Zur Theorie und Praxis des Siebbodeneinsatzes in der

Zur Theorie und Praxis des Siebbodeneinsatzes in der
Wurfsiebung
Theory and Practice of the Use of the Screening Surface
in Throw Screening
Théorie et pratique du rôle du fond de crible dans
le criblage à jet
Acerca de la teoría y la práctica de la utilización
de fondos perforados en el cribado por cedazo
Dr.-Ing. Achim Meinel, Tannenbergsthal*)
Zusammenfassung Die Hauptfunktionen der Siebböden in der Siebklassierung lauten: 1.Trennung des Siebgutes nach Korngrößenklassen und
2.Transport der Korngrößenklassen. Dazu werden wichtige Ausrüstungselemente und -prinzipe zur Realisierung der Hauptfunktionen, wie z.B.
Siebboden-Geometrie und -Werkstoffe sowie spezifische Konstruktionsprinzipe aufgezeigt und am Beispiel der Wurfsiebe theoretisch und praktisch erläutert sowie durch Bilder und Tabellen verdeutlicht.
Summary The principal functions of the screening surface in sizing screens are: 1. Separation of the feed material by particle size range and
2. Transport of the particle size ranges. In this paper, key elements and principles of the screening surface configuration affecting the realization of these principal functions, such as the screening surface geometry and materials, as well as specific screen design principles are described
and explained in theoretical and practical terms based on the example of throw screens, with figures and tables for the purpose of illustration.
Résumé Les fonctions principales des fonds de cribles pour le criblage sont 1° la séparation du produit à cribler par classes granulométriques
et 2° le transport des classes granulométriques. A ce sujet, les caractéristiques et bases importantes en vue d'assurer ces fonctions principales,
tels que géométrie et matériaux des fonds de crible ainsi que principes de conception spécifiques sont exposées en théorie et en pratique pour
les cribles à jet à l'appui d’illustrations et de tableaux.
Resumen En la clasificación del cribado las funciones principales de los fondos perforados son 1. la separación del material de cribado según
las categorías de tamaño de grano y 2. el transporte de las categorías de tamaño de grano. Para ello se describen elementos y principios de
equipamiento que son sustanciales para la realización de las funciones principales, tales como por ejemplo la geometría del fondo perforado y
sus materiales de construcción así como los principios de construcción específicos, dando explicaciones tanto teóricas como prácticas y tomando
como ejemplo los cedazos que son ilustrados mediante imágenes y tablas.
1. Einführung
1. Introduction
Siebe zählen zu den ältesten Werkzeugen der Menschheit. Eine
der ersten Dokumentationen stammt aus dem Jahre 1500 v.Chr.
Sie wurde in Ägypten auf einem Tempelbild aus Theben gefunden [1]. Man benutzte z. B. schalenförmige Siebe mit geflochtenem Schilf als Siebboden oder perforierte Keramikgefäße [2].
Nächste authentische Bilder zeigte Agricola 1558 [3].
Die industrielle Siebboden-, definitiv Siebgewebeherstellung
begann im Jahre 1838 bei der L. Herrmann in Dresden [1]. Bis
etwa zur ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts dominierten Siebbeläge aus Metall (z. B. Siebgewebe). In der zweiten Hälfte kamen
Gummi-, Polyurethan- und andere Kunststoff-Siebböden hinzu,
die seitdem immer größere Verbreitung finden. Heute gehören
Siebbeläge zu den vielfältig verwendeten Geräten und Ausrüstungen der mechanischen Verfahrens- und Aufbereitungstechnik.
Ihr Einsatz erfolgt auf den Gebieten der Erz-, Kohle-, Steine- und
Erden-, Chemie-, Recycling-, Nahrungsmittel- und Pharmazieindustrie, z.B. für die Siebklassierung, Sortierung sowie Flüssigkeitsabtrennung.
In der Siebklassierung müssen der gewählte Siebbelag und der
Siebklassierer konkret auf die Eigenheiten des Siebgutes, die
Sieves and screens are some of the oldest tools in human history. One of the first instances of their documentation dates back
to the year 1500 BC. A sieve was depicted in a temple decoration
in Thebes in Egypt [1]. Bowl-shaped sieves made of woven reeds
or perforated ceramic vessels were used as the sieving surface [2].
The next authentic pictures of screens were documented by Agricola in 1558 [3].
The industrial manufacture of screening surfaces, to be precise the
manufacture of woven screen mesh, was started in the year 1838
by the Dresden-based company of L. Herrmann [1]. Up to around
the first half of the 20th century, screening surfaces were predominantly made of metal (e. g. woven screen mesh). The second half of the 20th century saw the introduction of rubber,
polyurethane and other synthetic screening surfaces, which have
become more and more common since then. Today, screening
surfaces are some of the most widely used items of equipment in
mechanical process engineering and mineral processing. They are
used in the ore, coal, non-metallic minerals, chemical, recycling,
foodstuffs and pharmaceutical industries, e.g. for screen sizing,
separation and dewatering.
*) Büro für Verfahrenstechnik, Tannenbergsthal/Sachsen (D)
*) Büro für Verfahrenstechnik, Tannenbergsthal/Sachsen (D)
4
AUFBEREITUNGS TECHNIK 46 (2005) Nr. 7
SiebbodenHauptfunktionen Trennung nach Korngrößenklassen
StahlplattenSB
Gewebe-SB
Harfengewebe-SB
N-Harfe
S-Harfe
mittels spezieller Siebbodenarten
Transport der
Korngrößenklassen
auf Wurfsieben
Gummi- und
Gummi- und
PU-Platten-SB PU-Siebmatten
Dickschicht
Siebung
KragarmStangen-SB
Dünnschicht
Siebung
Tria-Harfe
Ausrüstungselemente
und -prinzipe zur
Realisierung der
Siebbodenfunktionen
Siebbodengeometrie
Öffnungsform
Querschnittsform
niedrig
Öffnungsweite I
mittel
Siebbodendicke s/l
sehr klein
hoch
Siebbodenneigung
niedrig
hoch
Stufensiebboden
Siebbodenwerkstoff
Stahl
Gummi
Polyurethan
Polyester
niedrig
mittel
hoch
Trennschärfe
spez. Durchsatz
Bild 1: Siebbodenhauptfunktionen: Trennung nach Korngrößenklassen mit besonderen Siebbelägen und Transport der Korngrößenklassen auf Wurfsieben sowie Ausrüstungselemente und -prinzipe zur Realisierung der Siebbodenhauptfunktionen einschließlich
Grobbewertung nach Trennschärfe und Durchsatz.
gewünschte Trennkorngröße und Trennschärfe, den Durchsatz
sowie die betrieblichen Rahmenbedingungen abgestimmt werden.
So kommt es – je nach Einsatzfall – zu vielfältigen Siebboden-/Siebklassiererkombinationen und -varianten.
Im Folgenden werden zunächst die besonderen Funktionen und
die Rolle der semipermeablen Trennfläche (Siebboden) zum
Schwerpunkt Wurfsiebung – unter Berücksichtigung auch anderer Siebverfahren – aufgezeigt. Gleichzeitig sollen einige wichtige Ausrüstungselemente und -prinzipe herausgestellt und analysiert werden, die zur Realisierung bzw. Sicherung der genannten
Siebbodenhauptfunktionen im Zusammenhang mit dem erzielbaren Sieberfolg und spezifischen Durchsatz erforderlich sind.
2. Hauptfunktionen der Siebböden
2.1 Allgemeines
Bei der Siebklassierung übernimmt die semipermeable Trennfläche
– der Siebboden – zwei Hauptfunktionen:
1.Trennung des Siebgutes nach Korngrößenklassen und
2.Transport der Korngrößenklassen auf bestimmten, mit Siebbelägen ausgestatteten Siebklassierern (Bild 1).
Bei der Trennung des Siebgutes in Korngrößenklassen auf den
Siebböden, dem zentralen Trennorgan (1. Hauptfunktion), werden Fein- und Grobgut erzeugt. Dabei wird (im Idealfalle) beab-
6
In screen sizing, the selected screening surface and the screening
machine itself must be matched specifically to the characteristics
of the feed material, the required cut-point and separation efficiency, the throughput rate and any special operating conditions.
