thyssenkrupp goovi^® – die Revolution in der Siebtechnik

1‌‌‌ Bewertung gängiger Siebbauarten

Die Siebung spielt in mechanischen Aufbereitungsprozessen in der Natursteinindustrie, in der Erz- und Kohleaufbereitung sowie in der Recyclingindustrie eine wesentliche Rolle. Dies gilt insbesondere bei der Zerkleinerung, wo aus einem gebrochenen Gut erst durch die Siebung ein qualifiziertes, klassiertes Gut wird, das dann in diesem Zustand weiterverarbeitet oder vermarktet werden kann.

Die derzeit existierenden mechanischen Siebe werden entweder zwangserregt oder durch exzentrische Schwungmassen in Schwingungen versetzt und je nach Schwingungsform in Kreisschwinger, Linearschwinger und Ellipsenschwinger eingeteilt. Sie sind allesamt dadurch gekennzeichnet, dass die oszillierenden Antriebskräfte durch den Schwerpunkt der Maschine eingeleitet werden und die Siebe in Förderrichtung vorne und hinten abgestützt werden (Bild 2). Aufgrund dessen müssen die Siebkästen besonders steif und dadurch schwer ausgeführt werden, um den hohen dynamischen Lasten dauerhaft standhalten zu können.

Bei Betrachtung der Vor- und Nachteile der jeweiligen Bauart erweist sich auch die geringe Flexibilität bei den Betriebs­parametern als nachteilig, da weder auf Änderungen der erforderlichen Produktqualität noch auf Änderungen in den Eigenschaften des Aufgabematerials reagiert werden kann. Diese Anpassungen lassen sich meistens nur mechanisch umsetzen, was zu ungewünschten Stillstandszeiten und möglicherweise mehrfachen Nachkorrekturen führt.

Auch die Synchronisation der entweder beidseitig am Siebkasten befestigten Antriebe (Kreisschwinger) oder zentral ober- bzw. unterhalb der Siebfläche installierten Antriebe (­Linearschwinger) ist mechanisch aufwendig, schwer, verschleißanfällig und bedarf einer Schmiereinrichtung. Gleichzeitig führen diese Mechanismen insbesondere bei Kreisschwingsieben dazu, dass die Siebbreite konstruktiv limitiert ist und somit auch nur begrenzente Durchsatzleistungen realisiert werden können.

Immer wieder kristallisiert sich aber der große Platzbedarf und das hohe Gewicht als auffälligster Nachteil der gängigen Siebbauarten heraus. Diese Eigenschaften betreffen nicht nur die Siebmaschine selbst, sondern führen auch zu hohen Transport- und Montagekosten und wirken sich auch negativ auf das konstruktive Umfeld des Siebes und die zu installierende Antriebsleistung aus. Große und schwere Siebe führen zu entsprechend großen und schweren Unter- und Gebäudekonstruktionen sowie zum Beispiel auch zu längeren Förderbändern zur Beschickung. Je größer die anzutreibenden Massen der Siebkästen sind, desto größer ist natürlich auch der Energieverbrauch.

Aufgrund der prozessbedingten niedrigen Materialschicht auf der Siebfläche ergibt sich besonders bei der Feinabsiebung ein ungünstiges Verhältnis von Siebgut zu schwingender Masse. Bei dem in Bild 3 gezeigten Sieb mit 4,3 m Breite und einem Gewicht von 35 t zur Siebung von Phosphat befinden sich während des Normalbetriebs beispielsweise lediglich 300 kg Material auf dem Siebboden.

Unter Berücksichtigung der oben aufgeführten Betrachtungen hat thyssenkrupp eine Vielzahl innovativer, intelligenter Lösungen entwickelt, um Siebe effektiver, flexibler und kostengünstiger zu gestalten. Das Ergebnis ist das neue Multi-Schwingsieb goovi^®.

2 Neuentwicklung des thyssenkrupp goovi^®

Bei der Neuentwicklung des goovi^® haben sich die Spezialisten von thyssenkrupp zunächst auf die Sekundär- und Tertiärsiebung konzentriert, da hier in der Praxis die größeren Anwendungsbereiche liegen. Es handelt sich dabei um Einsatzfälle im Kies- und Schotterbereich, im Bergbau und im Recycling, wo Aufgabematerialien mit einer Stückgröße von bis zu 80 mm bei einem minimalen Siebschnitt von etwa 2 mm abgesiebt werden.

