General considerations for raw materials preparation in
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General considerations for raw materials preparation in
Grundsatzbetrachtungen zur Rohstoffaufbereitung in der nordamerikanischen Ziegelindustrie Die für die Ziegelindustrie in Nordamerika verbreiteten Schiefertone werden typischerweise halbtrocken aufbereitet. Neue Trends, wie das Anfeuchten und anschließende Mauken der Rohstoffe sowie danach das doppelte Kneten, tragen dazu bei, die Homogenität der Masse zu verbessern und ein leichteres Verpressen zu fördern. General considerations for raw materials preparation in the North American brick industry 1 Vorwort The brick-making shales processed in North America are typically prepared in a semi-dry state. New trends, such as pre-wetting and subsequent ageing of the raw materials followed by double pugging, tend to improve the homogeneity of the body and the ease of the extrusion process. Es ist eine allgemein anerkannte Tatsache, dass das angewandte Aufbereitungsverfahren für gewöhnlich von den Eigenschaften der für die Ziegelherstellung eingesetzten Rohstoffe bestimmt wird. Die in Nordamerika vorherrschende Methode der Rohstoffaufbereitung ist die Trockenzerkleinerung mit Pralltechnik (Prallbrechern, -mühlen), gekoppelt mit einer Flachsiebklassierung. Dieses Aufbereitungsverfahren wird für den Großteil der Rohstoffe, die typischerweise harte, trockene, rot brennende Schiefertone mit Feuchtegehalten zwischen 4 und 10 % sind, bevorzugt. Im Gegensatz dazu werden die für Europa typischen weichen, feuchten Tone (häufig Feuchtegehalte von mehr als 20 %) besser per Nasszerkleinerung mit ruhig laufenden Kollergängen aufbereitet. 2 Pro und Kontra Trockenzerkleinerung Robuste, hoch leistungsfähige Ausrüstungen zur Trockenzerkleinerung wie zum Beispiel Brecher, Hammermühlen und Schwingmühlen sind im Allgemeinen leicht zu betreiben und können große Tonnagen harter, plattiger Schieferrohstoffe durchsetzen. Dieser Ausrüstungstyp ist zuverlässig und kann, eine ordnungsgemäße Wartung vorausgesetzt, über viele Jahre zufrieden stellend laufen. Einer der Vorteile, den der Einsatz von Pralltechnik bei harten Schiefern mit sich bringt, ist die Reduzierung bzw. der Ausschluss von durch Anhaftungen hervorgerufenen Problemen. Außerdem sorgt die nachfolgende Klassierung mit Flachsieben dafür, dass keine Klumpen oder Grobanteile in das gesiebte Material gelangen können. Ein mit der Trockenzerkleinerung generell verbundener Nachteil ist natürlich die Staubentwicklung. Arbeitsschutzvorschriften machen häufig eine teure Technik zur Staubunterdrückung erforderlich. Bei widrigen Witterungsbedingungen während des Abbaus in der Tongrube oder bei der Lagerung der geförderten Rohstoffe im Freien kann es zur Anreicherung großer Mengen mechanisch gebundenen Wassers kommen. Diese Feuchtezunahme kann zu unerwünschten Anhaftungen sowohl in der Zerkleinerungstechnik als auch in den Siebanlagen sowie zu ernsten Auswirkungen auf den Materialdurchsatz führen. 12 Christophe Aubertot, President, Ceric, Inc.; Harry E. Shafer, Jr., Consultant* ZI 1-2/2006 1 Foreword It is pretty much an accepted fact that the properties of raw materials used in manufacturing brick products usually dictate the type of preparation procedures that are employed. Dry grinding with impact equipment, coupled with flat screen sizing, is the predominant approach to raw materials preparation in North America. This method of preparation is preferred to process a majority of raw materials that are typically hard, dry, red-firing shales with moisture contents in the range of 4 to 10%. In contrast, the typical soft, wet clays in Europe are more easily processed utilizing wet grinding with smooth rolls. Many of these clays have moisture contents in excess of 20%. 