Accordingly – to cater for the needs of the different applications
– a wide range of screening surfaces and screen sizer combinations
and variants have been developed. The following paper begins
with a discussion of the specific functions and the role of the semipermeable separating or screening surface, with a focus on throw
screening, although with consideration of other screening methods. Also pointed out in the paper are selected important elements
and principles of screening surface configuration that are necessary to realize or ensure the fulfilment of the above-mentioned
principal functions of the screening surface in connection with the
achievable screening efficiency and specific throughput rate.
2. Principal Functions of Screening Surfaces
2.1 General
In screen sizing, the semi-permeable separating surface, i.e. the
screening surface, fulfils two principal functions:
1. Separation of the feed material by particle size range
2. Transport of the particle size ranges on certain screen sizers fitted with a screening surface (see Fig. 1).
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Principal functions
of the screening
surface
Separation by particle size ranges by
Steel plate SS
Elements and
principles of
screening surface
configuration for
realization of the
principal functions of the
screening surface
Woven mesh
SS
means of special screening surface types
Rubber and
PU panel SS
Harp wire SS
N-harp
S-harp
Rubber and
PU mats
Cantilever
bars-SS
Transport of the
particle size classes
on throw screens
Thick-layer
screening
Thin-layer
screening
Tria-harp
Screening surface geometry
Aperture
shape
Crosssectional
profile
low
Aperture
width I
medium
Screen. surf.
thickness s/l
very small
high
low
Screen. surf.
pitch s/l
high
Screening
surface
material
Stepped
screen. surf.
steel
rubber
polyurethane
polyester
low
medium
high
separation efficienty
throughput rate
Fig. 1: Principal functions of the screening surface: separation by particle size ranges by means of special screening surfaces and transport of the particle sizes on throw screens as well as elements and principles of the screening surface configuration for realization of its principal functions, including a rough evaluation based on separation efficiency and throughput rate.
sichtigt, dass die Unterkornpartikel auf ihrem Weg durch die Sieböffnungen möglichst nicht behindert werden. Die Sieböffnungen
sollen frei von Verstopfungen durch Klemmkorn, Haftkorn, Ballkorn u. ä. sein. Die Unterkornbewegung durch die genannten Öffnungen – und damit ihre Abtrennung – wird erst möglich, wenn
die Unterkornpartikel aus einer bestimmten Gutbetthöhe in die
Trennflächennähe gelangen. Dazu ist der Korngrößenklassentransport über die Siebfläche hinweg erforderlich (2. Hauptfunktion). Durch den Siebguttransport auf dem Siebbelag sollen einerseits Differenzbewegungen zwischen dem Siebboden und den
Siebgutpartikeln und andererseits zwischen den Gutpartikeln
untereinander (Auflockerung) ausgelöst werden.
Je nach Art des Siebklassierers und des Siebbodens kommt es
unter der Wirkung von Feldkräften (Schwer-, Zentrifugalkraft),
vibrationsbedingten Massen- sowie Stoß-, Reibungs- und auch
Strömungskräften zur Unterkornsegregation in Richtung Trennfläche, um diese schließlich – nach Wahrscheinlichkeitsgesetzen –
zu passieren [4, 5]. Das Überkorn wandert über die Trennfläche
hinweg ins Grobgut. Bei kohäsivem bzw. siebschwierigem Gut
können hohe Siebbodenbeschleunigungen bzw. KV-Werte zur
Desagglomeration sowie zur Reinigung der Sieböffnungen von
Verstopfungen beitragen [4–6]. Dabei muss die Massenkraft FM
(Siebkraft) größer sein als die Summe der Haftkräfte FH, Klemm-
8
During the above-mentioned separation of the feed material in
particle size ranges on the screening surface, the central separating element (1st principal function), fine and coarse material are
produced. In this process, the aim (in the ideal case) is to ensure
that the undersize particles are not hindered in their movement
towards and passage through the screen apertures. The screen
apertures must remain free of any blockages, e.g. caused by
pegged, sticky or ball-shaped particles, etc. The passage of the
undersize particles through the apertures – and therefore their
separation – is only possible when the undersize particles from a
certain material bed height are able to reach the separating surface. For this purpose, the various particle size ranges must be
transported over the screening surface (2nd principal function).
The transport of the feed material on the screening surface is necessary to effect differential movement between the screening surface and the feed particles on the one hand and between the feed
particles themselves on the other (loosening of the feed material). Depending on the type of screen sizer and the screening surface, the effect of field forces (gravity and centrifugal force), vibration-induced forces of inertia as well as of impact, frictional and
hydraulic forces lead to the segregation of the undersize in the
direction of the separating surface and ultimately – in accordance
with the laws of probability [4, 5] – the passage of the undersize
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kräfte FK und Coulombschen
Reibungskräfte FR [6]. Kriterien
für die Qualität des Trennvorganges sind u. a. die Trennschärfe oder der Siebgütegrad.
Für die quantitative Transporteffektivität ist z. B. der spezifische Durchsatz ein wichtiges
Kriterium.
Wie man aus der Darstellung
erkennt, sind die genannten
Hauptfunktionen eines Siebbodens miteinander gekoppelt
und gemeinsam für den Sieberfolg verantwortlich. Sie müssen
für einen erfolgreichen Klassiervorgang konsequent aufeinander abgestimmt werden [14].
2.2 Trennung der Siebgüter nach Korngrößenklassen mit speziellen
Siebbodenarten
Siebguteigenschaften
Screen feed characteristics
leicht fließend
wenig Grenzkorn
easy flowing
low near-size
kohäsiv
feucht, viel Grenzkorn
cohesive
moist, high near-size
nicht fließend
sehr feucht
non-flowing
very moist
through the screening surface.
The oversize travels over the
separating surface and reports
to the coarse material. In the sizing of cohesive or difficult-toscreen materials, high screen
accelerations or Kv values can
contribute to deagglomeration
and the dislodging of particles
blocking the screen apertures
[4–6]. Consequently, the body
force FM (screen force) must be
greater than the sum of the
adhesive forces FH, pegging
forces FK and Coulombs frictional forces FR [6]. Criteria for
the quality of the separation
process include the separation
sharpness or screening efficiency. For assessment of the quantitative transport efficiency, the
specific throughput, for example, represents an important criterion.
As can be understood from the
above explanations, the principal functions of a screening surface are linked to each other,
and together they are responsible for the efficiency of the
screening process. To ensure
successful sizing, the functions
must be systematically harmonized with each other (see
[14]). In the following, the
dependence of the selection of
the screening surface on the
type of feed material and the
required cut-point is discussed.
Bei der Siebboden- bzw. Siebbelags-Wahl sind die Art, Korngrößen- und Kornformzusammensetzung, Partikeloberfläche,
Feuchte, Fließfähigkeit und das
Reflexionsverhalten des Siebgutes, der verwendete Siebklassierer mit seinen Charakteristika
sowie die geforderte Trennkorngröße und der Durchsatz zu
beachten.
Bild 2 zeigt einen groben
Überblick möglicher Siebbodenarten für verschiedene Siebbzw. Schüttgüter und Trennkorngrößenbereiche. Diese reichen von leicht fließenden mit
wenig Grenzkorn, über kohäsi2.2 Separation of the feed
Bild 2: Übersicht ausgewählter Siebböden bzw.-beläge (kurz:
ve, feuchte mit viel Grenzkorn
materials by particle
SB) für verschiedene Siebguteigenschaften sowie Trennbis hin zu nicht fließenden, sehr
size range with specikorngrößen-(dT-)Bereiche: A) Stahlplatten-SB, B) Gewefeuchten Gütern. Jeder Siebbeal types of screening
be-SB, C) Harfen-SB, D-Gummi- bzw. PU-Platten-SB,
lag wird bekanntlich auf einen
surface
E) Gummi- bzw. PU-Siebmatten, F) Kragträger-Stanspeziellen Siebklassierer monIn the selection of the screen
gen-SB
tiert, der mit ihm zusammen
deck or screening surface, criteFig. 2: Overview of selected screening surfaces (abbreviated to
den Transport der Korngrößenria to be considered include the
SS) for various types and characteristics of screen feed
klassen bewirkt.
type, particle size and particle
and cut-point (dT) ranges A) Steel plate SS, B) Woven
Die oberflächlich glatten Stahlshape distribution, particle surmesh SS, C) Harp-wire SS, D Rubber or PU screen panel
Plattensiebböden (Bild 2a) mit
face, moisture content, flow
SS, E) Rubber or PU mats, F) Cantilever bar SS
gestanzten, gebohrten, gefräsproperties and the reflection
ten, mit Laser oder Wasserstrahl
behaviour of the feed material,
geschnittenen Sieböffnungen (z. B. Kreis-, Quadrat- oder andere
the type of screen sizer used, with its specific characteristics, as
Öffnungen von Steinhaus [12] und anderen) bieten für die Mittelwell as the required cut-point and throughput rate.
bis Grobkornklassierung leicht fließender Siebgüter mit kubischen,
Fig. 2 presents a general overview of possible screening surfaces
aber auch stengeligen Körnungen relativ hohe Trennschärfen. Diefor different screen feeds or bulk materials and cut-point ranges.
se Siebböden werden auf indirekt erregten Klassierern eingesetzt.
