EP2942105A1 - Walzenmühle und Verfahren zur Steuerung einer Walzenmühle - Google Patents
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- EP2942105A1 EP2942105A1 EP14167575.1A EP14167575A EP2942105A1 EP 2942105 A1 EP2942105 A1 EP 2942105A1 EP 14167575 A EP14167575 A EP 14167575A EP 2942105 A1 EP2942105 A1 EP 2942105A1
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Definitions
- the present invention relates to the field of roll mills. It relates to a roller mill with two counter-rotating rollers which are rotatably mounted in a frame, and method for controlling such a roller mill.
- Roll mills are used for grinding materials, in particular ores and cement. Roll mills typically have a roll diameter of 0.8 to 3 meters and a drive power of 0.2 to 5 megawatts. They are particularly energy efficient compared to other mill types. Such a roller mill is used for example in DE 4028015 A1 described.
- a roller mill comprises two counter-rotating rollers 1,1 ', which rollers 1,1' are mounted horizontally and parallel to each other in a frame rotatably.
- One of the two rollers 1 ' is orthogonal to the axial direction of this roller 1' displaced.
- the other of the two rollers 1 is not orthogonally displaceable.
- the displaceable roller 1 ' is pressed by a spring system onto the fixed roller 1.
- Each roller 1,1 ' has a grinding surface.
- the opposite grinding surfaces of the rollers 1,1 ' form a wedge. Material is filled from above between the rollers 1,1 'in the wedge, guided by the rotation of the rollers 1,1' down and crushed by the wedge.
- the rotation of the rollers 1,1 ' via a drive.
- Known drives for roll mills usually have two Electric motors, wherein each one electric motor of the rollers is connected.
- Fig. 2 shows a roller mill with two drives.
- a drive is assigned to one of the rollers 1,1 'and includes an electric motor 2, a propeller shaft 3 and a planetary gear 4.
- the articulation shaft is connected directly to the shaft of the displaceable roller and the planetary gear is arranged between the articulated shaft and the electric motor.
- the electric motor and the planetary gear are stationary.
- the electric motor delivers the desired speed for the rollers without a speed adjustment of a transmission.
- the drive does not comprise a gearbox and the electric motor is connected directly to the roller via the cardan shaft.
- a direct drive is arranged on the roller itself.
- the drive does not comprise a cardan shaft.
- the electric motors of the two drives are usually controlled by two separate frequency converter.
- the control strategy for the electric motors has an influence on the wear of the rollers.
- the wear of the rollers is influenced, among other things, by the contact pressure of the rollers, the circumferential speed of the grinding surfaces of the individual rollers and the difference between the peripheral speeds of the grinding surfaces of the rollers.
- the wear of the two rolls is usually different strength. It can have both the displaceable roller and the stationary roller 1 a greater wear.
- both drives try to set the same speed for the motors they control, but act independently to achieve that goal.
- the problem is that even with identical frequency converters, the speed controls have a fault so that an identical speed of the two rolls can not be achieved in this way and so result in a difference in the peripheral speeds of the grinding surfaces of the two rolls.
- the diameter of the roller is not considered. With different roll diameters, such as increased wear on one of the two rolls, even at an identical rotational speed of the two rolls leads to different peripheral speeds of the grinding surfaces of the rolls. Another consequence of this is that the load between the two rolls is not evenly distributed, resulting in relative rotation of the two rolls, which in turn leads to increased wear.
- Fig. 3a shows a schematic representation of the signal flow of a roll mill with this control strategy in an initial phase. Both frequency converters 5 are given an identical speed reference 61 as in the first one Steuerungsstratgie.
- Fig. 3b shows a schematic representation of the signal flow of a roll mill with this control strategy in a production phase.
- the frequency converter 5 of the follower After reaching a defined load threshold, the frequency converter 5 of the follower is no longer given the identical speed reference 61 but actual torque value 62 of the masters. This allows a better uniform distribution of the loads on the two rolls and a reduction in the peripheral speed difference of the grinding surfaces of the rolls and thus leads to a reduction of the individual wear of the rolls.
- the master follower strategy can use the actual speed (speed follower) value of the master as the reference for the followers in the production phase, rather than the actual torque value (torque follower).
- both frequency inverters 94 are given an identical speed reference and after switching to the production phase, the follower is given the actual value of the speed of the masters.
- the problem with the master follower strategy is that wear can only be optimized individually for each roller in terms of service life. It is not possible to optimize the wear of both rolls in the overall system of the roll mill so as to maximize the life of the roll mill.
- Object of the present invention is to provide a roller mill, which has an increased life.
