Walzenmühle und Verfahren zur Steuerung einer Walzenmühle TECHNISCHES GEBIET

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet von Walzenmühlen. Sie betrifft eine Walzenmühle mit zwei im Be ^¬ trieb gegenläufig rotierenden Walzen, welche in einem Rahmen drehbar gelagert sind, und ein Verfahren zur Steuerung einer solchen Walzenmühle.

STAND DER TECHNIK Walzenmühlen werden zum Mahlen von Materialien, insbesondere von Erzen und Zement verwendet. Walzenmühlen haben ty ^¬ pischerweise einen Walzendurchmesser von 0.8 bis 3 Metern und eine Antriebsleistung von 0.2 bis 5 Megawatt. Sie sind besonders energieeffizient im Vergleich zu anderen Mühlen- arten. Eine solche Walzenmühle wird beispielsweise in DE 4028015 AI beschrieben.

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines radialen Schnittes einer Walzenmühle aus dem Stand der Technik. Die Walzenmühle umfasst zwei gegenläufig rotierende Walzen 1,1', welche Walzen 1,1' horizontal und parallel zu einander in einem Rahmen (nicht dargestellt) drehbar gelagert sind. Eine der beiden Walzen 1 ist dabei orthogonal zur axialen Richtung dieser Walze 1 verschiebbar. In der Regel ist die andere der beiden Walzen 1' orthogonal nicht verschiebbar. Die verschiebbare Walze 1 wird durch ein Federsystem (nicht dargestellt) auf die fixierte Walze 1' gedrückt. Jede Walze 1,1' weist eine Mahlfläche auf. Die gegenüberliegenden Mahlflächen der Walzen 1,1' bilden einen Keil. Material wird von oben zwischen die Walzen 1,1' in den Keil gefüllt, durch die Rotation der Walzen 1,1' nach unten geführt und durch den Keil und den damit verbundenen Druck auf das Material zerkleinert. Die Rotation der Walzen 1,1' erfolgt über einen Antrieb (nicht dargestellt) .

Bekannte Antriebe für Walzenmühlen weisen meist zwei Elekt ^¬ romotoren auf, wobei je ein Elektromotor mit einer der Wal- zen verbunden ist und diese antreibt.

Fig. 2 zeigt eine Walzenmühle mit zwei Antrieben aus dem Stand der Technik. Je ein Antrieb ist einer der Walzen 1,1' zugeordnet und umfasst je einen Elektromotor 2,2', eine Ge ^¬ lenkwelle 3 und ein Planetengetriebe 4. Die Verbindung der radial verschiebbaren Walze 1 mit dem ortsfesten Elektromo ^¬ tor 2 erfolgt über die Gelenkwelle 3.

Optional ist es ebenfalls möglich, dass direkt an die Welle der verschiebbaren Walze die Gelenkswelle anschließt und das Planetengetriebe zwischen der Gelenkswelle und dem Elektro- motor angeordnet ist. In einer solchen Anordnung, wie beispielsweise in DE 102011000749 AI beschrieben, ist zusätz ^¬ lich zu dem Elektromotor auch das Planetengetriebe der verschiebbaren Walze ortsfest. Optional ist es auch möglich, dass ein Elektromotor ohne eine Drehzahlanpassung eines Ge- triebes direkt die gewünschte Drehzahl für die Walzen lie ^¬ fert, beispielsweise durch eine Steuerung des Elektromotors mittels eines Frequenzumrichters. In diesem Fall umfasst der Antrieb kein Getriebe und der Elektromotor ist über die Gelenkwelle direkt mit der Walze verbunden. Die Elektromo- toren der beiden Walzen werden meist über zwei getrennte Frequenzumrichter gesteuert. Optional ist es auch möglich, dass ein direkter Antrieb auf der Walze selbst angeordnet ist. In diesem Fall umfasst der Antrieb keine Gelenkwelle.