The feed materials range from easy flowing feed with a low nearGewebesiebböden mit besonderen Quadrat- und Langmaschen
size content, through cohesive, moist materials with a high per(Bild 2b) in Leinwand-, Köper- oder anderer Bindung (z. B. von
centage of near-size particles to non-flowing materials with a high
Haver & Boecker, Hein, Lehmann, Isenmann, Meister, Steinhaus
moisture content. Every screening surface is fitted to a special
[8–12]) werden z. B. für leicht fließende, mit geringen Grenzscreen sizer and, together with this sizer, it effects the transport
korngehalten versehene Siebgüter z.B. in der Chemie-, Erz-, Steiof the particle size ranges.
ne- und Erden- sowie Nahrungsmittelindustrie für die Fein- bis
The smooth-surface steel plate screen decks (Fig. 2a), with screen
Mittelkornklassierung mit hohen Trennschärfen genutzt.
apertures that are punched, bored, machine-cut, or cut with laser
Zur Mittelkornklassierung siebschwieriger Güter mit hohen Grenzor water jet (e. g. circular, square or other apertures from Steinkorngehalten (z.B. feuchte Erze, Steine und Erden, Kohle, chehaus [12] and other companies), ensure relatively sharp separa-
10
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Bild 3: Harfengewebe-SB: a) D-Harfen-SB, b) N-Harfen-SB, c) SHarfen-SB, d) Tria-Harfen-SB
Fig. 3: Harp wire SS: a) D-harp SS, b) N-harp SS, c) S-harp SS,
d) Tria-harp SS
mische Produkte) finden Harfensiebböden [7] (Bild 2c und Bild 3)
auf indirekt angetriebenen Siebmaschinen Anwendung.
Die glatten D-Harfen- oder senkrecht zur Siebebene gewellten NHarfen-Siebböden (Bild 3 a und b) sind zur Klassierung kohäsiver,
feuchter, kubischer Siebgüter bei verminderter Trennschärfe und
hohen Durchsätzen geeignet. Dies gilt z.B. auch für die Klassierung von Kohle, wenn unter der Sieböffnungsweite von 10 mm
ein Wassergehalt von 8 Gew.-% nicht überschritten wird [6].
Die horizontal gewellten S-Harfen- (mit quasi-quadratischer Öffnung [16]) sowie die abwechselnd horizontal gewellten und glatten Tria-Harfen-Siebböden (Bild 3c und d) können bei feuchtem
und klebrigem Siebgut in der Mittelkornklassierung z. B. für Kohle, Erz sowie chemische und Nahrungsgüter beachtliche Trennschärfen erzielen.
Bei den Siebböden erhöhen Querverbindungen aus hochverschleißfähigem Kunststoff (z. B. spezielles PU) im Vergleich zu
gewebten Querverbindungen den Selbstreinigungseffekt und die
Gebrauchsdauer des Siebbelages. Die genannte Selbstreinigungsbewegung der Harfensiebböden ist durch etwa 10% Klopfkorn
der Korngröße von mindestens fünffacher Sieböffnungsweite im
Aufgabegut zu gewährleisten [8–12].
Für den Austausch eines gelochten Siebbodens mit Kreis- bzw.
Quadratöffnung durch einen Harfensiebboden gelten für die Sieböffnungsweiten grobe Orientierungswerte.
Gummi bzw. PU-Plattensiebböden (Bild 2 d) eignen sich für die
Trocken- bzw. Nass-, Fein- bis Mittelkornklassierung kohäsiver,
grenzkornhaltiger Siebgüter (z. B. Erze, Steine und Erden, Recyclingmaterialien u. ä.) auf indirekt erregten Siebmaschinen. Für
feuchte, klebrige bzw. stark grenzkornhaltige Siebgüter wird eher
weicher Gummi (35 Shore), für abrasive Materialien Gummi
größerer Härte (z. B. 60 Shore) eingesetzt. Ähnliches gilt auch für
PU-Beläge, die in Härten von 35 bis 90 Shore mit gegossenen,
konisch nach unten erweiterten Sieböffnungen unter 2 mm bis
0,15 mm Sieböffnungsweite herstellbar sind [6, 12, 36–38].
Die Siebbeläge kommen als sogenannte Befestigungssiebböden
mit eingebetteten Profilstahlarmierungen (Bild 4 [12] und Bild 5
[11]) oder als stahlseilverstärkte Längs- oder Querspanner (Bild 6
[9]) auf indirekt erregten Siebmaschinen zum Einsatz. Armierung
bzw. Stahlseileinbettungen dienen der Sicherung der Tragfähigkeit und damit auch der Erfüllung der 2. Hauptfunktion des Siebbelages. Querspanner können u. a. bei partiellem Siebbodenverschleiß oder -defekt montagefreundlich und kostengünstig für
einen schnellen Siebbelagaustausch sorgen.
Diese Siebbeläge gewinnen trotz ihres viel höheren Preises durch
die 10- bis 20fach größeren Standzeiten und den deutlich niedrigeren Geräuschpegel im Vergleich zu Stahlsiebböden zunehmend an Bedeutung. So werden z. B. mehr als 60 % der Siebbeläge in der deutschen Steine- und Erdenindustrie mit PU-Belägen
ausgerüstet. Drahtgewebesiebböden finden vor allem bei Anlagen
mit diskontinuierlichem Betrieb und kleinen Durchsätzen Anwendung. Bei den Harfensiebböden (Bild 2c) entfallen 30 bis 50 % auf
horizontal gewellte Böden (S-Harfen, Bild 3c) [6, 8, 9, 10, 11, 16,
12
tion for intermediate to coarse sizing of easily flowing feed materials with cubic, but also columnar particles. These screening
surfaces are used on indirectly vibrated sizing screens.
Woven screen mesh with special square and slotted apertures
(Fig. 2b) in plain, twill or other weave (e. g. supplied by the companies Haver & Boecker, Hein, Lehmann, Isenmann, Meister,
G. Steinhaus [8–12]) is used, for example, for sharp fine to intermediate sizing of easy flowing feed materials with a low content
of near-size particles, e.g. in the chemical, ore, non-metallic minerals and foodstuffs industry.
For intermediate sizing of difficult-to-size materials containing a
high percentage of near-size (e. g. damp ores, non-metallic minerals, coal, chemical products), harp wire surfaces [7] (Fig. 2c and
Fig. 3) are used on indirectly vibrated screens.
The smooth D harp wires or the N harp wire screen cloths undulating perpendicular to the screening level (Fig. 3a and b) are suitable for sizing cohesive, moist, cubic feed with reduced separation sharpness and high throughput rates. They are used, for
example, for sizing coal, if a moisture content of 8 % is not
exceeded below the screen aperture width of 10 mm [6].
The horizontally undulating S harp wires (with quasi square apertures [16]) as well as the alternately horizontally undulating and
smooth Tria harp screening surfaces (Fig. 3c and d) can achieve
considerable separation sharpness in the intermediate sizing of
moist and sticky feed, e.g. of coal, ore, chemicals and foodstuffs.
In the above-mentioned screening surfaces, cross-bindings made
of highly wear-resistant synthetic materials (e. g. special PU)
improve the self-cleaning effect and extend the service life of the
screening surface compared to woven cross-bindings. The abovementioned self-cleaning motion of the harp screening surfaces can
be guaranteed by a feed content of around 10 % knocking particles of a size at least five times the width of the screen aperture
(see [8–12]).
