Ball grinding

7/30/2019 Ball grinding

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Reprint from /Sonderdruck aus:Issue No.: 3/2010, pp. 5865

CEMENT

INTERNATIONAL

PROCESSING PERFORMANCE APPLICATION

Potential for improving the properties of high-chromegrinding mediaPotenzial zur Verbesserung der Eigenschaften von hoch chromhaltigen Mahlkrpern

4Dr.-Ing. J. Jahn, Christian Pfeiffer Maschinenfabrik GmbH, Beckum, Germany

Verlag Bau+Technik GmbH PO Box 12 01 10 40601 Dsseldorf/Germany Tel.: +49 (0) 211 / 9 24 99-0


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ZUSAMMENFASSUNG

High-chrome grinding media have been used successfully

in ball mills in the cement industry for more than 40 years.

Their increasing acceptability as well as the worldwide rise

in cement production have led to a significant increase in

annual consumption. This development has meant that new

producers of grinding media are appearing in increasing

numbers in the market. Nowadays, virtually all producers of

grinding media use similar manufacturing schemes so this

inevitably raises questions about the differences between

the individual schemes and the potential for better proper-

ties that can benefit the customer. The most important

quality parameters for the use of grinding media are minimal

wear, high dimensional stability and the lowest possible

incidence of fractures. These are mainly affected by the

alloying strategy, the manufacturing technology and, in par-

ticular, the chemical composition, the metallurgy and heat

treatment, and the mould production as well as by the gating

and risering technology used. High grinding media quality

is a function of the level of alloying and technology applied.The main quality parameters are the chemical composition,

the formation of the microstructure and the mechanical

and geometrical properties of a grinding ball, which as far

as possible should be of uniform quality without internal or

external casting defects. The cost of corresponding evalu-

ation is very high, so as a rule only selected parameters

are examined and evaluated. However, confidence in the

supplier as the guarantor of good quality has also proved

very important for the customer. Different conditions of use,

such as in ball mills for producing raw meal and pulverized

fuels or for cement grinding, also require the use of different

grades of grinding media. To keep the costs down experi-

enced producers of grinding media always recommend a

grade suited to the particular use. Any quality deficiencies

that occur, which are usually only detected after a fairly long

period in use, normally become apparent through increased

wear and fractured and deformed balls. The reasons for

this are to be found in deficiencies in the heat treatment

process and in the gating and risering technology employed.

Extensive experience has shown that the cost advantages of

lower quality grinding media do not pay off in the long run.

Seit mehr als 40 Jahren werden hoch chromhaltige Mahl-

krper in den Kugelmhlen der Zementindustrie erfolgreich

eingesetzt. Sowohl ihre zunehmende Akzeptanz als auch der

weltweite Anstieg der Zementproduktion fhrten zu einer

deutlichen Erhhung des jhrlichen Bedarfs. Als Folge dieser

Entwicklung sind immer mehr neue Hersteller von Mahlkr-

pern auf den Markt getreten. Da heute beinahe alle Mahlkr-

perhersteller hnliche Fertigungskonzepte anwenden, stellt

sich zwangslufig die Frage, wodurch sich die einzelnen

Konzepte unterscheiden und welches Potenzial fr bessere

Eigenschaften steht, die fr den Kunden von Nutzen sind. Die

wichtigsten Qualittsparameter fr den Mahlkrpereinsatz

sind ein minimaler Verschlei, eine hohe Formstabilitt und

eine mglichst geringe Bruchquote. Einfluss darauf haben

im Wesentlichen das Legierungskonzept und die Fertigungs-

technologie und im Besonderen die chemische Zusam-

mensetzung, die Metallurgie und Wrmebehandlung, die

Formenherstellung wie auch die angewandte Anschnitt- und

Speisertechnologie. Hohe Mahlkrperqualitt wird bestimmtdurch das Niveau der verwendeten Legierung und Technolo-

gie. Qualittsparameter sind vor allem die chemische Zusam-

mensetzung, die Gefgeausbildung sowie die mechanischen

und geometrischen Eigenschaften eines Mahlkrpers, der

mglichst von gleichmiger Qualitt und ohne innere und

uere Gussfehler sein soll. Der Aufwand fr eine diesbe-

zgliche Bewertung ist sehr hoch, weshalb in der Regel nur

ausgewhlte Parameter untersucht und bewertet werden.