Konstruktiv lag der Schwerpunkt der Neuentwicklung auf dem Antriebskonzept, da es das größte Optimierungspotential versprach. Aber auch für die Siebkästen, die Abstützung und die Steuerung wurden richtungsweisende Entwicklungen realisiert. Das thyssenkrupp goovi^® ist grundsätzlich für den digitalen Steinbruch konzipiert und ebnet den Weg für Industrie 4.0 in Aufbereitungsanlagen.

2.1 Antriebskonzept

Bei der Festlegung des Antriebskonzepts ist der Punkt der Krafteinleitung von besonderer Bedeutung, da hierdurch die statische und dynamische Auslegung der Seitenwände des Siebs bestimmt wird. Simulationen haben gezeigt, dass ein Sieb idealerweise an vier verschiedenen Punkten, beidseitig jeweils im vorderen und hinteren Bereich angetrieben werden sollte. Daher wurde entschieden, die Antriebe in die Biegeknoten der Spannungsverläufe in den Seitenwänden zu legen (Bild 4). Hierdurch werden die Kräfte optimal in die Seitenwände eingeleitet und Biegespannungen werden auf ein Minimum reduziert.

Gleichzeitig sollten die Antriebe auch eine höhere Flexibilität und eine komfortablere Einstellbarkeit der Betriebsparameter ermöglichen. Aus diesem Grund wurden an jedem Antriebspunkt nicht nur ein Motor sondern zwei bzw. drei Motoren vorgesehen, so dass jedes thyssenkrupp goovi^® insgesamt von 8 oder 12 Motoren angetrieben wird. Hier kommen jeweils kompakte lebensdauergeschmierte Standard-Unwuchtmotoren zum Einsatz, die symmetrisch an den Seitenwänden angeflanscht und über eine mitgelieferte, patentierte SPS synchronisiert werden.

Aber die SPS ist nicht nur für die Synchronisation der Motoren verantwortlich, sondern kann diese auch während des Betriebes relativ zueinander verstellen. Wenn alle Motoren synchron in eine Richtung drehen, ergibt sich eine kreisförmige Bewegung (Bild 5); wenn die Motoren einer Antriebsgruppe gegensinnig drehen, macht das Sieb eine Linearbewegung. Dies lässt sich ohne mechanische Arbeiten mit Hilfe der SPS umstellen. Durch Änderung der Exzentergewichte einer Antriebsgruppe lässt sich auch eine Ellipsenbewegung des Siebes realisieren, mit der man die Vorteile vom Kreisschwinger und Linearschwinger vereinen kann. Ebenso können die Drehzahl und der Wurfwinkel stufenlos verstellt werden, so dass alle wichtigen Betriebsparameter jederzeit optimal an die Erfordernisse der Produktion angepasst werden können.

So kann das goovi^® an veränderte Materialeigenschaften, die sich etwa durch Variationen in der Lagerstätte oder klimatische Einflüsse in Form von erhöhter Feuchtigkeit ergeben, angepasst werden. Auch siebkritische Materialien können so optimal verarbeitet werden. Ebenfalls können mit ein und demselben goovi^® durch Änderung der Betriebsparameter und ggf. der Siebbeläge unterschiedliche Produkte und Produktqualitäten hergestellt werden, falls sich die Anforderungen des Marktes ändern oder z.B. saisonal variieren. Dafür können bestimmte Rezepte in der Steuerung hinterlegt und bei Bedarf abgerufen werden. Für sehr anspruchsvolle Produkte z.B. in der Schotterindustrie sind auch Regelkreisläufe realisierbar, bei denen die Siebparameter nachgeregelt werden, wenn es beispielsweise zu Änderungen in der Produktkennlinie kommt. Dies setzt allerdings eine zuverlässige Methode zur kontinuierlichen Ermittlung der Produktkennlinie voraus.

Steckkorn, das die Siebfläche verstopft und die Siebeffizienz reduziert, kann durch die Selbstreinigungsfunktion des goovi^®, bei der die Schwingungsform und Transportrichtung kurzzeitig geändert wird, leicht entfernt werden. Dadurch können Leistungseinbußen und aufwendige Reinigungsarbeiten reduziert oder ganz vermieden werden.

