Zementvermahlung und Homogenisierung typischer Materialien im Zementherstellungsprozess

Zementvermahlung - Wie sieht der klassische Herstellungsprozess aus?

Die Zementmahlung ist ein zentraler Schritt im Zementherstellungsprozess und beginnt mit der Aufbereitung der Rohstoffe. Kalkstein, Ton und Sand werden zunächst einer Zerkleinerung von Kalkstein und anderen Rohmaterialien unterzogen, um ihre Korngröße zu reduzieren. Die zerkleinerten Materialien werden anschließend zu Rohmehl vermahlen und in einem Drehrohrofen bei etwa 1.450 °C erhitzt. Während dieses thermischen Prozesses entsteht Klinker, wobei CO₂ als unvermeidbares Nebenprodukt freigesetzt wird. Nach dem Abkühlen wird der Klinker der Zementmahlung zugeführt und gemeinsam mit Gips und weiteren Zumahlstoffen vermahlen, um das finale Zementprodukt herzustellen.

Der höchste Energiebedarf in der Zementproduktion entsteht durch das Erhitzen des Rohmehls im Ofen. Zusätzlich wird elektrische Energie für die Zementmahlung, die Kalksteinzerkleinerung sowie für Förderprozesse benötigt. Rund 50 % der gesamten CO₂ Emissionen stammen aus der chemischen Kalzinierungsreaktion im Drehrohrofen, die übrigen Emissionen aus der Verbrennung von Brennstoffen und dem Stromverbrauch. Selbst bei Einsatz erneuerbarer Energien bleiben diese prozessbedingten CO₂ Emissionen ein inhärenter Bestandteil der Zementherstellung.

Zement wird schließlich mit Wasser und Zuschlagstoffen zu Mörtel oder Beton verarbeitet. Um eine gleichbleibende Produktqualität sicherzustellen, müssen alle Rohstoffe, Zwischen und Endprodukte einer strengen Qualitätskontrolle unterzogen werden. Laboranalysen sowie eine zuverlässige Probenvorbereitung mittels Brechern und Mühlen sind daher unverzichtbare Bestandteile moderner Zementproduktion.

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Zerkleinerung von Kalkstein und Ton

Bei der Auswahl geeigneter Geräte sind die Probenmenge, die Ausgangskorngröße und die gewünschte Endfeinheit entscheidende Parameter. Zur Vorzerkleinerung von Kalkstein und Ton kommen üblicherweise Backenbrecher zum Einsatz. Eine breite Auswahl an Backenbrechermodellen ermöglicht eine optimale Anpassung an unterschiedliche Probeneigenschaften – von kleinen Laborchargen im BB 50 bis hin zu größeren Probenmengen bis 3,5 t/h im BB 600.

Alternativ können auch Hammermühlen wie die HM 200 verwendet werden, da die Zerkleinerung von Kalkstein und Ton in der Regel keine extrem harten Materialien betrifft.

Backenbrecher Hammermühle HM 200

Die anschließende Feinvermahlung auf Korngrößen unter 40 µm erfolgt typischerweise in Kugelmühlen. Hier gelten die grundlegenden Prinzipien der Zementmahlung bereits im Labormaßstab, wobei die Probenmenge das entscheidende Kriterium für die Wahl der geeigneten Mühle darstellt. Von wenigen Millilitern bis hin zu Proben im Kilogrammbereich stehen geeignete Lösungen für eine effiziente und reproduzierbare Vermahlung zur Verfügung.

Kugelmühlen

Auch Schlagrotormühlen wie die SR 300 können für die Zerkleinerung von Kalkstein und Tonproben eingesetzt werden. Sie verarbeiten Aufgabekorngrößen bis 25 mm und erreichen Endfeinheiten von etwa 100 µm, während sie im Vergleich zu Planeten Kugelmühlen deutlich größere Probenmengen bewältigen können. Trommelmühlen wie die TM 300 sind ebenfalls für größere Probenmengen geeignet, benötigen jedoch wesentlich längere Zeiten, um den Feinheitsbereich von 100–300 µm zu erreichen.