Als sehr wichtig fr den Kunden hat sich indessen auch

das Vertrauen in den Lieferanten als den Garanten fr gute

Qualitt erwiesen. Unterschiedliche Einsatzbedingungen

wie z.B. der Einsatz in Kugelmhlen fr die Rohmehl- und

Brennstauberzeugung oder fr die Zementmahlung verlan-

gen deshalb auch unterschiedliche Mahlkrperqualitten.

Im Interesse eines niedrigen Kostenaufwands empfehlen

erfahrene Mahlkrperhersteller immer eine dem jeweiligen

Einsatz angepasste Qualitt. Auftretende Qualittsmngel,

die gewhnlich immer erst nach lngerer Einsatzzeit festge-

stellt werden, zeigen sich meist durch erhhten Verschlei,

durch Kugelbruch und Kugeldeformationen. Die Ursachen

dafr sind in Mngeln bei den Wrmebehandlungsprozessen

sowie bei der angewandten Anschnitt- und Speisertechno-

logie zu suchen. Es ist eine grundlegende Erfahrung, dass

sich die Kostenvorteile von Mahlkrpern geringerer Qualitt

auf die Dauer gesehen nicht auszahlen.

SUMMARY

Dr.-Ing. J. Jahn, Christian Pfeiffer Maschinenfabrik GmbH, Beckum, Germany

(Translation by Mr. Robin B. C. Baker)


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Potential for improving the properties of high-chromegrinding mediaPotenzial zur Verbesserung der Eigenschaften von hoch chromhaltigen Mahlkrpern

1 Starting point

High-chrome grinding media have been used for more than40 years in grinding plants in the cement industry that areequipped with ball mills. Molybdenum was also used atfirst alongside chromium as a main alloying element forcarbide formation and above all as an element to increasethe hardenability of the alloy. However, due to the extremeperiodic price rises molybdenum has now been removedin stages from the grinding ball alloys. The cooling duringhardening has been improved to compensate for thereduced hardenability. Changes have also been made in the

chromium/carbon ratio and some manufacturers have usedless expensive elements for the alloying. However, the lackof the extremely hard molybdenum carbides in the micro-structure led a reduction in wear resistance, giving rise tothe justifiable question as to how this adverse effect on theproperties can be offset.

The increasing acceptance that only high-chrome grindingmedia should be used in the cement industry led apartfrom a few exceptions to the situation where there wasa continuous increase in the annual consumption of grind-ing media. This process was accelerated by the worldwideincrease in cement production. At the same time new pro-

ducers and suppliers of grinding media kept emerging.

Virtually all producers now use alloying schemes and manu-facturing technologies that are very largely similar to oneanother. There are also only slight differences in the infor-mation required for the customers for describing the gradesof grinding media. In most cases only the chromium contentand hardness values are given. The supplementary informa-tion can include wear rates and fracture percentages, if theseare required by the customer. Based on this frequently verysimilar information the customer is deciding increasingly infavour of the cheapest supplier.

This gives rise to questions about the differences in quality.What advantages do the grinding media from a particularmanufacturer give to the customer? Where does the poten-tial lie for better properties of the grinding media and howcan this be demonstrated?

2 Many years of manufacturing expertise the basic requirement for exploiting thedevelopment potential

2.1 Preliminary comments

Grinding media are mass products. They are produced inenormous numbers in plants that are at least mechanized

and are now mostly automated. The quality of the grindingmedia is therefore a function of the predetermined manufac-turing parameters and their fluctuations during the produc-tion process. Ideally a grinding ball should wear minimally andevenly with respect to its shape, and any fracturing should

1 Ausgangspunkt

Seit mehr als 40 Jahren finden in den mit Kugelmhlen aus-gersteten Mahlanlagen der Zementindustrie hoch chrom-haltige Mahlkrper Verwendung. Wurde zunchst nebenChrom als Hauptlegierungselement auch Molybdn fr dieCarbidbildung und vor allem als Element zur Erhhung derHrtbarkeit der Legierung eingesetzt, so wurde, bedingtdurch die extremen und periodisch auftretenden Preis-steigerungen, das Molybdn inzwischen schrittweise ausden Mahlkugellegierungen entfernt. Zur Kompensierungder verringerten Hrtbarkeit wurde vor allem die Abkh-

lung beim Hrten verbessert. Des Weiteren wurden nde-rungen im Chrom-Kohlenstoff-Verhltnis vorgenommen undvon einigen Herstellern auch das Zulegieren preiswerterElemente angewandt. Die im Gefge fehlenden extremharten Molybdnkarbide fhrten jedoch dabei zur Verringe-rung der Verschleifestigkeit, weshalb sich die berechtigteFrage ergibt, wodurch diese Beeintrchtigung der Eigen-schaften ausgeglichen wurde?