Die Steuerungsstrategien für die Antriebe haben einen Ein- fluss auf die Abnutzung der Walzen. Im Allgemeinen wird die Abnutzung der Walzen unter anderem von dem Anpressdruck der Walzen, der Umfangsgeschwindigkeit der Mahlflächen der einzelnen Walzen und dem Unterschied zwischen den Umfangsgeschwindigkeiten der Mahlflächen der Walzen beeinflusst. Die Abnutzung der beiden Walzen ist meist unterschiedlich stark. Es kann sowohl die verschiebbare Walze als auch die fest ^¬ stehende Walze eine grössere Abnutzung aufweisen. Für die Steuerung der Antriebe einer Walzenmühle sind folgende Steu ^¬ erungsstrategien aus dem Artikel „VFD control methodologies in High Pressure Grinding drive Systems" (Brent Jones, Ce- ment Industry Technical Conference, 2012 IEEE-IAS/PCA 53) bekannt.

Bei der ersten Strategie wird der Steuerung der beiden Motoren ein identischer Sollwert für die Drehzahl als Referenz vorgegeben. So versuchen beide Frequenzumrichter die gleiche Drehzahl für den von ihnen gesteuerten Motor einzustel- len, aber handeln dabei unabhängig voneinander, um dieses Ziel zu erreichen. Problematisch ist dabei, dass auch bei baugleichen Frequenzumrichtern die Drehzahlsteuerungen einen Fehler aufweisen so, dass eine identische Drehzahl der beiden Walzen auf diese Weise nicht erreicht werden kann und sich so ein Unterschied in dem Umfangsgeschwindigkeiten der Mahlflächen der beiden Walzen ergibt. Zusätzlich ist es problematisch, dass der Durchmesser der Walze nicht berücksichtigt wird. Bei unterschiedlichen Walzendurchmessern, wie beispielsweise durch eine erhöhte Abnutzung bei einer der beiden Walzen, führt selbst eine identische Drehzahl der beiden Walzen zu unterschiedlichen Umfangsgeschwindigkeiten der Mahlflächen der Walzen. Eine weitere Folge daraus ist, dass die Last zwischen den beiden Walzen nicht gleich verteilt ist und es so zu einer relativen Verdrehung der beiden Walzen zueinander kommt, was wiederum zu einer verstärkten Abnutzung führt.

Bei der zweiten Strategie wird der Steuerung der beiden Motoren ein identischer Sollwert für das Drehmoment vorge ^¬ geben. Problematisch ist dabei, dass im Falle, dass das Antriebsdrehmoment größer ist als das Lastdrehmoment, die Walzenmühle beschleunigen oder im umgekehrten Fall verzögert wird. Daraus resultiert eine wechselnde Drehgeschwin ^¬ digkeit der Walzenmühle proportional zu Variationen des Mahlgutes, was für den Betrieb der Walzenmühle ebenfalls nachteilig ist.

Bei der dritten Strategie wird einer der Elektromotoren als Master und der andere Elektromotor als Follower definiert. Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung des Signalflusses bei einer Walzenmühle mit dieser dritten Steuerungsstrate ^¬ gie aus dem Stand der Technik in einer Anfangsphase. Es wird, wie in der ersten Steuerungsstrategie, beiden Fre- quenzumrichtern 5, 5' ein identischer Sollwert für die Drehzahl 61 als Referenz vorgegeben. Beide Frequenzumrichter 5, 5' werden bzgl. der Drehzahl geregelt.

Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung des Signalflusses bei der Walzenmühle aus Fig. 3 in einer Produktionsphase. Nach dem Erreichen einer definierten Lastschwelle oder durch manuelles Umschalten wird einem der Frequenzumrichter 5' (Follower) nicht mehr der Sollwert für die Drehzahl 61 sondern ein Istwert eines Drehmoments 62 des mit dem anderen Frequenzumrichter 5 verbundenen Elektromotors 2 (Master) als Referenz vorgegeben. Der Frequenzumrichter 5' des Follo- wer-Elektromotors 2 ' wird dadurch nicht mehr bzgl. der Dreh ^¬ zahl sondern bzgl. des Drehmoments geregelt. Der Frequenzu ^¬ mrichter 5 des Master-Elektromotors 2 bleibt auch in der Produktionsphase drehzahlgeregelt. Dies ermöglicht eine bessere Gleichverteilung der Lasten auf die beiden Walzen und eine Verringerung der Differenz der beiden Umfangsgeschwindigkeiten der Mahlflächen der Walzen und führt so zu einer Verminderung der unterschiedlichen Abnutzung der Walzen .

