Operating Experience VRM

Operating experience with a vertical
roller mill for grinding granulated blast-
furnace slag and composite cements
Betriebserfahrungen mit der vertikalen
Wälzmühle bei der Mahlung von
Hüttensand und Kompositzementen

1204181_LOE_16Seiter_Lengerich.indd 1 25.07.12 09:04

4Dr.-Ing. M. Pohl, Dyckerhoff AG, Wiesbaden, Germany; Dipl.-Ing. C. Obry Buzzi Unicem S.p.A.,
Casale Monferrato, Italy; Dr.-Ing. K.-H. Zysk, Loesche GmbH, Duesseldorf, Germany

SUMMARY ZUSAMMENFASSUNG

Vertical roller mills are the mills traditionally used for process- Vertikal-Rollenmühlen für die Aufbereitung von Hüttensand
ing granulated blastfurnace slag and for grinding composite und für die Mahlung von Kompositzementen sind den tradi-
cements. From the energy aspect they are superior to tionell verwendeten Mühlen und Mahlanlagenschaltungen
grinding plant circuits with ball mills, even when combined mit Kugelmühle und auch in Kombination mit einer Hoch-
with high-pressure roller presses. For drying and grinding druck-Rollenmühle energetisch überlegen. Es entspricht
it is state of the art to equip these types of grinding plant dem Stand der Technik, für die Mahltrocknung derartige
with vapour recirculation and use either exhaust air from Mahlanlagen mit einer Brüdenrezirkulation auszustatten
the burning process, clinker cooler exhaust air or preheater und als Heißgasquelle entweder Abluft aus dem Brenn-
exhaust gas and/or an in-line burner fuelled with fuel oil or prozess, Klinkerkühlerabluft oder Vorwärmerabgas und/
coal as the heat source [1]. The residence time in the verti- oder einen heizöl- oder kohlebefeuerten In-Line-Brenner zu
cal roller mill – considered as a closed system consisting verwenden [1]. Die Verweildauer in der als geschlossenes
of comminution zone (grinding rollers, grinding table, dam System zu betrachtenden Vertikal-Rollenmühle bestehend
ring) and dynamic classifier – is very much shorter as it is aus Zerkleinerungszone (Mahlwalzen, Mahlteller, Staurand)
with a ball mill operating in closed circuit with a classifier, und dynamischem Sichter ist ungleich kürzer als bei einer
so failures in the material transport or in stabilization of im Kreislauf mit einem Sichter arbeitenden Kugelmühle.
the material bed have a direct effect on the availability of Deshalb wirken sich Störungen im Materialtransport und
the plant. This is because frequent re-starting procedures bei der Stabilisierung des Mahlbetts unmittelbar auf die
increase the specific power consumption and shift the Verfügbarkeit der Anlage in der Weise aus, dass mitunter
grinding plant away from the energy optimum. Operators of häufige Wiederanfahrvorgänge den spezifischen Energiebe-
these plants are therefore particularly interested in operating darf erhöhen und die Mahlanlage sich dabei aus dem ener-
the process very close to the energy optimum. Numerous getischen Optimum entfernt. Für den Betreiber derartiger
optimization measures have ensured that the vertical roller Anlagen besteht daher im besonderen Maße ein Interesse
mills installed in the Buzzi Unicem/Dyckerhoff Group have daran, den Prozess sehr nahe am energetischen Optimum
a high level of availability. This article describes the results zu betreiben. Durch zahlreiche Optimierungsmaßnahmen
when grinding cement and granulated blastfurnace slag and konnte eine hohe Verfügbarkeit bei den in der Buzzi Unicem/
discusses them with regard to factors that affect the engin- Dyckerhoff-Gruppe installierten Vertikal-Rollenmühlen sicher-
eering process. When using grinding aids and/or “quality gestellt werden. In diesem Beitrag werden Ergebnisse bei
PROCESSING

improvers” it is possible to control product properties select- der Zement- und Hüttensandmahlung vorgestellt und im Hin-
ively, improve the classifying process and increase the plant blick auf prozesstechnische Einflussfaktoren diskutiert. Bei
output. This article focuses on way the grinding aids affect Anwendung von Mahlhilfen und/oder so genannten „Quality
the process parameters and the specific power consump- Improvern“ können Produkteigenschaften gezielt gesteu-
tion. There are also observations on the alteration in particle ert, der Sichtprozess verbessert und der Anlagendurchsatz
morphology that occur when the mill or the grinding process gesteigert werden. Die Wirkungsweise der Mahlhilfen auf
is changed.3 die Prozessparameter und den spezifischen Energiebedarf
stehen dabei in diesem Beitrag im Vordergrund. Des Weite-
ren werden Beobachtungen zur Änderung der Partikelmor-
phologie mitgeteilt, die sich beim Wechsel der Mühlen bzw.
des Mahlverfahrens ergeben. 3

*) Revised text of a lecture given by the first author to the VDZ Conference on Cement *) Überarbeitete Fassung eines Vortrags, der vom erstgenannten auf der VDZ-Fach-
th
Process Technology on 16 February 2012 in Duesseldorf. tagung Zement-Verfahrenstechnik am 16. Februar 2012 in Düsseldorf gehalten
wurde.
(Translation by Robin B. C. Baker)

56 CEMENT INTERNATIONAL 4 2/2012 4 VOL. 10


Operating experience with a vertical roller mill for grinding
granulated blastfurnace slag and composite cements*)
Betriebserfahrungen mit einer Vertikal-Rollenmühle bei der Mahlung von Hüttensand
und Kompositzementen*)