Die zunehmende Akzeptanz, nur noch hoch chromhaltigeMahlkrper in der Zementindustrie einzusetzen, fhrte von wenigen Ausnahmen abgesehen dazu, dass der jhr-liche Bedarf an Mahlkrpern stndig zunahm. Der weltweite

Anstieg der Zementproduktion beschleunigte diesen Prozesszustzlich. Parallel dazu tauchten immer wieder neue Produ-zenten und Anbieter von Mahlkrpern auf.

Nahezu alle Produzenten verwenden heute Legierungskon-zepte und Fertigungstechnologien, die sich untereinanderweitgehend hnlich sind. Die erforderlichen Informationenfr die Kunden zur Beschreibung der Mahlkrperqualittenunterscheiden sich ebenfalls nur geringfgig. Meist werdendabei nur die Chromgehalte und Hrtewerte angegeben.Unter den ergnzenden Angaben finden sich Verschlei-raten und Bruchquoten, falls diese vom Kunden gefordertwerden. Abgeleitet aus diesen hufig sehr hnlichen Infor-

mationen, entscheidet sich dann der Kunde mehr und mehrfr den preiswertesten Anbieter.

Aus diesen Darstellungen ergeben sich Fragen nach denUnterschieden in der Qualitt. Welche Vorteile bringen dieMahlkrper der einzelnen Hersteller fr den Kunden? Worinbesteht das Potenzial fr bessere Eigenschaften eines Mahl-krpers und wie lassen sich diese berhaupt nachweisen?

2 Langjhriges Hersteller-Know-how Voraussetzung fr die Erschlieung vonEntwicklungspotenzialen

2.1 VorbemerkungenMahlkrper sind Massenprodukte. Sie werden in riesigenStckzahlen auf mindestens mechanisierten und heutemeistens automatisierten Anlagen hergestellt. Die Qualitteines Mahlkrpers ergibt sich damit aus den vorgegebenen


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be ruled out. Fulfilment of these requirements depends on

a large number of influencing factors that are closely related

to each other and will be described in greater detail below.

Grinding media are produced in accordance with tight pro-

cess engineering specifications during melting, moulding

and casting followed by heat treatment based on a predeter-

mined alloying scheme. Fulfilment of the process engineer-

ing requirements stands and falls by the correct plant design,

which can vary over a wide range. Ideally, there are very tightlimits to this design, especially because the grinding media

must be produced inexpensively. The two schemes must

then be supplemented by a comprehensive testing scheme

that can prove that the quality requirements have been ful-

filled for each stage in the process.

2.2 Chemical composition

During the production of grinding media the two most impor-

tant alloying elements are carbon and chromium and the

resulting chromium/carbon ratio ( Fig. 1).

The elements determine:

the percentage of chromium carbide

the quality of the chromium carbide

the hardenability of the alloy

the hardness of the matrix

the position of the alloy relative to the eutectic system,

and therefore

the solidification interval.

From these the user of grinding balls can deduce

the costs of the material, the melting and casting and the

heat treatment

the wear resistance, the fracture sensitivity and thedeformation stability.

Great experience and comprehensive subject knowledge are

needed to evaluate these complex, and sometimes contra-

ry, effects and make deliberate use of them. It is particular-

ly important to understand that higher levels of chromium

and carbon raise the carbide content and that the hardness

of the carbides increase with increasing chromium content,

Fertigungsparametern und deren Schwankungen im Her-

stellungsprozess. Idealerweise soll ein Mahlkrper minimal

und gleichmig in Bezug auf seine Form ber die Zeit ver-

schleien, wobei ein Bruch ausgeschlossen sein soll. Die

Erfllung dieser Eigenschaftsanforderungen hngen von einer

Vielzahl von Einflussfaktoren ab, die eng miteinander ver-

bunden sind und auf die nachfolgend noch nher eingegan-

gen wird.

