DE2629509B2

DE2629509B2 - Verfahren und Vorrichtung zur Feinzerkleinerung inelastischer Materialien

Info

Publication number: DE2629509B2
Application number: DE2629509A
Authority: DE
Inventors: Klaus Prof. Dr.-Ing. 7500 Karlsruhe Schoenert
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1976-06-30
Filing date: 1976-06-30
Publication date: 1979-11-29
Also published as: GB1585614A; BE856253A; FR2356457A1; FR2356457B1; US4359193A; DE2629509C3; NL7707247A; CH628256A5; DE2629509A1; IT1080615B

Description

gekennzeichnet ist, umfaßt folgende wesentliche Verfahrensschritte:

1. Das zu zerkleinernde Material, das in Form von kleinen Partikeln, Fäden, Platten oder Folien vorliegen kann, wird, wenn es nicht von Natur aus ausreichend inelastisch ist, so temperiert, daß es bei einer nachfolgenden Druckbeanspruchung genügend inelastisch, insbesondere fließfähig wird, um in kleine Hohlräume oder Aussparungen gedrängt werden zu können. Diese Temperierung kann vor dem Beanspruchungsvorgang oder während diesem durch Wärmezufuhr und/ oder die zugeführte mechanische Arbeit geschehen.

2. Das ursprünglich inelastische oder das temperierte, sich nun inelastisch verhaltende Material wird in entsprechend der zu erzielenden Feinheit kleine Aussparungen oder Hohlräume durch mechanisch bewirkten Druck gedrängt. Die Aussparungen oder Hohlräume können entweder in der Ober- oder Arbeitsfläche von Mahlwerkzeugen ausgebildet oder durch eine Schüttung von losen, dem Zweck entsprechend geformten und bemessenen Mahlkörpern gebildet sein. Infolge des mechanisch bewirkten Druckes wird das Material in die Aussparungen oder Hohlräume gepreßt, so daß Teilpartikel der gewünschten Größe bzw. Größenverteilung entstehen. Diese Teilpartikel sind fast immer noch durch lamellen- oder stegartige Materialreste verbunden.

3. Während des Verfahrensschrittes 2 oder danach werden die lamellen- oder stegartigen Verbindungen zwischen den Teilpartikeln durch eine Relativbewegung der Teilpartikel gegeneinander zerstört und diese dadurch voneinander isoliert.

4. Teilpartikel und Mahlwerkzeuge oder Mahlkörper werden voneinander getrennt, gegebenenfalls nach einem vorgeschalteten Desintegrationsschritt.

Durch die Verwendung von Mahlwerkzeugen mit Aussparungen, die eine der zu erzielenden Korngrößenverteilung ähnliche Größenverteilung haben, oder durch Verwendung einer Schüttung aus Mahlkörpern mit einer bestimmten Korngrößenverteilung, so daß auch die sich zwischen Mahlkörpern ergebenden, nach außen jeweils offenen Hohlräume eine der zu erzielenden Korngrößenverteilung ähnliche Hohlraumvoiumenverteilung haben, lassen sich nicht nur monodisperse Pulver, sondern auch solche gewinnen, die eine vorbestimmte Korngrößenverteilung aufweisen.

Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eignen sich grundsätzlich bekannte Pressen, wie Walzenpressen, Schneckenpressen, Stempelpressen od. dgl., wobei diese jedoch zweckmäßigerweise den besonderen Erfordernissen der vorgeschlagenen Feinzerkleinerung anzupassen sind.

Bei einer Walzenpresse zur Durchführung des Verfahrens ist vorgesehen, daß in der Arbeitsfläche wenigstens einer der Walzen Aussparungen vorgesehen sind, deren Größe der Größenverteflungen der zu erzielenden Teilpartikel entspricht oder ähnelt. Die Aussparungen können dadurch gebildet sein, daß in den Arbeitsflächen der Walzen Rillen und Nocken vorgesehen sind und die Nocken der einen Walze in die Rillen der anderen Walze eingreifen. Dadurch werden zahnradähnlich in Umfangs- und Achsrichtung kleine Aussparungen im Bereich des Walzen spalts ausgebildet. Die Aussparungen an sich und insbesondere die zwischen den Nocken und Stegen sind vorzugsweise nach außen konisch erweitert, um das Ausstoßen der Teilpartikel zu erleichtern. ^r> Zum Druckbeanspruchen von Gemischen aus Mahlkörpern und Mahlgut können auch Walzenpressen dienen, die glatte Walzen haben oder solche nach Art von Brikettpressen, bei denen in der Arbeitsfläche wenigstens einer Walze Aussparungen vorgesehen

ίο sind, deren Größe zur Bildung von Preßlingen ein Mehrfaches der der zusammen mit dem zu zerkleinernden Material zu beanspruchenden Mahlkörpern ist. Es entstehen so brikettartige Preßlinge aus Mahlkörper und Mahlgut. Um das Zertrennen der gebilde- ten Teilpartikel zu bewirken, sieht die Erfindung vor, die Walzen mit unterschiedlichen Drehzahlen anzutreiben. Auf diese Weise lassen sich auch mit vergleichsweise großen Aussparungen vergleichsweise kleine Teilchen erzielen.

