Beschreibung

Mahlwerkzeug mit einer Beschichtung

Die Erfindung betrifft ein Mahlwerkzeug zum Zermahlen von Ge ^¬ stein oder steinartigem Material mit einer Beschichtung aus einem verschleißfesten Material sowie ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Mahlwerkzeuges.

Bei der Zementherstellung oder im Bergbau werden unterschiedliche Mühlen wie z.B. Rohrmühlen, Rollenbrecher, Rollenmühlen und Rollenpressenmühlen zum Zerkleinern und Vermählen von besonders hartem Material wie Erze und Gesteine verwendet. Dies führt zu einem hohen Verschleiß dieser hier allgemein als Mahlwerkzeuge bezeichneten Mühlen, der mit einem häufigen kostspieligen Austausch der Mahlwerkzeuge verbunden ist. Unter Mahlwerkzeug werden auch einzelne Teilkomponenten derartiger Mühlen verstanden, die in unmittelbaren Kontakt mit dem Mahlgut kommen und an dessen Zerkleinerung mitwirken.

Im Bergbau werden z.B. Rohrmühlen eingesetzt, die aus einer zylinderförmigen Trommel bestehen, die sich um ihre Längsachse dreht. In der Trommel befinden sich zum Teil auch Mahlkörper, wie z.B. Mahlkugeln. Das Mahlgut wird auf einer Seite der Mühle zugeführt und in der Trommel durch die Mahlkugeln zerkleinert und gemahlen, während es sich auf den Auslauf auf der gegenüberliegenden Seite zu bewegt. Mit der Trommelwand verschraubte Panzerplatten bilden die Innenauskleidung der Trommel. Zusätzlich zu den Panzerplatten sind nach Art von Mitnehmern ausgebildete Stege oder Leisten an der Trommelwand befestigt. Während der Drehung der Rohrmühle wird das Mahlgut zusammen mit den Mahlkugeln durch die Stege angehoben und gleitet dann wieder nach unten. Dabei wird das Mahlgut zer ^¬ kleinert .

In Zementwerken werden hauptsächlich Rollenbrecher, Rollenmühlen und Rollenpressenmühlen verwendet. Alle diese Arten von Mühlen umfassen mindestens zwei gegenläufige Rollen oder

Walzen, zwischen denen das Mahlgut gepresst wird. In einer Rollenpressenmühle ist üblicherweise eine der Rollen festste ^¬ hend. Die andere Rolle ist verfahrbar und wird mit Hilfe ei ^¬ ner externen Kraft gegen die feststehende Rolle gepresst. Durch das Anpressen wird der zum Vermählen notwendige Druck erzeugt. Dabei wird das zwischen den Rollen befindliche grobe Mahlgut zerdrückt, bis es die gewünschte Feinheit hat.

Eine gewöhnliche Praktik zum Schutz der mit dem groben Mahl- gut in Kontakt kommenden Mahlwerkzeuge gegen Verschleiß ist beispielsweise das Aufschweißen einer Hartschicht auf dem Mahlwerkzeug. Jedoch sind solche aufgeschweißte Hartschichten empfindlich gegen überbelastung und Dauerbeanspruchung.

In der EP 0 399 058 Al ist eine Rollen- oder Walzmühle mit zwei Walzen beschrieben, auf deren Mantelflächen eine verschleißfeste Beschichtung aufgebracht ist, die durch eine Wicklung aus Profilband gebildet ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde die Standzeit und somit die Lebensdauer eines Mahlwerkzeuges zu erhöhen, um insbesondere einen kostengünstigeren Betrieb zu ermöglichen.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Mahlwerk- zeug mit einer Beschichtung aus einem verschleißfesten Material, wobei die Beschichtung einen duktilen metallischen Werkstoff mit darin eingelagerten Hartstoffpartikeln umfasst.

Unter duktilem metallischem Grundwerkstoff wird hierbei ein vergleichsweise weicher metallischer Grundwerkstoff verstan ^¬ den, der eine Vickers-Härte von maximal etwa 180-230 HV ₀ I aufweist. Die Härtebestimmung nach Vickers ist der Norm DIN EN ISO 6507 zu entnehmen. Die eingelagerten Hartstoffpartikel weisen demgegenüber eine deutlich höhere Härte auf, beispielsweise eine um mehr als den Faktor 2 größere Härte als der Grundwerkstoff.

