1 Einleitung

Mineralaufbereitungsanlagen sind komplexe Systeme. Ihre Produkte müssen bestimmte strenge Kriterien erfüllen, sei es für die Verwendung als Baumaterial oder für die Weiterverarbeitung als Erzkonzentrat.

Die Eigenschaften eines Materials, das in die Anlage gelangt, können jedoch sehr unterschiedlich sein. Das liegt an der Lage der Lagerstätte, aus der er stammt, sowie an den klimatischen Bedingungen. Man muss also mit unterschiedlichen Partikelgrößenverteilungen (PSD’s), Feuchtigkeitsgehalt und Materialverunreinigungen zurechtkommen.

Auf seinem Weg durch die einzelnen Verarbeitungsschritte trägt jedes Gerät dazu bei, das Material in Richtung des gewünschten Endprodukts zu verändern. Auch wenn die Verarbeitungsgeräte in der Regel sorgfältig ausgewählt und betrieben werden, wird das Ergebnis durch ihren Verschleißzustand und ihre Betriebseinstellungen beeinflusst.

Bei all diesen Einflussparametern braucht es viel Erfahrung, um eine Mineralienaufbereitungsanlage zu betreiben und das Produkt innerhalb der Spezifikationsgrenzen zu halten.

Die Anlagensimulation ist eine große Hilfe, um dieses Ziel zu erreichen. Mit NIAflow^® kann eine gesamte Verarbeitungsanlage simuliert werden. Jedes Gerät ist mit seinen Parametern eingerichtet und wird die gleichen Effekte auf Materialien anwenden wie in der Realität. Sobald das Modell anhand der bestehenden Anlage verifiziert wurde, ist es relativ einfach, bestimmte Änderungen an Ausrüstung oder Material für das Gesamtergebnis vorherzusagen. Damit steht Ihnen ein zuverlässiges Werkzeug zur Verfügung, um Produktionsprognosen zu erstellen, Ausrüstungsänderungen zu bewerten oder die gesamte Anlage zu optimieren. Für verschiedene Betriebsarten einer Anlage kann eine Kosten-Nutzen-Analyse durchgeführt werden, um die Anlage profitabel zu betreiben.

Dieser Artikel beschreibt die Pflanzenmodellierung mit NIAflow^® und die Verwendung der Modelle in verschiedenen Szenarien.

2 Modellierung von Maschinen und Geräten

2.1 Allgemeines

Um eine ganze Verarbeitungsanlage zu simulieren, müssen die entsprechenden Maschinen und Anlagen in der Software modelliert werden. Dies sind vor allem jene Maschinen, die den Massenfluss oder die Parameter der Materialien in irgendeiner Form beeinflussen. Die folgenden typischen Verarbeitungsmaschinen sind nach ihrer Wirkung auf das Material in Klassen eingeteilt.

Mit jeder Klasse nimmt die Auswirkung auf die Massenbilanz und/oder die Materialzusammensetzung zu. Transportmaschinen wie Bergbau-LKWs haben kaum Auswirkungen auf das Material. Andererseits haben Sortiermaschinen einen massiven Einfluss auf praktisch alle Materialeigenschaften.

Sie kumulieren das Material nicht nur nach seinen Sortiereigenschaften, sondern beeinflussen auch die Partikelgrößenverteilung (PSD) sowie die Tonnage jedes ihrer Produkte.

2.2 Transport

Bei der Simulation eines Verarbeitungsbetriebs spielen die Transportmaschinen eine untergeordnete Rolle. Sie wirken sich nicht auf die Massenbilanz aus und haben, abgesehen von kleinen Änderungen des Feuchtigkeitsgehalts und/oder der Temperatur, keinen Einfluss auf die Materialzusammensetzung.

Da der Materialtransport jedoch ein notwendiges Übel ist, verursachen diese Maschinen Kosten und müssen in der Buchhaltung bilanziert werden. Aus der Klasse der Transportmaschinen berechnet NIAflow^® derzeit die technischen Parameter von Förderbändern wie die erforderliche Breite und Leistung.

