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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Vor- und Fertigmahlung von mineralischen und nichtmineralischen Materialien mit den im Oberbegriff des Patentanspruches 1 genannten Merkmalen und eine dazugehörige Vorrichtung mit den im Oberbegriff des Patentanspruches 5 genannten Merkmalen.
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Die Vormahlung und Fertigmahlung von vorzugsweise harten und spröden Materialien, wie z. B. Kalkstein, Zementklinker, Hüttensand, Altbeton oder Aschen, erfolgt traditionell in Kugelmühlen und in neuerer Zeit mit zunehmendem Trend in Vertikal-Rollenmühlen sowie auch in Hochdruck-Rollenmühlen.
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Aus der
DE 27 08 053 B2 ist eine als Gutbett-Walzenmühle bezeichnete Hochdruck-Rollenmühle bekannt, bei der die Zerkleinerung des Materials durch einmalige Druckbeanspruchung zwischen zwei Flächen bei Drücken weit über 50 MPa im Spalt von zwei gegenläufig angetriebenen zylindrischen Walzen erfolgt.
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Nachteilig ist, dass die Hochdruck-Rollenmühle mit sehr hohen Drücken arbeitet, die nur bedingt einstellbar sind und zu einer aufwendigen und sehr schweren Maschinenkonstruktion führen. Außerdem besitzt die Hochdruck-Rollenmühle ein ungünstiges Durchsatz-Geschwindigkeitsverhalten. Die Durchsatzkennlinie der Hochdruck-Rollenmühle ist nichtlinear, d. h. in Abhängigkeit von den Materialeigenschaften sowie von der Geometrie der Beanspruchungsflächen geht der Durchsatz mit zunehmender Umfangsgeschwindigkeit bei gleichzeitigem Anstieg des spezifischen Energiebedarfs stark zurück. Große Durchsätze sind deshalb nur über die Verbreiterung der Mahlrollen bei proportionaler Zunahme der Presskräfte möglich, was jedoch maschinentechnisch begrenzt ist.
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Zur Verbesserung der Arbeitsweise als auch der Energieausnutzung von Vertikal-Rollenmühlen sowie Hochdruck-Rollenmühlen wurde gemäß der
EP 1 073 523 B1 ein Verfahrensprinzip vorgeschlagen, nach welchem das zu zerkleinernde Material als definierte Schicht auf einem umlaufenden Plattenband präpariert, in den gebildeten Spalt zwischen einer hydro-pneumatisch auf die Materialschicht angestellten Rolle und einem bewegten Plattenband horizontal eingeschleust und unter Anwendung von spezifischen Druckkräften im Bereich von 6 bis 30 MPa bzw. 600 bis 3000 kN/m
2 beansprucht wird. Umfangreiche Untersuchungen haben gezeigt, dass dieses Verfahrensprinzip und die dazugehörige Vorrichtung, als Band-Rollenmühle bezeichnet, aufgrund technischer Grenzen sowohl die Vertikal-Rollenmühle als auch die Hochdruck-Rollenmühle nicht ersetzen kann.
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Erstens, erfordert die Materialeinschleusung einer auf einem umlaufenden Plattenband präparierten Materialschicht einen großen technischen Aufwand, da das Plattenband für die hohen Druckbeanspruchungen in der Beanspruchungszone mit ausgelegt werden muss, wodurch zur Beherrschung des Verschleißes sowohl des Zugorgans als auch der Beplattung sowie auch zur Begrenzung von Lärmbelästigungen signifikante Geschwindigkeits- und Durchsatzreduzierungen hingenommen werden müssen.
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Zweitens, führt die Materialeinschleusung unter Verwendung eines über die angetriebene, untere Rolle gezogenen Plattenbands zu hohen maschinentechnisch bedingten Verlusten.
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Drittens, beeinträchtigt die Anordnung einer hydro-pneumatisch auf das waagerecht geführte Plattenband angestellten Mahlrolle den Materialeinzug, sodass es zu Materialstaus und Materialüberläufen kommen kann.
