Vibrated Bulk Density bei kalziniertem Petrolkoks: Warum die Prüfmethode entscheidend ist

Die Vibrated Bulk Density ist kein eigenständiger oder allgemein vergleichbarer Wert. Das angegebene Ergebnis hängt nicht nur von den Eigenschaften des kalzinierten Petrolkokses ab, sondern auch von der Prüfmethode, der Korngrößenfraktion, der Probenvorbereitung und dem Verdichtungsverfahren.

Eine Spezifikation wie „VBD: mindestens 0,85 g/cm³“ ist daher unvollständig, solange nicht auch die anzuwendende Methode und die Prüffraktion angegeben werden.

Im Anschluss an unseren früheren Artikel Real Density in Calcined Petroleum Coke: Why the Test Method Matters (Reindichte bei kalziniertem Petrolkoks: Warum die Prüfmethode entscheidend ist) betrachtet dieser Beitrag einen weiteren wichtigen physikalischen Parameter, der bei der Qualifizierung von CPC verwendet wird: die Vibrated Bulk Density, kurz VBD.

Was ist die Vibrated Bulk Density?

Die Vibrated Bulk Density ist die Masse einer definierten Menge körnigen Materials geteilt durch das Volumen, das es nach einem vorgeschriebenen Vibrations- oder Verdichtungsverfahren einnimmt.

Vereinfacht ausgedrückt:

Schüttdichte = Masse der Probe / verdichtetes Probenvolumen

Anders als die Reindichte schließt das VBD-Ergebnis den Hohlraum zwischen den Kokspartikeln ein. Es wird daher gleichzeitig von mehreren Eigenschaften beeinflusst:

• Partikeldichte und Porosität;
• Korngrößenbereich;
• Partikelform;
• Oberflächenbeschaffenheit;
• Packungsverhalten;
• Vibrations- oder Klopfverfahren.

ASTM weist ausdrücklich darauf hin, dass die VBD stark von der mittleren Partikelgröße und vom Korngrößenbereich abhängt. Die Schüttdichte nimmt in der Regel zu, wenn die geprüfte Kokskorngröße abnimmt. ISO 10236 nennt ebenfalls Korngröße, Kornform und Porosität als wesentliche Einflussfaktoren auf das Ergebnis.

Warum die VBD bei kalziniertem Petrolkoks von Bedeutung ist

Kalzinierter Petrolkoks wird bei der Herstellung von Kohlenstoffanoden für die Aluminiumelektrolyse mit Pech und anderen Kohlenstoffmaterialien vermischt. Das Packungsverhalten des Koksaggregats kann folgende Größen beeinflussen:

• die erforderliche Pechmenge;
• die beim Anodenformen erreichbare Dichte;
• die Porenverteilung in der grünen und in der gebrannten Anode;
• die mechanischen und betrieblichen Eigenschaften der fertigen Anode.

Aus diesem Grund beschreibt ASTM die VBD als Indikator für die Porosität von CPC und für seine Eignung für pechgebundene Kohlenstoffanwendungen. In der Fachliteratur wird die VBD zudem als Parameter genannt, der zur Abschätzung des Bindemittelbedarfs im Anodenherstellungsprozess herangezogen wird.

Innerhalb derselben Prüfmethode und Korngrößenfraktion deutet eine höhere VBD normalerweise darauf hin, dass die geprüften Kokspartikel ein kompakteres Schüttbett bilden. Dies sollte jedoch nicht zu der Regel vereinfacht werden, dass „eine höhere VBD immer besser ist“.

Ein hohes Ergebnis kann durch dichte Partikel, eine günstige Partikelform, das Brechverfahren oder eine Kombination dieser Faktoren verursacht werden. Verschiedene Kokse können ähnliche VBD-Werte, aber unterschiedliche Zwischenkorn-Hohlraumanteile oder eine unterschiedliche innere Porosität aufweisen. Die VBD sollte daher zusammen mit der Reindichte, der Korngrößenverteilung, der Koksmorphologie und der tatsächlichen Leistung in der Anodenanlage interpretiert werden.