Für jedes Transportgerät können maximale Fördermengen nach Volumen und Tonnage definiert werden, und bei Überschreitung der Grenzen werden Fehler gemeldet.

Die Transportfähigkeit wird ebenfalls überwacht, um z.B. den Transport von Gülle auf Förderbändern zu vermeiden.

2.3 Lagerung

Speicherobjekte definieren den Durchsatz durch eine Anlage oder ihre Abschnitte durch ihre Output-Settings. Jedes Lagerobjekt kann eine beliebige Anzahl von Materialien mit unterschiedlichen Tonnagen und/oder PSDs als ‚alternative Produkte‘ enthalten. Diese können ‚Betriebsmodi‘ zugewiesen werden, um das Anlagenmodell mit unterschiedlichen Durchsätzen und PSDs zu betreiben.

Für eine Kosten-Nutzen-Analyse spielen Speicherobjekte eine besondere Rolle. Der Preis, der für die Materialien in einem Lagerobjekt festgelegt wurde, wird zur Berechnung des Erlöses für das gesamte Werk verwendet, wenn das Lagerobjekt ein verkaufsfähiges Produkt enthält.

2.4 Vertrieb, Vermischung

Die Geräte dieser Gruppe steuern den Materialfluss durch die Anlage. Typische Objekte sind Splitter und reversible Förderbänder. Die Einstellungen dieser Geräte können auch in Betriebsarten gespeichert werden.

2.5 Zerkleinerung, Agglomeration

Die Maschinen dieser Gruppe haben einen nachhaltigen Einfluss auf die PSD ihrer Produkte. Die Ergebnisse der verschiedenen Prozesse können in Grenzen korrigiert werden. So können Produkte, die nicht den Spezifikationen entsprechen, erneut gescreent oder gemischt werden. Während grobe Brecherprodukte erneut zerkleinert werden können, ist dies bei zu feinen Produkten nicht möglich. Das Produkt ist endgültig.

Zerkleinerungsmaschinen wie Brecher und Mühlen beeinflussen das Material auf eine sehr charakteristische Weise. Je nach der Methode, die in der Maschine angewendet wird (Druck, Scherung, Schlag), reagiert jede Fraktion des Produkts auf charakteristische Weise.

Was die Speicherobjekte betrifft, so können Zerkleinerungsgeräte verschiedene Produkt-PSDs speichern. Die folgende Abbildung zeigt eine Reihe von verschiedenen PSDs, die den verschiedenen Closed-Side-Settings (CSS) eines Kegelbrechers entsprechen.

Eines dieser Produkt-PSDs kann ausgewählt werden, um das aktive Produkt darzustellen. Alle Produkte können verschiedenen Betriebsmodi zugewiesen werden und werden automatisch aktiviert, wenn der Modus aktiv wird.

2.6 Benotung

Ein großer Teil der Sortiervorgänge in der Mineralienaufbereitung wird mit Hilfe von Siebmaschinen durchgeführt. Man kennt das Sieb am Ende einer Kette von Verarbeitungsschritten zur Herstellung der verkaufsfähigen Endprodukte wie Straßenbauzuschlagstoffe oder Betonsand.

Üblich sind Siebe in Kombination mit Brechern. Hier trennt das Sieb (vor dem Brecher) das Material, das bereits kleiner ist als der Brecher CSS.

Die Bandbreite der Schnittgrößen der Siebe reicht von 100 μm bis hin zu Hochleistungssieben mit Öffnungen von etwa 300 mm und Partikelgrößen von bis zu 1500 mm.

Die folgende Abbildung zeigt eine kleine Auswahl von typischen Bildschirmen.

Traditionell wird ein Sieb (hier ein Vibrationssieb) anhand einer spezifischen Siebkapazität berechnet, die aus Laborwerten abgeleitet wird. Das Ausgangsmaterial wird als fester Input betrachtet. Sieben Korrekturfaktoren werden verwendet, um diese Zahlen auf die aktuellen Bedingungen abzustimmen. Das Ergebnis ist die erforderliche Siebfläche. Die Produkte werden auf der Grundlage des Schnittes geschätzt, wobei in der Regel von einem Wirkungsgrad von 100% ausgegangen wird.

