DE102019201098A1

DE102019201098A1 - Verschleißschutzelement für eine Zerkleinerungsvorrichtung

Info

Publication number: DE102019201098A1
Application number: DE102019201098.9A
Authority: DE
Inventors: Baris Irmak
Original assignee: ThyssenKrupp AG; ThyssenKrupp Industrial Solutions AG
Current assignee: FLSmidth and Co AS
Priority date: 2019-01-29
Filing date: 2019-01-29
Publication date: 2020-07-30
Also published as: WO2020156949A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verschleißschutzelement für eine Zerkleinerungsvorrichtung, wobei das Verschleißschutzelement ein keramisches Material aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das keramische Material zwischen 15 Gew.-% und 35 Gew.-% Aluminiumoxid aufweist, wobei das keramische Material zwischen 85 Gew.-% und 65 Gew.-% Zirkonoxid aufweist, wobei das keramische Material 0,01 Gew.-% bis 20 Gew.-% monoklines Zirkonoxid aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft Hartkörper oder Verschleißschutzelemente insbesondere zum teilweisen Einsetzen in Ausnehmungen beispielsweise an der Oberfläche von Zerkleinerungsvorrichtungen für die Druckzerkleinerung körnigen Gutes.
Oberflächen von Zerkleinerungsvorrichtungen sind einer hohen Verschleißbeanspruchung ausgesetzt. An solchen Oberflächen werden wenigstens die folgenden Anforderungen gestellt: Sie sollen eine hohe Verschleißwiderstandsfähigkeit haben, kostengünstig hergestellt werden können, ein gutes Einzugsverhalten für das zu zerkleinernde Gut besitzen, und gegebenenfalls auch durch den Betreiber der Zerkleinerungsvorrichtung wenigstens in Teilen repariert werden können.
Um solche Oberflächen zu schützen, kann beispielsweise eine Rasterpanzerung eingesetzt werden, bei der stiftförmige Profilkörper in Sacklochbohrungen eingesetzt werden. Die stiftförmigen Profilkörper sind auswechselbar und können besonders verschleißfest ausgeführt werden.
Bei Mahlwalzen, die insbesondere für die sogenannte Gutbettzerkleinerung zum Einsatz kommen, stellt sich das Problem des hohen Verschleißes der Walzenoberfläche. Es ist bekannt, durch unterschiedliche Gestaltung und Beschichtung der dem Verschleiß ausgesetzten Walzenoberflächen diesem Verschleiß entgegenzuwirken. Die Walzenoberfläche weist beispielsweise stiftförmige Profilkörper auf, die derart voneinander beabstandet sind, dass sich während des Betriebs der Mahlwalze ein Teil des zu zerkleinernden Materials in den Zwischenräumen einlagert und einen autogenen Verschleißschutz bildet. In Abhängigkeit des zu zerkleinernden Materials, verzichtet man auf die oben genannten Profilkörper und versieht die Walzenoberfläche mit einer Auftragsschweißung, die in verschiedenen Mustern auf die Walzenoberfläche aufgetragen werden kann.
Zur Zerkleinerung von Materialien, wie beispielsweise Erz enthaltende Stoffströme oder einen Kohlenstoff enthaltenden Stoffstrom und/oder Rückstände aus der Roheisenherstellung, wie beispielsweise unterschiedlichste Schlackesorten, werden üblicherweise Hammermühlen eingesetzt, die zumindest einen Rotor aufweisen, an dem umfangsmäßig zueinander beabstandete Schlaghämmer angebracht sind. Aus der EP 1 128 908 B1 ist eine solche Hammermühle bekannt.
Bei der Zerkleinerung von Erzen, insbesondere Nickelerzen, tritt häufig ein hoher Verschleiß der Schlaghämmer auf, was zu einer starken Beschädigung oder Zerstörung der Hammermühle führen kann. Der Austausch der Schlaghammer ist sehr zeitaufwändig und kostenintensiv.
