DE102017010910A1

DE102017010910A1 - Stiftmühle mit Scheiben mit Stiften

Info

Publication number: DE102017010910A1
Application number: DE102017010910.9A
Authority: DE
Inventors: Holger Lieberwirth; Chistos G. Aneziris; Christian Weigelt; Tim Hühnerfürst
Original assignee: Technische Universitaet Bergakademie Freiberg
Current assignee: Technische Universitaet Bergakademie Freiberg
Priority date: 2017-11-23
Filing date: 2017-11-23
Publication date: 2019-05-23
Also published as: WO2019101907A1; EP3713673A1

Abstract

Die Erfindung betrifft Stiftmühlen mit Scheiben mit Stiften. Die Stiftmühlen zeichnen sich insbesondere dadurch aus, dass diese insbesondere auch bei hohen mechanischen Beanspruchungen einsetzbar sind. Dazu bestehen die Scheibe aus einer feinkörnigen Keramik oder einem Metall-Keramik-Verbundwerkstoff hoher Festigkeit und die Stifte aus einem Metall-Keramik-Verbundwerkstoff hoher Härte.

Description

Die Erfindung betrifft Stiftmühlen mit Scheiben mit Stiften.
Im Bereich der Erzaufbereitung ist neben dem spezifischen Energieverbrauch der Verschleiß ein maßgebender Einflussfaktor für die Auswahl effizienter Aufbereitungsmaschinen zur Aufschlusszerkleinerung und die in diesem Zusammenhang stehende Verfahrenstechnologie. So werden bei den verschiedensten Aufbereitungsanlagen fortwährend neue verschleißoptimierte Lösungsansätze gesucht und umgesetzt.
Besonders hoher Verschleiß tritt bei der Zerkleinerung von abrasiven, beispielsweise stark quarzhaltigen Materialien wie Quarzsanden oder quarzhaltigen Erzen auf. Hohe Beanspruchungsgeschwindigkeiten, beispielsweise um Vollaufschluss im Feinstbereich zu gewährleisten, lassen den Verschleiß darüber hinaus exponentiell anwachsen. Für innovative Verfahren wie die selektive Zerkleinerung gelten Prallbeanspruchungen als besonders vorteilhaft für hohes Wertstoffausbringen bei geringem spezifischem Energiebedarf. Die dafür erforderlichen hohen Beanspruchungsgeschwindigkeiten und der damit verbundene Verschleiß ließen das Verfahren jedoch für Materialien mit hoher Abrasivität als unwirtschaftlich gelten.
Die Anforderungen an entsprechende Prallbeanspruchungen können durch den Einsatz von Stiftmühlen besonders effektiv erfüllt werden. Zwar erzeugen auch Strahlmühlen ein vergleichbares Mahlergebnis, aufgrund des hohen spezifischen Energiebedarfs dieser Mühlenart und der dadurch bedingten energetischen Ineffizienz bei der Materialzerkleinerung, können Strahlmühlen aber nur zur Zerkleinerung sehr hochwertiger Materialien wirtschaftlich eingesetzt werden.
Stiftmühlen zeichnen sich dadurch aus, dass die Materialien beim Durchfluss durch die Stiftreihen der Stiftmühle an den Stiften abprallen und zerschlagen werden.
Durch die Druckschrift EP 0 200 003 A2 ist beispielsweise ein Mischer mit einer Stiftmühle offenbart. Stiftmühlen werden vorrangig in der Lebensmittel-, Baustoff- und Chemieindustrie genutzt. Dabei werden bei diesen Mühlen Beanspruchungsgeschwindigkeiten von bis ungefähr 200 m/s erreicht. Bereits bei diesen Geschwindigkeiten entsteht bei abrasivem Mahlgut ein hoher Verschleiß an den Mahlwerkzeugen. Hierbei spielen für den signifikanten Verschleißanstieg sowohl die besonders hohe Härte der abrasiven Materialien als auch die scharfkantigen Formen der einzelnen Partikel eine entscheidende Rolle. Bei hohen Beanspruchungsgeschwindigkeiten von bis zu 400 m/s, welche bei bestimmten Erzen für einen energieeffizienten Vollaufschluss von Partikelgrößen <100 µm erforderlich sein können, liegt der Verschleiß in einer Größenordnung, die das Verfahren unwirtschaftlich machen.
Durch die Druckschrift DE 10 2014 101 786 A1 ist eine gegenläufige Stiftmühle bekannt, wobei erhöhte Beanspruchungsgeschwindigkeiten durch ein gegenläufiges Drehsystem von Stator und Rotor erreicht wird.