Durch die Kombination eines duktilen Werkstoffes mit den darin eingelagerten Hartstoffpartikeln werden die Bauteile mit einer Beschichtung versehen, die den extremen Belastungen standhält. Durch die Duktilität besteht im Vergleich zu einer durchgehend harten und spröden Beschichtung eine deutlich geringere Gefahr, dass im Laufe des Betriebs die Beschichtung beschädigt und Risse oder Mikrorisse auftreten, was aufgrund der starken korrosiven Umgebung schnell zu einer unerwünschten starken Korrosion führen würde. Auch ist die Gefahr eines Abplatzens von Teilstücken der Beschichtung bei mechanischer Belastung aufgrund der hohen Duktilität deutlich geringer als bei einer spröden Beschichtung. Zugleich wird durch die eingelagerten Hartstoffpartikel eine sehr hohe Abriebfestigkeit und damit eine quasi sehr hohe Oberflächenhärte erhalten, so dass selbst bei hohen mechanischen Belastungen und hohen Abriebkräften eine lange Lebensdauer erreicht ist.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist der Grundwerkstoff Nickel oder eine Nickellegierung. Der besondere Vorteil der Nickelbeschichtung für derartige Bauteile ist ihre Korrosi ^¬ onsbeständigkeit. Zudem weisen insbesondere Nickellegierungen eine hohe Beständigkeit gegen Spannungsrisskorrosion auf.

Zweckdienlicherweise ist Kobalt als Legierungsbestandteil vorgesehen. Weiterhin liegt vorzugsweise der Kobalt-Anteil bis etwa 12 Vol.%, insbesondere in einem Bereich zwischen et ^¬ wa 2 Vol.% und 5 Vol.%.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist der Grund- werkstoff Bronze. Aufgrund seiner guten Zähigkeit und seiner Korrosionsbeständigkeit ist Bronze besonders geeignet für den Einsatz als duktiler Grundwerkstoff der verschleißfesten Beschichtung.

Gemäß einer dritten bevorzugten Ausgestaltung ist der Grundwerkstoff Kobalt, das sich ebenfalls durch seine Zähigkeit auszeichnet .

Zweckdienlicherweise liegt der Anteil der Hartstoffpartikel zwischen etwa 5 Vol.% und 35 Vol.%. Erfahrungsgemäß bewirkt dieser Anteil der Hartstoffpartikel eine ausreichende Härte der Beschichtung, so dass die Beschichtung die Erfordernisse bezüglich der Verschleißfestigkeit erfüllt.

Als Hartstoffpartikel werden hierbei vorzugsweise Borcarbid-, Wolframcarbid-, Siliziumcarbid- oder Kohlenstoffpartikel ein ^¬ gesetzt. Unter Kohlenstoff wird hierbei insbesondere eine Di- amant- oder eine feste Graphit-Modifikation verstanden. Mit Borcarbid und Wolframcarbid werden keramische Partikel ver ^¬ wendet, deren Härte beinahe so hoch ist wie die Härte von Di ^¬ amant .

Weiterhin ist vorgesehen, dass die Hartstoffpartikel vorzugs ^¬ weise eine Größe zwischen 10 nm und 1 μm, insbesondere zwi ^¬ schen 50 nm und 500 nm aufweisen. Nanoskalige Partikel lassen sich besonders gut in den Grundwerkstoff einbetten.

Die Dicke der Beschichtung liegt vorzugsweise im Bereich zwischen etwa 0,5 mm und 6 mm. Es hat sich gezeigt, dass die Be ^¬ schichtung mit einer derartigen Schichtdicke den hohen Anforderungen besonders genügt.

Um eine qualitativ hochwertige, gut und dauerhaft haftende

Beschichtung auszubilden, ist die Beschichtung vorteilhafterweise elektrolytisch aufgebracht. Zur Ausbildung der Beschichtung wird daher das zu beschichtende Bauteil in ein oder mehrere Galvanikbäder eingetaucht. Als Anode wird eine Elektrode bestehend aus dem Grundwerkstoff und als Kathode das zu beschichtende Mahlwerkzeug verwendet. Die Hartstoffe werden hierbei dem Galvanikbad zugegeben, so dass sie mit den Metallionen der Anode zu dem zu beschichtenden Bauteil wandern und sich dort gemeinsam mit den Metallionen ablagert.

