Vertikalbrecher VSI: Funktionsprinzip

Der Vertikalbrecher — allgemein VSI genannt, für vertical shaft impact — nimmt in einer Brechanlage eine Sonderstellung ein. Wo Kreisel- und Backenbrecher das Material zwischen zwei Flächen quetschen, schleudert der VSI es. Dieser Prinzipunterschied erklärt zugleich seine bemerkenswerte Kubizität und sein besonderes Verschleißverhalten.

Schleudern statt quetschen

Das Prinzip dieser Maschinen ähnelt dem einer Kreiselpumpe. Die zu schleudernden Körner werden nahe der Mitte eines Rotortellers aufgegeben, den Kanäle von der Mitte zum Umfang durchziehen.

Unter der Fliehkraft wandern die Körner nach außen, verlassen den Rotorteller und beginnen eine Flugbahn. Sie treffen dann entweder auf Panzerplatten oder auf eine Böschung aus dem Produkt selbst.

Zu Beginn dieser Flugbahn ergibt sich die Korngeschwindigkeit aus zwei Komponenten: seiner Relativgeschwindigkeit zum Rotorteller und der Umfangsgeschwindigkeit des Tellers genau an der Stelle, an der das Korn ihn verlässt. Den Abwurfpunkt zu kennen heißt also, die Flugbahn zu kennen.

Der Aufbau des Rotors

Der Rotor vereint einen Teller und einen mit hoher Drehzahl umlaufenden Zylinder mit senkrechter Achse. Der Zylinder weist auf:

• eine waagerechte kreisförmige Öffnung im oberen Bereich, durch die das Material schwerkraftbedingt eintritt;
• seitliche Umfangsöffnungen auf Höhe des Tellers, durch die es ausgeschleudert wird.

Der innere Aufbau des Rotors macht den ganzen Reiz des Verfahrens aus.

Autogen: Das Material schützt die Maschine

Die Bildung der Materialschaufel

Die innere Geometrie des Rotors schafft Zonen, in denen Körner durch die Fliehkraft festgehalten werden. Diese Zonen füllen sich also mit Material und bilden die sogenannteMaterialschaufel.

Ist die Materialschaufel einmal gebildet, gleitet das aufgegebene Material an ihr entlang, bevor es ausgetragen wird. Mit anderen Worten: Material gleitet auf Material, nicht auf Metall. Dieser Kontakt erzeugt keinerlei Metallverschleiß, und in dem Maß, wie sich die Schicht abträgt, baut sie sich von selbst wieder auf.

Auf der Materialschaufel halten sich die Stücke im Gleichgewicht auf einer Böschung, deren Winkel vom Material abhängt. Ihre Fortbewegungsgeschwindigkeit hängt im Wesentlichen von der Form des Kegels ab, der die Energie des freien Falls in Geschwindigkeit umsetzt. Um voranzukommen, muss das Material entweder rollen — was nur vereinzelte, annähernd runde Stücke betrifft — oder unter Reibung gleiten, was Energie verbraucht.

Die einzigen echten Verschleißzonen

Dieses Prinzip verringert die Berührungsfläche zwischen bewegtem Material und Metall auf ein Minimum. Drei Zonen bleiben ausgesetzt:

• der Verteilerkegel für die Beschleunigung;
• der Schwelle , ab der sich die Materialschaufel aufbaut;
• die waagerechten Flächen, oben und unten am Rotor, an denen das bewegte Material reibt.

Jede erfährt eine eigene Verschleißart, was für jede die Wahl eines passenden Werkstoffs erlaubt. Der Kegel, der den freien Fall in Geschwindigkeit umsetzt, muss sehr hart sein, um dem Abrieb zu widerstehen.

Die Abwurfkante, ab der sich die Materialschaufel aufbaut, ist ein Sonderfall: Der Kontakt ist dort eine stoßfreie Reibung. Der bevorzugte Werkstoff ist dann Wolframcarbid, in Form eines eng begrenzten Werkzeugs. Seine Härte ist entscheidend, seine geringe Zähigkeit ohne Folgen — vorausgesetzt, die Kante ist durch einen duktilen Träger geschützt, falls zufällige Rückpraller sie auf ausgeschleuderte Stücke treffen lassen.

Diesen Schutz können Gussteile übernehmen, die entlang der Mantellinien des Rotors angeordnet sind, unmittelbar vor den Austrittsöffnungen, wo sie als gelegentliche Schlagleisten wirken.