Die wichtigsten Methoden für VBD und Klopfschüttdichte

In der CPC- und Aluminiumindustrie sind vor allem drei Normen anzutreffen.

Norm	Messprinzip	Wesentliches Unterscheidungsmerkmal
ASTM D4292-23	Schüttdichte nach Vibration	Traditionelle ASTM-VBD-Methode mit einer definierten engen Korngrößenfraktion
ASTM D7454-25	Schüttdichte nach Vibration	Halbautomatisches Gerät zur besseren Kontrolle von Beschickung und Verdichtung
ISO 10236:1995	Schüttdichte nach Klopfen	Verwendet natürliche gesiebte Fraktionen und ein vorgeschriebenes Klopfverfahren

Obwohl alle drei Methoden die Masse des Kokses im Verhältnis zu seinem verdichteten Schüttvolumen bestimmen, messen sie nicht zwangsläufig dasselbe Material unter denselben Bedingungen. Ihre Ergebnisse sollten daher nicht automatisch als untereinander austauschbar behandelt werden.

ASTM D4292

ASTM D4292 bestimmt die Schüttdichte von kalziniertem Petrolkoks nach Vibration. Die Norm verlangt einen relativ engen Korngrößenbereich, da Schwankungen innerhalb der geprüften Fraktion das Ergebnis erheblich beeinflussen können.

Käufer und Lieferant sollten die zu prüfende Korngrößenfraktion vereinbaren. ASTM führt unterschiedliche Größenbereiche für Anwendungen bei vorgebrannten Anoden, Søderberg-Anoden und Graphitelektroden auf.

Die Methode reagiert empfindlich auf mehrere betriebliche Faktoren, darunter:

• Brechausrüstung und Brechtechnik;
• Siebeffizienz;
• Vibrationsdauer;
• Aufbau von Messzylinder und Gerät;
• Handhabung der vorbereiteten Prüffraktion.

Veröffentlichte Untersuchungen zu ASTM D4292 haben diese Faktoren als relevante Quellen für die Streuung zwischen Laboratorien identifiziert.

ASTM D7454

ASTM D7454 verwendet ein halbautomatisches Gerät zur Bestimmung der VBD nach kontrollierter Vibration und Verdichtung.

Die aktuelle Ausgabe D7454-25 bezieht sich auf eine Ausgangsfraktion, die ein Sieb mit 4,75 mm passiert und auf einem Sieb mit 1,18 mm zurückgehalten wird, sowie auf eine bestimmte vorbereitete Prüffraktion, die 0,85 mm passiert und auf 0,425 mm zurückgehalten wird. Gemäß der Norm können auch andere vereinbarte Fraktionen verwendet werden.

Die halbautomatische Methode soll den Einfluss der manuellen Beschickung und der Gerätebedienung verringern. Sie bleibt jedoch eine empirische Methode: Gerät, Korngrößenfraktion und Vorbereitungsverfahren müssen bei der Angabe oder dem Vergleich von Ergebnissen weiterhin eindeutig genannt werden.

ISO 10236

ISO 10236 bestimmt technisch gesehen die Klopfschüttdichte und nicht die Vibrated Bulk Density im Sinne von ASTM.

Die Norm verwendet eine bekannte Masse körnigen Kohlenstoffmaterials, die in einen Messzylinder gegeben und durch ein vorgeschriebenes Klopfverfahren verdichtet wird. Die aktuelle Norm gibt 1.500 Schläge vor und lässt die Prüfung natürlicher gesiebter Fraktionen zu, darunter:

• 4,0–8,0 mm;
• 2,0–4,0 mm;
• 1,0–2,0 mm;
• 0,5–1,0 mm;
• 0,25–0,5 mm.

Die verwendete Fraktion muss im Prüfbericht angegeben werden und wird normalerweise im Voraus vereinbart. ISO 10236 verlangt außerdem, dass die Probe vor der Prüfung getrocknet wird und das Ergebnis auf einer Doppelbestimmung beruht.

