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Die Erfindung betrifft eine Hochdruckwalzenpresse zur Zerkleinerung von sprödem Mahlgut, aufweisend mindestens zwei zueinander gegenläufig rotierende und in einem Maschinenrahmen angeordnete Mahlwalzen, die zwischen sich einen Walzenspalt bilden, wobei eine Hydrauliksteuerung den Druck im Walzenspalt, wenn dieser mit Mahlgut gefüllt ist, mit Hilfe von mindestens einem die Lage einer Mahlwalze verändernden Hydraulikstempel auf über 50 MPa hält, und wobei mindestens eine der Mahlwalzen als Loswalze ausgebildet ist.
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Die Zerkleinerung von sprödem Material kann im Wesentlichen in drei verschiedenen Weisen durchgeführt werden. Zerkleinerung geschieht durch Ausübung Schlag auf das Material, durch Ausübung von Reibung oder Scherung oder durch Ausüben von Druck. In der Regel werden in einer Mühle sämtliche Zerkleinerungsarten nebeneinander durchgeführt, wobei je nach Mühlenart die eine oder die andere Art der Zerkleinerung dominiert. Da die Art der Zerkleinerung für ein vorgegebenes Mahlgut zu einer sehr typischen Kornform und Korngrößenverteilung führt, ist jede Mühlenart in Abhängigkeit von den Anforderungen an das zerkleinerte Mahlgut auszuwählen. Mühlen, die mit aufeinander reibenden Mahlsteinen mahlen, wie Getreidemühlen, erzeugen eine eher runde Kornform. Auch in Walzentellermühlen dominiert die Zerkleinerung durch Scheren, was an der Kornform und der erhaltenen Korngrößenverteilung erkennbar ist. Ein zur Walzentellermühle sehr ähnlicher Mühlenaufbau ist der Kollergang. In dieser Mühle dominiert jedoch die Zerkleinerung durch Druck, weil die Mühlensteine über das Mahlgut rollen und das Mahlgut nicht wie bei der Walzentellermühle unter den drehbar gelagerten Mahlsteinen bewegt wird. Des Weiteren gibt es Hammermühlen, in der die Zerkleinerung durch Schlag dominiert.
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Allgemein ist zu beobachten, dass die Zerkleinerung durch ausschließliches Ausüben von Druck sehr Energieeffizient ist, da in Mühlen mit dieser Betriebsart nur sehr wenig Reibung auftritt, wobei die Reibwärme sehr viel Energie zehrt. Diese Mühlen, meist Pressmühlen mit zwei einander entgegenlaufenden Mahlwalzen, erzeugen in der Regel ein sehr zerklüftetes Korn, das nach Passage der Mühle noch dazu neigt, lockere Agglomerate zu bilden, die nach Mühlenpassage zur Ausbildung eines lockeren und rieselfähigen Schüttguts noch eine Desagglomeration erfordern. In kleineren Hochdruckwalzenpressen sind die Walzen schmal und sehen aus wie zwei in einem Rahmen fest montierte aufeinander abrollende Räder.
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Um den Durchsatz einer Hochdruckwalzenpresse zu erhöhen, wird die Breite der Walzen stetig erhöht. Dabei kann die Walze breiter sein als es dem eigenen Durchmesser entspricht. Je breiter die Walze wird, desto kritischer wird die richtige Aufgabe des Mahlguts auf den Walzenspalt. Wird der Walzenspalt überfüllt, lagert also Mahlgut auf dem das Mahlgut einziehenden Walzenspalt, so kann die Walzenpresse anfangen zu vibrieren. In diesem Zustand wechselt die Walzenpresse von einem normalen Betriebstand in einen Überlastzustand, in dem zu viel nicht komprimierbares Material auf einmal in den Walzenspalt gezogen wird. In diesem Betriebszustand führt eine der beiden Mahlwalzen, die als Loswalze ausgebildet ist, eine Ausgleichsbewegung unter Verbreiterung des Walzenspalts durch. Durch die Verbreiterung des Walzenspalts bricht die Zerkleinerungswirkung der Walzenpresse zusammen und Material fällt unzerkleinert durch den Walzenspalt. Die Walzenpresse fällt nahezu übergangslos in einen Zustand der Unterlast. Dieser Betriebszustand der Unterlast ähnelt dem Betriebszustand eines Brechers. In diesem anderen Extremzustand schließt sich der Walzenspalt durch eine Hydrauliksteuerung und ein neuer Zyklus beginnt, wodurch die Walzenpresse anfängt, zu vibrieren. Wird der Walzenspalt mit einer ungleichmäßigen Korngrößenverteilung gefüllt, befindet sich also gröberes Mahlgut auf der einen und feineres Mahlgut auf der anderen Seite des Walzenspaltes, so geht die Parallelität beider Walzen verloren und es ergibt sich eine Schiefstellung welche zum Ausfall der Walzenpresse führen kann. In diesem Betriebszustand wird einseitig der vorherrschende Hydraulikdruck reduziert umso eine Ausgleichsbewegung unter Parallelität des Walzenspalts zu gewährleisten. Diese unerwünschte Druckdifferenz beider Walzenspaltseiten führt einerseits dazu, das die Mahleffizienz entlang des Walzenspaltes der Walzenpresse abnimmt und andererseits zu einer ungleichmäßigen Abnutzung der Rollenoberfläche, nämlich in einer Weise, dass der Schleiß an der Walzenspaltseite mit dem größeren Hydraulikdruck größer ist als an der anderen Seite. Werden beide Seiten des Walzenspalt mit nahezu identischem Hydraulikdruck betrieben und zudem sehr gleichmäßig mit Mahlgut beaufschlagt, so dass sich ein stationärer Mahlgutpegel bei stationären Hydraulikdruck ausbildet, so befindet sich die Walzenpresse in einem idealen Betriebszustand.