Aufbauend auf einem vorgegebenen Legierungskonzeptwerden Mahlkrper nach engen technologischen Vorgaben

beim Schmelzen, Formen, Gieen und in der sich anschlie-

enden Wrmebehandlung hergestellt. Die Erfllung der

technologischen Anforderungen steht und fllt dabei mit

dem richtigen Anlagenkonzept, das in breitem Umfang

variieren kann. Fr das Optimum ist dieses Konzept stark

eingegrenzt, insbesondere auch deshalb, da die Mahlkrper

kostengnstig hergestellt werden mssen. Die beiden Kon-

zepte mssen dann noch durch ein allumfassendes Prf-

konzept ergnzt werden, welches fr jede Prozessstufe

den Nachweis zu erbringen hat, dass die Qualittsanforde-

rungen erfllt sind.

2.2 Chemische Zusammensetzung

Bei der Herstellung von Mahlkrpern sind die beiden wich-

tigsten Legierungselemente der Kohlenstoff- und der Chrom-

gehalt bzw. das daraus gebildete Chrom-Kohlenstoff-Ver-

hltnis ( Bild 1).

Die Elemente bestimmen:

den Anteil der Chromcarbide

die Qualitt der Chromcarbide

die Hrtbarkeit der Legierung

die Hrte des Grundgefges

die Position der Legierung zum Eutektikum und damit das Erstarrungsintervall.

Daraus ergeben sich fr den Anwender von Mahlkugeln:

die Kosten fr Material, das Schmelzen und Gieen

sowie die Wrmebehandlung

die Verschleibestndigkeit sowie die Bruchempfindlich-

keit und Deformationsstabilitt.

Um diese komplexen und z.T. gegen-

lufigen Wirkungen beider Elemente

bewerten und bewusst anwenden zu

knnen, sind groe Erfahrungen undumfassende Sachkenntnisse erforder-

lich. Dabei ist es insbesondere wichtig

zu wissen, dass hhere Chrom- und

Kohlenstoffgehalte den Anteil der Car-

bide erhhen und mit zunehmendem

Chromgehalt die Hrte der Carbide

zunimmt, was die Verschleifestig-

keit verbessert und auch einen feh-

lenden Molybdngehalt ausgleichen

kann. Aus den Gehalten und Streubrei-

ten der Begleitelemente, wie Man-

gan, Silizium, Phosphor und Schwe-

fel sowie solcher Legierungselemente

wie Nickel, Kupfer und Molybdn kann

abgeleitet werden, auf welchem Qua-

littsniveau gearbeitet wurde. Groe

Streubreiten weisen immer auf unzu-

Figure 1: Melt areas of the iron-chromium-carbon phase equilibrium diagram

Bild 1: Schmelzflche des Zustandsdiagramms Eisen-Chrom-Kohlenstoff

40

30

20

10

0

Volumetric content

of carbides

Chromium-carbon-ratio

1 Grinding media

2 Liners

I F er rit ic

II Hypoeutectic

III Hypereutectic

0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0

Carbon [mass %]

Chromium

[mass%]

II

III

I

2

1

8

10 20 30 40 12 10

6

4


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which improves the wear resistance and can also compen-

sate for the lack of molybdenum. The quality level at which

the work was carried out can be deduced from the lev-

els and variations of the accompanying elements, such as

manganese, silicon, phosphorous and sulfur as well as of

such alloying elements as nickel, copper and molybdenum.

Wide variations are always an indication of inadequate test-

ing and cheap input materials, which has a direct effect on

the quality of the grinding balls.

2.3 Metallurgy and heat treatment

The formation of the microstructure is heavily influenced

not only by the chosen chemical composition but also by

the metallurgy and heat treatment, in which the metallurgy

determines the solidification behaviour of the melt. The pri-

mary microstructure obtained during solidification should

be characterized by a fine-grained, uniformly distributed and

non-directional structure of the constituents of the micro-

structure, which can only be achieved by carefully controlled

modification of the melt before casting. Crystallization

requires the presence of nuclei that are sufficiently active.

Important influencing variables are the starting materials,

the management of the melting process and the treatmentof the melt itself. The microstructure of the grinding balls

is then brought to its final condition for delivery by the heat

treatment. As a rule this requires two process stages high

temperature and low temperature treatment. During the high

temperature treatment, which is carried out at different tem-

peratures depending on the chromium content, the austenite

is destabilized by elimination of secondary carbides. The new

austenite, which is capable of transformation, is converted

into martensite by the subsequent rapid cooling.

The following low temperature treatment has two objec-

tives conversion of the remaining residual austenite into

martensite and reduction of the existing stresses. After theheat treatment the microstructure consists of finely divided

eutectic and secondary carbides and tempered marten-

site. The amount of residual austenite should be as low as

possible ( Fig. 2).

