Aktuelle Marktrends bei HPGRs im Bergbausektor

1 Einleitung

Die Energiemengen für die Erzvermahlung machen etwa 2 % des weltweiten Energieaufwands aus. Das ist zu einem immer wichtigeren Aspekt im Bergbau geworden und liegt daran, dass aufgrund abnehmender Metallgehalte in den Erzen, die Fördermengen ständig steigen. Dabei sind die in den nächsten Jahren zu erwartenden Investitionen in neue Minenbetriebe gar nicht berücksichtigt. Aktuelle Zahlen gehen davon aus, dass sich allein der weltweite Bedarf für Kupfer um 70 % bis zum Jahr 2050 erhöhen wird. Große Zuwächse werden auch für andere Metalle erwartet und auch der Bedarf für Lithium, Seltene Erden, Edelmetalle und Eisenerz wird steigen. Die für die Gewinnung nötigen Erze sind alles Mahlgüter, bei denen HPGRs (Hochdruckwalzenpressen) ihre herausragenden Eigenschaften zeigen können. Dies betrifft nicht nur den geringeren spezifischen Mahlaufwand für die Vermahlung, sondern auch verbesserte metallurgische Eigenschaften.

2 Herausforderungen im Bergbau

Nach Jahren von relativ niedrigen Investments im Bergbausektor stehen die Zeichen auf Wachstum. Der Hauptgrund sind die gewaltigen Anstrengungen für den Ausbau von sauberer Energie, um die gesetzten Klimaschutzziele zu erreichen. Eine Untersuchung der Internationalen Energie Agentur (IEA) zeigt beispielsweise, dass allein von 2021 bis 2023 Solarstrom weltweit um 85 % gestiegen ist, Windenergie um 60 % und Elektrofahrzeuge um 30 % [1]. Doch das ist erst der Beginn eines Trends, der sich insbesondere am Bedarf für kritische Mineralien ablesen lässt. Bild 1 zeigt die Entwicklung der Investitionen für die Gewinnung von Nichteisenmetallen in den letzten gut 10 Jahren, nach einer Untersuchung der IEA und der S&P Global als Datenquelle [2]. Von 2020 bis 2023 sind die Investitionen der verschiedenen Akteure in dem Sektor wieder um den Faktor 1.75 auf über 50 Mrd. US$ gestiegen. 

In aktuelleren Analysen des Beratungsunternehmens Wood Mackenzie setzt sich der Trend auch für 2025 fort [3]. Danach werden die Investitionen in dem Sektor auf über 70 Mrd. US$ steigen (Bild 2). Das wäre mehr, als jemals zuvor investiert wurde. Die in den letzten Jahren propagierte Kapitalausgabedisziplin scheint kein entscheidender Faktor mehr zu sein. Natürlich gibt es noch andere Gründe für den Anstieg der Investitionen. Ein sehr wichtiger Aspekt ist, die Anlagen stärker zu digitalisieren und KI einzusetzen, um größere Einsparungen in nahezu sämtlichen Bereichen im Bergbau zu erzielen. Einen Einblick haben wir in einer der letzten Ausgaben dieser Zeitschrift gegeben [4]. Die Fortschritte, die dort erzielt werden können, betreffen signifikant bessere Produktionsleistungen, höhere Durchsätze, einen geringeren Energieaufwand, längere Minenlaufzeiten und mehr Sicherheit. Unternehmen, die den Trend verpassen, ereilen deutliche Wettbewerbsnachteile.

Was aber ebenfalls sehr stark für die zukünftigen Investitionen ins Gewicht fällt, sind die Vorgaben, den Energieaufwand zu senken und damit auch den steigenden CO₂-Emissionen einen Einhalt zu geben. Um den Energieaufwand zu senken, können mehrere Maßnahmen zum Tragen kommen, wie verbesserte Abläufe und eine Produktionsautomatisierung bzw. -überwachung. Neben diesen Prozessabläufen zählt aber am meisten, ob es gelingt, den spezifischen Aufwand für das Zerkleinern und Vermahlen im Bergbau zu reduzieren [5; 6; 7]. In Bild 3 ist am Beispiel von Kupfererz der Zusammenhang zwischen Energieaufwand und dem Gehalt von Kupfer im Erz dargestellt [8]. Mit abnehmendem Kupfergehalt kann der Energieaufwand um ein Vielfaches zunehmen. Das ist der Fall, wenn feiner aufgemahlen werden muss und die Qualitäten des Kupfererzes abnehmen. Die bisherigen Mühlenkonzepte stoßen an ihre Grenzen. Abhilfe versprechen die HPGRs oder Hochdruckwalzenpressen bzw. Gutbettwalzenmühlen.

