Zerkleinerung - Lehrstuhl Mechanische Verfahrenstechnik

OTTO-VON-GUERICKE-UNIVERSITÄT MAGDEBURG 

INSTITUT FÜR VERFAHRENSTECHNIK 

Mechanische Verfahrenstechnik 

Zerkleinerung von Erz in einem Pochwerk des Mittelalters 

in: Georgius Agricola "De re metallica libri XII" (1556) 

Folien_PT_4.doc © Partikeltechnologie - Einführung Zerkleinerung Prof. Dr. J. Tomas 08.10.2005 Folie 2.1




Zerteilprozesse von Festkörpern 

a) Zerkleinerung von Festkörpern 

grobe Stücke multiple Rißbildung Bruchstücke 

amorph 

polykristallin 

+ Energie 

irreversibel 

verwachsen 

aufgeschlossen 

teilweise 

aufge- 

b) Dispergierung von Agglomeraten (reversibel: Reagglomeration) 

schlossen 

Agglomerate Kontaktablösung Primärpartikel 

+ Energie 

reversibel 

+ Energie 

irreversibel 

+ Energie 

reversibel 

Folien_PT_4.doc © Partikeltechnologie - Einführung Zerkleinerung Prof. Dr. J. Tomas 08.10.2005 Folie 2.2 

Prozeßziele: 

günstige 

Partikelgrößen- 

und -formverteilungen 

Aufschluss von 

Wert- oder 

Schadstoffen 

Schaffung neuer 

Oberflächen 

Trennen oder 

Vermischen der 

Primärpartikeln 

günstige Weiterverarbeitungseigenschaften




Bruchvorgänge und Mikroprozesse der Zerkleinerung 

I. Bruchvorgänge 

1. Mikroprozeß der 

Rißvergrößerung 

Vorgeschichte: Mikroriß 

Stück, Partikel 

mit Defekten und 

Inhomogenitätsstellen 

Rißbildung 

Rißausbreitung 

instabil stabil 

Sprödbruch Zähbruch 

4. Bruchhypothesen ... 

2. Spannungen in Platte 3. Energiebilanz für die 

mit elliptischem Rißausbreitung (Griffith) 

Mikroinnenriß (Riß- 

länge l




Grundlagen der Zerkleinerung 

Beanspruchungs- und Rißausbreitungsmodelle 

σ 

a r pl 

σ 

δ 

Fall I: Zugriß-Öffnung 

Aufreißen durch 

Normalkräfte 

Hauptbeanspruchungsfälle bei der Rißausbreitung nach IRWIN 

Sprödbruchausbreitung 

quer zu den 

Normalspannungen 

plastische 

Zone 

K 

τ 

τ 

Fall II: Längsscherriß 

Schub und Aufreißen 

durch Scherkräfte 


in Richtung der 

Schubspannungen 

τ 

τ 

Fall III: Querscherriß 

Querreißen durch 

Scherkräfte 


quer zu den 

Schubspannungen 

σ = σB 

= 

kg 

I, 

c 

π⋅a 

oder für rpl/a > 0.2: 

2 

c δ≥ 

δc 

= 

E⋅σF 

σ Normalspannung (Zugspannung) 

σB kritische Zugspannung (Bruchspannung) 

σF Fließspannung (Streckgrenze) 

KI,c Bruchzähigkeit (für die Fälle II und III: KII,c oder KIII,c) kg Korrekturfaktor, hängt ab von der Probengeometrie u. Rißkonfiguration 

a Rißlänge 

δ Rißaufweitung 


K 

1/3






F 

Eindruckpyramide 

Radiale Risse einer Probe durch Belastung mit einer Vickers-Pyramide 

F < 

c 

≤1 

a 

F1 

, 

F 

F 

elastisch-plastisches 

Spannungsfeld 

krit 

F < F < F 

1, 

krit 

c 

a 

F 

F 

radiale Oberflächenrisse 

(Palmquistrisse) 

2a 

2c 

< 2 ÷ 3 

2, 

krit 

F 

F 

F 

F2 , krit 

< F 

c 

> 2÷ 3 

a 

Mittenriß 

2/3 

radialer Mittenriß 







Rißtypen an einer polierten Materialprobe nach Belastung durch eine Vickers-Pyramide 

Bruchzähigkeit 

l 1 

l 4 

Ft 

KI, c = 3/ 

2 

( π⋅ 

c ) 

