Untersuchungen zur Anwendung und Optimierung des passiv akustischen Verfahrens zur Korngrößenanalyse in der Steine- und Erdenindustrie

Durch den Ausbau neuer Technologien und aufgrund steigender Lebensstandards, vor allem in Schwellenländern, ist der globale Bedarf an mineralischen Rohstoffen in den letzten Jahrzehnten immer weiter gestiegen [1]. Um die stetige Nachfrage zu bedienen, werden weltweit jährlich mineralische Rohstoffe in einem Gesamtwert zwischen 600 und 900 Mrd. USD im Bergbau gewonnen (2017 gesamt 687 Mrd. USD) [2]. Nach der Gewinnung werden diese Rohstoffe in verschiedenen Prozessen aufbereitet. Ziel der Rohstoffaufbereitung ist es, die Rohstoffe für die verschiedenen industriellen Verwendungen zu konditionieren. Die Analyse von Korngrößenverteilungen spielt dabei eine essentielle Rolle um verschiedenste Qualitätsmerkmale und Anforderungen zu erfüllen, die u.a. in Gesetzen, Normen und Richtlinien festgelegt sind. Die regelmäßige Korngrößenbestimmung in den einzelnen Teilprozessen des Aufbereitungsprozesses eines Rohstoffes nimmt eine entscheidende Stellung für die Prozesseffizienz und insbesondere für die abschließende Qualität und Beschaffenheit des Rohstoffes ein. Die Erfassung des Kornspektrums der Rohstoffe erfolgt vor bzw. nach jedem Prozessschritt fast ausschließlich durch die sporadische und hauptsächlich manuelle Entnahme von Proben und deren Analyse im Labor mittels gängiger Siebmaschinen. Diese Form der Analyse ist daher sehr zeitintensiv, sodass die Analyse-Ergebnisse stets zeitversetzt zu den kontinuierlich weiterlaufenden Prozessen zur Verfügung stehen. Ein zeitnahes aktives Eingreifen in das System zur Qualitätsverbesserung und Maschinensteuerung ist aktuell nicht möglich. Ein online arbeitendes System zur Korngrößenanalyse würde sowohl zur Prozess- und Produktoptimierung, als auch zu Kostensenkungen bei den Aufbereitungsprozessen führen. Gegenstand dieser Dissertation sind Untersuchungen zur Anwendung und Optimierung eines passiv akustischen Verfahrens zur Korngrößenanalyse in der Steine- und Erdenindustrie. Die Untersuchungen beziehen sich dabei auf die verschiedenen Faktoren, die Einfluss auf das Messsystem haben. Dabei werden die Einflussgrößen untersucht und es erfolgt eine Optimierung der jeweiligen Einheiten der Messvorrichtung. Im Rahmen der Untersuchungen wurden insbesondere die Genauigkeit und die Reproduzierbarkeit der Ergebnisse unter besonderer Berücksichtigung der Integration der Messvorrichtung in die Aufbereitungsprozesse der Steine- und Erdenindustrie bewertet. Dafür wurden Prototypen entwickelt, welche über mehrere Monate in verschiedenen Gesteinsbetrieben unter betrieblichen Voraussetzungen einem Langzeittest unterzogen wurden. Die Ergebnisse bestätigten die Richtigkeit der Arbeitshypothese. Die Nutzung der Signale, die bei der Kollision von Körnungen mit einem Oszillator entstehen, ermöglicht die Messung des Korngrößenspektrums und der Korngrößenverteilung der Granulate in einem Massenstrom. Ein Einsatz für die qualitative Korngrößenerfassung der Granulate sowie die Überwachung von Steine- und Erdenprodukten ist auf Basis der Erkenntnisse möglich.Due to the expansion of new technologies and due to rising living standards, especially in emerging economies, the global demand for mineral resources has continued to increase over the past decades [1]. In order to meet the constant demand, mineral raw materials with a total value of between USD 600 and 900 billion are extracted annually by mining operations worldwide (USD 687 billion in total in 2017) [2]. After extraction, these raw materials are processed in various processes. The goal of raw material processing is to condition the raw materials for various industrial uses. The analysis of particle size distributions plays an essential role in order to meet various quality characteristics and requirements, which are specified in laws, standards and guidelines, among others. The regular grain size determination in the individual sub-processes of the preparation process of a raw material takes a decisive position for the process efficiency and especially for the final quality and condition of the raw material. The grain spectrum of the raw materials is recorded before or after each process step almost exclusively by the sporadic and mainly manual taking of samples and their analysis in the laboratory by means of common screening machines. This form of analysis is therefore very time-consuming, so that the analysis results are always available with a time delay to the continuously running processes. It is currently not possible to actively intervene in the system for quality improvement and machine control. An online system for particle size analysis would lead to process and product optimization as well as to cost reductions in the treatment processes. The subject of this dissertation are investigations on the application and optimization of a passive acoustic method for particle size analysis in the stone and earth industry. The investigations relate to the various factors that have an influence on the measurement system. The influencing variables are investigated and the respective units of the measuring device are optimized. Within the scope of the investigations, the accuracy and the reproducibility of the results were evaluated in particular with special consideration of the integration of the measuring device into the preparation processes of the stone and earth industry. For this purpose, prototypes were developed which were subjected to a long-term test over several months in various rock processing plants under operational conditions. The results confirmed the correctness of the working hypothesis. The use of the signals generated by the collision of granules with an oscillator allows the measurement of the granule size spectrum and the granule size distribution in a mass flow. An application for the qualitative grain size measurement of the granules as well as the monitoring of stone and earth products is possible on the basis of the findings