Auslegung von Mischbetten

E‌s werden in zunehmendem Maße Mischbetten in der Zement-, Eisen- und anderen Industrien verwendet. Im Allgemeinen kann ein Mischbett folgende drei Funktionen erfüllen:

Die Vorratshaltung dient der Lagerung von genügend Rohmaterial, um unter normalen Umständen einen kontinuierlichen Betrieb aufrechterhalten zu können und puffert gleichzeitig Schwankungen in der Produktion ab.

Das Mischen von Komponenten soll gewährleisten, dass eine bestimmte Anzahl von Rohmaterialien verschiedener chemischer und oder physikalischer Eigenschaften in solchen Anteilen zusammengeführt werden, dass im fertigen Mischbett eine gewünschte Zusammensetzung vorliegt.

Die Vergleichmäßigung soll Eigenschaftsschwankungen des einzulagernden Materials ausgleichen.

Zur Erreichung dieser Zielstellungen werden Mischbettanlagen in verschiedenen Bauformen, z. B. Rund- und Längsmischbetten, umhaust und in Freibauweise und nach mehreren mög­lichen Aufhaldungsverfahren errichtet.

In einem Rundmischbett wird das Gut kreisförmig über einen um eine Mittelsäule schwenkbaren Absetzer eingelagert. Ein ebenfalls um die Mittelachse des Lagers drehbarer Rücklader befördert das Gut in einen zentralen Bodentrichter unter der Mittelsäule. Der Weitertransport erfolgt unter dem Kreislager über Tunnelförderer [1]. Kreislager bieten sich auf Grund ihrer kompakten Bauform für die überdachte Lagerung von Schüttgütern an. Im Gegensatz zu Längslagern ist das gleichzeitige kontinuierliche Ein- und Auslagern ein und derselben Halde uneingeschränkt möglich.

Die wohl weitverbreitetste Lagerform für Schüttgüter sind Längslager (Bild 1). Sie sind häufig offene Lager unter freiem Himmel. Darf das Lagergut jedoch keinen Witterungseinflüssen ausgesetzt werden oder soll die Umwelt vor Emissionen geschützt werden, können sie auch in einer geschlossenen Halle untergebracht werden.

Für das Einlagern der Schüttgüter werden längs der Halde fahrende Haldenschüttgeräte oder am Haldenfirst angeordnete Gurtbandförderer mit Bandschleifenwagen verwendet (Bild 2). Für die Auslagerung kommen als Geräte Brückenkratzer (Bild 3), Schaufelradrücklader oder Trommelaufnehmer zum Einsatz. Längshalden werden häufig paarweise angeordnet Das hat den Vorteil, dass eine Halde aufgebaut und gleichzeitig die andere Halde abgebaut werden kann. Im Vergleich der Bauformen kann man sagen, dass die Längsmischbetten geringere Investitionskosten, aber einen höheren Platzbedarf als die Rundmischbettten haben.

Von den verschiedenen Aufhaldungsmethoden ist die nach Chevron am gebräuchlichsten (siehe Aufmacherbild). Das Schüttgut wird in dachförmigen Schichten übereinander aufgehaldet. Unter der Voraussetzung, dass die einzelnen Schichten gleichmäßig über die gesamte Haldenlänge aufgeschüttet werden und der Abbau von der Stirnseite her erfolgt, kann ein hoher Vergleichmäßigungsgrad erzielt werden. Das Schüttgut ist in möglichst dünnen Schichten aufzubringen, wobei die obere Korngröße des Gutes die Mindestschichtdicke begrenzt. Die üblichen Schichtenzahlen liegen etwa zwischen 300 und 600. Mit höheren Schichtenzahlen lässt sich der Vergleich­mäßigungseffekt kaum noch weiter verbessern [2].

Das Volumen der Mischbetthalde (Bild 4) ergibt sich zu:

Gesamtvolumen = Längshalde + Endkegel

Die Lagerkapazität M der Halde ergibt sich mit der Schüttdichte r_S:

Die Dimensionierung der Mischbetthalde erfolgt entsprechend der Vorgaben durch das Projekt:

1. Ist ein Ausspeichergerät, z. B. ein Brückenkratzer konstruktiv vorhanden, wird die Breite der Halde vorgegeben und die Länge berechnet.

2. Liegen seitens des Lageplans Beschränkungen vor, wird meist die Länge des Mischbetts vorgegeben und die Breite be­rechnet.

3. Auch das Länge-Breiten-Verhältnis kann als Vorgabe im Zusammenhang mit der Vergleichmäßigung von Bedeutung sein, da man von einem Masseverhältnis von < 25 % ausgehen sollte, um den negativen Effekt der Endkegel auf die Vergleichmäßigung zu minimeren.

Bei der Ermittlung der Haldenabmessungen bei vorgegebener Lagerkapazität ist demnach jeweils eine Größe, entweder die Haldenbreite B oder die Haldenlänge L oder das Länge-Breite-Verhältnis vorzugeben, um mittels Formel (3) die jeweils anderen Größen zu berechnen.