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Viertens, eine effiziente Feinstmahlung bis zu einem Blaine-Wert von 5000 und höher ist aufgrund des hohen Umlaufgutanteiles und dessen hohen Luftanschlussanteiles unter Berücksichtigung der Mahlrollengeschwindigkeiten von bis zu 4 m/s und höher mit Hilfe einer einzigen Druckrolle nicht uneingeschränkt realisierbar. Der Blaine-Wert ist ein standardisiertes Maß für den Grad der Feinvermahlung von Zement und ergibt sich aus seiner spezifischen Oberfläche (cm2/g). Standard-Portlandzement CEM I 132,5 hat etwa einen Blaine-Wert von 3.000 bis 3.500.
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Aus der
DE 38 23 929 A1 ist eine Walzenpresse mit einer Antriebswalze und zwei kleineren versetzt angeordneten Mitläuferwalzen bekannt. Das Mahlgut fällt von dem abgabeseitigen Ende eines Förderbandes in den durch die Antriebswalze und die erste Mitläuferwalze gebildeten Walzenspalt. Alternativ kann das Mahlgut auch mittels eines Fallrohres in den Walzenspalt befördert werden. Das komprimierte Mahlgut wird danach mit Rückführgut vermengt und dann dem zweiten Walzenspalt, der aus der Antriebswalze und der zweiten Mitläuferwalze gebildet wird, zugeführt, wodurch das Produkt bis zur gewünschten Produktfeinheit gemahlen wird. Die Mahlpressdrücke sind einstellbar auf werte von zwischen 50 und 600 MPa.
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Aus der
DE 28 30 864 A1 ist eine Walzenmühle mit einer Festwalze, einer vertikal versetzten Spielwalze und einer Gutaufgabeeinrichtung bekannt, wobei die durch die Mittelpunkte der beiden Walzen definierte Gerade mit der Horizontalen einen Winkel von zwischen 35 und 75 Grad einschließt. Das abgabeseitige Ende der Gutaufgabeeinrichtung befindet sich über dem obersten Umfangsbereich der tiefer angeordneten Festwalze. Ein Schieber dient zur Einstellung der Höhe der Gutschicht, die dem Walzenspalt zugeführt wird. Die Gutaufgabeeinrichtung kann mindestens ein bewegliches Element aufweisen, das dem Mahlgut eine Bewegungskomponente in Richtung der Walzenbewegung erteilt, so dass das Mahlgut schneller die Umfangsgeschwindigkeit der Walze erreicht.
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Aus der
WO 2009/037356 A1 ist eine Beta-Rollenmühle zum Vor- und Fertigmahlen von mineralischen und nichtmineralischen Materialien, wie z. B. Kalkstein, Zementklinker, Hüttensand, Altbeton oder Aschen, bekannt, bei der das Mahlgut aus einem zur Zerkleinerungsvorrichtung gehörenden Materialaufgabebehälter mit einem am Auslauf angeordneten und in seiner Drehzahl stufenlos veränderbaren Walzen- oder Zellenradaufgeber als definierte und seitlich begrenzte Materialschicht mit vorgegebener Dicke auf den Scheitel der mit seitlichen Borden versehenen angetriebenen, unteren Rolle aufgegeben, auf Rollengeschwindigkeit beschleunigt und kontinuierlich in den gebildeten Spalt mit der versetzt über der angetriebenen Rolleangeordneten oberen Rolle transportiert, hydropneumatisch unter Anwendung von spezifischen Druckkräften von 2 bis 7,5 kN/mm beansprucht und anschließend durch einen vorzugsweise schnell laufenden Schlagrotor innerhalb der Zerkleinerungsvorrichtung desagglomeriert wird. Dadurch ergibt sich eine hohe Energieausnutzung sowie ein niedriger maschineller Bau-, Wartungs- und Instandhaltungsaufwand. Ein Einsatz in einem breiten Bereich zur Zerkleinerung von unterschiedlichen Materialien wird ermöglicht und ein lineares Durchsatz- und Geschwindigkeitsverhalten sowohl im Teillastbetrieb als auch bei hohen Massedurchsätzen ist realisierbar.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und die dazugehörige Vorrichtung zur Vor- und Fertigmahlung von mineralischen und nichtmineralischen Materialien, wie z. B. Kalkstein, Zementklinker, Hüttensand, Altbeton oder Aschen, mit Feinheiten von einem Blaine-Wert von bis zu 5000 und höher zu schaffen, das/die sich durch eine hohe Energieausnutzung sowie durch einen niedrigen maschinellen Bau-, Wartungs- und Instandhaltungsaufwand auszeichnet, in einem breiten Bereich zur Zerkleinerung von unterschiedlichen Materialien einsetzbar ist und ein lineares Durchsatz-Geschwindigkeitsverhalten sowohl im Teillastbetrieb als auch unter den Bedingungen hoher Massedurchsätze realisiert.
