Hochtemperaturwolle gehört zu der Gruppe der künstlichen Mineralwollen, zu der auch Mineralwolle und Glaswolle zählen. Die Anwendungstemperaturen der beiden letztgenannten liegen mit wenigen Ausnahmen unter 650°C. Liegt die Anwendungsgrenztemperatur über 1000°C spricht man von Hochtemperaturwolle. Zu dieser Gruppe zählen:

  • Erdalkalisilikatwolle (AES-Wollen)
  • Aluminiumsilikatische Wolle (ASW) und
  • Polykristalline Wolle (PCW).

Produkte aus Hochtemperaturwolle werden im industriellen Ofen- und Anlagenbau bis ca. 1800°C eingesetzt.

Zur Begrifflichkeit “Wolle”: Endlosfasern bzw. Textilglasfasern werden mittels Düsenziehverfahren hergestellt und alle Monofilamente haben den gleichen Durchmesser. Variiert der Durchmesser und die Länge, spricht man von Wolle. Daher sind Hochtemperaturwollen per Definition keine Fasern und somit Begriff “Keramikfaser“ nicht korrekt. Der Begriff ist dennoch immer noch in Verwendung.

Hochtemperaturwollen haben eine sehr niedrige Dichte im Vergleich zu traditionellen feuerfesten Werkstoffen (feuerfeste Massen oder Steine) und damit eine sehr niedrige Wärmekapazität (bezogen auf die Dämmstoffmasse in einer Anlage). Die Materialien sind temperaturwechelbeständig und können quasi beliebig schnell aufgeheizt bzw. abgekühlt werden. Diese Eigenschaft in Verbindung mit der geringen Masse haben den Anlagenbau grundlegend verändert. Chargenöfen können schneller und energieeffizienter gefahren werden, der Stahlbau kann wesentlich schlanker gestaltet werden und eine Neuzustellung oder eine Reparatur können wesentlich schneller durchgeführt werden.

Herstellung und Produkte aus Hochtemperaturwolle

Herstellung

Aluminiumsilikatwollen (ASW) basieren chemisch auf dem System Al2O3-SiO2 und werden seit mehr als 50 Jahren verwendet. Die auch als Keramikfaser oder refractory ceramic fiber (RCF) bezeichneten Hochtemperaturwollen haben eine ausgezeichnete chemische Beständigkeit gegenüber den meisten korrosiven Medien.

Aluminiumsilikatwolle

Pulverförmige Rohstoffe (Al2O3 und SiO 2 und ggf. ZrSiO4) werden in einem Widerstandsofen mit Kohlenstoffelektroden geschmolzen. Die Schmelze tritt unterhalb des Schmelzaggregats aus und wird über Druckluft verblasen oder über rotierende Scheiben verschleudert. Die so erzeugte Faser hat eine Länge von mehreren Zentimetern, einen Durchmesser von 2-4 μm mit einem tropfenförmigen Kopf (siehe Bild) am Ende.

Der tropfenförmige Kopf bricht während des Prozesses oft ab. Diese Kügelchen als auch nichtzerfasertes Material werden als „Shot“ bezeichnet. Der Shotanteil liegt in der Rohfaser zwischen 40 und 60%. Eine Verringerung des Shotanteils im fertigen Produkt bewirkt eine Reduktion der Wärmeleitfähigkeit und die Dämmwirkung verbessert sich.

Die Rohfaser wird in der Regel weiterverarbeitet. Hauptprodukt sind Fasermatten, die durch Vernadeln entstehen. Die Rohfaser fällt auf ein Förderband und wird mit einem Gleitmittel (Ölemulsionen) besprüht. Dies reduziert das Brechen der Faser. „Häkelnadeln“ fahren anschießend von beiden Seiten durch den Filz und vernadeln diesen zu einer Matte. Es entsteht eine endlos Fasermatte, die am Ende des Bandes zu Faserrollen geschnitten wird. Fasermatten werden standardisiert zöllig gefertigt. Die 1“-Matte ist das meist hergestellte Produkt. Die Rohdichte der Matten liegt typischerweise zwischen 65 und 160 kg/m³.

Erdalkalisilikatwolle

Das Herstellen von Erdalkalisilikatwollen (AES-Wollen) folgt dem gleichen Prinzip (Herstellen von Aluminiumsilikatwolle). Rohstoffe sind SiO2, CaO und/oder MgO. CaO als auch MgO verringern die Schmelztemperatur des SiO2 und sorgen für die niedrige Biopersistenz (biologische Beständigkeit) der Wolle. Die Faser wird als „biolöslich“ eingestuft, der Körper kann AES-Fasern innerhalb weniger Wochen abbauen.

