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Die vorliegende Erfindung betrifft gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 auswechselbare Verschleißwerkzeuge in Form von Schneid-, Mahl- oder Prallplatten, welche in Mühlen, Zerkleinerungsmaschinen oder dergleichen eingesetzt werden, um ein zugeführtes Materialgut, welches feucht oder trocken sein kann und unterschiedlichste Struktur, Zusammensetzung und Konsistenz aufweisen kann, zu zerkleinern. Solche Mühlen oder Zerkleinerungsmaschinen zeichnen sich zumeist dadurch aus, dass sie einen Rotor und ein feststehendes Teil, den Stator aufweisen. Eine derartige Mühle ist nach Stand der Technik beispielsweise aus
DE 10 2005 055 563 A1 bekannt.
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Die Erfindung betrifft auch die Verschleißwerkzeuge, die in Mühlen oder Zerkleinerungsmaschinen mit einer oder mehreren Zerkleinerungsstufen ohne und mit integriertem Sichter, zur Feinmahlung, Trocknung, Coatierung, Desagglomeration, oder Kombinationen dieser Bearbeitungsaufgaben eingesetzt werden.
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Die Erfindung betrifft desweiteren auch den Einsatz von Verschleißwerkzeugen in Shreddern, Brechern oder auch Schneid- und Schleudermühlen, wobei letztere z. B. aus
WO 2009 040 062 A1 bekannt sind.
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Die Verschleißwerkzeuge sind zumeist durch Schraub-, Klemm-, Spann- oder Formschlussverbindungen, in Mühlen-, Zerkleinerungsmaschinen oder dergleichen, befestigt. Oftmals sind für die Befestigung spezielle Aufnahmen oder Halter vorgesehen. Nachdem die Verschleißwerkzeuge verschlissen sind, müssen diese aus der Schraub-, Klemm-, Spann- oder Formschlussverbindungen gelöst und durch neue Werkzeuge ausgetauscht werden. Ein derartiges Verschleißwerkzeug für die Befestigung an einem Rotor ist beispielsweise aus
DE 10 2010 009 894 A1 bekannt. Weitere Verschleißwerkzeuge sind aus
DE 10 2011 054 820 A1 und
DE 17 73 295 U bekannt.
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Häufig sind in dem Materialgut, welches zerkleinert werden soll, harte Festkörper wie Steine, Glas oder Metalle enthalten. Diese Festkörper sind entweder als Hauptbestandteil oder als Verunreinigungen im Materialgut verteilt. Die mit dem Materialgut in Wechselwirkung stehenden Kanten der Verschleißwerkzeuge werden besonders stark beansprucht und unterliegen hohem abrasiven Verschleiß, sowie einer Prall- und Schlagbeanspruchung. Insbesondere der abrasive Verschleiß führt häufig während des Einsatzes der Verschleißwerkzeuge zu einer Kantenverrundung.
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Um den Verschleiß zu minimieren werden bei den Verschleißwerkzeugen häufig Hartstoffe wie z. B. Hartmetalle oder Keramiken eingesetzt. Aus wirtschaftlichen Gründen werden diese Hartstoffe zumeist als Stabeinsätze, Plattenelementeinsätze oder auch Beschichtungen, oftmals ausschließlich im Bereich des Hauptverschleißes, auf einem Grundkörper, beispielsweise aus Stahl, aufgebracht.
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Die Zerkleinerung der im Materialgut verteilten, zuvor genannten, harten Festkörper führt bei hoher Härte und geringer Schlagzähigkeit des Hartstoffes zu Ausbrüchen an dem Hartstoff. Um die Ausbrüche zu vermeiden, werden beispielsweise Hartmetallelemente mit geringer Härte und hoher Zähigkeit eingesetzt. Durch die verringerte Härte und die erhöhte Zähigkeit unterliegen diese Hartmetalle jedoch einem erhöhten Verschleiß und weisen somit eine kürzere Standzeit auf. Auch hier führt der abrasive Verschleiß zu einer Kantenverrundung. Ähnlich verhält es sich auch mit anderen Hartstoffen.