Die Zuordnung von Master und Follower zu der verschiebbaren oder der fixierten Walze ist beliebig. Optional kann bei der Master-Follower-Strategie anstatt des Istwerts des Drehmoments des Master-Elektromotors 2 (Torque-Follower) auch den Istwert einer Drehzahl des Master-Elektromotors 2 ( Speed-Follower) als Referenz für die Steuerung des Follo- wer-Elektromotors 2 ' in der Produktionsphase verwendet wer ^¬ den. In diesem Fall wird beiden Frequenzumrichtern 5, 5' in der Anfangsphase ein identischer Sollwert das Drehmoment als Referenz vorgegeben und nach dem Umschalten in die Pro- duktionsphase dem Frequenzumrichter 5' des Follower-Elekt- romotors 2 ' der Istwert der Drehzahl des Master-Elektromo- tors 2 als Referenz vorgegeben. Problematisch bei der Mas- ter-Follower-Strategie ist, dass die Abnutzung nur für jede Walze einzeln bezüglich deren Lebensdauer optimiert werden kann. Es ist nicht möglich die Abnutzung beider Walzen im Gesamtsystem der Walzenmühle zu optimieren, um so die Lebensdauer der Walzenmühle zu maximieren.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Walzenmühle anzugeben, welche eine erhöhte Lebensdauer aufweist.

Diese Aufgabe wird durch eine Walzenmühle mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.

Bei einer Walzenmühle mit zwei parallel angeordnete, gegen- einandergepresste und im Betrieb gegenläufig rotierende Walzen und zwei Elektromotoren ist je ein Motor mit einer Walze verbunden und treibt die jeweilige Walze im Betrieb an. Eine der Walzen ist orthogonal zur axialen Richtung dieser Walze verschiebbar. Walzenmühlen werden auch als Rollenpressen, Gutbett-Walzenmühlen oder in englischer Sprache als High Pressure Grinding Rolls bezeichnet. Die beiden Elektromotoren verfügen jeweils über eine Steuerung, welche Steuerung die Einstellung bestimmter Betriebsparameter bei dem jeweiligen Elektromotor ermöglicht. Im Extremfall kann die Steuerung eines der Elektromotoren als eine direkte Verbindung mit einem elektrischen Versorgungsnetz vereinfacht werden, falls der andere der Elektromotoren von dem elektrischen Versorgungsnetz unabhängig gesteuert werden kann. Durch die direkte Verbindung mit dem elektrischen Versorgungsnetz stellen sich die Betriebsparameter des di- rekt verbunden Elektromotors entsprechend den Parametern des elektrischen Versorgungsnetzes, wie beispielsweise die Frequenz und die Spannung, ein. Durch die Bedingung der unabhängigen Steuerbarkeit des anderen Elektromotors in diesem Extremfall ist trotz der Abhängigkeit von dem im Allgemeinen konstanten, elektrischen Versorgungsnetzes des direkt verbundenen Motors eine relative Steuerung der Moto ^¬ ren zueinander möglich. Einer der Elektromotoren wird als Master definiert und der andere der Elektromotoren wird als Follower definiert. Dabei ist die Zuordnung zwischen Master und Follower in Bezug auf die verschiebbare oder nicht ver ^¬ schiebbare Walze beliebig. Im Extremfall, dass die Steuerung eines der Elektromotoren auf eine direkte Verbindung mit einem elektrischen Versorgungsnetz vereinfacht wird, ist der von dem elektrischen Versorgungsnetz unabhängig steuer- bare Elektromotor zwingend der Follower. Der Steuerung des Master-Elektromotors wird ein Sollwert für die Drehzahl oder das Drehmoment des Master-Elektromotors als Referenz bzw. Zielwert der Steuerung übergeben. Ein sich aus der Steuerung des Master-Elektromotors ergebene Istwert des Drehmoments oder der Drehzahl des Master-Elektromotors wird in einem Multiplikator mit einem Lastfaktor multipliziert. Der Lastverteilfaktor ist eine reelle Zahl zwischen 0 und unendlich, bevorzugt ohne der Wert 1, besonders bevorzugt in einem Bereich zwischen 0.8 und 1.2. Der durch die Multiplikation entstehende Wert wird für die Ermittlung einer Referenz bzw. Zielwerts der Steuerung für den Follower-Elektromotor verwendet. Die Verwendung kann im einfachsten Fall die direkte Nutzung des durch die Multiplikation entstehenden Wertes als Referenz sein. Es ist aber auch möglich, dass der durch die Multiplikation entstehende Wert noch weiter verarbeitet und evtl. auch noch mit anderen Signal kombiniert wird. Durch den Lastverteilfaktor werden eine Beeinflussung der individuellen Abnutzung der Walzen und eine gezielte Verteilung der Last auf die beiden Walzen möglich.