NIAflow^® verwendet einen etwas anderen Ansatz. Die benötigte Fläche ist nur eine Zwischenzahl und wird (zusammen mit anderen Parametern) verwendet, um eine interne Schnittfunktion zu berechnen.

Dann wird das PSD des Ausgangsmaterials in kleine Fraktionen zerlegt. Jede dieser Fraktionen wird dann nach ihrer Wahrscheinlichkeit bewertet, im Überkorn oder im Feingut zu landen. Am Ende dieses Prozesses werden die PSDs kumuliert. Bei diesem Verfahren werden also eher Produkte als Maschinen berechnet. Die Maschine mit ihrer ausgewählten Oberfläche und Einrichtung wird als Eingabedaten verwendet.

Dieser Ansatz liefert zuverlässige Produktdaten, einschließlich des Prozentsatzes der falsch platzierten Teile. Bei der Feinabstimmung von Maschineneinstellungen wie Oberfläche und Medieneinrichtung aktualisiert NIAflow^® die Ergebnisse sofort, so dass man beurteilen kann, ob die Produkte innerhalb der Spezifikationsgrenzen bleiben.

Die folgende Abbildung zeigt die berechneten Produkte eines Siebes, bei dem das 5/8-Produkt aufgrund eines hohen Anteils an übergroßen Partikeln außerhalb der Spezifikation liegt.

Für die Berechnung und Überwachung der Ergebnisse werden die folgenden Daten verwendet:

• Futtermittel-Ausgangserzeugnis
  • PSD
    • Inhalt in Übergröße
    • Inhalt Halbschnitt
    • Maximale Partikelgröße
  • Dichte
    • Spezifische Schwerkraft
    • Schüttdichte
• Bildschirm Medien
  • Form der Öffnung
  • Richtung öffnen
  • Medientyp
  • Dicke der Medien
  • Offener Bereich
• Prozess
  • Erforderliche Effizienz
  • Auswirkungen der Nasssiebung
• Maschine
  • Neigung
  • Bildschirmhilfe
    • Bananendeck
    • Kugelschale
    • Ultraschallgerät
  • Schicht an Deck

2.7 Sortieren

Sortierprozesse sind sehr komplex. In jeder Fraktion des Futtermittels können die Sortiereigenschaften unterschiedlich verteilt sein. Daher wird jede PSD-Fraktion unabhängig berechnet. Als Ergebnis eines Sortiervorgangs wird sich die Sortiereigenschaft in einem der Produkte anreichern, während das andere einen deutlich geringeren Inhalt aufweist. Sollten die Sortiereigenschaften innerhalb der Fraktionen ungleichmäßig verteilt sein, ergibt sich auch eine Änderung des PSD.

Die folgende Abbildung zeigt einen sehr vereinfachten Prozess der Farbsortierung. Es wird davon ausgegangen, dass jeder Bruchteil des Ausgangsmaterials die gleiche gleichmäßige Farbverteilung hat (z.B. von weiß = 0 bis rot = 1).

Der Benutzer muss eine Schnittfunktion definieren, die dann auf die Farbverteilung der einzelnen Fraktionen des PSD angewendet wird. Im Ergebnis kann man ein helles Produkt (links) und ein stark gefärbtes Produkt (rechts) finden.

3 Pflanzenmodellierung

3.1 Definition einer Pflanze

3.1.1 Betriebszeitplan

Jedes NIAflow^®-Projekt kann eine beliebige Anzahl von Anlagen enthalten, die ihrerseits aus Objekten bestehen, die durch Linien, die den Materialfluss darstellen, miteinander verbunden sind. Die Anlagen werden durch eine Reihe von Parametern definiert, von denen der wichtigste der Betriebsplan ist. Definieren Sie

• Arbeitsstunden pro Tag
• Arbeitstage pro Woche
• Verfügbarkeit von Pflanzen
• Tage der Schließung

bildet die Grundlage für die Berechnung der Jahresproduktion und für die Durchführung der Kosten-Nutzen-Analyse. Anlagenspezifische Eigenschaften sind darüber hinaus Kosten für Infrastruktur, klimatische Bedingungen oder Farbspezifikationen für Maschinen und Geräte.

