Ereignisdiskrete Simulation einer Hochenergie-Kugelmühle

Abstract

Hochenergie-Kugelmühlen sind Zerkleinerungsmaschinen, welche bereits pulverförmig vorliegendes Ausgangsmaterial in einem Trockenprozess auf eine Partikelgröße unterhalb von 1 µm zermahlen. Da diese Maschinen erst seit ca. 10 Jahren existieren, sind die Mechanismen im Innern der Mühle bisher nicht verstanden. Die Betriebsparameter, wie Rotordrehzahl oder Kugelfüllung werden empirisch, wie in der mechanischen Verfahrenstechnik üblich, durch Erfahrung und Prozessbeobachtung bestimmt. Computersimulationen sollen helfen, die Vorgänge innerhalb der Maschine zu verstehen, um etwa Materialwissenschaftlern Informationen über die Geschwindigkeitsverteilung der kollidierenden Mahlkugeln zu liefern. Als Simulationsmethode wurde ein ereignisdiskretes Verfahren gewählt, welches erstmals auf diese Problemstellung angewendet wurde und unter realen Prozessbedingungen anwendbar ist. Die Schwachstellen der bisher veröffentlichten ereignisdiskreten Algorithmen wurden erkannt, dokumentiert, und durch neue Verfahren behoben. Ferner wurden bisher eingesetzte Verfahren zeiteffizient und numerisch korrekt optimiert. Im Rahmen dieser Arbeit wurden eigens Versuchsaufbauten konstruiert, um das Kollisionsmodell mit experimentell gewonnenen Daten zu parametrisieren. Da keine experimentellen Daten über das Kollisionsverhalten der Mahlkugeln während des Prozesses vorliegen, wurde zur Überprüfung der Realitätstreue des Simulators ein Modell aus der statistischen Physik entwickelt. Hiermit konnte der Simulator anhand der errechneten Geschwindigkeitsverteilungen verifiziert werden. Mit dem entwickelten Simulator wurden diverse Parameterstudien durchgeführt, die, obwohl zeitoptimiert, auf einem durchschnittlichen Computer mehrere Jahre dauernd, mit Hilfe des universitätseigenen Rechenclusters in einigen Tagen durchgeführt werden konnten. Basierend auf den Simulationsergebnissen konnten die für den Mahlprozess wichtigen Geschwindigkeitsverteilungen in Abhängigkeit von den Betriebsparametern gewonnen werden. Diese Daten wurden sowohl mit statistischen Methoden und Computeranimationen analysiert. Kollisionen mit hoher Kollisionsenergie sind relativ selten – ganz im Gegensatz zu dem, was der Name „Hochenergie“-Kugelmühle vermuten lässt und bisher der allgemeinen Auffassung entsprach. Eine wichtige und neue Erkenntnis ist, dass der Mahleffekt in der Hochenergie- Kugelmühle, da er auf Kollisionen mit hoher Relativgeschwindigkeit beruht, nur relativ selten stattfindet. Aufgrund der neu vorliegenden Erkenntnisse, wurden grundlegende Konstruktionsänderungen der drei zentralen Baugruppen vorgeschlagen.