Aufgrund der hohen Verschleißbeanspruchungen beim Mahlbetrieb ist es erforderlich, Werkzeuge und andere Mühlenkomponenten entsprechend zu schützen. Hierfür können beispielsweise Schutzschichten auf den Grundkörper aus einem Stahlwerkstoff aufgetragen werden. Dabei handelt es sich zum Beispiel um keramische Schutzschichten in Verbindung mit einer kraftschlüssigen Werkstoffkopplung zum Grundwerkstoff. Allerdings hat sich gezeigt, dass bereits geringe Abplatzungen der aufgebrachten Verschleißschutzschichten in kürzester Zeit zur Beschädigung des übrigen Mahlkörpers und der aufgesetzten Stifte führen.
Eine monolithische Fertigung des gesamten Bauteils Rotor oder Stator aus einem rein keramischen Verschleißschutzmaterial ist jedoch keine Alternative. Grundsätzlich ist die Herstellung des gesamten Bauteils Rotor oder Stator aus einem solchen Verschleißwerkstoff aufgrund der erhöhten Werkstoffpreise für verschleißbeständigere Materialien kaum wirtschaftlich darstellbar. Zusätzlich zu Problemen beim notwendigen Auswuchten schnell laufender rein keramischer Rotoren ist zu beachten, dass die besonders harten Werkstoffe beim Mahlvorgang hohen Schlagbeanspruchungen ausgesetzt sind, was bei gleichzeitig versagenskritischer Werkstoffsprödigkeit verstärkt zur Ausbildung von Rissen im Rotor und/oder Stator führt.
Metallkeramikwerkstoffe, sogenannte Cermets, die aus einer metallischen und einer keramischen Phase bestehen, zeichnen sich durch eine besonders hohe Härte und Verschleißfestigkeit aus. Aufgrund geringerer Biegebruchfestigkeit sind diese Werkstoffe im Einsatz begrenzt.
Cermets werden bekannterweise pulvermetallurgisch hergestellt. Sie können nach der Druckschrift GB 21 48 270 A aber auch durch Infiltration poröser SiC-Keramik mit geschmolzenem Aluminium bei 700 °C und einem Druck von 46 MN/m2 erhalten werden.
Durch die Druckschrift DE 39 14 010 C2 ist ein Verfahren zur Herstellung von Metall-Keramik-Verbundwerkstoffen bekannt, bei dem ein aus mehreren Schichten aufgebauter keramischer Werkstoff definierter Porosität mit Aluminiumschmelze infiltriert wird.
Der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Stiftmühlen für hohe mechanische Beanspruchungen einfach bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird mit den im Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmalen gelöst.
Die Stiftmühlen zeichnen sich insbesondere dadurch aus, dass diese insbesondere auch bei hohen mechanischen Beanspruchungen einsetzbar sind.
Dazu bestehen die Scheibe aus einer feinkörnigen Keramik oder einem Metall-Keramik-Verbundwerkstoff hoher Festigkeit und die Stifte aus einem Metall-Keramik-Verbundwerkstoff hoher Härte.
Vorteilhafterweise wird für die Herstellung des Stators und des Rotors ein Verbundwerkstoff aus Keramik und Stahl eingesetzt. Dessen Stahlmatrix gewährleistet eine ausreichende Zähigkeit - der Mühlenkomponenten sowie die Möglichkeit einer mechanischen Nachbearbeitung zum Auswuchten und verhindert ein Reißen des Stators oder des Rotors bei Schlagbelastung. In der Stahlmatrix sind Keramikpartikel mit besonders hoher Härte eingebettet. Diese sorgen für einen gesteigerten Verschleißwiderstand des Stators und des Rotors. So bestehen die Bauteile der Stiftmühle und insbesondere vorteilhafterweise die rotierende Scheibe und/oder die darauf befestigten Stifte aus einem Verbundwerkstoff aus Metall und Keramik. Weiterhin kann natürlich der Stator entsprechend dem Rotor als Scheibe mit den Stiften ausgebildet sein.