1 Introduction 1 Einleitung
Vertical roller mills of different sizes have been in operation In der Buzzi Unicem/Dyckerhoff-Gruppe wurden seit 2008
in the Buzzi Unicem/Dyckerhoff Group since 2008 for pro- Vertikal-Rollenmühlen unterschiedlicher Baugrößen zur Her-
Her
ducing ground granulated blastfurnace slag and cements. stellung von Hüttensandmehlen und Zementen in Betrieb
The process stability of these mills has been continuously genommen. Die Prozessstabilität dieser Mühlen konnte im
increased over the years and the specific throughputs were Laufe der Jahre kontinuierlich gesteigert und die spezifi-
brought up to the respective optimum values. An LM 35.2+2 schen Durchsätze an das jeweilige Optimum herangeführt
Loesche mill at the Dyckerhoff site in Lengerich, Westphalia, werden. Am Beispiel einer Loesche-Mühle der Produktbe-
is used as an example to demonstrate the operating expe- zeichnung LM 35.2+2 am Dyckerhoff Standort Lengerich/
rience with this type of mill when grinding both granulated Westfalen werden die Betriebserfahrungen mit diesem Müh-
blastfurnace slag and cement clinker. lentyp sowohl bei der Mahlung von Hüttensanden als auch
Zementklinkern aufgezeigt.
2 Structure of the grinding plant
2 Aufbau der Mahlanlage
� Fig. 1 shows the flow sheet for the LM 35.2+2 vertical
roller mill in interconnected operation with the rotary kiln. A � Bild 1 zeigt das Fließbild der Vertikal-Rollenmühle
3
gas flow of 160 000 m /h is needed for grinding granulated LM 35.2+2 unter Einsatz von Ofengas. Zur Mahlung von
blastfurnace slag under operating conditions. A partial flow Hüttensanden wird unter Betriebsbedingungen ein Gasvo-
3
of the laden exhaust gas is returned to the mill in closed cir- lumenstrom von 160000 m /h benötigt. Ein Teilstrom des
cuit (pipeline leg 4) together with the kiln exhaust gas after beladenen Abgases wird dabei im Kreislauf (Leitungs-
the preheater. The laden mill exhaust gas then leaves the strang 4) zusammen mit dem Ofenabgas nach dem Vorwär- Vorwär
mill at a temperature of about 105 °C. The finished product mer der Mühle erneut zugeführt. Das beladene Mühlenab-
is collected from the gas flow by a downstream bag filter gas verlässt dann die Mühle mit einer Temperatur von ca.
from Scheuch. An in-line burner fired with fuel oil ensures 105 °C. Durch ein nachgeschaltetes Schlauchfilter der Firma
the heat supply even if the kiln is stopped. � Table 1 shows Scheuch wird das Fertiggut vom Gasstrom abgetrennt. Ein
an example of the pressure distribution in the grinding cir- mit Heizöl befeuerter In-Line-Brenner stellt die Wärmezu-
cuit when granulated blastfurnace slag is being ground. The fuhr auch für den Fall eines Ofenstillstands sicher. � Tabelle 1
mill is isolated from pressure fluctuations in the rotary kiln zeigt exemplarisch für die Hüttensandmahlung die Druckver-
by a controlled exhaust air flap (“S flap”). teilung im Mahlkreislauf. Durch eine geregelte Abluftklappe
(„S-Klappe“) wird die Mühle von Druckschwankungen am
Drehrohrofen entkoppelt.

3 Einflüsse der Prozessparameter
Die Fertiggutfeinheit wird bei einer Vertikal-Rollenmühle mit PROCESSING
integriertem Sichter primär über die Stabkorbdrehzahl des
dynamischen Sichters eingestellt. Aber auch der Arbeits-
druck der Masterwalzen und die verfügbare Gasmenge

Table 1: Pressure distribution in the grinding circuit of an LM 35.2+2
Loesche mill in mbar
Tabelle 1: Druckverteilung im Mahlkreislauf einer Loesche-Mühle
LM 35.2+2 in mbar

Test setting Minimum Maximum Mean
Pressure before mill –13.1 –5 –9
Pressure after mill –40.9 –33 –36.6
Pressure before flap “R” –11.6 0 –5.2
Measuring points:
1 pressure before mill 4 pressure after flap “R” Pressure after flap “R” –9.9 –5 –7.1
2 pressure after mill 5 pressure after flap “S”
Pressure after flap “S” –11.0 –5.8 –8.2
3 pressure before flap “R”
Mill differential pressure 21.9 32.5 27.6

Figure 1: Process flow sheet for the LM 35.2+2 Loesche mill Flap “R” differential
0.1 7 2
pressure
Bild 1: Verfahrensfließbild der Loesche-Mühle LM 35.2+2

CEMENT INTERNATIONAL 4 2/2012 4 VOL. 10 57


bestimmen das Zerkleinerungsergebnis [1]. Zur Untersu-
chung dieser Abhängigkeiten wurden die Prozessparameter
Slope [n] Working pressure [bar] Stabkorbdrehzahl, Arbeitsdruck der Masterwalzen sowie der
Gasvolumenstrom unabhängig voneinander variiert. � Bild 2
zeigt die Abhängigkeit des Lageparameters d‘ der RRSB-Ver-
RRSB-Ver
teilung von den drei oben genannten Prozessparametern bei
. . . . . . . . . . . . . der Mahlung von Hüttensand. Deutlich zu erkennen ist der
. . . . . . . . .
bekannte Einfluss der Sichterdrehzahl. Interessant ist aber
/h]
3 auch die Abhängigkeit des Lageparameters d‘ vom Arbeits-
druck der Masterwalzen, der zwischen 85 bar und 100 bar
variiert wurde.