The quality of the heat treatment is determined to a great

extent by the plant design. The best results are provided by

continuous furnaces that operate within tight temperature

limits with cooling devices that quench grinding balls of

different sizes very rapidly and uniformly. Air quenching is

preferable to oil quenching in respect of the greatest possible

uniformity of cooling and also because of the low environ-

mental impact.

2.4 Mould making, gating and risering

As mass products grinding media tend to be produced in

automatic moulding plants using clay-bonded moulding

materials. This provides all the preconditions for manufac-

turing to a high and uniform quality.

However, the quality is also determined substantially by the

gating and risering systems used. One aim must be to pro-

duce a cavity-free grinding ball with minimum area for the

gating system. As a rule casting defects, especially voids,

always lead to fractures of the grinding media. Grinding balls

start to deform at the gating areas ( Fig. 3). Here there is a

coarser microstructure than at other points on the surface

of the ball and it also wears more quickly. The number and

size of the gating areas on the ball should therefore be kept

to a minimum.

reichende Prfungen bzw. preiswerte Einsatzmaterialien

hin, was sich unmittelbar auf die Qualitt der Mahlkugeln

auswirkt.

2.3 Metallurgie und WrmebehandlungNeben der ausgewhlten chemischen Zusammensetzung

wird die Gefgeausbildung von der Metallurgie und Wrme-

behandlung wesentlich beeinflusst, wobei die Metallurgie

das Erstarrungsverhalten der Schmelze bestimmt. Das bei

der Erstarrung entstehende Primrgefge soll dabei durch

eine feinkrnige, gleichmig verteilte und ungerichtete

Struktur der Gefgebestandteile gekennzeichnet sein, was

nur durch eine gezielte Modifikation der Schmelze vor dem

Gieen zu erreichen ist. Es mssen gengend aktive Keime

fr die Kristallisation vorhanden sein. Wesentliche Einfluss-

gren sind das Einsatzmaterial, die Fhrung des Schmelz-

vorgangs und die Schmelzebehandlung selbst. Nachfolgend

wird dann das Gefge der Mahlkugeln durch die Wrmebe-

handlung in den Lieferzustand gebracht. In der Regel sind

hierfr zwei Prozessschritte erforderlich: die Hoch- und die

Niedertemperaturbehandlung. Whrend der Hochtempera-

turbehandlung, die in Abhngigkeit vom Chromgehalt bei

unterschiedlichen Temperaturen durchgefhrt wird, erfolgt

eine Destabilisierung des Austenits durch Ausscheidung

von Sekundrcarbiden. Durch die anschlieende schnelle

Abkhlung wird der neue umwandlungsfhige Austenit in

so genanntes Martensit umgewandelt

Die nachfolgende Niedertemperaturbehandlung verfolgt

dabei zwei Ziele: die Umwandlung des verbleibenden

Restaustenits in Martensit und die Reduzierung bestehen-

der Spannungen. Nach der Wrmebehandlung besteht das

Gefge aus feinverteilten eutektischen und Sekundrcarbi-

den sowie aus angelassenem Martensit. Der dabei noch vor-

handene Restaustenit soll minimal sein ( Bild 2).

Figure 2: Microstructure of heat-treated chromium alloy cast iron

Bild 2: Gefge von wrmebehandeltem Chromgusseisen

Secondary

chromium carbides

Eutectic

chromium carbides

Martensite


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3 Evaluating the quality of the grinding media

There are two essential criteria for evaluating the quality ofgrinding media. One criterion is determined by the alloyingstrategy and the technology that is based on it. This deter-mines what might be called the base level for the quality. Thesecond criterion concerns the uniformity of the quality, i.e.the tolerances in the production and the effects that thesehave on the individual grinding media. The two criteria are

equally important.

The same quality parameters apply to all grinding media.These are:

chemical composition formation of the microstructure mechanical properties, particularly hardness, dimensions

and deviations in shape evaluation based on internal and external casting defects.

Comprehensive evaluation of the grinding media quality isrelatively expensive. This means that, as a rule, only spot

samples are taken in accordance with a predeterminedstatistical test programme and are then examined. In mostcases the examinations are confined to those tests that canbe carried out rapidly and inexpensively, such as:

chemical composition hardness dimensions and deviations in shape evaluation of external casting defects.