Damit eignet sich die Stiftmühle insbesondere vorteilhafterweise auch zur Erzaufbereitung zur Aufschlusszerkleinerung, wobei diese als verschleißoptimierte Aufbereitungsanlage realisierbar ist. So können abrasive, beispielsweise stark quarzhaltige Materialien wie Quarzsande oder quarzhaltige Erze, zerkleinert werden. Das kann auch bei hohen Beanspruchungsgeschwindigkeiten erfolgen, so dass ein Vollaufschluss im Feinstbereich gewährleistbar ist. Die beim selektiven Zerkleinern vorherrschenden Prallbeanspruchungen sind besonders vorteilhaft für ein hohes Wertstoffausbringen bei geringem spezifischen Energiebedarf.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Patentansprüchen 2 bis 14 angegeben.
Die Keramik des Verbundwerkstoffes ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 2 eine fein und/oder grobkörnige Keramik.
Die Korngröße der grobkörnigen Keramik ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 3 gleich/größer 100 µm. Weiterhin beträgt der Grobanteil der Keramik mindestens 5 Vol.% des Verbundwerkstoffes. Damit ist eine verbesserte Verschleißbeständigkeit gegeben.
Der Verbundwerkstoff besteht nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 4 aus mindestens 30 Vol.% Keramik.
Das Metall des Verbundwerkstoffes ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 5 ein Pulver mit Partikeln der Größe kleiner/gleich 100 µm.
Die Scheibe und/oder die Stifte besitzt oder besitzen nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 6 wenigstens eine Schicht aus einer Keramik oder einem Metall oder einem Metall-Keramik-Verbundwerkstoff. Die Schicht ist dazu eine durch Flammspritzen oder Plasmaspritzen oder Auflöten oder Auftragschweißen oder kaltes Aufsprühen und nachträgliche Sinterung aufgebrachte Schicht.
Zur besseren Haftung können die Scheibe und/oder die Stifte mechanisch oder chemisch oder elektrochemisch aufbereitet sein, so dass die keramische oder metallische oder metallokeramische Beschichtung auf dem aufbereiteten Verbundwerkstoff gut haftet.
Die Stifte sind nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 7 auf die Scheibe aufgebrachte oder mit einem Endenbereich in die Scheibe eingebrachte Stifte, wobei die Scheibe und/oder die Stifte nicht gesintert oder gesintert sind und die Stifte durch Kleben, Löten, Schweißen, einem nachträglichen Brand oder einer Kombination davon gefügt sind.
Die Stifte sind nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 8 direkt nach der Urformgebung ohne Sinterung in einer nicht gesinterten Scheibe eingefügt und nachträglich mit der nicht gesinterten Scheibe gesintert. Damit können vorteilhafterweise Energiekosten gespart werden.
Die Stifte sind nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 9 als gesinterte Stifte in eine nicht gesinterte Scheibe eingefügt. Diese Scheibe mit diesen Stiften sind zusammen gesintert.
Die Keramik ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 10 jeweils wenigstens ein Karbid, ein Nitrid, ein Borid, ein Oxid oder eine Mischung mit einer Kombination davon.
Die Keramik ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 11 jeweils wenigstens ein Karbid, ein Nitrid, ein Borid, ein Oxid oder eine Mischung mit einer Kombination davon.
Die Keramik ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 12 Aluminiumoxid, Zirkondioxid, Magnesiumaluminatspinell, Titandioxid, Siliziumdioxid, Siliziumnitrid, Silziumkarbid, Borkarbid, Wolframkarbid, Sialone, MAX-Phasen oder eine Mischung mit einer Kombination davon.
Das Metall ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 13 Stahl, Nickel, Kobalt, Chrom, Mangan, Titan, Eisen, Silizium, Wolfram, Zirkonium, Niob, Tantal, Aluminium, Magnesium, eine Legierung davon oder eine Mischung davon.
Der Verbundwerkstoff weist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 14 Kohlenstoff auf, der als Legierungselement im Metall oder zur in situ Bildung von Phasen, beispielsweise von Karbiden, oder auch frei zur Entschärfung der Schlagempfindlichkeit vorhanden sein kann.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen jeweils prinzipiell dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben.
Es zeigen:

