New Fluid Emulsionsfilteranlagen-Technologie

Funktionsaufbau der EFA-SC3-750L-025L

Die Emulsionsfilteranlage wird eingesetzt zur Reinigung von Kühlschmierstoffen von Zerspanungsmaschinen, welche zur Kühlung und Schmierung der Werkzeuge und Werkstücke eingesetzt werden. Die Emulsionen bestehen meist aus mineralischen Ölen, welche mittels Emulgatoren in Wasser einemulgiert sind.

Die Abbildung zeigt eine Maschinenwanne, die unterhalb des Bearbeitungszentrums angeordnet wird und mit einem Späneförderer ausgerüstet ist. Mittels Hochdruckpumpe(n) wird aus der Maschinenwanne die Emulsion abgesaugt und dann gezielt auf die bearbeitende Stelle des Werkstücks und dem Werkzeugs aufgespritzt. Bei der Bearbeitung der Werkstücke entstehen Späne, welche durch den hohen Emulsionsfluss von der bearbeitenden Stelle weggespritzt werden. Die Späne, je nach Material und Eigenschaft, werden dabei gekühlt und gebrochen. Diese fließen sodann mit der Emulsion in die Maschinenwanne und trennen sich dann auf dem Spänefördersystem (z.B. Kette, Spiralen oder Schieber).

Die Werkzeuge und Werkstücke werden in der Zerspanungsmaschine in einen speziellen Halter fixiert. Der Halter wiederum auf einer beweglichen und schienengeführten Plattform. Die beweglichen Plattformen oder auch drehbaren Backenfutter werden zusätzlich mittels Bettbahn-Schmierölen geschmiert. Hierbei handelt es sich um Öle, die sich nicht in die Emulsion einemulgieren lassen und dann auf und in der Emulsion schwimmen. Die Art der zur Schmierung verwendeten Öle ist je nach Maschinentyp und Hersteller unterschiedlich. Es gibt Maschinen-Schmiersysteme, die gekoppelt an das Hydraulik-Öl arbeiten und Systeme, die mittels eines zentralen Schmiersystems arbeiten. Bei allen Systemen werden die Schmieröle am äußeren Rand der beweglichen Plattformen oder Backenfutter herausgepresst, so dass diese Öle mit der Emulsion in die Maschinenwanne eingespült werden. Durch die hohe Klebekraft der Schmieröle haften diese auf allen Oberflächen wie Maschineninnenwände, Späne, Werkstück, Werkzeug, Siebe, Fensterscheiben usw.


Maschinenwanne mit aufschwimmenden Bettbahn-Schmierölen


Verklebte Oberflächen im Maschinen-Innenraum


Da es bei der Bearbeitung der Werkstücke auch zum Verschleiß der Werkzeuge wie Bohrer, Meisel usw. kommt, entstehen zusätzlich mikrofeine Abriebe, die umschlossen von den unemulgierbaren Schmierölen, in deren Gewicht, einen Auftrieb erhalten und sich so in der Emulsion schwebend mitbewegen. Beim Ansaugen der Emulsion durch die Maschinen-Emulsionspumpe, werden diese mikrofeinen Abriebe auf die zu bearbeitende Stelle gespritzt, so dass sich diese Abriebe zwischen der Schneide vom Werkzeug und dem Werkstück durchpressen und so die Standzeit des Werkzeugs erheblich reduziert und dabei wird auch die Oberflächengüte des zu bearbeitenden Werkstücks mit beeinflusst.


Bakterienbildung in der Emulsion

Unter einem geschlossenen Ölfilm verbrauchen die aeroben Bakterien den Sauerstoff in der Emulsion. Wenn der Sauerstoff verbraucht ist, wachsen die anaeroben Bakterien. Anaerobe Bakterien sind sehr widerstandsfähig und scheiden oft korrosive Säuren aus. Durch das Ausscheiden von Säuren verringert sich der PH-Wert, hierdurch wird das Bakterienwachstum noch unterstützt. Abhilfe schaffen hier oft Systemreiniger, diese enthalten Biozide und Fungizide, welche die Bakterien und Pilze in der Emulsion bekämpfen. Bei einer Behandlung der Emulsion z.B. mit Wascut Biozid, kann die Haut der Maschinenbediener angegriffen werden.