The parameters to be examined are often agreed betweenthe producer and customer as part of the supply contract.The aim is to deduce the working properties from the meas-

urable parameters of a grinding ball, which is only possible toa limited extent. The customer usually requires such propertyfeatures as minimum wear, immunity to fracture and dimen-sional stability for the entire life of the grinding media.

Chemical composition and hardness are pointers towardsthe expected wear. Certain conclusions about the expecteddeformation can be drawn from the deviations in shape.Major external casting defects can be an indication that thegrinding ball will fracture in use. Practical experience hasshown that positive test results of selected parameters ofthe grinding media do not necessarily always lead to theexpected working properties. There are two possible ways

of increasing the reliability of the information one option is

Die Qualitt der Wrmebehandlung wird wesentlich vomAnlagenkonzept bestimmt. Durchgangsfen, die in engenTemperaturgrenzen mit einer Abkhlvorrichtung arbeiten, diesehr schnell und gleichmig die Mahlkugeln unterschied-licher Gren abschreckt, liefern die besten Ergebnisse.Dabei ist die Luftabschreckung in Bezug auf hchstmglicheGleichmigkeit der Abkhlung und auch wegen der gerin-gen Umweltbelastung der labkhlung vorzuziehen.

2.4 Formenherstellung sowie Anschnitt- und Speiser-technik

Mahlkrper werden als Massenprodukte vorzugsweise aufautomatischen Formanlagen unter Verwendung tongebun-dener Formstoffe hergestellt. Damit sind alle Vorausset-zungen fr die Fertigung einer hohen gleichmigen Qua-litt gegeben.

Wesentlich wird jedoch die Qualitt auch von dem ange-wandten Anschnitt- und Speisersystem bestimmt. Ein Zielmuss es dabei sein, lunkerfreie Mahlkugeln mit einer mini-malen Flche fr das Anschnittsystem zu produzieren. Guss-fehler, insbesondere Lunker, fhren in der Regel immer zu

Mahlkrperbruch. An den Anschnittflchen beginnen sichdann die Mahlkugeln zu deformieren ( Bild 3). Hier befindetsich ein grberes Gefge als an anderen Stellen der Kuge-loberflche, welche auch schneller verschleit. Die Anzahlund Gre der Anschnittflchen an der Kugel sind deshalbminimal zu halten.

3 Bewertung der Mahlkrperqualitt

Zur Bewertung der Mahlkrperqualitt gibt es zwei wesent-liche Kriterien. Das eine Kriterium wird bestimmt durchdas Legierungskonzept und den sich daraus aufbauendenTechnologien. Damit wird so zusagen das Grundniveau

der Qualitt bestimmt. Das zweite Kriterium betrifft dieGleichmigkeit der Qualitt, d.h., mit welchen Toleranzenwird produziert und welche Auswirkungen ergeben sichdaraus auf den einzelnen Mahlkrper. Beide Kriterien sindgleichermaen von Bedeutung.

Fr alle Mahlkrper gelten gleiche Qualittsparameter. Diesesind:

chemische Zusammensetzung Gefgeausbildung mechanische Eigenschaften, insbesondere Hrte,

Abmessungen und Formabweichungen Bewertung nach inneren und ueren Gussfehlern.

Figure 3: Cause of deformation in grinding balls fracture areas at the gate and riser systems

Bild 3: Ursache fr Deformationen von Mahlkugeln Bruchflchen des Anschnitt- und Speisersystems


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to carry out a comprehensive evaluation of all the parameters

that are relevant to quality and the other lies in the mutual

trust that has developed over many years of business rela-

tionships because during this time the supplier has always

delivered high quality grinding media.

4 Savings in the cement plant

As a rule, ball mills are used in a cement plant

for producing raw meal

for producing pulverized fuel, and for cement grinding.

These three applications cannot be automatically allocated to

certain grades of grinding media. Crucial for the selection of

the grade of grinding media are the grindability and particle

size composition of the feed material, the type of mill and

finally also the demands that are made on the end product.

A grade of grinding media with a high percentage of carbide

and very hard carbides is an advantage where there are abra-

sive components in the feed material. On the other hand,

grinding balls with a low percentage of carbides can have a

better price/performance ratio when producing raw meal and

ordinary Portland cement.

