immer nur ein Sieb auf einer Luftstrahlsiebmaschine verwendet werden kann, ist es auch mit diesem Gerät möglich, Partikelgrößenverteilungen zu bestimmen. Dazu stehen zwei Verfahren zur Verfügung: Beim Standardverfahren wird die gesamte zu siebende Probenmenge auf das feinste Sieb aufgegeben. Nach erfolgter Siebung und Rückwaage wird das Überkorn quantitativ auf das nächstgröbere Sieb gegeben und erneut gesiebt. Dieser Vorgang wird fortgeführt, bis die Probe komplett fraktioniert ist (s. Abb. 2, oben). Beim so genannten „Schweizer Verfahren“ wird die Probe zunächst auf die Anzahl der zu untersuchenden Korngrößenklassen geteilt und jede Teilmenge einzeln mit dem jeweiligen Sieb analysiert (s. Abb. 2, unten). Wichtig hierbei ist eine repräsentative Probenteilung, um die Korngrößenverteilung in allen Teilproben identisch zu halten. Die besten Ergebnisse bietet dabei ein Rotationsprobenteiler (z.B. Retsch PT 100), mit dem sechs, acht oder zehn gleiche Teilproben aus dem Ausgangsmaterial gewonnen werden können.Vorteil des Standardverfahrens ist der geringe Probenverbrauch während die Stärke des „Schweizer Verfahrens“ die höhere Genauigkeit ist. Eine Software-unterstützte Auswertung erleichtert und verkürzt die Datenverarbeitung und vermindert außerdem Anwenderfehler bei der Datenübertragung und Berechnung. Die Software (z.B. Easy-Sieve) führt den Anwender durch den gesamten Siebprozess. Dabei werden die Siebmaschine gesteuert und die Wägedaten ausgelesen, um nachfolgend normgerechte Protokolle zu erstellen und nach Bedarf unterschiedliche Kenngrößen zu ermitteln.

Fazit

Die Luftstrahlsiebung stellt ein wichtiges Instrument der Qualitätskontrolle feiner Schüttgüter dar. Moderne Technologien und die Möglichkeit der vielseitigen Auswahl an Siebparametern in Verbindung mit leistungsfähigen Auswertemitteln gewährleisten zuverlässige und reproduzierbare Siebergebnisse über einen langen Zeitraum.

*Dr. A. Theisen, Retsch GmbH, 42781 Haan

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