. . . . . . . . . . . .
Unter Berücksichtigung einer Mindest-Mahlbetthöhe von
15 mm ist der Prozessparameter des Arbeitsdrucks der
Masterwalzen allerdings nur als ein sekundärer Parameter
zur Beeinflussung der Produktfeinheit anzusehen. Das Zer-
Zer
Figure 2: Influence of selected process parameters on the product
kleinerungsergebnis verbessert sich mit zunehmender Pres-
fineness
sung und abnehmender Mahlbettdicke. Das Spektrum an
Bild 2: Einflüsse ausgewählter Prozessparameter auf die Produkt-
feinheit feinen Partikelgrößen zwischen 0,5 µm und 15 µm erhöht
sich dabei signifikant, ebenfalls nimmt die Breite der Parti-
kelgrößenverteilung zu, während das Steigungsmaß n der
3 Factors affecting the process parameters RRSB-Verteilung leicht zurückgeht. Eine signifikante Ab-
hängigkeit des Steigungsmaßes n vom Arbeitsdruck und vom
With a vertical roller mill with integral classifier the fine- Gasvolumenstrom konnte dabei jedoch nicht festgestellt
ness of the finished product is set primarily by the rota- werden. Gleichwohl kann durch eine Absenkung des Gasvolu-
tional speed of the caged rotor in the dynamic classifier. menstroms bei ansonsten konstanten Prozessparametern
However, the comminution result is also determined by der Lageparameter d‘ abgesenkt werden. Eine für die Bau-
the working pressure of the master rollers and the quantity größe der Mühle relevante minimale Gasmenge darf
of the gas available [1]. These dependencies were inves- jedoch nicht unterschritten werden, wenn Prozessinstabi-
tigated by varying the process parameters, namely rota- litäten verhindert werden sollen. Bei der Loesche-Mühle
tional speed of the caged rotor, working pressure of the LM 35.2+2 liegt diese minimale Gasmenge im Betrieb bei
3
master rollers and gas volume flow, independently of one 130 000 m /h.
another. � Fig. 2 shows the way the position parameter d’
of the RRSB distribution depends on the three above-men- 4 Mahlhilfen
tioned process parameters when grinding granulated blast-
furnace slag. The known influence of the rotational speed Die Wirkungsweise von Mahlhilfen bei der Klinkermahlung
of the caged rotor is clearly visible. However, the depend- in Kugelmühlen ist in der Literatur vielfach diskutiert worden
ence of the position parameter d’ on the working pressure [2, 3, 8, 12]. Durch ein Coating der zur Agglomeration nei-
of the master rollers, which was varied between 85 bar and genden Partikel mit einer theoretisch minimalen mono-mole-
100 bar, is also interesting. kularen Schicht werden die Oberflächenladungen neutrali-
siert. Dabei kann unterschieden werden zwischen polaren
In view of the minimum material bed height of 15 mm the und nicht polaren Mahlhilfen, wobei auch Wasser als polare
process parameter of the working pressure of the mas- Mahlhilfe wirkt. Neben der reinen Verbesserung des Fließ-
ter rollers is regarded as only a secondary parameter as far verhaltens und der Desagglomerationswirkung der klas-
as the influence on the product fineness is concerned. The sischen Mahlhilfsmittel werden bei so genannten Quality
PROCESSING

comminution result improves with increasing pressure and Improvern gezielt auch die Früh- und Endfestigkeiten und/
decreasing material bed thickness. The spectrum of fine par- oder die Erstarrungszeiten beeinflusst. Die Effektivität dieser
ticle sizes between 0.5 µm and 15 µm increases significantly Additive bei der Hüttensandmahlung ist aufgrund der mini-
and the width of the particle size distribution also increases malen elektrochemischen Potenziale glasiger Strukturen
while there is a slight decrease in the slope n of the RRSB niedrig, wohingegen sich dieser Effekt bereits bei Zugabe

Table 2: Compilation of some grinding aids and quality improvers
Tabelle 2: Zusammenstellung eingesetzter Mahlhilfen und Quality Improver

Additives SIKA 184 MAPEI MA.G.A. / VM 12 GRACE HEA 239 GRACE 1306 Konz. 11
Constituents salts of thiocyanic acid sodium thiocyanate ethane diol 2,2-oxydiethanol
calcium chloride 1,1,1-nitrilotripropan-2-ol 2,2-oxydiethanol ethane diol
2,2-oxydiethanol acetic acid trigol potassium hydroxide
2,2-iminodiethanol
Density [g/cm3] 1.22 1.20 +/– 0.02 1.14 1.12
pH 7 8.5 +/– 1.5 10 12
Flash point / lower boiling point [°C] > 100 100 > 100 > 100
Concentration w.r.t. fresh material 0.20 % 0.10 % 0.02 % 0.02%
Function Influences setting times Influences early and final Improved flow behaviour Improved flow behaviour
and flow behaviour strengths and flow behaviour Disagglomerating action Disagglomerating action



Loesche Mill Type LM 35.2+2 CS, San Antonio, Chile
Loesche Mühle Typ LM 35.2+2 CS, San Antonio, Chile


Table 3: Influence of the grinding aid on important process variables of the LM 35.2+2 Loesche mill
Tabelle 3: Einfluss der Mahlhilfe auf wichtige Prozessgrößen der Loesche-Mühle LM 35.2+2

Vibrations Mill diff. Filter diff. Master roller 1 Master roller 2 Working
Test setting Casing pressure pressure Material bed depth Material bed depth pressure
[mm s –1] [mbar] [mbar] [mm] [mm] [bar]
100% gbs, 4000 Blaine,
3.7 25.9 5.9 19.7 21.3 86.8
without grinding aid
97% gbs, 3% anhydrite
3.8 25.4 6 18.9 20.4 87.5
4000 Blaine, without grinding aid
3.6 25.9 7.2 18.1 20.0 87.7
4000 Blaine, 0.64 l/min grinding aid
4.3 28.7 6 16.6 17.5 87.6
4.3 26.9 7.8 15.8 18.1 87.6
4500 Blaine, with grinding aid

90% gbs, 10 % clinker
5.1 28.9 5.6 15.0 16.9 87.6
5.1 28.5 7.6 15.7 16.6 88.4
4500 Blaine, 0,76 l/min grinding aid
4500 Blaine, 0,76 l/min grinding aid 5.5 28.3 8.0 15.4 16.4 89.3
addition on collecting belt
4.6 30.3 6.1 17.2 18.4 89.6
4.3 29.7 7.3 17.5 18.9 89.4

distribution. However, no significant dependence of the geringer Anteile von Klinker und Anhydrit deutlich erhöht.
slope n on the working pressure and the gas volume flow � Tabelle 2 zeigt die verwendeten Mahlhilfsmittel und Qua-
was detected, although the position parameter d’ can be low- lity Improver mit ihren Hauptkomponenten, typischen Kon-
ered by reducing the gas flow with otherwise constant pro- zentrationen und Einsatzfeldern.
cess parameters. However, the gas flow must not fall below
the minimum flow for the particular size of mill if process Mit dem Additiv MA.G.A. von MAPEI [9] konnten umfang-
instability to be prevented. For the LM 35.2+2 Loesche mill reiche Testreihen bei reiner Hüttensandmahlung und bei
3
this minimum gas flow in operation is 130000 m /h. gemeinsamer Mahlung unter Einsatz von Klinker und Anhy-
drit durchgeführt werden. � Tabelle 3 zeigt den Einfluss
4 Grinding aids des Additivs auf das Mahlverhalten der Anlage. Der Dif-
ferenzdruck über der Mahlanlage fällt tendenziell leicht ab
The way that grinding aids work during clinker grinding in als Konsequenz der veränderten Beladungsverhältnisse in
ball mills has been discussed many times in the literature der Mühle (� Bild 3, Tromp-Kurven mit und ohne Mahl-
[2, 3, 8, 12]. The surface charges are neutralized by coat- hilfsmittel). Dadurch fallen auch die Vibrationen am Müh-
ing the particles that have a tendency to agglomerate with lengehäuse leicht zurück. Der Differenzdruck am Mühlenfil-
a theoretically mono-molecular layer.
PROCESSING

