Das Prinzip von Kugelmühlen besteht immer darin, dass das zu mahlende Gut (meist vorzerkleinertes oder verdüstes Pulver) mit dem Mahlmedium (Mahlkugeln) in einer Trommel äußeren Kräften ausgesetzt wird. Das Mahlgut gerät dabei in die Kontaktzone zwischen zwei Kugeln und erfährt so eine Verformungsenergie, die sich in Partikelzerkleinerung, -verformung oder auch -wachstum äußern kann. Das Bild zeigt diese Kontaktzone am Beispiel des mechanischen Legierens.
Der Parameter bei diesem Prozess, der bestimmt, ob eine Partikelzerkleinerung, -verformung oder auch -wachstum stattfindet, ist neben komplizierten andern Zusammenhängen in erster Linie die Duktilität des Mahlmediums. Je duktiler das zu mahlende Material, desto mehr tendiert das Pulver durch die eingebrachte Verformungsenergie zu Partikelwachstum und Flake-Bildung (lamellare Plättchen). Je spröder das Material ist, desto besser lässt er sich zu nanokristallinen Pulvern zermahlen.
Die Kontaktzone ist in der Theorie nur ein Punkt und keine Fläche. Daraus folgt, dass der erzeugte Druck und damit die in diesem Punkt eingeleitete Verformungsenergie auf das zwischen zwei aufeinander treffenden Kugeln befindliche Mahlgut unendlich groß ist. Die Größe der Mahlkugeln spielt daher für den Mahlprozess insofern eine Rolle als dass, wie bereits erläutert, nur in der Theorie die Kontaktzonen zwischen zwei Kugeln punktförmig sind. In der Realität macht sich aber die Herz’sche Pressung bemerkbar, so dass sich eine Kontaktfläche bildet, deren Größe abhängig von der Größe der Mahlkugeln ist. Je kleiner die Kugeln sind, desto mehr nähert sich die Kontaktzone der idealen Punktform und somit möglichst hoher Verformungsenergie je Volumeneinheit Mahlgut an. Der letzte wichtige Aspekt ist die kinetische Energie der Mahlkugeln, welche bekanntlich nach der Formel Ekin = 1/2 * m *v2 mit m = Masser der Kugel; v = Aufprallgeschwindigkeit der Kugel berechnet wird. |
![]() |
![]() |
Grundsätzlich ist für eine leistungsfähige Kugelmühle erwünscht, dass man je Volumeneinheit Mahlgut eine möglichst hohe Verformungsenergie einbringt. Daraus folgt mit den oben gemachten Überlegungen, dass man die leistungsfähigste Kugelmühle erhält, wenn man möglichst kleine Kugeln möglichst stark beschleunigt, um trotz derer kleiner Masse die kinetische Energie zu steigern. Auf diesem Prinzip basiert die Zoz-Entwicklung einer Hochenergiekugelmühle, dem Simoloyer®.Die horizontale Anordnung der Mahleinheit eliminiert bei Betriebsdrehzahl den Einfluss der Schwerkraft auf die Mahlkugeln und das Mahlgut. Auf die Weise werden „tote Zonen“ im inneren der Mahleinheit vermieden, so dass eine homogene Verteilung der Kugeln und des Mahlgutes und damit der Stoßprozesse gewährleistet sind.
Die homogene Verteilung verhindert ungleichmäßiges Mahlverhalten und garantiert schmale Größenverteilung des zerkleinerten Mahlgutes. Die Weiterentwicklung der Trommelmühlen besteht darin, die Trommel einer Kugelmühle stationär zu befestigen und statt dessen die Kugeln über einen Rotor anzutreiben. Als Mahlgut dieser Maschinen dient eine große Anzahl von Stahlkugeln mit einem Durchmesser von wenigen Millimeter (Standard: Material 100Cr6 mit Ø 5,1 mm). Andere Werkstoffe sind ebenfalls erhältlich Der Rotor mit seinen Armen beschleunigt die Kugeln auf hohe Geschwindigkeiten. Die Parameter der Umfangsgeschwindigkeit des Rotors und damit der Kugelgeschwindigkeit sind der Rotordurchmesser und die Drehzahl, die wie aus der Physik bekannt, in Zusammenhang stehen. Um die gleiche Kugelgeschwindigkeit bei den verschieden großen Modellen der Mahleinheiten zu erhalten, muss bei größeren Mahleinheiten die Rotordrehzahl logischer Weise reduziert werden. Maschinen dieser Art sind im Gegensatz zu Trommelmühlen skalierbar und sind bei gleicher Produktivität kompakter gebaut. Eine weitere Einflussgröße für die letztlich entscheidende mittlere Kugelgeschwindigkeit ist der Füllgrad der Trommel mit dem Mahlmedium, da sich bei einer großen Anzahl an Kugeln diese wieder gegenseitig abbremsen. Bei Testmahlungen wurde daher der ideale Füllgrad ermittelt, der bei etwa einem Drittel (< 40 %) des Trommelvolumens liegt. Trotz der kleinen einzelnen Masse der Stahlkugeln wird durch die hohe Geschwindigkeit eine sehr große kinetische Energie des Mahlmediums erreicht. Im Gegensatz zu den Trommelmühlen überwiegt beim Energieeintrag der Anteil der Kugelstöße gegenüber der Reibenergie. Ein größer Füllgrad würde eine freie Flugbahn der Kugeln im Mahlraum verhindern und so den Reibanteil wieder steigen lassen.
|