2.2 Grundbegriffe der Zerkleinerung

Zerteilungsprozesse sind in der Baustoff- und Lebensmittelindustrie, der chemischen sowie der keramischen Industrie und auch bei der Aufbereitung von mineralischen Rohstoffen von großer Bedeutung. Durch das Überschreiten der inneren Bindungskräfte der Ausgangskörnung bewirkt das Zerkleinern disperser fester Stoffe prinzipiell die Entstehung kleinerer Körner. Ziel der Zerkleinerung ist es, bestimmte Eigenschaften des Materials für die weitere Verarbeitung bzw. Anwendung in gewünschter Weise zu verändern. Resultierend aus unterschiedlichen Verwendungszwecken der Zerkleinerungsprodukte und verschiedenen Nachfolge-Prozessen werden die Funktionen der Zerkleinerung in folgende Gebiete unterteilt.

‹ Erzeugen von bestimmten Partikelgrößen bzw. Partikelgrößenverteilungen oder Kornformverteilungen;

‹ Vergrößerung der spezifischen Oberfläche zur Ermöglichung bzw. Beschleunigung von physikalischen und chemischen Reaktionen;

‹ Aufschließen von heterogenen Stoffen für eine nachfolgende Trennung;

‹ Strukturänderungen und chemische Reaktionen.

Für die Aufbereitung fester mineralischer Rohstoffe sind nur die ersten drei Gesichtspunkte von Bedeutung. Die Herstellung eines grobdispersen Produkts mit einem SAUTER-Durchmesser > 0,1 mm wird als Brechen bezeichnet. Wird ein feindisperses Produkt mit einem SAUTER-Durchmesser < 0,1 mm hergestellt, spricht man vom Mahlen. Dabei werden die zwischen den Körnern wirkenden Massen- und elektrostatischen Kräfte überwunden [8].

2.2.1 Bruchvorgänge

Bei der mechanischen Zerkleinerung werden an den Kontaktstellen äußere Kräfte eingeleitet, wodurch die Körner verformt bzw. infolge von Spannungen die atomaren Bindungskräfte zwischen den Partikeln überwunden werden. Verformungen unterscheiden sich in ihrem elastischen, plastischen und viskosen Verhalten. Sehr wenige reale Materialien verhalten sich jedoch streng nach einem der drei Grenzfälle. Aufgrund der Tatsache, dass in realen Festkörpern keine idealen Gitter vorliegen und makroskopische bis submikroskopische Baufehler vorhanden sind, liegt die reale Festigkeit der Körnung sehr viel niedriger als die theoretische Bruchspannung. An den Inhomogenitätsstellen treten Spannungsspitzen auf, an welchen der Bruch des Körpers beginnt und sich weiter ausbreitet. Aber auch durch mechanische Beanspruchungen werden submikroskopische Risskeime gebildet. Dieses Stadium der Rissbildung tritt ausschließlich bei der Zerkleinerung von sehr feinen Teilchen auf, die frei von Inhomogenitäten sind. Im Anschluss an die Risseinleitung vergrößert sich der Riss bis hin zum Bruch. Anhand der Rissausbreitungsart wird in Sprödbruch und Zähbruch unterschieden. Generell ist ein verformungsloser bzw. –armer Sprödbruch anzustreben und bei der Zerkleinerung mineralischer Rohstoffe meist auch tatsächlich vorhanden. Zur Auslösung eines Sprödbruches sind grundsätzlich immer elastische Zugspannungen nötig [14].

2.2.2 Mikroprozesse der Zerkleinerung

Die Auseinandersetzung mit zerkleinerungstechnischen Mikroprozessen befasst sich mit der Aufklärung von Zusammenhängen zwischen Beanspruchung und Zerkleinerungsergebnis. Dabei werden einzelne Körner oder Mehrkornanordnungen unter definierten Bedingungen beansprucht und zerkleinert. Besonderes Interesse gilt:

-der Beanspruchungsart,

-der Geschwindigkeit der Beanspruchung,

-der Beanspruchungsintensität (Kraft bzw. Energie)

2 Theoretische Grundlagen

2.2 Grundbegriffe der Zerkleinerung - 11

sowie in Bezug auf Zerkleinerungsergebnisse:

-der Bruchwahrscheinlichkeit oder den Bruchanteil der Körner unter

schiedlicher Form und Größe,

-der Korngrößenverteilung der Bruchstücke,

-dem energiebezogenen Oberflächenzuwachs.