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Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung verfahrensmäßig mit den Maßnahmen nach Anspruch 1 und vorrichtungsmäßig mit den Maßnahmen nach Anspruch 5 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Das in der Regel aus Frisch- und Umlaufgut bestehende Mahlgut wird aus einem zur Zerkleinerungsvorrichtung gehörenden Materialaufgabebehälter als definierte und seitlich begrenzte Materialschicht mit vorgegebener Dicke über ein Förderband mit variabler Geschwindigkeit, dessen Geschwindigkeit an die Umfangsgeschwindigkeit der der angetriebenen, unteren Rolle angepasst werden kann, im Bereich des Scheitels der angetriebenen, unteren Rolle aufgegeben. Klopferrollen, die in dem Bereich des Förderbandes angeordnet sind, sorgen dabei bereits für eine erste Entlüftung des Mahlguts. Das Mahlgut wird von der angetriebenen unteren Rolle kontinuierlich dem ersten Spalt, der mit der über der unteren, angetriebenen Rolle angeordneten oberen Druckrolle gebildet wird, zugeführt und hydropneumatisch unter Anwendung von spezifischen Druckkräften von 1.000 bis 3.500 kN/m2 beansprucht. Durch die Beanspruchung durch die obere Mahlrolle wird das Mahlgut einerseits wiederholt entlüftet und andererseits bereits vorzerkleinert. Die Endzerkleinerung erfolgt dann in dem zweiten Mahlspalt, der mit der seitlichen Druckrolle gebildet und die ebenfalls hydropneumatisch unter Anwendung von spezifischen Druckkräften von 1.000 bis 5.000 kN/m2 beansprucht wird. Anschließend wird das Mahlgut durch einen vorzugsweise schnell laufenden Schlagrotor innerhalb der Zerkleinerungsvorrichtung desagglomeriert. Auf den Desagglomerator kann dann verzichtet werden, wenn die neue Zerkleinerungsvorrichtung z. B. als Vormühle im Verbund mit einer Kugelmühle geschaltet ist.
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Die Vorrichtung besteht aus drei Rollen, nämlich einer unteren, angetriebenen Rolle, einer oberen Rolle und einer seitlich versetzt angeordneten Rolle. Die obere Rolle ist um 80° bis 90° relativ zur Horizontalen entgegen der Drehrichtung der unteren Rolle angeordnet und wird mit einem Druck von bis zu ca. 3.500 kN/m2 (entspricht einem Wert von bis zu ca. 3 bis 5,5 kN/mm (Kraft/Spaltlänge)) auf die Material belegte Beanspruchungsfläche der angetriebenen unteren Rolle angestellt. Die seitliche Rolle ist um etwa 45° relativ zur Horizontalen entgegen der Drehrichtung der unteren Rolle angeordnet und wird mit einem Druck von bis zu ca. 5.000 kN/m2 (entspricht einem Wert von bis zu ca. 7,5 kN/mm (Kraft/Spaltlänge)) auf die Material belegte Beanspruchungsfläche der angetriebenen unteren Rolle angestellt. Die oberen und die seitlich versetzte Rolle sind mit einem hydro-pneumatischen Hebelsystem zur Erzeugung der Mahlkraft verbunden. Sie können dabei entweder mit eigenem Antrieb ausgestattet sein oder von der unteren Rolle mitgeschleppt werden. Das beanspruchte Material, das mehr oder weniger agglomeriert aus dem zweiten Rollenspalt austritt, wird schließlich einem unmittelbar nachgeschalteten Desagglomerator zugeführt.
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Vorzugsweise wird bei Einhaltung einer maximal möglichen Materialschichtdicke der Materialdurchsatz durch den Rollenspalt über eine stufenlose Veränderung der Umfangsgeschwindigkeit der angetriebenen Rolle geregelt.