- Fig. 4 shows a schematic representation of the signal flow in a roll mill according to the invention.
- the controller provides a speed controller of the frequency converter 5 of the master electric motor 2 before a target value 61 for the speed.
- the resulting by the regulation of the speed for the master electric motor 2 actual value 62 of the rotational speed is in one Multiplier 65 multiplied by a load distribution factor 64.
- the resulting value is given as a setpoint for the speed controller frequency converter 5 for the follower electric motor 2 '.
- a controller 66 is shown, which controller may be a PID controller, for example, to ensure a closed regulator circuit.
- the output of the PID controller is added or subtracted from the original speed reference 61, and then passed to the frequency converter of the follower electric motor 2 'as the setpoint.
- the load distribution factor By the load distribution factor, the wear of the individual rollers can be influenced relative to each other.
- Fig. 5 shows an exemplary relationship between the wear of the rollers and the choice of the load distribution factor.
- the wear 112 of the respective roll is shown in the form of reduction of the roll diameter over the rotational work already performed by the respective roll.
- the curves 113, 114 adjust the wear of two rolls of a pair of rolls as a function of the turning work there.
- the curve 114 shows a greater wear of the corresponding roller than the wear of the roller which is shown in the curve 113.
- the load factor is now chosen so that the roller with the accumulated greater previous wear carries a smaller part of the load required for the meal.
- the load distribution factor may be a positive real number including zero.
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Abstract
Gegenstand der Erfindung ist eine Walzenmühle umfassend zwei parallel angeordnete, gegeneinandergepresste und gegenläufig rotierende Walzen (1,1'), wobei eine der Walzen (1') orthogonal zur axialen Richtung dieser Walze (1') verschiebbar ist, zwei Antriebe, welche Antriebe je einer der beiden Walzen (1,1') zugeordnet sind und je einen Elektromotor (2,2') aufweisen, undeine Steuereinheit, wobei die Steuereinheit einem Master-Elekromotor (2) der Elektromotoren einen Sollwert (61) für die Drehzahl vorgibt, wobei die Steuereinheit einem Follower-Elektromotor (2') der Elektromotoren den Drehmomentistwert (62) oder den Drehzahlistwert (62) des Master-Elektromotors multipliziert mit einem Lastteilfaktor (64) als Sollwert (63) vorgibt.
Description
- Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet von Walzenmühlen. Sie betrifft eine Walzenmühle mit zwei gegenläufig rotierenden Walzen, welche in einem Rahmen drehbar gelagert sind, und Verfahren zur Steuerung einer solchen Walzenmühle.
- Walzenmühlen werden zum Mahlen von Materialien, insbesondere von Erzen und Zement verwendet. Walzenmühlen haben typischerweise einen Walzendurchmesser von 0.8 bis 3 Metern und eine Antriebsleistung von 0.2 bis 5 Megawatt. Sie sind besonders energieeffizient im Vergleich zu anderen Mühlenarten. Eine solche Walzenmühle wird beispielsweise in
DE 4028015 A1 beschrieben. - Wie in
Fig. 1 schematisch dargestellt, umfasst eine Walzenmühle zwei gegenläufig rotierende Walzen 1,1', welche Walzen 1,1' horizontal und parallel zu einander in einem Rahmen drehbar gelagert sind. Eine der beiden Walzen 1' ist dabei orthogonal zur axialen Richtung dieser Walze 1' verschiebbar. In der Regel ist die andere der beiden Walzen 1 orthogonal nicht verschiebbar. Die verschiebbare Walze 1' wird durch ein Federsystem auf die fixierte Walze 1 gedrückt. Jede Walze 1,1' weist eine Mahlfläche auf. Die gegenüberliegenden Mahlflächen der Walzen 1,1' bilden einen Keil. Material wird von oben zwischen die Walzen 1,1' in den Keil gefüllt, durch die Rotation der Walzen 1,1' nach unten geführt und durch den Keil zerkleinert. Die Rotation der Walzen 1,1' erfolgt über einen Antrieb. Bekannte Antriebe für Walzenmühlen weisen meist zwei Elektromotoren auf, wobei je ein Elektromotor einer der Walzen verbunden ist. -