2 The pros and cons of dry grinding Rugged, heavy-duty, dry grinding equipment, including impactors, hammer mills and dry-pans, are generally easy to operate and can process large tonnages of hard, slabby, shale raw materials. This type of equipment is reliable and with proper maintenance, can provide many years of satisfactory service. One of the positive features of utilizing impact equipment with hard shales is that annoying sticking problems can be reduced or eliminated and the subsequent sizing operation with flat screens ensures that no lumps or coarse particles can pass into the sized material. Of course, a drawback generally related to processing dry materials is the generation of dust and, in these instances, workplace regulations often dictate the need for expensive dust control equipment. At times, mining in quarries during adverse weather conditions or storage of mined materials outdoors can lead to the addition of copious amounts of mechanically bound water. This moisture build-up can lead to sticking problems in both the grinding equipment and screens, seriously impacting material throughput. Attempting very fine grinding with impact equipment and related screen cloth can be very difficult. Under these circumstances, the recirculating load can increase and processed tonnages will be reduced, creating a very dramatic reduction in overall efficiency. Impact-type equipment also demands timely and costly maintenance which can include periodic adjustments as well as rehabilitation or replacement of wear parts. However, simplicity and ease of use of this type of equipment makes it a good choice for many brick manufacturers. Bild 1: Sumpfhaus mit Eimerkettenbagger Fig. 1: Ageing house with bucket chain excavator Eine Feinstzerkleinerung mit einer Prallmühle und dem darauf abgestimmten Siebgewebe kann sehr kompliziert sein. Hier kann es passieren, dass die Rücklaufmenge anwächst, der Durchsatz abnimmt und damit eine dramatische Verringerung der Wirtschaftlichkeit eintritt. Die Pralltechnik erfordert des Weiteren eine rechtzeitige Durchführung der kostspieligen Wartungsarbeiten, die sowohl periodische Justierungen als auch die Überholung oder den Austausch von Verschleißteilen beinhalten können. Trotzdem ist der Einsatz einer Prallmühle wegen ihrer unkomplizierten Nutzung eine gute Wahl für viele Ziegelhersteller. 3 Aktuelle Trends bei der Rohstoffaufbereitung In den letzten fünf Jahren haben einige Ziegelhersteller weiterentwickelte sowie bewährte Methoden der Aufbereitung getestet, um die Rohstoffeigenschaften und letztendlich die Produktqualität zu verbessern. Zu diesen Methoden zählen das Anfeuchten und das sich daran anschließende fünf- bis zehntägige Mauken des zerkleinerten Schiefertongemisches (Bild 1). Einige Ziegelhersteller wenden zusätzlich zu den existierenden Aufbereitungsmethoden folgende Technik an: Der Teig wird doppelt geknetet (Bild 2) und optional durch ein gelochtes Mundstück zu „Tonnudeln“ gepresst. Mit diesen Versuchen sollen, insbesondere bei mageren Schiefertonen, die Rohstoffeigenschaften positiv beeinflusst und die Produktqualität durch verbesserte Materialaufbereitung gesteigert werden. Auch wenn die neuen Materialaufbereitungstechniken nicht für alle Ziegelhersteller geeignet sein mögen, so erweisen sich die ersten Ergebnisse für viele Ziegelproduzenten in Nordamerika doch als sehr nützlich. Besonderes Augenmerk gilt den für eine Reihe nordamerikanischer Schiefertone erzielten Resultaten, die belegen, dass sich das Mauken der Rohstoffe positiv auswirkt. Bild 3 veranschaulicht, dass eine 72-stündige Maukzeit den Anteil der Tonpartikel < 2 µm erhöht – dies bestätigt die in Europa schon bekannten Erkenntnisse. Weiterhin zeigt Bild 4, dass bei gemaukten Schiefertongemischen mit einem reduzierten Extrusionsdruck gearbeitet werden kann. Daraus ist zu schlussfolgern, dass sowohl das Anfeuchten als auch das doppelte Kneten die Homogenität und die allgemeine Beschaffenheit des Schiefertongemisches verbessern, da das Wasser gleichmäßiger die einzelnen Partikel umschließt und so potenziell auch besser in den Teilchen verteilt ist. Das Ummanteln der einzelnen Schieferteilchen mit Wasser gestat- 3 Newer trends in raw materials preparation Over the past five years, with efforts to improve raw material performance and ultimate product quality, a number of North American brick manufacturers have been investigating more advanced and proven methods of preparation. These methods include