3 Marktentwicklung bei HPGRs

Im Vergleich zu konventionellen Mahlverfahren sind die HPGRs erst seit kürzerer Zeit auf dem Markt. Nachdem zu Beginn der 1980er Jahre eine Einführung im Zementsektor erfolgte, gibt es die Mühlen erst seit 1988 im Bergbau für die Vermahlung von Kimberlit und Eisenerz [9]. Bild 4 zeigt, wie in den ersten 15 Jahren ein Anstieg der Verkaufszahlen auf 201 Maschinen erfolgte. Die Marktführer waren Polysius mit 101 Einheiten, gefolgt von KHD Humboldt Wedag mit 56 Maschinen, Koeppern und Lee Jun mit jeweils 17 Anlagen sowie Metso, CITIC und FLSmidth, die erst später in den Markt eintraten mit insgesamt 10 Einheiten. Bild 5 lässt erkennen, für welche Mahlgüter und in welche Länder die HPGRs geordert wurden. Eisenerz bzw. Eisenerzkonzentrat führten die Materialien an mit insgesamt 93, gefolgt von Kimberlit mit 39, Kupfererz mit 36 und anderes Hartgestein mit 33 Einheiten. Wichtigste Märkte waren bis dahin China (55 Einheiten), Brasilien und Australien (je 24 Einheiten), Südafrika (17 Einheiten), Peru (14 Einheiten).

In den Jahren bis 2012 zeigte sich bereits ein Wandel zu größeren Leistungen und in der Art des Antriebs. Nach anfänglich kleineren Walzengrößen von 200 bis 500 mm, kamen immer größere Einheiten mit bis zu Walzendurchmessern von 3000 mm auf den Markt. Die Mahlaufgaben stiegen auf immer größere Durchsätze und Feinheiten und auch die typischen Applikationen von den Sekundär- zur Tertiärvermahlung änderten sich dahingehend, dass zunehmend SAG-Mühlen durch HPGRs vollständig in den Fließbildern ersetzt wurden. Anstelle von Antrieben mit festen Mahlgeschwindigkeiten kamen immer mehr Antriebe mit variablen Geschwindigkeiten (VSD) auf den Markt. Bei KHD betrug der Anteil der VSD seit der Markteinführung im Jahr 1995 bereits 85 % der bis 2012 verkauften Mühlen. Bei den anderen westlichen Herstellern von HPGRs erfolgte eine ähnliche Entwicklung. Über die chinesischen Hersteller liegen keine genauen Zahlen vor.

Für die Zeit um die Jahrtausendwende waren die Markterwartungen sehr hoch. Bis 2023 wurden aber die hohen Verkaufszahlen von über 20 Einheiten pro Jahr nicht wieder erreicht. Das hat sich jetzt geändert. 2024 verkaufte allein FLSmidth 19 neue Einheiten. FLSmidth hatte im Jahr 2022 die Sparte TK Mining und damit auch die HPGRs von Polysius übernommen. Weir Minerals hatte die HPGR-Technologie von KHD Humboldt Wedag für den Bergbausektor mit einer Lizenz bereits vollständig im Jahr 2013 übernommen. Die aktuellen installierten HPGR-Einheiten von FLSmidth einschließlich der Polysius-Mühlen sind in Bild 6 dargestellt. Wenn man diese Zahlen mit den bisherigen Daten des Unternehmens vergleicht, dann erfolgten die größten Zuwächse mit über 20 Einheiten bei den sonstigen Erzen (inkl. für die Pelletierung von Eisenerz), 17 Einheiten bei den Edelmetallen (insbesondere Gold) sowie 9 Einheiten bei den Basismetallen. Bei Kimberlit sind bei FLSmidth keine neuen Verkäufe hinzugekommen.

