Operating experience with a vertical roller mill for grinding granulated blastfurnace slag and composite cements Betriebserfahrungen mit der vertikalen Wälzmühle bei der Mahlung von Hüttensand und Kompositzementen

1204181_LOE_16Seiter_Lengerich.indd 1

25.07.12 09:04

PROCESSING

4Dr.-Ing. M. Pohl, Dyckerhoff AG, Wiesbaden, Germany; Dipl.-Ing. C. Obry Buzzi Unicem S.p.A., Casale Monferrato, Italy; Dr.-Ing. K.-H. Zysk, Loesche GmbH, Duesseldorf, Germany

SUMMARY

ZUSAMMENFASSUNG

Vertical roller mills are the mills traditionally used for process-

Vertikal-Rollenmühlen für die Aufbereitung von Hüttensand

ing granulated blastfurnace slag and for grinding composite

und für die Mahlung von Kompositzementen sind den tradi-

cements. From the energy aspect they are superior to

tionell verwendeten Mühlen und Mahlanlagenschaltungen

grinding plant circuits with ball mills, even when combined

mit Kugelmühle und auch in Kombination mit einer Hoch-

with high-pressure roller presses. For drying and grinding

druck-Rollenmühle energetisch überlegen. Es entspricht

it is state of the art to equip these types of grinding plant

dem Stand der Technik, für die Mahltrocknung derartige

with vapour recirculation and use either exhaust air from

Mahlanlagen mit einer Brüdenrezirkulation auszustatten

the burning process, clinker cooler exhaust air or preheater

und als Heißgasquelle entweder Abluft aus dem Brenn-

exhaust gas and/or an in-line burner fuelled with fuel oil or

prozess, Klinkerkühlerabluft oder Vorwärmerabgas und/

coal as the heat source [1]. The residence time in the verti-

oder einen heizöl- oder kohlebefeuerten In-Line-Brenner zu

cal roller mill – considered as a closed system consisting

verwenden [1]. Die Verweildauer in der als geschlossenes

of comminution zone (grinding rollers, grinding table, dam

System zu betrachtenden Vertikal-Rollenmühle bestehend

ring) and dynamic classifier – is very much shorter as it is

aus Zerkleinerungszone (Mahlwalzen, Mahlteller, Staurand)

with a ball mill operating in closed circuit with a classifier,

und dynamischem Sichter ist ungleich kürzer als bei einer

so failures in the material transport or in stabilization of

im Kreislauf mit einem Sichter arbeitenden Kugelmühle.

the material bed have a direct effect on the availability of

Deshalb wirken sich Störungen im Materialtransport und

the plant. This is because frequent re-starting procedures

bei der Stabilisierung des Mahlbetts unmittelbar auf die

increase the specific power consumption and shift the

Verfügbarkeit der Anlage in der Weise aus, dass mitunter

grinding plant away from the energy optimum. Operators of

häufige Wiederanfahrvorgänge den spezifischen Energiebe-

these plants are therefore particularly interested in operating

darf erhöhen und die Mahlanlage sich dabei aus dem ener-

the process very close to the energy optimum. Numerous

getischen Optimum entfernt. Für den Betreiber derartiger

optimization measures have ensured that the vertical roller

Anlagen besteht daher im besonderen Maße ein Interesse

mills installed in the Buzzi Unicem/Dyckerhoff Group have

daran, den Prozess sehr nahe am energetischen Optimum

a high level of availability. This article describes the results

zu betreiben. Durch zahlreiche Optimierungsmaßnahmen

when grinding cement and granulated blastfurnace slag and

konnte eine hohe Verfügbarkeit bei den in der Buzzi Unicem/

discusses them with regard to factors that affect the engin-

Dyckerhoff-Gruppe installierten Vertikal-Rollenmühlen sicher-

eering process. When using grinding aids and/or “quality

gestellt werden. In diesem Beitrag werden Ergebnisse bei

improvers” it is possible to control product properties select-

der Zement- und Hüttensandmahlung vorgestellt und im Hin-

ively, improve the classifying process and increase the plant

blick auf prozesstechnische Einflussfaktoren diskutiert. Bei

output. This article focuses on way the grinding aids affect

Anwendung von Mahlhilfen und/oder so genannten „Quality

the process parameters and the specific power consump-

Improvern“ können Produkteigenschaften gezielt gesteu-

tion. There are also observations on the alteration in particle

ert, der Sichtprozess verbessert und der Anlagendurchsatz

morphology that occur when the mill or the grinding process

gesteigert werden. Die Wirkungsweise der Mahlhilfen auf

is changed.3

die Prozessparameter und den spezifischen Energiebedarf stehen dabei in diesem Beitrag im Vordergrund. Des Weiteren werden Beobachtungen zur Änderung der Partikelmorphologie mitgeteilt, die sich beim Wechsel der Mühlen bzw. des Mahlverfahrens ergeben. 3

*) Revised text of a lecture given by the first author to the VDZ Conference on Cement th Process Technology on 16 February 2012 in Duesseldorf. (Translation by Robin B. C. Baker)

56 1204181_LOE_16Seiter_Lengerich.indd 2

*) Überarbeitete Fassung eines Vortrags, der vom erstgenannten auf der VDZ-Fachtagung Zement-Verfahrenstechnik am 16. Februar 2012 in Düsseldorf gehalten wurde.

CEMENT INTERNATIONAL 4 2/2012 4 VOL. 10 25.07.12 09:04

Operating experience with a vertical roller mill for grinding granulated blastfurnace slag and composite cements*) Betriebserfahrungen mit einer Vertikal-Rollenmühle bei der Mahlung von Hüttensand und Kompositzementen*) 1 Introduction

1 Einleitung

Vertical roller mills of different sizes have been in operation in the Buzzi Unicem/Dyckerhoff Group since 2008 for producing ground granulated blastfurnace slag and cements. The process stability of these mills has been continuously increased over the years and the specific throughputs were brought up to the respective optimum values. An LM 35.2+2 Loesche mill at the Dyckerhoff site in Lengerich, Westphalia, is used as an example to demonstrate the operating experience with this type of mill when grinding both granulated blastfurnace slag and cement clinker.

In der Buzzi Unicem/Dyckerhoff-Gruppe wurden seit 2008 Vertikal-Rollenmühlen unterschiedlicher Baugrößen zur Her Herstellung von Hüttensandmehlen und Zementen in Betrieb genommen. Die Prozessstabilität dieser Mühlen konnte im Laufe der Jahre kontinuierlich gesteigert und die spezifischen Durchsätze an das jeweilige Optimum herangeführt werden. Am Beispiel einer Loesche-Mühle der Produktbezeichnung LM 35.2+2 am Dyckerhoff Standort Lengerich/ Westfalen werden die Betriebserfahrungen mit diesem Mühlentyp sowohl bei der Mahlung von Hüttensanden als auch Zementklinkern aufgezeigt.

2 Structure of the grinding plant � Fig. 1 shows the flow sheet for the LM 35.2+2 vertical roller mill in interconnected operation with the rotary kiln. A 3 gas flow of 160 000 m /h is needed for grinding granulated blastfurnace slag under operating conditions. A partial flow of the laden exhaust gas is returned to the mill in closed circuit (pipeline leg 4) together with the kiln exhaust gas after the preheater. The laden mill exhaust gas then leaves the mill at a temperature of about 105 °C. The finished product is collected from the gas flow by a downstream bag filter from Scheuch. An in-line burner fired with fuel oil ensures the heat supply even if the kiln is stopped. � Table 1 shows an example of the pressure distribution in the grinding circuit when granulated blastfurnace slag is being ground. The mill is isolated from pressure fluctuations in the rotary kiln by a controlled exhaust air flap (“S flap”).

2 Aufbau der Mahlanlage � Bild 1 zeigt das Fließbild der Vertikal-Rollenmühle LM 35.2+2 unter Einsatz von Ofengas. Zur Mahlung von Hüttensanden wird unter Betriebsbedingungen ein Gasvo3 lumenstrom von 160000 m /h benötigt. Ein Teilstrom des beladenen Abgases wird dabei im Kreislauf (Leitungsstrang 4) zusammen mit dem Ofenabgas nach dem Vorwär Vorwärmer der Mühle erneut zugeführt. Das beladene Mühlenabgas verlässt dann die Mühle mit einer Temperatur von ca. 105 °C. Durch ein nachgeschaltetes Schlauchfilter der Firma Scheuch wird das Fertiggut vom Gasstrom abgetrennt. Ein mit Heizöl befeuerter In-Line-Brenner stellt die Wärmezufuhr auch für den Fall eines Ofenstillstands sicher. � Tabelle 1 zeigt exemplarisch für die Hüttensandmahlung die Druckverteilung im Mahlkreislauf. Durch eine geregelte Abluftklappe („S-Klappe“) wird die Mühle von Druckschwankungen am Drehrohrofen entkoppelt.