Die für die Zerkleinerungstechnik relevanten Beanspruchungsarten sind die nach RUMPF [14] abgegrenzten Beanspruchungen an einer Festkörperfläche bzw. zwischen zwei Festkörperflächen. Beanspruchungen ohne Festkörperflächen und thermische Beanspruchungen spielen in der Aufbereitungstechnik nur eine untergeordnete Rolle. Die bedeutsame Beanspruchung zwischen zwei Festkörperflächen gliedert sich in die Beanspruchung durch Druck, Scherung und Schlag. Kennzeichnend für die Druckbelastung ist eine relativ geringe Beanspruchungsgeschwindigkeit zwischen 0,1 und 5,0 m/s, welche bei den meisten Brechern und Trommelmühlen anzutreffen ist. Bei der Scherung ist das Mahlgut zwischen den Arbeitsflächen, die eine Relativbewegung zueinander ausführen, eingespannt. Hierzu zählt auch die Abriebwirkung zwischen den Drehbewegungen ausführenden Mahlkörpern in Trommelmühlen. Charakteristisch für die Beanspruchung durch Schlag ist die relativ hohe Beanspruchungsgeschwindigkeit, beispielsweise von fallenden Mahlkörpern in Trommelmühlen. Die Prallbeanspruchung an einer Festkörperfläche tritt nur bei sehr hohen Geschwindigkeiten auf. Bei der Grob- und Mittelzerkleinerung sind für einen Bruch der Körner 20 bis 60 m/s vonnöten. Für die Fein- und Feinstzerkleinerung sind mit sinkender Feinheit des Mahlgutes noch wesentlich höhere Geschwindigkeiten erforderlich. Die Prallbeanspruchung ist für das Mahlen mit Trommelmühlen nur von geringer Bedeutung.

In Trommelmühlen sind die Beanspruchungen zwischen zwei Festkörperflächen vorherrschend (Abb.2). Die Ereignisse der Druck-, Scher- bzw. Schlagbeanspruchungen in Trommelmühlen überlagern sich und sind u.a. von der Kinematik der Mühlenfüllung abhängig.

Großen Einfluss auf das Ergebnis der Mahlproduktfeinheit und Korngrößenverteilung besitzen primäre und sekundäre Bruchereignisse als Folge unterschiedlicher Beanspruchungsintensitäten. Den bei der Druckbeanspruchung primären Bruchereignissen folgen sekundäre Brüche, welche einen höheren Feingutanteil bewirken. Diese Bruchphänomene treten bei Stahlkugeln und unregelmäßig geformten Körpern auf, wenn infolge der primären Brüche plötzlich lokale Spannungswechsel auftreten, die zu Materialschwingungen und eventuell zu Sekundärrissen führen (siehe Abb. 2a).

2 Theoretische Grundlagen

2.3 Prozessparameter von Mahlkörpermühlen - 12

SCHUBERT [18] u.a. gliedern die Zerkleinerungsereignisse mit zunehmender Beanspruchungsintensität nach Zertrümmern, Abbröckeln und Abrasion. Bild 2b zeigt deutlich die Unterschiede in den entstehenden Korngrößen und Korn

Abbildung 2: Bruchphänomene: a) bei Druckbeanspruchung, b) durch unterschiedl. Beanspruchungsintensitäten

2.3 Prozessparameter als Einflussgrößen von Mahlkörpermühlen

Im folgenden Kapitel wird die Komplexität des Aufbereitungsprozesses „Mechanisches Zerkleinern" mit Hilfe von Trommelmühlen veranschaulicht. Auf für die Arbeit bedeutende Prozessgrößen und Stoffeigenschaften wird im Anschluss an die Zusammenfassung der Einflussgrößen näher eingegangen.

‹ Parameter von Mahlkörpermühlen: Mühlentyp, -abmessung, -drehzahl, Mühlenpanzerungsart, Spaltweite, Mahlkörperart, -menge, -füllungsgrad, Gattierung, Kinematik der Mühlenfüllung.

‹ Verfahrenstechnische Prozessgrößen: Atmosphäre: Nass- Trockenverfahren, kontinuierliche bzw. diskontinuierliche Mahlung, Durchsatzmenge bei Durchlaufmahlung, Mahldauer bei Chargenmahlung.

‹ Zerkleinerungstechnische Stoffeigenschaften: Mahlbarkeit (siehe Kapitel4), Korngrößenverteilung des Aufgabegutes, Mahlguttemperatur, Agglomeratbildung des Mahlguts, Einsatz und Wirkung von Mahlhilfsmitteln.