As ore grades decline, waste rock to ore ratios increase and mines become progressively deeper mining operations face challenges in more complex scenarios. Today´s predominant means of material transport in hard-rock surface mines are conventional mining trucks however despite rationalisation efforts material transportation cost increased significantly over the last decades and currently reach up to 60% of overall mining. Thus, considerations and efforts to reduce overall mining costs, promise highest success when focusing on the development of more economic material transport methods. Semi-mobile in-pit crusher and conveyor (SMIPCC) systems represent a viable, safer and less fossil fuel dependent alternative however its viability is still highly argued as inadequate methods for the long term projection of system capacity leads to high uncertainty and consequently higher risk. Therefore, the objective of this thesis is to develop a structured method for the determination of In-pit crusher and conveyor SMIPCC system that incorporates the random behaviour of system elements and their interaction. The method is based on a structured time usage model specific to SMIPCC system supported by a stochastic simulation. The developed method is used in a case study based on a hypothetical mine environment to analyse the system behaviour with regards to time usage model component, system capacity, and cost as a function of truck quantity and stockpile capacity. Furthermore, a comparison between a conventional truck & shovel system and SMIPCC system is provided. Results show that the capacity of a SMIPCC system reaches an optimum in terms of cost per tonne, which is 24% (22 cents per tonne) lower than a truck and shovel system. In addition, the developed method is found to be effective in providing a significantly higher level of information, which can be used in the mining industry to accurately project the economic viability of implementing a SMIPCC system.

Für die Weich- und Mittelhartzerkleinerung von Primär- und Sekundärrohstoffen werden zunehmend Profilwalzenbrecher eingesetzt. Trotz relativ geringer Zerkleinerungsgrade zeichnen sie sich durch einen geringen spezifischen Leistungsbedarf, hohe Durchsätze, eine einfache Konstruktion und Instandhaltung sowie eine störungsfreie Betriebsweise aus und sind auch bei adhäsivem Aufgabematerial anwendbar. Trotz der Bedeutung dieser Maschinen gibt es bisher nur unzureichende Auslegungsmethoden. Die theoretisch begründete Modellierung der Zerkleinerung in markant profilierten Walzenbrechern ist deshalb Gegenstand dieser Arbeit, um dadurch die Dimensionierungsgrundlagen zu verbessern und Einsatzmöglichkeiten in der Hartzerkleinerung abzuschätzen. Dazu werden im Rahmen einer Systembetrachtung zunächst die wesentlichen Prozessparameter der Zerkleinerung ermittelt und die Bauarten von Profilwalzenbrechern klassifiziert (Kapitel 2). Die Darstellung der bekannten Berechnungsmodelle für die Hauptzielgrößen „Grenzdurchsatz“, „Produktgranulometrie“ und „Leistungsbedarf“ ist Gegenstand von Kapitel 3. Darauf aufbauend wird in Kapitel 4 ein neues, physikalisch begründetes Auslegungsmodell vorgestellt und das Untersuchungsfeld hinsichtlich der zu analysierenden Aufgabestoffart und Maschinengeometrie eingegrenzt. Die für dieses Modell erforderlichen Zerkleinerungstest- und Simulationsergebnisse werden in Kapitel 5 und 6 dargestellt, bevor die Arbeit in Kapitel 7 mit einer Zusammenfassung und einem Ausblick abschließt.

Zur Auslegung von profilierten Doppelwalzenbrechern werden bisher recht einfache Modelle verwendet, wobei wichtige Einflussfaktoren unberücksichtigt bleiben. Daher werden im Rahmen dieser Dissertation auf Basis experimenteller Untersuchungen verbesserte Auslegungsmodelle für die wichtigsten Zielgrößen von Doppelwalzenbrechern entwickelt, welche präzisere Prognosen ermöglichen. Das Versuchsprogramm sieht dabei die Variation von Aufgabematerial sowie –partikelgröße, Walzenumfangsgeschwindigkeit und Spaltweite in einem großen Wertebereich vor. Das zur Prognose der Produktpartikelgrößenverteilung entwickelte Modell basiert dabei auf der Swebrec-Funktion. Mit diesem lässt sich abhängig von der Spaltweite und der Aufgabepartikelgrößenverteilung die Produktpartikelgrößenverteilung bestimmen. Des Weiteren kann mit Hilfe des in dieser Arbeit aufgestellten Bilanzmodells der Grenzmassedurchsatz unter Kenntnis der Masse¬anteile für beliebige Mischungen von Einzelfraktionen prognostiziert werden. Dabei werden auch übergroße, nicht sofort einziehbare Partikel berücksichtigt, welche den Durchsatz signifikant senken können.

