Kugelmühle Die Erfindung bezieht sich auf Kugelmühlen, insbesondere zur Herstellung von Feststoffdisper- sionen in Flüssigkeiten, bei denen die Kugeln im Bereich der Mahlzone durch entsprechend intensive Mahlgutströme mitgerissen werden und sich dabei in einem mehr oder weniger im Mahlgut dispergier- ten Zustand befinden.
Bei bekannten Standard-Kugelmühlen sind in einer umlaufenden Trommel 30-50 % des Trommel volumens mit Mahlkugeln gefüllt und weiterhin ist in dieser Trommel bis zu einer Auffüllung von 60-90 % Mahlgut zugegeben. In der sich drehenden Trommel sollen die Mahlkugeln im unteren Teil der Trommel umgewälzt werden. Sie dürfen dabei jedoch keinesfalls den Zusammenhang untereinander verlie ren, d. h. sie dürfen nicht im gesamten Mahlgut schwimmen bzw. gleichmässig dispergiert werden, weil sonst der Mahleffekt verlorengeht. Deshalb sind für diesen Arbeitsprozess schwere und relativ grosse Kugeln notwendig.
Es sind auch Rührwerkkugelmühlen bekannt, bei welchen in vertikal oder horizontal angeordneten Trommeln ein Rührwerk die Mahlkugeln, zwischen denen sich das Mahlgut befindet, in Bewegung hält. In diesen Mühlen werden zum Teil schon kleinere Kugeln, z. B. mit einem Durchmesser von 6 mm, ver wendet. Auch hier ist Bedingung, dass diese Kugeln auf möglichst engem Raum zusammengehalten wer den, in welchem sie dann lediglich durch die Rühr werkzeuge durcheinandergeschoben werden. Ein Mit reissen der Kugeln durch z.
B. oberhalb der Kugel masse entstehende Mahlgutströme ergibt sofort ein schlagartiges Nachlassen der Mahlleistung.
Kugelmühlen im engeren Sinne bedienen sich bisher als Mahlkörper eines Sandes. Der Sand als Mahlkörper entspricht dabei der Forderung einer weitgehenden Dispergierung im Mahlgut und wird für viele Zwecke ausreichend von den Strömungen des Mahlgutes gleichmässig mitgenommen. Es ist dabei gleichgültig, in welcher Weise diese Strömun gen im Mahlgut erzeugt werden.
Nachteilig bei der Verwendung eines Sandes als Mahlkörper ist jedoch, dass auch der bestausgesuchte Sand im Einzelkorn unregelmässige Gestalt besitzt, zum Teil kalotten- und spaltförmige Vertiefungen oder dergleichen auf weist und trotz bester Sichtung auch in seiner Grö- ssenklassifizierung nicht einheitlich anfällt.
Das hat zur Folge, dass je nach Gestalt keine gleichmässige Dispersion in den Flüssigkeiten mehr gegeben ist und damit der Zustand der Dispergierung mehr oder weniger dem Zufall, aber nicht mehr der bewussten Auslegung überlassen bleibt.
Weiterhin erscheint auch als sehr erheblicher Nachteil, dass offensichtlich Pig mentagglomerate in den Aussparungen oder Vertie fungen der Sandkörner oder in den strömungstechnisch geschützten Winkeln derselben sich dem eigentlichen Mahleffekt über längere Zeit entziehen. Schliesslich ist als Nachteil des Sandes als Mahlkörper noch fest zustellen, dass auch seine Verschleiss- und Festigkeits eigenschaften nicht einheitlich sind und insgesamt in ihren Werten nicht den Anforderungen genügen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die bekannten Kugelmühlen in ihrer Leistungsfähigkeit zu verbessern und einen gleichmässigeren Mahleffekt zu erzielen. Es wurde auf Grund von theoretischen überle- gungen und eingehenden Versuchen gefunden, dass die Nachteile der bisher verwendeten Mahlkugeln, darunter auch des Sandes, mit Kugeln absolut glatt runder Oberfläche, im nachfolgenden kurz Perlku- geln genannt, die speziell für diesen Anwendungs zweck gefertigt werden, vermeidbar sind.