For the replacement of a perforated screening surface consisting
of circular or square apertures with a harp wire screening surface,
the values in Fig. 9 (Section 4.1) can be taken as a rough guide
for the screen aperture widths.
Rubber or polyurethane panel screening surfaces (Fig. 2d) are suitable for dry or wet, fine to intermediate sizing of cohesive feed
Bild 4: Polyurethan (kurz: PU-)-System-SB in Kassettenausführung mit konisch nach unten erweiterten QuadratSieböffnungen und Stahlarmierung, Steinhaus GmbH,
Mühlheim a. d. Ruhr
Fig. 4: Polyurethane (abbreviated to PU-) system DF in cassette
design with conically flared square screen apertures and
steel reinforcement, supplied by Steinhaus GmbH, Mühlheim a. d. Ruhr
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Bild 5: PU-SB vom Typ PolyDEXSystem „VF“ mit horizontal
gewellten Einzelstegelementen, konisch nach unten
erweiterten Sieböffnungen und Stahlarmierung, Gustav
Meister GmbH, Spezialfabrik für Industriesiebe, Beverungen
Fig. 5: PolyDEXSystem “VF” PU-SF with horizontally undulating single web elements, conically flared screen apertures and steel reinforcement, supplied by Gustav Meister
GmbH, Spezialfabrik für Industriesiebe, Beverungen
32, 35, 37–39]. Für die Mittelkornklassierung nicht fließender,
sehr feuchter Siebgüter (z. B.
Recycling-, Holz- und SchlackeMaterialien) auf Spannwellensiebmaschinen werden vielfach
gestanzte Gummi- oder PUSiebmatten mit oder ohne Cordarmierung eingesetzt (Bild 2e
und Bild 7 [37]).
Die mit zylindrischen, an Querträgern befestigten Kragstäben
ausgerüsteten Kragträger-Stangensiebbeläge (Bild 2f) dienen
der Mittel- und Grobkornklassierung sehr siebkritischer, kohäsiver, feuchter, nicht fließender
Siebgüter (z. B. Baumischabfälle,
Recyclingmaterialien u. ä.). Sie
werden zunehmend in Kaskaden-Anordnung – unter verschiedenen Bezeichnungen –
auf indirekt erregten Siebmaschinen eingesetzt. Dabei werden
hohe Durchsätze, jedoch unter
geminderter Trennschärfe erzielt
[13]. Kragträger-Stangensiebböden können auch als feste Roste
dienen, z. B. für siebschwierige
Materialien zur Vorklassierung
im Grobkornbereich mit sehr
niedrigen Trennschärfen [13].
2.3 Transport der Korngrößenklassen auf
bestimmten Siebklassierern
Siebguttransport auf bestimmten
Siebklassierern wird in Bild 1 dar-
14
Bild 6: PU-Lemanit-Spannsieb mit konisch erweiterten Quadratund Langloch-Sieböffnungen sowie eingebetteter Stahlarmierung, Fa. Hein Lehmann, Trenn- und Fördertechnik
GmbH, Krefeld
Fig. 6: PU-Lemanit flip flow screen with conically flared square
and slotted apertures as well as embedded steel reinforcement, supplied by Hein Lehmann, Trenn- und Fördertechnik GmbH, Krefeld
containing near-size particles (e. g. ores, non-metallic minerals,
recycled materials, etc.) on indirectly vibrated screens. For moist,
sticky feeds, which may contain a high-percentage of near-size,
soft rubber (35 Shore) tends to be used, whereas for abrasive
materials, rubber with a higher hardness (e. g. 60 Shore) is used.
The same applies to polyurethane surfaces which can be produced
in hardnesses from 35 to 90 Shore, with moulded, conically flared
screen apertures below 2 mm
to 0.15 mm screen aperture
width [6, 12, 36, 37, 38].
The above-mentioned screening surfaces are used as reinforced screens with embedded
sectional steel reinforcements
(e. g. Fig. 4 [12] and Fig. 5 [11])
or as longitudinally or cross-tensioned screening surfaces reinforced with steel cord (e. g.
Fig. 6 [9]) on indirectly vibrated
screens. Reinforcement or
embedded steel cord is used to
ensure the load-carrying capacity of the screening surface, and
therefore the fulfilment of its
second principal function (in
this context, see Section 4.2,
Fig. 11). For partially worn or
defect screens, cross-tensioned
screening surfaces can enable
quick, easy and low-cost
replacement of the screening
surface. Despite costing around
ten times more than steel
screening surfaces, the abovementioned screening surfaces
are steadily growing in importance thanks to their 10 to 20
times longer service lifetimes
and the much lower noise level.
Bild 7a und b: Siebmatten aus Gummi, Typ Gigant bzw. PU,
More than 60 % of the screens
Typ Küprene mit gestanzten bzw. in Formen gefertigused in the German non-metalten Sieböffnungen, Fa. Gummi Küper GmbH & Co KG,
lic minerals industry are
Bochum
equipped with PU screening
Fig. 7a and b Screen mats made of rubber, type Gigant and
surfaces. Wire mesh surfaces are
PU, type Küprene with punched or moulded screen aperused mainly in plants with intertures, supplied by Gummi Küper GmbH & Co KG,
mittent operation and small
Bochum
capacities. Of the harp wire
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screens (Fig. 2c), horizontally
undulated surfaces (S-harp wire,
Fig. 3c) account for 30 to 50 %
Partikelform
[6, 16, 35] (see also the compaParticle shape
ny publications [8, 9, 10, 11, 32,
37, 38, 39]). For intermediate
Kugel
sizing of non-flowing, very moist
Sphere
screening materials (e. g. recycled, wood and slag materials)
Pyramiden
on flip-flow screens, punched
stumpf
Truncated
rubber or PU screen mats with
pyramid
or without cord reinforcement
are used (see Fig. 2e and Fig. 7
Quader
[37]).
Cuboid
The cantilever bar screening surfaces equipped with cylindrical
cantilever bars (fixed to crossBild 8: Kontakt-, bzw. Reibflächen, -kanten und -punkte zwimembers) (Fig. 2f) are used for
schen verschiedenen Partikelformen und speziellen Siebintermediate and coarse sizing
öffnungs- und -querschnittsformen.
of very difficult-to-screen, coheFig. 8: Contact or frictional surfaces, edges and points between
sive, moist, non-flowing feed
various particle shapes and special screen aperture shamaterials (mixed construction
pes and cross-sectional profiles
site waste, recycled materials,
etc.). They are used increasingly in cascade arrangements – available under different names – on
indirectly vibrated screens. High throughput rates are obtained,
3. Ausrüstungselemente und -prinzipe zur Realisierung
but with reduced separation efficiency [13]. Cantilever bar screender Siebbodenhauptfunktionen
ing surfaces can also be used as fixed grates, e.g. for scalping difZu den wichtigen Ausrüstungselementen und -prinzipen zählen
ficult-to-screen materials in the coarse size range with very low
Siebbodengeometrie, -werkstoffe und spezifische mechanische
separating sharpness [13].
Konstruktionsprinzipe.
gestellt. In dieser Übersicht werden zunächst mehrere Klassierer
genannt. Die gezeigten Siebklassierer beziehen sich auf Wurfsiebe. Über die besonderen Probleme der Optimierung der Siebboden- und Partikelbewegung
auf Wurfsieben und anderen Siebmaschinen wurde vom Autor
bereits unter [4, 5] berichtet.
Je nach Anwendungsfall existieren in der Praxis eine beträchtliche Anzahl von Siebbelagsarten,
stattliche Siebklassieranzahlen
mit Modifikationen sowie eine
hohe Zahl von Siebboden-/Siebklassierer-Kombinationen. In den
Abschnitten 3 bis 5 wird versucht, bestimmte Ausrüstungselemente und -prinzipe herauszustellen, die konkret für die Realisierung der beiden Siebbodenhauptfunktionen in der Wurfsiebung verantwortlich sind.