Aus der DE 10 2006 010 042 A1 ist ein Hartkörper für den Verschleißschutz von Walzenoberflächen bekannt.
Aus der US 2012/0082849 A1 ist eine Mühle mit gesinterten Partikeln aus Aluminiumoxid und Zirkonoxid bekannt.
Aus der EP 2 513 009 B1 ist ein Verbundwerkstoff aus Aluminiumoxid als keramische Matrix mit darin dispergiertem Zirkonoxid bekannt.
Aus der EP 2 513 010 B1 ist ein Verbundwerkstoff aus Aluminiumoxid als keramische Matrix mit darin dispergiertem Zirkonoxid bekannt.
Aus der EP 567 136 B1 ist ein Mühlenbauteil umfassend einen gesinterten Zirconiumdioxidkörper bekannt.
Aus der WO 2014/029757 A1 ist ein Verbundwerkstoff mit einer keramischen Matrix aus Zirkonoxid bekannt.
Sind die Verschleißschutzelemente verbraucht, so müssen, diese ausgetauscht werden. Hierdurch kommt es zu einem Stillstand der Anlage. Besonders nachteilig ist, dass beispielsweise Zerkleinerungsvorrichtungen normaler Weise Bestandteil einer Produktionskette sind. Kommt es hier zum Stillstand, können größere Produktionsbereiche davon betroffen sein.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verschleißschutzelement zu schaffen, welches besonders verschleißfest und bruchzäh ist und dadurch geringe Ausfallzeiten durch Austausch erzeugt.
Gelöst wird diese Aufgabe durch das Verschleißschutzelement mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
Das erfindungsgemäße Verschleißschutzelement für eine Zerkleinerungsvorrichtung weist ein keramisches Material auf. Erfindungsgemäß weist das keramische Material zwischen 15 Gew.-% und 35 Gew.-% Aluminiumoxid auf. Weiter weist das keramische Material zwischen 85 Gew.-% und 65 Gew.-% Zirkonoxid auf. Weiter weist das keramische Material 1 Gew.-% bis 5 Gew.-% monoklines Zirkonoxid auf. Das restliche Zirkonoxid ist tetragonales und/oder kubisches Zirkonoxid. Besonders bevorzugt beträgt die Summe aus Aluminiumoxid und Zirkonoxid 100 Gew.-%, das keramische Material weist somit in dieser besonders bevorzugten Ausführungsform keine weiteren Bestandteile auf.
Ein keramisches Material mit dieser Zusammensetzung hat sich als besonders verschleißfest im Vergleich zu den herkömmlichen keramischen Materialien mit insbesondere 92 Gew.-% Aluminiumoxid erwiesen. Insbesondere weist es auch eine höhere Bruchzähigkeit, was ein kritisches Versagen durch Bruch unwahrscheinlicher macht.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist das keramische Material zwischen 22 Gew.-% und 28 Gew.-% Aluminiumoxid auf.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist das Zirkonoxid wenigstens teilweise eine Yttrium-Dotierung, eine Cer-Dotierung oder eine Yttrium-Cer-Codotierung auf, bevorzugt eine Yttrium-Cer-Codotierung. Die Codotierung sorgt insbesondere im Kontakt mit Wasser, wäßrigen Schlämmen, Wasserdampf oder anderen Feuchtigkeitsquellen für eine hohe Stabilität und somit eine hohe Schadenstoleranz.