Für Mehlwerkzeuge, die einer extrem hohen mechanischen Belastung ausgesetzt sind, ist in einer zweckdienlichen Weiterbil ^¬ dung die Aufbringung einer Hartbeschichtung, insbesondere aus

synthetischem Diamant, auf der duktilen Beschichtung vorgesehen. Hierbei wird auf die GrundwerkstoffSchicht mit den darin eingelagerten Hartstoffpartikeln eine durchgehende weitere Schicht aus Diamant aufgetragen. Eine derartige Dia- mantbeschichtung weist eine extrem hohe Dichtheit, eine sehr gute thermische Leitfähigkeit, eine extrem hohe Härte und ei ^¬ nen sehr geringen Abrieb auf. Durch eine derartige Hartbe- schichtung können die Standzeiten des Werkzeugs um mehr als das Zweifache erhöht werden.

Die Diamantbeschichtung weist hierbei eine Dicke von etwa bis zu 50 μm auf. Da im Falle einer Hartbeschichtung die mechanischen Eigenschaften hauptsächlich durch die Diamantschicht gewährleistet sind, ist vorzugsweise die Dicke der duktilen Beschichtung mit den Hartstoffpartikeln im Vergleich zu einer Beschichtung ohne die Diamantbeschichtung geringer. Die auch als Grundbeschichtung zu bezeichnende Beschichtung mit dem duktilen metallischen Grundwerkstoff dient hierbei nach Art einer Haftvermittlerschicht, um die Diamantbeschichtung auf den Werkstoff des Grundkörpers, beispielsweise Stahl oder Kupfer, sicher und dauerhaft aufbringen zu können. Möglich ist auch ein mehrschichtiger Aufbau der Beschichtung, bei dem die Grundbeschichtung und die Hartbeschichtung zwei- oder mehrfach übereinander angeordnet werden.

Die Diamantbeschichtung ist hierbei vorzugsweise mittels ei ^¬ nes CVD-Verfahrens (chemical vapor deposition) aufgebracht, um eine sichere und dauerhafte Verbindung mit der darunter liegenden Beschichtung zu gewährleisten.

Als zu beschichtendes Mahlwerkzeug ist vorzugsweise eine Pan ^¬ zerplatte und/oder eine Mitnehmerleiste für eine Rohrmühle vorgesehen. Die Panzerplatten und Mitnehmerleisten sind im Betrieb der Rohrmühle fast ständig im Kontakt mit dem harten Mahlgut und unterliegen deshalb einem intensiven Verschleiß, so dass sie bei den herkömmlichen Rohrmühlen etwa zweimal im Jahr ausgetauscht werden müssen. Dies ist allerdings sehr zeitaufwendig. Beim Austausch der Panzerplatten erfolgt ein

mehrtägiger Stillstand der Rohrmühle, der zu sehr hohen Verluste infolge des Produktionsausfalls führt. Rohrmühlen wei ^¬ sen typischerweise eine langgestreckte zylindrische Bauform mit einem Durchmesser von mehreren Metern bis zu beispiels- weise 30 Meter auf. Rohrmühlen werden zur Grob-Zerkleinerung von Gestein von beispielsweise 10cm bis zu großen Gesteins ^¬ oder Felsbrocken von beispielsweise 0,5m eingesetzt. Die Rohrmühlen weisen beispielsweise einen Durchsatz von mehreren Tonnen Gestein pro Stunde auf. Die verschleißfeste Beschich- tung aus einem metallischen Grundwerkstoff mit darin einge ^¬ legten Hartstoffpartikeln ermöglicht gegenüber herkömmlichen Beschichtungen etwa eine Verdoppelung der Standzeit der Rohrmühle, die eine deutliche Reduzierung der Verluste aufgrund der Wartungsarbeiten nach sich zieht.

Ein weiteres bevorzugtes Mahlwerkzeug, welches mit der Be- schichtung versehen ist, ist eine Mahlkugel einer Rohrmühle. Die Mahlkugeln, die bei der Drehung der Rohrmühle das Mahlgut zerschlagen, sind ebenfalls einem extrem hohen Abrieb ausge- setzt. Durch die Beschichtung ihrer Oberfläche wird ebenfalls eine deutliche Erhöhung ihrer Lebensdauer ermöglicht.

