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Strahlmahlung von Produkten mit geringer Schüttdichte Fluffige Materialien sorgen für Herausforderungen im Zerkleinerungsprozess

Von Bernhard Renner*

Stoffe mit Schüttdichten unter 200 kg/m3 können eine echte Herausforderung für die mechanische Verarbeitung darstellen. Insbesondere bei der Strahlmahlung von sehr feinen Produkten verändern sich die üblichen Randbedingungen deutlich. Eine Untersuchung analysiert den Einfluss der wichtigsten Strahlmahlparameter auf die Verarbeitung dieser Produkte. Die Ergebnisse flossen in ein spezielles Mühlen-/Anlagendesign für diese Produktfamilie ein.

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Mit TDG-Gegenstrahlmühlen sind feine Graphitqualitäten bis zu 2,5 µm möglich, hier eine Mühle mit Gasverteilereinheit. Das gemahlene Produkt verlässt den Mahlbereich (A) innerhalb einer permanenten Aufwärtsströmung in Richtung der Sichterrades (C).
Mit TDG-Gegenstrahlmühlen sind feine Graphitqualitäten bis zu 2,5 µm möglich, hier eine Mühle mit Gasverteilereinheit. Das gemahlene Produkt verlässt den Mahlbereich (A) innerhalb einer permanenten Aufwärtsströmung in Richtung der Sichterrades (C).
(Bild: Hosokawa Alpine)

Obwohl das Prinzip der Gegenstrahlmühle bereits vor 140 Jahren [1] erfunden wurde, ist die Entwicklung dieser Technologie nicht abgeschlossen und kann noch immer verbessert werden. Zu beachten ist jedoch: In der Entwicklung und Erforschung von neuen Verfahren oder Maschinen wurde und wird üblicherweise Kalkstein als Versuchsmaterial verwendet. Das liegt u.a. daran, dass dieses Material leicht verfügbar, ungefährlich und günstig in der Beschaffung ist.

Folglich basieren fast alle empirischen Gesetze, die für das Mahlen und Sichten aufgestellt wurden, auf Versuchen mit Kalkstein. In den meisten Fällen bieten diese Gesetze eine gute Vergleichbarkeit und/oder erlauben annähernd passende Voraussagen. Kalkstein weist mittlere Materialdichten (2.600–2.900 kg/m3) auf und für dessen Zerkleinerung ist eine ausreichend große Mahlarbeit erforderlich.

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Fluffige Materialien benötigen weniger Energie

Die Eigenschaften von Produkten mit sehr geringer Schüttdichte (Low Density Products – LDP) wie synthetische amorphe Kieselsäuren, Carbon Black oder Perlite könnten nicht unterschiedlicher sein. Aufgrund entsprechender Erfahrungen wurde eine Untersuchung initiiert, die den häufig verwendeten Strahlmahlprozess in Verbindung mit dem besonderen Verhalten dieser Produkte genauer durchleuchten soll.

Für die Zerkleinerung dieser „fluffigen“ Materialien wird in der Regel deutlich weniger Energie benötigt, da sie meist nicht aus festen Partikeln sondern aus zerbrechlichen Strukturen, wie Agglomeraten, Schichtstrukturen oder Gebilden mit sehr hoher Porosität, bestehen. Dies führt zu sehr geringen scheinbaren Partikeldichten.

Diese Materialien beinhalten meist eine große Anzahl von Sollbruchstellen innerhalb kleinster Volumina und unterscheiden sich auch in der Art der Bindungskräfte von echten Feststoffen. Dies kann dazu führen, dass die Verbindungen bereits bei Erreichen eines geringen Energieniveaus brechen.

Desagglomeration macht hohen Mahldruck überflüssig

Um solche Schüttgüter zu dispergieren, reicht also in den meisten Fällen ein sehr geringer Energieeintrag. Damit ist für Strahlmahlprozesse ein hoher Mahldruck nicht mehr zwingend. Je höher der Mahldruck ist, desto geringer wird der Wirkungsgrad der Drucklufterzeugung. Ein Mahldruck von 6 bar(g) benötigt ca. dreimal so viel spezifische Energie wie ein 1 bar(g)-Prozess. Auch wird der Technologieaufwand der Drucklufterzeuger mit steigendem Druck zunehmend komplexer. Der Einsatz von zu hohen Strahlmahldrücken erzeugt daher erhöhte Investitions- und Betriebskosten.