Die Fertiggutfeinheit wird bei einer Vertikal-Rollenmühle mit integriertem Sichter primär über die Stabkorbdrehzahl des dynamischen Sichters eingestellt. Aber auch der Arbeitsdruck der Masterwalzen und die verfügbare Gasmenge Table 1:

Pressure distribution in the grinding circuit of an LM 35.2+2 Loesche mill in mbar Tabelle 1: Druckverteilung im Mahlkreislauf einer Loesche-Mühle LM 35.2+2 in mbar Test setting

Measuring points: 1 pressure before mill 2 pressure after mill

4 pressure after flap “R” 5 pressure after flap “S”

3 pressure before flap “R”

Figure 1: Process flow sheet for the LM 35.2+2 Loesche mill Bild 1: Verfahrensfließbild der Loesche-Mühle LM 35.2+2

CEMENT INTERNATIONAL 4 2/2012 4 VOL. 10 1204181_LOE_16Seiter_Lengerich.indd 3

Minimum

Maximum

Mean

Pressure before mill

–13.1

–5

–9

Pressure after mill

–40.9

–33

–36.6

Pressure before flap “R”

–11.6

0

–5.2

Pressure after flap “R”

–9.9

–5

–7.1

Pressure after flap “S”

–11.0

–5.8

–8.2

Mill differential pressure

21.9

32.5

27.6

Flap “R” differential pressure

0.1

7

2

PROCESSING

3 Einflüsse der Prozessparameter

57 25.07.12 09:04

Slope [n]

.

.

.

.

.

.

bestimmen das Zerkleinerungsergebnis [1]. Zur Untersuchung dieser Abhängigkeiten wurden die Prozessparameter Stabkorbdrehzahl, Arbeitsdruck der Masterwalzen sowie der Gasvolumenstrom unabhängig voneinander variiert. � Bild 2 zeigt die Abhängigkeit des Lageparameters d‘ der RRSB-Ver RRSB-Verteilung von den drei oben genannten Prozessparametern bei der Mahlung von Hüttensand. Deutlich zu erkennen ist der bekannte Einfluss der Sichterdrehzahl. Interessant ist aber auch die Abhängigkeit des Lageparameters d‘ vom Arbeitsdruck der Masterwalzen, der zwischen 85 bar und 100 bar variiert wurde.

Working pressure [bar]

.

.

.

. .

. . . . . . . . . . . /h]

3

. .

. . . . . . . . . .

Figure 2: Influence of selected process parameters on the product fineness Bild 2: Einflüsse ausgewählter Prozessparameter auf die Produktfeinheit

3 Factors affecting the process parameters

PROCESSING

With a vertical roller mill with integral classifier the fineness of the finished product is set primarily by the rotational speed of the caged rotor in the dynamic classifier. However, the comminution result is also determined by the working pressure of the master rollers and the quantity of the gas available [1]. These dependencies were investigated by varying the process parameters, namely rotational speed of the caged rotor, working pressure of the master rollers and gas volume flow, independently of one another. � Fig. 2 shows the way the position parameter d’ of the RRSB distribution depends on the three above-mentioned process parameters when grinding granulated blastfurnace slag. The known influence of the rotational speed of the caged rotor is clearly visible. However, the dependence of the position parameter d’ on the working pressure of the master rollers, which was varied between 85 bar and 100 bar, is also interesting. In view of the minimum material bed height of 15 mm the process parameter of the working pressure of the master rollers is regarded as only a secondary parameter as far as the influence on the product fineness is concerned. The comminution result improves with increasing pressure and decreasing material bed thickness. The spectrum of fine particle sizes between 0.5 µm and 15 µm increases significantly and the width of the particle size distribution also increases while there is a slight decrease in the slope n of the RRSB

Unter Berücksichtigung einer Mindest-Mahlbetthöhe von 15 mm ist der Prozessparameter des Arbeitsdrucks der Masterwalzen allerdings nur als ein sekundärer Parameter zur Beeinflussung der Produktfeinheit anzusehen. Das Zer Zerkleinerungsergebnis verbessert sich mit zunehmender Pressung und abnehmender Mahlbettdicke. Das Spektrum an feinen Partikelgrößen zwischen 0,5 µm und 15 µm erhöht sich dabei signifikant, ebenfalls nimmt die Breite der Partikelgrößenverteilung zu, während das Steigungsmaß n der RRSB-Verteilung leicht zurückgeht. Eine signifikante Abhängigkeit des Steigungsmaßes n vom Arbeitsdruck und vom Gasvolumenstrom konnte dabei jedoch nicht festgestellt werden. Gleichwohl kann durch eine Absenkung des Gasvolumenstroms bei ansonsten konstanten Prozessparametern der Lageparameter d‘ abgesenkt werden. Eine für die Baugröße der Mühle relevante minimale Gasmenge darf jedoch nicht unterschritten werden, wenn Prozessinstabilitäten verhindert werden sollen. Bei der Loesche-Mühle LM 35.2+2 liegt diese minimale Gasmenge im Betrieb bei 3 130 000 m /h.

4 Mahlhilfen Die Wirkungsweise von Mahlhilfen bei der Klinkermahlung in Kugelmühlen ist in der Literatur vielfach diskutiert worden [2, 3, 8, 12]. Durch ein Coating der zur Agglomeration neigenden Partikel mit einer theoretisch minimalen mono-molekularen Schicht werden die Oberflächenladungen neutralisiert. Dabei kann unterschieden werden zwischen polaren und nicht polaren Mahlhilfen, wobei auch Wasser als polare Mahlhilfe wirkt. Neben der reinen Verbesserung des Fließverhaltens und der Desagglomerationswirkung der klassischen Mahlhilfsmittel werden bei so genannten Quality Improvern gezielt auch die Früh- und Endfestigkeiten und/ oder die Erstarrungszeiten beeinflusst. Die Effektivität dieser Additive bei der Hüttensandmahlung ist aufgrund der minimalen elektrochemischen Potenziale glasiger Strukturen niedrig, wohingegen sich dieser Effekt bereits bei Zugabe

Table 2: Compilation of some grinding aids and quality improvers Tabelle 2: Zusammenstellung eingesetzter Mahlhilfen und Quality Improver Additives Constituents

Density [g/cm3] pH Flash point / lower boiling point [°C] Concentration w.r.t. fresh material Function

58 1204181_LOE_16Seiter_Lengerich.indd 4

SIKA 184

MAPEI MA.G.A. / VM 12

GRACE HEA 239

GRACE 1306 Konz. 11

salts of thiocyanic acid calcium chloride 2,2-oxydiethanol

sodium thiocyanate 1,1,1-nitrilotripropan-2-ol acetic acid 2,2-iminodiethanol

ethane diol 2,2-oxydiethanol trigol

2,2-oxydiethanol ethane diol potassium hydroxide

1.22

1.20 +/– 0.02

1.14

1.12

7

8.5 +/– 1.5

10

12

> 100

100

> 100

> 100

0.20 %

0.10 %

0.02 %

0.02%

Influences setting times and flow behaviour

Influences early and final strengths and flow behaviour

Improved flow behaviour Disagglomerating action

Improved flow behaviour Disagglomerating action

CEMENT INTERNATIONAL 4 2/2012 4 VOL. 10 25.07.12 09:04

Loesche Mill Type LM 35.2+2 CS, San Antonio, Chile Loesche Mühle Typ LM 35.2+2 CS, San Antonio, Chile

1204181_LOE_16Seiter_Lengerich.indd 5

25.07.12 09:04

Table 3: Influence of the grinding aid on important process variables of the LM 35.2+2 Loesche mill Tabelle 3: Einfluss der Mahlhilfe auf wichtige Prozessgrößen der Loesche-Mühle LM 35.2+2 Vibrations Casing [mm s –1]

Mill diff. pressure [mbar]

Filter diff. pressure [mbar]

Master roller 1 Material bed depth [mm]

Master roller 2 Material bed depth [mm]

Working pressure [bar]

100% gbs, 4000 Blaine, without grinding aid

3.7

25.9

5.9

19.7

21.3

86.8

97% gbs, 3% anhydrite 4000 Blaine, without grinding aid

3.8

25.4

6

18.9

20.4

87.5

97% gbs, 3% anhydrite 4000 Blaine, 0.64 l/min grinding aid

3.6

25.9

7.2

18.1

20.0

87.7

97% gbs, 3% anhydrite 4500 Blaine, without grinding aid

4.3

28.7

6

16.6

17.5

87.6

97% gbs, 3% anhydrite 4500 Blaine, with grinding aid

4.3

26.9

7.8

15.8

18.1

87.6

90% gbs, 10 % clinker 4500 Blaine, without grinding aid

5.1

28.9

5.6

15.0

16.9

87.6

90% gbs, 10 % clinker 4500 Blaine, 0,76 l/min grinding aid

5.1

28.5

7.6

15.7

16.6

88.4

90% gbs, 10 % clinker 4500 Blaine, 0,76 l/min grinding aid addition on collecting belt

5.5

28.3

8.0

15.4

16.4

89.3

90% gbs, 10 % clinker 4000 Blaine, without grinding aid

4.6

30.3

6.1

17.2

18.4

89.6

90% gbs, 10 % clinker 4000 Blaine, 0,76 l/min grinding aid

4.3

29.7

7.3

17.5

18.9

89.4

Test setting

distribution. However, no significant dependence of the slope n on the working pressure and the gas volume flow was detected, although the position parameter d’ can be lowered by reducing the gas flow with otherwise constant process parameters. However, the gas flow must not fall below the minimum flow for the particular size of mill if process instability to be prevented. For the LM 35.2+2 Loesche mill 3 this minimum gas flow in operation is 130000 m /h.