Adsoglobe Filterkugeln

In der New Fluid Filteranlage sorgen spezielle Filterkugeln für eine optimale Reinigung der Emulsion und die Beladung dieser mit Sauerstoff.


weiß

braun
    

Durch die spezielle Molekularstruktur der Adsoglobe entsteht eine Adhäsion von unlöslichen Bettbahn-Schmierölen sowie metallischen Abrieben und dies führt zur Diffusion von Salzen und Gasen.

Der PH-Wert weitestgehend stabil bei etwa 9 PH, so dass eine Ausbreitung von Bakterien gehemmt und sogar verhindert wird.


Verlauf der Emulsionsqualität

Durch die New Fluid Emulsionsfilteranlage werden innerhalb von wenigen Wochen auch alte eingelagerte Ölschlämme und Biofilme, die zum Teil die Siebe und Schlauchrohrleitungen besiedeln fast völlig abgebaut. Dieser Effekt entsteht durch den Diffusionsausgleich der gereinigten Emulsion in der Maschinenwanne und die vorhergehende Beladung mit Luft/Sauerstoff in der Emulsionsfilteranlage. Im mehrwöchigen Betrieb wurden wöchentlich Emulsionsproben entnommen und als Standprobe zur Abscheidung von unlöslichen Ölen miteinander verglichen. Dabei hat sich gezeigt, dass innerhalb von 4 Wochen nur noch ein geringfügiger Ölfilm auf der Emulsionsoberfläche aufschwimmt.


Standproben jeweils nach einer Woche Filterbetrieb


Mikroskopische Untersuchung der Emulsion

Zu Beginn der Emulsionsfiltration wurde die Emulsion auf ihre Tropfenverteilung und Schmutzfracht untersucht, hierbei kann eindeutig die Anwesenheit von metallischen Abrieben in ihrer Umhüllung von unlöslichem Bettbahn-Schmieröl festgestellt werden.


Vor der Reinigung und Betriebsstart mit der New Fluid EFA


Nach der Reinigung und nach etwa 16 Wochen Betrieb


Veränderung der Tropfengrößen in der Emulsion

Mittels Analyseverfahren werden die Partikel-Tropfengröße in ihrer Verteilung ermittelt. Hierbei geht es in erster Linie um die Feinheit der Tropfen und somit um die Wasserbindung der emulgierbaren Öle. Hier kann eine Aussage zur Oberflächenbenetzung der Emulsion in m² je cm³ getätigt werden, da diese entscheidend für das Kühlverhalten auf dem Werkzeug, Werkstück und Spänen ist.


Sympatec SUCELL Dispergierer für Laserbeugung von Suspensionen und Emulsionen 0,1 µm - 875 µm


Erste Messung bei Betriebsstart (gleicher Zeitpunkt wie mikroskopische Abbildung)


Weitere Messung nach 14 Tagen Betriebsdauer


Weitere Messung nach einem Monat Betriebsdauer


Letzte Messung nach etwa 4 Monaten Betriebsdauer


Die kleineren Tropfen (gleicher Zeitpunkt wie mikroskopische 2. Abbildung) sind für eine im Filtrationsverlauf ermittelte Reduktion von etwa 60 % des Emulsionsverbrauchs verantwortlich, da eine dünnere Emulsion leichter von den Oberflächen der zu bearbeitenden Werkstücke und Spänen abfließen kann und diese dann mehrfach verwendet wird. Das kann optisch und auch fühlbar an den ausgeschleusten Spänen festgestellt werden, welche dadurch auch besser und ohne an dem Späneförderer anzukleben transportiert werden können.


Nitritbildung

Eine mit Bettbahn-Schmieröl belastete Emulsion erzeugt beim Kühlen der bis zu 1000° C heißen Späne eine Verbrennung der Bettbahn-Schmieröle, da diese nur eine geringe Kühleigenschaft aufweisen. Dies kann man unmittelbar beim Öffnen der Türe der Zerspanungsmaschine sehen und riechen. Dieses Verbrennen des unlöslichen Bettbahn-Schmieröls ist in erster Linie verantwortlich für den stetigen Anstieg von Nitrit, welcher bei stärkerer Belastung und ab 20 mg/l den Austausch der Emulsion zur Folge hätte. Auch hier hat sich gezeigt, dass binnen weniger Wochen kein zusätzliches Nitrit mehr gebildet wurde und dass sogar durch den Verbrauch der Emulsion während der Produktion und durch das Nachfüllen von frischer Emulsion, diese sich wieder reduzierten. Dies konnte bei zwei EFA-Testanlagen im direkten Vergleich zweier identischer Zerspanungsmaschinen gemessen und dokumentiert werden.