Naturgemäß neigen insbesondere die reinen Mahlgutpartikel dazu, an dex Walzenoberfläche und insbesondere in den ausgebildeten Aussparungen zu haften. Eine Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Walzenpresse sieht daher vor, daß neben den Walzen eine Vorrichtung zum Ausstoßen des in die Aussparungen hineingedrängten Materials vorgesehen ist. Derartige Ausstoßvorrichtungen können als Bürste, als in diese eingreifende Zahnräder mit gerader oder schräger Zahnfläche oder in Form von auf die Aussparungen gerichteten Strahldüsen für Druckgas oder Druckflüssigkeit ausgebildet sein. Es kommen auch andere Ausgestaltungen von Ausstoßvorrichtungen in Frage, wie sie bei Preßgranulatoren und Brikettierwalzen bekannt sind.

Um ein leichtes Einziehen von granulatförmigem Mahlgut in den Walzenspalt zu ermöglichen, ist es zweckmäßig, oberhalb des Walzenspalts einen ausreichend hohen Fallschacht vorzusehen. Für die Zerkleinerung unter Zuhilfenahme von Mahlkörpern ist es in vielen Fällen zweckmäßig, einen Doppelfallschacht aus einem inneren Fallschacht für das Mahlgut und einem äußeren Fallschacht für die Mahlkörper vorzusehen.

Außer Walzenpressen eignen sich auch Schnecken-

pressen für die kontinuierliche Feinzerkleinerung. Die Schneckenspindel kann zylindrisch oder insbes. konisch ausgebildet sein. Eine dem erfindungsgemäßen Verfahren besonders angepaßte Schneckenpresse sieht vor, daß das Gegenlager zur Preßschnecke, also

so das Lager, gegen das die Schnecke das Aufgabegut fördert, nachgiebig abgestützt ist, beispielsweise durch Federn oder durch einen hydropneumatischen Zylinder. Dadurch läßt sich ein bestimmter maximaler Preßdruck im Verdichtungsraum einhalten. Es wer denPreßlinge gebildet, die durch im Austrittsspalt ge genläufig angetriebene ineinander kämmende Stiftoder Nockenkränze zerstört werden, von denen wenigstens einer angetrieben ist Je nach Drehzahldifferenz kann eine mehr oder minder große Auflösung

eo des Preßlings in die einzelnen Mahlgutpartikel und Mahlkörper erfolgen.

Für die Feinzerkleinerung kleinerer Chargen eignet sich auch eine Stempelpresse mit einem Preßkolben und einem Gegenkolben, wobei letzterer nach einem vollendeten Preßhub von der Preßkammer zurückgezogen wird, so daß durch weiteres Vorfahren des Preßkolbens der gebildete Preßling ausgestoßen werden kann. Diese Stempelpresse eignet sich für die

Druckbeanspruchung eines Gemischs aus Mahlkörpern und Mahlgut. Eine Ausgestaltung einer solchen an sich bekannten Stempelpresse zur besonders vorteilhaften Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, daß wenigstens der Gegenkol- ^r> ben drehbar ist und mit in den Preßraum ragenden Scherstiften versehen ist. Dadurch kann eine weitgehende Desintegration des gebildeten Preßlings in der Preßkammer erreicht werden, so daß die anschließende Trennung der Mahlkörper von den gebildeten m Partikeln und die Zerstörung der diese Partikel miteinander verbindenden Stege bereits im Preßraum begonnen werden kann.

Die Erfindung ist mit vorteilhaften Einzelheiten an Ausführungsbeispielen an Hand einer Zeichnung nä- r> her erläutert, in der zeigt

Fig. 1 eine Prinzipskizze verschiedener Stufen der Zerkleinerung eines einzelnen Mahlgutpartikels,

Fig. 2 drei Arbeitsstellungen einer Stempelpresse zur Zerkleinerung von Mahlgutpartikeln in einem >i> Kollektiv mit Mahlkörpern,

Fig. 3 eine Stempelpresse mit Scherstiften am Preßstempel und am Gegenstempel in teilweiser und vollständiger Schließstellung,

Fig. 4 eine Walzenpresse mit profilierten Walzen >^r> zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung, und zwar

Fig. 4a eine Schnittansicht,

Fig. 4b eine Stirnansicht der Preßwalze in vergrößertem Maßstab mit einer Vorrichtung zum Aussto- jo Ben der Teilpartikel,

Fig. 4c eine Draufsicht auf das Preßwalzenpaar,

Fig. 4d eine einer Preßwalze zugeordnete Ausstoßvorrichtung in Form von Strahldüsen,