Mit dem Additiv MA.G.A. von MAPEI [9] konnten umfangreiche Testreihen bei reiner Hüttensandmahlung und bei gemeinsamer Mahlung unter Einsatz von Klinker und Anhydrit durchgeführt werden. � Tabelle 3 zeigt den Einfluss des Additivs auf das Mahlverhalten der Anlage. Der Differenzdruck über der Mahlanlage fällt tendenziell leicht ab als Konsequenz der veränderten Beladungsverhältnisse in der Mühle (� Bild 3, Tromp-Kurven mit und ohne Mahlhilfsmittel). Dadurch fallen auch die Vibrationen am Mühlengehäuse leicht zurück. Der Differenzdruck am Mühlenfil-

The way that grinding aids work during clinker grinding in ball mills has been discussed many times in the literature [2, 3, 8, 12]. The surface charges are neutralized by coating the particles that have a tendency to agglomerate with a theoretically mono-molecular layer. It is possible to differentiate between polar and non-polar grinding aids, and xT (plitt) cl Designation water acts as a polar grinding aid. μm In addition to the straightforward 4 000 Blaine without additive 22.173 4.0000 4 000 Blaine with 0,64 l/min MA.G.A 24.801 4.0000 improvement in flow behaviour and 4 500 Blaine without additive 21.126 4.0000 disagglomerating action of the clas4 500 Blaine with 0,76 l/min MA.G.A 21.578 4.0000 sical grinding aids, with quality improvers it is also possible to exert a specific influence on the early and final strengths and/or setting times. These additives are not very effective when grinding granulated blastfurnace slag because of the electrochemical potential of glassy structures although this effect is significantly increased with the addition of small amounts of clinker and Particle size x [μm] anhydrite. � Table 2 shows the grinding aids and quality improvers used with their main components, typical Figure 3: Influence of grinding aids on the classifier efficiency (additive used: MAPEI VM 12) Bild 3: Einfluss von Mahlhilfen auf die Sichtereffizienz (verwendetes Additiv: MAPEI VM 12) concentrations and areas of use. Distribution ratio T(x) [%]

PROCESSING

4 Grinding aids

geringer Anteile von Klinker und Anhydrit deutlich erhöht. � Tabelle 2 zeigt die verwendeten Mahlhilfsmittel und Quality Improver mit ihren Hauptkomponenten, typischen Konzentrationen und Einsatzfeldern.

60 1204181_LOE_16Seiter_Lengerich.indd 6

CEMENT INTERNATIONAL 4 2/2012 4 VOL. 10 25.07.12 09:04

Extensive test series during plain granulated blastfurnace slag grinding and during intergrinding with clinker and anhydrite were carried out with the MA.G.A additive from MAPEI [9]. � Table 3 shows the effect of the additive on the grinding behaviour of the plant. The differential pressure across the grinding plant tends to fall slightly as a consequence of the different loading conditions in the mill (� Fig. 3, Tromp curves with and without grinding aids), which also slightly reduces the vibrations in the mill casing. The trials were also able to confirm that addition of the grinding aid directly to the surface of the material bed in the mill instead of on the central collecting belt conveyor before the feed into the rotary-vane feeder leads to better results for reducing the vibrations. Comparison of the specific energy consumptions during the grinding with and without the aid of grinding aids (� Table 4) shows that there is a drop in the power taken at the main drive. In the same way, on the other hand, there is an increase in the power taken by the mill fan. In spite of this there is a slight drop in specific power consumption. This effect is not so strongly marked when processing granulated blastfurnace slag but the savings are higher when intergrinding cement. Grinding trials with additives from SIKA (SIKA 184) and grinding aids from GRACE (1306 Konz. 11 and HEA 239) were carried out during the production of a CEM II/B-S 32,5 cement 2 with a specific surface area of 3 000 cm /g Blaine [10, 11]. The concentration of SIKA 184 was set at 0.2 % relative to the throughput of fresh material, while for the GRACE Konz. 11 additive the addition rate was 0.02 %. Table 5 compares the intergrinding of CEM II/B-S 32,5 cement with and without the addition of grinding aids. A moderate plant output of 62 t/h at an average specific power consumption of 19.7 kWh/t was achieved without the use of grinding aids.

ter steigt dagegen leicht an. Darüber hinaus konnte mit den Versuchen bestätigt werden, dass eine Zugabe der Mahlhilfe direkt auf die Mahlbettoberfläche in der Mühle anstatt auf das zentrale Sammelgurtband vor Aufgabe in die Zellenradschleuse zu besseren Ergebnissen bei der Schwingungsminderung führt. Vergleicht man den spezifischen Energieverbrauch bei der Mahlung mit und ohne Zusatz von Mahlhilfen (� Tabelle 4), so fällt auf, dass die Leistungsaufnahme am Hauptantrieb sinkt. In gleicher Weise steigt dagegen die Leistung des Mühlengebläses an. Der spezifische Energieverbrauch sinkt insgesamt dennoch leicht ab. Dieser Effekt ist bei der Aufbereitung von Hüttensand nicht so stark ausgeprägt, dagegen sind die Einsparungen bei der gemeinsamen Zementmahlung höher. Für die Herstellung eines Zements der Normbezeichnung CEM II/B-S 32,5 mit einer spezifischen Oberfläche 2 von 3 000 cm /g nach Blaine wurden Mahlversuche mit Additiven der Firma SIKA (SIKA 184) und Mahlhilfen von GRACE (1306 Konz. 11 und HEA 239) durchgeführt [10, 11]. Die Konzentration von SIKA 184 wurde zu 0,2 %, bezogen auf den Frischgutdurchsatz, gewählt, wohingegen beim GRACE Additiv 1306 Konz. 11 die Zugabe bei 0,02 % lag. � Tabelle 5 zeigt eine Gegenüberstellung bei gemeinsamer Mahlung des Zements CEM II/B-S 32,5 ohne und mit dem Zusatz von Mahlhilfen. Ohne den Einsatz von Mahlhilfen wird ein moderater Anlagendurchsatz von 70 t/h erreicht bei einem spezifischen Energiebedarf im Mittel von 19,7 kWh/t. Bei Verwendung der genannten Mahlhilfen konnte dagegen der Anlagendurchsatz auf bis zu 90 t/h gesteigert werden, wobei sich der spezifische Energiebedarf um 1,2 kWh/t verringerte. Bei diesen Betrachtungen blieb der pneumatische Transport unberücksichtigt.

Table 4: Influence of grinding aids on the specific power consumption of the LM 35.2+2 Loesche mill Tabelle 4: Einfluss von Mahlhilfen auf den spezifischen Energiebedarf der Loesche-Mühle LM 35.2+2 Output, dry

Main drive

Classifier drive

Fan power

[t/h]

[t/h]

[kW]

[kW]

[kW]

Specific energy consumption [kWh/t]

100% gbs, 4000 Blaine, without grinding aid

51.8

46.6

1355

53

231

35.2

97% gbs, 3% anhydrite 4000 Blaine, without grinding aid

51.6

45.0

1353

53

232

36.4

97% gbs, 3% anhydrite 4000 Blaine, 0.64 l/min grinding aid

51.6

45.0

1333

55

245

36.2

97% gbs, 3% anhydrite 4500 Blaine, without grinding aid

47.7

41.6

1297

74

261

39.2

97% gbs, 3% anhydrite 4500 Blaine, with grinding aid

47.6

41.6

1275

70

267

38.8

90% gbs, 10% clinker 4500 Blaine, without grinding aid

46.8

37.9

1276

79.7

259

42.6

90% gbs, 10% clinker 4500 Blaine, 0,76 l/min grinding aid

46.9

38.0

1250

81

263

42.0

90% gbs, 10% clinker 4500 Blaine, 0,76 l/min grinding aid addition on collecting belt

46.9

38.0

1231

81

260

41.4

90% gbs, 10% clinker 4000 Blaine, without grinding aid

54.9

44.5

1367

70

269

38.4

90% gbs, 10% clinker 4000 Blaine, 0,76 l/min grinding aid

55.1

44.6

1373

69

271

38.4

CEMENT INTERNATIONAL 4 2/2012 4 VOL. 10 1204181_LOE_16Seiter_Lengerich.indd 7

PROCESSING

Output, moist Test setting

61 25.07.12 09:04

When the above-mentioned grinding aids were used the plant output was increased to up to 90 t/h although the specific power consumption was only reduced by 1.2 kWh/t. The pneumatic transport system was not taken into account in these considerations.