Da ISO 10236 unter Umständen größere natürliche Partikel und einen Klopfmechanismus anstelle der ASTM-Verfahren zur Probenvorbereitung und Vibration verwendet, sollte ein nach ISO ermittelter Klopfschüttdichtewert nicht einfach als gleichwertig mit der ASTM-VBD bezeichnet werden.

Warum Ergebnisse verschiedener Methoden voneinander abweichen können

1. Korngrößenfraktion

Die Korngröße wirkt sich direkt auf die Schüttdichte aus. Kleinere Partikel können den vorhandenen Hohlraum effizienter ausfüllen, während eine breitere Größenverteilung anders packen kann als eine enge Fraktion.

Aus diesem Grund liefert ein VBD-Ergebnis ohne die zugehörige Siebfraktion nicht genügend Informationen für einen technischen Vergleich. Sowohl ASTM D4292 als auch D7454 erkennen den Einfluss der Korngröße ausdrücklich an.

2. Natürliche gegenüber im Labor gebrochenen Partikeln

Natürliche Koksfraktionen behalten die Partikelform bei, die durch den Kalzinierofen und die anschließende Handhabung entstanden ist. Das Brechen im Labor erzeugt neue Oberflächen und kann Folgendes verändern:

• Partikelkantigkeit;
• Seitenverhältnis;
• Oberflächenrauheit;
• Feinanteil;
• Packungsverhalten.

Folglich können Ergebnisse aus einer natürlichen ISO-Fraktion und aus einer vorbereiteten ASTM-Fraktion voneinander abweichen, auch wenn beide aus derselben Rohprobe stammen.

3. Vibration gegenüber Klopfen

Kontinuierliche Vibration und wiederholtes Klopfen verdichten ein Schüttbett nicht auf genau dieselbe Weise. Die Bewegung und Umlagerung der Partikel hängen von Frequenz, Amplitude, Dauer und der mechanischen Bauart des Geräts ab.

Der Name einer Methode sollte daher als Bestandteil des gemessenen Parameters behandelt werden und nicht lediglich als Laborreferenz.

4. Probenvorbereitung

Trocknen, Sieben, Brechen, Entfernen von Feinanteilen und Probenteilung können alle die endgültige Prüfportion beeinflussen. Eine repräsentative Rohprobe kann ein nicht repräsentatives VBD-Ergebnis liefern, wenn die Vorbereitung uneinheitlich erfolgt.

5. Reproduzierbarkeit zwischen Laboratorien

Selbst bei nominell gleicher Anwendung derselben Norm können Unterschiede im Gerätezustand, in der Siebleistung, in der Beschickung und in der Arbeitsweise des Personals zu Abweichungen zwischen Laboratorien führen.

So gibt ISO 10236 unter den in der Norm definierten Bedingungen eine Reproduzierbarkeitsgrenze von 0,02 g/mL an. Veröffentlichte Arbeiten zu den ASTM-Methoden haben ebenfalls die Bedeutung des Geräteaufbaus und der Probenvorbereitung für vergleichbare Ergebnisse hervorgehoben.

VBD und Reindichte messen unterschiedliche Eigenschaften

Reindichte und VBD hängen zusammen, beantworten jedoch unterschiedliche technische Fragen.

Parameter	Zentrale Frage
Reindichte	Wie dicht ist das Koksmaterial selbst nach der definierten analytischen Methode?
Vibrations- oder Klopfschüttdichte	Wie dicht packt eine definierte körnige Fraktion nach dem vorgeschriebenen Verdichtungsverfahren?

Die Reindichte wird häufig als Indikator für den Kalzinierungsgrad und die Ausbildung der Kohlenstoffstruktur des Kokses verwendet. Die VBD wird stärker von Partikelpackung, Korngröße, Kornform und Porosität beeinflusst.

Zwei Kokse mit vergleichbarer Reindichte können daher unterschiedliche VBD-Ergebnisse aufweisen. Umgekehrt bedeuten ähnliche VBD-Ergebnisse nicht zwangsläufig, dass die Kokse dieselbe innere Porenstruktur besitzen.