pre-wetting, followed by five to ten days of souring the ground shale mix (Fig. 1). Additionally, double-pugging (Fig. 2) incorporating an optional “grate or multiperforated die” to extrude clay “noodles” have been added to existing clay preparation systems by several brick manufacturers. These ongoing initiatives are part of a larger plan to gain better control of brick raw materials and how improved material processing can benefit product quality, particularly with marginal shales. While the benefits of the foregoing raw material preparation techniques may not prove helpful for every brick manufacturer, the early results have proven very beneficial for a number of brick producers in North America. Of particular interest are the results that have been documented with a number of North American shales and which have clearly demonstrated the positive influence of raw materials aging. Confirming the findings already well known in Europe, Fig. 3 demonstrates that a 72-hour souring period facilitates the increase of <2 micron clay particles. Further, in Fig. 4, aging of the same shale mix demonstrates the positive impact of extrusion pressure reduction at the shaper cap. Ultimately, we conclude that both the pre-wetting and double-pugging concepts improve the homogeneity and overall consistency of the shale mix by distributing the water more evenly around the individual particles and potentially, within Bild 2: Doppel-Knetvorrichtung Fig. 2: Double pugging installation ZI 1-2/2006 13 Maukzeit/Aging time [h] Mit freundlicher Genemmigung von Händle GmbH Courtesy of Händle GmbH Pressdruck am Mundstück Extrusion pressure at s.f. = 16 [bar] Mit freundlicher Genehmigung von Händle GmbH Courtesy of Händle GmbH Partikelgröße/Particle size < 2 µm [%] Maukzeit/Aging time [h] Bild 3: Einfluss des Maukens auf die Partikelgröße < 2 µm Fig. 3: Influence of aging on particle size < 2 µm Bild 4: Einfluss des Maukens auf den Pressdruck an der Strangpresse Fig. 4: Influence of aging on extrusion pressure tet es, auch Material mittelmäßiger Qualität leichter und schneller strangzupressen. the particles. This phenomenon of having the ability to coat each individual shale particle relates to easier and faster extrusion of mediocre materials. 4 Wie fein sollte zerkleinert werden? Die in Nordamerika angewandte Steifverpressung erfordert weniger Verformbarkeit als die Weichverpressung, da bei Ersterer üblicherweise mehr Druck angewandt wird. Bei der Steifverpressung muss nicht ganz so fein zerkleinert werden, wenngleich natürlich ein feineres Zermahlen eine bessere Aufbereitung und hochwertigere Endprodukte ermöglicht. Ein ausgereiftes und sorgfältig implementiertes Testprogramm kann Erkenntnisse darüber liefern, für welche Schieferrohstoffe dieser Zusammenhang besteht. Bei einem Vergleich zwischen typischen Partikelgrößen der nordamerikanischen Ziegelindustrie und europäischen Herstellern zeigen sich starke Abweichungen. Die Ziegelhersteller in Nordamerika verwenden bevorzugt eine Siebung mit Maschenweiten zwischen 6 und 14 mesh (3,35 mm bis 1,40 mm). Die europäische Hohlziegelindustrie, die dünnwandige Produkte herstellt, setzt Ton mit Partikelgrößen bis etwa 0,8 mm ein. Dachziegelproduzenten dagegen benutzen noch feinere Rohstoffe bis zu Korngrößen von 0,5 mm und feiner, um die dort gewünschte „Babyhautoberfläche“ zu erzielen. Die Trocknungs- und Brenntechnik wurde der immer feineren Zerkleinerung in der europäischen Ziegelindustrie angepasst. Auch in der Feinkeramik und der Technischen Keramik werden zur Herstellung hochwertiger Endprodukte die Rohstoffe zunehmend fein zermahlen, ohne dadurch die Trocknungsund Brennvorgänge nachteilig zu beeinflussen. Offensichtlich macht es aus finanzieller Sicht wenig Sinn, eine noch feinere Zerkleinerung anzustreben, da dies für die Produktqualität nicht erforderlich ist. Andererseits sollte nicht willkürlich geschlussfolgert werden, dass feineres Zermahlen keine Vorteile bietet. 5 Partikelgrößen verstehen Um den Einfluss der Partikelgrößen von Rohstoffen auf Verarbeitungsprozesse sowie die physikalischen und ästhetischen Eigenschaften der Endprodukte zu verstehen, sollte zwischen der Trockensiebanalyse (scheinbare Partikelgröße) und der Nasssiebanalyse (echte Partikelgröße) unterschieden werden. 