1 eine Scheibe mit Stiften einer Stiftmühle und
2 einen Stift in einer Schnittdarstellung.

Eine Stiftmühle weist im Wesentlichen Scheiben 1 mit Stiften 2 auf.
Die 1 zeigt eine Scheibe 1 mit Stiften 2 einer Stiftmühle in einer prinzipiellen Darstellung.
Die Scheibe 1 besteht aus einer feinkörnigen Keramik oder einem Metall-Keramik-Verbundwerkstoff hoher Festigkeit. Die Stifte 2 bestehen aus einem Metall-Keramik-Verbundwerkstoff hoher Härte. Die 1 zeigt eine prinzipielle Draufsicht auf eine Scheibe 1 mit Stiften 2, wobei nur eine begrenzte Anzahl von Stiften 2 gezeigt sind. Bei einer derartigen Ausführungsform sind die Stifte 2 in drei Kreisen beabstandet zueinander angeordnet. Die 1 zeigt hier nur beispielhaft von innen nach außen zwei, vier und neun Stifte 2 je Kreis. Zwischen den drei Kreisringflächen mit den Stiften 2 können sich Vertiefungen befinden.
Die Keramik des Verbundwerkstoffes ist eine grobkörnige Keramik mit einer Korngröße gleich/größer 100 µm. Der Grobanteil der Keramik beträgt mindestens 5 Vol.% des Verbundwerkstoffes. Weiterhin besteht der Verbundwerkstoff aus mindestens 30 Vol.% Keramik.
Die Stifte 2 können in einer ersten Ausführungsform auf die Scheibe 1 aufgebrachte oder mit einem Endenbereich in die Scheibe 1 eingebrachte Stifte 2 sein, wobei die Scheibe 1 und/oder die Stifte 2 nicht gesintert oder gesintert sind und die Stifte 2 durch Kleben, Löten, Schweißen, einem nachträglichen Brand oder einer Kombination davon gefügt sind.
Die Stifte 2 können in einer zweiten Ausführungsform direkt nach der Urformgebung ohne Sinterung in einer nicht gesinterten Scheibe 1 eingefügt und nachträglich mit der nicht gesinterten Scheibe 1 gesintert sein.
Die Stifte 2 können in einer dritten Ausführungsform als gesinterte Stifte 2 in eine nicht gesinterte Scheibe 1 eingefügt und diese Scheibe 1 mit diesen Stiften 2 gesintert sein.
Die 2 zeigt einen Stift 2 in einer prinzipiellen Schnittdarstellung.
In einer weiteren Ausführungsform kann oder können die Scheibe 1 und/oder die Stifte 2 wenigstens eine Schicht 3 aus einer Keramik oder einem Metall oder einem Metall-Keramik-Verbundwerkstoff besitzen, wobei die Schicht 3 eine durch Flammspritzen oder Plasmaspritzen oder Auflöten oder Auftragschweißen oder kaltes Aufsprühen und nachträgliche Sinterung aufgebrachte Schicht 3 ist.
Die Keramik ist jeweils wenigstens ein Karbid, ein Nitrid, ein Borid, ein Oxid oder eine Mischung mit einer Kombination davon. Dazu kann die Keramik Aluminiumoxid, Zirkondioxid, Magnesiumaluminatspinell, Titandioxid, Siliziumdioxid, Siliziumnitrid, Silziumkarbid, Borkarbid, Wolframkarbid, Sialone, MAX-Phasen oder eine Mischung mit einer Kombination davon sein.
Das Metall ist Stahl, Nickel, Kobalt, Chrom, Mangan, Titan, Eisen, Silizium, Wolfram, Zirkonium, Niob, Tantal, Aluminium, Magnesium, eine Legierung davon oder eine Mischung davon.
In einer weiteren Ausführungsform kann der Verbundwerkstoff Kohlenstoff aufweisen.
In einer weiteren Ausführungsform ist der Stift 2 aus einem Kompaktmaterial herausgearbeitet. Grundlage dazu ist ein hinsichtlich der Korngrößen optimierter Versatz aus 90 Vol.% Aluminiumoxid (bis einschließlich 3 mm) und 10 Vol.% eines hochlegierten Stahlpulvers (bis einschließlich 100 µm), der als wässriger Schlicker in einer Druckschlickergussanlage bei 20 bar entwässert und mittels einer Heizeinrichtung wärmebehandelt ist. Der Stift 2 besitzt eine aufgetragene der Verschleißschutzschicht aus reinem Aluminiumoxid, wobei der Auftrag bei rotierendem Stift 2 mittels Flammspritzen erfolgt.
Bezugszeichenliste