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Eine weitere Möglichkeit, die Standzeit der Verschleißwerkzeuge zu erhöhen kann durch Verwendung eines dickeren Hartstoffelementes erreicht werden. Diese Lösung ist jedoch kostspielig und häufig durch die Funktionalität und den Bauraum begrenzt.
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Darstellung der Erfindung
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein auswechselbares Verschleißwerkzeug für eine Mühle, Zerkleinerungsmaschine oder dergleichen zu schaffen, welches gemäß bevorzugter Ausführungsformen verschleißoptimiert gestaltet ist und gleichzeitig ohne nennenswerte Materialausbrüche den Schlagbelastungen durch harte Festkörper, sowie dem hohen abrasiven Verschleiß standhält und somit höhere Standzeiten erreicht.
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Dies wird Erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Verschleißwerkzeuge sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Danach besteht das Verschleißwerkzeug der eingangs genannten Art aus einem Grundkörper und zumindest einem verschleißfesten Bereich in Form eines Hartstoffeinsatzes, der stoff-, form- oder kraftschlüssig mit dem Grundkörper verbunden ist und der dadurch gekennzeichnet ist, dass dieser Hartstoffeinsatz, in Form eines Hartstoffes oder einer Hartstoffschicht, zumindest aus einem verschleißfesten Material besteht, welches einen Härtegradienten aufweist, der in Vektorrichtung n → abnimmt, wobei die Vektorrichtung n → durch den Winkel γ in einem Bereich zwischen –45 Grad bis +90 Grad vorgegeben ist, oder dieser Hartstoffeinsatz aus zumindest einem Hartstoff in Kombination mit zumindest einer Hartstoffschicht oder aus zumindest zwei Hartstoffen oder zumindest zwei Hartstoffschichten, mit jeweils unterschiedlicher Härte besteht, und die Härte der einzelnen Hartstoffe oder Hartstoffschichten konstant ist oder in Vektorrichtung n → abnimmt, dadurch gekennzeichnet, dass die Härte des gesamten Hartstoffeinsatzes durch die unterschiedliche Härte der einzelnen Hartstoffe oder Hartstoffschichten in Vektorrichtung n → abnimmt, wobei die Vektorrichtung n → durch den Winkel γ in einem Bereich zwischen –45 Grad bis +90 Grad vorgegeben ist. Der Winkel γ beschreibt den Winkel zwischen dem Vektor der Umfangsgeschwindigkeit v →C und dem Vektor n →.
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Der beschriebene Hartstoffeinsatz zeichnet sich somit durch seinen ein-, zwei- oder mehrlagigen Aufbau aus. Im Falle eines zwei- oder mehrlagigen Aufbaus setzen sich die Hartstofflagen durch Hartstoffe und/oder Hartstoffschichten zusammen.
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Die zuvor beschriebenen Hartstofflagen werden untereinander und mit dem Grundkörper beispielsweise stoffschlüssig, durch Lot oder Klebstoff verbunden.
