"Modellierung der Massestromzerkleinerung in Fräswalzenbrechern mit der Diskret-Element-Methode (DEM)"
Final Report Abstract
Mit den folgenden Hauptaussagen soll der erarbeitete Kenntnisstand zu den Voruntersuchungen und den DEM-Simulationen der Zerkleinerung in Fräswalzenbrechern zusammengefasst werden: • Die maschinellen Eigenschaften von Fräswalzenbrechern lassen sich durch eine modular aufgebaute Systematik für die Walzengrundkörper (Gliederungskriterien: Abmessung, Anzahl, Form, Anordnung, Kinematik) und ihre Profilierung (Gliederungskriterien: Abmessung, Anzahl, Form, Anordnung) charakterisieren. Durch Voroptimierungen, in denen Brechraumgeometrien während einer Umdrehung hinsichtlich ihres Zerkleinerungspotenzials analysiert wurden, konnte auf Basis der neuen Systematik eine optimale Center Sizer-Variante (Achsabstand aw=500mm, Walzenlänge Lw=1000mm, Meißelwerkzeuge mit Umfangsteilung TU=4) abgeleitet werden. • Als Aufgabestoffart wurde die vergleichsweise harte und feste Stoffart „Granodiorit aus Kindisch“ verwendet, um das Einsatzpotenzial von Fräswalzenbrechern für härtere Materialien abzuschätzen. Eine Analyse der stofflichen Eigenschaften von Granodiorit aus Kindisch bei der Einzelkornzerkleinerung im PLT (Punktlasttest), PFLT (Punktflächenlasttest) und FLT (Flächenlasttest) zeigte, dass die Festigkeit und Steifigkeit im untersuchten Korngrößenbereich (25…500mm) signifikant von der Korngröße abhängen (Korngrößeneffekt) und somit bei der Kalibrierung von Modellpartikeln zu berücksichtigen sind. • Zur Kalibrierung der Modellpartikel wurden auf der Basis eines zentral zusammengesetzten Simulationsplans DEM-Kalibrierungssimulationen für den PLT, PFLT und FLT bei 25 und 50mm Korngröße durchgeführt und DEM-Modellparameter ermittelt, bei denen eine akzeptable Übereinstimmung zwischen Simulations- und Versuchsergebnissen vorlag. • Die anschließend mit dem kalibrierten DEM-Gesteinsmodell durchgeführten Walzenbrechersimulationen an dem voroptimierten Center Sizer (im Maßstab 1:10 verkleinert) mit Einzelkornaufgabe führten zu folgenden Ergebnissen: - Die Aufenthaltszeit der Körner bis zum Austritt erhöht sich progressiv mit steigender Aufgabekorngröße, wobei diese Erhöhung bei versetzter Formation ausgeprägter als bei fluchtender Werkzeuganordnung ist. Aus den Aufenthaltszeiten einzelner Kornklassen wurde für eine bestimmte Aufgabekornverteilung (GGS-Verteilung mit k=0,4 und dmax=39,5mm) ein Durchsatzhistogramm erstellt, aus dem sich mit dem Prozessraumfüllungsgrad ßA=0,3 und der Walzenlänge Lw=1000mm der Massedurchsatz ableiten ließ. - Das Produktkornband folgt, wie das Aufgabekornband, einer GGS-Verteilung, die allerdings steiler verläuft, d.h. in Walzenbrechern kommt es zur Kornbandeinengung. Zur Berechnung der Produktkorngrößenverteilung wurde das WHITEN-Bilanzmodell angewendet, wobei eine ideale Klassierung oberhalb der Walzen zugrunde lag und die Bruchfunktion der Kornklassen aus den Simulationsergebnissen folgte. - Die Drehmoment-Zeit-Verläufe sind signifikant von der Aufgabekorngröße abhängig, wobei das mittlere (MZm) und maximale Moment (MZmax) wegen des Korngrößeneffekts bei geringen Korngrößen deutlich stärker als bei größeren Aufgabekörnern ansteigt. Die Werkzeuganordnung wirkt sich dagegen kaum auf MZm bzw. MZmax aus. Zur Berechnung der aus Drehmomenthistogrammen von MZm und Mzmax abgeleiteten mittleren (PZm) und maximalen Zerkleinerungsleistungen (PZmax) wurde wie beim Durchsatz von einer GGS- Aufgabeverteilung und einem Füllungsgrad von ßA=0,3 ausgegangen. Beim Scale-Up auf den Originalwalzenbrecher ist außerdem der im PLT, PFLT und FLT durchschnittlich gemessene Korngrößeneffekt rs=0,9 einbezogen worden. Für PZm und PZmax ergaben sich dabei im Falle der versetzten Werkzeugformation größere Werte als bei der fluchtenden. • Die Simulationsergebnisse verdeutlichen, dass Fräswalzenbrecher auch für härtere Aufgabestoffe wie bspw. Granodiorit aus Kindisch weiterentwickelt werden könnten. Dabei ist allerdings der Einfluss des Grobkornanteils im Aufgabekornband zu berücksichtigen, da er Durchsatz, Leistungsbedarf und Produktkorngrößenverteilung entscheidend beeinflusst. Weiterhin ist zu beachten, dass das neue Auslegungsmodell noch keine Aussagen über den auftretenden Werkzeugverschleiß oder die erforderliche Dauerfestigkeit der Brecherbauteile zulässt und eine empirische Überprüfung der Modellgüte noch aussteht. Die Erkenntnisse der Arbeit können die Vordimensionierung von Walzenbrechern in der prinzipiellen Konstruktionsphase unterstützen und zur Optimierung bestehender Anlagen sowie zur Weiterentwicklung von Fräswalzenbrechern für härtere Stoffe beitragen. Weiterführende Untersuchungen sollten sich auf nachfolgende Schwerpunkte konzentrieren: • Durchführung weiterer Einzelkornsimulationen mit verschiedenen Walzenorientierungen und Aufgabepositionen. • Verbesserte Bruchmodellierung durch eine feinere Diskretisierung des Makropartikels (z.B. auf Basis von Dünnschliffbildern) und realistischere Kontakt-/Bruchmodelle. • Verbesserte Modellkalibrierung durch Berücksichtigung weiterer Lastfälle in Profilwalzenbrechern (z.B. Scherung) und Einbeziehung der experimentell ermittelten Streuung der Bruchparameter. • Effizientere Modellkalibrierung durch Automatisierung und Nutzung geeigneter Software für Sensitivitätsanalysen bzw. Polyoptimierungen. • Modelltestung für verschiedene Profilwalzengeometrien und Aufgabestoffarten. • Einbeziehung schneidtechnischer Untersuchungen für die Detailoptimierung der Werkzeuggeometrie und für Abschätzungen zum Werkzeugverschleiß bzw. dessen Einfluss auf die Zerkleinerungskräfte. • Direkte Simulation der Massestromzerkleinerung zur besseren Erfassung interpartikulärer Wechselwirkungen, wobei zur Bruchsimulation zunächst auf vereinfachte DEEM-Ansätze mit kubischen Modellpartikeln zurückgegriffen werden könnte.
Publications
- "Tagung für Aufbereitung und Recycling“, November 2006 in Freiberg: Systematisierung von Profilwalzenbrechern
- Jahrestagung „Aufbereitung und Umwelttechnik“, November 2006 in Salzgitter/Othfresen: Modellierung von Fräswalzenbrechern zur Zerkleinerung von Erzen
- Zur Systematik von Walzenbrechern. Aufbereitungstechnik Nr. 4 (2007)
Unland, G.; Schmidt, M.
- Bestimmung der Zerkleinerungskräfte bei Fräswalzenbrechern. Aufbereitungstechnik Nr. 8 (2008)
Unland, G.; Schmidt, M.
- DEM-Modelling of Comminution in Sizers. Scientific Bulletin No. 6, National Mining University, Dnipropetrovsk (2008), S.13-18
Schmidt, M.
- Jahrestreffens der ProcessNet-Fachausschüsse, März 2008 in Weihenstephan: Einfluss der Korngröße auf die Zerkleinerungskraft bei Druckzerkleinerung
- „International Protodjakonov-Conference“, Mai 2008 in Dnipropetrovsk: DEM-Modelling of Comminution in Sizers. Scientific Bulletin No. 6, National Mining University, Dnipropetrovsk (2008), S.18-23
