2 Theoretische Grundlagen

2.3 Prozessparameter von Mahlkörpermühlen - 13

2.3.1 Zerkleinerungstechnische Stoffeigenschaften

2.3.1.1 Einfluss der Aufgabekorngröße auf Bruchereignisse

Bei Stoffen mit makroskopisch sprödem Verhalten, wie dem Zementklinker, treten mit abnehmender Korngröße der beanspruchten Körner zunehmend plastische Verformungen auf. Ursache ist eine Verringerung an Inhomogenitätsstellen mit zunehmender Feinheit. Die Korngröße, unter der schließlich nur noch plastische Verformungen auftreten, wird als Mahlbarkeitsgrenze bezeichnet. STEIER und SCHÖNERT ermittelten experimentell die Mahlbarkeitsgrenzen für Quarz mit etwa 1 µm und für Calcit mit 3 bis 5 µm [24]. In erzeugten Mahlprodukten sind jedoch auch feinere Körnungen vorhanden, die aus den Bruch- und Beanspruchungszonen der Sekundärbrüche stammen (Abb. 2a). Die Wahrscheinlichkeit des Eintretens charakteristischer Bruchereignisse ist von der einwirkenden Energie bei gegebener Teilchengröße abhängig. Diese Bruchwahrscheinlichkeit stellt die Anteile an gebrochenen Körnern in Abhän

gigkeit von der Beanspruchungskraft dar.

Abbildung 3: Bruchwahrscheinlichkeit in Abhängigkeit von der massebezogenen Druckkraft für Zementklinker verschiedener Ausgangskorngröße

In Abbildung 3 sind die Bruchwahrscheinlichkeitsverteilungen für die Druckbeanspruchung von Zementklinker bei verschiedenen Ausgangskorngrößen dargestellt. Die von MAY durch Versuche gewonnenen Ergebnisse zeigen, dass beim Vergleich der Kurven mit abnehmender Aufgabekorngröße deutlich eine Festigkeitszunahme erkennbar ist. Weiterhin nimmt die Bruchwahrscheinlichkeit unabhängig von der Aufgabekorngröße mit steigender Druckkraft zu. Auch für andere Materialien wurden ähnliche qualitative Zusammenhänge ermittelt.

Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass die Ausgangskorngröße bei konstanter Beanspruchung des Aufgabegutes sowohl die entstehenden Verformungen bzw. Spannungen als auch die Bruchwahrscheinlichkeit beeinflusst.

2 Theoretische Grundlagen

2.3 Prozessparameter von Mahlkörpermühlen - 14

2.3.1.2 Begrenzung der Produktkorngröße durch Mahlgutverdrängung

Ähnlich wie auch in Rührwerkskugelmühlen findet die Zerkleinerung in Trommelmühlen zwischen Mahlkugeln bzw. Mahlkugeln und Mahlraumwand statt. Untersuchungen des Instituts für Mechanische Verfahrenstechnik an Rührwerkskugelmühlen ergaben, dass die Annäherung der am Stoß beteiligten Partner zur Verdrängung des dazwischen befindlichen Materials führt. Bild 4 zeigt eine schematische Darstellung der Partikelbahnen, welche mit optischen Strömungsmesstechniken ermittelt wurden. Diese Verdrängungsströmung kann Mahlgutpartikel mitreißen und diese aus dem sogenannten zerkleinerungsaktiven Volumen abtransportieren. Je kleiner die Partikelkorngröße ist, desto besser folgen die Partikel der Strömung. Diese Ergebnisse lassen vermuten, dass neben dem Beanspruchungsverhalten der Körnung auch die Verdrängungsströmung die untere Grenze Feinstzerkleinerung

beeinflusst.

Abb. 4: Partikelbahnen [29]

Die für die mechanische Zerkleinerung bedeutsamen Stoffeigenschaften, z.B. die Mahlbarkeit, Korngrößenverteilung und chemische Zusammensetzung, werden im Kapitel 3 „Charakterisierung des Aufgabematerials“ behandelt.

2.3.2 Parameter von Mahlkörpermühlen

2.3.2.1 Kinematik der Mühlenfüllung

Einen entscheidenden Einfluss auf die Mahlwirkung besitzt die Kinematik der Mühlenfüllung, welche die Bewegungszustände im Mühlenraum beschreibt. Die Bewegungszustände sind von der Mühlendrehzahl, dem Profil der Mühlenpanzerung, dem Mahlkörperfüllungsgrad, der Mahlkörperart bzw. -größe und dem Fliessverhalten des Mahlgutes abhängig.

2 Theoretische Grundlagen

2.3 Prozessparameter von Mahlkörpermühlen - 15

Für den Vergleich von Kugelmühlen und zur Charakterisierung der Mahlkörperbewegung wird die relative Drehzahl ? herangezogen. Trommelmühlen werden im Drehzahlbereich von ?= 0,6 – 0,8 betrieben. Die relative Drehzahl der untersuchten Mühle befindet sich mit ? = 0,685 im Wertebereich.

n 32,0?===0,685

n krit 46,7

a) Kaskadenbewegung b) Kataraktbewegung

Abbildung 5: Mahlkörperbewegungsformen in Trommelmühlen

Mit Annäherung der Drehzahl an die kritische Drehzahl ändern sich die Bewegungszustände im Mühleninneren. Im Fall der Kaskadenbewegung (Abb. 5a) ist die Drehzahl gerade so groß, dass die Mahlkörper auf der Oberfläche der Füllung abrollen und im Inneren der Mahlkörperfüllung gegenseitige Verschiebungen und Rollbewegungen vorkommen. Diese Druck- und Gleitbeanspruchung eignet sich besonders für die Feinzerkleinerung. Steigt die Drehzahl an, so dass sich die Mahlkörper von der Wandung ablösen und im freien Fall durch das Mühleninnere fallen, spricht man von Kataraktbewegung (Mahlkörperwurf, Kugelfall, Abb. 5b). Dabei treten zusätzlich Schlagbeanspruchungen auf, welche für die Zerkleinerung von grobem und schwer mahlbarem Aufgabegut von Vorteil sind. Neben der Drehzahl stellt die Profilierung der Panzerung die zweite Haupteinflussgröße auf die Mahlkörperbewegung dar. In erster Linie dient die Mühlenpanzerung dem Schutz des Trommelkörpers. KELLY und SPOTTISWOOD untersuchten und bewerteten verschiedene Mantelpanzerungsprofile hinsichtlich ihrer Wirkung auf die Mahlkörperbewegung. Beim Einsatz von Hubbalken konnte durch Anpassen der Hubbalkenverteilung und -größe auf die Mahlkörpergröße die Wurfbahn einzelner Mahlköper gezielt beeinflusst werden. Auf diese Weise kann bewusst eine Katarakt- bzw. Kaskadenbewegung hervorgerufen oder zumindest unterstützt werden [11].