Fig. 4e einen Teilausschnitt der miteinander kam- η menden Preßwalzen im Bereich des Walzenspalts im achsnormalen und achsparallelen Schnitt,

Fi g. 4 f einen Ausschnitt der miteinander kämmenden Preßwalzen im Bereich des Walzenspalts, wobei diese konische Nocken aufweisen, im achsnormalen und achsparallelen Schnitt,

Fig. 4g ein Walzenpaar im Bereich des Walzenspalts mit ineinandergreifenden Stegen, die achsparallele Bohrungen aufweisen,

Fig. 5 eine Walzenpresse mit Glattwalzen zur Ver- 4^r. arbeitung von Gemischen aus Mahlgutpartikeln und Mahlkörpern und

Fig. 6 eine Schneckenpresse im Längsschnitt.

Fig. 1 zeigt eine Verwirklichungsform des Erfindungsgedankens mit Mahlwerkzeugen in Form von ™ Platten 1 und 1' mit nutenförmigen Aussparungen und stehenbleibenden Stegen in verschiedenen aufeinanderfolgenden Relativstellungen [(a.) 1. öffnungssteilung, (b.) L Schließstellung, (c.) 2. Schließstellung (nach Relatiwerschiebung der Platten), (d.) 2. Öffnungsstellung (vor Ausstoßen der Teilpartikel) und (e.) 3. Öffnungsstellung (nach Ausstoßen der Teilpartikel)] in zwei orthogonalen Ansichten. Beiden Platten 1 und 1' sind gegeneinander und parallel zueinander beweglich. Ein Mahlgutpartikel 2 wird wäh- <,o rend des Schließhubes erfaßt, gedrückt und in mehrere Aussparungen gedrängt. Die entstandenen Teflpartikel 3 in den Aussparungen sind regelmäßig durch lamellenartige Materialreste 4 verbunden, deren Dicke konstruktiv bedingt ist. Diese Lamellen oder Mate- t>5 rialreste werden durch eine Relativbewegung in tangentialer Richtung zerstört. Während des Öffnungshubes oder danach stößt eine Auswurfvorrichtung 5 die nunmehr getrennten Teilpartikel 3 aus den Aussparungen aus. Bei der nutartigen Profilierung der Arbeitsflächen der Mahlwerkzeuge entstehen längliche Teilpartikel. Durch nochmalige Aufgabe mit bevorzugter Ausrichtung quer zu den Aussparungen können die länglichen Teilpartikel in kubische überführt werden.

Fig. 2 dient der Erläuterung der Verwirklichung des Erfindungsgedankens mit Mahlkugeln von etwa gleicher Größe als Mahlwerkzeugen. Eine Mischung von Mahlgutpartikeln 2 und Mahlkugeln 6 befindet sich zunächst lose in einem Preßraum 8(Fig. 2a). Die Kugeln sind kleiner als die Partikel, um einen brauchbaren Zerkleinerungsgrad zu erhalten; das Größenverhältnis kann zwischen 1:3 bis 1:20 liegen und richtet sich nach dem geforderten Zerkleinerungsgrad und nach dem Verformungswiderstand der Partikel, der bei gegebener Größe der Mahlkugeln den aufzubringenden Druck bestimmt. Das Mischungsverhältnis von zu zerkleinerndem Material (Mahlgut) zu Mahlkugeln wird so abgestimmt, daß das Mahlgutvolumen in etwa dem Hohlraumvolumen der Kugelschüttung entspricht. Es kann betriebstechnisch günstiger sein, mit Mahlgutüberschuß zu arbeiten, damit nicht in Teilbereichen Mahlkugelbrücken zwischen Kolben und Widerlager entstehen. Mittels eines Preßkolbens 9 wird die Mischung dann gegen einen Gegenkolben 10 komprimiert, bis eine möglichst dichte Packung der Kugeln vorliegt (Fig. 2b und Einzelheit »A«). Das Mahlgut wird dabei durch die Komprimierung in die Hohlräume zwischen den Kugeln gedrängt. Dabei entstehen Teilpartikel 3, die noch durch stegartige Materialreste 7 zusammenhängen. Dieser Komprimiervorgang produziert eine Art Preßling 12, dessen Zusammenhalt im wesentlichen durch die Kohäsion im Mahlgut, daneben aber auch durch die Haftkräfte zwischen Mahlgut und Mahlkugeln bestimmt wird. Im Extremfall kann sich ein kompakter Preßling 12 mit dem Mahlgut als verbindende Matrix und den Mahlkugeln als Einlagerungen bilden. Nach der Komprimierung wird der Preßling 12 ausgestoßen, durch weiteres Vorfahren des Preßkolbens 9 und Rückfahren des Gegenkolbens 10 (Fig. 2c). Der Preßling 12 wird anschließend durch Prall oder Reibung zerstört; dabei zerreißen die stegartigen Materialreste 7 zwischen den Teilpartikeln 3. In einem nachgeschalteten Trennvorgang werden die Mahlkugeln vom Mahlgut getrennt. Die Trennung kann nach einem der bekannten Trennvei rahren durchgeführt werden,