Schlagrotormühle SR 300

Kalksteinproben

30 mm, 0,5 kg

Vorzerkleinerung BB 250
Feinzerkleinerung TM 300

45 min | < 45 µm

15 mm, 200 g

BB 50

2,5 min | < 1 mm

10 mm, 10 kg

HM 200

25 kg/min | < 3 µm

35 mm, 250 g

Vorzerkleinerung BB 50
Feinzerkleinerung PM 100

6 min | < 200 µm

Tonerdenproben

10 mm, 12 g

MM 400

20 s | < 250 µm

15 mm, 80 g

PM 100

2 min | < 500 µm

120 mm, 10 kg

BB 300

5 min | < 2 mm

15 mm, 2 kg

SR 300

2,5 min | < 100 µm

Vermahlung von Zement, Klinker und Beton

Zementklinker, der nach dem Sintern entsteht, ist deutlich härter und abrasiver als Kalkstein oder Ton. Grundsätzlich gelten jedoch ähnliche Überlegungen und Mühlenkonzepte wie bei der Zerkleinerung von Kalkstein und Ton, wobei auch hier Backenbrecher häufig zur Vorzerkleinerung eingesetzt werden.

Backenbrecher

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Für den anschließenden Feinmahlprozess eignen sich Rotormühlen wie die SK 300, die speziell für harte und abrasive Materialien ausgelegt sind. Mit austauschbaren Prallplatten aus Wolframcarbid und gezahnten Mahlraumeinsätzen lassen sich Klinkerproben effizient zerkleinern. So kann beispielsweise eine vorzerkleinerte Probe von 1 kg (5 mm) innerhalb von nur 1 Minute auf etwa 200 µm reduziert werden. Für höhere Endfeinheiten kommen Kugelmühlen wie die PM 400 zum Einsatz, wobei beispielsweise 80 µm in 15 Minuten erreicht werden können.

Die Kombination aus hoher Geschwindigkeit und feiner Endfeinheit bieten Scheibenmühlen wie die RS 200 oder RS 300 für Klinkerproben. Daher ist die klassische Konfiguration für die Zementmahlung eine Kombination aus Backenbrecher und nachgeschalteter Scheibenmühle. Probenmengen von einem Kilogramm können so innerhalb weniger Minuten auf unter 100 µm vermahlen werden. Die RS 200 ist auf geringere Probenmengen bis 250 ml ausgelegt, und ist tendenziell noch schneller als die RS 300.

Scheibenschwingmühle RS 200 Scheibenschwingmühle RS 300

Klinkerproben

Vorzerkleinerung im Backenbrecher auf 5 mm, Feinmahlung im RS 300 auf 200 µm. Die Gesamtprozesszeit für 1 kg betrug 4 Minuten.

Die gleichen Überlegungen gelten auch für die Homogenisierung von Zement‑ oder Betonproben. Für die Feinvermahlung werden hierbei überwiegend Kugelmühlen oder Scheibenmühlen eingesetzt.

Betonproben

100 x 200 mm, 3,5 kg

Vorzerkleinerung BB 600
Feinzerkleinerung DM 200

1 min | < 150 µm

80 mm, 200 g

Vorzerkleinerung BB 200
Feinzerkleinerung MM 400

40 s | < 150 µm

150 x 75 mm, 8 kg

Vorzerkleinerung BB 300
Feinzerkleinerung MM 400

2,5 min | < 3 mm

50 mm, 50 g

Vorzerkleinerung BB 50
Feinzerkleinerung RS 200

1 min | < 100 µm

15 mm, 45 kg

TM 500

3 Stunden | < 100 µm

Zuschlagstoff Gips

Der klassische Ansatz für Gipsproben besteht daher in der Vorzerkleinerung im Backenbrecher, gefolgt von der Feinvermahlung in einer Rotormühle wie der SK 300. Eine Trocknung der Proben beispielsweise im TG 200 vor der Vermahlung wird dringend empfohlen, um Anbackungen auch in Rotormühlen zu vermeiden. Der Einsatz von Zyklonmodulen erleichtert zusätzlich den Probenaustrag. In der Ultra Zentrifugalmühle ZM 300 werden bevorzugt Distanzsiebe für Gipsproben eingesetzt. In vielen Fällen kann auf den Einsatz von Backenbrechern verzichtet werden, wenn die Proben zunächst mit einem sehr groben Sieb in der ZM 300 oder HM 200 vorvermahlen und anschließend im Feinmahlprozess mit einem feineren Sieb homogenisiert werden

Schnelltrockner TG 200 Ultra-Zentrifugalmühle ZM 300

Gipsproben

10 mm, 1 kg

Vorzerkleinerung BB 200
Feinzerkleinerung SK 300

2 min | < 500 µm

15 mm, 200 g

Vorzerkleinerung BB 250
Feinzerkleinerung ZM 300

1,5 min | < 200 µm

10 mm, 10 kg

BB 250

40 s | < 4 mm

35 mm, 250 g

HM 200

1 min | < 2 mm

Recycling Gips

Eine Trocknung im TG 200 erleichtert die Probenvorbereitung.

