Die Erfindung betrifft eine Kugelringmühle mit einer verbesserten Überwachung der Mahlkugelbewegung, sowie ein entsprechendes Verfahren.

Kugelringmühlen weisen ein Mahlwerk auf, das aus einer Mehrzahl von Mahlkugeln besteht, die zwischen einem Mahlring und einem Druckring in einer Mahlspur geführt werden. Hierbei werden die Mahlkugeln in Bewegung gesetzt durch eine Differenz der Umdrehungsgeschwindigkeiten von Mahl-und Druckring. Durch den Lauf der Mahlkugeln auf den unteren Mahlring erfolgt eine Zerkleinerung des Mahlguts. Der in der Regel oben angeordnete Druckring dient zur Führung der Mahlkugeln und überträgt den mittels einer hydraulischen Spannvorrichtung oder Federpakets aufgebauten Mahldruck auf die Mahlkugeln. Kugelringmühlen kommen vorwiegend zum Einsatz beim Mahlen von grobkörnigen Mahlgut wie beispielsweise Mineralien, Kohle oder Gips. Insbesondere bei der Verwendung in großen Prozessanlagen können erhebliche Mengen von Mahlgut durchgesetzt werden. Ein robuster Betrieb wird hierbei erwartet. Dies gilt auch in Bezug auf schwankende Eigenschaften hinsichtlich des zugeführten Rohmaterials. Da es sich hierbei häufig um Naturmaterialien handelt, sind Schwankungen bezüglich der Materialeigenschaften häufig. So kann beispielsweise bei Gips der Feuchtigkeitsgehalt mitunter recht abrupt in relevantem Umfang variieren. Schwankungen in Bezug auf das zugeführte Rohmaterial können dazu führen, dass zu viel oder zu wenig zugeführtes Rohmaterial auf der Mahlbahn liegt, und die Mahlkugeln daher nicht mehr optimal auf der Mahlbahn abrollen können. So kann es bei zu hoher Zuführung von Rohmaterial oder bei zu stark abweichenden Eigenschaften, beispielsweise zu hohe Feuchtigkeit im Fall von Gips als Rohmaterial, zu einem Blockieren der Mahlkugeln kommen. Tritt dies auf, so kommt es zu einem Anstieg der Verweilzeiten, da die Kugelringmühle an Effizienz verliert. Für eine gleichmäßige Prozessführung, insbesondere nachgeschalteter Prozesse, ist das ausgesprochen ungünstig.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Kugelringmühle zu schaffen, die robuster ist und weniger zu Blockierungen neigt.

Die erfindungsmäßige Lösung liegt in den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Bei einer Kugelringmühle mit einem in einem Mühlengehäuse angeordneten Mahlwerk, das in einem Mahlraum eine Mehrzahl von Mahlkugeln umfasst, die zwischen einem Mahlring und einem Druckring in einer Mahlspur geführt sind, wobei ein Antrieb die Mahlkugeln aufgrund einer Differenz der Umdrehungsgeschwindigkeiten von Mahl- und Druckring entlang der Mahlspur bewegt, ist erfindungsgemäß ein Schlupfkontrollsystem für die Mahlkugeln vorgesehen, an dessen Eingang ein außerhalb des Mahlraums angeordneter Sensor zur Erfassung des Kugelumlaufs angeschlossen ist und an dessen Ausgang mindestens ein dynamisch verstellbarer Steller angeschlossen ist, der auf den Druckring wirkt und ihn gegen die auf dem Mahlring geführten Mahlkugeln presst.

Die Erfindung erreicht somit, dass bei erkanntem Schlupf durch Einwirken auf den Drucksteller der über den Druckring auf die Mahlkugeln wirkende Druck erhöht beziehungsweise erniedrigt wird, um so den Schlupf der Mahlkugel zu verringern beziehungsweise zu erhöhen. Damit kann die Schlupfabweichung ausgeglichen werden. Mit dem erfindungsgemäßen Schlupfkontrollsystem wird die Kugelringmühle damit robuster bezüglich ihres Betriebsverhaltens. Schwankungen, insbesondere variierende Eigenschaften des zugeführten Rohmaterials können besser ausgeglichen werden. Insgesamt wird eine feinfühligere Regelung der Kugelringmühle erreicht, wodurch sich nicht nur die Betriebssicherheit verbessert, sondern auch die Qualität des ausgegebenen Mahlguts erhöht. Indem der Sensor zur Erfassung des tatsächlichen Kugelumlaufs außerhalb des Mahlraums angeordnet ist, ist er nicht den kritischen, abrasiven Umgebungsbedingungen innerhalb des Mahlraums ausgesetzt. Damit ist der Sensor vor schädlichen Einflüssen geschützt und damit auch robust im Betrieb.