Fig. 3 zeigt in einer weitgehend offenen (Fig. 3a) und einer weitgehend geschlossenen Stellung (Fig. 3b) eine modifizierte Preßvorrichtung, deren Preßkolben 9 und Gegenkolben 10 drehbar sind und jeweils Scherstifte 14 aufweisen. Ein langsames Drehen des Preßkolbens verhindert die Entstehung von Brücken zwischen den Stiften zwischen Preßkolben und Gegenkolben und bewirkt die Zerstörung der Materialreste und Verbindungen zwischen den Teilpartikeln 3 bereits während des Komprimiervorgangs.

Die dichteste Kugelpackung aus gleich großen Kugeln besitzt Hohlräume zwei verschiedener Größen, nämlich ca. 22% und ca. 42 % des Kugeldurchmessers. Bei einer Fraktion von Kugeln von etwas verschiedener Größe und bei nicht vollkommen Tegelmäßiger Packung entstehen Hohlräume bis zu ca. 50 % des Kugeldurchmessers d. Daraus ergibt sich für den Zerkleinerungsgrad z, wenn dieser als Verhältnis der ma-

ximalen Aufgabepartikelgröße X_11111x zur maximalen Teilpartikelgröße d_mQX = 0,5 d definiert wird, z=2x_max/d. Um ein Mahlprodukt mit einer Korngröße von weniger als 50 μηι zu erzeugen, sind Mahlkugeln mit einem Durchmesser von 100 μίτι einzusetzen.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann in verschiedenen Vorrichtungen realisiert werden. Im folgenden werden drei Möglichkeiten aufgezeigt, die ein kontinuierliches Zerkleinern zulassen.

In den Fig. 4a bis 4g ist eine Walzenpresse mit zwei parallelen profilierten Preßwalzen 16, deren Umfangsgeschwindigkeiten unterschiedlich eingestellt werden können, dargestellt. Die Mahlgutpartikel werden gegebenenfalls in einem Vorwärmer bis zum ineiastischen Verhalten vorgewärmt und fallen über einen trichterförmigen Aufgabeschacht 15 in den Walzenspalt. Jede Walze besitzt Umfangsrillen 17 (Fig. 4b bis 4e) der Tiefe /' und der Breite b' (Fig. 4e). Stege 18zwischen den Rillen 17 haben die Breite b und sind mit konischen eingefrästen Aussparungen 19 der Weite w und der Tiefe t versehen. Diese Aussparungen 19 reichen nicht auf den Grund der Umfangsrillen 17, so daß t kleiner als t' ist. Zwischen den Aussparungen 19 verbleiben Nocken 20 der Länge /,der Breite bund der Höhe t. Beide Preßwalzen 16 sind so justiert, daß die Stege 18 der einen in den Rillen 17 der anderen Walze laufen und die Stege so tief eintauchen, daß ihre Oberkante jeweils unterhalb der Aussparungssohle verläuft. Das zugeführte Mahlgut in Form von Partikeln 2 oder Folien wird während des Einzugs in mehrere Aussparungen 19 beider Preßwalzen 16 gedrückt; es entstehen Teilpartikel 3, die die Nuten ganz oder teilweise ausfüllen. Infolge der Differenzbewegung zwischen den Preßwalzen 16 werden die Verbindungslamellen zwischen den Teilpartikeln zerstört. Um dies zu gewährleisten, muß der Differenzweg zwischen der Überschneidung mindestens die Größe (w+ 1) haben. Als Ausstoßvorrichtungen dienen Zahnräder 21 oder mitrotierende Bürsten 22 oder Stößel, wie sie an Zahnradgranulatoren oder Brikettierwalzenpressen üblich sind. Das Ausstoßen kann auch durch Druckluft oder Druckflüssigkeit geschehen, die aus seitlich angeordneten Düsen 23 (Fig. 4d) ausströmt. Bei manchen Materialien genügt es, die Nuten mit einer benetzenden Flüssigkeit, z. B. Wasser oder Methanol, einzusprühen, damit die Fliehkraft allein ausreicht, um die Teilpartikel auszuwerfen. Diese Methode wird durch eine konische Form der Nuten begünstigt. Weite und Tiefe der Aussparungen 19 können genauso groß wie die Breite b der Stege 18 sein, also w = f = b; es sine' auch verschiedene Abmessungen möglich, also w + b, 14= b und κ- φ /; auch andere Formen der Aussparungen sind möglich. Eine Walze kann Rillen und Aussparungen verschiedener Abmessungen, also z.B. 6j<fe₂<6₃ u. s.f. sowie ij<f₂<f₃ u. s. f., und unterschiedlicher Formen haben, so daß ein Partikelkollektiv mit unterschiedlich großen und geformten Partikeln entsteht, falls eine derartige Produktspezifikation gefordert wird.

