Semimobile Brechanlagen zur Überkornzerkleinerung

1‌ Einleitung

Bestehende Steinbrüche und Kiesgruben wurden in der Vergangenheit hauptsächlich zur Herstellung von Massenprodukten für die Bauindustrie ausgelegt. Wichtigste Aufgabe war dabei die effektive Erzeugung von Normkörnungen für die Produktion von Asphalt- und Betongemischen.

Dies führte häufig zu folgenden Entwicklungen:

Die zu erzeugenden Endkörnungen werden immer kleiner

Die Anforderungen an Materialeigenschaften z.B. hinsichtlich Bruchflächigkeit, Kubizität u.a. werden immer höher

In gewissen Regionen gibt es Natursand, der über relativ geringe Feinstanteile kleiner 0,25 mm verfügt. Damit ist dieses Produkt schwer verkaufsfähig

Oft fallen diese Überschusskörnungen in den einzelnen Werken nur in relativ geringen Größenordnungen an

D.h. man benötigt eine Anlage, mit der man schnell von einem Werk zum nächsten umsetzen kann. Um temporär und effektiv auf diese Situationen reagieren zu können, wurden von SBM Mineral Processing zwei semimobile Prallbrechanlagen entwickelt [1].

2 Verfahrenstechnischer Ansatz und maschinen­technische Umsetzung

Oft liegen die typischen Überschusskörnungen in Korngrößen zwischen 5 – 70 mm vor. Da diese Steine meist schon mehrere Zerkleinerungsstufen erfahren haben, besitzt deren Gefüge nur wenige Fehlstellen, an denen eine erneute Zerkleinerung stattfinden kann.

Das heißt, für die weitere Zerkleinerung werden Brecher benötigt, die einen hohen Energieeintrag und entsprechende Beanspruchungshäufigkeit besitzen, um die gewünschte Zerkleinerungswirkung zu realisieren. Für eine solche Aufgabenstellung bietet sich besonders der Vertikalprallbrecher und der reversierbare Überkornprallbrecher an (Bild 1). Links ist der Vertikalprallbrecher zu sehen. Typisch für diesen Brecher ist die vertikal gelagerte Welle. Meistens findet bei diesen Brechern die Zerkleinerung im autogenen Materialpolster statt.

Anders ist es bei dem horizontalen Überkornprallbrecher. Hier dringt zwar das Material ebenfalls vertikal in den Brechraum ein, wird dann aber von den Schlagleisten im horizontal angeordneten Rotor erfasst und gegen mehrere Prallstufen geschleudert. Dabei erfolgt stets eine mehrfache Beanspruchung zwischen Schlagleisten und Prallelementen.

2.1 Aufbau und Wirkungsweise des Vertikalprallbrechers

Beim Vertikalprallbrecher gelangt das Aufgabematerial über einen Einlauftrichter vertikal in den Rotor. Es wird am Aufgabekegel des Rotors in die Horizontale umgelenkt. Nach der Beschleunigung im Rotor prallen die Teilchen gegen ein Materialbett oder gegen Panzerelemente (Bild 2).

Beim Aufprallen auf Panzerelemente erreicht man eine höhere Zerkleinerungswirkung als im Gutbett (Bild 10). Allerdings hat dabei das Brechprodukt eine schlechtere Kornform als im autogenen Materialpolster. Die Verschleißkosten sind bei der Arbeitsweise mit Prallelementen höher als beim Brechen im Gutbett.

Das Brechverhalten von Vertikalprallbrechern hängt stark von den konstruktiven Merkmalen des Brechers und insbesondere von der Gestaltung des Rotors ab (Bild 3). Dies wurde u.a. in der Dissertation von Dipl.-Ing. Rafal Rychel ausführlich beschrieben [2].