As ore grades decline, waste rock to ore ratios increase and mines become progressively deeper mining operations face challenges in more complex scenarios. Today´s predominant means of material transport in hard-rock surface mines are conventional mining trucks however despite rationalisation efforts material transportation cost increased significantly over the last decades and currently reach up to 60% of overall mining. Thus, considerations and efforts to reduce overall mining costs, promise highest success when focusing on the development of more economic material transport methods. Semi-mobile in-pit crusher and conveyor (SMIPCC) systems represent a viable, safer and less fossil fuel dependent alternative however its viability is still highly argued as inadequate methods for the long term projection of system capacity leads to high uncertainty and consequently higher risk. Therefore, the objective of this thesis is to develop a structured method for the determination of In-pit crusher and conveyor SMIPCC system that incorporates the random behaviour of system elements and their interaction. The method is based on a structured time usage model specific to SMIPCC system supported by a stochastic simulation. The developed method is used in a case study based on a hypothetical mine environment to analyse the system behaviour with regards to time usage model component, system capacity, and cost as a function of truck quantity and stockpile capacity. Furthermore, a comparison between a conventional truck & shovel system and SMIPCC system is provided. Results show that the capacity of a SMIPCC system reaches an optimum in terms of cost per tonne, which is 24% (22 cents per tonne) lower than a truck and shovel system. In addition, the developed method is found to be effective in providing a significantly higher level of information, which can be used in the mining industry to accurately project the economic viability of implementing a SMIPCC system.

In vielen Bereichen der Tagebautechnik spielt die Zerkleinerung von Material/ -strömen eine wesentliche Rolle, wobei sich je nach Material verschiedene Anforderungen an das Brechersystem ergeben. In Folge dessen werden Brecher auftragsspezifisch, meist für einen speziellen Gesteinstyp oder Einsatzort entwickelt oder modifiziert. Eine aussagekräftige Prognose der im Bruchprozess auftretenden Lasten auf den Brecher ist somit essentieller Bestandteil im Entwicklungsprozess. Ein viel versprechender Ansatz, um das Materialverhalten in der Lastprognose zu berücksichtigen, ist die numerische Simulation des Materialbruchverhaltens mit Hilfe der Diskreten-Elemente-Methode (DEM). Das Verhalten der sogenannten Partikel wird über Kontakt- und bond-Modelle beschrieben und soll das makroskopische Verhalten des jeweiligen Gesteins möglichst realitätsnah abbilden. Die Problematik ist, dass in SimulationX® keine Module zur DEM-Simulation vorhanden sind und umgekehrt in der DEM-Simulationsumgebung LIGGGHTSG® (LAMMPS improved for general granular and granular heat transfer simulations) keine derartige Maschinensimulation möglich ist. Der Ausweg ist die Co-Simulation zweier unterschiedlicher Simulationsumgebungen durch die Nutzung des ,,Functional Mock-Up Interface“-Standards (FMI). Berechnungsergebnis sind die dynamischen Lasten auf den Brecher unter Berücksichtigung des Materialverhaltens. Somit können früher in der Brecherentwicklung Prognosen zu auftretenden Lasten getroffen und Einflussuntersuchungen von Maschinenkonfigurationen zur Effizienzsteigerungen durchgeführt werden, was zuvor auf Grund des Einzelanfertigungscharakters nicht möglich oder nicht wirtschaftlich war.