Eine andere Ausbildung der Prqfiliening zeigt Fig. 4f. Rillen und Stege sind radial konisch. Bei ebenfalls konischen Flanken der Nocken erhalten die Aussparungen eine Form, die das Auswerfen der Teilpartikel begünstigt. Die Preßwalzenapparatur kann auch so betrieben werden, daß die Teilpartikel bei nachfolgenden Umdrehungen von neu eingespeisten Mahlgutpartikeln seitlich herausgedrückt werden. Da beide Walzen mit verschiedenen Umfangsgeschwindigkeiten rotieren, schneiden die Nocken der anderen Walze die sich herausschiebenden Teilparti-" > kel in Teile; es entsteht ein Kollektiv von Partikeln verschiedener Größe bis herab zu einem Zehntel oder Zwanzigstel der Größe der Aussparungen. Bei dieser Betriebsweise können auch Preßwalzen eingesetzt werden, deren Stege 18 zwischen den Rillen achspar-

i'i allele Bohrungen 24 erhalten (Fig. 4g).

Nockenwalzen können mit Partikeln beschickt werden, deren lineare Abmessungen bis zu zehnmal größer sind als die Abmessungen der Aussparungen. Aus konstruktiven Gründen liegt die untere Grenze

r> von Ausfräsungen bei ca. 0,3 mm X 0,3 mm. Als untere Grenze für Bohrungen kann 0,1 mm angesehen werden.

In Fig. 5 a ist eine Walzenpresse dargestellt, bei der eine Mischung aus Mahlgut 2 und Mahlkugeln 6 zwi-

·?<> sehen zwei rotierenden glatten Preßwalzen 28 gepreßt wird. Die Mischung, die gegebenenfalls in einem Vorwärmer zunächst auf eine ein vorwiegend inelastisches Verhalten des Mahlguts sicherstellende Temperatur vorzuwärmen ist, wird über einen Fallschacht 29 ent-

2> sprechender Höhe von oben in den Walzenspalt 34 zugeführt und tritt mit einer Geschwindigkeit ein, die etwa der Walzenumfangsgeschwindigkeit entspricht. Eine Walze ist beweglich angeordnet und wird mittels vorgespannten Federn 30 oder hydraulisch gegen ei-

!» nen Anschlag 31 gepreßt. Mahlgut und Mahikugein können entweder als Mischung (Fig. 5a) oder auch schichtweise (Fig. 5b) zugegeben werden, indem die Mahlgutteilchen 2 durch einen inneren Fallschacht 32 und die Mahikugein 6 durch einen äußeren FaIlschacht 33 eingespeist werden, so daß zu beiden Seiten des Mahlgutes die Mahlkugeln dem Walzenspalt zustreben. Bei folien- oder plattenartig geformten Mahlgutteilchen ist diese unterteilte Art der Aufgabe ebenfalls sinnvoll. Im Walzenspalt 34 wird die Mi-

-1» schung kompaktiert und dabei das Mahlgut in die Hohlräume zwischen den Mahlkugeln 6 gedrängt. Es entstehen fladenförmige Preßlinge 35, die anschließend zerstört werden müssen. Mahlgut und Mahlkugeln werden nach der Aufteilung mittels Siebung,

•π Windsichtung oder Magnetscheidung voneinander getrennt. Es kann auch eine Kombination der Trennverfahren benutzt werden.

Die Größe der Hohlräume zwischen den Mahlkugeln hängt von deren Größe und Form ab. Durch Va-

->o riation der Größenzusammensetzung der Mahlkugeln bzw. deren Form läßt sich eine gewünschte Partikelgrößenverteilung des Mahlprodukts einstellen. Mit Kugein von 100 um Durchmesser lassen sich Kollektive zwischen 10 um und 60 μπι erzeugen.

An Stelle von Mahlkugeln können auch Zylinderabschnitte oder unregelmäßig geformte Mahlkörper eingesetzt werden.

Eine Mischung aus Mahlgutteilchen 2 und Mahlkörpern 6 kann auch in einer Schneckenpresse kom- primiert werden, wie sie Fig. 6 zeigt Eine Preßschnecke (Schneckenspindel) 38 fördert die Mischung gegen ein nachgiebiges Gegenlager 39, das mittels Federn 40 in axialer Richtung nach oben gedrückt wird. Damit läßt sich ein fest vorgegebener maximaler