It is possible to differentiate between
polar and non-polar grinding aids, and
water acts as a polar grinding aid. Designation xT (plitt) cl
μm
In addition to the straightforward 4 000 Blaine without additive 22.173 4.0000
improvement in flow behaviour and 4 000 Blaine with 0,64 l/min MA.G.A 24.801 4.0000
4 500 Blaine without additive 21.126 4.0000
disagglomerating action of the clas-
Distribution ratio T(x) [%]

4 500 Blaine with 0,76 l/min MA.G.A 21.578 4.0000
sical grinding aids, with quality im-
provers it is also possible to exert
a specific influence on the early
and final strengths and/or setting
times. These additives are not very
effective when grinding granulated
blastfurnace slag because of the
electrochemical potential of glassy
structures although this effect is sig-
nificantly increased with the addi-
tion of small amounts of clinker and Particle size x [μm]
anhydrite. � Table 2 shows the grind-
ing aids and quality improvers used
with their main components, typical Figure 3: Influence of grinding aids on the classifier efficiency (additive used: MAPEI VM 12)
concentrations and areas of use. Bild 3: Einfluss von Mahlhilfen auf die Sichtereffizienz (verwendetes Additiv: MAPEI VM 12)



Extensive test series during plain granulated blastfurnace ter steigt dagegen leicht an. Darüber hinaus konnte mit den
slag grinding and during intergrinding with clinker and Versuchen bestätigt werden, dass eine Zugabe der Mahl-
anhydrite were carried out with the MA.G.A additive from hilfe direkt auf die Mahlbettoberfläche in der Mühle anstatt
MAPEI [9]. � Table 3 shows the effect of the additive on auf das zentrale Sammelgurtband vor Aufgabe in die Zel-
the grinding behaviour of the plant. The differential pres- lenradschleuse zu besseren Ergebnissen bei der Schwin-
sure across the grinding plant tends to fall slightly as a conse- gungsminderung führt.
quence of the different loading conditions in the mill (� Fig. 3,
Tromp curves with and without grinding aids), which also Vergleicht man den spezifischen Energieverbrauch bei der
slightly reduces the vibrations in the mill casing. The trials Mahlung mit und ohne Zusatz von Mahlhilfen (� Tabelle 4),
were also able to confirm that addition of the grinding aid so fällt auf, dass die Leistungsaufnahme am Hauptantrieb
directly to the surface of the material bed in the mill instead sinkt. In gleicher Weise steigt dagegen die Leistung des
of on the central collecting belt conveyor before the feed Mühlengebläses an. Der spezifische Energieverbrauch sinkt
into the rotary-vane feeder leads to better results for reduc- insgesamt dennoch leicht ab. Dieser Effekt ist bei der Auf-
ing the vibrations. bereitung von Hüttensand nicht so stark ausgeprägt, dage-
gen sind die Einsparungen bei der gemeinsamen Zement-
Comparison of the specific energy consumptions during mahlung höher.
the grinding with and without the aid of grinding aids
(� Table 4) shows that there is a drop in the power taken at Für die Herstellung eines Zements der Normbezeich-
the main drive. In the same way, on the other hand, there nung CEM II/B-S 32,5 mit einer spezifischen Oberfläche
2
is an increase in the power taken by the mill fan. In spite von 3 000 cm /g nach Blaine wurden Mahlversuche mit
of this there is a slight drop in specific power consump- Additiven der Firma SIKA (SIKA 184) und Mahlhilfen von
tion. This effect is not so strongly marked when processing GRACE (1306 Konz. 11 und HEA 239) durchgeführt [10, 11].
granulated blastfurnace slag but the savings are higher when Die Konzentration von SIKA 184 wurde zu 0,2 %, bezogen
intergrinding cement. auf den Frischgutdurchsatz, gewählt, wohingegen beim
GRACE Additiv 1306 Konz. 11 die Zugabe bei 0,02 % lag.
Grinding trials with additives from SIKA (SIKA 184) and grind- � Tabelle 5 zeigt eine Gegenüberstellung bei gemeinsa-
ing aids from GRACE (1306 Konz. 11 and HEA 239) were car- mer Mahlung des Zements CEM II/B-S 32,5 ohne und
ried out during the production of a CEM II/B-S 32,5 cement mit dem Zusatz von Mahlhilfen. Ohne den Einsatz von
2
with a specific surface area of 3 000 cm /g Blaine [10, 11]. Mahlhilfen wird ein moderater Anlagendurchsatz von
The concentration of SIKA 184 was set at 0.2 % relative 70 t/h erreicht bei einem spezifischen Energiebedarf
to the throughput of fresh material, while for the GRACE im Mittel von 19,7 kWh/t. Bei Verwendung der genann-
Konz. 11 additive the addition rate was 0.02 %. Table 5 com- ten Mahlhilfen konnte dagegen der Anlagendurchsatz auf
pares the intergrinding of CEM II/B-S 32,5 cement with and bis zu 90 t/h gesteigert werden, wobei sich der spezi-
without the addition of grinding aids. A moderate plant out- fische Energiebedarf um 1,2 kWh/t verringerte. Bei diesen
put of 62 t/h at an average specific power consumption of Betrachtungen blieb der pneumatische Transport unberück-
19.7 kWh/t was achieved without the use of grinding aids. sichtigt.