4 Technische Neuerungen bei HPGRs

Die neueste Generation der HPGRs (Bild 7) weist eine Reihe von Verbesserungen gegenüber konventionellen Maschinen aus. Am Mahlprinzip (Bild 8) hat sich aber nichts geändert. Das Mahlgut wird über einen Aufgabetrichter den Mahlwalzen zugeführt, von denen eine feststehend und eine beweglich ist, so dass der Spalt zwischen den Mahlwalzen eingestellt werden kann. Das Material wird beim Einzug durch die Mahlwalzen zunächst gebrochen und dann im Spalt durch hohe Mahldrücke zerkleinert. Der Abstand der Mahlwalzen wird gemäß den Mahlanforderungen durch eine Hydraulik gesteuert. Die Hy­draulikzylinder können Presskräfte je nach Größe der Maschine von über 25 000 kN aufbringen. Die entsprechenden Antriebe der Maschinen erfordern Leistungen von über 2 x 5000 kW. Der Maschinenrahmen nimmt die Loswalze und feststehende Walze sowie die hydraulischen Druckzylinder und die Walzeneinkleidung auf. Je nach Aufgabematerial sind unterschiedliche Walzenoberflächen (Vollwalzen, Bandagen oder Segmente) erforderlich.

Bei den führenden 3 Anbietern FLSmidth, Metso und Weir Minerals sind die Unterschiede nicht sofort erkennbar. Da die abrasiven Erze ein hohes Verschleißpotential besitzen, haben sich hier die auffälligsten Entwicklungen ergeben. Von Polysius wurden verschleißfeste Stollen (Bild 9) für den Bergbausektor entwickelt und anschließend von anderen Anbietern übernommen [10]. Dabei handelt es sich um in die Walzenoberfläche eingesetzte Stollen aus verschleißfestem Wolframkarbid. Um den Verschleißzustand der Stollen über die Walzenlänge zu verbessern, wurden automatische Systeme mit Seitenplatten entwickelt. Metso hat in seinen HRC^TMe Einheiten (Bild 10) eine Technik eingebaut, die den Walzendruck über die Walzenoberfläche ausgleichen und somit auch den Verschleiß vergleichmäßigen kann. Ein wichtiger Aspekt dabei ist, den Schräglauf der Walzen zu begrenzen. Hierzu werden von Metso und den anderen Herstellern inzwischen Skewing-Kontrollsysteme eingesetzt. Weir Minerals kann in seinen Enduron HPGRs (Bild 11) durch ein L/D=1 Walzenverhältnis Kanteneffekte (edge effect) noch weiter minimieren. 

5 Quantensprünge und Vergleichsanalysen

Die führenden HPGR-Hersteller geben an, mit der neuen Generation von Hochdruckpressen hohe Leistungszuwächse zu erzielen. Danach sind gegenüber den früheren Modellen Durchsatzsteigerungen um 20 % möglich und die spezifische Mahlenergie kann um weitere 15 % reduziert werden. Die Verschleißraten können gegenüber konventionellen HPGRs ebenfalls drastisch gesenkt werden, die Wartungsfreundlichkeit der Mühlen wurde verbessert und die Wartungsprozeduren vereinfacht. Die verschiedenen Fortschritte erfolgten in einer ganzen Reihe von Projekten. Eine wichtige Optimierung der Mühlen wurde in dem Projekt Cerro-Verde erzielt [11]. Es handelt sich dabei um eine Kupfermine von Freeport-McMoRan in Peru. Dort wurden bereits im Jahr 2006 die SAG-Mühlen der Sekundärvermahlung durch 4 HPGRs (Bild 12) mit Walzendurchmessern von 2,4 m x 1,7 m mit jeweils 2500 t/h Durchsatz ersetzt. Die Erkenntnisse mit diesen ersten HPGRs bei Cerro Verde wurden in die Erweiterung der Anlage eingebracht.

Im September 2009 begann die Inbetriebnahme der Golderz­aufbereitung in der Boddington-Goldmine (BGM) von New­mont in West Australien. Newmont kaufte die Anteile von AngloGold Ashanti und wurde alleiniger Eigentümer. Dabei handelt es sich um eine der größten Goldminen in Australien. Die Anlagenkapazität ist für 35 Mta Erz und die Gewinnung von 710 kOz Gold und 35 kt Kupfer ausgelegt. Dieses Jahr werden geringere Mengen von etwa 560 kOz Gold und 23 kt Kupfer gewonnen. Das dortige Erz ist eines der abrasivsten in der Bergbauindustrie und besitzt einen sehr hohen spezifischen Mahlaufwand. Die mehrstufige Brech- und Mahlanlage besteht aus 2 Primärbrechern, 6 Sekundärbrechern, 4 HPGRs und 4 Kugelmühlen. Die Durchsatzleistung beträgt 4600 t/h, die Hochdruckwalzenpressen (Bild 13) haben jeweils einen Durchmesser von 2,4 m und 1,65 m Breite. Die HPGRs laufen zur Zufriedenheit von Newmont und können als Pionieranwendung für sehr verschleißende Erze angesehen werden.