Druck im Preßraum einstellen. Das Gegenlager 39 weicht entsprechend der Förderleistung der Schnecke und des eingestellten Drucks nach unten aus, so daß die Mahlgut-Mahlkörper-Mischung radial durch ei-

nen Austrittsspalt 37 austreten kann. Die Welle 41 der Preßschnecke 38 ist im Preßraum zwischen dieser und dem Austrittsspalt 37 mit einem Scherstift 42 bestückt, der mitrotiert. Entstehende Brücken aus Mahlkörpern 6 und Mahlgut werden zerstört sowie der Mischung eine Relativbewegung aufgeprägt, welche die Trennung der Teilpartikel voneinander unterstützt. Das Gegenlager 39 rotiert ebenfalls und besitzt weiter außen im horizontalen Austrittsspalt 37 einen Kranz von Scherstiften 43, in deren Nachbarschaft ein weiterer Scherstiftkranz 44 am Gehäuse 45 der Schneckenpresse angebracht ist, mit dem der Kranz 43 kämmt. Diese Scherstifte haben die Aufgabe, den Preßkuchen zu zerstören, damit die nachfolgende Trennung von Mahlgut und Mahlkörpern möglich wird. Entsprechend des Bedarfs kann die Schnecken-

presse auch mit mehr als zwei Scherstiftkränzen bestückt werden. Das Schneckengehäuse 45 und das Gegenlager 39 besitzen gegebenenfalls Kanäle 46 für Kühl- bzw. Heizflüssigkeiten, um die Temperatur im Preßraum auf dem verfahrenstechnisch optimalen Punkt zu halten.

Beispielsweise ist für die Zerkleinerung von Hochdruckpolyäthylen-Granulat auf ein Produkt mit einer Partikelgröße von 100%<25Ομιη, 50%<150μπι und 30% < 100 μΐη ein Arbeitsbedarf von ca. 50 bis 80 kWh/t notwendig. Erfindungsgemäße Vorrichtungen von einer Größe der üblicherweise eingesetzten Prallmühlen erreichen dabei Durchsätze bis zu 200 kg/h. Bei der Prallmahlung liegt der Arbeitsbedarf dagegen über 500 kWh/t, die Durchsätze sind kleiner als 50 kg/h.

Hierzu 9 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur-Feinzerkleinerung von inelastiscfaen Materialien und von Materialien, die vor oder während des Zerkleinerungsvorgangs durch Wärmezufuhr und/oder durch Zufuhr und Umwandlung mechanischer Energie in Wärme in einen Zustand inelastischen Verhaltens gebracht werden, dadurch gekennzeichnet, daß das zu zerkleinernde Material zunächst durch eine Druckbeanspruchung in Aussparungen oder Hohlräume gedrängt wird, deren Abmessungen auf die zu erzielende Feinheit abgestimmt sind, und daß während oder nach diesem Vorgang die Materialreste, welche die Teilpartikeln noch verbinden, durch Relativbewegungen der Teilpartikeln zerstört werden und die Teilpartikeln aus Aussparungen und Hohlräumen entfernt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge- M kennzeichnet, daß das zu zerkleinernde Material in Aussparungen gedrängt wird, die in den Arbeitsflächen von die Druckbeanspruchung aufbringenden Mahlwerkzeugen ausgebildet sind.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das zu zerkleinernde Material in Aussparungen unterschiedlicher Größe und/ oder Form gedrängt wird, deren Größenverteilung und/oder Form der der zu erzielenden Teilchenpaitikeln-Größenverteilung und/oder -form ent- w spricht.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zu zerkleinernde Material in Hohlräume einer Schüttung aus Mahlkörpern größerer Festigkeit als das zu zerkleinernde Mate- r> rial, insbesondere nach vorheriger Mischung mit den Mahlkörpern, gedruckt und nach Entfernung aus den Hohlräumen von den Mahlkörpern getrennt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das zu zerkleinernde Material und die Mahlkörper vor der Beanspruchung schichtweise angeordnet werden.

6. Verfahren nach Anspruch 4 oder S, dadurch gekennzeichnet, daß das zu zerkleinernde Material v> in die Hohlräume einer Schüttung aus Mahlkörpern unterschiedlicher Größe gedrängt wird, die eine Hohlraumvolumenverteilung bilden, die der zu erzielenden Teilchengrößenverteilung entspricht oder ähnelt. w

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die die Mahlgutteilpartikeln verbindenden Materialreste durch eine Prallbeanspruchung oder durch eine Druck-Schubbeanspruchung des Gemische in Form eines Preßlings aus Mahlkörpern und Mahlgut zerstört werden.

8. Walzenpresse zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in der Arbeitsfläche wenigstens einer Walze μ (16) Aussparungen (19) vorgesehen sind, deren Größe der der zu erzielenden Teilpartikeln entspricht (Fig. 4).

9. Walzenpresse nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Aussparungen (19) eine Größenverteilung aufweisen, die der der zu erzielenden Feinheit entspricht.

10. Walzenpresse nach Anspruch 8, dadurch

gekennzeichnet, daß in den Arbeitsflächen der Walzen (16) Rillen (17) und Nocken (2t) vorgesehen sind und die Nocken der einen Walze in die Rillen der anderen Walze eingreifen.