Fig. 2 zeigt eine Walzenmühle mit zwei Antrieben. Je ein Antrieb ist einer der Walzen 1,1' zugeordnet und umfasst einen Elektromotor 2, eine Gelenkwelle 3 und ein Planetengetriebe 4. Die Verbindung der radial verschiebbaren Walze 1' mit dem ortsfesten Elektromotor 2 erfolgt über die Gelenkwelle 3. Optional ist es ebenfalls möglich, dass direkt an die Welle der verschiebbaren Walze die Gelenkswelle anschließt und das Planetengetriebe zwischen der Gelenkswelle und dem Elektromotor angeordnet ist. In einer solchen Anordnung, wie beispielsweise inDE 10211000749 A1 beschrieben, sind der Elektromotor und das Planetengetriebe ortsfest. Optional ist es auch möglich, dass der Elektromotor ohne eine Drehzahlanpassung eines Getriebes die gewünschte Drehzahl für die Walzen liefert. In diesem Fall umfasst Antrieb kein Getriebe und der Elektromotor ist über die Gelenkwelle direkt mit der Walze verbunden. Optional ist es auch möglich, dass eine direkter Antrieb auf der Walze selbst angeordnet ist. In diesem Fall umfasst der Antrieb keine Gelenkwelle. - Die Elektromotoren der beiden Antriebe werden meist über zwei getrennte Frequenzumrichter gesteuert. Die Steuerungsstrategie für die Elektromotoren haben eine Einfluss auf die Abnutzung der Rollen. Im Allgemeinen wird die Abnutzung der Rollen unter anderem von dem Anpressdruck der Walzen, der Umfangsgeschwindigkeit der Mahlflächen der einzelnen Walzen und dem Untschied zwischen den Umfangsgeschwindigkeiten der Mahlflächen der Walzen beeinflusst. Ausserdem ist die Abnutzung der beiden Walzen meist unterschiedlich stark. Es kann sowohl die verschiebbaren Walze als auch die feststehenden Walze 1 eine grössere Abnutzung aufweisen. Für die Steuerung einer Walzenmühle sind folgende Steuerungstrategien aus dem Artikel "VFD control methodologies in High Pressure Grinding drive systems", Brent Jones, Cement Industry Technical Conference, 2012 IEEE-IAS/PCA 53 bekannt.
- Bei der ersten Strategie wird für beide Motoren eine identische Drehzahlreferenz vorgegeben. So versuchen beide Frequenzumrichter die gleiche Drehzahl für die von ihnen gesteuerten Motoren einzustellen, aber handeln dabei unabhängig voneinander, um dieses Ziel zu erreichen. Problematisch ist dabei, dass auch bei baugleichen Frequenzumrichtern die Drehzahlsteuerungen einen Fehler aufweisen so, dass eine identische Drehzahl der beiden Walzen auf diese Weise nicht erreicht werden kann und sich so ein Unterschied in dem Umfangsgeschwindigkeiten der Mahlflächen der beiden Walzen ergeben. Zusätzlich ist es problematisch, dass der Durchmesser der Walze nicht berücksichtigt wird. Bei unterschiedlichen Walzendurchmessern, wie beispielsweise durch eine erhöhten Abnutzung bei einer der beiden Walzen, führt selbst bei einer identischer Drehzahl der beiden Walzen zu unterschiedlichen Umfangsgeschwindigkeiten der Mahlflächen der Walzen. Eine weitere Folge daraus ist, dass die Last zwischen den beiden Walzen nicht gleich verteilt ist und es so zu einem relativen Verdrehung der beiden Walzen zueinander kommt, was wiederum zu einer verstärkten Abnutzung führt.
- Bei der zweiten Strategie wird für beide Motoren eine identische Drehmomentreferenz vorgegeben. Problematisch ist dabei, dass im Falle, dass das Antriebsdrehmoment größer ist als das Lastdrehmoment, die Walzenmühle beschleunigen oder im umgekehrten Fall verzögert wird. Daraus resultiert eine wechselnde Drehgeschwindigkeit der Walzenmühle proportional zu Variationen des Mahlgutes, was für den Betrieb der Walzenmühle ebenfalls nachteilig ist. Bei der dritten Strategie wird einer der Elektromotoren als Master und der andere Elektromotor als Follower definiert.