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Siebbodengeometrie
Screening
surface
geometry
Öffnungsform
Apterture shape
Querschnittsform
Cross-sectional profile
15
Über elektrische und Strömungsprinzipe wurde bereits unter [6]
und [13] berichtet. Zu den spezifischen mechanischen Konstruktionsprinzipen wird voraussichtlich unter [41] veröffentlicht.
In Bild 1 werden die genannten speziellen Ausrüstungselemente
und -prinzipe mit den Siebbodenhauptfunktionen 1 und 2 und
dem erreichbaren Sieberfolg sowie Durchsatz in Verbindung
gebracht, d. h. es wird ihre Anwendung bei bestimmten Siebböden und Siebklassierern unter dem Schwerpunkt der Wurfsiebe
analysiert. Dabei kann zunächst festgestellt werden: Es existiert
eine hohe Zahl an Ausrüstungselementen und -prinzipen, die z. T.
im komplexen Zusammenhang stehen. Deshalb ist es kaum möglich, die Wirkung eines einzelnen Elementes oder Prinzips auf den
erreichbaren Sieberfolg oder Durchsatz allein zu analysieren, ohne
andere Elemente zu berücksichtigen. Trotzdem wird in der Matrix
des Bildes 1 der Versuch gemacht, bei der Anwendung der beschriebenen Elemente und Prinzipe einen gewissen Trend in ihrer
Wirkung auf den Sieberfolg zu erkennen bzw. zu bewerten (Quadrate und Kreise). Jedes auf einer horizontalen Zeile angeführte
Ausrüstungselement steht in Beziehung mit einer bestimmten, in
nebenstehender Spalte angeführten Siebbodenart und einem definierten Siebklassierer, auf die das jeweilige Konstruktionselement
zutrifft (siehe Quadrate und Kreise). Jede Spalte enthält Hinweise auf die Anwendbarkeit und den Klassiererfolg des jeweiligen
Ausrüstungselementes oder -prinzipes.
4. Siebbodengeometrie
Bei der Siebbodengeometrie üben besonders die Siebbodenöffnungs- und -querschnittsform, die Sieböffnungsweite l, das Verhältnis Siebbodendicke s zur Öffnungsweite l sowie die Siebbodenneigung ß wesentlichen Einfluss auf den Trennerfolg und den
Durchsatz aus. Außerdem können Stufen-(Kaskaden-)siebböden
zur Durchsatzsteigerung beitragen.
4.1 Siebbodenöffnungs- und -querschnittsformen
sowie Öffnungsweite l
Allgemein bei siebschwierigem Gut – besonders aber im Grenzkornbereich – sind die Öffnungs- und Querschnittsformen sowie
die Öffnungsweite des Siebbelages von wesentlichem Einfluss auf
den Durchgangs- bzw. Reibwiderstand zwischen Partikel und Sieböffnung (Bild 8). Danach besitzt z.B. ein kugelförmiges Partikel
beim Kontakt mit der kreisförmigen Öffnung (Bild 8/1.1.) theoretisch unendlich viele, mit der Quadrat-Öffnungsform (Bild
8/1.2.) vier, der Dreieck-Öffnungsform (Bild 8/1.3.) drei und mit
der Rechtecköffnungsform (Bild 8/1.4) zwei Berührungs- bzw.
Reibstellen.
Gelochte Plattensiebböden mit Kreis- oder Quadratlochung werden sowohl aus Metall (Stahl) als auch aus Gummi oder Polyurethan (Bild 1 und Bild 2 a) gefertigt. Gewebesiebböden mit
Quadratöffnung (Bild 2 b) sind daher für siebschwieriges Gut mit
hohem Grenzkorn- und Feuchteanteil ungeeignet. Dafür sollten
Harfensiebböden mit langförmiger Rechtecksieböffnung oder quasi-quadratischer Öffnung (Bild 3) verwendet werden [14–16].
Von der Siebung auf gelochten Stahlplatten ist bekannt, dass die
Rechtecköffnung die höchste Trenngrenze besitzt, gefolgt von der
Quadratöffnung und schließlich der Kreisöffnung mit der niedrigsten Trenngrenze, die ähnlich liegt wie eine Sechsecköffnung.
Für naturrunden Sand oder gebrochenen Kalkstein zeigen auch
gelochte Gummiplatten den gleichen Trend. Eine Ausnahme bildet die Gummiplatte mit Sechsecköffnung [17]. Die Ermittlung
der Trenngrenze folgt z. B. der Definition gleicher Fehlkornanteile im Rückstand und Durchgang für die zu vergleichenden Sieböffnungen der Prüfsiebböden.
Die Frage nach der äquivalenten Sieböffnung, d. h. nach jener
Bemessung des Ausstauschsiebbodens, der das gleiche Klassierergebnis liefert wie der bisher benutzte Siebboden, beantwortet
der Äquivalenzfaktor A. Dieser stellt das Verhältnis der Austauschsieböffnungsweite lA zur Sieböffnungsweite lB der bisheri-
16
2.3 Transport of the particle size ranges on certain
screen sizers
The transport of the feed material on certain screen sizers is shown
in Fig. 1. Several sizers are specified initially in this overview. The
screen sizers shown are based on the principle of throw screening. The author has already discussed the particular problems
associated with the optimization of the screening surface and particle motion on throw screens and other screens in [4, 5].
Depending on the application, a considerable number of screening surface types, numerous screen sizers with modifications and
a multitude of screening surface/screen sizer combinations are
available in the field. In the following sections 3 to 5, certain elements and principles of screening surface configuration are discussed as these are responsible for the realization of the abovementioned two principal functions of screening surfaces in throw
screening.
3. Elements and Principles of Screening Surface
Configuration for Realization of the Principal
Functions of the Screening Surface.
The most important elements and principles of configuration are
the screening surface geometry, materials and specific mechanical design principles.
Electric and flow principles have already been discussed in [6] and
[13]. A report on the specific mechanical design principles is
scheduled to be published in [41].
In Fig. 1 (Table, matrix), the above-mentioned special elements
and principles of configuration are shown in relation to the principal functions 1 and 2 of the screening surface, the achievable
screening efficiency and throughput, i. e. their application for
certain screening surfaces and screen sizers is analysed with a
focus on throw screens. Firstly, it can be established that a large
number of elements and principles of configuration exists, sometimes in complex relationships with each other. For this reason,
it is hardly possible to analyse the effect of a single element or
principle on the achievable screen efficiency or throughput without analysis of the other elements. Nevertheless in the matrix
shown in Fig. 1, an attempt is made to identify and assess a
certain trend in the effect of the application of the above-mentioned elements and principles on the screen performance
(squares and circles). Every element of configuration on a horizontal row is related to a certain type of screening surface listed
in the adjacent column and a defined screen sizer, to which the
respective design element applies (see above-mentioned squares
and circles). Every column contains indications regarding the
applicability and sizing efficiency of the respective element or principle of configuration. In the next section, we shall start with the
elements of configuration of the screening surface geometry.
4. Screening Surface Geometry
With regard to the screening surface geometry, the shape of the
screening surface apertures and their cross-sectional profile, the
screen aperture width I, the ratio of the screening surface thickness s to the aperture width I and the pitch of the screening surface ß are particularly important factors influencing separation efficiency and the throughput rate. Moreover, stepped (cascade)
screening surfaces can improve throughput rates.
4.1 Screening surface aperture shape, cross-sectional
profile and aperture width
In the case of difficult-to-screen material in general, but in the
near-size range in particular, the aperture shape and cross-sectional profile as well as the aperture width of the screening surface have an important influence on the resistance to passage or
frictional resistance between particles and screen aperture (Fig. 8).
