Universaltalent für feine Partikel

Neue Rührwerkskugelmühle mit breitem Anwendungsspektrum für die Nassvermahlung

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07.03.2019 Die Formulierungen von Suspensionen zur Nassvermahlung werden immer vielfältiger und anspruchsvoller. Gleichzeitig ist der Kostendruck, insbesondere bei Volumenprodukten, weiter gestiegen. Um beide Anforderungen zu erfüllen, wurde eine neue Rührwerkskugelmühle entwickelt, die sich in der Praxis bereits als Universaltalent bewährt hat.

Entscheider-Facts für Betreiber und Planer

  • Durch den Trend zu immer vielfältigeren Produkten wächst der Bedarf an Produktionsmaschinen, die einerseits ein breites Anwendungsspektrum abdecken, andererseits aber die steigenden Anforderungen an die Produktqualiät erfüllen.
  • Eine neue Generation an Rührwerkskugelmühlen wurde speziell auf diese Bedürfnisse hin entwickelt.
  • Die neue Mühle lässt sich in nahezu allen nassmahltechnischen Anwendungen einsetzen.

Bild 1. Bachofen Rührscheiben

Im Prozessraum der neuen Rührwerkskugelmühle kommen Rührscheiben zum Einsatz, die über eine besondere Oberflächenkontur mit Mahlkörper-Führungskanälen verfügen. 1: doppeltwirkende Gleitringdichtung aus SiC; 2: Rührscheiben; 3: Mahlzellen mit ortsfesten Mahlkörpern; 4: Kühlsegmente; 5: Rotor; 6: Spaltsieb; 7: aktiver Mahlraum; 8: Produkteinlauf; 9: Produktauslauf. Bilder: Bachofen

Ob Produktion von Druckfarben oder Autolacken – das Anforderungsspektrum an Rührwerkskugelmühlen ist enorm. So soll mit einer Maschine möglichst das ganze Spektrum von der Dispergierung bis zur Feinstvermahlung und von Produkten mit hoher Viskosität abgedeckt werden. Ziel der Entwicklung einer neuen Generation an Rührwerkskugelmühlen (Dyno-Mill UBM) war deshalb eine universell einsetzbare, extrem zuverlässige und leistungsfähige Maschine.

Zunächst wurden dazu neue Rührorgane entworfen und unter realen Bedingungen aufwendig auf Leistungsfähigkeit und Verschleiß getestet. Anschließend wurden Prototypen für den Einsatz in verschiedenen Produktionsumgebungen und Anwendungsgebieten gebaut und mehr als ein Jahr lang in verschiedensten Anwendungen im regulären Produktionsalltag eingesetzt. Die Rückmeldungen der Kunden wurden in der finalen Konstruktion berücksichtigt.

So kommt in der Mühle eine robuste doppeltwirkende Gleitringdichtung aus Siliziumkarbid zum Einsatz, die für ein breites Mahlkörperspektrum entwickelt wurde. Eine weitere Besonderheit der neuen Konstruktion ist ihre Unempfindlichkeit gegenüber Mahlkörperbruch. Im Prozessraum wird eine neue Generation von Rührscheiben, die Dyno-Disc BC, genutzt, deren Außenkontur vollkommen geschlossen ist und die über eine besondere Oberflächenkontur mit Mahlkörper-Führungskanälen verfügt. Die innen geschlossenen Mahlkörper-Führungskanäle verlaufen radial nach außen und beschleunigen das Mahlkörper-Produkt-Gemisch. Die Begrenzungswand jedes Führungskanals verleiht den Mahlkörpern einen senkrecht zur Maschinenachse gerichteten Impuls. In Verbindung mit dem Strömungsfeld der benachbarten Rührscheibe bildet sich zwischen jedem Rührscheibenpaar eine diskrete Mahlzelle mit intensiven Mahlkörperkreisläufen aus.

Da die Rührscheiben, mit Ausnahme kleiner Öffnungen im achsnahen Bereich, vollständig geschlossen sind, verbleiben die Mahlkörper ortsfest zwischen zwei Rührscheiben innerhalb der Mahlzellen. Diese Mahlzellen stabilisieren die gleichmäßige Mahlkörperverteilung im aktiven Mahlraum und tragen zur hohen Mahleffizienz der Rührwerkskugelmühlen bei. Darüber hinaus ist die geschlossene Außenkontur der Rührorgane sehr beständig gegenüber Verschleiß, da sie den Mahlkörpern nur wenig Angriffsfläche bietet. Der Rotor wirkt optimal mit den Mahlzellen zusammen und entlastet das Spaltsieb von Mahlkörpern und Verschleiß.

Bild 2a. Bachofen Kreislauf

Dieses und nächstes Bild: Durch die Kontur der Rührscheiben entstehen geschlossene Mahlkörperkreisläufe.

Ein spiralförmig um den Mahlzylinder geführter Kühlwasserstrom führt die Prozesswärme am effektivsten ab. Der Einbau und die Erneuerung dieser spiralförmigen Kühlkanäle war in den bisherigen Konstruktionen stets sehr zeitaufwendig. Ein neu entwickeltes, modular aufgebautes Kühlmittelleitsystem reduziert die Herstellungskosten und ermöglicht es dem Betreiber, bei Bedarf das Kühlmittelleitsystem schnell, einfach und kostengünstig selbst zu erneuern.