5 Classifier efficiency A sampler with which a representative quantity of sample could be taken from the classifier grits while the plant was in operation was installed jointly with Loesche GmbH in order to measure the efficiency of the classifier. The selectivity of the classifier can be determined with the particle size distributions of the finished product and the classifier grits as well as the internal recirculation ratio. The internal recirculation ratio of the vertical roller mill was narrowed down to values between 8 and 12 through the plausibility checks. Fig. 3 shows the Tromp curves for grinding granulated blastfurnace 2 2 slag with target Blaine values of 4000 cm /g and 4500 cm /g respectively with and without the addition of the MA.G.A grinding aid (see Table 2). The upward slopes in the selectivity curve, the “fish hook effect” is clearly identifiable during the grinding without the addition of a grinding aid. The agglomeration of the particles in the ultrafine particle range between 1 and 10 µm is abolished by the addition of the grinding aid directly on the surface of the material bed. The dispersing action of the grinding aid improves the classifying process. Furthermore, it was observed that the differential pressure across the mill fell as a consequence of the changed internal recirculation. The differential pressure across the mill filter increased by the same amount as a consequence of the finer particle input. The flowability of the finished product after the mill filter increased significantly and caused a drop in the power consumption of the spiral pump for the removing the finished product. This increased the power reserves in the finished product transport system. The throughput was increased by 8% when operating the mill at the same differential pressure.

PROCESSING

6 Specific quantity of water and process stability No additional water is normally needed during the grinding of moist granulated blastfurnace slag but injection of water into the grinding space for stabilizing the grinding bed can be an advantage when producing high-grade cements. Water for stabilizing the grinding bed is applied to the surface of the grinding bed. Each water lanc is located between the master and support rollers and the water is carried directly to surface of the grinding bed through several holes along the lance. The grinding aid is also applied directly to the surface of the material bed at the same time. Over the last three years the specified amount quantity of water has been significantly reduced to the required minimum. The cement setting times are extended considerably when the amount of water exceeds > 40 kgwater/tclinker. By wayof example � Table 6 shows four selected types of cement with their respective plant outputs and the associated specific quantity of water in kgwater/tclinker that is necessary for adequate stabilization of the grinding bed. When the operation of the mill has been optimized and taken up to the maximum the specific water consumption when producing CEM II/B-S 32,5 R cement can be reduced to 5 kgwater/tclinker.

62 1204181_LOE_16Seiter_Lengerich.indd 8

Table 5:

Optimization of the output when grinding CEM II/B-S 32,5 cement using grinding aids Tabelle 5: Durchsatzoptimierung bei der Mahlung eines Zements CEM II/B-S 32,5 unter Einsatz von Mahlhilfen Without grinding aid

With grinding aid

Main drive [kW]

930

1350

Classifier drive [kW]

13

15

Auxiliary drives [kW]

30

30

Test setting

Fan [kW]

295

336

Efficiency, main drive

0.95

0.95

Efficiency, classifier

0.93

0.93

62

90

10

10

19.7

18.5

Output, moist [t/h] Average initial moisture [mass %] *)

Specific power consumption in [kWh/t] *)

without pneumatic transport

5 Sichterwirkungsgrad Zur Bestimmung des Sichterwirkungsgrads wurde in Zusammenarbeit mit der Loesche GmbH ein Probenehmer installiert, mit dem während des laufenden Betriebs eine repräsentative Probemenge aus dem Sichtergrobgut entnommen werden kann. Mit den Korngrößenverteilungen von Fertiggut und Sichtergrobgut sowie der internen Umlaufzahl lässt sich der Trenngrad des Sichters bestimmen. Durch Plausibilitätskontrollen konnte die interne Umlaufzahl der VertikalRollenmühle auf Werte zwischen 8 und 12 eingegrenzt werden. Bild 3 zeigt die Tromp-Kurven einer Hüttensandmahlung 2 mit der Zielvorgabe eines Blainewerts von 4000 cm /g bzw. 2 4500 cm /g mit und ohne Zugabe der Mahlhilfe MA.G.A. (s. Tabelle 2). Deutlich zu erkennen ist das Ansteigen der Trenngradkurve, der so genannte „Fish-Hook-Effekt“ bei der Mahlung ohne Zusatz einer Mahlhilfe. Durch die Zugabe der Mahlhilfe unmittelbar auf die Mahlbettoberfläche wird die Agglomeration der Partikel im Feinstkornbereich zwischen 1 µm und 10 µm aufgehoben. Die Dispergierwirkung der Mahlhilfe verbessert den Sichtprozess. Weiterhin konnte, als Konsequenz des veränderten internen Umlaufs, beobachtet werden, dass der Differenzdruck über der Mühle abnimmt. Im gleichen Maße erhöhte sich der Differenzdruck über dem Mühlenfilter als Folge einer feineren Partikelbeaufschlagung. Die Fließfähigkeit des Fertigguts nach dem Mühlenfilter erhöhte sich deutlich und hatte ein Absinken der Stromaufnahme der Schneckenpumpe zum Abtransport des Fertigguts zur Folge. Dadurch wurden Leistungsreserven beim Fertigguttransport gewonnen. Beim Betrieb der Mühle mit gleichem Differenzdruck konnte der Durchsatz um 8 % gesteigert werden.

6 Spezifische Wassermenge und Prozessstabilität Während für die Mahlung von aufgabefeuchten Hüttensanden zumeist kein zusätzliches Wasser benötigt wird, kann eine Wassereindüsung in den Mahlraum zur Stabilisierung des Mahlbetts bei der Herstellung hochwertiger Zemente von Vorteil sein. Dabei wird Wasser zur Stabilisierung des Mahlbetts auf die Mahlbettoberfläche aufgebracht, wobei sich die Wasserlanzen jeweils zwischen der Master- und Supportwalze befinden und das Wasser durch mehrere Bohrungen entlang der Lanze direkt auf die Mahlbettoberfläche

CEMENT INTERNATIONAL 4 2/2012 4 VOL. 10 25.07.12 09:04

TO REACH A CERTAIN LEVEL

OF PERFECTION

IT NEEDS

3000 YEARS Now it’s time for our grinding technology. For further information please call +492115353 0 or visit www.loesche.com

AZ_A4_Hoch_2010_perfection.indd 1 9 1204181_LOE_16Seiter_Lengerich.indd

20.08.2010 10:17:28 Uhr 25.07.12 09:04

geleitet wird. Parallel dazu wird die Mahlhilfe ebenfalls direkt auf die Mahlbettoberfläche aufgebracht. Slope [n]

.

.

.

.

.

.

Working pressure [bar]

.

.

.

. .

. . . . . . . . . . . /h]

3

. .

. . . . . . . . . .

Figure 4: 2: SEM Influence of selected process parameters Figure photomicrograph of the fractions > 20on µmthe of product a ground fineness blastfurnace slag with a fineness corresponding to 4 000 cm2/g Blaine [4] Bild 4: REM-Aufnahmen der Fraktionen > 20 µm eines Hüttensandmehls mit einer Feinheit entsprechend einem Blaine-Wert von 4 000 cm2/g [4]

3 Factors affecting the process parameters

Table 6: Specific quantity of water for finish cement grinding Tabelle 6: Spezifische Wassermenge bei der Zementfertigmahlung Blaine Value [cm2/g]

Output [t/h]

Specific quantity of water [kg H2O / t cement]

CEM I 42,5 R

3 500

50

37

CEM II/B-M (S-LL) 42,5

4 900

45

37

CEM II/A-LL 42,5

3 500

70

7

CEM II/B-S 32,5 R

3 600

90

5.5

Cement type

Eine zu große Wassermenge führt zur Ausbildung von vor vorzeitigen Hydratationsprodukten (Ettringitbildung), wie auf den REM-Aufnahmen von � Bild 4 zu erkennen ist. Durch die Hydratschicht auf der Partikeloberfläche werden dabei die Erstarrungszeiten signifikant beeinflusst.