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Vorzugsweise wird bei der Fertigmahlung der Materialanteil mit Überkorngröße dem Zerkleinerungs-Prozess wieder zugeführt, wobei der Massestrom des Umlaufguts durch Regelung des dem Mahlprozess zugeführten Frischguts konstant gehalten wird.
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Vorzugsweise ist in Abhängigkeit von den Materialeigenschaften und dem gewünschten Zerkleinerungsergebnis die mit der oberen und der seitlichen Rolle übertragene Mahlkraft während des Mahlprozesses geregelt und unabhängig voneinander einstellbar.
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Vorzugsweise wird mittels der Materialaufgabeeinrichtung ein zur Umfangsgeschwindigkeit der Rollen proportionaler Massestrom mit annähernd konstanter Schichtdicke im Scheitelbereich der unteren Rolle zugeführt.
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Vorzugsweise wird der Zerkleinerungsvorrichtung das Umlaufgut mit zugemischten Frischgut zugeführt.
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Vorzugsweise wird die Dicke der Materialschicht vor ihrer Beanspruchung im Rollenspalt während des Betriebes kontinuierlich gemessen und visualisiert.
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Vorzugsweise ist das Durchmesserverhältnis der angetriebenen, unteren Rolle zur oberen und seitlichen Rolle ≥ 1,5 und besonders bevorzugt 2,0 bis 3,0.
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Vorzugsweise ist zur Erzeugung der Mahlkraft die obere und seitliche Rolle über Hebelsysteme mit wenigstens einem Hydraulikzylinder verbunden.
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Vorzugsweise sind beidseitig an den Stirnflächen der unteren Rolle zur seitlichen Begrenzung der Materialschicht austauschbare Borde angeordnet. Die Borde können segmentiert sein.
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Vorzugsweise sind die Beanspruchungsflächen der Rollen verschleißgeschützt ausgeführt und durch Auftragschweißung oder mechanische Bearbeitung strukturiert.
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Die Klopferrollen sind n-eckige Rollen, die unterhalb des Förderbands angebracht sind und in mechanischem Kontakt mit dem Förderband der Materialaufgabeeinrichtung stehen. Durch die Rotation der n-eckigen Klopferrollen kommt es zu einem n-fachen Klopfvorgang pro Umdrehung, durch die das Förderband permanenten Vibrationen ausgesetzt wird. Durch die Vibrationen des Förderbands wird die auf dem Förderband befindliche Materialschicht verdichtet bzw. entlüftet.
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Der Antrieb der oberen und der seitlichen Rolle dient dazu, das Anfahren der Walzenmühle, insbesondere bei großen und schweren Anlagen zu beschleunigen. Es ist dadurch aber auch möglich, die Anpresswalzen während des Mahlvorganges gezielt langsamer laufen zu lassen als die Festwalze, wodurch das Mahlgut zusätzlich zum vertikalen Walzendruck noch eine horizontale Scherdruckkomponente erfährt.
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Die erfindungsgemäße Lösung, die diese Merkmale realisiert, besitzt zahlreiche weitere Vorteile gegenüber der bekannten Hochdruck-Rollenmühle, Band-Rollenmühle und Beta-Rollenmühle. Die Vorteile dieser neuen, als Multi-Rollen-Beta-Mühle bezeichneten Zerkleinerungsvorrichtung, bestehen verfahrenstechnisch gesehen darin, dass sowohl in Abhängigkeit vom Material als auch von der zu lösenden Zerkleinerungsaufgabe spezifische Mahlkräfte in zwei Mahlstufen beliebig eingestellt werden können und mit den Parametern der spezifischen Mahlkraft und der Materialschichtdicke das Zerkleinerungsergebnis unabhängig von der Rollengeschwindigkeit festgelegt und konstant gehalten werden kann. In der ersten Mahlstufe können Kräfte von bis zu 3.500 kN/m2 und in der zweiten Mahlstufe können Mahlkräfte bis zu 5.000 kN/m2 eingestellt werden. Dabei hat es sich besonders bei der Feinstmahlung bis zu Blaine-Werten von 5.000 und höher von harten und spröden Materialien wie z. B. Zementklinkern und Hüttensanden als vorteilhaft erwiesen, die Beanspruchung unter Anwendung von hohen spezifischen Mahlkräften immer dann durchzuführen, wenn ein besonders hochwertiges Feinstgut mit hohen Lufteinschlussanteil im Kreislauf mit einem Sichter wirtschaftlich bei möglichst niedrigen Umlaufzahlen erzeugt werden soll.