In einer bevorzugten Ausführungsform wird der mit dem Lastverteilfaktor multiplizierte Istwert des Master-Elektromo ^¬ tors mit dem Sollwert für die Drehzahl oder das Drehmoment, welcher Sollwert als Referenz für die Steuerung des Master- Elektromotors dient, über eine Addition der Signale kombi- niert. Dadurch wird der Einfluss durch die Lastverteilung auf kleine Beeinflussungen des Sollwerts beschränkt. KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbei ^¬ spielen im Zusammenhang mit den Figuren näher erläutert. Die Figuren zeigen:

Figur 1 eine schematische Darstellung eines radialen

Schnittes einer Walzenmühle aus dem Stand der Technik;

Figur 2 eine Walzenmühle mit zwei Antrieben aus dem Stand der Technik;

Figur 3 eine schematische Darstellung des Signalflusses bei einer Walzenmühle mit Master-Follower Steu ^¬ erung aus dem Stand der Technik in einer Anfangsphase;

Figur 4 eine schematische Darstellung des Signalflusses bei einer Walzenmühle mit Master-Follower Steu ^¬ erung aus dem Stand der Technik in einer Produktionsphase;

Figur 5 eine schematische Darstellung des Signalflusses bei einer erfindungsgemässen Walzenmühle in ei- ner ersten beispielhaften Ausführungsform; und

Figur 6 eine schematische Darstellung des Signalflusses bei einer erfindungsgemässen Walzenmühle in einer zweiten beispielhaften Ausführungsform; und

Figur 7 einen beispielhafter Zusammenhang zwischen der

Abnutzung von zwei Walzen und der Wahl eines

Lastverteilfaktors .

Die in den Zeichnungen verwendeten Bezugszeichen sind in der Bezugszeichenliste zusammengefasst . Grundsätzlich sind glei ^¬ che Teile mit denselben Bezugszeichen versehen. WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG

Fig. 5 zeigt eine schematische Darstellung des Signalflusses bei einer erfindungsgemässen Walzenmühle in einer ersten beispielhaften Ausführungsform. Eine übergeordnete Steuerung, beispielsweise über eine direkte Eingabe des Operators oder über ein Distributed Control System (DCS), gibt einem Frequenzumrichter 5 eines Master-Elektromotors 2 einen Soll- wert 61 als Referenz für die Drehzahl vor. Ein sich durch die Regelung einer Drehzahlreglers (nicht dargestellt) des Frequenzumrichters 5 des Master-Elektromotors 2 ergebender Istwert 62 des Drehmoments des Master-Elektromotors 2 wird in einem Multiplikator 65 mit einem Lastverteilfaktor 64 multipliziert. Der Lastverteilfaktor 64 kann beispielsweise durch manuelle Eingabe durch den Operator oder eine dafür bestimmte Regelung des Lastverteilfaktors 64, welche opti ^¬ onal auch zusätzliche Messgrössen wie etwa den Walzendurchmesser umfassen kann, festgelegt werden. Ein sich daraus ergebender Wert wird als Sollwert einem Drehmomentregler (nicht dargestellt) eines Frequenzumrichters 5' eines Follo- wer-Elektromotors 2 ' übergeben. Durch den Lastverteilfaktor 642 kann die Abnutzung der einzelnen Walzen relative zueinander beeinflusst werden.