Experienced grinding media producers working together

with their contacts in the cement plant will recommend

the most suitable grade of grinding ball for each particular

application ( Fig. 4). Under these conditions it is possible

to calculate the wear over a period of years very accurate-

ly. The expenditure on sorting and classifying the grind-

ing media charges is then restricted to a minimum. For the

coarse grinding chamber the grinding media charge should

be sorted and classified within the first three years depend-

ing on the absolute wear, but for the fine grinding chamber

this is only necessary after five years. The grade of grind-

ing media has a direct effect on the grinding process. If no

deformed grinding media or fragments hinder the transport

of the mill feed through the grinding media charge then high

grinding outputs can be expected. The better rolling charac-

teristics of balls with stable shapes lead to energy savings

Der Aufwand fr eine umfassende

Bewertung der Mahlkrperqualitt ist

relativ hoch. In der Regel werden des-

halb nach festgelegten, statistischen

Prfprogrammen nur Stichproben ent-

nommen und diese dann anschlie-

end untersucht. Meist beschrnken

sich dabei die Untersuchungen auf

solche Prfungen, die schnell und

mit geringem Aufwand durchzufh-ren sind, wie z.B.:

chemische Zusammensetzung

Hrte

Abmessungen und Formabwei-

chungen sowie

Bewertung nach ueren Guss-

fehlern.

Hufig werden die zu untersuchenden

Parameter zwischen Produzenten und

Kunden im Rahmen von Liefervertr-

gen vereinbart. Ziel ist es dabei, ausmessbaren Parametern einer Mahl-

kugel die Gebrauchseigenschaften abzuleiten, was jedoch

nur begrenzt mglich ist. Gewhnlich werden vom Kunden

solche Eigenschaftsmerkmale wie minimaler Verschlei,

Bruchunempfindlichkeit und Formstabilitt, bezogen auf die

gesamte Lebensdauer eines Mahlkrpers, gefordert.

Chemische Zusammensetzung und Hrte stehen dabei fr

den zu erwartenden Verschlei. Formabweichungen lassen

bedingt Rckschlsse auf die zu erwartende Deformation

zu. Grobe uere Gussfehler knnen einen Hinweis darauf

geben, dass die Mahlkugel beim Einsatz bricht. Die Praxis

hat gezeigt, dass positive Prfergebnisse ausgewhlter Para-meter an den Mahlkrpern nicht immer zu den erwarteten

Gebrauchseigenschaften fhren mssen. Um die Sicherheit

der Aussage zu erhhen, gibt es zwei Mglichkeiten: Die

eine Mglichkeit besteht darin, eine umfassende Bewertung

aller qualittsrelevanter Parameter durchzufhren, die ande-

re ist in dem Vertrauensverhltnis zu sehen, das sich ber

jahrelange Geschftsbeziehungen entwickelt hat, weil der

Lieferant whrend dieser Zeit immer Mahlkrper mit hoher

Qualitt geliefert hat.

4 Einspareffekte im Zementwerk

In einem Zementwerk gelangen Kugelmhlen in der Regel

bei der Rohmehlerzeugung

bei der Brennstauberzeugung und

bei der Zementmahlung

zum Einsatz. Diesen drei Einsatzfllen lsst sich nicht auto-

matisch eine bestimmte Mahlkrperqualitt zuordnen. Ent-

scheidend fr die Auswahl der Mahlkrperqualitt sind das

Aufgabegut in Bezug auf seine Mahlbarkeit und seinen

Korngrenaufbau, der Mhlentyp und schlielich auch die

Anforderungen, die an das Endprodukt gestellt sind. Fr

abrasive Komponenten im Aufgabegut ist eine Mahlkrper-

qualitt mit hohen Karbidanteilen und sehr harten Karbiden

vorteilhaft. Dagegen knnen Mahlkugeln mit geringen Kar-

bidanteilen bei der Rohmehlerzeugung sowie bei der Her-

stellung von gewhnlichen Portlandzementen im Preis-Leis-

tungsverhltnis gnstiger sein.

Figure 4: Calculation of wear costs as a function of the grinding media price and the wear rate

Bild 4: Kalkulation der Verschleikosten in Abhngigkeit vom Mahlkrperpreis und der Ver-schleirate

Specific grinding costs [/tCEMENT]

Specific wear rate [g/t]

Samples: Quality Price Wear rate Specific costs

1 1 200 /t 30 g/t 0.036/t (100 %)

2 1 380 /t 22.5 g/t 0.031/t (86 %)

4 5 6 7 8 9 10 20

0.01 0.02 0.03 0.05 0.10

30 40 50 60 70 80 90 100 200

Grinding

mediaprice[/t]