2c 1 

Rißlängen 

l 2 

l 3 

Seitenflächenrisse 

Seitenkantenrisse 

Querrisse Palmquist- und radiale Mittenrisse 

n 

tanα 

2 α = 136° 

2c 2 


3/3




II. Mikroprozesse des Zerkleinerns - Einzelkornbeanspruchung 

F T 

F N 

v T 

F 

F T 

N 

v > 5 m/s 

e) Schneiden f) Scheren g) Reißen h) Druck-Zug- 

Schneiden 

F S 


1. Einzelkorn-Beanspruchung zwischen zwei steifen, glatten oder profilierten 

Festkörperflächen (Formzwang des Beanspruchungswerkzeugs) 

a) Druck b) Druck-Schub c) Schlag (schnelle d) Biegung 

Druckbeanspr.) 

F N 

F N 

F S 

v 

2. Einzelkorn-Beanspruchung an einer steifen, glatten oder profilierten 

Werkzeugfläche (gerader und schiefer Prall) und Partikelstoß 

v 

v 

3. Einzelkorn-Beanspruchung durch das umgebenden Fluid oder Strahlung - 

ohne direkten Kontakt an steifen Werkzeugflächen 

F Z 

v 

F S 

F N 

F N 

Blatt 2 

a) Scherströmung b) Explosions- & Schalldruckwellen c) Wärmestrahlung 

u 

F S 

F S 

u S 

+ Q 

in: Schönert, K., Bruchvorgänge und Mikroprozesse des Zerkleinerns, S. 185, H. Schubert (Ed.) Handbuch der 

Mechanischen Verfahrenstechnik, Wiley-VCH Weinheim 2003 


F Z 

F N 

F N 

F S 

F Z





4. Kraft-Weg-Verlauf als Antwort der Druckbeanspruchung eines Einzelkornes 

(RUMPF & SCHÖNERT) 

elastisch 

5. Kraft-Zeit-Verlauf als Antwort der Prallbeanspruchung eines Einzelkornes, 

DEM-Simulation des Aufpralles einer Betonkugel d = 150 mm (KHANAL u.a.) 

Wandkraft 5 

N 

in 105 N 

3.0 

2.0 

1.0 

0.0 

Bruch v = 15 m/s 

1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 

Zeit in ms 

Zeit in Millisekunden 

plastisch 

elastischplastisch 

plastisch 


Blatt 3




6. Bruchereignisse bei der Druck- und Prallbeanspruchung von einzelnen Kugeln, 

unregelmäßig geformter Stücke und Partikel (RUMPF & SCHÖNERT) 

Druck 

Prall 

1 1 

1 


4 

3 

2 

1 

4 

1 

a) d) g) i) 

b) e) h) j) 

c) f) 

2 

3 

1 1 

1) primäre Brüche bei elastischer Verformung (a, d) 

2) Feingutbereiche bei elastischer (g, i) oder elast.-plastischer Verformung (h, j) 

3) Kontaktfläche bei elastisch- plastischer Kontaktverformung (c, f) 

4) Meridianbrüche bei elastisch-plastischer Kontaktverformung (c, f) 