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Weiterhin ist zu beobachten, dass auch bei gleichmäßiger Beaufschlagen des Walzenspaltes mit Mahlgut über die gesamte Breite einer breiteren Walzenpresse sich die Materialzusammensetzung von der Mitte zum Rand hin verändert. Größere Körner oder Brocken im Mahlgutstrom neigen dazu, in der Mitte einer Mahlgutaufgabevorrichtung zu verbleiben. Nach außen wandert feineres Material. Diese unerwünschte Entmischung des Mahlguts führt ebenfalls dazu, das die Mahleffizienz zum Rand des Walzenspaltes der Walzenpresse hin abnimmt und somit ebenfalls zu einer ungleichmäßigen Abnutzung, nämlich in einer Weise, dass der Schleiß in der Walzenspaltmitte größer ist als an den Enden des Walzenspaltes, so dass sich nach einer vorgestimmten Zeit der Walzenspalt durch eine mittige erhöhte Abnutzung wie ein Maul öffnet.
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Aufgabe der Erfindung ist es, die Effizient einer Walzenpresse mit einem breiten Walzenspalt im Bereich von 1,8 m und mehr zu erhöhen und die unerwünschte Materialentmischung in Kauf zu nehmen und, dass die mindestens zwei Mahlwalzen als Kegelstumpf ausgebildet sind, wobei die mindestens zwei kegelstumpfförmigen Mahlwalzen im Betriebszustand eine antiparallele Ausrichtung aufweisen. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Nach der Erfindung ist vorgesehen, eine Hochdruckwalzenpresse mit zwei kegelstumpfförmigen Mahlwalzen aufzubauen. Dabei sollen die Mahlwalzenachsen antiparallel zueinander ausgerichtet sein. Die Richtung der Mahlwalzenachse ist durch ihre Kegelstumpfform gegeben. Dabei kann die Richtung entlang der Rotationsachse von der Grundfläche zur Deckfläche zeigen. Bei einer gegenläufigen Rotation der beiden Mahlwalzen findet in etwa in der der Mitte des Walzenspaltes, dort wo beide Kegelstümpfe der Mahlwalzen den gleichen Durchmesser haben, kein relativer Schlupf der Mantelflächen statt. An dieser Stelle dominiert eine Zerkleinerung, die ausschließlich auf Druck basiert, wenn die Winkelgeschwindigkeit beider Mahlwalzen identisch ist, aber eine zueinander umgekehrte Rotationsrichtung aufweisen. Zu den Randbereichen der Mahlwalzen oder zu den beiden Enden des Walzenspaltes hingegen, wo die Umfangsgeschwindigkeiten der einander gegenüberliegenden Mantelflächen bei betragsidentischer, aber Umlaufrichtungsunterschiedlicher Winkelgeschwindigkeit unterschiedlich sind, findet zudem ein Schlupf zwischen den Oberflächen der Mahlwalzen statt. An dieser Stelle wird die Zerkleinerung des Mahlguts zusätzlich durch Scherung realisiert. Es hat sich überraschend gezeigt, dass die Zerkleinerung der gröberen Bestandteile von sprödem Mahlgut in bekannter Weise bei scherungsarmer Zerkleinerung besonders effizient ist. Die Mahleffizienz nimmt aber mit kleiner werdendem Korn bei der scherenden Zerkleinerung zu. Ohne Scherung kann das feine Korn ähnlich wie eine Flüssigkeit durch den schmalen Walzenspalt hindurchdringen ohne dabei eine besonders hohe Druckbeanspruchung zu erhalten. Als Folge davon zeigt das feine Mahlgut eine an ein Fließen einer Flüssigkeit erinnerndes Verhalten. Erst die Scherung in diesem Bereich führt dazu, dass die Fließbewegung durch die Scherbeanspruchung in einer weiteren Zerkleinerung endet.