Zumeist ist bei praktisch ausgeführten Kugelringmühlen die Drehzahl des Antriebs konstant. Von daher ist eine Messung der Antriebsdrehzahlen häufig entbehrlich. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass die tatsächliche Antriebsdrehzahl erfasst und als weiteres Eingangssignal dem Schlupfkontrollsystem zugeführt wird. Das bietet den Vorteil, dass auch bei dynamisch veränderlichen Situationen (insbesondere beim Anfahren der Kugelringmühle) stets valide Werte für das Schlupfkontrollsystem zur Verfügung stehen. Besonders zweckmäßig ist hierbei, wenn als Signal für die Drehzahl die Drehzahldifferenz zwischen Mahlring und Druckring herangezogen ist.

Das Schlupfkontrollsystem ist vorzugsweise so ausgebildet, dass bei einer zu niedrigen Kugelumlaufgeschwindigkeit durch Absenkung des von dem Drucksteller ausgeübten Drucks die Geschwindigkeit gesteigert und damit der Schlupf reduziert wird. Damit kann eine Optimierung des Betriebs erreicht werden, und zwar Dank der durch die erfindungsgemäße Messung erreichten hohen Dynamik auch bei sich rasch ändernden Betriebszuständen.

Vorzugsweise ist der Sensor zur Erfassung des Kugelumlaufs ausgebildet als ein akustischer Sensor, der den durch die Bewegung der Mahlkugeln im Mahlwerk erzeugten Schall misst. Vorzugsweise wird dieser vom akustischen Sensor gemessene Schall mittels eines Frequenzdetektors ausgewertet wird. Vorzugsweise ist der Frequenzdetektor hierzu ausgeführt zur Durchführung einer Echtzeit-Fourier-Analyse. Hierbei gibt das durch die Fourier-Analyse gewonnene Frequenzspektrum die reale Kugelumlauffrequenz der Mahlkugeln wieder. Damit steht auf nicht invasive und einfach anzuordnen sowie verschleißfreie Weise ein Maß für die reale Kugelumlauffrequenz zur Verfügung. Die Fourier-Transformation kann in Echtzeit erfolgen, sodass auch bei dynamischen Änderungen der Geschwindigkeit der Mahlkugel schnell ein entsprechendes Messsignal zur Verfügung steht, ohne vollständige Umläufe abwarten zu müssen. Die Erfindung stellt somit auf einerseits robuster aber andererseits auch auf ausgesprochen dynamische Weise ein verbessertes Messsignal für die Kugelumlauffrequenz zur Verfügung.

Die Fourier-Analyse ist vorzugsweise als eine diskrete Fourier-Analyse ausgeführt. Dies bietet den Vorteil einer schnellen Messwertverarbeitung, was insbesondere der Erreichung einer höheren Dynamik dient. Vorzugsweise ist die Fourier-Analyse als eine Fast-Fourier-Analyse (FFT) ausgeführt. Auch damit verbessert sich die Dynamik der Messwertgewinnung.

Der akustische Sensor kann als ein herkömmliches Mikrofon ausgeführt sein. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass der akustische Sensor als ein Körperschallsensor ausgeführt ist. Letzterer bietet den Vorteil, dass der durch die Bewegungen der Mahlkugeln im Mahlwerk erzeugte Körperschall direkt gemessen wird, sodass eine Beeinträchtigung der Messung durch Umgebungsgeräusche verringert ist.

Zweckmäßigerweise ist mehr als ein Körperschallsensor am Mühlengehäuse vorgesehen. Dies verbessert nicht nur die Gewinnung des Messsignals für den Körperschall, da nunmehr zwei Signale zur Verfügung stehen und sich damit die Leistung des Nutzsignals insoweit erhöht. Das Vorsehen eines zweiten Körperschalldetektors bietet ferner den Vorteil, dass damit eine Referenz geschaffen wird, wodurch Störeinflüsse von externen Komponenten, welche erwartungsgemäß auf beide Körperschallsensoren einwirken, leichter bei der anschließenden Verarbeitung der Messsignale erkannt und berücksichtigt werden kann. Da Körperschallsensoren ausgesprochen preisgünstig verfügbar sind und der Ort ihrer Anbringung am Mühlengehäuse unkritisch ist, wird auf diese Weise mit geringem Zusatzaufwand eine erhebliche Verbesserung der Messqualität erreicht.