Accordingly, on contact with a circular aperture, a spherical particle has a theoretically infinite number of contact or frictional
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points (Fig. 8/1.1), but only four
gen Betriebsöffnung dar: A =
contact points with a square
lA/lB . Für den Fall des Austauaperture (Fig. 8/1.2), three consches eines gelochten Stahltact points with a triangular
siebbodens durch einen Haraperture (Fig. 8/1.3) and two
fensiebboden gelten die grocontact points with a rectanguben Anhaltswerte nach Bild 9
lar aperture (Fig. 8/1.4). Perfo[18]. Auf Harfensiebböden wird
rated screen decks with circular
noch einmal unter [41] eingeor square apertures are made
gangen. Jeder Siebboden-Öfffrom metal (steel) as well as from
nungsform ist eine bestimmte
rubber or polyurethane (Fig. 1
Querschnittsform zugeordnet.
and Fig. 2a). For the reasons
Im Bild 8/6 bietet die in Siebexplained above, screens with
richtung erweiterte Trapezform
square apertures (Fig. 2b) are
hinsichtlich des Durchgangsunsuitable for sizing difficult-towiderstandes das günstigste
screen material with a high nearVerhalten, gefolgt von der
mesh and moisture content. For
Kreisquerschnittsform
(Bild
such applications, harp screens
8/5). Die Trapezquerschnittswith slotted screen apertures or
form wird z. B. bei den gelochherkömmliche Sieböffnung / conventional screen aperture
quasi-square apertures (Fig. 3)
ten Polyurethan-Siebplatten
Harfen-Sieböffnung / Harp wire screen aperture
should be used (see Section 2.2.
(Bild 1 und Bild 2/D) mit Erfolg
[14–16]).
für siebschwieriges Gut eingeBild 9: Möglichkeiten der Sieböffnungswahl beim Austausch From screening on perforated
setzt. Der Flankenwinkel an der
eines Stahlplatten-SB oder Gewebe-SB durch äquvalente steel plates, it is known that the
Trapezöffnung liegt zwischen 3
Harfen-SB mit entsprechenden Äquivalenzfaktoren
rectangular aperture has the
und 10°. Die Querschnittsform
mit den geraden Flanken (Bild
Fig. 9: Possibilities for screen aperture selection for replacement highest cut-point, followed by
8/7) zeigt die größte Reibfläche
of a steel plate SS or woven SS with equivalent harp the square aperture, and finally
by the circular aperture with the
und den höchsten Bewegungswire SS with corresponding equivalence factors
lowest cut-point, which is in a
widerstand. Sie ist bei den
similar range to that of a hexagonal aperture. For naturally round
Stahlsiebböden für grenzkornhaltiges Siebgut kaum geeignet (siesand or crushed limestone, perforated rubber screening surfaces
he Abschnitt 2.2). Die Umsetzung der Hauptfunktionen 1 und 2
show the same trend. An exception is the rubber deck with hexagdes Siebbodens wird auch wesentlich durch das Verhältnis der
onal apertures [17]. The determination of the cut-point is based,
Siebbodendicke s zur Öffnungsweite l bestimmt.
for example, on the definition of the same percentages of misplaced particles in the screen oversize and undersize for the screen
4.2 Verhältnis Siebbodendicke s zur Öffnungsweite l
apertures of the test screening surfaces compared. The question
Vom Verhältnis s/l ist die offene Siebfläche Aoff eines Siebbodens
regarding the equivalent screen aperture, that is regarding dimenund damit auch der spezifische Durchsatz abhängig. Für eine Quasioning of a replacement screen surface to provide the same sizdratmasche lautet z. B. die Beziehung
ing performance as the screening surface used previously, is
Aoff =1/(1+s/l)2 ·100 [%]
(1)
answered with the equivalence factor A. This represents the ratio
of the replacement screen aperture width lA to the screen aperWeiter ist bekannt, dass mit dünner werdenden Siebbodendicken
und abnehmendem Verhältnis Siebbodendicke s zur Sieböffnungsture width lB of the previous operating aperture: A = lA/lB. For the
weite l der Partikeldurchgangswiderstand sinkt. In Bild 10 wird
replacement of a perforated steel screening surface with a harp
diese Tatsache rechnerisch belegt. Für den Fall eines Kugelpartiwire screening surface, the values in Fig. 9 can be applied as a
kels an einem Kreisquerschnitt lautet die Klemmkraft
rough guide [18]. Harp screens are discussed again in [41]. A certain cross-sectional profile is assigned to every screen aperture
FKl ~ (s/l )3 bzw. FKl = FG/2 · sin .
(2)
shape.
In Fig. 8/6, the trapezoidal shape flared in the direction of screenDie vertikalgerichtete Reibkraft beträgt
ing exhibits the best behaviour in respect of resistance to passage
FR = FG · /2 · tan ,
(3)
through the screen, this is followed by the circular cross-sectional profile (Fig. 8/5). The above-mentioned trapezoidal cross-secdie für diesen Fall identisch mit dem Durchgangswiderstand ist.
tion is used effectively in perforated polyurethane screens (Fig. 1
Dabei wird gemäß. Bild 10 [19]
and Fig. 2/D) for sizing difficult-to-screen material. The flank angle
2
(4)
tan = d (s+d)/(s+l) .
at the trapezoidal aperture ranges between 2 and 10°. The crosssectional profile with the straight flanks (Fig. 8/7) exhibits the greatDas heißt: Mit kleiner werdender Siebbodendicke s bei konstanest frictional area and the highest resistance to particle motion. It
ter Öffnungsweite l und Korngröße d fallen die Klemmkraft FKl
is hardly suitable in steel screening surfaces for sizing feed with
und Reibkraft FR , was gleichbedeutend mit abnehmendem Parnear-size particles (see Section 2.2). The realization of the princitikelwiderstand ist.
pal functions 1 and 2 of the screening surface is also influenced
Als Schlussfolgerung gilt: Die Siebbodendicke s und die Stegbreite
significantly by the ratio of the screening surface thickness s to the
r sind zur Realisierung der Hauptfunktion 1 (Trennung nach Kornaperture width I.
größenklassen) des Siebbodens so gering wie möglich zu gestalten. Dem steht jedoch dabei die Umsetzung der Hauptfunktion 2
des Siebbodens (Transport der Korngrößenklassen) entgegen,
4.2 Ratio of the screening surface thickness s to the
wonach der Siebbelag zur Gewährleistung einer ausreichenden
aperture width I
Siebguttragfähigkeit eine möglichst hohe Steifigkeit E · I und
The open screen area Aoff of a screening surface and therefore also
damit eine entsprechend hohe Belagstärke s besitzen sollte. Dies
the specific throughput rate are dependent on the ratio s/l. For a
kommt besonders bei Gummi- oder Polyurethan-Siebbelägen
square mesh, for example, the relationship is as follows:
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17
Aoff =1/(1+s/l)2 ·100 [%]
(1)
Further it is known that the resistance to passage of the particles
through the screen falls with increasingly thin screening surface
thickness and decreasing ratio of the screening surface thickness
s to the screen aperture width I. In Fig. 10 this fact is proven based
on calculations. For the case of a spherical particle at a circular
cross-section, the pegging force is
FKl ~ (s/l )3 bzw. FKl = FG/2 · sin .
(2)
The vertically directed frictional force is
FR = FG · /2 · tan ,
(3)
which for this case is identical to the resistance to passage. Here,
in accordance with Fig. 10 [19]:
tan = d (s+d)/(s+l)2.
Bild 10: Schwerkraft FG, Klemmkraft FKl und Reibkraft FR zwischen einem Kugelpartikel der Abmessung d und einer
Siebmasche der Öffnungsweite l sowie der Dicke s
Fig. 10: Gravity FG, pegging force FKl and frictional force FR
between a spherical particle of the size d and a screen
mesh with the aperture width l and the thickness s
zum Tragen, die z. B. einen um zwei Zehnerpotenzen niedrigeren
E-Modul als Stahl-Siebböden besitzen.
Die Siebbodenabmessungen und damit auch das Verhältnis s/l
werden durch den Siebbodenhersteller meist empirisch festgelegt.
Die folgenden theoretischen Überlegungen sollen eine rechnerische Möglichkeit aufzeigen, die Forderungen an die Erfüllung der
Hauptfunktionen 1 und 2 durch die Belagdicke s in Übereinklang
zu bringen. Dies wird am einfachen Beispiel eines Modellsiebbodens mit quadratischen Sieböffnungen dargelegt. Bei diesem Siebbelag sollen die Belagdicke s und die Stegbreite r zwischen den
Sieböffnungen gleich sein. Außerdem werden die Siebbodengrundfläche mit den Hauptabmessungen B und L sowie die Belageinzelflächen mit den Abmessungen a und b (Bild 2d) und die
Siebbodenbeaufschlagung q als konstant angenommen. Es gelten verschiedene Belagwerkstoffe: Stahl pur, PU- bzw. GummiStahlkombinationen (mit unterschiedlichen Profilstahlarmierungen
oder Stahlsseilen) sowie PU pur. Daraus resultieren unterschiedliche mittlere Gesamtfestigkeiten Rm der zu vergleichenden Siebbeläge.