1. Vorgabe der Haldenbreite

2. Vorgabe Haldenlänge

Die so erhaltene kubische Grundgleichung nach dem Schema

mit 

lässt sich mit der Substitution

in die reduzierte Form

mit  

überführen und mit Hilfe der trigonometrischen Formel

lösen.

⇥k = 1, 2, 3

Von den 3 möglichen Lösungen ist auf Grund der Periodizität der Sinusfunktion k = 3 für

die richtige Lösung.

3. Vorgabe des Länge – Breite -Verhältnisses

Das Masseverhältnis (Bild 5) der Endkegel zur Parallelhalde ist

Masseverhältnis

Der Effekt der Vergleichmäßigung wird anhand der Standardabweichung der Schüttguteigenschaften, gemessen beim Aufbau- und Abbau der Mischbetthalde ermittelt. Charakteristische Merkmale können bei der Zementherstellung der CaCO₃-Gehalt oder in den Hüttenwerken der Wertstoffgehalt des Erzes sein. Da Mischbetten in der Regel im grobstückigen Kornbereich eingesetzt werden, wird die Probenmenge, die zur Bestimmung der Standardabweichung erforderlich ist, zum Problem. Bei einer automatischen Probenahme wird ständig ein kleiner Teilstrom vom Band abgezweigt und in 2 bis 3 Stufen zerkleinert und bei Bedarf getrocknet und zwischen jeder Stufe nach den Regeln der Schüttgutprobenahme geteilt. Diese Methode ist zwar sehr effektiv, wird aber aufgrund der hohen Investitions- und Betreiberkosten nur sehr selten angewandt. Auch die händische Probenahme und Verarbeitung bis zur Laborgröße erfordert noch einen hohen Aufwand.

Der Vergleichmäßigungs- oder auch Mischeffekt E wird als Quotient der Standardabweichung der Ein- zur Ausgabe definiert:

In der Planungsphase einer Mischbettanlage erfolgt die Dimensionierung nach den oben beschriebenen Regeln. Für die Ermittlung der Vergleichmäßigung werden Modelle eingesetzt, wobei die Anzahl der eingetragenen Schichten N die bestimmende Größe ist. Die einfachen Modelle zur Vergleichmäßigung von Eigenschaftsschwankungen lassen die Autokorrelation unberücksichtigt. Sie gehen davon aus, dass die Merkmalswerte von Proben gleichen Umfangs, die in bestimmten Abständen aus einem Massestrom entnommen werden, nicht korreliert und normal verteilt sind.

Dieser Zusammenhang folgt auch als Grenzfall für sehr lange Vergleichmäßigungshalden und vernachlässigbare Korrelation und gibt bestenfalls die Abhängigkeit der Schichtenzahl vom Mischeffekt wieder [1,2]. Die anspruchsvolleren Modelle für die Vergleichmäßigung berücksichtigen die Korreliertheit der Eingangsschwankungen, wobei in den meisten Fällen von einer Autokorrelationsfunktion in Form einer Exponentialfunktion ausgegangen wird. Das Modell von Gerstel [3,4] z. B. zeigt gute Ergebnisse, ist aber für die praktische Auslegung von Mischbetten kaum verwendbar aufgrund der komplizierten Berechnung wie der Ermittlung der Parameter der Autokorrelationsfunktion und weiterer Parameter.

Anhand experimenteller Untersuchungen an einem in seinen Dimensionen verkleinerten Mischbett mit angepasster Verkleinerung der Korngröße des Schüttgutes wurde folgende Abhängigkeit der Schichtenzahl vom Mischeffekt ermittelt [5].

Im Auslegungsprogramm können nach der Eingabe der Standardabweichung des Eingabemassenstromes wahlweise der Mischeffekt, oder die Standardabweichung des Ausgabemassenstromes eingetragen werden, die fehlende Größe wird berechnet und die Schichtenzahl nach obiger Gleichung ermittelt. Die Gleichung wird durch die experimentellen Untersuchungen im Bereich von 200 bis 600 Schichten (entspricht E = 5 bis 7,5) bestätigt. Für die weitere Berechnung kann die Schichtenzahl bei Bedarf geändert werden.

Im dargestellten Beispiel wird eine Auslegung des Mischbetts mit einem Lagervorrat von 50 000 t und einer Länge von 150 m durchgerechnet (Bild 6).

Bei der Berechnung des Einspeicherdurchsatzes M_E und des Ausspeicherdurchsatzes M_A wird davon ausgegangen, dass eine Halde auf- und eine andere Halde abgebaut wird.

Die Fahrgeschwindigkeit des Einspeichergerätes y_E beträgt

Die Fahrgeschwindigkeit des Ausspeichergerätes y_A beträgt

Die angegebenen Durchsätze beziehen sich auf einen Zyklus, eine Woche Aufbau und eine Woche Abbau der Halde. Ist ein anderer Zyklus geplant, so können die Durchsätze korrigiert werden.