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Durch die konische Form der Mahlwalzen und der damit unter einem Winkel zur Kegelstumpfachse vorliegenden Richtung des Walzenspaltes ist es möglich, den Walzenspaltdruck durch zwei Lageveränderungen einer Loswalze zu beeinflussen. Die aus der Anordnung der Hydraulikstempel bei zylindrischen Mahlwalzen bekannte Bewegung der Loswalze quer zur Rotationsachse der Mahlwalzen kann hier ersetzt werden durch ein axiales Verschieben der Loswalze. In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der mindestens eine Hydraulikstempel axial an der Basis einer kegelstumpfförmigen Mahlwalze angreift.
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Das axiale Verschieben der Loswalze zur Kontrolle und zum Einstellen des Walzenspaltdrucks hat zum einen den großen Vorteil dass der Walzenspalt unter allen Betriebsbedingungen seine Parallelität beibehält und zum anderen, dass nur ein Hydraulikstempel kontrolliert werden muss. Damit entfällt die Notwendigkeit eines Druckausgleiches mit einem weiteren Hydraulikstempel, um sich synchron und mit gleicher Leistung wie der weitere Hydraulikstempel zu bewegen.
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Um die Kraft im Walzenspalt zu kontrollieren und einzustellen, kann vorgesehen sein, dass die Loswalze durch ihre Lagerung axial beweglich ist. Um zu vermeiden, dass bei Passage von nicht zerkleinerbaren Bestandteilen des Mahlguts, wie beispielsweise ein metallischer Baggerzahn, der ungewollt ins Mahlgut fallen kann, die Oberfläche der Mahlwalzen ausbricht, kann in weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Hochdruckrollenpresse vorgesehen sein, dass die Loswalze durch ihre Lagerung quer zur Achse beweglich ist, wobei die Rückstellkraft quer zur Achse höher ist als der Druck, der zur Aufrechterhaltung des Walzenspaltdrucks notwendig ist. Diese Beweglichkeit quer zur Achse ist also nicht primär zur Aufrechterhaltung und Einstellung des Walzenspaltdrucks gedacht, sondern um der Loswalze eine Ausgleichsbewegung zur Passage von nicht zerkleinerbaren Mahlgutbestandteilen zu ermöglichen.
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In den meisten Bereichen des Walzenspaltes findet eine scherende Zerkleinerung statt. Um die Oberfläche der kegelstumpfförmigen Mahlwalzen vor vorzeitigem Verschleiß zu schützen, kann in vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen sein, dass auf der Oberfläche der Mahlwalzen eine Bewehrung mit Hartköpern vorliegt, wobei die Hartkörper aus der Oberfläche der Mahlwalzen herausragen, zwischen denen sich im Betrieb eine autogene Verschleißschutzschicht aus Mahlgut ausbildet.
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Um die mit der Annäherung an den Walzenspaltrand zunehmende scherende Zerkleinerung zu berücksichtigen, kann in weitere vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen sein, dass die Höhe der Hartkörper von der Walzenspaltmitte zum Walzenspaltrand hin abnimmt. Dies hat zur Folge, dass die scherende Beanspruchung mit einem geringeren Hebel auf die aus der Oberfläche der Mahlwalze herausragenden Hartkörper wirkt.
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Die Erfindung wird anhand der folgenden Figuren näher erläutert. Es zeigt:
- 1 eine Ansicht von oben auf eine Anordnung der Mahlwalzen in einer Hochdruckrollenpresse nach der Erfindung,
- 2 die Ansicht aus 1 mit eingezeichneten Abmessungen zur Definition der einzelnen und wesentlichen Bestandteile der erfindungsgemäßen Mahlwalze,
- 3 die Ansicht aus 1 mit eingezeichneten Pfeilen zur Kenntlichmachung, wo ein starker Schlupf im Walzenspalt vorliegt,
- 4 die Ansicht aus 1 mit eingezeichneten Hartkörpern zur Bewehrung.