Analog zu Fig. 3, ist auch möglich, dass in einer Anfangs ^¬ phase bis zum Erreichen einer definierten Lastschwelle oder durch manuelles Umschalten beiden Frequenzumrichtern den identischen Sollwert für die Drehzahl als Referenz vorzugeben. Beide Frequenzumrichter werden so in der Anfangsphase bzgl. der Drehzahl geregelt. Optional ist es auch möglich das System als Speed-Follower auszugestalten. Dabei wird, anstatt des Istwerts des Drehmoments des Master-Elektromo ^¬ tors im Falle des Torque-Follower, der Istwert einer Drehzahl des Master-Elektromotors als Referenz für den Follower- Elektromotor in der Produktionsphase verwendet. Daher ist auch der nach der Multiplikation mit dem Lastverteilfaktor erhaltene Wert ein Drehzahl-Wert, welcher dann dem Frequen ^¬ zumrichter des Follower-Elektromotors als Referenz vorgege ^¬ ben wird. Als zwei Variationen des Speed-Follower Konzeptes ist es sowohl möglich, einen Sollwert für die Drehzahl als auch alternativ einen Sollwert für das Drehmoment als Refe ^¬ renz für die Steuerung des Master-Elektromotors vorzugeben. Fig. 6 zeigt eine schematische Darstellung des Signalflusses bei einer erfindungsgemässen Walzenmühle in einer zweiten beispielhaften Ausführungsform. Zusätzlich zu Fig. 5 ist eine Rückführung des Istwerts des Drehmoments des Follower- Elektromotors 2 ' vorhanden. Der Sollwert des Drehmoments des Follower-Elektromotors 2 ' aus der Multiplikation mit dem Lastverteilfaktor wird mit dem Istwert des Drehmoments des Follower-Elektromotors 2 ' über eine Subtraktion verglichen. Der so gebildete Unterschied zwischen dem Sollwert und dem Istwert des Drehmoments des Follower-Elektromotors 2 ' wird einem Regler 66 übergeben, welcher Regler 66 beispielsweise ein PID-Regler sein kann. Der Regler 66 regelt den Unterschied des Drehmoments des Follower-Elektromotors 2 ' und rechnet das geregelte Signal mit Hilfe des Flächenträgheits- moments der Walze 1', welche mit dem Follower-Elektromotor 2 ' verbunden ist, in ein Drehzahlwert um. Diese direkte Kopplung zwischen Drehmoment und Drehzahl ist durch die mechanische Kopplung der Walzen über das Material im Mahlspalt gewährleistet. Eine Erhöhung der Umfangsgeschwindigkeit ei- ner Walze bedingt durch die mechanische Kopplung beider Wal ^¬ zen eine zusätzliche tangential an der zweiten Walze an ^¬ greifende Kraft, welche die benötigte Kraft bzw. Moment, zur Beibehaltung bzw. Erhöhung der Umfangsgeschwindigkeit der zweiten Walze im gleichen Masse reduziert. Dabei entspricht das Verhältnis der beiden Walzenradien dem Übersetzungsverhältnis bei einem Getriebe mit einem Übersetzungsverhältnis in der Nähe von 1. Der Ausgang des Reglers 66 wird mit dem ursprünglichen Sollwert 61 für die Drehzahl addiert und da ^¬ nach dem Frequenzumrichter des Follower-Elektromotors 2 ' als Sollwert übergeben.