Fig. 3a zeigt eine schematische Darstellung des Signalflusses einer Walzenmühle mit dieser Steuerungsstrategie in einer Anfangsphase. Es werden beiden Frequenzumrichtern 5 eine identische Drehzahlreferenz 61 vorgegeben wie in der ersten Steuerungsstratgie.Fig. 3b zeigt eine schematische Darstellung des Signalflusses einer Walzenmühle mit dieser Steuerungsstrategie in einer Produktionsphase. Nach dem Erreichen einer definierten Lastschwelle wird dem Frequenzumrichter 5 des Followers nicht mehr die identische Drehzahlreferenz 61 sondern Drehmomentistwert 62 der Masters vorgegeben. Dies ermöglicht eine bessere Gleichverteilung der Lasten auf die beiden Walzen und eine Verringerung der Umfangsgeschwindigkeitendifferenz der Mahlflächen der Walzen und führt so zu einer Verminderung der individuellen Abnutzung der Walzen. Optional kann bei die Master-Follower-Strategie anstatt des Istwerts des Drehmoments (Torque-Follower) auch den Istwert Drehzahl (Speed-Follower) des Masters als Referenz für die Follower in der Produktionsphase verwendet werden. In diesem Fall werden beiden Frequenzumrichtern 94 eine identische Drehzahlreferenz vorgegeben und nach dem Umschalten in die Produktionsphase dem Follower der Istwert der Drehzahl der Masters vorgegeben. Problematisch bei der Master-Follower-Strategie ist, dass die Abnutzung nur für die jede Walze einzeln bezüglich der Lebensdauer optimiert werden kann. Es ist nicht möglich die Abnutzung beider Walzen im Gesamtsystem der Walzenmühle zu optimieren, um so die Lebensdauer der Walzenmühle zu maximieren. - Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Walzenmühle anzugeben, welche eine erhöhte Lebensdauer aufweist.
- Diese Aufgabe wird durch eine Walzenmühle mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
- Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit den Figuren näher erläutert. Die Figuren zeigen:
- Figur 1
- eine schematische Darstellung eines radialen Schnitt einer Walzenmühle aus dem Stand der Technik;
- Figur 2
- eine Walzenmühle mit zwei Antrieben aus dem Stand der Technik;
- Figur 3a
- eine schematische Darstellung des Signalflusses bei einer Walzenmühle mit Master-Follower Steuerung aus dem Stand der Technik in einer Anfangsphase;
- Figur 3b
- eine schematische Darstellung des Signalflusses bei einer Walzenmühle mit Master-Follower Steuerung aus dem Stand der Technik in einer Produktionsphase; und
- Figur 4
- eine schematische Darstellung des Signalflusses bei einer erfindungsgemässen Walzenmühle;
- Figur 5
- einen beispielhafter Zusammenhang zwischen der Abnutzung der Walzen und der Wahl des Lastverteilfaktors;
- Die in den Zeichnungen verwendeten Bezugszeichen sind in der Bezugszeichenliste zusammengefasst. Grundsätzlich sind gleiche Teile mit denselben Bezugszeichen versehen.
-
Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung des Signalflusses bei einer erfindungsgemässen Walzenmühle. Die Steuerung gibt einem Drehzahlregler des Frequenzumrichters 5 des Master-Elektromotor 2 einen Sollwert 61 für die Drehzahl vor. Der sich durch die Regelung der Drehzahl für den Master-Elektromotor 2 ergebende Istwert 62 der Drehmzahl wird in einem Multiplikator 65 mit einem Lastverteilfaktor 64 multipliziert. Der sich daraus ergebende Wert wird als Sollwert für den Drehzahlregler Frequenzumrichters 5 für den Follower-Elektromotor 2' übergeben. Zusätzlich ist inFig. 4 eine optionale Rückführung der Drehmomentistwerte des Master-Elektromotor 2 und des Follower-Elektromotors 2' zu einem Regler 66 dargestellt, welcher Regler beispielsweise eine PID-Regler sein kann, um einen geschlossen Reglerkreis sicherzustellen. Der Ausgang des PID-Reglers wird mit dem ursprünglichen Sollwert 61 für die Drehzahl addiert oder subtrahiert und danach dem Frequenzumrichter des Follower-Elektromotors 2' als Sollwert über geben. Durch den Lastverteilfaktor kann die Abnutzung der einzelnen Walzen relative zueinander beeinflusst werden. - Analog zu
Fig. 3 ist auch in Fig. eine Anwendung des Torque-Follower-Prinzips anstatt die dargestellten Speed-Follower-Prinzips möglich. -
Fig. 5 zeigt einen beispielhafter Zusammenhang zwischen der Abnutzung der Walzen und der Wahl des Lastverteilfaktors. In dem Diagramm ist die Abnutzung 112 der jeweiligen Walze in Form der Verringerung des Walzendurchmessers über die durch die jeweilige Walze bereits geleistete Dreharbeit abgebildet. Unter der Dreharbeit ist dabei, das für das Mahlen des bisher gemalten Materials notwendige, kumulierte Drehmoment über die für das Mahlen benötigte Zeit zu verstehen. Die Kurven 113, 114 stellem die Abnutzung zweier Walzen eines Walzenpaares in Abhängigkeit von der Dreharbeit da. Die Kurve 114 zeigt eine stärkere Abnutzung der entsprechenden Walze als die Abnutzung der Walze welche in der Kurve 113 dargestellt ist. In dem dargestellten Fall wird der Lastfaktor nun so gewählt, dass die Walze mit der akkumuliert größeren bisherigen Abnutzung einen kleineren Teil der für das Mahl nötigen Last trägt. Je höher die unterschiedliche akkumulierte Abnutzung zwischen den beiden Walzen ist, desto kleiner ist der entsprechende Lastverteilfaktor. Bei einer gleichen akkumuliert Abnutzung beider Walzen beträgt der Last verteilt Faktor eins. Bei dieser Wahl des Lastfaktors ist das Ziel, eine möglichst gleiche Abnutzung der Walzen eines Walzenpaares zu erreichen, um beispielsweise beide Walzen in einer Wartung auszutauschen. - Es sind aber auch andere Zielsetzung bei der Wahl der Lastfaktors möglich, wie beispielsweise die stärke Abnutzung des bereits stärker abgenutzten Walze und die Schonung der weniger stark abgenutzten Walze. Im Allgemeinen kann der Lastverteilfaktor eine positive reelle Zahl einschliesslich Null sein.