7 Partikelmorphologie

Literaturangaben zur Folge wurde der Einfluss des verwendeten Mahlsystems auf die Kornform des Mahlguts im TechDuring work material on the vertical roller of mills In viewoptimization of the minimum bed height 15 installed mm the nikumsmaßstab mehrfach untersucht [5]. Danach konnten at Dyckerhoff in the of years 2008pressure to 2010 of thethe particle process parameter the from working mas- auf der Grundlage bildanalytischer Untersuchungen keine shapes of the ground granulated slags produced ter rollers is regarded as only a blastfurnace secondary parameter as far signifikanten Unterschiede hinsichtlich der erzeugten Kornby different grinding were investigated at The the formen zwischen unterschiedlichen Mahlsystemen festgeas the influence on themethods product fineness is concerned. Wilhelm Dyckerhoff Institute with [6]. The particlepressure morphology comminution result improves increasing and stellt werden. Die Untersuchungen waren nach [5] an einer of the ground granulated blastfurnace slags wasofanalyzed decreasing material bed thickness. The spectrum fine par- halbtechnischen Vertikal-Rollenmühle, an einer Mahlbett-Walover the entire particle spectrum the Malvern Mor- zenmühle und an einer Kugelmühle im Forschungsinstitut ticle sizes between 0.5 size µm and 15 µm with increases significantly and the width of the particle size distribution also increases der Zementindustrie in Düsseldorf durchgeführt worden. while there is a slight decrease in the slope n of the RRSB Im Zuge der Optimierungsarbeiten an den bei Dyckerhoff Table 2: Compilation ofHigh some grinding aids and installierten Vertikal-Rollenmühlen wurde in den Jahren 2008 Sensitivity Circularity x1 quality improvers Measuring technology Malvern Morphologi G3 bis 2010 die Kornform der nach unterschiedlichen Mahlverfahren hergestellten Hüttensandmehle am Wilhelm Ball mill, closed circuit Additives SIKA 184 MAPEI MA.G.A. / VM 12 GRACE HEA 239 GRACE 1306 Konz. 11 Dyckerhoff Institut untersucht [6]. Die Partikelmorphologie High-pressure roller press + ball mill Constituents salts of thiocyanic acid sodium der thiocyanate ethane diol 2,2-oxydiethanol gemahlenen Hüttensandmehle wurde dabei mit dem calcium 1,1,1-nitrilotripropan-2-ol 2,2-oxydiethanol ethane LM 46 2+2 vertical millchloride Malvern Morphologi G3 Messgerät [7] über das diol gesamte 2,2-oxydiethanol acetic acid trigol potassium hydroxide LM 35 2+2 vertical mill Korngrößenspektrum analysiert. Bei dem Morphologi G3 2,2-iminodiethanol Bildanalysegerät wird im Mittel eine Partikelmenge von 3 Density [g/cm ] 1.22 1.20100000 +/– 0.02 Einzelpartikeln betrachtet. 1.14 1.12 Das Gerät errechnet eine pH 7 8.5anzahlbezogene +/– 1.5 10 wodurch das zahlenmäßig 12 Verteilung, häuHS Circularity figere Vorkommen kleinerer Flash point / lower boiling point [°C] > 100 100 > 100 Partikel berücksichtigt > 100 und größere Partikel nicht überbewertet werden. Zum Vergleich Concentration w.r.t. fresh material 0.20 % 0.10 % 0.02 % 0.02% wurde gemahlener Hüttensand, der in einem KugelmühlenFunction Influences setting times Influences early and final Improved flow behaviour Improved behaviour Figure 5: Density distributions for the HS circularity kreislauf hergestellt worden war, und auch einflow Hüttensandand flow behaviour strengths and flow behaviour Disagglomerating action Disagglomerating action Bild 5: Dichteverteilungen bei der HS-Circularität mehl aus einer Kombi-Mahlanlage (Hochdruck-Rollenmühle Density distribution [%]

PROCESSING

An overabundance of water leads to the formation of preWith a hydration vertical roller mill with integral classifierasthe mature products (ettringite formation), canfinebe ness in of the theSEM finished product is setinprimarily rotaseen photomicrographs � Fig. 4. by Thethe setting tional are speed of the cagedby rotor the dynamic times greatly affected the in hydrate layer onclassifier. the parHowever, the comminution result is also determined by ticle surface. the working pressure of the master rollers and the quantity 7of Particle morphology the gas available [1]. These dependencies were investigated by varying the process parameters, namely rotaInformation indicates thatpressure the influence tional speed inof the the literature caged rotor, working of the of the grinding system used onflow, the independently particle shape of of one the master rollers and gas volume ground beenthe investigated many times on a pilot another.material � Fig. 2has shows way the position parameter d’ plant [5].distribution Apparently,depends the investigations based on image of thescale RRSB on the three above-menanalysis were not able to establish any notable differences tioned process parameters when grinding granulated blastbetween diverse systems with respect to the parfurnace slag. Thegrinding known influence of the rotational speed ticle shapes According [5] the investigations of the cagedgenerated. rotor is clearly visible.toHowever, the dependwere out in a parameter semi-industrial roller mill, highence carried of the position d’ onvertical the working pressure pressure grinding rollswhich and awas ballvaried mill atbetween the Research of the master rollers, 85 barInstiand tute bar, of the Cement Industry in Düsseldorf. 100 is also interesting.

� WasIn den vergangenen drei Jahren konnte die spezifische sermenge deutlich auf eine notwendige Mindestmenge reduziert werden. Bei zu großen spezifischen Wassermengen > 40 kgWasser/tKlinker verlängern sich die Erstarrungszeiten der Zemente signifikant. � Tabelle 6 zeigt exemplarisch vier ausgewählte Zementarten mit dem jeweiligen Anlagendurchsatz und der zugehörigen spezifischen Wassermenge in kgWasser/tKlinker, die notwendig ist, um das Mahlbett hinreichend zu stabilisieren. Bei optimierter und bis an das Durchsatzmaximum geführter Betriebsweise der Mühle kann der spezifische Wasserverbrauch bei der Herstellung eines Zements CEM II/B-S 32,5 R auf 5 kgWasser/tKlinker gesenkt werden.

64 1204181_LOE_16Seiter_Lengerich.indd 10

CEMENT INTERNATIONAL 4 2/2012 4 VOL. 10 25.07.12 09:04

Figure 6a: Distribution of the circularity of ground granulated blastfurnace slag with a Blaine value of 4 000 g/cm2, produced in a vertical roller mill Bild 6a: Verteilung der Zirkularität eines Hüttensandmehls mit einem Blainewert von 4 000 g/cm2, hergestellt auf der VertikalRollenmühle

Figure 6b: Distribution of the circularity of ground granulated blastfurnace slag with a Blaine value of 4 000 g/cm2, produced in a ball mill Bild 6b: Verteilung der Zirkularität eines Hüttensandmehls mit einem Blainewert von 4 000 g/cm2, hergestellt auf der Kugelmühle

phologi G3 measuring unit [7]. On average, 100000 individual particles are examined in the Morphologi G3 image analysis unit. The unit calculates a number-based distribution in which the frequency of smaller particles are taken into account numerically, and larger particles are not overrated. Ground granulated blastfurnace slag that had been produced in a ball mill circuit and ground granulated blastfurnace slag from a combined grinding plant (high-pressure grinding rolls with downstream ball mill) were examined for comparison. � Fig. 5 shows the density distributions of the circularities of the individual ground granulated blastfurnace slags. The further the particle shape deviates from an ideal circle the lower is the circularity value that is determined using the projected area and the perimeter in accordance with the following relationship:

und nachgeschaltete Kugelmühle) untersucht. � Bild 5 zeigt die Dichteverteilungen von den Zirkularitäten der einzelnen Hüttensandmehle. Je weiter die Kornform von einem idealen Kreis abweicht, desto niedriger ist der Wert für die Zir Zirkularität, die mit der Projektionsfläche und dem Perimeter nach folgender Beziehung bestimmt wird:

2

(1)

in which P perimeter, sum of the lengths of the particle edges A projected area. The circularity is determined both by the shape of the particle and the nature of its surface. By automatic image analysis of the particle population followed by black-white separation of the 2-dimensional images, it is possible to draw statistical conclusions about the changes in the morphology of the ground granulated blastfurnace slag. The modal value of the granulated blastfurnace slags from the ball mill is 0.92 while the circularity of the ground products produced in the vertical roller mill is less than 0.9 and exhibits a wider spectrum of irregularly shaped particles when compared with the distributions of the ground products from ball mills. This difference is also apparent in the ground products from the combined grinding plant. The particle shape distribution lies between the distributions of the ball mill and the vertical roller mill. � Fig. 6a shows an example of the circularity of a ground granulated blastfurnace slag, produced with the LM 35.2+2 Loesche mill, as a function of the particle size. Next to this � Fig. 6b shows a comparable granulated blastfurnace slag

CEMENT INTERNATIONAL 4 2/2012 4 VOL. 10 1204181_LOE_16Seiter_Lengerich.indd 11

(1)

Darin bedeuten: P Perimeter, Summe der Längen der Partikelbegrenzungen A Projektionsfläche Die Zirkularität wird sowohl durch die Form der Partikel als auch durch deren Oberflächenbeschaffenheit bestimmt. Durch automatische Bildanalyse des Partikelkollektivs mit anschließender schwarz-weiß-Separation der 2-dimensionalen Bilder kann statistisch auf Veränderungen in der Mor Morphologie der Hüttensandmehle geschlossen werden. Der Modalwert der Hüttensandmehle von Kugelmühlen liegt bei 0,92. Die Zirkularität der Mehle, die auf der Vertikal-Rollenmühle hergestellt wurden, liegt dagegen unterhalb von 0,9 und weist ein breiteres Spektrum von irregulär geformten Partikeln im Vergleich zu den Verteilungen der Mahlprodukte von Kugelmühlen auf. Dieser Unterschied zeigt sich auch bei den Mahlprodukten der Kombi-Mahlanlage. Die Verteilung der Kornform liegt zwischen den Verteilungen der Kugelmühle und denen der Vertikal-Rollenmühle.