1: Scheibe
2: Stift
3: Schicht

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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.
Zitierte Patentliteratur

EP 0200003 A2 [0006]
DE 102014101786 A1 [0007]
GB 2148270 A [0011]
DE 3914010 C2 [0012]

Claims

Stiftmühle mit Scheiben (1) mit Stiften (2), dadurch gekennzeichnet, dass die Scheibe (1) aus einer feinkörnigen Keramik oder einem Metall-Keramik-Verbundwerkstoff hoher Festigkeit und die Stifte (2) aus einem Metall-Keramik-Verbundwerkstoff hoher Härte bestehen.
Stiftmühle nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Keramik des Verbundwerkstoffes eine fein und/oder grobkörnige Keramik ist.
Stiftmühle nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Korngröße der grobkörnigen Keramik gleich/größer 100 µm ist und dass der Grobanteil der Keramik mindestens 5 Vol.% des Verbundwerkstoffes beträgt.
Stiftmühle nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbundwerkstoff aus mindestens 30 Vol.% Keramik besteht.
Stiftmühle nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Metall des Verbundwerkstoffes ein Pulver mit Partikeln der Größe kleiner/gleich 100 µm ist.
Stiftmühle nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Scheibe (1) und/oder die Stifte (2) wenigstens eine Schicht (3) aus einer Keramik oder einem Metall oder einem Metall-Keramik-Verbundwerkstoff besitzt oder besitzen, wobei die Schicht (3) eine durch Flammspritzen oder Plasmaspritzen oder Auflöten oder Auftragschweißen oder kaltes Aufsprühen und nachträgliche Sinterung aufgebrachte Schicht (3) ist.
Stiftmühle nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stifte (2) auf die Scheibe (1) aufgebrachte oder mit einem Endenbereich in die Scheibe (1) eingebrachte Stifte (2) sind, wobei die Scheibe (1) und/oder die Stifte (2) nicht gesintert oder gesintert sind und die Stifte (2) durch Kleben, Löten, Schweißen, einem nachträglichen Brand oder einer Kombination davon gefügt sind.
Stiftmühle nach Patentanspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Stifte (2) direkt nach der Urformgebung ohne Sinterung in einer nicht gesinterten Scheibe (1) eingefügt und nachträglich mit der nicht gesinterten Scheibe (1) gesintert sind.
Stiftmühle nach Patentanspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Stifte (2) als gesinterte Stifte (2) in eine nicht gesinterte Scheibe (1) eingefügt sind und diese Scheibe (1) mit diesen Stiften (2) gesintert sind.
Stiftmühle nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Keramik jeweils wenigstens ein Karbid, ein Nitrid, ein Borid, ein Oxid oder eine Mischung mit einer Kombination davon ist.
Stiftmühle nach Patentanspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Keramik jeweils wenigstens ein Karbid, ein Nitrid, ein Borid, ein Oxid oder eine Mischung mit einer Kombination davon ist.
Stiftmühle nach Patentanspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Keramik Aluminiumoxid, Zirkondioxid, Magnesiumaluminatspinell, Titandioxid, Siliziumdioxid, Siliziumnitrid, Silziumkarbid, Borkarbid, Wolframkarbid, Sialone, MAX-Phasen oder eine Mischung mit einer Kombination davon ist.
Stiftmühle nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Metall Stahl, Nickel, Kobalt, Chrom, Mangan, Titan, Eisen, Silizium, Wolfram, Zirkonium, Niob, Tantal, Aluminium, Magnesium, eine Legierung davon oder eine Mischung davon ist.
Stiftmühle nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbundwerkstoff Kohlenstoff aufweist.