-
- 1, 1'
- Walze
- 2, 2'
- Elektromotor
- 3
- Kardanwelle
- 4
- Planetengetriebe
- 5
- Frequenzumrichter
- 61
- Drehzahlsollwert
- 62
- Istwert Master
- 63
- Sollwert Follower
- 64
- Lastverteilfaktor
- 65
- Multiplikator
- 66
- Regler
- 111
- Drehleistung der Walze
- 112
- Abnutzung der Walze
- 113
- Abnutzung der verschiebbaren Walze
- 114
- Abnutzung der nicht verschiebbaren Walze
- 115
- Lastverteilfaktor in in Abhängigkeit de Drehleistung der Walzen
Claims (6)
- Walzenmühle umfassend
zwei parallel angeordnete, gegeneinandergepresste und gegenläufig rotierende Walzen (1,1'), wobei eine der Walzen (1') orthogonal zur axialen Richtung dieser Walze (1') verschiebbar ist,
zwei Antriebe, welche Antriebe je einer der beiden Walzen (1,1') zugeordnet sind und je einen Elektromotor (2,2') aufweisen, und
eine Steuereinheit, wobei
die Steuereinheit einem Master-Elekromotor (2) der Elektromotoren einen Sollwert (61) für die Drehzahl vorgibt,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Steuereinheit einem Follower-Elektromotor (2') der Elektromotoren den Drehmomentistwert (62) oder den Drehzahlistwert (62) des Master-Elektromotors multipliziert mit einem Lastteilfaktor (64) als Sollwert (63) vorgibt. - Walzenmühle nach Anspruch 1, wobei der Lastverteilfaktor (64) unter Berücksichtigung des Anpressdrucks der Walzen (1,1') und/oder der Abnutzung der einzelnen Walzen (1,1') ermittelt wird.
- Walzenmühle nach Anspruch 2, wobei die Abnutzung der einzelnen Walzen (1,1') durch den Quotient der Durchmesserverminderung einer Walze und der Menge an Material, welches von dieser Walze bisher gemahlen wurde, beschrieben wird.
- Walzenmühle nach eine der vorherigen Ansprüche, wobei der Durchmesser der Walzen (1,1') bestimmt wird und der Lastverteilfaktor (64) unter Berücksichtigung dieser Werte ermittelt wird.
- Walzenmühle nach Anspruch 1, wobei der Lastverteilfaktor (64) durch durch den Operator der Walzenmühle festgelegt wird.
- Verfahren zur Steuerung einer Walzenmühle, wobei die Walzenmühle
zwei parallel angeordnete, gegeneinandergepresste und gegenläufig rotierende Walzen (1,1'), wobei eine der Walzen (1') orthogonal zur axialen Richtung dieser Walze (1') verschiebbar ist, und
zwei Antriebe umfasst, welche Antriebe je einer der beiden Walzen (1,1') zugeordnet sind und je einen Elektromotor (2,2') aufweisen,
dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren folgende Schritte umfasst:a) Vorgabe eines Sollwerts (61) für die Drehzahl oder das Drehmoment für einen Master-Elekromotor (2) der Elektromotoren;b) Bestimmen des Drehmomentistwerts (62) oder des Drehzahlistwerts (62) des Master-Elektromotors (2);c) Multiplikation des Istwerts (62) des Master-Elektromotors (2) mit einem Lastteilfaktor (64); undd) Vorgabe des Ergebnisses aus Schritt (c) als Sollwert für einen Follower-Elekromotor (2') der Elektromotoren.
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