Zur Theorie und Praxis des Siebbodeneinsatzes in der
Transcrição
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). AUFBEREITUNGS TECHNIK 46 (2005) Nr. 7 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 AUFBEREITUNGS TECHNIK 46 (2005) Nr. 7 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 AUFBEREITUNGS TECHNIK 46 (2005) Nr. 7 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 AUFBEREITUNGS TECHNIK 46 (2005) Nr. 7 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 AUFBEREITUNGS TECHNIK 46 (2005) Nr. 7 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. AUFBEREITUNGS TECHNIK 46 (2005) Nr. 7 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 AUFBEREITUNGS TECHNIK 46 (2005) Nr. 7 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: AUFBEREITUNGS TECHNIK 46 (2005) Nr. 7 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 AUFBEREITUNGS TECHNIK 46 (2005) Nr. 7 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 AUFBEREITUNGS TECHNIK 46 (2005) Nr. 7 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 AUFBEREITUNGS TECHNIK 46 (2005) Nr. 7 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]. AUFBEREITUNGS TECHNIK 46 (2005) Nr. 7 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 Schrifttum/References [1] Meinel, A.: Entwicklung der Siebklassierung unter Berücksichtigung siebschwieriger Materialien. Vortrag vor der Arbeitsgemeinschaft Deutscher Aufbereitungs-Ingenieure 1998 in Bochum, zit. in Aufbereitungs Technik 39 (1998) Nr. 12, S. 636/637 [2] Kellerwessel, K.: Geschichte der Aufbereitung, Mechanische Verfahrenstechnik der mineralischen Rohstoffe, landwirtschaftlicher Produkte und anderer Schüttgüter. GDMB-Informationsgesellschaft mbH, Clausthal-Zellerfeld 1998 [3] Agricola, G.: De Re Metallica. Libri XII. 1558 [4] Meinel, A.: Zur Fein-, Mittel- und Grobkornklassierung auf Wurfsiebmaschinen. Aufbereitungs Technik 39 (1998) Nr. 7, S. 317/327 [5] Meinel, A.: Zur Rolle und Optimierung der Siebboden- und Siebgutbewegung auf Wurfsiebmaschinen. Aufbereitungs Technik 46 (2004) Nr. 7, S. 42/62 [6] Meinel, A.: Zur Klassierung siebschwieriger Schüttgüter – Grundlegende Betrachtungen. Aufbereitungs Technik 42 (2001) Nr. 7, S. 315/326 [7] Meinel, A.: Zum Problem der Oberschwingungen auf Harfensiebböden. Bergakademie 18 (1966). Nr. 6, S. 352/356 [8] Haver & Boecker: Firmenschriften Haver & Boecker, Drahtweberei/Oelde, Westfalen [9] Hein, Lehmann: Firmenschriften Hein, Lehmann, Trenn- und Fördertechnik GmbH/Krefeld [10] Isenmann: Firmenschriften Isenmann, Siebe GmbH/Karlsruhe [11] Meister, G.: Firmenschriften Gustav Meister GmbH, Spezialfabrik für Industriesiebe Beverungen [12] Steinhaus: Firmenschriften Steinhaus GmbH/Mühlheim a. d. Ruhr [13] Meinel, A.: Zur Klassierung siebschwieriger Schüttgüter – Einige Siebklassiererbeispiele. Aufbereitungs Technik 42 (2001) Nr. 11, S. 533/541 [14] Meinel, A.: Befahrung des Bereiches Siebklassierung sowie Gutachten zur Thyssen Kokerei Schwelgern im September 2004 [15] Schubert, H.: Aufbereitung fester mineralischer Rohstoffe. Band I, VEB Deutscher Verlag für die Grundstoffindustrie Leipzig 1989 [16] Westerkamp, K.U. u. Stockhowe, A.: Problemlösungen für die Klassierung siebschwieriger Materialien. Aufbereitungs Technik 38 (1997) Nr. 7, S. 349/357 [17] Bock, B. u. Kraemer, T.: Siebung mit Gummisiebböden unterschiedlicher Lochformen. Aufbereitungs Technik (1984) Nr. 7, S. 399/402 [18] Riedel, E. O.: Theorie und Praxis der Harfensiebböden. Steinbruch und Sandgrube 50 (1950) Nr. 10 [19] Meinel, A.: Zu den Grundlagen der Klassierung siebschwieriger Materialien. Aufbereitungs Technik 40 (1999) Nr. 7, S. 313/327 [20] Szabo?, I.: Höhere Technische Mechanik. Springer-Verlag Berlin/Göttingen/Heidelberg 1960, S. 463/464 [21] Grote, K.