3.1.2 Betriebsarten

Die Funktion ‚Betriebsarten‘ ermöglicht die Aufzeichnung bestimmter Anlagenzustände, die dann per Tastendruck wieder angewendet werden können. Die folgenden Einstellungen können in einem Betriebsmodus gespeichert werden:

• Speicherobjekte
  • Output Tonnage
  • PSD des aktiven Produkts
• Objekte transportieren
  • Splitter-Einstellungen
  • Aktive Leistung eines reversiblen Förderbandes
• Zerkleinerung, Agglomeration
  • Aktives Produkt PSD

3.2 Beispielprojekt: ‚John Doe Aggregates‘.

Die folgende Abbildung zeigt eine typische Verarbeitungsanlage in drei Stufen. Objekte, Material und andere Daten beziehen sich nicht auf eine bestehende Verarbeitungsanlage.

Verbindungslinien zwischen Maschinen und Geräten definieren den Materialfluss. Während der Berechnungsläufe werden die Produkte und/oder die Maschineneinstellungen für jedes Objekt neu kalibriert. Während der Berechnung werden alle festgelegten Grenzwerte überwacht.

Geschlossene Kreisläufe werden berechnet, bis die eingestellte Genauigkeit oder die Anzahl der Iterationen erreicht ist.

3.3 Optimierung der Anlage

3.3.1 Überprüfung des Modells

Mit NIAflow^® kann man Modelle von sehr komplexen bestehenden Anlagen erstellen. Um diese Modelle z.B. zur Analyse der Produktion oder zur Anlagenoptimierung zu verwenden, ist es notwendig, das Modell mit den realen Bedingungen vor Ort zu verifizieren.

Für sehr komplexe Anlagen kann ein vereinfachtes Modell erstellt werden, das sich auf das Hauptziel des Projekts konzentriert und keine Maschinen und Anlagen mit vernachlässigbaren Auswirkungen auf die Materialien (z.B. Transporteinheiten) enthält.

Jetzt wird eine Betriebsart vor Ort beprobt und mit den Ergebnissen des Modells verglichen. Das Modell ist verifiziert, wenn seine simulierten Tonnagen und Materialdaten, einschließlich der Partikelgrößenverteilungen (PSD), mit den Ergebnissen der Probenahme in einem akzeptablen Maß übereinstimmen. Außerdem muss das Modell auf eine Änderung der Eingangsparameter (z.B. der Futtermittelmenge) genauso reagieren wie die bestehende Anlage. Diese Aufgabe wird am besten vor Ort zusammen mit dem Personal des Anlagenbetreibers durchgeführt.

3.3.2 Probenahme

Je nach gewünschter Genauigkeit und Projektziel können 4 Gruppen von Probenahmestellen definiert werden (Abbildung).

Wichtige Probenahmestellen sind rot markiert. Diese Objekte definieren oder verändern die Produkt-PSDs. Um ein Modell zu überprüfen, müssen an den grün markierten Stellen Proben genommen werden. Die Probenahme an diesen Stellen erhöht nicht die Gesamtarbeitsbelastung, da sie in der Regel in Qualitätsmanagementsysteme eingebunden sind.

Zusätzliche Stichproben auf den Sammelbändern helfen, die Genauigkeit des Modells zu verbessern.

3.4 Optimierung

Sobald das Modell verifiziert ist, kann es verwendet werden, um bestimmte Betriebsbedingungen der Anlage zu simulieren. Diese Betriebsarten müssen durch die Einrichtung des Maschinenparks definiert werden (Tonnagen der Lagerobjekte, Einrichtung der Splitter, Brecherprodukte). In dem Modell kann der Durchsatz der Anlage bis zu dem Punkt erhöht werden, an dem der erste Engpass erreicht ist. Dies ist der Fall, wenn ein Produkt außerhalb der Spezifikation liegt oder bestimmte Min-Max-Grenzen der Maschine erreicht werden.

