Beanspruchungsvorgänge in Planetenkugelmühlen und deren Anwendung auf die Maßstabs- und Mühlenübertragung
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Für Planetenkugelmühlen, die vielfach im Laborbetrieb eingesetzt werden, sind die Beanspruchungsbedingungen und ihre Abhängigkeiten zu den Prozessparametern weitestgehend unbekannt. Außerdem verfügen sie in der Regel über keine Leistungsaufnahme, so dass Prozesse zumeist hinsichtlich der Zerkleinerungsdauer und nicht der spezifischen Energie verglichen werden. Eine zusätzliche Herausforderung stellt der trockene Betrieb dar, der zu Ablagerungen des Produktes auf Mahlkörpern und Mahlraumwandungen führt und somit einen erheblichen Einfluss auf das Bewegungsmuster der Mahlkörper besitzet. Dies führt zu einer produktabhängigen Variation in den Beanspruchungsbedingungen, die separat erfasst werden müssen. Es wurden daher basierend auf der Diskrete-Elemente-Methode Simulationen durchgeführt, um einen tieferen Einblick in die materialabhängigen Beanspruchungsbedingungen zu gewinnen. Die Randbedingungen, durch die Reibungs- und Dämpfungsparameter ausgedrückt, wurden zunächst mittels einer Serie von Simulationen und Experimenten ermittelt. Die Validierung der Simulationsergebnisse erfolgte über den Gesamtleistungseintrag, der für alle Parameter eine lineare Abhängigkeit zwischen experimentell gemessener und simulativ berechneter Leistung zeigt, so dass die Simulation eine gute Abbildung des Prozesses ermöglicht. Es ist zu beachten, dass die Gesamtleistung nicht der zerkleinerungsaktiven Leistung entspricht, die für den Partikelbruch verantwortlich ist. Nur ein Teil der Leistung, die durch die Bewegung der Mühle in den Becher eingetragen wird, ist tatsächlich bruchrelevant. Die zerkleinerungsaktive Leistung aus Beanspruchungsenergie und Kollisionshäufigkeit lässt sich durch Modellgleichungen beschreiben, die aus den Simulationsdaten abgeleitet wurden. Das vorgestellte Modell zur Trockenzerkleinerung betont die Bedeutung, die die Beanspruchungsintensität und somit neben der Beanspruchungsenergie die aktive Masse innerhalb des Prozesses einnimmt. Die Beanspruchungsintensität bestimmt die Anzahl der benötigten Beanspruchungsvorgänge und somit in Kombination mit den eingestellten Betriebsbedingungen auch die Dauer des Prozesses. Dieser Zusammenhang wurde bereits für die nasse Zerkleinerung in Rührwerkskugelmühlen gezeigt. Um für einen trockenen Prozess diesen Zusammenhang herzustellen, muss die aktive Masse, also das zwischen den Mahlkörpern eingefangene Material, berücksichtigt werden. Eine Erweiterung des Modells von Schönert [3] ermöglicht eine Ermittlung der aktiven Masse, so dass sowohl die Intensität als auch die materialbezogene Beanspruchungszahl bestimmt werden können. Somit sind die für nass betriebene Rührwerkskugelmühlen etablierten Zusammenhänge auch auf trocken betrieben Planetenkugelmühlen übertragbar. Durch die Abhängigkeit des Bruchmechanismus von der Intensität ergeben sich Unterschiede im spezifische Energiebedarf. Neben der systematischen Beschreibung der Bewegungs- und Beanspruchungsvorgänge innerhalb der Mahlkörpermühlen muss der Fokus für weitere Forschungsvorhaben daher auf der Betrachtung der aktiven Masse in Abhängigkeit von Materialparametern wie Partikelgröße, Fließverhalten und Kohäsivität des Pulvers liegen. Die Beanspruchungsintensität als proessbestimmende Größe kann für die Übertragung zwischen unterschiedlichen Mahlkörpermühlen genutzt werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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2013. Process engineering with planetary ball mills. Chem. Soc. Rev. 42, 7660-7667
Burmeister, C.F., Kwade, A.
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(2015) Analysis and modelling of bead contacts in wet-operating stirred media and planetary ball mills with CFD–DEM simulations. Chemical Engineering Science, Volume 134, 648-662
S. Beinert, G. Fragnière, C. Schilde, A. Kwade
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(2016), Experimentelle Parameterstudie zur Trockenzerkleinerung in Planetenkugelmühlen. Chemie Ingenieur Technik, 88: 1524–1529
L. Titscher, S. Breitung-Faes, A. Kwade
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(2018). Dry grinding in planetary ball mills: evaluation of a stressing model. Advanced Powder Technology, 29(1), 191-201
C. Burmeister, L. Titscher, S. Breitung-Faes, A. Kwade