Analog zu Fig. 5 ist auch in Fig. 6 eine optionale Anfangs ^¬ phase oder eine Ausgestaltung als Speed-Follower in beiden Variationen möglich. Bei der Variante des Speed-Followers , bei welcher ein Sollwert für die Drehzahl als Referenz für die Steuerung des Master-Elektromotors vorgegeben wird, ent- fällt die Umrechnung des Regler mit Hilfe des Flächenträg ^¬ heitsmoments, das sich die Signale mit Ausnahme des Last ^¬ verteilfaktors auf Drehzahl-Werte beziehen.

Fig. 7 zeigt einen beispielhaften Zusammenhang zwischen der Abnutzung von zwei Walzen und der Wahl eines Lastverteil ^¬ faktors 115. In dem Diagramm ist die Abnutzung 112 einer Walze, in Form der Verringerung des Walzendurchmessers, über die durch diese Walze bereits geleistete Dreharbeit 111 ab ^¬ gebildet. Unter der Dreharbeit 111 ist dabei das für das Mahlen des bisher gemalten Materials notwendige, kumulierte Drehmoment über die, für das Mahlen benötigte, Zeit zu ver ^¬ stehen. Die zwei Kurven 113, 114 stellen die Abnutzung 112 zweier Walzen eines Walzenpaares in Abhängigkeit von der Dreharbeit 111 da. Die Kurve 114 zeigt eine stärkere Abnut- zung der entsprechenden Walze als die Abnutzung der in der Kurve 113 dargestellten Walze. In dem dargestellten Fall wird der Lastfaktor 115 nun so gewählt, dass die Walze mit der akkumuliert größeren bisherigen Abnutzung einen kleineren Teil der für das Mahl nötigen Last trägt.

Im Allgemeinen kann der Lastverteilfaktor eine positive reelle Zahl einschliesslich Null sein. Bei einer gleichen akkumuliert Abnutzung beider Walzen sollte der Lastverteil ^¬ faktor den Wert eins annehmen. Je grösser der Unterschied zwischen den akkumulierten Abnutzungen der beiden Walzen ist, desto weiter ist der entsprechende Lastverteilfaktor von dem Wert eins entfernt. Je nachdem welche der beiden Walzen eine grössere Abnutzung aufweist, strebt der Wert des Lastverteilfaktors dabei gegen Null oder unendlich. In der Praxis bewegt sich der Lastverteilfaktor eher zwischen 0.8 und 1.2.

In den vorhergehenden Fall ist das Ziel bei der Wahl des Lastfaktors, eine möglichst gleiche Abnutzung der Walzen eines Walzenpaares zu erreichen, um beispielsweise beide Walzen in einer Wartung auszutauschen und die Zeit zwischen zwei Wartungen zu maximieren. Es sind aber auch andere Zielsetzungen bei der Wahl des Lastverteilfaktors möglich, wie beispielsweise die stärkere Abnutzung der bereits stärker abgenutzten Walze und die Schonung der weniger stark abgenutzten Walze. Ausserdem wird gewährleistet, dass die benö ^¬ tigte Energie minimiert wird, da insbesondere im Vergleich zur Lösung bei der beide Motoren die gleichen Drehzahlrefe- renzen erhalten, gewährleistet wird, dass nur die zum Mahlen benötigte Energie geliefert wird.

BEZUGSZEICHENLISTE

1 verschiebbare Walze

1' fixierte Walze

2 Master-Elektromotor

2 ' Follower-Elektromotor

3 Gelenkwelle

4 Planetengetriebe

5 Frequenzumrichter des Master-Elektromotors 5' Frequenzumrichter des Follower-Elektromotors

61 Sollwert der Drehzahl

62 Istwert des Master-Elektromotors

63 Referenz für Follower-Elektromotor

64 Lastverteilfaktor

65 Multiplikator

66 Regler

111 Dreharbeit einer Walze

112 Abnutzung einer Walze

113 Kurve der verschiebbaren Walze

114 Kurve der fixierten Walze

115 Kurve des Lastverteilfaktors