11. Walzenpresse nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Aussparungen (O) zwischen den Nocken (20) und die Rillen (17) sich nach außen konisch erweiternd ausgebildet sind.

12. Walzenpresse zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß in der Arbeitsfläche wenigstens einer Walze (16) Aussparungen (19) vorgesehen sind, deren Größe zur Bildung von Preßlingen ein Mehrfaches der Größe der zusammen mit dem zu zerkleinernden Material (2) zu beanspruchenden Mahlkörpern (6) ist.

13. Walzenpresse nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Walzen (16) mit unterschiedlichen Drehzahlen antreibbar sind.

14. Walzenpresse nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß neben den Walzen (16) eine Vorrichtung zum Ausstoßen (21, 22) des in die Aussparungen (19) hineingedrängten Materials vorgesehen ist

15. Walzenpresse nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausstoßvorrichtung an den Walzen (16) angreifende, mitrotierende Bürsten (22) aufweist.

16. Walzenpresse nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausstoßvorrichtung in die Aussparungen (19) eingreifende Zahnräder (21) mit geraden oder schrägen Zahnflächen aufweist.

17. Walzenpresse nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausstoßvorrichtung in die Aussparungen gerichtete Strahldüsen (23) für Druckgas oder Druckflüssigkeit aufweist

13. Walzenpresse nach einem der Ansprüche 8 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß oberhalb des Walzenspalts (34) ein Fallschacht (29) vorgesehen ist.

19. Walzenpresse nach einem der Ansprüche 10 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß oberhalb des Walzenspalts (34) ein Doppelfallschacht aus einem inneren Fallschacht (32) für das zu zerkleinernde Mahlgut (2) und wenigstens einem äußeren Fallschacht (33) für die Mahlkörper (6) vorgesehen ist.

20. Schneckenpresse zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Gegenlager (39) zur Preßschnecke (38) nachgiebig abgestützt ist

21. Schneckenpresse nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß zur Zerstörung des gebildeten Preßlings im Austrittsspalt (37) ineinander kämmende Stift- oder Nockenkränze (43,44) vorgesehen sind, von denen wenigstens einer angetrieben ist.

22. Schneckenpresse nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß auf der dem Austrittsspalt (37) zugewandten Seite der Preßschnecke (38) radial abstehende Scherstifte (42) auf der Schneckenwelle (41) vorgesehen sind.

23. Stempelpresse mit einem Preßkolben und einem Gegenkolben zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens der Gegen-

kolben (10) drehbar ist und mit in den Preßraum (8) ragenden Scherstiften (14) versehen ist (Fig. 3).

Mahlgutpartikel vieler feinzuzerkleinemder Materialien verformen sich bei großen Beanspruchungen, ι ο wie sie insbesondere bei Druck-, Schub- bzw. Prallbeanspruchungen in Zerkleinerungsmaschinen auftreten, praktisch inelastisch. Dies gilt für

- Materialien, die bereits bei Normaltemperatur eine niedrige Fließgrenze besitzen, wie z. B. viele Polymere und hier insbes. die thermoplastischen Polymere (Polytetrafluoräthylen, Polyäthylen, Polypropylen, Polyamid u. a. m.), organische Chemikalien sowie plastische Metalle (z. B. Kupfer),

- Materialien, die sich zwar bei Normaltemperatur und niedrigen Beanspruchungen überwiegend elastisch verhalten, jedoch infolge der Beanspruchung erwärmen und verstärkt inelastisch reagieren, z. B. Polystyrol, Polymethylmethacrylat,

- Materialien, die unter hohen Drücken plastifizierbar werden, z. B. Alkalihalogenide.

Als inelastische Materialien gelten solche, in deren Kraft-Verformungs-Diagramm eines Be- und Entlastungsvorgangs sich die Belastungs- und die Entla- to stungskurve nicht decken. Die erstere verläuft flacher als die Entlastungskurve. Die von beiden Kurven umschriebene Fläche ist ein Maß für die inelastische Verformung. Im Gegensatz dazu ergeben sich bei elastischen Materialien deckende Belastungs- und Entla- js stungskurven. Es lassen sich zwei Erscheinungsformen der Inelastizität unterscheiden: viskoses Fließen und plastisches Verformen. Welche der beiden überwiegend das Materialverhalten bestimmt, hängt vom molekularen Aufbau des Stoffes sowie bei einem gegebe- nen Stoff von Temperatur, Geschwindigkeit und Intensität der Beanspruchung ab. Mit Zunehmen der Temperatur bzw. mit Abnehmen der Belastungsgeschwindigkeit verstärkt sich das inelastische Verhalten.

Es gilt die allgemeine Tendenz, daß mit Abnehmen der Korngröße die Fähigkeit von Mahlgutpartikeln, ein inelastischcs Verhalten zu zeigen, sich also inelastisch zu verformen, verstärkt wird. Dies gilt insbesondere bei Partikelgrößen unter 1 mm. Bei der Feinzer- kleinerung verhalten sich deshalb Mahlgutpartikel auch jener Materialien praktisch inelastisch, die man üblicherweise zu den elastischen oder nur schwach inelastischen rechnet.