PROCESSING

HS circularity = 4πA/P

2

HS-Zirkularität = 4πA/P

Exemplarisch zeigt � Bild 6a die Zirkularität eines Hüttensandmehls, das mit der Loesche-Mühle LM 35.2+2 hergestellt wurde, als Funktion der Partikelgröße. Daneben zeigt � Bild 6b ein vergleichbares Hüttensandmehl, hergestellt in einer Zweikammer-Kugelmühle im Kreislauf mit einem Sichter. Mit abnehmendem Partikeldurchmesser wird die HS-Zir HS-Zirkularität höher und das Auftreten konzentrierter. Bei einem Partikeldurchmesser von 10 µm konnte bei der Vertikal-Rollenmühle eine Spannweite in der HS-Zirkularität von 0,26 bis 0,83 nachgewiesen werden. Dagegen lag beim geschlossenen Kugelmühlenkreislauf die Spannweite zwischen 0,32 und 0,86.

65 25.07.12 09:04

produced in a two-chamber ball mill operating in closed circuit with a classifier. The HS circularity increases and the occurrence more concentrated with decreasing particle diameter. A range of HS circularity from 0.26 to 0.83 was determined for the vertical roller mill at a particle diameter of 10 µm while for the ball mill circuit the range lay between 0.32 and 0.86.

8 Process stability

� Fig. 7 shows an example of the strategies that are applied, and in future will be automated, for producing ground granu2 lated blastfurnace slag with a Blaine value of 4 600 cm /g. A rapid change in the fresh material feed from 60 t/h to 40 t/h within 45 seconds is followed by a rapid increase in vibrations above 10 mm/s and a drop in power consumption from 1500 kW to below 1000 kW. The supply of fresh material was suddenly changed again in a similar way and stoppage of the 3 plant was prevented by the injection of 0.5 m /h water. The particle bed on the grinding table can be stabilized better in this way. The power consumption only falls to 1350 kW. At the conclusion of the investigations, this trial was carried out again and the process instability was offset by lowering the working pressure from 94 bar to 80 bar. The application of one or the other method of compensation can be appropriate depending on the material properties, particularly the particle size structure of the material being ground.

PROCESSING

Bearing in mind the minimum permissible working pressure of 75 bar for the LM 35.2+2 Loesche mill the pressure can be lowered in accordance with the following calculation ADSP ADSPcorr = –––––––––––––––––––––– LLpos x b a MAX ––––––––– ;1 X

) ]

(2)

in which ADSP

ADSPcorr X a, b

target working pressure value, defined as the steadystate end value of the working pressure after the end of the start ramp corrected working pressure minimum position of the master rollers (10 mm for the LM 35.2+2) coefficients

9 Energy aspects From the energy conservation view point, vertical roller mills are undoubtedly superior to the traditional ball mills. During the examination of the power consumption of vertical roller mills it proved appropriate to differentiate between the specific power consumption of the main drive alone and together with the secondary drives. � Fig. 8 shows the specific power consumption of the mill in kWh/t plotted against the Blaine specific surface area in the fineness range relevant for grind-

66 1204181_LOE_16Seiter_Lengerich.indd 12

Pressure 94 bar

Main drive 1500 kW Fresh material 60 t/h Material bed 24 mm

Because of the substantially shorter residence times in a vertical roller mill, any process malfunctions, such as an uneven feed, fluctuations in the piece size of the feed materials, or a mill outlet temperature that is too low cause instability in the material bed in a comparatively short time. The stoppage of a vertical roller mill that sometimes occurs very rapidly as the result of, for example, exceeding the permissible casing vibrations, can be countered by rapid short-term injection of water on the grinding bed.

[(

Granulated blastfurnance slag 4 600 Blaine

Vibration 2.7 mm/s Water 0.5 m3/h

Figure 7: Critical operating conditions averted by supplying water or lowering the working pressure of the hydro-pneumatic equipment Bild 7: Abfangen kritischer Betriebszustände durch Wasserzufuhr oder Absenken des Arbeitsdrucks der hydro-pneumatischen Einrichtungen

8 Prozessstabilität Aufgrund der wesentlich kürzeren Verweilzeiten in einer Vertikal-Rollenmühle wirken sich Prozessstörungen, wie z.B. eine ungleichmäßige Beschickung, Schwankungen in der Aufgabestückgröße des Aufgabeguts oder Unterschreitungen bei der Mühlenaustrittstemperatur in vergleichbar kurzer Zeit auf die Mahlbettstabilität aus. Dem bisweilen sehr kurzfristig auftretenden Ausfall einer Vertikal-Rollenmühle, z.B. bedingt durch das Überschreiten der zulässigen Gehäuseschwingungen, kann durch eine schnelle, kurzzeitige Wassereindüsung auf das Mahlbett entgegengewirkt werden. � Bild 7 zeigt exemplarisch die angewendeten und zukünftig automatisierten Strategien zur Herstellung von Hüttensand2 mehlen mit einem Blainewert von 4600 cm /g. Einer schnellen Änderung der Frischgutaufgabe von 60 t/h auf 40 t/h innerhalb von 45 Sekunden folgt eine rasche Zunahme der Schwingungen über 10 mm/s und ein Absinken der Leistungsaufnahme von 1500 auf unterhalb von 1000 kW. In ähnlicher Weise wurde erneut die Frischgutzufuhr plötzlich verändert und einem Anlagenausfall mit der Einsprit3 zung von 0,5 m /h Wasser entgegengewirkt. Das Mahlbett auf dem Mahlteller kann auf diese Weise besser stabilisiert werden. Die Leistungsaufnahme sinkt dabei lediglich auf einen Betrag von 1350 kW ab. Zum Abschluss der Untersuchungen wurde dieser Versuch erneut durchgeführt und die Prozessinstabilität mit einem Absenken des Arbeitsdrucks von 94 bar auf 80 bar kompensiert. In Abhängigkeit von den Materialeigenschaften, insbesondere aber auch vom Korngrößenaufbau des Mahlguts, kann sowohl die Anwendung der einen als auch der anderen Kompensationsmethode sinnvoll sein. Unter Berücksichtigung des minimal zulässigen Arbeitsdrucks von 75 bar bei der Loesche-Mühle LM 35.2+2 kann eine Druckabsenkung nach der folgenden Rechenvorschrift ADSP ADSPcorr = –––––––––––––––––––––– LLpos x b a MAX ––––––––– ;1 X

[(

) ]

(2)

durchgeführt werden.

CEMENT INTERNATIONAL 4 2/2012 4 VOL. 10 25.07.12 09:04

For comparison Fig. 8 shows the specific power consumption of the ball mills optimized at Dyckerhoff AG for producing ground granulated blastfurnace slag. Without taking the secondary drives into account the specific power consumption of these mills is 60 kWh/t. Consumption values of up to 75 kWh/t must be expected with the secondary drives including the fan. This means that, depending on the degree of optimization of the ball mill, its specific power consumption is higher than that of the vertical roller mill by a factor of 1.5 to 2.

Specific power consumption [kWh/t]

100 90

Incl. secondary drives

80 70 Ball mill

60

Main drive only

50 40

+ 15 %

30

Vertical mill

20

- 15 %

10 0 3600

3700

3800

3900

4000

4100

4200

4300

4400

In dieser Rechenvorschrift bedeuten: ADSP ADSPcorr X a, b

9 Energetische Aspekte Vertikal-Rollenmühlen sind aus energetischer Sicht den traditionell verwendeten Kugelmühlen deutlich überlegen. Bei der Untersuchung des Leistungsbedarfs von VertikalRollenmühlen hat sich eine Unterscheidung zwischen dem spezifischen Energiebedarf des Hauptantriebs allein und des Hauptantriebs zusammen mit den Nebenantrieben als sinnvoll erwiesen. � Bild 8 zeigt den spezifischen Energiebedarf der Mühle in kWh/t, dargestellt über der spezifischen Ober Oberfläche nach Blaine in dem für die Hüttensandmahlung relevanten Feinheitsbereich. Für die Herstellung eines Fertigguts 2 mit einer Mahlfeinheit von 4 000 cm /g nach Blaine wurde bei frisch aufgeschweißten Mahlwalzen und auch einer intakten Mahltelleroberfläche für den Hauptantrieb ein spezifischer Energiebedarf von 25 kWh/t bestimmt. Dieser Wert kann bis auf 30 kWh/t mit zunehmendem Verschleiß ansteigen. Um hohe Standzeiten bis zu 8 000 Betriebsstunden zu erreichen, werden die Beanspruchungsoberflächen der Mahlwalzen heute meistens mit keramischen Verbundwerkstoffen beschichtet [13]. Werden die Gebläse, der interne Sichter und die sonstigen Nebenantriebe mit in die Leistungsbewertung einbezogen, dann erhöht sich der spezifische Energiebedarf auf ca. 40 kWh/t. Darin enthalten ist allein für das Mühlengebläse ein spezifischer Energiebedarfswert von 6 kWh/t bis 8 kWh/t.