Zusätzlich oder alternativ kann ein zweiter Korrekturkreis vorgesehen sein, der das Schlupfmessgerät und den Antrieb umfasst. Dieser Korrekturkreis ist so ausgebildet, dass bei zu großem Schlupf ein Korrektursignal an den Antrieb ausgegeben wird zum Ändern der Umdrehungsgeschwindigkeit des Antriebs. Zweckmäßig erfolgt dies in der Weise, dass bei einem zu großem Schlupf durch Absenkung der Antriebsdrehzahl die Umdrehungsgeschwindigkeit des Mahlrings verringert wird. Dadurch brauchen die Kugeln nicht mehr so schnell um die Mühlenachse zu rotieren, wodurch der Schlupf verringert wird. Durch das Einwirken auf den Antrieb kann die erfindungsgemäße Kugelringmühle noch besser in wechselnden Betriebszustände, insbesondere Schwankungen hinsichtlich der zugeführten Menge an Mahlgut angepasst werden.

Die Erfindung erstreckt sich ferner auf ein entsprechendes Verfahren zur Überwachung des Kugelumlaufs.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beispielhaft erläutert. Es zeigen:

Fig. 1:

eine schematische Ansicht eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Kugelringmühle;

Fig. 2:

ein Blockschaltbild zu einem Schlupfkontrollsystem gemäß dem Ausführungsbeispiel;

Fig. 3 a,b:

Signalkurven eines akustischen Sensors und deren Darstellung als Frequenzspektrum; und

Fig. 4 a-d:

Diagramme zu einigen Betriebsparametern der Erfindung.

Ein Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Kugelringmühle ist schematisch in Fig. 1 dargestellt. Die Kugelringmühle 1 umfasst ein Mühlengehäuse 10 mit einem Mahlwerk 2, das in einem Mahlraum 11 angeordnet ist. Das Mahlwerk 2 umfasst einen Mahlring 21, der von einem Antriebsmotor 23 in Drehbewegung versetzt ist. Auf dem Mahlring 21 laufen in einer ringartigen Mahlspur 27 Mahlkugeln 3. In dem Ausführungsbeispiel sind fünf Mahlkugeln 3 vorgesehen, von denen drei in der Darstellung gemäß Fig. 1 sichtbar sind. Von oben wirkt auf die Mahlkugeln 3 ein Druckring 22 ein, sodass die Mahlkugeln 3 zwischen Druckring 22 und Mahlring 21 gehaltert sind. Hierbei presst der Druckring 22 unter Wirkung von Druckstellern 24 die Mahlkugeln 3 in die Mahlspur 27 an der Oberseite des Mahlrings 21. Indem der Mahlring 21 durch den Antriebsmotor 23 in Drehung versetzt ist, rollen die Mahlkugeln sowohl auf dem Mahlring 21 wie auch auf dem Druckring 22 ab. Im ungestörten Zustand bewegen sie sich etwa mit der halben Differenzdrehgeschwindigkeit zwischen Druckring 22 und Mahlring 21. Ist wie im dargestellten Ausführungsbeispiel der Druckring 22 stationär und allein der Mahlring 21 angetrieben, so laufen die Mahlkugeln 3 mit etwa der halben Drehgeschwindigkeit des Mahlrings 22 um. Das Mahlgut, in Fig. 1 durch schwarze Punkte 9 dargestellt, wird von oben in den Mahlraum 11 zugeführt und gelangt zwischen die Mahlkugeln 3 und dem Mahlring 21 und wird dort zerkleinert und, wenn es eine hinreichende Mahlfeinheit erreicht hat, unter der Einwirkung eines aus einem Gebläse 8 austretenden Luftstroms 80 nach oben aus dem Mahlraum 11 abtransportiert (s. gepunktete Pfeile).

Der Antriebsmotor 23 ist von einer Steuereinheit 25 betätigt. Die Steuereinheit 25 stellt eine Umdrehungszahl n des Antriebsmotors 23 beziehungsweise des Mahlrings 21 ein. Meist ist die Umdrehungszahl n des Mahlrings 21 konstant, es können aber auch Abweichungen Δn vorgegeben sein. Der Druckring 21 wird durch die hydraulisch betätigten Drucksteller 24 mit einer zum Mahlring 21 wirkenden Kraft beaufschlagt. Die Drucksteller 24 sind Stellglieder eines Druckregelkreises, der in dem Drucksteuergerät 26 implementiert ist.