Eine Rührwerkskugelmühle ist im Betrieb wechselnden Temperaturbelastungen ausgesetzt. Die Ausdehnung der Komponenten wird bei der Konstruktion für einen definierten Temperaturbereich festgelegt. Dies gelingt naturgemäß am einfachsten, wenn alle Materialien den gleichen oder ähnlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen. Sobald ein Materialmix mit unterschiedlichem Wärmeausdehnungsverhalten zum Einsatz kommt, steigen die Konstruktions- und Materialanforderungen deutlich. Der WAB-Group ist es gelungen, die auftretenden Wärmeausdehnungen mit einer neuartigen Konstruktion perfekt auszugleichen.

Die Rührwerkskugelmühle zeichnet sich durch ein einfaches Handling und die ergonomische Bauweise aus. Die optimale Arbeitshöhe des Mahlraumes ist besonders beim Entleeren und Reinigen der Maschine eine wesentliche Erleichterung für das Be­dienpersonal. Der verstärkte Einsatz von rostfreiem Stahl macht die Oberflächen der Maschinen resistenter gegen Umwelteinflüsse, reduziert die Reinigungszeiten und den Bedarf an Reinigungsmittel.

Für diese Rührwerkskugelmühlen gibt es kompatibel austauschbare Materialvarianten für den produktberührten Mahlraumbereich. Aktuell sind Materialvarianten aus gehärtetem Chromstahl, Polyurethan und Zirkonoxid erhältlich. Die Mühle kann somit jederzeit kostengünstig, platzsparend und selbständig an neue Anforderungen angepasst werden.

Anwendungserfahrungen in der Farben- und Lackproduktion

Erste Anwendungserfahrungen in der Produktion von Farben und Lacken haben das Potenzial der neuen Entwicklung bestätigt. So wird die Mühle beispielsweise zur Dispergierung einer Tauchlackierung eingesetzt. Automobillackhersteller haben ein sehr breites Spektrum an Rezepturen im Einsatz. Die Formulierungen reichen von hochgefüllten, meist anorganischen Grundierungen bis zu transparenten Metalliclacken auf der Basis von organischen Hochleistungspigmenten. Eine Rührwerkskugelmühle zur Dispergierung einer Tauchlackierung sollte eine hohe Verschleißbeständigkeit, eine Eignung für viskose Medien und eine hohe Produktionsleistung in der Passagenfahrweise haben.

Mit der neuen Dyno-Mill werden im Vergleich zu älteren, bekannten Rührwerkskugelmühlen, bei gleichen Prozessparametern (Mahlkörper/-füllgrad, Produktdurchsatz, Umfangsgeschwindigkeit der Rührscheiben etc.) Produktionssteigerungsraten bis zum Faktor 5 erzielt.

Je nach Pigmentchemie erfordern Decklacke für die Automobilproduktion bei der Nassvermahlung teilweise recht hohe Energieeinträge, um die geforderten Farbstärken und den genauen Farbort zu erreichen. Ein reproduzierbarer Dispergier- und Zerkleinerungsprozess vereinfacht die Qualitätskontrolle und hilft Nachtönungen zu vermeiden. Die neue Rührwerkskugelmühle hat selbst die härtesten Pigmenttypen sowohl in der Passagen- als auch der Zirkulationsfahrweise effektiv vermahlen. Obwohl einige Formulierungen dazu tendieren, dass die Viskosität während des Mahlprozesses ansteigt, führt dies nicht zu Produktionsstörungen.

Bei allen organisch pigmentierten Decklacken stieg die Produktionsleistung im Vergleich zu älteren, bekannten Rührwerkskugelmühlen, bei gleichen Prozessparametern (Mahlkörper/-füllgrad, Produktdurchsatz, Umfangsgeschwindigkeit der Rührscheiben etc.) im Durchschnitt um den Faktor 2,5.

Enge Partikelverteilung auch im Nanometer-Bereich

Inkjet-Tinten sind niedrigviskose, temperaturempfindliche Suspensionen mit einer sehr engen Partikelgrößenverteilung im Nanometerbereich (D50 je nach Anwendung ca. 150 nm). Für diese Anwendung spielt die Wahl der geeigneten Rührwerkskugelmühle in Verbindung mit qualitativ hochwertigen Kleinstmahlkörpern (z. B. Mahlkugeln ZrO2-Y2O3 mit 0,3  mm Durchmesser), eine entscheidende Rolle. Die geforderten engen Partikelgrößenverteilungen können im praktischen Betrieb nur in der Zirkulationsfahrweise erreicht werden.

Die Dyno-Mill UBM 100 hat ihre Eignung für die Produktion dieser anspruchsvollen Produkte in Mahlansätzen größer einer Tonne eindrucksvoll unter Beweis gestellt. Dabei zeigt die Maschine im Dauereinsatz das gewünscht niedrige Verschleißbild und erzielt die gewünschten Farben hoher Reinheit (Chroma). Nach der Optimierung der Prozessparameter zeigt die neue Mühle Produktionsleistungen auf dem Niveau aktueller, hochpreisiger Hochleistungsmühlen.

Fazit: Die neue Rührwerkskugelmühlen-Generation zeichnet sich durch eine große Flexibilität im Hinblick auf die Anwendungen aus. Sie ist dadurch eine kosteneffiziente Lösung für nahezu alle nassmahltechnischen Aufgaben.

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Heftausgabe: März/2019

Über den Autor

Michael Bannwarth ist Head of Sales and Marketing bei Willy A. Bachofen
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