Nachdem diese ersten Engpässe durch Anpassungen an den Maschinen oder dem Prozesslayout beseitigt wurden, kann die nächste Gruppe von Engpässen gefunden werden. Diese Prozedur wird so lange wiederholt, bis das Optimierungsziel erreicht ist oder die Kapazität der Anlage ausgeschöpft ist.

Das Ergebnis der Optimierung ist eine Reihe von Maßnahmen, um die reale Anlage so zu verändern, dass sie die gleichen Ergebnisse wie das Modell erzielt. Je nach Komplexität und erforderlichem Aufwand werden diese Maßnahmen in drei Stufen eingeteilt:

1. Regelmäßige Anpassungen wie z.B. Änderung der Vorschubgeschwindigkeit oder Splittereinstellung
2. Anpassung von Maschinenparametern wie z.B. Einstellung der geschlossenen Seite bei Brechern oder Medienwechsel bei Sieben
3. Austausch von Maschinen, neue Verarbeitungstechnologie, Änderung des Prozesslayouts

4 Kosten-Nutzen-Analyse

4.1 Datenerhebung

Am Ende aller Bemühungen ist eine Verarbeitungsanlage ein Mittel zur Gewinnerzielung. Die Prozesse in einem Werk sowie die zugewiesenen Kosten der einzelnen Maschinen sind manuell schwer zu erfassen. NIAflow^® kombiniert erzeugte Kosten mit dem Materialfluss durch die Anlage und schafft so die Grundlage für eine Kosten-Nutzen-Analyse.

Für die folgende Analyse wurden drei Betriebsarten für ‚John Doe Aggregates‘ definiert. Alle Kosten auf Anlagen- und Maschinenebene wurden ebenso festgelegt wie die Marktpreise der Produkte.

Daten auf Werksebene:

• Währung
• Kosten der Infrastruktur inkl. Abschreibungszeitraum
• Jährliche Betriebskosten
• Energie- und Dieselkosten pro Verbrauchseinheit

Daten auf Maschinenebene:

• Kaufpreis inkl. Abschreibungszeitraum
• Elektrischer Verbrauch
• Dieselverbrauch pro Betriebsstunde
• Stromverbrauch pro Betriebsstunde
• Abnutzungskosten pro Tonne Durchsatz
• Wartungskosten pro Servicezyklus

Um alle Kosten mit den Einnahmen zu vergleichen, müssen alle verkaufbaren Produkte mit ihrem Marktwert definiert werden. NIAflow^® betrachtet ein Material als Produkt, wenn:

• Es verlässt die Pflanze oder
• Er endet in einem Speicherobjekt, das keine weiteren Ausgangsverbindungen hat

Ein Produkt wird zu einem Verkaufsprodukt, wenn es einen Preis hat. Außerdem kann es eingerichtet werden, unabhängig davon, ob das Produkt nass verkauft wird oder nicht.

4.2 Betriebsarten

4.2.1 Allgemeines

In der Realität erfolgt der Wechsel von einer Betriebsart in eine andere in der Regel durch die Einstellung von Verteilern und reversiblen Förderbändern und/oder durch die Änderung der Rohstoffzufuhr in der Anlage. NIAflow^® bietet die gleichen Optionen. Im Folgenden werden drei Betriebsarten definiert, die hinsichtlich ihrer kommerziellen Ergebnisse bewertet werden sollen.

4.2.2 Modus ‚Aggregate‘

Es wird davon ausgegangen, dass das Rohmaterial von guter Qualität ist und ausschließlich für die Herstellung von Zuschlagstoffen für den Straßenbau verwendet werden kann. Die gesamte Produktion von verkaufsfähigen Produkten erfolgt im tertiären Teil der Anlage. Die Halden P.01 und P.02 (siehe Abbildung 5: Abbildung 5) haben keine Produktion. Das einzige Produkt, das nicht verkauft werden kann, ist der verunreinigte Feinanteil aus dem Primärsieb des Scalper.

In dieser Betriebsart ist eine Rohzufuhr in die Anlage von 260 t/h möglich, bevor das Produkt 11/16 zu viel Verschleppung entwickelt.