Erfindungsgemäß vorgesehen ist ein akustischer Schallsensor 40. Er ist auf Höhe der Mahlkugeln 3 außen am Mühlengehäuse 10 angeordnet. Die Anordnung an dieser Position ist jedoch nicht zwingend, er kann auch an anderen Orten, auch außerhalb der Mühleneben angeordnet sein und beispielsweise an der durch die Bezugsziffer 40' kenntlich gemachten Position. Der akustische Sensor 40 nimmt das durch die Mahlkugeln 3 verursachte Umlaufgeräusch im Mühlengehäuse 10 auf. Das von dem akustischen Sensor 40 gemessene Signal wird einer Auswerteeinheit 41 hinzugeführt. In dieser ist ein Modul für eine schnelle Fourier-Transformation (FFT) implementiert. Zweckmäßigerweise ist dies in Gestalt einer diskreten FFT realisiert, die sich insbesondere zur Implementierung in einem rechnergestützten System eignet. Am Ausgang der Auswerteeinheit 41 ist ein Signal ω für die vom Schallsensor 50 aufgenommene tatsächliche Umlauffrequenz der Mahlkugeln 3 ausgegeben. Dieses Signal ist angelegt an einen Eingang eines Schlupfkontrollsystems 5. An einem weiteren Eingang des Schlupfkontrollsystems 5 ist ein Signal für die Drehzahl n des Mahlrings 21 angelegt. Eine Recheneinheit 51 des Schlupfkontrollsystems 5 bestimmt aus den angelegten Werten für die Umlauffrequenz ω der Mahlkugeln 3 einerseits und der Umdrehungsdrehzahl n des Mahlrings (in Umdrehungen pro Minute) andererseits den tatsächlich auftretenden Schlupf s gemäß der Beziehung: $$s=\frac{120}{5n}\omega -1$$ Hierbei steht die Zahl "5" für die Anzahl der Mahlkugeln 3, die auf dem Mahlring 21 umlaufen. Das somit gewonnene Signal s für den Schlupf der Mahlkugeln 3 wird von der Recheneinheit 51 ausgegeben und an den Eingang einer Regeleinheit 52 angelegt. Die Regeleinheit 52 ist dazu ausgebildet, in Abhängigkeit von dem Schlupfsignal s den auf die Drucksteller 24 wirkenden hydraulischen Druck, der von einer Hydraulikeinheit 28 erzeugt ist, zu modifizieren. Dazu ist zwischen der Hydraulikeinheit 28 und dem Drucksteller 24 ein Servoventil 54 angeordnet, welches von einem Stellsignal am Ausgang der Regeleinheit 52 angesteuert ist. Die Regeleinheit 52 kann beispielsweise als ein P- oder PI-Regler ausgeführt sein. Sie ist so ausgebildet, dass bei steigendem Schlupf s der auf die Drucksteller 24 wirkende hydraulische Druck mittels des Servoventils 54 erhöht wird. Damit üben die Drucksteller 24 eine größere Druckkraft auf den Druckring 22 auf, sodass die Mahlkugeln 3 fester gegen den Mahlring 21 gepresst werden. Damit steigt die als Antriebskraft für die Mahlkugeln 3 fungierende Reibschlusskraft zwischen Mahlring 21 und der Oberfläche der Mahlkugeln 3, wodurch sich der Schlupf der Mahlkugeln 3 verringert. Bei einem kleinen Schlupf s erfolgt sinngemäß das umgekehrte Vorgehen.

Abgesehen von dem durch die Regeleinheit 52 gebildeten ersten Korrekturkreis kann ein zweiter Korrekturkreis 6 vorgesehen sein, der eine eigene Drehzahlkorrektureinheit 60 umfasst. An einem Eingang der Drehzahlkorrektureinheit 60 ist ebenfalls das Signal s für den Schlupf angelegt. Sie ermittelt hieraus ein Bedarf für eine Änderung der Drehzahl n mit welcher der Antriebsmotor 23 den Mahlring 21 antreibt. Im Regelfall soll diese Drehzahl n konstant gehalten sein und nicht geändert werden. Jedoch kann dann, wenn insbesondere der Schlupf zu stark abweicht und der erste Korrekturkreis umfassend das Einwirken auf die Druckstelleinrichtung 24 nicht mehr zur Korrektur ausreicht, von dem Korrekturglied 60 ein Drehzahlkorrektursignal Δn erzeugt werden welches als zusätzliches Eingangssignal an die Antriebssteuereinheit 25 angelegt ist. Auf diese Weise kann auch die Antriebssteuereinheit 25 mit dem Antrieb 23 des Mahlrings 21 einen Beitrag zur Stabilisierung des Schlupfes s und damit zum sicheren Mühlenbetriebs leisten. Zweckmäßigerweise ist bei dem Korrekturglied 60 dazu ein Toleranzbandglied 62 vorgesehen. Damit wird erreicht, dass bei geringem Schlupf alleine der erste Korrekturkreis über den Drucksteller 24 arbeitet, während bei größerem Schlupf zusätzlich noch eingegriffen wird durch den zweiten Korrekturkreis 6 mit Erzeugen eines Drehzahländerungswerts Δn für die Drehzahlsteuerung 25 des Antriebsmotors 23.