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Maschinentechnisch gesehen, bestehen die Vorteile der erfindungsgemäßen Zerkleinerungsvorrichtung gegenüber der aus der
WO 2009/037356 A1 bekannten Zerkleinerungsvorrichtung darin, dass durch die zusätzliche Mahlrolle eine bessere Feinstmahlung ermöglicht wird, durch die eine Fertiggutqualität mit Blaine-Werten von bis zu 5.000 und höher erreicht werden kann.
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Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Die dazu gehörigen Zeichnungen zeigen:
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1: die erfindungsgemäße Vorrichtung in schematischer Darstellung;
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1 zeigt in schematischer Darstellung die erfindungsgemäße Zerkleinerungsvorrichtung, bestehend aus einer angetriebenen, unteren Rolle 10, einer oberen Rolle 12, einer seitlich angeordneten Rollen 14, sowie aus einer Materialaufgabe- und Austragseinrichtung 18. Die Materialaufgabe- und Austragseinrichtung 18 weist einen Materialbunker 20, ein Förderband 22, eine Einrichtung 24 zur Einstellung der Schichthöhe des Mahlgutes, sowie sechs Klopferrollen 26 auf.
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Die untere Rolle 10 wird entsprechend der in 1 dargestellten Pfeilrichtung angetrieben. Oberhalb der angetriebenen, unteren Rolle 10 ist die obere Rolle 12 angeordnet. Die seitliche Rolle 14 ist seitlich versetzt in einem Winkel von etwa 45° relativ zur Horizontalen entgegen der Drehrichtung der unteren Rolle 10 angebracht. Die obere und die seitliche Rolle 12, 14 werden über ein Hebelsystem 30 hydropneumatisch mittels eines Hydraulikzylinders gegen die untere Rolle 10 angestellt. Die obere und die seitliche Rolle 12 und 14 werden unter Reibschluss durch die materialbelegte Beanspruchungsfläche der angetriebenen, unteren Rolle 10 geschleppt oder können über einen eigenen Antrieb verfügen. Der Durchmesser der angetriebenen, unteren Rolle 10 ist doppelt so groß wie der Durchmesser der oberen und der seitlichen Rolle 12, 14. Im Bereich des Scheitels der angetriebenen, unteren Rolle 10 ist die Materialaufgabe- und Austragseinrichtung 18 angeordnet. Das Mahlgut, welches sich in einem Füllstand gesteuerten Behälter 20 befindet, gelangt als definierte Materialschicht 32 mit vorgegebener Dicke auf das Förderband 22. Eine erste Entlüftungsphase des Mahlgutes wird durch die Beanspruchung mit den am Förderband angeordneten Klopferrollen 26 erreicht. Das Mahlgut wird kontinuierlich und mit definierter Geschwindigkeit der unteren Rolle 10 und anschließend dem durch die Rollen 10 und 12 gebildeten ersten Beanspruchungs- bzw. Rollenspalt 34 zugeführt. Im ersten Rollenspalt 34 wird das Mahlgut gleichzeitig entlüftet und vorzerkleinert. Die Endzerkleinerung findet dann im zweiten Rollenspalt 36 statt, der durch die seitlich angeordnete Rolle 14 und die angetriebene, untere Rolle 10 gebildet wird.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- angetriebene untere Rolle
- 12
- obere Rolle
- 14
- seitliche Rolle
- 18
- Materialaufgabeeinrichtung
- 20
- Materialaufgabebehälter
- 22
- Förderband
- 24
- Einrichtung zur Einstellung der Schichtdicke des Mahlguts
- 26
- Klopferrolle
- 30
- Hebelsystem
- 32
- Materialschicht
- 34
- erster Rollenspalt
- 36
- zweiter Rollenspalt
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 2708053 B2 [0003]
- EP 1073523 B1 [0005]
- DE 3823929 A1 [0010]
- DE 2830864 A1 [0011]
- WO 2009/037356 A1 [0012, 0030]