Eine Dotierung im Sinne der Erfindung ist weit auszulegen und umfasst beispielsweise den Austausch der Metallionen im Gitter, den Einbau des Dotierungselements auf Zwischengitterplätzen oder Mischoxidphasen. Auch muss eine Dotierung nicht homogen erfolgen. Eine Dotierung kann insbesondere auch eine Anreicherung im Inneren, beispielsweise ein Nucleus aus dem Dotierungselement, oder eine Anreicherung auf der Oberfläche umfassen.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung liegt der Mittelwert der Korngröße des Aluminiumoxids zwischen 300 nm und 2000 nm, bevorzugt zwischen 300 nm und 1000 nm. Bevorzugt liegt der D₉₀ Wert der Korngröße unter 5000 nm, besonders bevorzugt unter 2000 nm.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung liegt der Mittelwert der Korngröße des Zirkonoxids zwischen 100 nm und 1000 nm, bevorzugt zwischen 100 nm und 700 nm. Bevorzugt liegt der D₉₀ Wert der Korngröße unter 2000 nm, besonders bevorzugt unter 1500 nm.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist das Aluminiumoxid wenigstens teilweise eine Lanthan-Dotierung auf.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist das keramische Material zwischen 2 Gew.-% und 6 Gew.-% Lanthanoxid auf.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist das keramische Material eine Porosität von weniger als 3 %, bevorzugt von weniger als 2 %, besonders bevorzugt von weniger als 1 % auf. Bevorzugt liegt der D₉₀ Wert der Porengröße bei kleiner 50 µm, bevorzugt kleiner 30 µm. Große Poren steigern insbesondere das Bruchrisiko.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist das Verschleißschutzelement eine zylinderförmige Form auf, wobei das Verschleißschutzelement als stiftförmige Profilkörper in eine Sacklochbohrung einsetzbar ist.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist das Verschleißschutzelement plattenförmig. Plattenförmige Verschleißschutzelemente können insbesondere eckig, insbesondere quadratisch, rechteckig oder hexagonalen, rund oder oval sein. Unter plattenförmig wird im Sinne der Erfindung insbesondere ein Verschleißschutzelement mit einer ebenen Oberfläche verstanden, wobei eben im Sinne der Erfindung bedeutet, dass der Krümmungsradius der Oberfläche wenigstens Faktor 10 größer ist als die Kantenlänge des plattenförmigen Verschleißschutzelements.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist das Verschleißschutzelement eine Stärke von 3 bis 350 mm, bevorzugt von 15 bis 200 mm, besonders bevorzugt von 25 bis 100 mm, auf.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist das keramische Material über eine Elastomerschicht mit einer Grundplatte verbunden. Als Elastomerschicht können insbesondere Polyurethan oder Gummi sowie Mischungen hieraus verwendet werden.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist das Verschleißschutzelement ein Verbundmaterial auf, wobei das Verbundmaterial aus dem keramischen Material und eine Metall, insbesondere einem Hartmetall, besteht.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Zerkleinerungsvorrichtung ein Brecher oder eine Mühle, insbesondere eine Hochdruckwalzenmühle.
Eine Mahlwalze für eine Walzenmühle zur Zerkleinerung von körnigem Gut umfasst beispielsweise einen Walzengrundkörper, der an zumindest einem Walzenende eine Mehrzahl von Kantenschutzvorrichtungen aufweist. Zumindest eine der Kantenschutzvorrichtungen weist ein Verschleißschutzelement und ein Befestigungselement auf, wobei das Befestigungselement derart angeordnet und ausgebildet ist, dass es eine Mehrzahl von Verschleißschutzelementen an dem Walzengrundkörper befestigt. Insbesondere sind die Verschleißschutzelemente lösbar an dem Walzengrundkörper befestigt.
Die Walzenmühle ist vorzugsweise zur Zerkleinerung von körnigem Gut, wie beispielsweise Kalkstein, Erze oder Klinker ausgebildet und wird in der Zement und Mineralindustrie eingesetzt.
Insbesondere umfasst zumindest eine Kantenschutzvorrichtung ein Befestigungselement, an dem eine Mehrzahl von Verschleißschutzelementen angebracht ist. Die Verschleißschutzelemente sind mittels des Befestigungselements an dem Walzengrundkörper angebracht.