Polykristalline Wolle

Das Herstellen von polykristallinen Wollen (PCW) erfolgt auf einem anderen Weg. Der Al2O3-Anteil liegt bei diesem Fasertyp mindestens 72 %. Der Rest ist wie bei Aluminiumsilikatwolle ebenfalls SiO2. Eine Schmelze dieser Zusammensetzung kann aufgrund der hohen Oberflächenspannung nicht zu einer Faser verblasen werden. Deshalb werden PCW über einen Sol-Gel-Prozess erzeugt. Das Verblasen einer wässrige Spinnlösung erzeugt eine wasserlösliche Gelfaser, die anschließend in einem Durchlaufofen thermisch keramisiert wird. Das Verfahren ist im Vergleich zur Herstellung von ASW/AES relativ teuer.

Produkte

Module sind ein wesentliches Produkt aus Fasermatten. Sie bestehen aus komprimierten Mattenstreifen, die mit Bändern zusammengalten werden oder vernäht sind. Es gibt unterschiedliche Bauformen und Modulsysteme. Module werden in Anlagen mit hohen Strömungsgeschwindigkeiten und bei hohen Temperaturen eingesetzt.

Neben Fasermatten lassen sich eine Vielzahl anderer Produkte aus Hochtemperaturwollen herstellen. Dazu gehören vakuumgeformte Platten und Formteile, die neben der Funktion als Dämmplatte auch als z.B. Brennerdurchführung oder als Brennhilfsmittel Einsatz finden. Für deren Herstellung werden lose Fasern in eine wässrige Suspension überführt, die in der Regel auch anorganische Füllstoffe und organische Bindemittel enthält. Diese Suspension wird mittels Unterdruck auf ein Sieb gezogen, wobei sich die Feststoffe darauf anlagern. Die abgeformten Teile lassen sich durch einen leichten Gegendruck vom Sieb lösen und werden anschließend getrocknet oder auch thermisch nachbehandelt. Über diesen Prozess können viele Geometrien hergestellt werden. Die Rohdichten der fertigen Produkte liegen zwischen 170 kg/m³ bis ca. 1300 kg/m³. Daraus resultieren sehr unterschiedlicher mechanische als auch thermische Eigenschaften. Mittels organsicher Bindemittel lassen sich auch flexible Papiere und Filze erzeugen, die als Dichtungen oder als „weiche“ Dämmstoffe eingesetzt werden.

Die textile Weiterverarbeitung erlaubt auch das Herstellen von feuerfesten Bändern, Tüchern oder Schnüren.

Gemischt mit anorganischen Füllstoffen und Bindemitteln finden Hochtemperaturwollen auch Anwendung in feuerfesten Beschichtungen, Reparaturmassen und feuerfesten Kitten.

Klassifikation von Hochtemperaturwolle

Die Eigenschaften von Hochtemperaturwollen sind meist nach der Normenreihe „Feuerfeste Erzeugnisse für Wärmedämmzwecke“ EN 1094 1-7 bestimmt. Ebenfalls gebräuchlich ist die Klassifikation nach ASTM C892 „Standard specification for high-temperature fiber blanket thermal insulation“.

Ausschlaggebend für die Klassifikation ist das Schrumpfverhalten bei Temperatur. Die Klassifikationstemperatur (Nach EN 1094) ist als die Temperatur definiert, bei der nach 24 h Wärmebehandlung in einem elektrisch beheizten Laborofen und in neutraler Atmosphäre eine lineare Schwindung von 2-4 % nicht überschritten wird. Der genaue Wert hängt von der Art des Produkts ab. Platten und Formteile dürfen 2 %, Matten und Papiere dürfen 4 % Längenänderung nicht überschreiten.

high temperature wool shrinkage 24h

Die dauerhaften Anwendungsgrenztemperaturen liegen für AES als auch ASW ca. 100-150K unter der Klassifikationstemperatur des Materials. Produkte aus polykristalliner Wolle lassen sich in einigen Anwendungen auch bis zur ihrer Klassifikationstemperatur eingesetzen.

Eigenschaften

Hochtemperaturwollen zeichnen sich durch eine niedrige Wärmeleitfähigkeit, niedrige Rohdichte und niedrige Wärmkapazität aus. Mit Hochtemperaturwolle lassen sich daher sehr energieeffiziente, periodisch betriebene Anlagen bauen, die schnell aufgeheizt und abgekühlt werden können.