4500

Specific Blaine surface area [cm2/g]

Figure 8: Specific energy consumption when grinding granulated blastfurnace slag (vertical roller mill versus ball mill) Bild 8: Spezifischer Energiebedarf bei der Hüttensandmahlung (Vertikal-Rollenmühle versus Kugelmühle)

25

Position parameter d‘ RRSB

20 y = 425,3x-0,85 R² = 0,950 15

Plant 1 Plant 2 Plant 3 - ball mill 1 Plant 3 - ball mill 2 Plant 3 - ball mill 3 Plant 4 - ball mill 1 Plant 4 - ball mill 2 Plant 4 - ball mill 3 Plant master curve Plant 5 Pot. (plant master curve)

10

5

0 0

10

20

30

40

50

60

70

Specific power [kW/t]

Figure 9: Master curve for producing CEM I cement in ball mills Bild 9: Masterkurve zur Herstellung eines CEM I auf Kugelmühlen

CEMENT INTERNATIONAL 4 2/2012 4 VOL. 10 1204181_LOE_16Seiter_Lengerich.indd 13

80

Sollwert Arbeitsdruck, definiert als stationärer Endwert des Arbeitsdrucks nach Ende der Startrampe Korrigierter Arbeitsdruck Minimale Position der Masterwalzen (10 mm bei der LM 35.2+2) Koeffizienten

90

Bild 8 zeigt zum Vergleich den spezifischen Ener Energiebedarf der in der Dyckerhoff AG für die Herstellung von Hüttensandmehlen optimierten Kugelmühlen. Der spezifische Energiebedarf dieser Mühlen liegt ohne Berücksichtigung der Nebenantriebe bei 60 kWh/t. Mit den Nebenantrieben einschließlich des Gebläses müssen Bedarfswerte bis zu 75 kWh/t in Ansatz gebracht werden. Je nach dem Optimierungsgrad der Kugelmühle liegt demzufolge deren spezifischer Energiebedarf um den Faktor 1,5 bis 2 höher als bei der Vertikal-Rollenmühle. Zur Herstellung eines CEM I 42,5 R wird ohne Berücksichtigung der Transporteinrichtungen auf der Loesche-Mühle LM 35.2+2 ein spezifischer Energiebedarf von ca. 22 kWh/t benötigt. Dagegen ist bei der Herstellung dieses Zements auf einer Kugelmühle im geschlossenen Kreislauf bei vergleichbarer Zementqualität und Feinheit (d‘ = 18 µm) ein spezifischer Wert von 41 kWh/t zu veranschlagen. � Bild 9 zeigt eine Masterkurve für geschlossene Kugelmühlenkreisläufe, aufgenommen an verschiedenen Dyckerhoff-Standorten. Aus dieser Darstellung ergibt sich für den spezifischen Energiebedarf zwischen den in Betracht gezogenen Kugelmühlen und der Vertikal-Rollenmühle LM 35.2+2 ein Faktor von 1,7 bis 2,0.

PROCESSING

ing granulated blastfurnace slag. A specific power consumption of the main drive of 25 kWh/t was determined for pro2 ducing a finished product with a fineness of 4000 cm /g Blaine with freshly hard-faced grinding rollers and a grinding table surface that is in good order. With increasing wear this value can rise to 30 kWh/t. The working surfaces of the grinding rollers are now usually coated with composite ceramic materials to achieve service lives of up to 8 000 operating hours [13]. If the fan, the internal classifier and the other secondary drives are included in the power evaluation then the specific power consumption increases to about 40 kWh/t. This includes a specific power consumption value of 6 to 8 kWh/t just for the mill fan.

67 25.07.12 09:04

The specific power consumption when producing CEM I 42,5 R cement in the LM 35.2+2 Loesche mill is about 22 kWh/t without taking the transport equipment into account. In contrast, a specific value of 41 kWh/t is estimated for producing this cement in a ball mill in closed circuit for comparable cement quality and fineness (d’ = 18 µm). � Fig. 9 shows a master curve for closed ball mill circuits recorded at various Dyckerhoff sites. This diagram indicates that there is a factor of 1.7 to 2.0 between the specific energy consumptions of the ball mills under consideration and the LM 35.2+2 vertical roller mill.

10 Wear

PROCESSING

There was increased wear on the master rollers and the grinding table due the abrasive action of the granulated blastfurnace slag. The wearing surfaces of the master rollers in the LM 35.2+2 vertical roller mill therefore had to be resurfaced after every 1 600 operating hours. The specific wear on a master roller was determined as 3.5 g/tmillfeed while the grinding table only had to be resurfaced again after 2 000 operating hours, giving in a specific wear value of around 3 g/tmillfeed. These specific wear values can be considered as guide values when ground granulated blastfurnace slag is the main product. In the past they have also been shown to be of a similar order of magnitude for vertical roller mills from other manufacturers [15]. On average the specific energy requirement increases by up to 5 kWh/t with increasing wear of the working surfaces of the master rollers and grinding table. This increase in power occurs relatively rapidly after a certain profile depth has been exceeded, which requires additional water injection to stabilize the grinding bed. In contrast to the German site, the Esch sur Alzette site in Luxemburg operates an LM 46.2+2 vertical roller mill where the working surfaces of the master rollers are protected against wear by composite ceramic materials. When the mill was used predominantly for finish cement grinding the specific wear after using this composite ceramic was measured as 1.2 g/tmillfeed. The comminution efficiency proved to be unchanged for up to 6 000 operating hours. After that there was a slight steady increase in specific energy consumption by about 1.5 kWh/t for every 1000 operating hours. The master rollers used since the commissioning of this mill were changed for the first time after 11 000 operating hours.

11 Conclusions and outlook Numerous optimization measures insure a high level of availability for vertical roller mills today. These measures include implementation of start ramps for the roller pressure, for the classifier rotational speed and for the fresh material feed. Special emphasis is placed on the careful preparation of the grinding bed, which can be carried out mechanically by the use of support rollers, or by appropriate internal fittings that divert the material to be ground under the grinding rollers. This reduces to a minimum the quantity of water that also has to be applied for better process stability. An expert system to ensure maximum availability of the LM 35.2+2 vertical roller mill is currently being tested. According to the latest developments it also appears that the stability of the material bed can be influenced if limited controllability of the grinding table speed makes it possible to react better to the changes in the properties of the material [14].3

68 1204181_LOE_16Seiter_Lengerich.indd 14

10 Verschleiß Durch die abrasive Wirkung des Hüttensands tritt an den Masterwalzen und am Mahlteller erhöhter Verschleiß auf. Deshalb mussten bei der Vertikal-Rollenmühle LM 35.2+2 die Beanspruchungsoberflächen der Masterwalzen jeweils nach 1 600 Betriebsstunden aufgeschweißt werden. Der spezifische Verschleiß an einer Masterwalze konnte zu 3,5 g/tMahlgut ermittelt werden, während der Mahlteller erst nach 2000 Betriebsstunden erneut aufgeschweißt werden musste, woraus ein spezifischer Verschleißwert um 3 g/tMahlgut folgt. Die vorstehend genannten Verschleißwerte sind als Richtwerte bei überwiegender Produktion von Hüttensandmehlen anzusehen. Sie sind in der Vergangenheit in ähnlicher Größenordnung auch bei Vertikal-Rollenmühlen anderer Hersteller nachgewiesen worden [15]. Bei zunehmendem Verschleiß der Beanspruchungsoberflächen von Masterwalzen und Mahlteller erhöht sich der spezifische Energiebedarf im Mittel um bis zu 5 kWh/t. Dieser Leistungsanstieg tritt relativ schnell nach Überschreiten einer bestimmten Profiltiefe ein, was zur Stabilisierung des Mahlbetts eine zusätzliche Wassereindüsung erfordert. Am Standort Esch sur Alzette in Luxemburg wird im Gegensatz zum deutschen Standort eine Loesche-Mühle LM 46.2+2 Vertikalrollenmühle betrieben, bei der die Beanspruchungsoberflächen der Masterwalzen durch keramische Verbundwerkstoffe vor Verschleiß geschützt werden. Nach Einsatz dieser Kompositkeramik konnte der spezifische Verschleiß unter den Bedingungen einer überwiegenden Zementfertigmahlung zu 1,2 g/tMahlgut bestimmt werden. Für eine Dauer von bis zu 6000 Betriebsstunden erwies sich die Zerkleinerungseffizienz als unverändert. In der Folgezeit wurde dann nach jeweils 1000 Betriebsstunden eine leichte, stetige Zunahme des spezifischen Energiebedarfs um ca. 1,5 kWh/t festgestellt. Die seit der Inbetriebnahme dieser Mühle verwendeten Masterwalzen wurden nach 11000 Betriebsstunden zum ersten Mal gewechselt.