Das ideale Druckniveau muss für jedes Produkt individuell bestimmt werden. Bei Kalkstein sollte es nicht unter 4 bar liegen, doch bei den meisten LDP kann der Druck deutlich niedriger sein. Einige können auch bei weniger als 1 bar(ü) noch verarbeitet werden, sodass einfache und preisgünstige Drehkolbengebläse verwendet werden können. Manche LDP stellen aber eine Ausnahme dar, und benötigen trotzdem höhere Drücke für eine effiziente Dispergierung.

Selbst bei einer kleineren Mühle und einem um ca. 12 Prozent reduzierten Kompressorwirkungsgrad zeigt die Vermahlung unter Hochdruckbedingungen eine um ca. 64 Prozent erhöhte spezifische Leistung. Mit TDG-Gegenstrahlmühlen sind noch feinere Graphitqualitäten bis zu 2,5 µm (dv50) möglich, auch auf den größten Mühlentypen.

Eine einzige Pulverpumpe ersetzt Dosierer und Schieber

Aufgrund der niedrigen Absetzgeschwindigkeit von LDP kann das übliche Konzept der Schwerkraftdosierung zu Problemen führen. Bei einer der ersten Strahlmühlen lag der Materialeinlauf unterhalb der Mahlzone (Dosierung mittels Stopfschnecke). Greift man diese Idee wieder auf, ermöglicht dies bei vielen Produkten mit geringen Schüttdichten Leistungssteigerungen von bis zu 10 Prozent.

Wenn das Aufgabematerial eine hohe Fließfähigkeit aufweist, können auch Pumpen statt Dosierschnecken zur Produktaufgabe eingesetzt werden. Dadurch kann die übliche Kombination aus Dosierung und Schleuse durch eine einzelne Pulverpumpe ersetzt werden.

Verzögerungsgeschwindigkeit und Hold-up

Hohe Partikelporositäten ermöglichen nur geringe Impulse und in Verbindung mit der Bewegung in einem Fluid (Luft) werden nur geringe Flugweiten erreicht. Aufgrund der geringen scheinbaren Partikeldichte beträgt der Bremsweg für ein Kieselsäureteilchen mit 5 µm Durchmesser und einer Ausgangsgeschwindigkeit von 500 m/s weniger als 1 cm. Ein entsprechendes Kalksteinpartikel benötigt dagegen eine Distanz von knapp 10 cm.

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Das niedrige Niveau der Stoßimpulse hat Einfluss auf die Energieübertragung innerhalb der Strahlmühle und führt bei Einbeziehung der normalen „Kalksteingesetze“ nur zu einer wenig effizienten Vermahlung.

Bei der Zerkleinerung von Materialien mit höheren Partikeldichten findet bis zu 30 Prozent der Mahlarbeit im Brennpunkt statt, die verbleibenden 70 Prozent werden direkt vor die Düse umgesetzt, wo die höchsten Geschwindigkeitsniveaus auftreten. Produkte mit geringer scheinbarer Partikeldichte erhalten fast 100 Prozent der benötigen Energie in diesen Bereichen. Wird die Gleichung für den „idealen Düsenabstand“ ignoriert und werden die Düsen optimal positioniert, kann die Leistung um bis zu 10 Prozent gesteigert werden.

Bestimmung des Füllstands für extrem leichte Schüttgüter

Es ist nicht leicht den Mühlen-Füllstand für extrem leichte Schüttgüter zu bestimmen, da deren Gewicht kaum maßgeblich gegenüber über dem Mühlengewicht erscheint. Die Produktdosierung bzw. der Mühlenfüllstand ist aber ein entscheidender Prozessparameter, ohne den eine Leistungsoptimierung nicht möglich ist. Auch hier können die Erfahrungen mit Kalkstein auf die falsche Fährte führen.

Das gemahlene Produkt verlässt den Mahlbereich innerhalb einer permanenten Aufwärtsströmung in Richtung der Sichterrades. Partikel, die fein genug sind, erreichen das Radinnere und werden durch die Luftströmung in den Filter transportiert. Das Zentrifugalfeld des Sichterrades weist zu grobe Partikel ab, die anschließend erneut in die Mahlzone gelangen. Dieses Auf und Ab ist ein wesentlicher Bestandteil des Prozesses und wurde ebenfalls untersucht. Durch unterschiedliche Gestaltung der Mahlgehäuse wurde der Einfluss der Strömungen und deren Anordnung näher betrachtet. Ein Zusammenhang mit der Mühlenleistung konnte nicht nachgewiesen werden.

Welche Rolle spielt die Anordnung der Sichterräder?