Der TG 200 ist ein Labor‑Schnelltrockner, der für das schnelle und schonende Trocknen von Zement, Gips und verwandten körnigen Materialien ausgelegt ist. Er arbeitet nach dem Wirbelschichtprinzip und gewährleistet dadurch eine gleichmäßige Wärmeübertragung ohne lokale Überhitzung der Probe. Dieses schonende Trocknungsverfahren trägt dazu bei, die ursprünglichen Materialeigenschaften zu erhalten, was für eine zuverlässige Zementanalyse und Qualitätskontrolle unerlässlich ist.

Dank seines leistungsstarken Luftstroms erreicht der TG 200 sehr kurze Trocknungszeiten, in der Regel innerhalb weniger Minuten statt mehrerer Stunden wie bei herkömmlichen Trockenschränken. Verschiedene Behälter‑ und Filteroptionen machen den TG 200 flexibel für ein breites Anwendungsspektrum in der Zement‑ und Baustoffanalytik. Der TG 200 ist einfach zu bedienen und unterstützt eine reproduzierbare Probenvorbereitung, die entscheidend für konsistente analytische Ergebnisse in Zementlaboren ist. Insgesamt steigert der TG 200 die Laboreffizienz deutlich, indem er Schnelligkeit, schonende Behandlung und hohe Prozesssicherheit miteinander kombiniert.

Schnelltrockner TG 200

Beispiel: Gipsproben vor und nach dem Vorzerkleinern mit einem 4 mm-Sieb und dem Feinzerkleinern mit einem 0,25 mm-Sieb in der ZM 300.

Probe 1: 10 mm, 0,3 kg

Probe 2: 10 mm, 0,3 kg

15 min | < 80 µm

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Warum ist die Zerkleinerung von Kalkstein ein kritischer erster Schritt in der Zementmahlung?

Die Zerkleinerung von Kalkstein ist ein entscheidender erster Schritt in der Zementmahlung, da sie die Mahleffizienz, den Energieverbrauch und die erreichbare Zementfeinheit maßgeblich beeinflusst. Eine geeignete Kalksteinzerkleinerung reduziert die Ausgangskorngröße, sorgt für ein homogenes Aufgabematerial und ermöglicht eine stabile und reproduzierbare Zementmahlung in nachfolgenden Mahlstufen. Eine unzureichende Zerkleinerung führt hingegen zu längeren Mahlzeiten, höherem Verschleiß und inkonsistenter Zementqualität.

Welche Geräte werden typischerweise für die Zerkleinerung von Kalkstein und die Zementmahlung in der Qualitätskontrolle eingesetzt?

Zur Zerkleinerung von Kalkstein werden überwiegend Backenbrecher und Hammermühlen eingesetzt, um eine geeignete Aufgabekorngröße für die anschließende Zementmahlung zu erzielen. Die Feinvermahlung erfolgt anschließend in Kugelmühlen, Scheibenmühlen oder Rotormühlen – abhängig von gewünschter Endfeinheit und Probenmenge. Diese Kombination gewährleistet homogene Proben, präzise Analysenergebnisse und eine zuverlässige Prozesskontrolle.

Welche Rolle spielt Gips in der Zementmahlung und wie unterscheidet sich seine Aufbereitung von der Kalksteinzerkleinerung?

Gips spielt eine zentrale Rolle in der Zementmahlung, da er dem Klinker zugesetzt wird, um die Abbindezeit des Zements zu regulieren. Im Gegensatz zur Zerkleinerung von Kalkstein, bei der harte, spröde Rohstoffe auf eine optimale Aufgabekorngröße reduziert werden, erfordert die Gipsaufbereitung aufgrund seiner weicheren Eigenschaften und Agglomerationsneigung besondere Sorgfalt.

Wie unterscheidet sich Klinker von Kalkstein bei der Zementmahlung?

Klinker unterscheidet sich deutlich von Materialien, die bei der Zerkleinerung von Kalkstein verarbeitet werden, da er infolge des Sinterprozesses wesentlich härter und abrasiver ist. Während die Kalksteinzerkleinerung auf die Aufbereitung vergleichsweise spröder Rohstoffe abzielt, erfordert die Klinkeraufbereitung für die Zementmahlung robustere Zerkleinerungs‑ und Mahlkonzepte.