In Bild 3a sehen wir den Aufbau des Rotors mit ungeschützten Kammerwänden. Hier kann das Aufgabematerial radial aus dem Rotor austreten. Diese Bauform wird vorwiegend bei relativ großem Aufgabematerial genutzt. Die beste Zerkleinerungswirkung erreicht man dabei im oberen Bereich der Aufgabekörnung. Für verschleißintensives Material, besonders auch bei kleiner Aufgabekörnung, nutzt man Rotore, wo sich in den Austrittskanälen Materialtaschen bilden (Bild 3b).

Aufgrund der Rotorgeometrie tritt das Material tangential aus dem Rotor aus. Dadurch absolvieren die Steine einen langen Weg durch das Materialbett. Dies führt zur Erzeugung eines hohen Sandanteils und zu einer ausgezeichneten Kornform.

Bild 4 zeigt einen Rotor mit stabilem Materialposter.

Für die Höhe des Sandanteils und die Ausbildung der Kornfom ist sehr entscheidend, ob das im Rotor beschleunigte Material an Prallelementen oder im natürlichen Materialpolster zerkleinert wird (Bild 5). Während an der Ringpanzerung (Bild 5a) die Energie oft ausreicht, um bei den Körnern einen kompletten Zerkleinerungsvorgang stattfinden zu lassen, werden im Gutbett (Bild 5b) meist nur die Ecken und Kanten abgeschlagen. Dabei entsteht ein Produkt mit einem hohen Feinanteil und einer ausgezeichneten Kornform. Es bleiben aber immer wieder Körner im Bereich der Aufgabegröße erhalten, die durch diesen Vorgang nicht zerkleinert werden können.

Ein wesentliches praktisches Hilfsmittel

zur Realisierung stabiler Arbeitsbedingungen,

zur Reduzierung der Rotor- und Lagerbelastung,

für zuverlässigen Verschleißschutz und

zur Staubreduzierung

ist die lastabhängige hydraulische Einlaufregelung von SBM Mineral Processing GmbH.

Ausgangspunkt dieser Regelung ist die Abhängigkeit des Brecherdurchsatzes vom Motorstrom. Zusätzlich wird der Füllstand des Aufgabematerials im Trichter gemessen. Ist der aktuelle Motorstrom kleiner als die Vorgabe, wird der Einlaufquerschnitt in den Brecher vergrößert und der Motorstrom steigt. Damit erfolgt eine schnellere Entleerung des Trichters. Wird ein minimaler Füllstand erreicht, verkleinert man den Einlaufquerschnitt. Der Füllstand im Trichter steigt nun an. Beim Erreichen des Maximums öffnet der Einlaufschieber. Sollte die Füllstandshöhe weiter ansteigen und der Füllstand max_max erreicht werden, wird das vorgeschaltete Beschickungsorgan abgeschaltet oder deren Geschwindigkeit gedrosselt. Der Füllstand sinkt und der Regelkreis startet aufs Neue.

2.2 Aufbau und Wirkungsweise des reversierbaren Horizontalprallbrechers

Für die Zerkleinerung von Überschusskörnung im Bereich zwischen ca. 16 – 150 mm ist ein reversierbarer Horizontalprallbrecher (Bild 7) besonders gut geeignet.

Im Gegensatz zu klassischen Prallbrechern mit Schultereinlauf, ist der reversierbare Prallbrecher symmetrisch aufgebaut. Kleines Aufgabematerial kann so tief in den Schlagkreis eindringen und wird somit effektiv zerkleinert. Links und rechts neben dem Rotor sind spiegelbildlich die Prallschwingen angeordnet. Auf jeder Prallschwinge befinden sich kaskadenförmig sieben Prallstufen, wobei der Brechspalt zum Auslauf hin keilförmig kleiner wird. Diese kaskadenförmige Anordnung führt zum Umwälzen des Materials während des Brechprozesses. Hierdurch entstehen eine ausgezeichnete Kornform und eine hohe Bruchflächigkeit.