Alle führenden Hersteller haben ihre Anlagenerfahrungen genutzt, um HPGRs noch leistungsfähiger zu machen. Metso hat für die Morenci Kupfer- und Goldmine von Freeport-McMoRan in Arizona in den USA die bisher weltweit größte HPGR geliefert. Im Mai 2014 nahm dort eine HRC 3000 (Bild 14) ihren Betrieb auf und erzielte mit einer Nominalkapazität von 5400 t/h in den ersten 8400 Betriebsstunden eine Vermahlung von 34 Mt Porphyrkupfererz. Die Energieeffizienz wurde um 13.5 % verbessert. Die Einheit verfügt über ein unterstütztes Walzendesign (flanged tires), um einen möglichst homogenen Mahldruck aufzubringen. Weir Minerals hat eine HPGR der Größe 2,4 m x 2,4 m an IAMGOLD für die neue Côté Goldmine in Kanada geliefert. IAMGOLD hat für das neue Minenprojekt (Bild 15) eine Förderung seitens des Government of Canada’s Low Carbon Economy Challenge Fund erhalten. Die Weir Enduron hat in der 2. Jahreshälfte 2024 ihren kommerziellen Betrieb bei einer Förderleistung von 60 % der Nennkapazität von 37 000 t/d aufgenommen und die Erwartungen hinsichtlich Durchsatz und Energieverbrauch voll erfüllt.

Für einen Vergleich von HPGRs mit SAG- und Kugelmühlen gibt es bereits zahlreiche Untersuchungen. In einem Beitrag von Robert McIver und Kollegen [12] wurden die bestehenden Mahlkreisläufe von Kugelmühlen an der Porcupine Goldmine und der Copper Mountain Kupfermine in Kanada mit Mahlkreisläufen von HPGR-Pilotmühlen verglichen. An dem Projekt haben u.a. Andritz, FLSmidth, Koeppern, Thyssen­Krupp und Weir Minerals teilgenommen. Die Vergleiche zwischen Kugelmühle und HPGR erfolgten anhand von Arbeitsindexeffizienz- und Funktionsleistungsanalysen. Bild 16 zeigt den Kern der Ergebnisse, die die hohen Energieeinsparungen von HPGRs verdeutlichen. Eine andere Untersuchung stammt von Ivka Lovatt und Kollegen [13], wo zwei existierende Mahlkreisläufe der Tropicana Goldmine und der Gruyere Goldmine in Australien miteinander verglichen werden. In beiden Fällen wird nahezu identisches Erz verarbeitet. Bei Tropicana wird eine Köppern-HPGR im Mahlkreislauf eingesetzt, bei Gruyere eine SAG-Mühle von Outotec. Bild 17 und Bild 18 zeigen den Vergleich des spezifischen Mahlaufwands sowie der CapEx- and Opex-Kosten. Die Ergebnisse dabei sind mehr als deutlich und benötigen keinen Kommentar.

6 Ausblick

Nach Informationen der HPGR-Lieferanten über die in den letzten zwei Jahren stark steigenden Projektzahlen sollten die jährlich verkauften HPGR-Mühlen zumindest in den nächsten 5 bis 7 Jahren wieder auf über 20 Einheiten anwachsen. HPGRs liefern die größten Energieeinsparungen bei der Vermahlung im Bergbau. Allerdings werden HPGRs anders als im Zementsektor nicht für die Fertigvermahlung in Frage kommen und damit Nassmühlen verdrängen. Energetisch ungünstige Kugelmühlen für die Nassvermahlung können dabei aber durch sparsame Nass-Vertikalmühlen und Horizontalmühlen (IsaMills^TM) [14] ersetzt werden. Bild 19 zeigt ein Fließbild mit einer Kombination aus HPGR und Towermills von FLSmidth. Eine derartige Kombination kann als das Nonplusultra bei der Energieeinsparung in der Erzaufbereitung angesehen werden. Es wäre erfreulich, wenn das Beispiel mehr Schule macht als wichtiger Baustein zur Energie- und CO₂-Einsparung im Bergbau.