Es sei angemerkt, dass der akustische Sensor 40 beispielsweise auch als ein Körperschallsensor ausgeführt sein kann. Dieser kann an sich beliebig an dem Mühlengehäuse angeordnet sein. Ein möglicher Ort ist als Ort 40' in Fig. 1 dargestellt. Dieser steht beispielhaft für einen an sich beliebigen Ort, insbesondere außerhalb der eigentlichen Ebene der Mahlkugeln 3. Ferner kann auch vorgesehen sein, dass zwei oder mehr akustische Sensoren angeordnet sind. Bei einem solchen Fall kann beispielsweise ein akustischer Sensor 40 in der Ebene der Mahlkugeln 3 und ein weiterer außerhalb Mahlkugelebene angeordnet sein, wie durch die Bezugsziffer 40' symbolisch dargestellt.

Die Wirkungsweise der Erfindung wird anhand der Fig. 4a-d erläutert. Es zeigt den Verlauf einiger Parameter über der Zeit. So sei ausgehend von einem stabilen Betrieb angenommen, dass zum Zeitpunkt t=t0 sich die Konsistenz des zugeführten Mahlguts 9 verändert, beispielsweise durch einen beträchtlichen Anstieg der Feuchtigkeit bei Kohle als Mahlgut. Dies hat Auswirkungen auf den Betrieb des Mahlwerks 2, sodass es zu einer Erhöhung des Schlupfes s der Mahlkugeln 3 kommt. Dies ist bei einem herkömmlichen Mahlwerk 2 durch die gestrichelte Linie ab dem Zeitpunkt t=t0 visualisiert. Man erkennt, dass der Schlupf beträchtlich ansteigt und nach einem Überschwinger (ab t=t2) dauerhaft einen überhöhten Wert einnimmt. Durch den Schlupf verringert sich die Effizienz des Mahlwerks 2, sodass der Durchsatz von Mahlgut 9 durch die Kugelringmühle 1 sinkt. Dies ist in Fig. 4c anhand des Durchsatzes, ausgedrückt als Massenstrom m dargestellt (ebenfalls mit gestrichelter Linie). Die Schwankungen des Massenstroms sind ungünstig und können zu einem instabilen Betrieb der Kugelmühle 1 und insbesondere auch nachgeschalteter Prozessstufen führen.

Um dies zu vermeiden, ist die erfindungsgemäße Wirkung mittels durchgezogener Linien dargestellt. Wiederum steigt zum Zeitpunkt t=t0 die Feuchtigkeit der zugeführten Kohle 9 als Mahlgut sprunghaft an. Initial steigt ebenfalls der Schlupf s an, dies wird jedoch von dem erfindungsgemäßen Schlupfkontrollsystem 5 erkannt und es erfolgt nach kurzer Zeit eine Erhöhung des auf die Drucksteller 24 wirkenden Hydraulikdrucks p_D, wie in Fig. 4d dargestellt ist. Damit erhöht sich der Anpressdruck der Mahlkugeln 3 auf den Mahlring 21, sodass der kurzfristige Anstieg des Schlupfes begrenzt wird und schließlich verringert wird, bis der Schlupf s wieder (ab t=t1) seinen ursprünglichen Wert stationär erreicht. Dadurch sinkt in der Folge der Durchsatz kaum spürbar ab, da dank der durch das Schlupfkontrollsystem 5 bewirkten Erhöhung des Anpressdrucks p_D der Schlupf s verringert ist. Damit erreicht der Durchsatz wieder sehr schnell stationär seinen ursprünglichen Wert. Das Betriebsverhalten der Kugelringmühle ist erfindungsgemäß deutlich robuster.