-H. u. Feldhusen: Dubbel – Taschenbuch für den Maschinenbau. 21. Auflage, Springer-Verlag Berlin-Heidelberg 2005, S. C 38/C 39 [22] Czichos, H. u. Hennecke, M.: Hütte – Das Ingenieurwissen, Springer Verlag Berlin-Heidelberg 2004, S. D 58/D 59 [23] Meinel, A. u. Buss, B.: Möglichkeiten der Vergleichmäßigung der rohstofflichen Zusammensetzung und der Fördermenge. Freiberger Forschungshefte A 450 (1968), S. 123/138 [24] Meinel, A.: Klassierung auf Stößelschwingsiebmaschinen. Freiberger Forschungshefte A 537 (1974) [25] Schlebusch, L.: Wurfsiebmaschinen. Aufbereitungs Technik 23 (1982) Nr. 7, S. 347 ff [26] Lehmann, H.: Stark geneigte Siebmaschinen – ein Weg zur Leistungssteigerung bei der Absiebung siebschwieriger Materialien. Aufbereitungs Technik 24 (1983) Nr. 7, S. 411 ff 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]. [27] Schmidt, P. u. Coppers, M.: Siebe mit starker Neigung der Siebfläche. Aufbereitungs Technik 38 (1997) Nr. 7, S. 343 ff [28] Gärtner, H.: Hochgeschwindigkeitssiebung im Fein- und Feinstkornbereich. Aufbereitungs Technik 41 (2000) Nr. 7, S.336 ff [29] Meinel, A. u. Schubert, H.: Über einige Zusammenhänge zwischen der Einzelkorndynamik und der stochastischen Siebtheorie bei der Klassierung auf Stößelschwingsiebmaschinen. Aufbereitungs Technik 13 (1972) Nr. 7, S. 408/416 [30] Bock, B.: Feucht- und Nass-Siebung. Aufbereitungs Technik 22 (1981) Nr. 7, S. 351 ff. [31] Marx, G. u. Schneider-Kühn, U.: Einsatz von Exzenterschwingsiebmaschinen bei der Vorbereitung von Rohphosphat. Aufbereitungs Technik 39 (1998) Nr. 7, S. 348 ff [32] Metso: Firmenschriften Metso Minerals (Deutschland) Grimma/Ketsch/Bochum [33] Hinkel, M. u. Keller, K.: Übersicht Siebbeläge: Kunststoff-Gummi-Metall. 5. Gemeinsames Karlsruhe-Aachener Symposium Vibration und Verfahrenstechnik. Karlsruhe 1998. S. III-1-III-7 [34] Dietz, G.: 25 Jahre Polyurethan-Siebböden in der Klassierung von Schüttgütern – Stand der Technik. Aufbereitungs Technik 35 (1994) Nr. 8 S. 404/412 [35] Bock, B.: Feuchtsiebung mit Siebbelägen aus Stahldrahtgeweben und gelochten Gummiplatten – ein Vergleich. Aufbereitungs Technik 24 (1983) Nr. 7, S. 383 ff [36] Küper, R.: Erfahrungen mit Gummi- und Kunststoffsiebbelägen in der Kies- und Sandindustrie. Aufbereitungs Technik 37 (1996) Nr. 1 S.20 ff. [37] Küper, R.: Firmenschriften Gummi Küper GmbH & Co KG, Bochum [38] Derrick: Firmenschriften u.ä. Derrick GmbH & Co.KG, Bad Fallingbostel [39] Stahlgruber: Firmenschriften Stahlgruber Otto Gruber GmbH & Co München, TIP TOP Gummi- und PU-Siebbeläge [40] Ropreti: Firmenschrift ROPRETI, Caselette (Torino) [41] Meinel, A.: Spezielle mechanische Konstruktionsprinzipe und -elemente zur Realisierung der Siebboden-Hauptfunktionen bei Wurfsiebmaschinen in Theorie und Praxis, Veröffentlichung in Vorbereitung für Aufbereitungs Technik, voraussichtlich 46 (2005) Nr. 8/9 AUFBEREITUNGS TECHNIK 46 (2005) Nr. 7