4.2.3 Modus ‚Recrush‘

Für diesen Modus wird angenommen, dass es keinen Markt für die Produkte 11/16 und 16/22 gibt. Dazu müssen diese verkaufsfertigen Produkte in feinere Produktspezifikationen zerkleinert werden. Wie im vorherigen Modus produziert nur der tertiäre Teil der Anlage.

Das Rohfutter kann auf etwa 215 t/h erhöht werden, bevor die folgenden Grenzen erreicht werden:

• Produkt 2/5 mit zu viel Übertrag
• VSI an der Durchsatzgrenze
• Produkte 11/16 und 16/22 außerhalb der Spezifikation. Dies ist jedoch vernachlässigbar, da sie wieder zerkleinert werden.

Erreichte oder überschrittene Grenzwerte können mit der PSD-Etikettenoption von NIAflow^® visualisiert werden. Um diese Funktion zu nutzen, müssen in den Zielspeicherobjekten der Materialien Spezifikationsgrenzen und/oder Kurven definiert werden. Auf dem Flussdiagramm kann die PSD zusammen mit den Materialanteilen bei bestimmten Grenzwerten angezeigt werden. Grenzwerte, die überschritten werden, werden in orange angezeigt.

Die folgende Abbildung zeigt den Ansatz als Beispiel für alle Betriebsarten.

4.2.4 Modus ‚Gemischt‘

Alle Splitter sind auf 50/50 eingestellt. Die maximale Rohzufuhr beträgt 290 t/h. Das erste erreichte Limit wird wieder in Produkt 11/16 übertragen. Dieser Modus bietet die höchste Rohzufuhr und nutzt den Brecher nicht zu 100% aus. Theoretisch könnte der Vorschub weiter erhöht werden, nachdem der Engpass bei Schnitt 11,2mm beseitigt wurde.

4.3 Bewertung der Betriebsarten

Die folgende Tabelle fasst die Ergebnisse der Analyse für die drei Betriebsarten zusammen.

Große Unterschiede werden bei den Produktionsraten sichtbar. Der Betriebsmodus ‚Aggregate‘ zeigt ein mittleres Produktionsniveau. Mit den niedrigsten Verschleißkosten und den besten Erträgen erzielt es den besten ROI und erreicht bereits nach 4 Jahren den Break-Even.

Der kommerziell ungünstigste Modus ist ‚Recrush‘. Das ist nicht weiter verwunderlich, denn das fertige Produkt wird wieder in ein fertiges Produkt umgewandelt, mit allen damit verbundenen Verbräuchen. Die Kosten pro Tonne liegen bei 10,6 € und damit deutlich höher als bei allen anderen Verkehrsträgern. Dementsprechend ist die Kapitalrendite viel geringer und die Gewinnschwelle kann erst nach 8,5 Jahren erreicht werden.

Der gemischte Modus hat mit 9,63 EUR/t die niedrigsten Kosten pro Tonne. Da der durchschnittliche Verkaufspreis jedoch auch der niedrigste ist, ist seine Position im Ranking der drei Modi ein guter Durchschnitt.

5 Zusammenfassung

Dieser Artikel beschreibt die Modellierung von Maschinen und Ausrüstungen von Anlagen der mineralverarbeitenden Industrie mit Hilfe der Simulationssoftware NIAflow^®. Modelle können zur Bewertung der Produktion oder zur Optimierung ganzer Anlagen verwendet werden. Mit der Funktion ‚Kosten-Nutzen-Analyse‘ lassen sich verarbeitende und kaufmännische Daten kombinieren, um profitable Strukturen und Prozesse zu schaffen.

Das allgemeine Verfahren wurde anhand eines fiktiven Pflanzenmodells demonstriert. Es wurden drei Betriebsarten definiert und analysiert.

Vorausgesetzt, dass gute Eingabedaten für die Modellierung zur Verfügung stehen, wird sich ein NIAflow^®-Projekt identisch zur realen Anlage verhalten. Es ist daher ein hervorragendes Werkzeug für die Planung und den Betrieb von Aufbereitungsanlagen.