Das gesamte Antriebssystem kommt ohne mechanische Übertragungsmittel wie Wellen oder Getriebe aus, da die Motoren direkt an die Siebwand angeflanscht und elektronisch synchronisiert werden. Dadurch werden der Wartungsaufwand, das Gewicht und die Leistungsaufnahme erheblich reduziert. Eine Schmierung ist nicht erforderlich.

2.2 Siebkasten

Auch beim Siebkasten wurde besonderer Wert auf eine einfache, jedoch stabile Ausführung gelegt, die zudem leicht zu montieren ist. Die Seitenwände bestehen aus Standardblechen, die im Laserschnittverfahren in beliebiger Größe und Ausführung hergestellt werden können. Im unteren Bereich werden sie durch zahlreiche Traversen aus Standardrohren verbunden (Bild 4), die mit einer Manschette aus Polyurethan gegen Verschleiß geschützt sind. Im oberen Bereich genügen einige wenige Traversen gleicher Bauart zur Stabilisierung des Siebkastens. Durch diese geschraubte und geklemmte Konstruktion ergibt sich eine hohe Dauerfestigkeit des Siebkastens. Dieser Effekt wird noch durch die optimierte Position der Unwuchtmotoren verstärkt, welche die dynamische Belastung in den Seitenwänden reduziert.

Die Anordnung der Antriebe führt darüber hinaus zu einer flachen Bauweise des goovi^® und ermöglicht den einfachen Einbau in bestehende Anlagen. Grundsätzlich ist die Montage des goovi^® auf der Baustelle aufgrund der einfachen Bau­weise möglich und u.U. auch empfehlenswert, da Siebe im fertig montierten Zustand ein relativ großes Volumen aufweisen, was den Transport teuer machen kann. Bei Anlieferung eines kompakten Bausatzes können somit die Transportkosten gegebenenfalls deutlich reduziert werden. Bei besonders beengten Verhältnissen kann das goovi^® aufgrund seiner einfachen Bauweise und Montage sogar in seiner vorgesehenen Position direkt in der Anlage zusammengebaut werden. Selbstverständlich wurden die neuen Anforderungen der kürzlich überarbeiteten EN 1009 bezüglich des Platzbedarfs für Wartungsarbeiten an Maschinen für die mechanische Aufbereitung von Mineralien ebenfalls berücksichtigt.

2.3 Siebdecks

Das goovi^® wird mit einem oder zwei Siebdecks angeboten. Hierfür stehen eine Vielzahl von Siebböden und Siebbelägen zur Verfügung, die als Drahtgewebe, Gummi- oder PU-Belag sowie als Kombination daraus ausgeführt werden können. Hierbei sind die gängigen Standardgrößen vorgesehen, die mit geringem Aufwand einfach und schnell gewechselt werden können.

2.4 Abstützung

Auch bei der Abstützung des Siebkastens hat thyssenkrupp neue Wege beschritten. Das goovi^® stützt sich nicht wie üblich auf Stahl- oder Gummifedern ab, sondern auf Luftfedern mit ­variablem Druck, die an verlängerten Traversen im unteren Bereich des Siebkastens befestigt sind (Bild 4). Diese bieten einige nennenswerte funktionale Vorteile.

Für die Montage wird das Sieb zunächst auf 4 Gummipuffer (Bild 4) aufgesetzt, bevor die Luftfedern aufgepumpt werden. Durch leichte Variation des Druckes in den Luftfedern kann das goovi^® optimal in der Höhe ausgerichtet und auch das Schwingverhalten optimiert werden. Aufgrund der geringeren Federkonstante im Vergleich zu Stahl- oder Gummifedern werden auch die dynamischen Fundamentlasten signifikant reduziert, was sich positiv auf das Gewicht des Unterbaus auswirkt. Ein weiterer interessanter Aspekt ist eine deutlich reduzierte Lärmentwicklung dieser Bauart im Vergleich zu herkömm­lichen Systemen.

2.5 Steuerung

Wie schon vorab beschrieben, spielt die Steuerung des vollständig digitalisierten goovi^® eine wichtige Rolle. Hiermit werden die Motoren synchronisiert sowie die Schwingungsform, die Drehzahl und die Transportrichtung eingestellt, um die Maschine optimal an die Aufgabenstellung, besonders bei schwierigem Siebgut und wechselnden Materialeigenschaften, anzupassen. Das goovi^® wird mit einem kompletten Schaltschrank geliefert, der mit einem Touchscreen ausgestattet ist, wo unter anderem die unterschiedlichen Rezepte ausgewählt werden können (Bild 6).