Die offene Siebfläche Aoff soll als wichtige Größe für die Erfüllung
der Siebbodenhauptfunktion 1 und die vorgeschlagene Kennziffer der Tragesicherheit
S = Rm/
(5)
als repräsentative Größe für die Gewährleistung der Siebbodenhauptfunktion 2 gelten. Die belastungsabhängige maximale Siebbodenspannung wird nach der folgenden vereinfachten Gl.
ermittelt:
x,y ~ · p · b2/s2, = f (a/b) [20–22].
(6)
Die Siebbodenspannung ist proportional der Belastung p und
umgekehrt proportional dem Quadrat der Siebbodenstärke s. Die
Sicherheit S von Bauteilen wählt man im allgemeinen Maschinenbau mit 2–4. Für diese Gesetzmäßigkeiten enthält das Diagramm im Bild 11 auf der linken Ordinate die offene Siebfläche
18
(4)
That means: with decreasing screening surface thickness s and at
constant aperture width I and particle size d, the pegging force
FKl and frictional force FR fall, which is synonymous with decreasing particle resistance.
The conclusion is that in the design of the screening surface the
thickness of the screening surface s and the thickness of the web
r should be minimized in order to realize the principal function 1
(separation by particle size range) of the screening surface. This,
however, (in this case) conflicts with the requirements to fulfil the
principal function 2 of the screening surface (transport of the particle sizes), according to which the screening surface should exhibit maximize rigidity E I and should thus have a correspondingly
high thickness to guarantee a reliable feed carrying capability. This
is particularly important in the case of rubber or polyurethane
screening surfaces, as their modulus of elasticity is lower than that
of steel screening surfaces by two factors of ten.
Rm steigend
Rm increasing
a · b steigend
a · b increasing
Bild 11: Offene Siebfläche Aoff und Tragesicherheit S in Abhängigkeit des Verhältnisses s/l der Siebflächendicke s zur
Öffnungsweite l für verschiedene Siebbodenwerkstoffe
bzw. Werkstoffkombinationen als Parameter unter
Berücksichtigung der SB-Gesamtfestigkeit Rm und der
SB-Einzelflächengröße a·b. Es bedeuten: St Federstahl,
K Kunststoff PU bzw. Gummi, K/St Kombination Kunststoff mit Stahlarmierung
Fig. 11: Open screening surface area Aoff and reliable load
carrying capacity as a function of the ratio s/l of the
thickness of the screening surface s to the aperture
width l for various screening surface materials and
material combinations as parameters with consideration of the SS total strength Rm and the size of the SS
individual sub-sections a·b. Key: St spring steel, K synthetic PU or rubber, K/St combination of synthetic with
steel reinforcement
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Aoff und auf der rechten Ordinate die Tragesicherheit S. Beide
Größen (Aoff und S) werden in Abhängigkeit des Verhältnisses s/l
der Belagdicke s zur Öffnungsweite l aufgetragen.
Als Parameter dienen die Gesamt-Zugfestigkeit Rm des jeweiligen
Siebbodens (Index: St Stahl, K/St 2 PU-Stahlkombination, K/St 1
Gummi-Stahlkombination, K PU pur) sowie die Einzelflächenabmessungen a und b.
Im Diagramm markieren die Schnittpunkte der jeweiligen S-Kurven mit der Aoff-Kurve auf der Abszisse den zugehörigen Optimalwert s/lopt – des betreffenden Belages. Je größer die mittlere
Festigkeit Rm des Siebbelages (z. B. Rm Stahl > Rm PU/Stahl > Rm PU
pur) und je kleiner die Belag-Einzelflächengröße a · b ist, umso
geringer wird das Verhältnis s/l, das heißt umso dünner darf die
Siebbodendicke s gewählt werden. Insgesamt muss ein konstruktiver Kompromiss gefunden werden: Die Siebbodenplattenbzw. – profilstärke s sollte so dünn wie möglich, jedoch so dick wie
nötig sein.
4.3 Siebbodenneigung
Die Siebbodenneigung ist von maßgebender Bedeutung für den
Siebguttransport und den Klassiervorgang. Hohe Trennflächenneigungen ß steigern z.B. unter optimaler und vergleichmäßigter Aufgabemenge [23] die Guttransportgeschwindigkeit, fördern
– besonders bei der Dünnschichtsiebung – den Unterkorntransport durch die Sieböffnungen und damit den Massendurchsatz.
Außerdem verringern sie bei richtiger Siebneigungswahl die Verstopfungsgefahr [6, 24–28]. Beim festen Rost muss der Siebneigungswinkel ß größer als der Gutschüttwinkel schütt sein. Die
Transportgeschwindigkeit vtr auf direkt mit Stößeln, Schlagleisten
oder mit Ultraschallresonatoren erregten Siebflächen kann nach
den Gl. entsprechend [6, 24, 29] bestimmt werden. Danach sind
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The screening surface dimensions and thus the ratio s/l are usually determined empirically by the screening surface manufacturer.
The following theoretical considerations are intended to show a
possible calculation to harmonize the requirements for the screening surface thickness s in order to fulfil the principal functions 1
and 2. This is explained based on the simple example of a model
screening surface with square-shaped screen apertures. For this
screening surface, the surface thickness s and the web thickness
r between the screen apertures should be the same. In addition,
the area of screening surface with the main dimensions B and L
and the areas of the individual sub-sections of the screening surface with the dimensions a and b (see Fig. 2d) and the effective
hourly capacity of the screening surface q should be assumed to
be constant. Various surface materials are considered: straight steel,
PU- or rubber-steel combinations (with different sectional steel
reinforcement or steel cords) as well as straight PU. This results in
different mean total strengths Rm of the screening surfaces to be
compared. The open screen area Aoff must be considered as an
important variable for the fulfilling the first principal function of
the screen surface and the proposed coefficient of the reliable carrying capacity
S = Rm/
(5)
as the representative value for guaranteeing fulfilment of the second principal function of the screening surface. The load-dependent maximum screening surface tension is calculated according to the following simplified formula:
x,y ~ · p · b2/s2, = f (a/b) [20–22].
(6)
The tension of the screening surface is proportional to the load p
and inversely proportional to the square of the screening surface
19
thickness s. In general mechanical engineering, the reliability S of components
is selected as 2...4. For the above prinf = 23,15 kHz
ciples, the diagram in Fig. 11 shows the
W = 10 m
open screening area on the left ordiKv = 22930
nate and the reliable load carrying
Modell Meinel
capacity S on the right ordinate. The
Meinel model
two values (Aoff and S) are plotted as a
Messwerte Copper
function of the ratio s/l of the surface
Coppers data
thickness s to the aperture width l.
Neigungswinkel ß
The parameters used are the total tenScreen pitch ß
sile strength Rm of the respective
screening surface (index: St steel, K/St
2 PU-steel combination, K/St 1 rubberBild 12: Theoretische und experimentell ermittelte Transportgeschwindigkeit vtr eines Ultrasteel combination, K straight PU) and
schallsiebes in Abhängigkeit der Siebflächenneigung ß
the dimensions a and b of the individFig. 12: Theoretically and empirically determined transport velocity vtr of an ultrasonic
ual sub-sections.
screen as a function of the pitch of the screening surface ß
In the diagram, the intersections of the
respective S curves with the Aoff curve
on the abscissa indicate the associated optimal value s/lopt. of the
z.B. bei einem Siebneigungswinkel ß von 40° Transportgeschwindigkeiten über 1 m/s erreichbar. (Bild 12) [6]. Für eine überschlägiscreening surface in question. The higher the mean strength Rm
ge Durchsatzbestimmung kann die Gl.
of the screening surface (e. g. Rm steel > Rm PU/steel > Rm straight PU)
and the smaller the area a b of the individual sub-sections, the
Q = B · L · vtr (1 – )
(7)
smaller the ratio s/l becomes, i.e. the thinner the thickness of the
screen deck s can be selected.
dienen. Die Siebbodenneigung
Unterkornanteil /
Overall, a design compromise
ß bewirkt mit der Verringerung
percentage of undersize
must be found. The screening
des Gutauftreffwinkels auch die
surface plates or section thickVerkleinerung der projizierten
ness s should be so thin as posMaschenweite und an Stelle der
sible, but as thick as necessary.