11 Schlussfolgerungen und Ausblick Durch zahlreiche Optimierungsmaßnahmen kann heute bei Vertikal-Rollenmühlen eine hohe Verfügbarkeit sichergestellt werden. Zu diesen Maßnahmen gehört die Implementierung von Startrampen für den Walzendruck, für die Sichterdrehzahl und auch für die Frischgutaufgabe. Eine besondere Bedeutung kommt der gezielten Präparation des Mahlbetts zu, was auf mechanischem Wege durch die Verwendung von so genannten Support-Walzen oder auch durch entsprechende Einbauten erfolgen kann, die das zu zerkleinernde Material unter die Mahlwalzen lenken. Die für eine bessere Prozessstabilität zusätzlich einzubringenden Wassermengen sind dabei auf ein Mindestmaß zu reduzieren. Zur Gewährleistung einer maximalen Verfügbarkeit der Vertikal-Rollenmühle LM 35.2+2 wird momentan ein Expertensystem getestet. Nach jüngsten Entwicklungen scheint es auch möglich, die Mahlbettstabilität zu beeinflussen, wenn über eine begrenzte Regelbarkeit der Mahltellerdrehzahl auf Eigenschaftsveränderungen des Materials besser reagiert werden kann [14].3

CEMENT INTERNATIONAL 4 2/2012 4 VOL. 10 25.07.12 09:04

LITERATURE / LITERATUR

CEMENT INTERNATIONAL 4 2/2012 4 VOL. 10 1204181_LOE_16Seiter_Lengerich.indd 15

Co your maintenance expendit PROCESSING

[1] Keyssner, M.; Tuebergen, S.: Trials on high quality cement with a Loesche vertical roller mill. CEMENT INTERNATIONAL 9 (2011) No. 2, pp. 60–66. [2] Bravo, A.; Cerulli, T.; Giarnetti, M.; Magistri, M.: Grinding th aids: A study on their mechanism of action. 11 International Congress on the Chemistry of Cement, Durban, South Africa 2003. [3] Sottili, D.; Padovani, D.: Einfluss von Mahlhilfsmitteln in der Zementindustrie. ZKG International 53 (2000) No. 10, pp. 568–575 (Part 1); 54 (2001) No. 3, pp 146–151 (Part 2). [4] Mutke, S.: WDI (Wilhelm Dyckerhoff Institut) – Untersuchungsbericht No. 09-00258 (2009) (Interner Untersuchungsbericht). [5] Seemann, S.; Müller-Pfeiffer, M.: Influence of the grinding system and grinding atmosphere on the properties of cement. CEMENT INTERNATIONAL 5 (2007) No. 2, pp. 66–75. [6] Nolte, W.: WDI (Wilhelm Dyckerhoff Institut) – Untersuchungsbericht No. 10-00549 (2010) (Interner Untersuchungsbericht). [7] Application Note Malvern Instruments: Particle size and shape measurement using image analysis. Homepage of Malvern Instruments: http://www.malvern.de/ [8] Recchi, P.; Magistri, M.; Arcangelo, P.; Talantikite, A.: Facilitating cement grinding in vertical mills. ZKG International 63 (2010) No. 10, pp. 53–57. [9] Sicherheitsdatenblatt GrindingAid MA.G.A/VM 12. MAPEI International, Milano. [10] Sicherheitsdatenblatt Sika Grind 184, SIKA Deutschland GmbH, Stuttgart. [11] Sicherheitsdatenblatt GRACE 1306 Konz. 11, http://www. graceconstruction.com [12] Dressel, D.; Stark, J.: Modern grinding aids and their influence on the hydraulic properties of GBFS. ZKG International 63 (2010) No. 2, pp. 43–54. [13] Jung, O.: Verschleißschutz in Walzenschüsselmühlen. ZKG International 53 (2000) No. 5, pp. 252–260. [14] Bubolz, A.; Schmeink, F.; Kücükyavuz, A. K.: Neues Antriebskonzept für Vertikal-Rollenmühlen. CEMENT INTERNATIONAL 9 (2011) No. 6, pp 41–47. [15] Marchal, G.: The new grinding solutions: The opinion of operators. Second Part. CIMENTS, BÉTONS, PLÂTRES, CHAUX (2004) No. 865, pp 12–21.

69 25.07.12 09:04

Loesche – worldwide presence Loesche is an export-oriented company run

ding technologies and preparation processes

The services of our subsidiaries and agen-

by the owner, which was established in 1906

for the benefit of our customers. Their com-

cies are of key importance for analysis,

in Berlin. Today the company is internatio-

petence is mainly due to our worldwide

processing and solving specific project

nally active with subsidiaries, representatives

information management.

problems for our customers.

and agencies worldwide. This ensures that current knowledge and

Please visit our homepage at

Our engineers are constantly developing

developments can also be used immediately

www.loesche.com for up-to-date

new ideas and individual concepts for grin-

for our own projects.

information on our overseas companies.

Loesche GmbH Hansaallee 243 40549 Düsseldorf Tel. +49 - 211 - 53 53 - 0 Fax +49 - 211 - 53 53 - 500 Email: [email protected] www.loesche.com

People’s Republic of China Loesche Mills (Shanghai) Co. Ltd. 5 Dongzhimen South Street Room 817-818, CYTS Plaza Dongcheng District, 100007 Beijing, P. R. China Tel. +86 - 10 - 5815 6205 Fax +86 - 10 - 5815 6220 Email: [email protected]

Spain Loesche Latinoamericana S.A.U. Condesa de Venadito 1, Planta 4 28027 Madrid, Spain Tel. +34 - 91 - 458 99 80 Fax +34 - 91 - 457 10 17 Email: [email protected] www.loesche.es

Loesche Automatisierungstechnik GmbH Zum Pier 52 44536 Lünen Tel: +49 - 231 - 98 70 10 Fax: +49 - 231 - 98 70 10 - 20 E-mail: [email protected] www.loesche-automation.de Brazil Loesche Equipamentos Ltda. Rua México 119 sl. 1908 20031-145 Rio de Janeiro, Brazil Tel. +55 - 21 - 22 40 79 00 Fax +55 - 21 - 22 20 94 40 Email: [email protected] India Loesche India Pvt. Ltd. D - 83, Sector - 2 Noida - 201301 U.P., India Tel. +91 - 120 - 40 18 500 +91 - 120 - 24 44 205 - 207 Fax +91 - 120 - 40 18 590 - 91 +91 - 120 - 24 43 327 Email: [email protected] www.loescheindia.com People’s Republic of China Loesche Mills (Shanghai) Co., Ltd. No. 568, Jinhong Road (near No. 555, Chunhe Road) Baoshan District, 201901 Shanghai, P. R. China Tel. +86 - 21 - 5180 6100 Fax +86 - 21 - 5180 6101 Email: [email protected]

1204181_LOE_16Seiter_Lengerich.indd 16

Russia OOO Loesche Berezhkovskaya Naberezhnaya 16a/2 P.O. Box 97, 121059 Moscow Russian Federation Tel. +7 - 495 - 988 50 81 Fax +7 - 495 - 988 60 86 Email: [email protected] www.loesche.ru Socialist Republic of Vietnam Loesche GmbH Viet Nam Representative office 60 Nguyen Dinh Chieu Str. Dakao Ward, Dist. 1 HCM - Ho-Chi-Minh City, Tel. +84 - 8 - 39 10 45 62 Fax +84 - 8 - 39 10 45 26 E-Mail: [email protected] South Africa Loesche South Africa (Pty.) Ltd. 55 Empire Road, Empire Park, Block C 2193 Parktown, South Africa Tel. +27 - 11 - 482 29 33 Fax +27 - 11 - 482 29 40 Email: [email protected]

United Arab Emirates Loesche Middle East FZE P.O. Box 262 622 Jebel Ali, Dubai, U.A.E. Tel. +971 - 4 - 886 59 11 Fax +971 - 4 - 886 59 22 Email: [email protected] United Kingdom Loesche Energy Systems Ltd. 2, Horsham Gates North Street Horsham, RH135PJ, United Kingdom Tel. +44 - 1403 - 223 101 Fax +44 - 1403 - 223 102 Email: [email protected] USA Loesche America, Inc. 20170 Pines Boulevard, Suite 301 Pembroke Pines Florida 33029, USA Tel. +1 - 954 - 602 14 24 Fax +1 - 954 - 602 14 23 Email: [email protected] www.loescheamerica.com

25.07.12 09:04