Absaugung der Emulsion aus der Maschinenwanne

Mittels Skimmer wird das Emulsionsgemisch mit seiner Schmutzfracht aus der Maschinenwanne im Bereich des Wannenbodens abgesaugt. Die Emulsionsoberfläche, welche hauptsächlich mit schwimmenden Bettbahn-Schmierölen oder auch Hydraulikölen belastet ist, wird abgesaugt.


Emulgatorfilter

Im Kopfraum des Emulgatorfilters fließt tangential die Emulsion in den Filter. Hier entwickelt sich eine rotierende Emulsionsoberflächen-Strömung. Hierbei werden Filterkugeln < 1 g/cm³ in Rotation gesetzt, welche dabei die überschüssigen Gase aus der Emulsion austreiben. Die Gase strömen dann über eine Überströmleitung aus dem Kopfraum des Filters. Somit wird sichergestellt, dass sich die Emulsionsoberfläche maximal 1 - 2 mm in der Horizontalen bewegt. Die teilentgaste Emulsion fließt dann der Schwerkraft entgegen und wird turbulent durchmischt, so dass die löslichen Öle nachemulgiert werden und sich dadurch die Öltröpfchen in der Emulsion verkleinern. Am Boden des Filters verlässt die Emulsion den Filter und wird mittels Umwälzpumpe im Überdruck verdichtet. Im nachgeschalteten Injektor wird eine gewisse Luftmenge in den Emulsionsstrom eindossiert. Das Emulsionsgasgemisch strömt in den Adhäsionsfilter.


Adhäsionsfilter

Im Kopfraum des Adhäsionsfilters wird mittels Rieselplatte das Emulsionsgasgemisch in mehrere Flüssigkeitsstrahlen aufgeteilt und spritzt dann auf die Adsoglobe-Filterkugeln. Dadurch entsteht eine elektrostatische Aufladung der Adsoglobe, so dass die negativ geladenen metallischen Abriebe auf den Kugeln anhaften. Durch die wechselstatischen Ströme, in und auf den Adsoglobe, werden auch die unlöslichen Bettbahn-Schmieröle angezogen und sammeln sich dann auf der Kugeloberfläche und laufen als Öltropfen zusammen und fließen dann mit Hilfe der Schwerkraft mit dem Emulsionsstrom nach unten. Die unlöslichen Öltropfen fließen nach unten auf die Niveauoberfläche der Emulsion und werden durch die stetige Luftzugabe mittels Auslassdüse aus dem Adhäsionsfilter ausgeschieden. Das Öl-Gasgemisch trennt sich, so dass die Gase über den Kopfraum des Ableiters abgeführt werden. Da die unlöslichen Öle leichter als die Emulsion sind, schwimmen diese in den nachgeschalteten Ölsammler ein und drängen dabei die vorgepufferte Emulsion zurück in den Kreislauf. Das unlösliche Öl lagert sich im Ölsammler ein und kann im Kopfraum manuell entnommen werden. Die gereinigte und mit Gas/Sauerstoff angereicherte Emulsion verlässt den Filter im Boden und strömt entgegen der Schwerkraft in den Kapillarfilter.


Kapillarfilter

Im Kapillarfilter wird die Emulsion entgegen der Schwerkraft und beim umfließen der Adsoglobe druckentspannt, so dass die überschüssigen Gase austreten und so im Wechselspiel erneut die Emulsion nachemulgiert. Hierbei werden auch überschüssige Gase und Öle eingelagert, welche dann je nach Konzentrationsgefälle die Emulsion ausgleicht. Die gereinigte Emulsion wird wieder zurück in die Maschinenwanne eingeleitet. Die Einleitung erfolgt bevorzugt am anderen Ende der Maschinenwanne, so dass es zur Querströmung in der Maschinenwanne kommt und sich somit keine Ablagerungen in der Wanne bilden.