Quadratöffnung eine projizierte
Trapezöffnung der Siebmasche.
Stahl/steel 3,15
Hinzu kommt die sieberre4.3 Screening surface pitch
Gummi/rubber 3,5
gungsbedingte, dynamische
The pitch of the screening surDrahtverdickung der Siebgeweface is of crucial importance for
bequerdrähte (sogenannter
the transport of the screen feed
Schmidt’scher Effekt). So tritt
and the sizing process. At an
eine Trennkorngrößenverringeoptimal and steady feed rate
rung ein. Die Trennkorngröße
[23], high angles of the sepawird:
rating surface ß, for example,
increase the velocity of the
dT ≈ l · cos ß [24].
(8)
material transport, promote
Beim gebräuchlichen Neigungstransport of the undersize
winkel ß = 35° wäre das dT ≈ 0,9
through the screen apertures –
· l. Für die Erhöhung des Verparticularly in thin layer screenhältnisses dT/l setzt man in der
ing and therefore the mass
Praxis für hohe Siebflächenneithroughput. In addition, the
gungen Langmaschensiebgecorrect selection of the screen
webe von l’/ l = 1/3 an Stelle
pitch can reduce the danger of
von Quadratmaschengewebe
blinding [6, 24–28]. For rigid
ein. Zur Durchsatzerhöhung
grate-type screens, the pitch of
tragen auch die im folgenden
the screen ß must be greater
Abschnitt behandelten Stufenthan the angle of repose of the
siebböden bei.
material schütt. The transport
velocity vtr on screens directly
vibrated with tapping elements,
4.4 Stufen- bzw. KaskaFeuchte Gew.-% / Moisture content wt. %
rapper bars or with ultrasonic
densiebböden
resonators can be determined in
Stufenförmig angeordnete Siebaccordance with the formulae
böden (Stufenroste, KaskadenFeuchte Vol-% / Moisture content vol. %
after [6, 24, 29]. According to
siebböden) bewirken an den
these, at a screen pitch ß of 40°,
Stufenübergangsstellen die Senfor example, transport velocities
kung des UnterkorndurchBild 13: Fehlkornanteil im Siebüberlauf in Abhängigkeit von der
over 1 m/s are possible. In this
gangswiderstandes und ErSiebgutfeuchte für die Werkstoffe Stahl und Gummi
connection, please refer to Fig.
höhung der Siebgutumwälzung. Dieses KonstruktionsprinFig. 13: Percentage of misplaced particles in the screen overflow 12 [6]. The formula
zip trägt schließlich zum deutas a function of the moisture content of the feed
Q = B · L · vtr (1 – )
(7)
lichen Anstieg des Massenscreened on the screening surface materials steel and
durchsatzes in der Nähe des
rubber
can be used for a rough calcuFehlkornanteil / Content of misplaced particles [%]
Ultraschallsieb
Ultrasonic sreen
20
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Stufensprunges bei [6, 30, 31, 32]. Mitentscheidend für den Klassiererfolg ist die Wahl des Siebbodenwerkstoffes.
5. Siebbodenwerkstoffe
Als Siebbodenwerkstoffe werden am häufigsten Stahl (unlegiert,
Federstahl hochlegiert), Gummi und Polyurethan-Elastomere
sowie Polyester und Carbonkunststoffe eingesetzt [6, 15, 33];
Federstahl mit 0,45 bis 0,85 % Kohlenstoffgehalt kann z. B. für
Gewebesiebböden bei einfachen Klassierungen mit trockenem
Siebgut und wenig Grenzkorn verwendet werden (siehe dazu
Abschnitt 2.2.Bild 2b). Edelstahl – mit Chrom und Nickel legiert
– oder PU-beschichteter Stahldraht [40] sind korrosionsbeständig
und deshalb günstig bei feuchtem Siebgut.
Gummi- bzw. Polyurethan-Platten-Siebböden (siehe Abschnitt 2.2,
Bild 2d) mit Stahlarmierungen (Bilder 4 und 5) oder -seilverstärkungen (Bild 6) haben u. a. hinsichtlich Selbstreinigungseffekt und
Lebensdauer eindeutige Vorteile gegenüber gelochten Stahlplatten-Siebböden (siehe Abschnitt 2.2 Bild 2a) [34, 36, 37].
Der experimentelle im Bild 13 gezeigte Vergleich der Klassierung
von Siebgut mit einer Feuchte von 0,5 bis 3 Gew.-% auf einem
Wurfsieb mit Quadratmaschengewebe (siehe Abschnitt 2.2 Bild
2b) der Maschenweite 3,15 mm und einem Gummi-Plattensiebbelag (siehe Bild 2d) der Öffnungsweite 3,5 mm brachte das folgende Ergebnis: Im Feuchtebereich über 1 Gew.-% liegen die
Fehlkornanteile beim Gummibelag zunehmend niedriger als beim
Stahlsiebboden. In den Zwickeln des Quadratmaschengewebes
bilden sich bei feuchtem Gut relativ schnell Feingutanlagerungen
mit zunehmenden Maschenverstopfungen. Das bleibt dem
Anwender von hydrophoben, hochelastischen Gummi- oder
Polyurethansiebböden im Allgemeinen erspart [7, 35, 36].
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lation of the throughput rate. By reducing the angle of impact of
the particles on the screening surface, the pitch of the screening
surface ß effects a reduction in the projected mesh width and a
projected trapezoidal mesh aperture in the place of the square
aperture. In addition, the screen-vibration-related, dynamic wire
thickening of the screen mesh cross wires (“Schmidt's effect”)
must be taken into consideration. This results in a decrease in the
cut-point. The cut-point becomes:
dT ≈ l · cos ß [24].
(8)
For the common screening surface pitch ß = 35°, that would be
dT ≈ 0.9 · l. To increase the ratio dT / l, in practice for high screen
pitches oblong mesh apertures of l’/ l = 1/3 are used instead of
square mesh apertures.
4.4 Stepped or cascade screening surfaces (Fig. 1)
Screening surfaces in stepped arrangements (stepped grates, cascade screening surfaces) effect at the point of transition between
the steps the reduction of the undersize resistance to passage and
an increase in the circulation of the feed. This design principle ultimately contributes to a considerable increase in the mass flow
rate at the transitions from one level to another [6, 30–32].
Another factor contributing to the sizing efficiency is the selection
of the screening surface material.
5. Screening Surface Materials
The most commonly used materials for sizing screens are steel
(unalloyed, spring steel high alloyed), rubber and polyurethane
elastomers. Polyester and carbon plastics are also used [6, 15, 33];
spring steel with 0.45 to 0.85 carbon content can, for example,
21
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22
be used for to produce screen mesh for simple sizing of dry feed
with a low near-size content (see Section 2.22, Fig. 2b). Stainless
steel (alloyed with chromium and nickel) or PU-coated steel wire
[4] are resistant to corrosion and therefore useful for screening
moist feed material. In respect of the self-cleaning effect and lifetime, rubber or polyurethane surfaces (see Section 2.2, Fig. 2d)
with steel (Figs. 4 and 5) or cord reinforcement (Fig. 6) have, for
example, clear advantages over perforated steel plate screening
surfaces (see Section 2.2 Fig. 2a) [34, 36, 37]. The empirical comparison of the sizing of feed material with a moisture content of
0.5 to 3 wt. % on a throw screen with square mesh (see Section
2.2 Fig. 2b) with a mesh width of 3.15 mm and a rubber screening surface (see Fig. 2d) with an aperture width of 3.5 mm gave
the result shown in (Fig. 13). For the moisture content range
above 1 wt. %, the percentages of misplaced particles sized by the
rubber surface are increasingly lower than for the steel screening
surface. When moist material is screened, fines quickly accumulate in the interstices of the square mesh, causing increasing blinding of the screening surface. Plants using hydrophobic, high-elastic rubber or polyurethane screens do not generally encounter this
problem [7, 35, 36].
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AUFBEREITUNGS TECHNIK 46 (2005) Nr. 7