14 ZI 1-2/2006 4 How fine should we grind? In North America, stiff extrusion does not require as much plasticity as a soft extrusion process because higher pressures are typically employed. In the case of stiff extrusion, grinding does not have to be as fine but there certainly is the possibility that finer grinding may actually yield better processing and finished product results. A well developed and carefully implemented testing program can confirm if finer grinding will improve brick processing and product quality for a particular shale raw material. A comparison of typical particle sizing in the North American brick industry versus the European manufacturers illustrates a wide divergence. In North America, the brick manufacturer generally uses material sizing in the range of 6 to14 mesh (3.35 mm to 1.40 mm). The hollow block industry in Europe that produces thin-wall units will utilize clay sized to about 0.8 mm, while the roof tile manufacturers use even finer material, sized to 0.5 mm or smaller in order to produce the required “baby skin” texture. The movement to finer and finer grinding in the European clay products industry has not lead to greater difficulty in drying and firing. The fine and technical ceramics industries are other current examples of grinding finer to produce high-end products without detriment to the drying and firing operations. Obviously, it makes financial sense not to pursue finer grinding if it is not required to produce acceptable quality products. On the other hand, it should definitely not be arbitrarily concluded that finer grinding has no merit. 5 Understanding particle size In order to more fully appreciate raw material particle sizing and its relation to processing as well as end product physical and aesthetic parameters, a differentiation must be made between dry sieve analyses (apparent particle size) and wet sieve analyses (true particle size). Fig. 5 clearly demonstrates the wide disparity in apparent vs. true particle size using wet and dry sieves for the same shale raw material. This sizing analysis depicts a shale with physical characteristics that would, more than likely, allow finer grinding to produce higher recoveries, overall quality improvement and to manufacture specialized heavy clay products. Differenzialkurve nass An assessment of the North American clay products Wet differential curve Differenzialkurve trocken industry would lead one to believe that the typical Dry differential curve raw materials for brick-making are really only Summenkurve nass Wet cumulative curve crushed rather than being subjected to a true Summenkurve trocken Dry cumulative curve grinding process. Personal observations indicate that finer grinding may support better plasticity, less product defects and potentially, with less horsepower for extrusion. On the other hand, there are advocates who firmly Durchmesser in mm Diameter in mm believe that an optimum particle size exists for each raw material and that grinding too fine can actually Bild 5: Scheinbare oder echte Partikelgröße be detrimental. Rigorous material testing can deterFig. 5: Apparent vs. true particle size mine the optimum particle size for the desired end product. For the most part, however, it would probably be Bild 5 veranschaulicht die starke Abweichung zwischen safe to say that many in the North American brick industry scheinbarer und echter Partikelgröße für ein und denselben are producing products with material coarser than what it Schieferrohstoff. Diese Korngrößenanalyse beschreibt einen would be with an established optimum particle sizing. Schieferton, dessen physikalische Eigenschaften höchstwahrscheinlich ein feineres Zerkleinern zulassen würden. Dadurch könnten die Ausbeute erhöht, die Gesamtqualität verbessert 6 Grinding problem materials und Spezialprodukte der Grobkeramik hergestellt werden. Eine Bewertung der nordamerikanischen Keramikindustrie A classic example of the benefits of fine grinding can be erweckt den Eindruck, dass die typischen