Table 4: Influence of grinding aids on the specific power consumption of the LM 35.2+2 Loesche mill
Tabelle 4: Einfluss von Mahlhilfen auf den spezifischen Energiebedarf der Loesche-Mühle LM 35.2+2

Output, moist Output, dry Main drive Classifier drive Fan power Specific energy
Test setting consumption
[t/h] [t/h] [kW] [kW] [kW] [kWh/t]
100% gbs, 4000 Blaine,
51.8 46.6 1355 53 231 35.2
without grinding aid

51.6 45.0 1353 53 232 36.4 PROCESSING
51.6 45.0 1333 55 245 36.2
4000 Blaine, 0.64 l/min grinding aid

47.7 41.6 1297 74 261 39.2

47.6 41.6 1275 70 267 38.8
4500 Blaine, with grinding aid

90% gbs, 10% clinker
46.8 37.9 1276 79.7 259 42.6
46.9 38.0 1250 81 263 42.0
4500 Blaine, 0,76 l/min grinding aid 46.9 38.0 1231 81 260 41.4
addition on collecting belt

54.9 44.5 1367 70 269 38.4
55.1 44.6 1373 69 271 38.4



When the above-mentioned grinding aids were used the Table 5: Optimization of the output when grinding CEM II/B-S 32,5
plant output was increased to up to 90 t/h although the spe- cement using grinding aids
cific power consumption was only reduced by 1.2 kWh/t. Tabelle 5: Durchsatzoptimierung bei der Mahlung eines Zements
CEM II/B-S 32,5 unter Einsatz von Mahlhilfen
The pneumatic transport system was not taken into account
in these considerations. Without With
Test setting
grinding aid grinding aid
5 Classifier efficiency Main drive [kW] 930 1350
Classifier drive [kW] 13 15
A sampler with which a representative quantity of sample
Auxiliary drives [kW] 30 30
could be taken from the classifier grits while the plant was in
operation was installed jointly with Loesche GmbH in order Fan [kW] 295 336
to measure the efficiency of the classifier. The selectivity of Efficiency, main drive 0.95 0.95
the classifier can be determined with the particle size dis-
Efficiency, classifier 0.93 0.93
tributions of the finished product and the classifier grits as
well as the internal recirculation ratio. The internal recircula- Output, moist [t/h] 62 90
tion ratio of the vertical roller mill was narrowed down to val- Average initial moisture [mass %] 10 10
ues between 8 and 12 through the plausibility checks. Fig. 3 Specific power consumption in [kWh/t]
*)
19.7 18.5
shows the Tromp curves for grinding granulated blastfurnace *)
2 2 without pneumatic transport
slag with target Blaine values of 4000 cm /g and 4500 cm /g
respectively with and without the addition of the MA.G.A
grinding aid (see Table 2). 5 Sichterwirkungsgrad
The upward slopes in the selectivity curve, the “fish hook Zur Bestimmung des Sichterwirkungsgrads wurde in Zusam-
effect” is clearly identifiable during the grinding without the menarbeit mit der Loesche GmbH ein Probenehmer instal-
addition of a grinding aid. The agglomeration of the particles liert, mit dem während des laufenden Betriebs eine reprä-
in the ultrafine particle range between 1 and 10 µm is abol- sentative Probemenge aus dem Sichtergrobgut entnommen
ished by the addition of the grinding aid directly on the sur- werden kann. Mit den Korngrößenverteilungen von Fertig-
face of the material bed. The dispersing action of the grind- gut und Sichtergrobgut sowie der internen Umlaufzahl lässt
ing aid improves the classifying process. Furthermore, it was sich der Trenngrad des Sichters bestimmen. Durch Plausi-
observed that the differential pressure across the mill fell as bilitätskontrollen konnte die interne Umlaufzahl der Vertikal-
a consequence of the changed internal recirculation. The dif- Rollenmühle auf Werte zwischen 8 und 12 eingegrenzt wer-
ferential pressure across the mill filter increased by the same den. Bild 3 zeigt die Tromp-Kurven einer Hüttensandmahlung
2
amount as a consequence of the finer particle input. The flow- mit der Zielvorgabe eines Blainewerts von 4000 cm /g bzw.
2
ability of the finished product after the mill filter increased 4500 cm /g mit und ohne Zugabe der Mahlhilfe MA.G.A.
significantly and caused a drop in the power consumption of (s. Tabelle 2).
the spiral pump for the removing the finished product. This
increased the power reserves in the finished product trans- Deutlich zu erkennen ist das Ansteigen der Trenngradkurve,
port system. The throughput was increased by 8% when der so genannte „Fish-Hook-Effekt“ bei der Mahlung ohne
operating the mill at the same differential pressure. Zusatz einer Mahlhilfe. Durch die Zugabe der Mahlhilfe
unmittelbar auf die Mahlbettoberfläche wird die Agglome-
6 Specific quantity of water and process ration der Partikel im Feinstkornbereich zwischen 1 µm und
stability 10 µm aufgehoben. Die Dispergierwirkung der Mahlhilfe ver-
bessert den Sichtprozess. Weiterhin konnte, als Konsequenz
No additional water is normally needed during the grinding des veränderten internen Umlaufs, beobachtet werden, dass
of moist granulated blastfurnace slag but injection of water der Differenzdruck über der Mühle abnimmt. Im gleichen
PROCESSING

into the grinding space for stabilizing the grinding bed can Maße erhöhte sich der Differenzdruck über dem Mühlen-
be an advantage when producing high-grade cements. filter als Folge einer feineren Partikelbeaufschlagung. Die
Water for stabilizing the grinding bed is applied to the Fließfähigkeit des Fertigguts nach dem Mühlenfilter erhöhte
surface of the grinding bed. Each water lanc is located sich deutlich und hatte ein Absinken der Stromaufnahme der
between the master and support rollers and the water is Schneckenpumpe zum Abtransport des Fertigguts zur Folge.
carried directly to surface of the grinding bed through Dadurch wurden Leistungsreserven beim Fertigguttransport
several holes along the lance. The grinding aid is also gewonnen. Beim Betrieb der Mühle mit gleichem Differenz-
applied directly to the surface of the material bed at the druck konnte der Durchsatz um 8 % gesteigert werden.
same time.
6 Spezifische Wassermenge und
Over the last three years the specified amount quantity of Prozessstabilität
water has been significantly reduced to the required mini-
mum. The cement setting times are extended considera- Während für die Mahlung von aufgabefeuchten Hüttensan-
bly when the amount of water exceeds > 40 kgwater/tclinker. den zumeist kein zusätzliches Wasser benötigt wird, kann
By wayof example � Table 6 shows four selected types of eine Wassereindüsung in den Mahlraum zur Stabilisierung
cement with their respective plant outputs and the associ- des Mahlbetts bei der Herstellung hochwertiger Zemente
ated specific quantity of water in kgwater/tclinker that is neces- von Vorteil sein. Dabei wird Wasser zur Stabilisierung des
sary for adequate stabilization of the grinding bed. When the Mahlbetts auf die Mahlbettoberfläche aufgebracht, wobei
operation of the mill has been optimized and taken up to the sich die Wasserlanzen jeweils zwischen der Master- und
maximum the specific water consumption when producing Supportwalze befinden und das Wasser durch mehrere Boh-
CEM II/B-S 32,5 R cement can be reduced to 5 kgwater/tclinker. rungen entlang der Lanze direkt auf die Mahlbettoberfläche