Demgemäss besteht die Erfindung darin, dass bei Kugelmühlen, insbesondere zur Herstellung von Feststoffdispersionen in Flüssigkeiten, bei welchen die Mahlkörper durch Mahlgutströmungen mitgerissen werden, wobei die Strömungen selbst in beliebiger Art erzeugt werden, Perlkugeln mit Durchmessern von etwa 0,2 bis etwa 3 mm Verwendung finden.
Die Perlkugeln können dabei aus beliebigem Werkstoff bestehen, sofern dieser nur genügend Fe stigkeit besitzt. Bevorzugt zu verwenden sind ent sprechend kleine Stahlperlkugeln. Besonders vorteil haft sind aber auch Perlkugeln aus Spezialglas. In ihrer Anwendung unterscheiden sich die beiden Perl kugelarten - wie schon erwähnt, könnten auch noch andere Materialien für diese Perlkugeln Verwendung finden - lediglich durch ihr spezifisches Gewicht.
Bei Stahlperlkugeln müssten deshalb entweder höhere 1vlahlgutviskositäten oder grössere Strömungsge schwindigkeiten des Mahlgutes vorgesehen werden als bei Glasperlkugeln.
Es hat sich gezeigt, dass unter sonst gleichen Be dingungen Mahlansätze mit Perlkugeln in wesent lich kürzerer Zeit den gewünschten Feinheitsgrad erreicht hatten, als das mit bisherigen Mühlen, bei denen Sand als Mahlkörper fungierte, von den übli chen grossen Kugelausführungen ganz zu schweigen, erreicht wurde. Es konnte weiterhin festgestellt wer den, dass die Scherbeanspruchung, die in den Strö mungen auftritt, mit diesen Perlkugeln, gleichgültig, ob z. B. aus Stahl oder Glas bestehend, wesentlich höher getrieben werden konnte, als es bisher mit Sand als Mahlkörper möglich war; ohne dass da durch ein auch nur merkbarer Verschleiss festgestellt wurde.
Ausserdem liegt die maximale Feinheitslei- stung nennenswert höher als bei Verwendung der bisher bekannten Mahlkörper. Die höhere Leistung in bezug auf Mahldauer, Mahlfeinheit und die gün stigeren Werte in bezug auf Verschleiss sind wohl er- klärlich aus der Tatsache der absolut kugelförmigen Ausbildung der Mahlkörper.
Diese bieten keinerlei Angriffspunkte für unbeabsichtigten Verschleiss, da die auftretende Beanspruchung durch Scherkräfte unabhängig von der Lage der Perlkugeln ständig kon stant bleibt, im Gegensatz zu üblichen Sand-Mahl- körpern. Auch ein Haften von Pigmentteilen in Aus sparungen oder sonstigen geschützten Zonen der Kugeln kommt bei diesen absolut runden Perlkugeln nicht in Frage.
Das gleichartige Verhalten der Perl kugeln, bedingt durch ihre ideal kugelförmige Ober fläche und durch die Einheitlichkeit ihrer Grösse, gewährleistet eine gleichmässige Dispersion in der Mahlgutzone. Ein Ausschwemmen spezifisch leich terer oder der Strömung grösseren Widerstand ent gegensetzender Mahlkörper- bei Sand unvermeidlich ist mit Sicherheit vermieden. Dass die absolut runde porenfreie Form der Perlkugeln im übrigen in ein fachster Weise auch eine Reinigung gestattet und demzufolge auch für Ansätze unterschiedlicher Farb töne verwendet werden kann, sei nur als weiterer Vorteil angeführt.