2.3 Einsatzbesonderheiten

Bei relativ kleinen Aufgabekörnungen kann sich der Einsatz von Vertikalprallbrechern und reversierbaren Überkornbrechern überschneiden. Eine solche Applikation zeigt Bild 8. Rundes Überkorn der Körnung 16/32 soll nachzerkleinert werden.

Grundsätzlich lässt sich diese Aufgabe mit beiden Brechertypen lösen. Arbeitet man mit einem Vertikalprallbrecher, so entsteht das mit der schwarzen Linie dargestellte Zerkleinerungsprodukt. Typisch sind dabei folgende Merkmale:

Der flache Kurvenverlauf

Der hohe Fülleranteil

Die relativ geringe Zerkleinerung im oberen Bereich der Aufgabekörnungen. D.h., wenn man einen 16/32 aufgibt, bekommt man als Brechprodukt ein 0/32

Der gewonnene Splittanteil in der Fraktion 2/8 liegt bei 27 %

Dagegen zeigt der reversierbare Überkornbrecher ein anderes Brechverhalten, dargestellt mit der blauen Linie:

Hier liegen Aufgabe- und Produktsieblinie deutlich auseinander. D.h. das Endprodukt ist zu 100 % kleiner als 16 mm

Der Kurvenverlauf ist insgesamt steiler und man bekommt einen höheren Splittanteil (Anteil 2/8 37 %)

Gleichzeitig hat das gebrochene Material eine viel höhere Bruchflächigkeit

Ob man sich für den verschleißarmen Vertikalprallbrecher oder den effektiveren und robusteren reversierbaren Überkornbrecher entscheidet, ist oft eine Frage der zu erwartenden Verschleißkosten.

Für den oben beschriebenen Einsatzfall liegen diese bei ca. 0,25 €/t beim Vertikalprallbrecher. Mit dem reversierbaren Überkornprallbrecher sind es ca. 0,75 €/t Brechprodukt. Wichtig bei der Bewertung der Brechkosten ist es, dass diese nicht losgelöst vom hergestellten Produkt erfolgt. Neben der Ausbeute an Wertkorn, sind auch die Bruchflächigkeit und die Kornform wichtige Bewertungskriterien.

3 Anlagentechnische Umsetzung

Die von SBM Mineral Processing GmbH entwickelten semimobilen Brechanlagen weisen folgende Merkmale auf:

Durchsätze zwischen 70 und 80 t/h, um Losgrößen zwischen 10 000 bis 30 000 t an einem Standort wirtschaftlich zerkleinern zu können

Flexibel bzgl. unterschiedlicher Aufgabegrößen und -materialien und Erzeugung unterschiedlichster Produktqualtäten

Einfacher Transport und kurze Rüstzeiten

Hohe Verfügbarkeit und Wartungsfreundlichkeit

Kompatibilität zu den gängigen mobilen Siebanlagen

Bild 9 zeigt eine mit dem reversierbaren Prallbrecher ausgerüstete semimobile Anlage in Vorbereitung auf den Transport.

4 Einsatzbeispiele

4.1 Vertikalprallbrecher

Ein typisches Einsatzbeispiel für den Vertikalprallbrecher ist das Brechen von kleiner Überschusskörnung zur Sanderzeugung (Bild 10). Das Aufgabematerial 8/11 (magentafarbige Linie) soll so zerkleinert werden, dass möglichst ein hoher Anteil < 4 mm entsteht. Durch die Drehzahlerhöhung von 72 auf 78 m/s kann bei Betriebsweise mit Materialpolster der Anteil < 4 mm von 26 auf 32 % erhöht werden.

Arbeitet man mit einem Prallring, erhöht sich der Sandanteil auf 54 %. Aufgabe- und Produktsieblinie liegen deutlich auseinander. Das heißt, hier findet eine stärkere Zerkleinerung statt. Gleichzeitig verursacht der Prallring mindestens 30 % höhere Verschleißkosten, damit verbunden auch höhere Servicekosten und eine geringere Verfügbarkeit. Letztendlich entscheidet die Marktsituation darüber, welche Anforderungen an die Brechprodukte berücksichtigt werden müssen und welche Erlöse aus dem Produkt erzielt werden können.