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geleitet wird. Parallel dazu wird die Mahlhilfe ebenfalls direkt
auf die Mahlbettoberfläche aufgebracht.
Slope [n] Working pressure [bar]

In den vergangenen drei Jahren konnte die spezifische Was-
�
sermenge deutlich auf eine notwendige Mindestmenge redu-
ziert werden. Bei zu großen spezifischen Wassermengen
. . . . . . . . . . . . . > 40 kgWasser/tKlinker verlängern sich die Erstarrungszeiten
. . . . . . . . .
der Zemente signifikant. � Tabelle 6 zeigt exemplarisch
/h]
3 vier ausgewählte Zementarten mit dem jeweiligen Anlagen-
durchsatz und der zugehörigen spezifischen Wassermenge
in kgWasser/tKlinker, die notwendig ist, um das Mahlbett hin-
reichend zu stabilisieren. Bei optimierter und bis an das
. . . . . . . . . . . .
Durchsatzmaximum geführter Betriebsweise der Mühle kann
der spezifische Wasserverbrauch bei der Herstellung eines
Zements CEM II/B-S 32,5 R auf 5 kgWasser/tKlinker gesenkt
werden.
Figure 4: SEM photomicrograph of the fractions > 20on the product
Figure 2: Influence of selected process parameters µm of a ground
fineness
blastfurnace slag with a fineness corresponding to 4 000 cm2/g
Blaine [4] Table 6: Specific quantity of water for finish cement grinding
Bild 4: REM-Aufnahmen der Fraktionen > 20 µm eines Hüttensand- Tabelle 6: Spezifische Wassermenge bei der Zementfertigmahlung
mehls mit einer Feinheit entsprechend einem Blaine-Wert von
4 000 cm2/g [4] Blaine Output Specific quantity
Cement type Value of water
3 Factors affecting the process parameters [cm2/g] [t/h] [kg H2O / t cement]
An overabundance of water leads to the formation of pre-
mature hydration products with integral classifier the fine-
With a vertical roller mill (ettringite formation), as can be CEM I 42,5 R 3 500 50 37
seen in the SEM photomicrographs inprimarily by the rota-
ness of the finished product is set � Fig. 4. The setting
CEM II/B-M (S-LL) 42,5 4 900 45 37
times are greatlythe cagedby the in the dynamic classifier.
tional speed of affected rotor hydrate layer on the par-
ticle surface. comminution result is also determined by
However, the CEM II/A-LL 42,5 3 500 70 7
the working pressure of the master rollers and the quantity
7 Particleavailable [1]. These dependencies were inves-
of the gas morphology CEM II/B-S 32,5 R 3 600 90 5.5
tigated by varying the process parameters, namely rota-
Information in the literature indicates that the influence
tional speed of the caged rotor, working pressure of the
of the grindingand gas volume flow, independently of one
master rollers system used on the particle shape of the Eine zu große Wassermenge führt zur Ausbildung von vor-vor
ground material2 shows the way the position parameter d’
another. � Fig. has been investigated many times on a pilot zeitigen Hydratationsprodukten (Ettringitbildung), wie auf
plant scale [5].distribution depends on the three above-men-
of the RRSB Apparently, the investigations based on image den REM-Aufnahmen von � Bild 4 zu erkennen ist. Durch
analysis were not able to establish any notable differences
tioned process parameters when grinding granulated blast- die Hydratschicht auf der Partikeloberfläche werden dabei
betweenslag. Thegrinding influence with respect to the par-
furnace diverse known systems of the rotational speed die Erstarrungszeiten signifikant beeinflusst.
ticle shapes generated. According toHowever, the depend-
of the caged rotor is clearly visible. [5] the investigations
were carriedposition parameter d’ on the working mill, high-
ence of the out in a semi-industrial vertical roller pressure 7 Partikelmorphologie
pressure grinding rolls and a ballvaried between 85 barInsti-
of the master rollers, which was mill at the Research and
100 bar, is also interesting. in Düsseldorf.
tute of the Cement Industry Literaturangaben zur Folge wurde der Einfluss des verwen-
deten Mahlsystems auf die Kornform des Mahlguts im Tech-
During optimization work material bed height of 15 installed nikumsmaßstab mehrfach untersucht [5]. Danach konnten
In view of the minimum on the vertical roller mills mm the
at Dyckerhoff in the of the from 2008 to 2010 of the mas- auf der Grundlage bildanalytischer Untersuchungen keine
process parameter years working pressure the particle
shapes of theregarded as only a blastfurnace slags produced signifikanten Unterschiede hinsichtlich der erzeugten Korn-
ter rollers is ground granulated secondary parameter as far
by the influence on the product fineness is concerned. The formen zwischen unterschiedlichen Mahlsystemen festge-
as different grinding methods were investigated at the
PROCESSING

Wilhelm Dyckerhoff improves withThe particlepressure and stellt werden. Die Untersuchungen waren nach [5] an einer
comminution result Institute [6]. increasing morphology
of the ground granulated blastfurnace spectrum of fine par- halbtechnischen Vertikal-Rollenmühle, an einer Mahlbett-Wal-
decreasing material bed thickness. The slags was analyzed
over sizes between 0.5 sizeand 15 µm with the Malvern Mor- zenmühle und an einer Kugelmühle im Forschungsinstitut
ticle the entire particle µm spectrum increases significantly
and the width of the particle size distribution also increases der Zementindustrie in Düsseldorf durchgeführt worden.
while there is a slight decrease in the slope n of the RRSB
Im Zuge der Optimierungsarbeiten an den bei Dyckerhoff
Table 2: Compilation of some grinding aids and quality improvers
High Sensitivity Circularity x1 installierten Vertikal-Rollenmühlen wurde in den Jahren 2008
Measuring technology Malvern Morphologi G3 bis 2010 die Kornform der nach unterschiedlichen Mahl-
Ball mill, closed circuit
verfahren hergestellten Hüttensandmehle am Wilhelm
Additives SIKA 184 MAPEI MA.G.A. / VM 12 GRACE HEA 239 GRACE 1306 Konz. 11
Density distribution [%]