Schrumpfung

Alle Hochtemperaturwollen schrumpfen bei hohen Temperaturen. Die Schrumpfung darf im Einsatz aber nicht so stark sein, dass Lücken in der Dämmung entstehen. Gegebenenfalls werden neu zugestellte Anlagen deshalb einige Tage bzw. Wochen nach Inbetriebnahme nochmal „nachgestopft“. Das Diagramm zeigt das typische Langzeitverhalten einer ASW bei verschiedenen Temperaturen.  Je nach Temperatur findet der größte Teil des Schrumpfprozesses in den ersten Betriebsstunden statt, anschließend verlangsamt sich dieser stark.

Langzeitschwindung ASWAggressive Bestandteile der Ofenatmosphäre können das Schrumpfen dramatisch verstärken (z.B. Alkalien). Da diese korrosiven Bestandteile in der Regel über das Gut in die Anlagen eingetragen werden, findet nur ein eingeschränktes Verlangsamen des Schrumpfprozesses mit fortschreitender Einsatzzeit statt (je nach Menge und Diffusionsmechanismus des korrosiven Mediums).

AES und ASW rekristallisieren bei Temperaturen über 900°C. Bei dauerhafter Anwendung über 900°C entsteht in diesen Materialien kristallines SiO2 und die glasige Struktur geht verloren. Damit verlieren die Materialien auch mit der Zeit auch an Flexibilität. Dies geht umso schneller, je höher die Einsatztemperaturen sind.

Wärmeleitfähigkeit

Die Wärmeleitfähigkeit ist von Dichte und Faserausrichtung abhängig. Die Art des Materials hat bei hohen Temperaturen nur eine untergeordnete Bedeutung.

Hochtemperaturwolle Wärmeleitfähigkeit dichteabhängig

Rückfedervermögen

Das Rückfedervermögen ist ein charakterischer Wert für die vernadelte Matte. Dieses ändert sich in Abhängigkeit von der Höhe der Kompression (ab einen gewissen Punkt brechen die Fasern) als auch von der thermischen Belastung (Rekristallisation). Das Diagramm zeigt das typische zeitabhängige Rückfedervermögen nach Asulagerung bei 1100°C. Das AES-Material (Klassifikationstemperatur 1200°C) ist schon überlastet.

Rückfedervermögen ASW AES PCW

Das Rückfederverhalten ist wichtig für den Einsatz von Modulen. Die Vorspannung in einem Modul und damit in der Ofenwand wirkt dem Schrumpfen (Schwinden) bei hohen Temperaturen entgegen. Der Einsatz von Modulen hat weitere Vorteile. Die höhere Rohdichte des Materials und verringert die Wärmeleitfähigkeit und somit den Wärmedurchgang bei hohen Temperaturen. Die bevorzugte Faserrichtung ist senkrecht zur Ofenwand. Dadurch können Anlagen in Modulbauweise auch Strömungsgeschwindigkeiten bis 30m/s widerstehen. Werden Hochtemperaturwollen als Matten verbaut, sollten 10 m/s nicht überschritten werden, da sonst Fasern aus dem Material geblasen/erodiert werden.

Korrosion

ASW und PCW sind aufgrund ihrer Zusammensetzung chemisch sehr stabil und widerstehen auch säurehaltigen Atmosphären.

AES-Wollen können dies nicht. Es wird oft nicht beachtet, dass der Taupunkt von Säuren höher ist als der des Wassers. Beispielsweise kondensiert Schwefelsäure schon bei ca. 160°C. Kritisch sind auch reine Wasserkondensate in der Wand. Unter solchen Bedingungen sollten AES-Wollen nicht eingesetzt werden. Der Korrosion von feuerfesten Werkstoffen werden wir eine komplette Rubrik widmen (ist in Arbeit).

Einstufung und Arbeitssicherheit

Einstufung von Hochtemperaturwollen

1997 wurde Aluminiumsilikatwolle (ASW) – „Keramikfaser“ – in Kategorie 2 (Richtlinie 67/548/EWG) eingestuft. In diese Kategorie wurden Stoffe einordnet, die für den Menschen als krebserzeugend angesehen werden, wenn also hinreichende Anhaltspunkte zu der begründeten Annahme bestehen, dass die Exposition eines Menschen gegenüber dem Stoff Krebs erzeugen kann. ASW wurde mit Gefahrstoffsymbol T und mit R 49 gekennzeichnet – „Kann Krebs erzeugen beim Einatmen“.