Für die Weich- und Mittelhartzerkleinerung von Primär- und Sekundärrohstoffen werden zunehmend Profilwalzenbrecher eingesetzt. Trotz relativ geringer Zerkleinerungsgrade zeichnen sie sich durch einen geringen spezifischen Leistungsbedarf, hohe Durchsätze, eine einfache Konstruktion und Instandhaltung sowie eine störungsfreie Betriebsweise aus und sind auch bei adhäsivem Aufgabematerial anwendbar. Trotz der Bedeutung dieser Maschinen gibt es bisher nur unzureichende Auslegungsmethoden. Die theoretisch begründete Modellierung der Zerkleinerung in markant profilierten Walzenbrechern ist deshalb Gegenstand dieser Arbeit, um dadurch die Dimensionierungsgrundlagen zu verbessern und Einsatzmöglichkeiten in der Hartzerkleinerung abzuschätzen. Dazu werden im Rahmen einer Systembetrachtung zunächst die wesentlichen Prozessparameter der Zerkleinerung ermittelt und die Bauarten von Profilwalzenbrechern klassifiziert (Kapitel 2). Die Darstellung der bekannten Berechnungsmodelle für die Hauptzielgrößen „Grenzdurchsatz“, „Produktgranulometrie“ und „Leistungsbedarf“ ist Gegenstand von Kapitel 3. Darauf aufbauend wird in Kapitel 4 ein neues, physikalisch begründetes Auslegungsmodell vorgestellt und das Untersuchungsfeld hinsichtlich der zu analysierenden Aufgabestoffart und Maschinengeometrie eingegrenzt. Die für dieses Modell erforderlichen Zerkleinerungstest- und Simulationsergebnisse werden in Kapitel 5 und 6 dargestellt, bevor die Arbeit in Kapitel 7 mit einer Zusammenfassung und einem Ausblick abschließt.:Symbolverzeichnis III Tabellenverzeichnis XX Abbildungsverzeichnis XXI 1 Einleitung und Problemstellung 1 2 Systemanalyse von Profilwalzenbrechern 3 2.1 Einfluss- und Zielgrößen von Profilwalzenbrechern 3 2.2 Systematisierung und Einordnung von Profilwalzenbrechern 7 2.2.1 Klassifizierung von Profilwalzenbrechern 8 2.2.1.1 Klassifizierung nach konstruktiven Maschinenparametern 9 2.2.1.2 Klassifizierung nach der Belastungsart 18 2.2.2 Abgrenzung von Profilwalzenbrechern 25 3 Erkenntnisstand zur Zerkleinerung in Profilwalzenbrechern 29 3.1 Wertebereiche der Einfluss- und Zielgrößen von Profilwalzenbrechern 29 3.2 Auslegungsmodelle von Profilwalzenbrechern 32 3.2.1 Ermittlung des Grenzdurchsatzes 32 3.2.1.1 Einzugsbedingung für das Einzelkorn 32 3.2.1.2 Theoretisch begründete Ansätze für den Grenzdurchsatz 38 3.2.1.3 Empirische Ansätze für den Grenzdurchsatz 47 3.2.2 Ermittlung der Produktkorngrößenverteilung 49 3.2.3 Ermittlung des Leistungsbedarfs 54 3.2.3.1 Theoretisch begründete Ansätze für den Leistungsbedarf 57 3.2.3.2 Empirische Ansätze für den Leistungsbedarf 68 3.3 Wertung des Erkenntnisstandes und Präzisierung der Aufgabenstellung 75 4 Neues Auslegungsmodell für Profilwalzenbrecher 77 4.1 Aufbau des Modells 77 4.2 Voruntersuchungen zu den Einflussgrößen des Modells 78 4.2.1 Analyse maschinenbezogener Parameter 78 4.2.1.1 Primäroptimierung der Profilwalzengeometrie 79 4.2.1.2 Sekundäroptimierung der Profilwalzengeometrie 86 4.2.2 Analyse aufgabestoffbezogener Parameter 95 4.2.3 Analyse systembezogener Parameter 99 4.3 Bestimmung der Zielgrößen des Modells 101 4.3.1 Simulation der Einzelkornzerkleinerung in einem Modellwalzenbrecher 101 4.3.2 Aggregation der Simulationsergebnisse auf die Massestromzerkleinerung 102 4.3.3 Skalierung