Dyckerhoff Institut untersucht [6]. Die Partikelmorphologie
High-pressure roller press + ball mill
Constituents salts of thiocyanic acid sodium der gemahlenen Hüttensandmehle wurde dabei mit dem
thiocyanate ethane diol 2,2-oxydiethanol
calcium chloride
LM 46 2+2 vertical mill 1,1,1-nitrilotripropan-2-ol
Malvern Morphologi G3 Messgerät [7] über das diol
2,2-oxydiethanol ethane gesamte
2,2-oxydiethanol acetic acid trigol potassium hydroxide
LM 35 2+2 vertical mill Korngrößenspektrum analysiert. Bei dem Morphologi G3
2,2-iminodiethanol
Bildanalysegerät wird im Mittel eine Partikelmenge von
Density [g/cm3] 1.22 1.20100000 Einzelpartikeln betrachtet. Das Gerät errechnet eine
+/– 0.02 1.14 1.12
pH 7 8.5anzahlbezogene Verteilung, wodurch das zahlenmäßig häu-
+/– 1.5 10 12
HS Circularity figere Vorkommen kleinerer Partikel berücksichtigt und grö-
Flash point / lower boiling point [°C] > 100 100 > 100 > 100
ßere Partikel nicht überbewertet werden. Zum Vergleich
Concentration w.r.t. fresh material 0.20 % 0.10 % 0.02 % 0.02%
wurde gemahlener Hüttensand, der in einem Kugelmühlen-
Function Density distributions for the Influences setting times
Figure 5: HS circularity Influenceskreislauf final
early and hergestellt wordenbehaviour auch einflow behaviour
Improved flow war, und Improved Hüttensand-
and flow behaviour strengths and flow behaviour Disagglomerating action Disagglomerating action
Bild 5: Dichteverteilungen bei der HS-Circularität mehl aus einer Kombi-Mahlanlage (Hochdruck-Rollenmühle



Figure 6a: Distribution of the circularity of ground granulated blastfurnace Figure 6b: Distribution of the circularity of ground granulated blastfurnace
slag with a Blaine value of 4 000 g/cm2, produced in a vertical slag with a Blaine value of 4 000 g/cm2, produced in a ball mill
roller mill Bild 6b: Verteilung der Zirkularität eines Hüttensandmehls mit einem
Bild 6a: Verteilung der Zirkularität eines Hüttensandmehls mit einem Blainewert von 4 000 g/cm2, hergestellt auf der Kugelmühle
Blainewert von 4 000 g/cm2, hergestellt auf der Vertikal-
Rollenmühle

phologi G3 measuring unit [7]. On average, 100000 individ- und nachgeschaltete Kugelmühle) untersucht. � Bild 5 zeigt
ual particles are examined in the Morphologi G3 image anal- die Dichteverteilungen von den Zirkularitäten der einzelnen
ysis unit. The unit calculates a number-based distribution Hüttensandmehle. Je weiter die Kornform von einem idea-
in which the frequency of smaller particles are taken into len Kreis abweicht, desto niedriger ist der Wert für die Zir-
Zir
account numerically, and larger particles are not overrated. kularität, die mit der Projektionsfläche und dem Perimeter
Ground granulated blastfurnace slag that had been produced nach folgender Beziehung bestimmt wird:
in a ball mill circuit and ground granulated blastfurnace slag
2
from a combined grinding plant (high-pressure grinding rolls HS-Zirkularität = 4πA/P (1)
with downstream ball mill) were examined for comparison.
� Fig. 5 shows the density distributions of the circularities Darin bedeuten:
of the individual ground granulated blastfurnace slags. The P Perimeter, Summe der Längen der Partikelbegrenzungen
further the particle shape deviates from an ideal circle the A Projektionsfläche
lower is the circularity value that is determined using the
projected area and the perimeter in accordance with the fol- Die Zirkularität wird sowohl durch die Form der Partikel als
lowing relationship: auch durch deren Oberflächenbeschaffenheit bestimmt.
Durch automatische Bildanalyse des Partikelkollektivs mit
2
HS circularity = 4πA/P (1) anschließender schwarz-weiß-Separation der 2-dimensio-
nalen Bilder kann statistisch auf Veränderungen in der Mor-
Mor
in which phologie der Hüttensandmehle geschlossen werden. Der
P perimeter, sum of the lengths of the particle edges Modalwert der Hüttensandmehle von Kugelmühlen liegt bei
A projected area. 0,92. Die Zirkularität der Mehle, die auf der Vertikal-Rollen- PROCESSING
mühle hergestellt wurden, liegt dagegen unterhalb von 0,9
The circularity is determined both by the shape of the particle und weist ein breiteres Spektrum von irregulär geformten
and the nature of its surface. By automatic image analysis Partikeln im Vergleich zu den Verteilungen der Mahlprodukte
of the particle population followed by black-white separation von Kugelmühlen auf. Dieser Unterschied zeigt sich auch bei
of the 2-dimensional images, it is possible to draw statisti- den Mahlprodukten der Kombi-Mahlanlage. Die Verteilung
cal conclusions about the changes in the morphology of the der Kornform liegt zwischen den Verteilungen der Kugel-
ground granulated blastfurnace slag. The modal value of the mühle und denen der Vertikal-Rollenmühle.
granulated blastfurnace slags from the ball mill is 0.92 while
the circularity of the ground products produced in the vertical Exemplarisch zeigt � Bild 6a die Zirkularität eines Hütten-
roller mill is less than 0.9 and exhibits a wider spectrum of sandmehls, das mit der Loesche-Mühle LM 35.2+2 herge-
irregularly shaped particles when compared with the distribu- stellt wurde, als Funktion der Partikelgröße. Daneben zeigt
tions of the ground products from ball mills. This difference � Bild 6b ein vergleichbares Hüttensandmehl, hergestellt in
is also apparent in the ground products from the combined einer Zweikammer-Kugelmühle im Kreislauf mit einem Sich-
grinding plant. The particle shape distribution lies between ter. Mit abnehmendem Partikeldurchmesser wird die HS-Zir-
HS-Zir
the distributions of the ball mill and the vertical roller mill. kularität höher und das Auftreten konzentrierter. Bei einem
Partikeldurchmesser von 10 µm konnte bei der Vertikal-Rol-
� Fig. 6a shows an example of the circularity of a ground lenmühle eine Spannweite in der HS-Zirkularität von 0,26 bis
granulated blastfurnace slag, produced with the LM 35.2+2 0,83 nachgewiesen werden. Dagegen lag beim geschlos-
Loesche mill, as a function of the particle size. Next to this senen Kugelmühlenkreislauf die Spannweite zwischen 0,32
� Fig. 6b shows a comparable granulated blastfurnace slag und 0,86.