Rohstoffe der Ziefound at the NBH face brick plant built by Ceric in northern gelherstellung in der Praxis eher nur gebrochen als einem France. The raw material is a hard, black shale by-product echten Zerkleinerungsprozess unterzogen werden. Persönlifrom a coal mining operation (Fig. 6). This shale has virtually che Beobachtungen deuten jedoch darauf hin, dass ein feineno inherent plasticity and contains about 5 to 6% carbonares Zerkleinern die Formbarkeit unterstützt, weniger Produktceous matter. This waste shale is ground to 50 to 200 mesh fehler entstehen und eine geringere Maschinenleistung für die (0.300 mm to 0.075 mm) in a batch process using rod mills. Extrusion benötigt wird. The ground material is extruded with 11.5% water (dry basis) to produce attractive pink body products with excellent Es gibt aber auch Verfechter der Behauptung, dass für jeden recoveries (Fig. 7). Without the benefit of fine grinding, Rohstoff eine optimale Partikelgröße existiere und ein zu staracceptable products could not be produced. This is a specific kes Zerkleinern sich nachteilig auswirken könnte. Mittels präzicase of establishing the optimum particle size distribution and ser Materialtests sei es möglich, die optimale Partikelgröße für selecting the appropriate grinding equipment to allow the das gewünschte Endprodukt zu bestimmen. Mit Sicherheit use of this material in heavy clay products. kann aber gesagt werden, dass viele nordamerikanische Ziegler Another case of developing a specific grinding technique to gröbere Rohstoffe für die Produktion verwenden, als sie dies solve the dilemma of working with problem raw materials can bei einer vorhandenen Partikelgrößenoptimierung tun würden. be found in a Ceric-built plant in Serbia. Typical grinding was not an option for this material which contained large 6 Zerkleinern problematischer Materialien amounts of calcareous shell inclusions and a very high moisture content, approaching 28%. Dry grinding with the relatEin klassisches Beispiel der Vorteile einer Feinzerkleinerung ed flat screens similar to North American operations has a kann man in der von Ceric in Nordfrankreich gebauten Verlimit of fineness of about 1.5 to 2 mm. Wet grinding with roll blendziegelfabrik der Firma NBH finden. Der als Rohstoff einmills is limited to gesetzte harte, schwarze Schieferton ist ein Nebenprodukt about 0.8 mm eines Kohleabbaus (Bild 6). Dieser Schieferton hat praktisch using a soft keine eigene Plastizität und verfügt über etwa 5 bis 6 % Kohmaterial. Extenlenstoffgehalt. Er wird durch Stoßwirkung in einer Stabrohrsive testing mühle auf die Maschenweite 50 x 200 mesh (0,300 mm x showed that the 0,075 mm) gemahlen. Das gemahlene Material wird mit raw material 11,5 % Feuchte (bezogen auf die Trockenmenge) extrudiert. required grindAls Ergebnis werden attraktive pinkfarbige Produkte mit einer ing to 0.5 mm in hervorragenden Ausbeute hergestellt (Bild 7). Ohne eine Feinorder to develop zerkleinerung könnten keine annehmbaren Erzeugnisse prothe perfectly duziert werden. Dieses konkrete Beispiel macht deutlich, wie smooth surface ein Rohstoff erst durch die Schaffung einer optimalen Partikeltexture that was größenverteilung und Wahl der geeigneten Zerkleinerungsrequired and technik für die Grobkeramik einsetzbar wird. avoid lime pops Ein weiteres Beispiel dafür, wie durch die Entwicklung einer from the shell Bild 6: Kohlenstoffhaltiger Schieferton speziellen Zerkleinerungstechnik Schwierigkeiten beim Umfragments. gang mit problematischen Rohstoffen gelöst werden, findet Fig. 6: Carbonaceous shale % Körnung/Grains Nass- und Trockensiebanalysen/Wet and dry sieve analyses ZI 1-2/2006 15 In order to achieve the very fine man in einem durch Ceric in Serparticle size, a pendulum grinder bien errichteten Werk. Die gängi(Fig. 8) was chosen for this difficult ge Zerkleinerung stand für den task. The three hardened, alloy dortigen Rohstoff nicht zur grinding wheels are suspended Debatte: ein Material mit großen from vertical shafts and driven by a Mengen Muschelkalkeinschlüssen central shaft with an appropriately und einem sehr hohen, an die sized motor. As material