Generell sind zwei unterschiedliche Anordnungen von Sichterrädern üblich: Entweder drehen sich die Räder um eine vertikale oder um eine horizontale Achse. Da Hosokawa Alpine beide Varianten herstellt, war es einfach möglich, die horizontale (AFG-Design) und die vertikale Ausführung (TFG-Design) zu vergleichen. Wie erwartet, sind die Ergebnisse auch bei Produkten mit geringer Schüttdichte, in Bezug auf Feinheit, Kapazität und Effizienz zu 100 Prozent vergleichbar. Da die horizontale Ausführung weniger komplex konstruiert ist, wurden alle weiteren Versuche mit dieser Ausführung fortgesetzt.

Meistens stellt das Haupthindernis bei der LDP-Vermahlung das Sichtrad dar. Die Dispergierung/Desagglomeration geschieht nahezu schlagartig, aber das Produkt sollte den Mahlprozess ebenso schnell verlassen können. Deshalb wurde das TDG-Raddesign getestet, das eine höhere Durchsatzleistung ermöglicht. Eine größere freie Oberfläche und beidseitige Feingutausträge reduzieren die Durchflussgeschwindigkeit und damit - bei doppelter Leistung - auch den Verschleiß.

Die gewünschte Feinheit liegt bei Produkten mit geringer Schüttdichte häufig deutlich unter 10 µm (z.B. Carbon Black, Grafit, Talkum oder Kieselsäure). Bei üblichen Sichträdern liegen die dafür erforderlichen Umfangsgeschwindigkeiten nahe am Limit und führen zu hohen Druckverlusten. Ein spezielles Lamellen-Design der TDG ermöglicht verbesserte Trennschärfen und feinere Trenngrenzen bei deutlich reduzierten Sichtraddrehzahlen. Das spart zum einen Energie und ermöglicht zum anderen sehr feine Partikelgrößen unter 1 µm (dV50). Dadurch können gleiche Feinheiten, wie bei Strahlmahlprozessen mit Heißdampf erreicht werden.

Die Prozesssteuerung bei Strahlmühlen erfolgt standardmäßig durch Erfassen des Massenstroms mittels Mühlengewicht oder der Sichterleistung. Beide Konzepte funktionieren jedoch meist nicht mit Produkten von geringer Schüttdichte. Deshalb wird beim Betrieb einer TDG ein leicht erfassbarer, aber von der Leistung beinahe unabhängiger Parameter genutzt, um die optimale Aufgabemenge sicher zu stellen. Jede Prozessabweichung wird sofort erkannt und in automatische Gegenmaßnahmen oder Informationen an den Bediener umgewandelt.

Produkttrennung durch Filtration

Nach dem Mahlen/Sichten muss das Produkt vom Luftstrom getrennt werden. Zyklone funktionieren für LDP in der Regel nur sehr unzureichend, sodass nur die Filtration als Lösung bleibt. Mit der verwendeten Steuerungsgröße kann das Zusammenspiel von Mühle und Filter sehr fein aufeinander abgestimmt werden. Dabei können die Filterflächenbelastungen in den meisten Fällen die empfohlenen Werte überschreiten. Filterflächen und -gehäuse können so verkleinert werden. LDP-Filter sollten folgende Voraussetzungen erfüllen:

  • Einlauf direkt unterhalb der Filterkopfplatte
  • keine Anströmung der Filterschläuche
  • Verwendung von Membranfilterschläuche
  • Auffangtrichter mit steilen Wänden
  • ausreichender Auslaufdurchmesser

Fazit: Produkte mit geringer Schüttdichte benötigen angepasste Prozesse

Die Untersuchungsergebnisse führten zum Wechsel vom normalen AFG-Design hin zum TFG-Design, das darüber hinaus folgende Vorteile bietet:

  • Optimierter Mahldruck ermöglicht Energieeinsparung
  • Doppelte Leistung bei gleicher Mühlengröße (AFG im Vergleich zu TDG)
  • Feinere Trenngrenzen
  • Leistungserhöhung durch modifizierte Aufgabesituation
  • Leistungssteigerung durch verbessertes Düsenarrangement
  • Optimale Ausnutzung der Filterfläche  kleinere Filter

Alle positiven Veränderungen wurden in ein neues TDG-Konzept übertragen. Die TDG mit diesem LDP-Erweiterungspacket bietet alle beschriebenen Verbesserungen. Alle genannten Untersuchungen wurden auf einer 400 TDG im Technikum in Augsburg durchgeführt. Diese steht, inklusive aller beschriebenen Umbauten und Modifikationen für Versuche zur Verfügung.

[1] Luckenbach, F. A. – Wolfenden J.: United States Patent No. 238044, Antrag von 1880

* Der Autor ist Senior Sales Manager, Chemical Division, Hosokawa Alpine AG, Augsburg.

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