produced in a two-chamber ball mill operating in closed cir-
cuit with a classifier. The HS circularity increases and the Granulated blastfurnance slag 4 600 Blaine
occurrence more concentrated with decreasing particle Pressure 94 bar
diameter. A range of HS circularity from 0.26 to 0.83 was Main drive
1500 kW
determined for the vertical roller mill at a particle diameter
of 10 µm while for the ball mill circuit the range lay between Fresh material
0.32 and 0.86. 60 t/h

8 Process stability Material bed
24 mm

Because of the substantially shorter residence times in a ver- Vibration
tical roller mill, any process malfunctions, such as an une- 2.7 mm/s
ven feed, fluctuations in the piece size of the feed materials,
Water
or a mill outlet temperature that is too low cause instability 0.5 m3/h
in the material bed in a comparatively short time. The stop-
page of a vertical roller mill that sometimes occurs very
rapidly as the result of, for example, exceeding the permis-
sible casing vibrations, can be countered by rapid short-term Figure 7: Critical operating conditions averted by supplying water or
lowering the working pressure of the hydro-pneumatic equip-
injection of water on the grinding bed.
ment
Bild 7: Abfangen kritischer Betriebszustände durch Wasserzufuhr
� Fig. 7 shows an example of the strategies that are applied, oder Absenken des Arbeitsdrucks der hydro-pneumatischen
and in future will be automated, for producing ground granu- Einrichtungen
2
lated blastfurnace slag with a Blaine value of 4 600 cm /g. A
rapid change in the fresh material feed from 60 t/h to 40 t/h 8 Prozessstabilität
within 45 seconds is followed by a rapid increase in vibra-
tions above 10 mm/s and a drop in power consumption from Aufgrund der wesentlich kürzeren Verweilzeiten in einer Verti-
1500 kW to below 1000 kW. The supply of fresh material was kal-Rollenmühle wirken sich Prozessstörungen, wie z.B. eine
suddenly changed again in a similar way and stoppage of the ungleichmäßige Beschickung, Schwankungen in der Aufgabe-
3
plant was prevented by the injection of 0.5 m /h water. The stückgröße des Aufgabeguts oder Unterschreitungen bei der
particle bed on the grinding table can be stabilized better Mühlenaustrittstemperatur in vergleichbar kurzer Zeit auf die
in this way. The power consumption only falls to 1350 kW. Mahlbettstabilität aus. Dem bisweilen sehr kurzfristig auftre-
At the conclusion of the investigations, this trial was carried tenden Ausfall einer Vertikal-Rollenmühle, z.B. bedingt durch
out again and the process instability was offset by lowering das Überschreiten der zulässigen Gehäuseschwingungen,
the working pressure from 94 bar to 80 bar. The application kann durch eine schnelle, kurzzeitige Wassereindüsung auf
of one or the other method of compensation can be appro- das Mahlbett entgegengewirkt werden.
priate depending on the material properties, particularly the
particle size structure of the material being ground. � Bild 7 zeigt exemplarisch die angewendeten und zukünftig
automatisierten Strategien zur Herstellung von Hüttensand-
2
Bearing in mind the minimum permissible working pres- mehlen mit einem Blainewert von 4600 cm /g. Einer schnel-
sure of 75 bar for the LM 35.2+2 Loesche mill the pressure len Änderung der Frischgutaufgabe von 60 t/h auf 40 t/h
can be lowered in accordance with the following calculation innerhalb von 45 Sekunden folgt eine rasche Zunahme
der Schwingungen über 10 mm/s und ein Absinken der
ADSP Leistungsaufnahme von 1500 auf unterhalb von 1000 kW.
ADSPcorr = ––––––––––––––––––––––

[( ) ]
LLpos x b a (2) In ähnlicher Weise wurde erneut die Frischgutzufuhr plötz-
MAX ––––––––– ;1 lich verändert und einem Anlagenausfall mit der Einsprit-
X
PROCESSING

3
zung von 0,5 m /h Wasser entgegengewirkt. Das Mahlbett
in which auf dem Mahlteller kann auf diese Weise besser stabilisiert
werden. Die Leistungsaufnahme sinkt dabei lediglich auf
ADSP target working pressure value, defined as the einen Betrag von 1350 kW ab. Zum Abschluss der Untersu-
steadystate end value of the working pressure chungen wurde dieser Versuch erneut durchgeführt und die
after the end of the start ramp Prozessinstabilität mit einem Absenken des Arbeitsdrucks
ADSPcorr corrected working pressure von 94 bar auf 80 bar kompensiert. In Abhängigkeit von den
X minimum position of the master rollers Materialeigenschaften, insbesondere aber auch vom Korn-
(10 mm for the LM 35.2+2) größenaufbau des Mahlguts, kann sowohl die Anwendung
a, b coefficients der einen als auch der anderen Kompensationsmethode
sinnvoll sein.
9 Energy aspects
Unter Berücksichtigung des minimal zulässigen Arbeits-
From the energy conservation view point, vertical roller mills drucks von 75 bar bei der Loesche-Mühle LM 35.2+2 kann
are undoubtedly superior to the traditional ball mills. During eine Druckabsenkung nach der folgenden Rechenvorschrift
the examination of the power consumption of vertical roller
mills it proved appropriate to differentiate between the spe- ADSP
ADSPcorr = ––––––––––––––––––––––

[( ) ]
cific power consumption of the main drive alone and together LLpos x b a (2)
with the secondary drives. � Fig. 8 shows the specific power MAX ––––––––– ;1
X
consumption of the mill in kWh/t plotted against the Blaine
specific surface area in the fineness range relevant for grind- durchgeführt werden.



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