Die beiden Parameter sollten als sich ergänzend und nicht als untereinander austauschbar betrachtet werden.

Lassen sich VBD-Ergebnisse zwischen den Methoden umrechnen?

Es gibt keinen universellen Umrechnungsfaktor zwischen ASTM D4292, ASTM D7454 und ISO 10236.

Für eine bestimmte Koksquelle, einen bestimmten Laboraufbau und einen bestimmten Satz von Korngrößenfraktionen lässt sich unter Umständen eine Korrelation entwickeln. Eine solche Korrelation sollte jedoch auf Parallelprüfungen mehrerer repräsentativer Proben beruhen. Ein einzelnes Vergleichsergebnis reicht nicht aus, um eine zuverlässige Umrechnung zu begründen.

Für die kommerzielle Qualifizierung ist es sicherer, das Material nach der vom Käufer geforderten Methode erneut zu prüfen, als ein nach einer anderen Norm ermitteltes Ergebnis mathematisch umzurechnen. Dies ist eine praktische Schlussfolgerung, die sich aus den materiellen Unterschieden bei Prüffraktion, Vorbereitung und Verdichtungsverfahren zwischen den Normen ergibt.

Was sollte eine CPC-Spezifikation enthalten?

Eine technisch vollständige VBD-Spezifikation sollte mindestens Folgendes angeben:

• Parameter: Vibrated Bulk Density oder Klopfschüttdichte (Tapped Bulk Density)
• Norm und Ausgabe: zum Beispiel ASTM D7454-25
• Korngrößenfraktion: einschließlich oberer und unterer Siebgrenze
• Probenzustand: natürliche oder im Labor vorbereitete Fraktion
• Einheit und Angabegenauigkeit
• Anzuwendender Mindest-, Höchst- oder typischer Bereich
• Prüflabor und ggf. Schiedsverfahren

Eine unvollständige Spezifikation:

VBD: mindestens [Wert]

Eine präzisere Spezifikation:

Vibrated Bulk Density: mindestens [Wert] g/mL, geprüft nach ASTM D7454-25 unter Verwendung der vereinbarten Korngrößenfraktion.

Für Prüfungen nach ISO:

Klopfschüttdichte (Tapped Bulk Density): mindestens [Wert] g/mL, ISO 10236:1995, natürliche Fraktion 1,0–2,0 mm.

Der anzuwendende Zielwert sollte stets für die gewählte Methode vereinbart werden. Ein für eine bestimmte Methode oder Fraktion entwickelter Grenzwert sollte ohne Validierung nicht auf eine andere übertragen werden.

Fazit

Die Vibrated Bulk Density ist ein nützlicher CPC-Qualitätsparameter, da sie praktische Informationen über das Packungsverhalten einer definierten Koksfraktion liefert. Sie kann die Beurteilung des Pechbedarfs, der Anodendichte und der Eignung für pechgebundene Kohlenstoffanwendungen unterstützen.

Der angegebene Wert ist jedoch nur dann aussagekräftig, wenn er von den vollständigen Prüfbedingungen begleitet wird.

Beim Vergleich von CPC verschiedener Hersteller oder Laboratorien sind die folgenden Punkte ebenso wichtig wie das Ergebnis selbst:

• die anzuwendende Norm;
• die Korngrößenfraktion;
• das Vorbereitungsverfahren;
• der Verdichtungsmechanismus;
• die Reproduzierbarkeit zwischen Laboratorien.

Für Käufer und Lieferanten verringert die Abstimmung dieser Bedingungen vor der Produktqualifizierung oder dem Vertragsabschluss das Risiko, technisch unterschiedliche Ergebnisse unter derselben Überschrift „VBD“ zu vergleichen.

Prime Elements arbeitet mit CPC-Herstellern, Abnehmern aus der Aluminiumindustrie und unabhängigen Laboratorien zusammen, um Produktspezifikationen, Probenahme- und Prüfanforderungen für einzelne Lieferprogramme aufeinander abzustimmen.