7. Bruchereignisse als Folge unterschiedlicher Beanspruchungsintensität 

a) Zertrümmern 

b) Abbröckeln 

c) Abrasion 

F T 

F N 

F N 

F N 

F N 

F N 

F T 

F N 

2 

Zunahme 

der Beanspruchungsintensität 


Blatt 4 

2




8. Zusammenhänge zwischen mechanischem Stoffverhalten und 

Bruchvorgang bei Prallbeanspruchung 

b) konvergenter 

Scherbruch 


c) axial induzierter 

Meridianbruch 

elastisch deformierte 

Kontaktfläche 

d) Sekundärbruch infolge 

Masseträgheit 

plastisch deformierte 

Kontaktfläche 

a) Ringriß g) radiale Anrisse 

e) divergenter 

Scherbruch 

f) Schollenbildung 

h) peripher induzierter 

Meridianbruch 

i) Sekundärbruch infolge 

Masseträgheit 

Schönert, K.: Grundlagen zur Feinzerkleinerung. In: Feinmal- und 

Klassiertechnik. Preprint GVC-Dezembertagung, Köln 1993 

Stieß, M.: Die Druckbeanspruchung von elastischen und inelastischen 

Kugel bis zum Bruch. Karlsruhe, Universität Fridericiana (TH), Diss., 1976 

Kienzler, R.; Baudendistel, E.: Numerische Beanspruchungsanalyse einer 

definiert belasteten Kugel 2/4. Abschlußbericht des Forschungsvohabens 

DFG Schm 522/3-2 und 522/3-4, 1985 


Blatt 5





9. Spannungs- und Rißverteilung nach Prallbeanspruchung einer Betonkugel d = 150 mm 

t = 0,5 ms 

v = 50 m/s 

σ Feingutkegel 


τ 

σϕ 

Restkegel 

Blatt 6 

Meridianriß 

Sekundärbruch




FEM-Simulation der Prallbeanspruchung einer Betonkugel 

Prallgeschwindigkeit v = 50 m/s 

Gitternetz 

t = 0 

t = 4 µs 

t = 23 µs t = 48 µs 

t = 98 µs 

t = 143 µs 

t = 123 µs 

gesamte Aufprallzeit 

t = 0.2 ms 

- Druck erzeugte Spannung in Prallrichtung + Zug 

Khanal, M., Schubert, W. and Tomas J., Ball impact and crack propagation - simulations of particle compound material, 

paper, GVC-Fachausschuß „Zerkleinern und Klassieren“, Freiburg 2003 


v




Simulation eines heterogenen Partikelverbund-Werkstoffes mittels 

der Diskreten-Elemente-Methode (DEM) 

Mikroeigenschaften einer Betonkugel 

Merkmal Zementstein* Zuschlagstoff* 

Anzahl der Partikel 2283 120 

Partikelform Kugel Kugel 

Durchmesser der Partikel 2,3 mm 2 bis 16 mm normalverteilt 

Kugel-Vol-Anteil 30% 70% 

Position der Partikel im Verbund gleichverteilt gleichverteilt 

Feststoffdichte 1790 kg/m 3 2570 kg/m 3 

Federsteifigkeit der Partikel 20 MN/m 600 MN/m 

Modellmaterial Beton der Druckfestigkeit von 35 N/mm 2 

Partikelverbund = Festkörperbrücken- Zementstein-Zuschlagstoff und 

bindungen 

Zementstein-Zementstein 

normierte Federnormalsteifigkeit jeder 1000 GPa/m = 1 kN/mm 

Bindung 

3 

normierte 

Bindung 

Tangentialsteifigkeit jeder 630 GPa/m = 0,63 kN/mm 3 

Zugfestigkeit jeder Bindung 6,5 MPa = 6,5 N/mm 2 

* Zuschlag-Zement-(Masse)Verhältnis = 5; Wasser-Zement-Verhältnis = 0,5; Splitt-Sand-Verhältnis = 2 

117 

65 

106 

119 

88 

87 

92 

66 13 

45 

110 

89 

114 

28 

74 

23 

46 

85 84 76 

70 

37 

54 

86 

69 

26 

48 

5 

40 

47 

25 

33 

101 

21 79 

113 

104 

61 

4 

24 

20 

77 

93 

90 

105 

107 

52 

10064 

75 

73 

3 

30 

57 

14 

49 

112 

67 

36 

62 60 

31 

22 27 

32 

98 

120 

56 

94 

83 

9795 

50 

19 

51 

53 

115 

108 

78 

91 

109 

44 

18 

63 

43 

38 

118 

96 

55 

72 

68 

102 

35 

10 

17 11 

111 

39 

82 

99 

34 

116 

58 

80 

71 

59 

42 

103 41 

15 


1 

2 

9 

7 

6 

8 

81 

29 

12 

16




Simulation der Prallbeanspruchung einer Betonkugel d = 150 mm 

mittels der Diskrete-Elemente-Methode (DEM) 

Aufprallgeschwindigkeit v = 20 m/s, 

Anisotropie, d.h. Richtungsabhängigkeit des Bruchverhaltens 

Wandkraft-Zeit-Verlauf: 





Aufprall einer Betonkugel (d = 150 mm) mit einer Geschwindigkeit 

von v = 53 m/s auf eine Prallplatte 

t = 0 

t = 0,5 ms 

t = 1,0 ms 

t = 1.5 ms 

t = 2,0 ms 

t = 2,5 ms 

t = 3,0 ms 

t = 3,5 ms 





Antwort der Wandkraft als Funktion der Zeit für 

den simulierten Aufprall einer Betonkugel 

Prallgeschwindigkeit v = 15 m/s 

DEM-Simulation des Sprödbruchverhaltens 

Wandreaktionskraft 

in 10 5 N 

3.0 

2.0 

1.0 

0.0 

1.0 

2.0 

3.0 

Zeit in Millisekunden 


4.0 

5.0




Vergleich der Riß- und Bruchmuster der 2D-DEM-Simulationen mit 

Prallversuchen 

Betonkugeln d = 150 mm 

v = 15 m/s 

v = 25 m/s 

v = 35 m/s 

Feinkornkegel (-keil) 