der Simulationsergebnisse auf den Originalwalzenbrecher 110 5 Zerkleinerungsversuche für das neue Auslegungsmodell 115 5.1 Grundlagen zur Einzelkorndruckzerkleinerung 115 5.1.1 Physikalische Beschreibung von Deformations- und Bruchprozessen 115 5.1.2 Empirische Analyse von Deformations- und Bruchprozessen 121 5.1.2.1 Einfluss- und Zielgrößen der Einzelkorndruckzerkleinerung 121 5.1.2.2 Korngrößeneffekt der Einzelkorndruckzerkleinerung 124 5.1.2.2.1 Versuchsergebnisse zum Korngrößeneffekt 124 5.1.2.2.2 Mathematisch-statistische Ansätze zum Korngrößeneffekt 128 5.2 Experimentelle Untersuchungen zur Einzelkorndruckzerkleinerung 132 5.2.1 Aufbau der Versuchsapparaturen 132 5.2.2 Durchführung der Versuche 134 5.2.3 Auswertung der Versuche 136 6 DEM-Simulationen für das neue Auslegungsmodell 141 6.1 Grundlagen zur DEM-Simulation 141 6.1.1 Beschreibung der DEM 141 6.1.2 Bisherige DEM-Simulationen von Zerkleinerungsprozessen 151 6.2 Kalibrierung des DEM-Gesteinsmodells 154 6.2.1 Statistische Simulationsplanung 156 6.2.2 Simulationsdurchführung 159 6.2.3 Voroptimierung 161 6.2.4 Nachoptimierung 164 6.3 Walzenbrechersimulationen mit dem kalibrierten DEM-Gesteinsmodell 166 6.3.1 Aufbau des Walzenbrechersimulationsprogramms 166 6.3.2 Ergebnisse der Walzenbrechersimulationen 169 6.3.2.1 Simulationsergebnisse zum Massedurchsatz des Walzenbrechers 169 6.3.2.2 Simulationsergebnisse zur Produktkorngrößenverteilung des Walzenbrechers 171 6.3.2.3 Simulationsergebnisse zum Leistungsbedarf des Walzenbrechers 174 7 Zusammenfassung und Ausblick 178 Literaturverzeichnis XXIV Anlagenverzeichnis XXXV

In vielen Bereichen der Tagebautechnik spielt die Zerkleinerung von Material/ -strömen eine wesentliche Rolle, wobei sich je nach Material verschiedene Anforderungen an das Brechersystem ergeben. In Folge dessen werden Brecher auftragsspezifisch, meist für einen speziellen Gesteinstyp oder Einsatzort entwickelt oder modifiziert. Eine aussagekräftige Prognose der im Bruchprozess auftretenden Lasten auf den Brecher ist somit essentieller Bestandteil im Entwicklungsprozess. Ein viel versprechender Ansatz, um das Materialverhalten in der Lastprognose zu berücksichtigen, ist die numerische Simulation des Materialbruchverhaltens mit Hilfe der Diskreten-Elemente-Methode (DEM). Das Verhalten der sogenannten Partikel wird über Kontakt- und bond-Modelle beschrieben und soll das makroskopische Verhalten des jeweiligen Gesteins möglichst realitätsnah abbilden. Die Problematik ist, dass in SimulationX® keine Module zur DEM-Simulation vorhanden sind und umgekehrt in der DEM-Simulationsumgebung LIGGGHTSG® (LAMMPS improved for general granular and granular heat transfer simulations) keine derartige Maschinensimulation möglich ist. Der Ausweg ist die Co-Simulation zweier unterschiedlicher Simulationsumgebungen durch die Nutzung des ,,Functional Mock-Up Interface“-Standards (FMI). Berechnungsergebnis sind die dynamischen Lasten auf den Brecher unter Berücksichtigung des Materialverhaltens. Somit können früher in der Brecherentwicklung Prognosen zu auftretenden Lasten getroffen und Einflussuntersuchungen von Maschinenkonfigurationen zur Effizienzsteigerungen durchgeführt werden, was zuvor auf Grund des Einzelanfertigungscharakters nicht möglich oder nicht wirtschaftlich war.