In einer weiteren bevorzugten Variante ist das Mahlwerkzeug eine Rolle einer Rollenmühle. Hierbei wird ebenfalls eine Verlängerung der Standzeit der Rolle um mindestens das Zwei ^¬ fache erzielt.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß weiterhin gelöst durch ein Verfahren zum Herstellen eines Mahlwerkzeuges nach einer der vorhergehenden Ausführungen, wobei die Beschichtung des Mahlwerkzeuges elektrolytisch aufgebracht wird. Die im Hinblick auf das Mahlwerkzeug angeführten Vorteile und bevorzugten Ausgestaltungen sind sinngemäß auch auf das Verfahren und die Anlage zu übertragen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen jeweils in schemati ^¬ schen und stark vereinfachten Darstellungen:

FIG 1 den schematischen Aufbau einer Rohrmühle mit darin befindlichem Mahlgut,

FIG 2 einen Teilschnitt durch eine Rohrmühle, FIG 3 den schematischen Aufbau einer Rollenpressenmühle, FIG 4 eine Beschichtung eines Mahlwerkzeuges, und

FIG 5 eine Beschichtung eines Mahlwerkzeuges mit einer auf die Beschichtung aufgebrachten Hartbeschich- tung.

In den einzelnen Figuren sind gleich wirkende Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

Rohrmühlen 2 werden häufig im Bergbau oder in Zementwerken verwendet. Eine Rohrmühle 2 ist schematisch in FIG 1 darge- stellt. Die Mühle 2 umfasst eine um ihre Längsachse A dreh ^¬ bare Trommel 4 mit einem Einlauf 6 und einem Auslauf 8 für das Mahlgut 10. Die Trommel 4 wird elektromagnetisch von ei ^¬ nem ringförmigen Rotor 12 angetrieben. Im Inneren der Trommel 4 befindet sich neben dem Mahlgut 10 auch eine Mehrzahl an Mahlkugeln 14.

Die Innenauskleidung der Trommel 4 bilden metallische Panzerplatten 16 zusammen mit sich in Längsrichtung der Trommel 4 erstreckende Stegen 20, wie in FIG 2 gezeigt. Im Ausführungs- beispiel sind die Stege 20 als wellenartige Erhebungen auf den Panzerplatten 16 ausgebildet. Alternativ sind die Stege 20 als separate Bauteile ausgebildet.

Die einzelnen Panzerplatten 16 weisen beispielsweise eine Größe von 2m - Im auf und sind an der zylinderförmigen Wand

18 der Trommel 4 montiert, insbesondere verschraubt. Mit Hil ^¬ fe der Stege 20 wird das Mahlgut 10 und die Mahlkugeln 14 während der Drehung der Rohrmühle 2 angehoben.

Im Betrieb der Rohrmühle 2 wird das Mahlgut 10 kontinuierlich durch den Einlauf 6 zugeführt und in Richtung Auslauf 8 be ^¬ fördert. Während der Rotation fallen aufgrund ihres Eigenge ^¬ wichts die von den Wellungen 20 der Panzerung 16 angehobenen

Material 10 und Mahlkugeln 14 herab und das Material 10 wird dabei u.a. durch die Mahlkugeln 14 zerschlagen.

Eine weitere Mühle, eine Rollenpressenmühle 22, die Haupt- sächlich zur Zementherstellung eingesetzt wird, ist in FIG 3 dargestellt. Die Rollenpressenmühle 22 umfasst in diesem Aus ^¬ führungsbeispiel zwei Rollen 24a, 24b die von einer hier nicht gezeigten Antriebsvorrichtung gegenläufig angetrieben werden. Die Rolle 24b bildet eine Festrolle, während die RoI- Ie 24a mittels einer Hydraulikeinrichtung 26 gegen die Rolle 24b gedrückt wird. Zur Zuführung des zu zerkleinernden Mahlguts 10 ist ein Schacht 28 vorgesehen.

In FIG 4 ist eine Ausführungsvariante einer Beschichtung 30 gezeigt, die zum Schutz eines Mahlwerkzeuges, in diesem Aus ^¬ führungsbeispiel eine Panzerplatte 16, verwendet wird. Die verschleißfeste Beschichtung 30 kann ebenfalls auf die Ober ^¬ fläche der Mahlkugeln 14, der Rollen 24a, 24b oder anderer Elemente der Mühlen 2, 22, die einem starken Abrieb unterlie- gen, aufgebracht werden. Die Beschichtung 30 umfasst einen duktilen mechanischen Grundwerkstoff 32 wie z.B. reines Nickel, eine Nickellegierung insbesondere mit Kobalt als Legie ^¬ rungsbestandteil, Bronze oder reines Kobalt.

Im Grundwerkstoff 32 sind Hartstoffpartikel 34 eingelagert, deren Anteil etwa zwischen 5 Vol.% und 35 Vol.% liegt. Die Hartstoffpartikel 34 weisen eine extrem hohe Härte auf und bestehen beispielsweise aus Borcarbid, Wolframcarbid, Silizi- umcarbid, Diamant oder Graphit. Die Hartstoffpartikel 34 wei- sen eine Größe im Nanometerbereich auf, in diesem Ausführungsbeispiel zwischen 50 nm und 500 nm.