is added 28 % gehenden Feuchtegehalt. to the mill, the wheels rise with Eine Trockenzerkleinerung mit increasing r.p.m. and crush the den dazugehörigen Flachsieben, shale against the hardened alloy ähnlich den nordamerikanischen mill walls. A fan passes warm air Prozessen, ist auf eine Feinheit through the mill and dries the von etwa 1,5 bis 2 mm begrenzt. ground shale while creating an air Die Nasszerkleinerung mit Koller- Bild 7: Verblendziegel aus Schiefertonabfall stream carrying the fine particles to gängen bringt es beim Einsatz Fig. 7: Facing brick from waste shale a cyclone separator. The size range eines weichen Materials auf etwa of the finished raw material can be controlled by pre-setting 0,8 mm. Umfassende Versuche ergaben jedoch, dass eine the operating parameters of the system. Materialfeinheit von 0,5 mm erforderlich war, um die The Serbian manufacturing facility is a prime example of lookgewünschte, völlig glatte Oberfläche zu erreichen und aus ing beyond the currently accepted practices of raw material den Muschelbruchstücken herrührende Kalkabplatzer zu verprocessing for structural clay products. The development of meiden. Um diese sehr feine Partikelgröße zu erreichen, fiel an innovative size reduction process to satisfy the unusual and die Wahl auf eine Pendelmühle (Bild 8). Die drei gehärteten, mediocre characteristics of this material ultimately lead to the legierten Mahlwalzen sind an einer vertikalen Welle aufgeproduction of high-quality finished products. hängt und werden von einer zentralen Welle mit geeignetem Motor angetrieben. Nach Aufgabe des Mahlgutes in die Mühle drehen sich die Mahlwalzen zunehmend schneller und zerreiben dabei den Schieferton an den gehärteten, legierten Wänden. Ein Lüfter bläst warme Luft in die Mühle und trocknet so den gemahlenen Schieferton. Gleichzeitig sorgt er für einen Luftzug, der die Feinpartikel in einen Zyklonabscheider trägt. Der Korngrößenbereich des aufbereiteten Rohmaterials kann durch Voreinstellungen der Betriebsparameter am Zyklon gesteuert werden. Die serbische Produktionsstätte ist ein erstklassiges Beispiel für eine Rohstoffaufbereitung für Baukeramikprodukte jenseits der allgemein anerkannten Praxis. Mit einem innovativen Zerkleinerungsprozess kann dieses ungewöhnliche und eher mittelmäßige Material so behandelt werden, dass daraus Produkte höchster Qualität hergestellt werden können. 7 Schlussfolgerung Viele Grobkeramikhersteller in Nordamerika sind bislang mit ihren derzeitigen Rohstoffaufbereitungssystemen recht erfolgreich. Bezogen auf die Rohstoffe, die die meisten Hersteller einsetzen, erzielen diese relativ einfachen Methoden brauchbare Ergebnisse. Allerdings gibt es keinen Grund, anzunehmen, dass die Zerkleinerung nur auf diese existierenden Herstellungsmethoden beschränkt ist. Von Zeit zu Zeit sollten wir uns daran erinnern, warum wir die gewählten Aufbereitungsverfahren anwenden. Man sollte auf Zeiten vorbereitet sein, in denen es notwendig sein wird, über den Tellerrand zu schauen und sich mit Rohstoffproblemen, wachsenden Produktkosten, Forderungen nach verbesserter Produktqualität und verstärkter Konkurrenz jeder Menge anderer Baumaterialien auseinander zu setzen. *Ceric. Inc. 350 Indiana Street, Suite 550 Golden, CO 80401-5097 Tel.: +1/30 32 77 04 04 Fax: +1/30 32 77 05 06 info@cericus.com 16 ZI 1-2/2006 Bild 8: Pendelmühle Fig. 8: Pendulum grinder 7 Conclusion Many heavy clay product manufacturers in North America have been quite successful with their current raw material processing schemes. Given the raw materials that many manufacturers have to work with, these relatively simple methods produce acceptable results. However, there is no reason to believe that these manufacturers are strictly limited to existing processing methods. From time to time, it is important to remind ourselves why we employ the preparation procedures that we do. Otherwise, we will be incapable of “thinking outside the box” at a time when it is necessary to deal with raw material problems, rising product costs, demands for improved product quality and increased competition from a host of other cladding materials.