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Durch gezielte Herstellung oder durch lagenweisen Aufbau entsteht im Hartstoffeinsatz ein Härtegradient der in Vektorrichtung n → abnimmt. Der Winkel γ wird anhand der Anwendungs- und/oder Betriebsbedingungen gewählt. Hierbei ist beispielsweise die Anströmrichtung des Materialguts in der Maschine als Randbedingung zur Auswahl der Winkelstellung zu nennen. Durch den in Vektorrichtung n → abnehmenden Härtegradienten, halten die dem Materialgut zugewandten Kanten und Flächen des Hartstoffeinsatzes einer Schlagbeanspruchung stand. Der darunter liegende, härtere Hartstoff oder die darunter liegende, härtere Hartstoffschicht ist somit gegen eine Schlagbeanspruchung geschützt. Hierdurch kann der härtere Hartstoff oder die härtere Hartstoffschicht den hohen, abrasiven Verschleiß aufnehmen, wodurch das Verschleißwerkzeug dem Verschleiß länger standhält. Durch den Härtegradienten im ein- oder mehrlagigen Hartstoffeinsatz und durch die anwendungsabhängig vorgewählte Winkelstellung γ wird ein verschleißoptimierter Aufbau geschaffen, der zu einem verringerten und gleichmäßigeren Materialabtrag des Hartstoffeinsatzes führt. Hierdurch kann das Materialgut besser zerkleinert werden, da dies eine Verrundung der Hartstoffkante verhindert oder zumindest deutlich verzögert und somit die Hartstoffkante länger bestehen bleibt. Zusätzlich ist das Verschleißwerkzeug durch die erfindungsgemäß gewählte Ausführungsform gegenüber dem Aufprall von harten Festkörpern unempfindlich, da die auftreffenden, harten Festkörper auf der dem Materialstrom zugewandten Seite und somit auf dem weniger harten und schlagzäheren Hartstoff oder auf der weniger harten und schlagzäheren Hartstoffschicht des ein- oder mehrlagigen Hartstoffeinsatzes auftreffen. Hierdurch wird ein Ausbrechen der darunter liegenden Hartstofflage oder der darunter liegenden Hartstofflagen vermieden.
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Darüber hinaus kann zwischen den Hartstofflagen eine zusätzliche, weiche Materiallage eingebracht werden. Diese Materiallage kann als zusätzliche Dämpfung wirken und somit die auf das Verschleißwerkzeug einwirkenden Spitzen der Schlagbeanspruchung mindern.
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Bei einer Winkelstellung γ des Hartstoffeinsatzes im Bereich zwischen 0 und 90 Grad ergibt sich für die erfindungsgemäße Ausführungsform des Verschleißwerkzeuges zusätzlich nachfolgend beschriebener Vorteil. Bedingt durch die erfindungsgemäß gewählte Ausrichtung des Härtegradienten im Hartstoffeinsatz, ist der Verschleiß der Hartstofflage, die in unmittelbarem Kontakt mit dem Materialgut steht größer, als der Verschleiß in der darunter liegenden Hartstofflage oder in den darunter liegenden Hartstofflagen. Dies führt erfindungsgemäß durch die Kombination des Härteunterschiedes im ein- oder mehrlagigen Hartstoffeinsatz, mit der Härteabnahme in Vektorrichtung n →, zu einem Abtragsgradienten, der zu einem sogenannten Selbstschärfeeffekt führt.
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Die erfindungsgemäße Ausführungsform des Verschleißwerkzeuges erreicht somit höhere Standzeiten. Weiterhin werden größere Ausbrüche und somit Beschädigungen der Maschine oder Maschinenteile vermieden. Die zeitlichen Abstände der Verschleißwerkzeugwechsel können deutlich gesteigert werden, wodurch die Verfügbarkeit der Maschine erhöht wird, was wiederrum zu einer verbesserten Wirtschaftlichkeit führt. Außerdem kann die Zerkleinerungsgüte gesteigert werden. Dies führt zu einer erhöhten Mahl- bzw. Zerkleinerungsleistung und damit zu einer Erhöhung der Effizienz.
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Der Hartstoffeinsatz kann in z-Koordinatenrichtung auch geteilt ausgeführt werden. Hierzu können die Hartstoffeinsätze in einem definierten Abstand zueinander positioniert werden oder aneinander anliegen.
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Zusätzlich kann das gesamte Verschleißwerkzeug anwendungsabhängig schräg gestellt werden. In einer gekippten Ausrichtung des Verschleißwerkzeuges kann im Materialgutfluß beispielsweise eine zur Rotationsrichtung abweichende Kraftkomponente erzeugt werden, um das Materialgut von einer Zerkleinerungsstufe zur nächsten zu transportieren.
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Desweiteren kann der Hartstoffeinsatz auf der dem Materialgut zugewandten Seite so beschaffen sein, dass dessen Oberflächenstruktur Erhöhungen und/oder Vertiefungen beispielsweise in Form einer Rillen-, Wellen- oder Zackenstruktur aufweist. Dies kann beispielsweise bei Zerkleinerung von faserhaltigem Materialgut von Vorteil sein.
