WARMWALZ- EMULSION
Ein Betriebsmittel mit großer Wirkung
Als Premiumanbieter mit starkem Fokus auf Spezialprodukte spielt neben besonderen Festigkeits- und Umformeigenschaften auch die Oberflächenqualität bei nahezu allen Produkten eine wichtige Rolle. Diese bestimmt nicht nur das optische Erscheinungsbild, sondern beeinflusst auch Umformbarkeit, Lötbarkeit, Rutschfestigkeit, Verklebbarkeit und vieles mehr.Um den ständig steigenden Anforderungen an die Oberflächenqualität unserer Flachwalzprodukte gerecht zu werden, muss das tribologische System beim Warmwalzen von Aluminium gut verstanden und kontinuierlich optimiert werden (siehe Abbildung 1).Dieses tribologische System umfasst alle Faktoren, die die Reibung, den Verschleiß und die Schmierung beim Walzprozess beeinflussen. Um eine optimale Walzqualität und hohe Effizienz gewährleisten zu können, ist eine sorgfältige Kontrolle und Optimierung dieser Faktoren erforderlich. Beim Warmwalzen von Aluminium und Aluminiumlegierungen werden Öl-in-Wasser-Emulsionen eingesetzt. Diese übernehmen während des Walzprozesses im Wesentlichen folgende Aufgaben:
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Schmierwirkung: der Öl-Anteil sorgt für die Schmierung zwischen der Aluminium- und der Walzenoberfläche
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Kühlwirkung: der Wasser-Anteil kühlt die Walze und schützt damit vor Überhitzung
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Reinigungswirkung: Abtransport von Abrieb, der beim Walzprozess entsteht
Eine Emulsion ist ein fein verteiltes Gemisch zweier normalerweise nicht mischbarer Flüssigkeiten. Ein Beispiel hierfür sind Wasser und Öl, die aufgrund ihrer unterschiedlichen chemischen Eigenschaften normalerweise getrennt bleiben. Eine Emulsion entsteht, wenn die Ölphase in winzige Tröpfchen zerfällt (disperse Phase) und sich in der Wasserphase (kontinuierliche Phase) verteilt (Abbildung 2).Ein wichtiger Bestandteil von Emulsionen ist der Emulgator, der die Tröpfchenbildung erleichtert und der Entmischung entgegenwirkt. Er vermitteltzwischen den beiden Phasen und besteht aus einem polaren (hydrophilen) und einem unpolaren (lipophilen) Teil. Emulsionen sind jedoch metastabile Systeme: Ohne Energiezufuhr, z.B. durch Umpumpen oder Abscheren, würden sich kleinere Tröpfchen durch Koaleszenz wieder zu größeren Tröpfchen verbinden, die Emulsion würde schließlich brechen.Emulsionen sind ein wesentlicher Faktor im Warmwalzprozess, und ihre Qualität (Zusammensetzung und Stabilität) hat einen direkten Einfluss auf die Oberflächenqualität der gewalzten Produkte. Eine kontinuierliche Analyse der Zusammensetzung der Emulsionen und eine darauf basierende Emulsionspflege sind unerlässlich; eine mangelhafte oder fehlende Überwachung kann zu einer schlechten Oberflächenqualität bis hin zur Produktionsunfähigkeit führen. Die Formulierung der von AMAG zugekauften Emulsionskonzentrate unterliegt einer gewissen Schwankungsbreite. Aus diesem Grund sind bereits bei der Anlieferung umfangreiche Analysen für die Eingangskontrolle sehr wichtig, um die Hauptkomponenten (Basisöle, Schmierstoffadditive, EP-Additive, Emulgatoren) und die Performance der Formulierung zu überwachen. Darüber hinaus ist die Zusammensetzung einer Warmwalzemulsion im Einsatz nie mit einer frischen Emulsion vergleichbar und unterliegt ständigen Veränderungen durch
- Verbrauch, Austragung
- Veränderung, Abbau der Substanzen (durch mechanisch und thermisch hohe Belastung)
- Bildung von Metallseifen (bei fettsäurebasierten Formulierungen)