Die Zerkleinerung durch Prall

Ein wesentlicher, oft missverstandener Punkt: in diesem Stadium hat noch keine Zerkleinerung stattgefunden. Der Rotor hat den Geschossen lediglich eine Geschwindigkeit mitgeteilt. Die ganze Frage ist dann, diese Energie bestmöglich zu nutzen.

Geschosse und Ziele

Um Verschleiß zu vermeiden, werden die Geschosse nicht von Metall aufgenommen, sondern von einem ringförmigen Materialbett, das eine Böschung auf einer zur Rotorachse konzentrischen kreisförmigen Schwelle bildet.

Der Ablauf ist folgender: Die Geschosse treffen auf den Stator, geben dort ihre Energie ab, kommen zur Ruhe und rutschen dann ab — und werden ihrerseits zu Zielen der nachfolgenden Geschosse. Das Aufeinandertreffen nahezu unbewegter Ziele mit schnellen Geschossen bewirkt die Zerkleinerung. Das zerkleinerte Material wird anschließend im unteren Teil des Brechers ausgetragen.

Warum die Durchsatzleistung die Wirksamkeit bedingt

Das folgt unmittelbar aus dem Prinzip und hat konkrete Folgen für den Betrieb.

Hält man die Maschine an und untersucht die Böschung, findet man sie locker und vor allem aus feinen Bestandteilen aufgebaut: Die nennenswert großen Steine sind abgerutscht. Bei geringer Durchsatzleistung sind die Stöße daher wenig wirksam, weil ausreichend massige Ziele fehlen. Es braucht eine anhaltende Durchsatzleistung, damit die Böschung mit wirklich zerkleinerbaren Stücken besetzt bleibt.

Hinzu kommt die Korngrößenvielfalt der Geschosse. In der Regel gibt es keine sehr feinen Bestandteile, sondern kleine, mittlere und große Geschosse, jedes mit einer Energie proportional zu seiner Masse. Die Ziele weisen dieselbe Vielfalt auf. Die Wirksamkeit jedes Pralls schwankt daher je nach Kontaktbedingungen und Korngrößenverteilung auf beiden Seiten.

Ergebnisse und Anwendungen

Eine außergewöhnliche Kubizität

Der VSI erzeugt Gesteinskörnung von hervorragender Form, mit einer Plattigkeitskennzahl, die bei etwa 5 liegen kann. Das ist sein größter Beitrag: Er wertet die Produktion der vorgeschalteten Brecher erheblich auf.

Diese Formqualität ist entscheidend für Gesteinskörnung für Beton und Straßenbau, wo die Plattigkeit unmittelbar Verdichtung und Standfestigkeit des Endmaterials bedingt.

Die sinnvolle maximale Aufgabekorngröße liegt bei 45 mm. Der VSI steht daher am Ende eines Brechkreislaufs, in der Endaufbereitung, und nicht am Kopf der Anlage.

Verschleißkosten und Abrasivität

Die Entwicklung der Verschleißkosten hängt von der Abrasivität der verarbeiteten Materialien ab, und besonders von ihrem Kieselsäuregehalt. Das ist der Parameter, der bei der Auslegung einer Anlage zuerst zu prüfen ist.

Der Wechsel der Verschleißteile erfolgt rasch und unter normalen wirtschaftlichen Bedingungen, was die Verfügbarkeit der Anlage erhält.

Brecher und Siebanlage: eine untrennbare Einheit

Ein VSI lässt sich nicht für sich allein betrachten. Die Einheit aus Brecher und Siebanlage gilt als ein einziger Brecher mit einem sehr genauen Einstellparameter.

Daraus folgt eine einfache Auslegungsregel: die zwischen Eintrag und Austrag erzielte Zerkleinerung muss so hoch wie möglich sein. Das begrenzt zugleich den Energie- und den Verschleißmaterialverbrauch. Ein schlecht ausgelegter Kreislauf, der Material unnötig im Kreis führt, schlägt auf beide Posten gleichzeitig durch.

Wann ein Vertikalbrecher zu wählen ist

Der VSI drängt sich auf, wenn die Kornform im Vordergrund steht — Herstellung von hochwertigem Sand, Gesteinskörnung für Beton, Deckschichten. Er ersetzt keinen Primär- oder Sekundärbrecher: Er wertet deren Produktion auf.

Drei Elemente leiten die Auslegung: die Aufgabekorngröße, die unter 45 mm bleiben muss, der Kieselsäuregehalt des Materials, der die Verschleißkosten bedingt, und die Durchsatzleistung der Anlage, von der die Wirksamkeit des Pralls selbst abhängt.

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