Die Mahlwalze weist vorzugsweise an zumindest einer Stirnseite eine Mehrzahl von Kantenschutzvorrichtungen auf, die umfangsmäßig nebeneinander an dem Walzengrundkörper angebracht sind und insbesondere einen geschlossenen Ring ausbilden. Die Kantenschutzvorrichtungen sind an der radial nach außen weisenden Kante zumindest einer Stirnseite der Mahlwalze befestigt, um einen Verschleiß der jeweiligen Mahlwalzenkante zu verhindern.
Vorzugsweise ist das Befestigungselement derart ausgebildet und an der Mahlwalze angeordnet, dass es zwei bis sechs, insbesondere vier Verschleißschutzelemente an der Mahlwalze befestigt. Die Verschleißschutzelemente werden insbesondere mittels des Befestigungselements verklemmt.
Ein Befestigungselement, das eine Mehrzahl von Verschleißschutzelementen an dem Walzengrundkörper befestigt, bietet den Vorteil einer schnellen und einfachen Austauschbarkeit der Verschleißschutzelemente einer Kantenschutzvorrichtung. Es wird darauf verzichtet, jedes der Verschleißschutzelemente einzeln an dem Walzengrundkörper zu befestigen. Dies ermöglicht sowohl bei der Montage als auch bei der Demontage der Verschleißschutzelemente eine erhebliche Zeitersparnis. Des Weiteren können gezielt beschädigte Verschleißschutzelemente durch neue und/oder aufbereitete Verschleißschutzelemente ersetzt werden, was mit einer erheblichen Kostenersparnis verbunden ist.
Eine Mahlbahn umfasst vorzugsweise zumindest eine Grundplatte, die derart ausgebildet ist, dass sie den bei der Zerkleinerung des Mahlguts auf die Mahlbahn wirkenden Kräften standhält. Die Grundplatte weist beispielsweise eine gekrümmte Plattenform auf, um beispielsweise eine zylinderförmige oder halbrohrförmige Mahlbahn auszubilden.
Eine Verschleißschutzanordnung, die lösbar auf der Grundplatte befestigt ist, bietet den Vorteil, dass im Verschleißfall lediglich die Verschleißschutzanordnung ausgetauscht werden muss. Ein Ausbau oder Austausch der gesamten Grundplatte ist nicht notwendig. Dies bringt eine erhebliche Kosten- und Zeitersparnis mit sich, wobei zusätzlich das Gewicht der der Verschleißanordnung erheblich geringer als das der Grundplatte ist und diese somit erheblich einfacher auszutauschen ist.
Die Verschleißschutzanordnung ist vorzugsweise mittels Schrauben an der Grundplatte befestigt, wobei die Trägerplatte mit der Grundplatte verschraubt ist. Eine Schraubverbindung ermöglicht ein einfaches Entfernen der Verschleißschutzanordnung von der Grundplatte, ohne dass die Grundplatte aus der Mahlbahn entfernt werden muss.
Die Verschleißschutzanordnung erstreckt sich beispielsweise über die gesamte Oberfläche der Grundplatte, sodass diese nicht mit dem zu zerkleinernden Material in Berührung kommt und somit keinem oder nur einem sehr geringen Verschleiß ausgesetzt ist. Gemäß einer ersten Ausführungsform sind auf der Grundplatte eine Mehrzahl von Verschleißschutzanordnungen nebeneinander angeordnet. Dies realisiert einen modularen Aufbau der Mahlbahn, insbesondere der Grundplatte, wobei ein gezielter Austausch der Bereiche, die einen hohen Verschleiß aufweisen, ermöglicht wird.
Eine Mahlbahn für eine Zerkleinerungseinrichtung, insbesondere eine Hammermühle oder eine Vertikalmühle, umfasst beispielsweise zumindest eine Grundplatte, und zumindest eine auf der Grundplatte angebrachte Verschleißschutzanordnung, die eine Trägerplatte und einen auf der Trägerplatte angebrachten Verschleißschutz umfasst, wobei die Verschleißschutzanordnung lösbar auf der Grundplatte befestigt ist.