Restkegel (-keil) 

Sekundärbrüche 

Meridianrisse 





Einstufige Prallzerkleinerung mit Siebrostklassierung 





1 Prallbrecher Gehäuse 

2 Rotor 

3 Einschiebeschlagleisten 

4 Prallwerk 

5 Prallplatten 

6 Vorschwinge 

7 Gehäusepanzerplatten 

Zerkleinerungsmaschinen 

Prallbrecher Bauart KHD 





Prallmühle , Gebr. Jehmlich GmbH 





Feinprallmühlen mit verschiedenen Mahlwerkzeugen 

NETZSCH-CONDUX Mahltechnik 





Backenbrecher 

Der Backenbrecher eignet sich vorzugsweise für die Zerkleinerung von sehr harten, 

zähen und abrasiven Gesteinen und Mineralien z.B. für: 

Basalt, Granit, Porphyr, Diabas, Quarzit, Erz, Korund, Magnesit. 






Backenbrecher 





Kegelbrecher (Bauart KHD) 





Die Gutbett-Walzenmühle 

Die Gutbett-Walzenmühle, auch Rollenpresse genannt, 

besteht aus zwei gleichgroßen Walzen, die mit gleicher 

Umfangsgeschwindigkeit umlaufen. Die Gutzufuhr erfolgt 

derart, dass ein Materialbett zwischen den Walzen entsteht. 





Mühlen 





Kugelmühle 










CoBall-Mill 

Applications 

ring gap 

chamber 

material flow 

slit 

rotor 

milling 

beads 

stator 





Advantages 

� Uniform grinding fineness with very dense particle-size distribution 

� Optimally adaptable to each particular product 

� Excellent reproducibility of the dispersion and grinding results 

� Exceptionally large heat exchange surface for optimum cooling 

� High hourly throughput combined with very fine grinding, even with highly 

viscous products 

� Optimum utilization of machine capacity 

� Small quantity of grinding media 

� Product can be changed rapidly with no losses 

� Easy to clean and service owing to small grinding gap. 

� Reduction in pollution because only very small quantities of cleaning agents 

are used 

� Sterile version available as an option 

The raw product is fed from below into the annular gap which is formed by two 

conical bodies (stator outside, rotor inside). The special geometry enables the 

product to be optimally ground before being conveyed out of the top of the cham- 

ber. A sizing system ensures that the balls remain in the grinding gap. 










Technische Daten 

Abmessungen: 

345 x 295 x 540 mm 

Masse; ~ 40 kg 

Motor: 230 V, 50 Hz, 200 W 

Zeiteinstellung 

max. 10 min., vorwählbar 

Beendigung Arbeitszyklus 

jederzeit durch Stop-Taste 

Mahlgut - Anwendungen 

Mineralien, Zement, Klinker, 

Gesteine, Böden, 

Schlacken, Erze, Glas, 

Schamotte, 

Ferrolegierungen etc 


Bauart AUBEMA Maschinenfabrik GmbH 

Scheibenschwingmühle HK 40 

Rohrschwingmühle 

Einsatzmöglichkeiten 

Durchsatz: bis 20 t/h 

Aufgabekorngröße: 

bis ca. 16 mm 

Endkorngröße: bis < 25µm 

je nach Produkt und Aufgabegröße 

Zerkleinerungsgrad: bis 1 : 30 

Antriebsleistung: bis 132 kW 






Technische Daten 


Spannung/Anschlusswerte: 100-120 & 200-240 V/1~ 

Frequenz: 50-60 Hz 

Aufnahmeleistung: 1500/1300 W 

Arbeitsprinzip: Schlag & Scheren 

Schnittstelle: RS232 

Zeitschaltuhr: 99 min. 

Drehzahl: 360 1/min 

Abmessungen (BxTxH: 580x670x570 mm 

Masse netto: 100 kg 

Masse brutto: 180 kg 

Max. Aufgabekorngröße: 10 mm 

Aufgabemenge: bis zu 2 x 225 ml 

erreichbare Endfeinheit: < 1 µm 

geeignet für folgende Materialproben 

hart: ja 

mittelhart: ja 

weich: ja 

spröde: ja 

zäh: ja 

faserig: ja 

temperaturempfindlich: ja

Zerkleinerung - Lehrstuhl Mechanische Verfahrenstechnik

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