Ein inelastisches Materialverhalten erschwert die Zerkleinerung vieler Stoffe, insbesondere zäher Stoffe, beträchtlich. Daher lassen sich viele Materialien der obengenannten Gruppen im Korngrößenbereich unterhalb 1 mm nur schwierig zerkleinern.

Der Stand der Technik weist zur Überwindung die- w ser Schwierigkeiten folgende Wege:

- Reduzieren der Inelastizität durch Beanspruchung mit großen Verformungsgeschwindigkeiten und/oder Abkühlen, um die Sprödbmchentwicklung zu fördern (Verspröden der Partikel), d. h. die überwiegend elastische Verformung des Körpers bis zum Brach zu bewirken,

- eine ausgeprägte Scherbeanspruchung, wie sie an

Kanten und Schneiden realisiert werden kann (Schneiden der Partikel).

Große Verformungsgeschwindjgkeiten werden in Prallmühlen aller Art und in Luftstrahlmühlen eireicht. Diese Mühlen können mit großem Luft- bzw. Gasdurchsatz betrieben werden, was die Kühlung des Mahlgutes erleichtert. Prallmühlen eignen sich deswegen besonders für die Feinmahlung von inelastischen Stoffen. Bei sehr ausgeprägtem inelastischen Verhalten muß die Versprödung durch Abkühlen mittels Flüssiggas, z. B. flüssigem Stickstoff, geschehen. Die Zerkleinerung erfolgt in Kaltmahlanlagen, die mit Mühlen aller Arten ausgerüstet sein können, z. B. Prallmühlen, Scheibenmühlen, Schwingmühlen u.dgl.

Eine ausgeprägte Scherbeanspruchung an Kanten und Schneiden wird bei Schneidmühlen, Schneidgranulatoren, Scheibenmühlen und auch bei Prallmühlen mit profilierten Mahlwerkzeugen realisiert Schneidmühlen und Schneidgranulatoren eignen sich insbesondere zur Herstellung von Partikeln, deren Größe über einem Millimeter liegt. Scheibenmühlen und Prallmühlen mit profilierten Mahlwerkzeugen werden zur Mahlung bis herab zu Korngrößen von 200 μπι und bestenfalls 100 um eingesetzt.

Der Energiebedarf der Feinmahlung inelastischer Stoffe oder sich bei der Zerkleinerung inelastisch verhaltender Stoffe ist erheblich und liegt je nach Stoff und Feinheit zwischen 50 und 1500 kWh/t. Die Durchsatzleistungen sinken bei einer gegebenen Mühle erheblich, wenn größere Feinheiten produziert werden sollen, so bei Kunststoffen z. B. um 80%, wenn die maximale Korngröße des Fertiggutes von 800 um auf 200 um reduziert werden soll. Bei sehr inelastischen Stoffen erreicht man für diese Feinheiten mit Mühlen üblicher Baugröße häufig nur Durchsätze zwischen 10 und 40 kg/h.

Von besonders ausgeprägten inelastischen Materialien, z. B. Polyäthylen, Polytetrafluoräthylen, Polypropylen und Kupfer, lassen sich Partikeln unter 50 μπι fast nicht durch Zerkleinerung herstellen; Pulver dieser Feinheit gewinnt man durch Ausfällen aus Lösungen oder Versprühen aus Schmelzen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und Vorrichtungen zum Feinzerkleinern von inelastischen Materialien, d. h. zum Zerkleinern auf mittlere volumenbezogene Partikelgrößen von etwa 10 um bis 2 mm, insbesondere 10 bis 500 μπι, zu schaffen, mit welchen sich insbesondere die genannten Materialien mit geringeren Schwierigkeiten und niedrigerem maschinellen Aufwand sowie Energiebedarf und/oder mit gleichem Energiebedarf auf größere Feinheiten als bisher zerkleinern lassen, ohne daß es einer aufwendigen Kaltmahlung bedarf.

Zur Lösung dieser Aufgabe basiert das Verfahren zur Zerkleinerung von inelastischen Materialien der eingangs aufgezählten Stoffgruppen im Gegensatz zu den bisherigen Zerkleinerungsverfahren nicht auf der Förderung des elastischen Verhaltens bis zur Sprödbruchentwicklung, sondern unmittelbar auf der inelastischen Verformbarkeit der Materialien oder auf deren Förderung, die dazu ausgenutzt wird, um das zu zerkleinernde Material durch eine Art Formgebung in kleinere weitgehend zusammenhängende Teilpartikel aufzuteilen und diese dann voneinander in Einzelpartikel zu trennen.

Das Verfahren gemäß der Erfindung, das mit vorteilhaften Ausgestaltungen in den Ansprüchen 1 bis