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In 1 ist eine Anordnung von zwei kegelstumpfförmigen Mahlwalzen 1 und 2 in einer Ansicht von oben dargestellt, wie sie in einer Hochdruckrollenpresse nach der Erfindung vorliegen. Mahlwalzen 1 und 2 sind in korrespondierenden Lagern 3, 4 und 5, 6 gelagert, wobei die Umdrehungsachsen U und U' der beiden Mahlwalzen 1 und 2 antiparallel zueinander ausgerichtet sind. Die Lager 3, 4, 5 und 6 sind wiederum in einem Maschinenrahmen 8 angeordnet, von dem hier nur die unteren Träger zu sehen sind. Die Umdrehungsachsen U und U' sind also antiparallel (paralleler Verlauf, jedoch mit entgegengesetzter Richtung), wobei die Richtungen der Umdrehungsachsen U und U' der Mahlwalzen 1 und 2 von der jeweils größeren Grundfläche G und G' der Kegelstümpfe zu den jeweils kleineren Deckflächen D und D' zeigen. Wie durch die Symbole für die Auflagepunkte in der Zeichnung 1 dargestellt, liegt das Gewicht der Mahlwalzen 1 und 2 in den vier Lagern 3, 4 und 5, 6.
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In 2 sind die kegelstumpfförmigen Mahlwalzen 1 und 2 mit typischen Abmessungen dargestellt. Zwischen sich bilden die beiden Mahlwalzen 1 und 2 einen Walzenspalt W mit einer Walzenspaltbreite w, durch den im Betrieb der Hochdruckwalzenpresse das Mahlgut fällt. Dabei ist die Länge (Arbeitsbreite) des Walzenspaltes W definiert durch den Abstand der beiden Deckflächen D und D' entlang der Richtung des Walzenspaltes W. Innerhalb der Arbeitsbreite a wird das Mahlgut zerkleinert, wobei die Arbeitsbreite a die axiale Nutzbreite n definiert, die kürzer ist als die Rollenbreite r. Wenn durch eine Kraft f eines entsprechend angreifenden Hydraulikstempels die Loswalze (Mahlwalze 2) in axialer Richtung, nämlich wie der Pfeil bei f zeigt, verschoben wird, verringert sich bei einem Hydraulikhub h die Walzenspaltbreite w um den Betrag h'. Durch die kegelstumpfförmige Gestaltung und die Anordnung der Mahlwalzen 1 und 2 ist der Betrag h', um den sich die Walzenspaltbreite w bei Hydraulikhub h ändert, kleiner als der Hydraulikhub h selbst, so dass sich durch die Wegeverkürzung eine Hebelwirkung ausbildet. Die Kraft f eines korrespondierend angreifenden Hydraulikstempels wird also zu Lasten eines längeren Hydraulikhubes h vergrößert.
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In 3 ist durch Pfeile dargestellt, an welcher Stelle der kegelstumpfförmigen Mahlwalzen 1 und 2 eine Druckbeanspruchung d und wo im Walzenspalt W eine Scherbeanspruchung s dominiert. Die Druckbeanspruchung d findet etwa in der Mitte des Walzenspaltes W statt, wo die Umfangsgeschwindigkeiten beider Mahlwalzen 1 und 2 einen gleichen Betrag haben, angedeutet durch gleich große Pfeile. An den beiden Enden des Walzenspaltes findet hingegen eine Scherbeanspruchung s statt, was auf die unterschiedlich hohen Umfangsgeschwindigkeiten der beiden Mahlwalzen 1 und 2 bei betragsidentischer aber vorzeichenverkehrter Winkelgeschwindigkeit der beiden Mahlwalzen 1 und 2 zurückzuführen ist, wobei die unterschiedlichen Umfangsgeschwindigkeiten durch unterschiedlich große Pfeile bei s angedeutet sind.
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In 4 ist schließlich dargestellt, dass die Mahlwalzen 1 und 2 auch eine Bewehrung mit Hartkörpern 7 aufweisen können, um damit im Betrieb eine autogene Verschleißschutzschicht auszubilden. Da an den Rändern der Mahlwalzen 1 und 2 die Scherbeanspruchung recht hoch ist, kann zur Kompensation der seitlichen Krafteinwirkung auf die aus der Oberfläche (Mantelfläche) der kegelstumpfförmigen Mahlwalzen 1 und 2 herausragenden Hartkörper 7 vorgesehen sein, dass diese an den Rändern der Mahlwalzen 1 und 2 unterschiedlich hoch aus der Oberfläche der jeweiligen Mahlwalze 1 und 2 herausragen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Mahlwalze
- 2
- Mahlwalze
- 3
- Lager
- 4
- Lager
- 5
- Lager
- 6
- Lager
- 7
- Hartkörper
- D, D'
- Deckflächen
- G, G'
- Grundflächen
- U, U'
- Umdrehungsachsen
- W
- Walzenspalt
- a
- Arbeitsbreite
- d
- Druckbeanspruchung
- f
- Kraft
- n
- axiale Nutzbreite
- r
- Rollenbreite
- s
- Scherbeanspruchung
- h
- Hydraulikhub
- h'
- Betrag
- w
- Walzenspaltbreite