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Die Dicken der einzelnen Hartstoffschichten oder auch der einzelnen Hartstofflagen des Hartstoffeinsatzes können abhängig von den durch die Betriebsbedingungen gestellten Anforderungen variieren.
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In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung liegt der Winkelbereich von γ zwischen 0 und 90 Grad. Weiterhin entsteht der Härtegradient schicht-, lagenweise oder durch mehrere Hartstoffeinsätze. Im Falle von mehreren Hartstoffeinsätzen sind diese untereinander und mit dem Grundkörper durch Fügeverfahren wie z. B. Löten oder Kleben mit ein und demselben Fügeverfahren oder in Kombination miteinander verbunden. Beispielhaft ist in 5 und 6 solch eine Ausführungsform, ohne die Darstellung der Fügematerialschichten, gezeigt.
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Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform zeigt 3 und 4. Bei dieser Ausbildung beträgt der Winkel γ = 0 Grad. Im Falle eines mehrlagigen Hartstoffeinsatzes sind die Hartstofflagen untereinander und mit dem Grundkörper durch Fügeverfahren wie z. B. Löten oder Kleben, mit ein und demselben Fügeverfahren oder in Kombination miteinander verbunden.
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Erläuterungen zu den Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 eine Prinzipskizze, welche das Verschleißwerkzeug mit ein- oder mehrlagigem Hartstoffeinsatz in beispielhafter Kontur, rotierend um die Rotorachse einer Mühle, Zerkleinerungsmaschine oder dergleichen, schematisch darstellt;
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2 eine Vergrößerung aus Prinzipskizze in 1, ein erfindungsgemäßes Verschleißwerkzeug beispielhafter Kontur und Zusammensetzung mit Darstellung des Vektors n → im zweilagigen Hartstoffeinsatz;
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3 ein erfindungsgemäßes Verschleißwerkzeug, bestehend aus einem Grundkörper und einem einlagigem Hartstoffeinsatz, der unter einem Winkel γ = 0 einen abfallenden Härtegradient in Richtung des Vektors n → aufweist;
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4 ein erfindungsgemäßes Verschleißwerkzeug, bestehend aus einem Grundkörper und einem zweilagigen Hartstoffeinsatz, der unter einem Winkel γ = 0 einen abfallenden Härtegradient in Richtung des Vektors n → aufweist;
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5 ein erfindungsgemäßes Verschleißwerkzeug, bestehend aus einem Grundkörper und einem einlagigen Hartstoffeinsatz, der unter einem anwendungsabhängig gewählten Winkel γ einen abfallenden Härtegradient in Richtung des Vektors n → aufweist;
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6 ein erfindungsgemäßes Verschleißwerkzeug, bestehend aus einem Grundkörper und einem zweilagigen Hartstoffeinsatz, der unter einem anwendungsabhängig gewählten Winkel γ einen abfallenden Härtegradient in Richtung des Vektors n → aufweist; In den 1 bis 6 beschreibt der Winkel γ den Winkel zwischen dem Vektor der Umfangsgeschwindigkeit v →C und dem Vektor n →.
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1 stellt schematisch ein auswechselbares Verschleißwerkzeug (1) in beispielhafter Kontur dar, welches in Vektorrichtung v →C am radial äußeren Ende einer nicht dargestellten Rotorhalterung oder dergleichen befestigt ist und um die Rotorachse einer Mühle, Zerkleinerungsmaschine oder dergleichen, rotiert. In der Abbildung ist der Richtungsvektor n →, dessen Richtung durch den Winkel γ vorgegeben ist, ersichtlich. Der Vektor v →C stellt die Umfangsgeschwindigkeit dar, die sich aus der Kreisfrequenz v →C und dem Radius r berechnen lässt.