- Verschmutzung durch Hydrauliköle, Fette, Abrieb
- Abbau durch (unkontrollierte) mikrobielle Aktivität
Aufgrund unserer Produktvielfalt (AMAG produziert Produkte der Legierungsklassen 1xxx - 8xxx) und Formatvielfalt ist eine entsprechende Flexibilität in der Anpassung der Zusammensetzung und der Eigenschaften der Warmwalzemulsion erforderlich. Nur mit einer optimal auf die Anlage und das Walzgut abgestimmten Warmwalzemulsion kann ein optimales Ergebnis erzielt werden. Hierfür ist eine regelmäßige und umfassende Emulsionspflege unerlässlich.Dies erfolgt in enger Zusammenarbeit zwischen dem AMAG CMI und der Produktion, um eine sehr hohe Qualität gewährleisten zu können. Zu den Maßnahmen der Emulsionspflege gehören Nachjustierungen der Zusammensetzung (Zugabe von Frischöl oder Additiven) sowie Reinigungsmaßnahmen (Abskimmen, Absaugen, (Teil-)Austausch). Als Grundlage dienen regelmäßige und umfangreiche Laboranalysen zur Überwachung der Emulsionsqualität (Abbildung 3, 5). Dabei werden sowohl in der Emulsion selbst, als auch in der Ölphase der Emulsion wichtige Parameter bestimmt (insgesamt ca. 20 Analyseverfahren) und überwacht:
- Allgemeine Parameter (z.B. pH-Wert, Leitfähigkeit)
- Schmierparameter (z.B. Ölgehalt, Viskosität, Schmieradditive, Emulsionsstabilität)
- Stabilitätsparameter (z.B. Tröpfchengrößenverteilung)
- Verschmutzungsparameter (z.B. Filtrationsrückstand, Fremdöle- und fette, Abrieb)
- Mikrobiologie
Die dabei eingesetzten Untersuchungsmethoden umfassen ein breites Spektrum, wie z.B. Viskosimetrie, Titrationsverfahren, Laserlichtbeugung, Infrarotspektroskopie, Gaschromatographie, ICP-Spektroskopie. Die Ergebnisse werden in einer Emulsionsdatenbank gesammelt und dienen als Grundlage zur Beurteilung der Emulsionsqualität für die nachfolgende Emulsionspflege und für weitere qualitätssichernde Maßnahmen. Die Zusammensetzung der Emulsion sowie deren Stabilität sind entscheidend für das Verhalten der Warmwalzemulsion im Walzspalt, in dem eine Trennung der Ölphase von der Wasserphase erfolgt („Plate-Out“); die Ölphase ist für die Schmierung im Walzspalt entscheidend (Abbildung 4). Die bei AMAG eingesetzten Methoden zur Bestimmung der Emulsionszusammensetzung und der Emulsionseigenschaften werden ständig erweitert, aktuelle Beispiele sind die Kernspinresonanzspektroskopie und die Messung der Emulsionsstabilität mittels Turbiscan.
Die Kernspinresonanzspektroskopie (NMR-Spektroskopie von engl. nuclear magnetic resonance) ist eine spektroskopische Methode zur Untersuchung der elektronischen Umgebung einzelner Atome und der Wechselwirkungen mit den Nachbaratomen. Damit können Molekülstrukturen besser zugänglich gemacht werden, die genauere Rückschlüsse auf die Zusammensetzung der Ölphase einer Emulsion zulassen, als dies bisher möglich war. Mit dem Turbiscan kann die Stabilität einer Emulsion qualitativ und quantitativ auch über einen längeren Messzeitraum bestimmt werden.
Kundennutzen:
Die Emulsion ist ein wesentlicher Faktor im Warmwalzprozess, und ihre Qualität (Zusammensetzung und Stabilität) hat einen direkten Einfluss auf die Oberflächenqualität der gewalzten Produkte. Eine kontinuierliche Analyse der Emulsionszusammensetzung und eine ständige Weiterentwicklung der Untersuchungsmethoden sowie eine darauf aufbauende Emulsionspflege sind daher unerlässlich. Ziel kontinuierlicher Forschungsarbeiten ist es, durch eine wissensbasierte Prozessführung die hervorragende Oberflächenqualität der AMAG-Produkte für unsere Kunden sicherzustellen bzw. weiter zu verbessern.
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