Eine Mahlbahn umfasst beispielsweise die Mahlbahn einer Hammermühle, wobei die Mahlbahn stationär ist und sich an einem Rotor angebrachte Schlaghämmer relativ zu der Mahlbahn rotierend bewegen, sodass das Mahlgut zwischen den Schlaghämmern und der Mahlbahn zerkleinert wird. Eine Mahlbahn umfasst ferner eine Mahlbahn einer Vertikalmühle, insbesondere die Oberfläche eines Mahlteller und/ oder eines darauf abrollendem Wälzkörpers beziehungsweise des Walzenkörperträgers.
Ein Schlaghammer für eine Hammermühle zur Zerkleinerung von Materialien, insbesondere von Stoffströmen, umfasst beispielsweise einen Hammerkopf und zumindest ein an dem Hammerkopf angebrachtes Verschleißschutzelement, wobei der Hammerkopf einen hochtemperaturfesten Stahl und das Verschleißschutzelement einen keramischen Werkstoff umfasst.
Die zu zerkleinernden Materialien, insbesondere Stoffströme, umfassen vorzugsweise Erz enthaltende Stoffströme oder Kohlenstoff enthaltende Stoffströme und/oder Rückstände aus der Roheisenherstellung, wie beispielsweise unterschiedlichste Schlackesorten, enthaltende Stoffströme.
Unter einem hochtemperaturfesten Stahl ist ein warmfester Stahl mit einem hohen Chrom-Nickel-Anteil zu verstehen, der eine Temperaturbeständigkeit von bis zu 650 °C, insbesondere bis zu 1000 °C aufweist. Bei solchen Stählen handelt es sich beispielsweise um austenitische Chrom-Nickel-Stähle, wie beispielsweise GX25CrNiSi18-9, GX40CrNiSi25-12, GX40NiCrSiNb35-26. Hochtemperaturfeste Stähle bis 600 °C sind beispielsweise Stähle gemäß DIN EN 10213. Hochtemperaturfeste Stähle bis 1200 °C sind beispielsweise Stähle gemäß DIN EN 10295.
Ein in einer Hammermühle installierter Schlaghammer ist an einem sich um eine Rotationsachse rotierenden Rotor angebracht. Im Betrieb der Hammermühle rotiert der Schlaghammer um die Rotationsachse des Rotors der Hammermühle, wobei die Stirnseite des Hammerkopfes in Rotationsrichtung des Rotors der Hammermühle zeigt und die Aufprallfläche für das zu zerkleinernde Material bildet. Vorzugsweise sind die Verschleißschutzelemente auf der Stirnseite des Hammerkopfes angeordnet. Beispielsweise sind auch auf den Seitenflächen und der Außenfläche des Hammerkopfes, die bei der Rotation radial nach außen weist, Verschleißschutzelemente angeordnet.
Ein Hammerkopf aus einem hochtemperaturfesten Stahl und daran angebrachte Verschleißschutzelemente aus keramischen Werkstoffen ermöglichen den Einsatz eines solchen Schlaghammers zur Zerkleinerung von heißem Material. Temperaturen von etwa 500 bis 1000 °C treten beispielsweise bei der Zerkleinerung von Erzen, insbesondere bei der Nickelerzmahlung, auf, wobei heiße Gase zur Trocknung der Erze vor oder während der Mahlung eingesetzt werden. Insbesondere wird zur Trocknung der Erze, die Zerkleinerungseinrichtung von heißen Gasen während der Mahlung durchströmt. Dieser Heißgasstrom fördert gleichzeitig das zu zerkleinernde Material durch die Zerkleinerungseinrichtung und steht daher unmittelbar mit dem Schlaghammer im Kontakt.