Die Beschichtung 30 beträgt abhängig von dem Anwendungsfall eine Dicke Hi zwischen 0,5 mm und 6 mm.

In einer Beschichtung 30 mit Kobalt als Grundwerkstoff 32 sind insbesondere Hartstoffpartikel 34 aus Wolframcarbid ein ^¬ gelagert, deren Anteil bei etwa 5-20 Vol.% liegt. Die Höhe

dieser Beschichtung 30 beträgt etwa 3 mm. Eine derartige Be- schichtung 30 ist besonders geeignet als Grundfläche für das Aufbringen einer Hartbeschichtung 36, wie sie in FIG 5 beschreiben ist.

Alternativ ist eine Beschichtung 30 auf Basis einer Nickel- Kobalt-Legierung 32 vorgesehen, beispielsweise eine Zusammensetzung von etwa 70 Vol.% Nickel, 5 Vol.% Kobalt und 25 Vol.% Borcarbidpartikel 34. Die Stärke dieser Beschichtung 30 liegt bis etwa 6 mm.

In einer dritten Ausführungsvariante der Zusammensetzung der Beschichtung 30 ist Bronze als Grundwerkstoff 32 vorgesehen, in dem etwa 20% Vol.% Hartstoffpartikel 34 aus Barcarbid, Si- liziumcarbid oder Diamant eingelagert sind. Diese Beschich ^¬ tung 30 ist etwa 4 mm stark.

Zur Aufbringen der Beschichtung 30 wird das zu beschichtende Mahlwerkzeug 14, 16, 24a, 24b in ein eine Elektrolytlösung enthaltendes Galvanikbad eingetaucht und als Kathode an eine Spannungsquelle angeschlossen. An die Spannungsquelle wird noch mindestens eine Anode angeschlossen, die aus dem Grund ^¬ werkstoff 32 besteht. Auch die Hartstoffpartikel 34 werden der Elektrolytlösung zugegeben. Beim Anlegen einer äußeren elektrischen Spannung zwischen der Kathode und der Anode erfolgt eine Oxidation an der Anode, bei der sich positiv geladene Metallionen des Grundwerkstoffs auflösen und zur negativ geladenen Kathode wandern. An der Kathodenoberfläche lagern sie sich gemeinsam mit Hartstoffpartikel 34 ab und bilden so- mit die Beschichtung 30 des Mahlwerkzeuges 14, 16, 24a, 24b.

Eine zweite Ausführungsvariante einer verschleißfesten Be ^¬ schichtung 301 ist in FIG 5 dargestellt. Die Beschichtung 301 weist eine innere Beschichtung 30 auf, die Grundbeschichtung, deren Zusammensetzung der der Beschichtung 30 gemäß FIG 4 entspricht. Die Grundbeschichtung 30 wird elektrolytisch auf das Mahlwerkzeug 14, 16, 24a, 24b aufgebracht.

Auf die Grundbeschichtung 30 ist eine Hartbeschichtung 36 aufgebracht, die insbesondere aus synthetischem Diamant be ^¬ steht. Die Dicke D der Hartbeschichtung 36 beträgt bis zu 50 μm. Die Grundbeschichtung 30 ist weniger dick als die Be- Schichtung 30 gemäß FIG 4, so dass die Gesamtdicke H ₂ der Be- schichtung 303 etwa der Dicke Hi der Beschichtung 30 in FIG 4 entspricht .

Die Diamantschicht 36 wird insbesondere durch ein CVD-Verfah- ren (chemical vapor deposition) aufgebracht. Dabei wird das bereits mit der Grundbeschichtung 30 versehene Mahlwerkzeug 14, 16, 24a, 24b von einem Gas umströmt, das zu etwa 99 Vol.% aus Wasserstoff und 1 Vol.% aus einem organischen Stoff wie Methan oder Acetylen besteht. Das Gas wird thermisch mit HiI- fe eines Lasers oder eines Plasmas aktiviert, so dass an der Oberfläche der Grundbeschichtung 30 eine chemische Reaktion abläuft, bei der sich die Diamantschicht 36 abscheidet. Dabei unterdrückt der überschuss an Wasserstoff die Bildung andere Kohlenstoffmodifikationen wie z.B. Graphit.