150014001300120011001000

900

800

700

600

500

400


9/100

Erfahrene Mahlkrperproduzenten empfehlen in Zusam-menarbeit mit ihren Ansprechpartnern im Zementwerk frden jeweiligen Einsatzfall die jeweils best geeignete Mahl-kugelqualitt ( Bild 4). Unter diesen Bedingungen ist derVerschlei ber Jahre hinaus sehr genau kalkulierbar. DerAufwand fr das Sortieren und Klassieren von Mahlkrper-chargen ist dann auf ein Minimum beschrnkt. Fr den Grob-mahlraum sollte in Abhngigkeit vom absoluten Verschleidie Mahlkrperfllung innerhalb der ersten drei Jahren sor-

tiert und klassiert werden, fr den Feinmahlraum erst nachfnf Jahren. Die Mahlkrperqualitt wirkt sich unmittelbarauf den Mahlprozess aus. Wenn keine deformierten Mahl-krper bzw. Bruchstcke den Transport des Mahlgutes durchdie Kugelcharge behindern, dann knnen auch hohe Mahl-gutdurchstze erwartet werden. Das bessere Abrollverhaltenvon formstabilen Kugeln fhrt zu Energieeinsparungen undzu einem sprbaren Rckgang der Leistungsaufnahme amAntriebsmotor. Auerdem besitzen formstabile Mahlkugelneine geringere Schttdichte.

uere Mngel von neu eingesetzten Mahlkrpern knnenbei der routinemigen Inspektion sofort beanstandet wer-

den. Das eigentliche Problem sind jedoch die verdecktenMngel wie z.B. Gussfehler.

Folgende Ursachen sind fr das Fehlverhalten von Mahl-kugeln nach lngerer Einsatzzeit verantwortlich:

Hherer Verschlei: Die Mahlkugeln sind nicht durch-gehrtet. Besonders hufig gibt es diese Mngel beimlhrten. Die Gefgeausbildung ist grob und die ver-schiedenen Gefgebestandteile sind nicht gleichmigverteilt. Die Qualitt der Karbide und deren Anteil istgering.

Kugelbruch: Mngel bei der Wrmebehandlung fh-

ren nicht zum vollstndigen Abbau der Spannungen. Dieberlagerung von Spannungen aus der Beanspruchungin der Mhle mit den verbleibenden Restspannungenbegnstigt gewhnlich den Bruch. Verstrkt wird dieseErscheinung durch innere Gussfehler (Lunker) und beigrober Gefgeausbildung.

Deformation: Groflchige und in der Kugelkonturbefindliche Anschnittbereiche verschleien schnellerund fhren zu Deformationen. hnliche Erscheinungensind zu beobachten, wenn grobkrniges Gefge vorliegt.Unvollstndig ausgefllte Kugeln neigen nach Abtragungder dnnsten Wanddicke ebenfalls zur Deformation.

Die hufig beim Einkauf gewonnenen Kostenvorteile, diesich blicher Weise in der Grenordnung von 10 bis 20 %bewegen, gehen dann durch zustzliche Aufwendungen, diebei 50 % der Anschaffungskosten liegen knnen, innerhalbvon wenigen Jahren verloren.

and an appreciable drop in the power consumption at thedrive motor. Grinding media with stable shapes also have alower bulk density.

External defects of newly introduced grinding media can bepicked up immediately during routine inspections. However,the real problem is the concealed deficiencies, such as cast-ing defects.

Defective behaviour of grinding balls after a fairly long timein operation can have the following causes:

Greater wear: The grinding balls are not hardened rightthrough. This deficiency occurs particularly frequentlywith oil hardening. The microstructure is coarse andthe different constituents of the microstructure are notuniformly distributed. The quality and percentage of thecarbides are low.

Ball fracture: Deficient heat treatment leads to incom-plete removal of the stresses. Superimposition of thestresses from the loading in the mill on the remain-ing residual stresses usually promotes fracturing. This

phenomenon is reinforced by internal casting defects(shrinkage cavity) and the presence of a coarse micro-structure.

Deformation: Large gating areas on the contours of theball wear more rapidly and lead to deformation. Simi-lar phenomena can be observed with a coarse-grainedmicrostructure. Incompletely filled balls also tend todeformation after erosion of the thinnest wall.

The cost advantages gained on purchase, which are usual-ly of the order of 10 to 20 %, are frequently lost within afew years through additional expenditure, which can oftenamount to 50 % of the purchase costs.


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