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2 zeigt vergrößert das erfindungsgemäße Verschleißwerkzeug (1) beispielhafter Kontur im Neuzustand, welches aus einem Grundkörper (2) und aus einem zweilagigen Hartstoffeinsatz (3) besteht, wobei im Hartstoffeinsatz der Härtegradient in Richtung des Vektors n → abnimmt, vorgegeben durch den Winkel γ. Während des Betriebes bildet sich vor dem Verschleißwerkzeug insbesondere vor dem Hartstoffeinsatz ein Materialgutbett. Begrenzt durch die nicht dargestellte Statorwand der Zerkleinerungsmaschine kann auch das vom Stator zurückprallende Materialgut stirnseitig auf das Verschleißwerkzeug einwirken. Die Einwirkung des Materialgutes wird in 2 symbolisch durch die Materialkörperpartikel (4) dargestellt, die im Bereich des Hauptverschleißes auftreffen. Dabei können beide Lagen des Hartstoffeinsatzes unterschiedliche Härte mit jeweils konstantem Härtegradienten aufweisen, wobei die Härte der Hartstofflagen in Vektorrichtung n → abnimmt, sodass der Härtegradient des Hartstoffeinsatzes in seiner Gesamtheit in Vektorrichtung n → abnimmt oder ein oder beide Hartstofflagen können einen in Vektorrichtung n → abnehmenden Härtegradienten aufweisen, wodurch der Härtegradient des Hartstoffeinsatzes in seiner Gesamtheit in Vektorrichtung n → abnimmt.
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Bei diesem Aufbau bildet die in 2 dargestellte schlagzähere, äußere Hartstofflage (3.1) einen Schlagschutz für die darunter liegende, härtere Hartstofflage (3.2), die wiederum durch die höhere Härte weniger verschleißt. Die betroffene Verschleißwerkzeugkante verschleißt somit langsamer, gleichmäßiger und behält während des Betriebes ihre Schärfe, durch den zuvor im Text beschriebenen Selbstschärfeeffekt, bei.
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Das Ausführungsbeispiel in 3 stellt einen fertigungstechnisch einfachen Aufbau eines erfindungsgemäß aufgebauten Verschleißwerkzeuges (1), bestehend aus dem Grundkörper (2) und nur einem einlagigen Hartstoffeinsatz (3), dar. Der in Vektorrichtung n → abfallende Härtegradient ist bei dieser Lösung parallel zur Umfangsgeschwindigkeit v →C des Rotors orientiert. Der Winkel γ beträgt in diesem Ausführungsbeispiel 0 Grad.
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In 4 ist ein Verschleißwerkzeug (1) gezeigt, welches einen zweilagigen Hartstoffeinsatz (3) enthält, der sich aus den Hartstofflagen (3.1) und (3.2) zusammensetzt.
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In 5 ist ein Verschleißwerkzeug (1) in einer bevorzugten Ausführungsform dargestellt, welches aus einem Grundkörper (2) und aus einem einlagigen Hartstoffeinsatz (3) besteht, wobei im Hartstoffeinsatz der Härtegradient in Richtung des Vektors n →, durch den Winkel γ orientiert, abnimmt. Der Winkel α definiert in dieser Darstellung die Schrägstellung des Hartstoffeinsatzes (3) im Grundkörper (2). Durch den Aufbau aus nur zwei Hauptkomponenten ist dieses Ausführungsbeispiel fertigungstechnisch einfach strukturiert.
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In 6 ist ein Verschleißwerkzeug (1) in einer bevorzugten Ausführungsform dargestellt, welches aus einem Grundkörper (2) und aus einem zweilagigen Hartstoffeinsatz (3) besteht, wobei der Härtegradient der Hartstofflagen (3.1) und (3.2) einzeln und/oder in ihrer Gesamtheit in Richtung des Vektors n →, durch den Winkel γ orientiert, abnimmt. Der Winkel α definiert in dieser Darstellung die Schrägstellung des Hartstoffeinsatzes (3) im Grundkörper (2). Diese und die in 1 bis 5 dargestellten Ausführungsformen weisen die im Text zuvor beschriebenen Vorteile des verschleißoptimierten Aufbaus auf.