Die Rezepte werden entweder vor Ort vom thyssenkrupp Servicemitarbeiter oder über Teleservice konfiguriert. Weitere Informationen wie z.B. Motordaten oder Schwingungsüberwachung können erfasst und ggf. per Teleservice ausgewertet werden.

2.6 Baureihe

Nach der Entwicklung eines Prototyps und nach der erfolgreichen Inbetriebnahme des ersten goovi^® in einem Stahlwerk in Deutschland, hat thyssenkrupp zur Optimierung von Kosten und Lieferzeit eine Standard-Baureihe entwickelt, die sich an den Erfordernissen des Marktes orientiert. Die Eindecker- und Zweidecker-Varianten werden in sechs unterschiedlichen Breiten und vier unterschiedlichen Längen angeboten und stehen mit Siebflächen zwischen 11 m² und 26,4 m² zur Verfügung (Tabelle 1).

Aufgrund der einfachen, modularen Bauweise ist es auch möglich, neben diesen Standardsieben individuelle, kundenspezifische Lösungen anzubieten. Zum Beispiel können Siebflächen an besondere Aufgabenstellungen oder Seitenwandgeometrien und Federpositionen dem vorhandenen Bauraum in der Anlage des Kunden angepasst werden.

Besonders interessant ist ein Vergleich der Gewichte des goovi^® mit den Gewichten herkömmlicher Bauarten (Bild 7). Hier zeigen sich deutlich die Vorteile der neuen Siebkonstruktion. Während der Linearschwinger erwartungsgemäß bezogen auf die Siebfläche ein sehr hohes spezifisches Gewicht aufweist, liegt das goovi^® noch deutlich unterhalb der relativ leicht bauenden Kreisschwinger. Besonders bei größeren Siebflächen wiegt das goovi^® weniger als die Hälfte im Vergleich zu den Kreisschwingern. Diese Tendenz lässt sich auch auf die Kosten übertragen und wird dort durch die einfache Bauart und die wenigen angetriebenen Bauteile noch verstärkt.

3 Fazit

Bei der Entwicklung des thyssenkrupp goovi^® ist sowohl bei der Gesamtkonstruktion als auch in vielen Detaillösungen ein Konzept entwickelt worden, das durchaus als revolutionär bezeichnet werden kann. Stark reduzierte Gewichte und Bauhöhen gehen mit einer erheblichen Steigerung der betrieblichen Flexibilität, Produktqualität und Leistung einher, wodurch das goovi^® einen echten Mehrwert schafft.

Im Einzelnen lassen sich die Merkmale des goovi^® wie folgt zusammenfassen:

Einsatzmöglichkeiten in fast allen Sekundär- und Tertiärsiebstufen

Einfacher, modularer Aufbau, geringe Bauhöhe, geringes Gewicht

Wenig drehende Teile, einfache Wartung, keine Schmierung

Günstiger Transport als Bausatz und einfache Montage auf der Baustelle möglich

Ideal für den Austausch vorhandener Siebe durch gute Anpassungsmöglichkeiten an bestehende Anlagen

Vollständig digitalisiertes Sieb mit eigener Steuerung zur Einbindung in übergeordnete Steuerungssysteme

Wahlweise, stufenlose Einstellung als Kreis-, Linear- oder Ellipsenschwinger

Individuell angepasste, vorprogrammierte Rezepte für unterschiedliche Produktqualitäten

Flexible Anpassung an wechselnde Aufgabenstellungen und Materialeigenschaften

Vielfältige Einbindungsmöglichkeiten in Regelkreisläufe

Hohe, einstellbare Siebeffizienz, auch bei siebkritischen ­Materialien

Geringe Steckkornempfindlichkeit durch Reinigungsfunktion

Hoher Durchsatz bei verringertem Energieverbrauch

Standardbaureihe zur Optimierung von Kosten und Liefer­zeit

Inzwischen ist das erste goovi^® seit mehreren Monaten im Betrieb und hat sich in der Absiebung von Schlacken (Bild 1) bestens bewährt. Bei unterschiedlichen Materialeigenschaften wird es in verschiedenen Einstellungen betrieben und erzielt für den Betreiber beste Ergebnisse.