Mit der CLP-Verordnung (Regulation on Classification, Labelling and Packaging of Substances and Mixtures) hat sich die Einstufung 2008 auf Kategorie 1B geändert – „Stoffe, die wahrscheinlich beim Menschen karzinogen sind – die Einstufung erfolgt überwiegend aufgrund von Nachweisen bei Tieren“. Seither tragen ASW und teilweise auch ASW-Produkte das Symbol „Gesundheitsgefahr“ mit dem H350i Hinweis “ Kann bei Einatmen Krebs erzeugen“.  2010 folgte die Aufnahme von  Aluminiumsilikatwolle in die Kandidatenliste besonders besorgniserregender Stoffe (SVHC). Eine Aufnahmen in die Zulassungsliste (REACh Anhang XIV) fand aber nicht statt. Aktuell sucht man nach einer praktischeren Herangehensweise (z.B. Änderungen des Arbeitsschutzes auf europäischer Ebene).

Erdalkalisilikatwolle (AES) unterliegt keiner Einstufung, da diese die Entlastungskriterien nach Anmerkung Q der CLP-Verordnung erfüllt.

Polykristalline Wolle (PCW) unterliegt keiner Einstufung nach CLP-Verordnung, daher ist eine Kennzeichnung nicht zwingend. In Deutschland gehört PCW nach den technischen Regeln für Gefahrstoffe (TRGS) zu den anorganischen Faserstoffen, die in Kategorie K2 „Verdacht auf karzinogene Wirkung beim Menschen“ eingeordnet sind (TRGS 905 “Verzeichnis krebserzeugender, keimzellmutagener oder reproduktionstoxischer Stoffe”). Da die technischen Regeln für Gefahrstoffe einen quasi-rechtwirksamen Status haben, kennzeichnen einige Hersteller in Deutschland auch polykristalline Wolle.

Arbeitsschutz

Durch die Einstufung ist die Verwendung von Aluminiumsilikatwolle in vielen europäischen Ländern stark eingeschränkt worden. AES-Wollen haben Aluminiumsilikatwollen im Haushaltsbereich als auch im bautechnischen Brandschutz komplett ersetzt. Aufgrund der niedrigen chemischen und thermischen Beständigkeit von AES-Wollen ist dies in industriellen Anlagen allerdings nur eingeschränkt möglich. In Deutschland gibt die TRGS 619 „Substitution für Produkte aus Aluminiumsilikatwolle“ einen Leitfaden, ob eine anwendungspezifische Substitution in Betracht kommt.

Die TRGS 558 regelt den sicheren Umgang mit Aluminiumsilkatwolle als auch mit polykristalliner Wolle. Für PCW hat die TRGS nur „Empfehlungscharakter“. Verscheidene Tätigkeiten werden in Risikoklassen eingeteilt, aus denen sich organisatorische als auch arbeitsschutztechnische Maßnahmen ergeben. Die Akzeptanzkonzentration liegt bei 10.000 F/m³, die Toleranzkonzentration bei 100.000 F/m³ (nach TRGS 910).

Auf europäischer Ebene empfiehlt der wissenschaftliche Ausschuss für Grenzwerte berufsbedingter Exposition (SCOEL) einen Arbeitsplatzgrenzwert von 300.000 F/m³ (8 Stunden Exposition).

Praktische Maßnahmen zum sicheren Umgang als auch organisatorische Maßnahmen finden Sie unter den Links am Ende dieser Seite. Das Tragen von geeigneten Staubmasken und Handschuhen ist grundsätzlich bei allen Tätigkeiten mit Hochtemperaturwollen (ASW/PCW/AES) zu empfehlen.

Literatur und Links

Bücher und Links:

ECFIA: European Association representing the High Temperature Insulation Wool Industry

Arbeitschutz und arbeitsmedizinische Untersuchungen:

Arbeitschutz Allgemein (AES Materialien):

ECFIA-Umgang mit Hochtemperaturwolle: HTW Handling Advice

TRGS 500 (Deutschland): Schutzmaßnahmen

TRGS 900 (Deutschland): Arbeitsplatzgrenzwerte

ASW/PCW Materialien:

TRGS 619 (Deutschland): Substitution für Produkte aus Aluminiumsilikatwolle

TRGS 558 (Deutschland): Tätigkeiten mit Hochtemperaturwollen

TRGS 905 (Deutschland): Verzeichnis krebserzeugender, keimzellmutagener oder reproduktionstoxischer Stoffe

TRGS 910 (Deutschland): Risikowerte und Exposition-Risiko-Beziehungen für Tätigkeiten mit krebserzeugenden Gefahrstoffen

Scientific Committee on Occupational Exposure Limits (SCOL): Recommendation for Refractory Ceramic fibres

Normen:

DIN EN 1094-1: Feuerfeste Erzeugnisse für Wärmedämmzwecke – Teil 1

ASTM C892: Standard Specification for High-Temperature Fiber Blanket Thermal Insulation