Die Grösse der Perlkugein kann dem gewünschten Verwendungszweck angepasst wer den und in Anpassung an praktische Bedürfnisse zwischen 0,2 bis etwa 3 mm schwanken. Je kleiner die Perlkugeln sind, desto höher ist im allgemeinen die erreichbare Feinheit, obwohl auch hier, bedingt durch das völlig unterschiedliche Verhalten man cher Pigment- und Füllstoffe zu ihren Binde- und Lösungsmitteln, Ausnahmen gegeben sind. Darüber hinaus kann im allgemeinen mit stärkeren Kugeln, ähnlich wie durch die Unterschiede des spezifischen Gewichtes, eine Abstimmung durch geeignete Wahl der Viskosität bzw. eine Beeinflussung der Viskosi tät selbst erzielt werden.
Im allgemeinen soll für einen bestimmten Mahl prozess eine einheitliche Perlkugelgrösse, gegebenen falls mit enger Durchmessertoleranz, Verwendung finden. Je nach Anwendungszweck und gegebener Apparatur kann es jedoch auch vorteilhaft sein, unter schiedliche Grössen gleichzeitig zu verwenden. Es ist dabei jedoch darauf zu achten, dass dann ein System Verwendung findet, bei dem durch die gegebenen Mahlgutströmungen sich die unterschiedlichen Grö ssen zonenweise ordnen und nicht mehr durcheinan- dergemischt werden. Durch die zonenweise Ordnung ist es speziell bei kontinuierlichen Verfahren möglich, z.
B. zunächst eine Zone grösserer Perlkugeln vorzu sehen. In dieser Zone werden eventuell grössere Agglomerate, die durch nicht genügendes Vormischen noch übrig geblieben sein könnten, aufgeteilt, und in den Zonen der kleineren Kugeln erfolgt dann die Restpigment- bzw. Füllstoffdispergierung. Diese von selbst erfolgende Zonenbildung ist in der beschriebe nen Art nur mit Hilfe der erfindungsgemässen Perl kugeln möglich.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform einer erfindungsgemässen Kugelmühle mit Perlkugeln sind in der einzelnen Zone verschiedenartige Rührwerk zeuge angeordnet. Diese sind auf einer gemeinsamen Rührwerkswelle angeordnet, die mit veränderbarer Geschwindigkeit rotiert.
Es ist jedoch auch möglich, in besonderen Fäl len die einzelnen Rührwerkzeuge mittels konzentrisch geführter Rührwerkswellen mit untereinander unter schiedlicher Drehzahl anzutreiben. Für die Zone mit grösseren Perlkugeln sind armartige Rührwerk zeuge vorgesehen, während in der Zone feiner Di- spergierung Scheibenrührer Verwendung finden. In den dazwischen liegenden Zonen nehmen die wirk samen Flächen der Rührwerkzeuge entsprechend der Abnahme der Durchmesser der verwendeten Perl kugeln zu.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung wird die Mahlguttrommel konisch ausgebildet, vorzugs weise derart, dass sie sich in Richtung der Zonen kleinerer Perlkugeln verjüngt. Unter Umständen es ist zweckmässig oder notwendig. die Mahlguttrommeln zu heizen oder zu kühlen. Dies kann durch die Ver wendung eines an sich bekannten Doppelmantels be wirkt werden, der von einer Kühl- oder Heizflüssig- keit durchflossen wird bzw. Heiz- oder Kühlein richtungen enthält.
Weitere Vorteile werden anhand der Zeichnung näher erläutert, die schematisch als Ausführungsbei spiel der Erfindung eine Kugelmühle für die Ver wendung unterschiedlich grosser Perlkugelmühlen mit selbständiger Mahlzonenbildung der einzelnen Perlkugelgrössen darstellt.
Die senkrecht stehende Mahlguttrommel 1 weist einen Mahlgutzulauf 2 und einen Mahlgutablauf 3 auf. In dieser Mahlguttrommel 1 dreht sich eine Rührwerkswelle 4, die in bekannter Art mit beliebi gen Rührwerkzeugen bzw. Mitnehmern ausgestattet sein kann. Grundsätzlich würde sich eine Mahlzonen bildung, je nach Perlkugeldurchmesser, schon auto matisch durch die Sedimentationsneigung der Perl kugeln, deren Bewegungsrichtung etwa im durch fliessenden Mahlgutstrom entgegengesetzt ist, ergeben.