Ein interessantes Beispiel für den wirtschaftlichen Einsatz von Vertikalprallbrechern ist die Feinsandanreicherung [1]. In Lagerstätten, in denen aufgrund der geologischen Gegebenheiten ein Mangel an Feinstteilen z.B. im Sand 0/2 herrscht, werden diese Brecher genutzt, um diese Feinstanteile gezielt anzuheben. Durch Vergrößerung der Umfangsgeschwindigkeit wird der Anteil < 0,25 mm von ca. 2,8 % im Aufgabematerial auf 19 % bei 62 m/s und auf 29 % bei 80 m/s erhöht (Bild 11).

Bild 12 zeigt, wie sich der Sand in den einzelnen Kornklassen verändert, was letztendlich zu einer Anreicherung des Sandes im unteren Bereich der Aufgabesieblinie führt. Analysiert man die Sieblinien von Aufgabematerial und Endprodukt, indem man für jedes Material den Anteil der jeweiligen Kornklasse bestimmt und dann die Differenz zwischen Produkt- und Aufgabematerial bildet, so entstehen die im Diagramm dargestellten Anteile.

Bis zu einer Kornklasse von 0,5 mm kommt es zu einer Zunahme, d.h. hier entstehen durch die Zerkleinerung neue Anteile kleiner Körner. Diese Anteile werden durch das Abreiben der Körner, vorwiegend im Bereich zwischen 0,5 und 1 mm, realisiert. Bei den Körnern zwischen 1 bis ca. 2 mm findet kaum noch effektive Zerkleinerung statt.

4.2 Reversierbarer Überkornprallbrecher

Bild 13 zeigt eine typische Anwendung dieses Brechers im Flusskies. Dabei soll eine Körnung von 5/90 mm so gebrochen werden, dass möglichst viel Brechprodukt in der Fraktion 2/8 entsteht [2]. Hierzu wurde die Geschwindigkeit von 37 m/s auf 45 m/s erhöht. Bei diesen Versuchen blieb die Spaltweite mit s = 40 mm konstant. Erwartungsgemäß verbessert sich mit Zunahme der Geschwindigkeit auch die Zerkleinerungswirkung.

Tabelle 1 zeigt, dass mit Zunahme der Geschwindigkeit der prozentuale Anteil 2/8 zunächst ansteigt. Gleichzeitig reduziert sich der Brecherdurchsatz. Die Ursache hierfür liegt darin, dass mit größerer Geschwindigkeit ebenfalls eine höhere Leerlaufleistung erforderlich ist. Dadurch steht weniger Energie für die Zerkleinerung zur Verfügung und der Brecherdurchsatz wird geringer. Hinsichtlich des Ausbringens an Wertkorn deutet sich bei 41 m/s ein Optimum an.

5 Fazit

Die semimobilen Brechanlagen mit einer Durchsatzleistung von ca. 70 bis 80 t/h sind eine interessante und flexible Möglichkeit Überschusskörnungen der Natursteinindustrie gezielt aufzubereiten. Sie bieten sich besonders zur Herstellung von hochwertigen Sanden, Produkten mit hoher Bruchflächigkeit und Kubizität sowie definierten Einzelfraktionen an. Die semimobile Bauweise ermöglicht, dass die Maschinen ohne große Rüstzeiten schnell einsatzbereit sind. Aufgrund der optimierten Transport­abmessungen und Anlagengewichte unter 25 t sind Transporte einfach und kostengünstig. Das macht auch eine Aufbereitung bei kleineren Losgrößen sinnvoll. Großes Augenmerk wurde auf Wartungsfreundlichkeit und hohe Verfügbarkeit gelegt.