Insbesondere die Kombination des Hammerkopfes aus einem hochtemperaturfesten Stahl und des Verschleißschutzelementes aus einem keramischen Werkstoff ermöglicht einen zuverlässigen Verschleißschutz bei Anwendungen in einem Hochtemperaturbereich von 500 °C bis etwa 1000 °C. Der hochtemperaturfeste Stahl des Hammerkopfes weist des Weiteren, beispielsweise gegenüber einem allgemeinem Baustahl, einen geringeren Härteverlust bei hohen Temperaturen auf, wie sie beispielsweise bei der Zerkleinerung von Erzen auftreten. Daher weist der hochtemperaturfeste Stahl einen geringeren Verschleiß auf, wodurch ein sicherer Sitz der Verschleißschutzelemente in dem Hammerkopf gewährleistet wird.
Der hochtemperaturfeste Stahl ermöglicht ferner eine Bearbeitung der Oberfläche des Hammerkopfes, sodass Aussparungen zur Aufnahme der Verschleißschutzelemente ohne großen Aufwand, beispielsweise durch Fräsen, eingebracht werden können. Die Verwendung von hochtemperaturfestem Stahl ermöglicht auch eine gezielte Anbringung der Verschleißschutzelemente an den verschleißintensivsten Bereichen des Hammerkopfes, insbesondere an den im Betrieb des Hammerkopfes radial äußeren Bereichen. An den verschleißärmeren Bereichen des Hammerkopfes kann auf die Anbringung von Verschleißschutzelementen verzichtet werden, da der verwendete Stahl einen geringen Verschleiß, insbesondere bei hohen Temperaturen, aufweist. Dies bringt eine einfache und kostengünstige Fertigung der Schlaghämmer mit sich. Zudem werden die Härte und die Verschleißeigenschaften des hochtemperaturfesten Stahls durch einen Lötprozess nicht beeinflusst.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1128908 B1 [0005]
DE 102006010042 A1 [0007]
US 2012/0082849 A1 [0008]
EP 2513009 B1 [0009]
EP 2513010 B1 [0010]
EP 567136 B1 [0011]
WO 2014/029757 A1 [0012]

Claims

Verschleißschutzelement für eine Zerkleinerungsvorrichtung, wobei das Verschleißschutzelement ein keramisches Material aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das keramische Material zwischen 15 Gew.-% und 35 Gew.-% Aluminiumoxid aufweist, wobei das keramische Material zwischen 85 Gew.-% und 65 Gew.-% Zirkonoxid aufweist, wobei das keramische Material 0,01 Gew.-% bis 20 Gew.-% monoklines Zirkonoxid aufweist.
Verschleißschutzelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens teilweise Zirkonoxid eine Yttrium-Dotierung, eine Cer-Dotierung oder eine Yttrium-Cer-Codotierung aufweist.
Verschleißschutzelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Mittelwert der Korngröße des Aluminiumoxids zwischen 300 nm und 2000 nm, bevorzugt zwischen 300 nm und 1000 nm, liegt.
Verschleißschutzelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Mittelwert der Korngröße des Zirkonoxids zwischen 100 nm und 1000 nm, bevorzugt zwischen 100 nm und 700 nm, liegt.
Verschleißschutzelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Aluminiumoxid wenigstens teilweise eine Lanthan-Dotierung aufweist.
Verschleißschutzelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das keramische Material eine Porosität von weniger als 3 %, bevorzugt von weniger als 2 %, besonders bevorzugt von weniger als 1 % aufweist.
Verschleißschutzelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verschleißschutzelement eine zylinderförmige Form aufweist, wobei das Verschleißschutzelement als stiftförmige Profilkörper in eine Sacklochbohrung einsetzbar ist.
Verschleißschutzelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Verschleißschutzelement plattenförmig ist.
Verschleißschutzelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verschleißschutzelement eine Stärke von 3 bis 350 mm, bevorzugt von 15 bis 200 mm, besonders bevorzugt von 25 bis 100 mm, aufweist.
Verschleißschutzelement nach einem der Ansprüche 8 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das keramische Material über eine Elastomerschicht mit einer Grundplatte verbunden ist.