Zur Unterstützung dieser Mahlzonenbildung wird erfindunsgemäss vorgeschlagen, die Trommel 1 ko nisch auszubilden, wodurch die auf Grund der Zentri fugalkräfte gegen die Trommelwand fliessenden Perl kugeln einen bestimmten Impuls nach unten be kommen, der je nach Wahl von Konizität, Drehzahl und Mahlgutviskosität das natürliche Sedimentations- bestreben wesentlich unterstützen kann.
Zusätzlich können die auf der Rührwerkswelle 4 angebrachten Rührwerkzeuge unterschiedlich ausge bildet sein, derart, dass sie z. B. im Bereich der gro ssen Perlkugeln aus mehr oder weniger armartig ausgebildeten Rührwerkzeugen 5 bestehen. Dadurch wird die Gesamtumwälzbewegung begünstigt, wenn auch die intensive Scherkraftbildung dann auf rela tiv kleine Räume beschränkt bleibt. Im übrigen er geben bei richtiger Auslegung in diesem Bereich die Armrührer 5 dann mehr oder weniger turbulente Strömungen, die zur Aufteilung von Grobagglome raten günstig sind.
Zum Bereich der feinen Mahl körper hin empfiehlt es sich, Rührorgane, die mehr oder weniger eine laminare Strömung erzeugen, vor zusehen. Dadurch werden die auftretenden Scher kräfte in gleichmässigen Bereichen, und zwar in ihrem Absolutbetrag, nicht mehr so gross, aber in ihrer An zahl und Ausdehnung wesentlich vermehrt. Da in diesem Bereich der feinen Perlkugeln aber schon eine weitestgehende Vordispergierung der Feststoffbe- standteile gegeben ist, ist gerade hier mit einem möglichst engen Scherkraftbereich zu arbeiten.
Jede Scherkraftausbildung, die grösser ist als notwendig, würde nur zu unnötigem Verschleiss führen und jede Scherkraft, die geringer ist, als einer Mindestsoll , schwelle der Pigmentaufteilung entspricht, ist wir kungslos und führt ebenfalls zu unnötiger Erwär mung. Als Beispiel eines solchen mehr oder weniger eine laminare Strömung erzeugenden Rührwerkzeuges ist eine Rührscheibe 6 dargestellt.
Mit 7 sind die grossen Perlkugeln im unteren Bereich I und mit 8 die kleinen Perlkugeln im ober sten Bereich IV der Kugelmühle bezeichnet.
In den Bereichen II und III finden Perlkugeln mit abnehmendem Durchmesser Verwendung, wobei vorzugsweise die Rührwerkzeuge in den entsprechen- den Bereichen eine Zunahme der wirksamen Rühr- fläche aufweisen. Wie in der Zeichnung dargestellt, können die Rührwerkzeuge entsprechend der Koni- zität der Mahlguttrommel 1 :einen abnehmenden Durchmesser aufweisen.
Für empfindliches Mahlgut, welches keine Wärme verträgt, ist die konische Mahlguttrommel 1 mit einem an sich bekannten Doppelmantel 9 versehen, dem durch einen Zufluss 10 ein Kühlmedium zuge leitet werden kann, welches durch den Abgang 11 wieder abfliesst.
Die Erfindung ist nicht auf das dargestellte und beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt, so ist es beispielsweise auch möglich, gleichartige Rühr werkzeuge in den einzelnen Bereichen vorzusehen oder den Mantel zylinderförmig auszubilden. An stelle eines Kühlmantels kann auch eine Heizvor richtung Verwendung finden. Die Mahlguttrommel lässt sich unter Umständen auch waagrecht anord nen, wobei gegebenenfalls die Rührwerkswelle zur Horizontalen geneigt angeordnet ist.