This thesis addresses the mechanical recycling of lithium-ion batteries, more precisely the influences on the first process stage of the process developed at TU Bergakademie Freiberg. The recycling of lithium-ion batteries becomes more important with the increasing number of electric vehicles due to the transition in the transport sector. To achieve the new recycling targets introduced by the European Union in 2023, mechanical recycling in combination with hydrometallurgical treatment is the one option that gains more and more importance. The investigated process employs a two-stage comminution, classification and separation process. This thesis focuses only on the first stage and investigates possible variations of input materials and machine settings as well as an additional subprocess and their impact on the products. The varied parameters are the depth of discharge of the battery cells, an additional thermal pre-treatment at different temperatures, a variation of the crusher discharge grid size and the drying temperature after crushing. Furthermore, the robustness of the process was tested with various cell types to ensure its effectiveness with different inputs. Generally speaking, the process consists of a comminution followed by drying and separation of the liberated coatings by sieving as so-called black mass. The coarse fraction is further treated by air classification to produce three products: separator, electrodes and casing fraction. The influence of the different parameters is analysed regarding the crushing in terms of required specific stress energy and particle size distribution of the crushing product. The products of the air classifier and the black mass are analysed regarding their composition to evaluate the product quality and to calculate the recovery rates. Finally, recommendations are given for an optimisation of this part of the mechanical recycling process.:1. Introduction 2. Lithium-ion batteries 3. Mechanical recycling of lithium-ion batteries 3.1. Legal conditions 3.2. Market situation 3.3. Health and safety 3.4. Processing 3.4.1. Discharge 3.4.2. Comminution 3.4.3. Thermal treatment 3.4.4. Separation 3.4.5. Hydrometallurgy 4. Materials, methodology and preliminary tests 4.1. Materials 4.1.1. Investigated cell types 4.1.2. Materials for preliminary tests 4.1.3. Materials used in the publications 4.2. Methodology and preliminary tests 4.2.1. Recycling process and machines 4.2.2. Analysis Methods 4.2.3. Calculations 5. Data 6. Conclusion and outlook References Publications Appendix / Die vorliegende Arbeit befasst sich mit dem mechanischen Recycling von Lithium-Ionen-Batterien, genauer gesagt mit den Einflüssen auf die erste Prozessstufe des an der TU Bergakademie Freiberg entwickelten Verfahrens. Das Recycling von Lithium-Ionen-Batterien wird mit der zunehmenden Anzahl von Elektrofahrzeugen aufgrund des Wandels im Verkehrssektor immer wichtiger. Um die neuen Recyclingziele der Europäischen Union zu erreichen, gewinnt das mechanische Recycling in Kombination mit einer hydrometallurgischen Behandlung immer mehr an Bedeutung. Der untersuchte Prozess basiert auf einem zweistufigen Zerkleinerungs- und Trennungsverfahren. Diese Arbeit konzentriert sich nur auf die Primärstufe und untersucht mögliche Variationen des Inputs und der Einstellungen sowie die Erweiterung um einen zusätzlichen Teilprozess und die sich daraus ergebenen Auswirkungen auf die Produkte. Die veränderten Parameter sind die Entladetiefe, eine zusätzliche thermische Vorbehandlung bei unterschiedlichen Temperaturen, eine Variation der Rostweite im Austrag des Zerkleinerers und die Trocknungstemperatur nach dem Zerkleinern. Zusätzlich wird der Prozess mit verschiedenen Zelltypen auf seine Robustheit bei unterschiedlichen Aufgabematerialien getestet. Der Prozess besteht aus einer Zerkleinerung mit anschließender Trocknung und einer Abtrennung der aufgeschlossenen Beschichtungen durch Absiebung als so genannte Schwarzmasse. Die Grobfraktion wird mit einer Aerostromsortierung weiterverarbeitet, um drei Produkte zu erzeugen: Separator-, Elektroden- und Gehäusefraktion. Der Einfluss der verschiedenen Parameter auf die Zerkleinerung wird im Hinblick auf die erforderliche spezifische Beanspruchungsenergie und die Partikelgrößenverteilung des Zerkleinerungsprodukts analysiert. Die Produkte des Windsichters und die Schwarzmasse werden hinsichtlich ihrer Zusammensetzung analysiert um die Produktqualität zu bewerten und das Wertstoffausbringen zu berechnen. Abschließend werden Empfehlungen für eine Optimierung des mechanischen Recyclingprozesses gegeben.:1. Introduction 2. Lithium-ion batteries 3. Mechanical recycling of lithium-ion batteries 3.1. Legal conditions 3.2. Market situation 3.3. Health and safety 3.4. Processing 3.4.1. Discharge 3.4.2. Comminution 3.4.3. Thermal treatment 3.4.4. Separation 3.4.5. Hydrometallurgy 4. Materials, methodology and preliminary tests 4.1. Materials 4.1.1. Investigated cell types 4.1.2. Materials for preliminary tests 4.1.3. Materials used in the publications 4.2. Methodology and preliminary tests 4.2.1. Recycling process and machines 4.2.2. Analysis Methods 4.2.3. Calculations 5. Data 6. Conclusion and outlook References Publications Appendix