Proč se vám v jemných mlýnech neustále lámou zirkonové kuličky a ucpávají síto

Strávil jsem dvanáct let v mokrých mlýnech v okolí Šanghaje – v továrnách na pigmenty v Songjiangu, v závodech na elektronickou keramiku a na několika výrobních linkách na materiály pro baterie v průmyslových zónách na okraji města. Nejčastější stížnost ohledně zirkonových kuliček není to, že by se opotřebovávaly příliš rychle. Jde o to, že se kuličky lámou, ucpává se výstupní síto, mlýn se vypíná nebo se do produktu dostávají hrubé úlomky. V devíti případech z deseti se jedná o mlecí kuličky ze zirkonu stabilizovaného yttriem s velkým rozptylem velikostí nebo s nesprávným průměrem vzhledem k obvodové rychlosti a viskozitě.

Kuličky z Y-TZP jsou husté, mají hustotu přibližně 6,0 g/cm³, a díky transformaci jsou velmi houževnaté. Ve správně naplněném kuličkovém mlýnu přenášejí při každém nárazu více energie než oxid hlinitý a uvolňují jen velmi málo materiálu. Míra opotřebení v laboratoři u kvalitních kuliček Y-TZP o velikosti 0,8–1,2 mm se při standardních testech s kaší často pohybuje hluboko pod 0,01% za hodinu a kontaminace železem nebo oxidem hlinitým zůstává nízká. Problém se objeví, když je rozložení velikosti široké nebo jsou kuličky pro mlýn příliš velké. Větší kuličky nesou více kinetické energie. Pokud je viskozita suspenze vysoká nebo není správně naplněno, narážejí do síta nebo do sebe navzájem tak silně, že se odštípnou. Jakmile se vytvoří odštípky, působí jako další abrazivní látka, opotřebení se zrychluje a separátor se ucpává. Otevřel jsem mlýny, kde polovina náplně byla stále kulatá a druhá polovina tvořila zlomené kousky, které tam nikdy neměly být.

V loňském roce jsem provedl zkušební provoz v továrně na pigmenty v Songjiangu. Tam se v horizontálním perlovém mlýnu s médii o jmenovité velikosti 0,8 mm mlela suspenze organického pigmentu s vysokým obsahem pevných látek (přibližně 55–60%), přičemž cílem bylo dosáhnout hodnoty D90 pod 5 µm. Zirkoniové kuličky, které dosud používali, byly označeny jako 0,6–1,0 mm Y-TZP, ale když jsme vzorek prosévali, skutečné rozmezí se pohybovalo od asi 0,4 mm do 1,4 mm, přičemž byl patrný podíl větších zirkoniových kuliček. Po 40 hodinách stoupl diferenční tlak na síto a ve výstupu jsme našli rozbité kuličky a úlomky. Naměřené opotřebení u celých kuliček, které zůstaly neporušené, bylo stále nízké – kolem 0,008% podle hmotnosti –, ale míra lámavosti způsobila, že mlýn byl nepoužitelný. Laboratorní zkoušky lomové pevnosti na větších kuličkách z této šarže ukázaly, že selhaly při nižších zatíženích než referenční třída s užším rozmezím 0,8 mm, kterou jsme měli k dispozici.

Přešli jsme na náplň Y-TZP s úzkým rozložením velikosti částic 0,8 mm, se stejnou hustotou a stejným nominálním chemickým složením. Rychlost plnění byla udržována podle doporučení výrobce mlýna a sledovali jsme viskozitu tak, aby kuličky zirkonu zůstaly v suspenzi bez shlukování. Po dalších 40 hodinách zůstalo síto čisté, v produktu nebyly žádné měřitelné úlomky a opotřebení kuliček činilo 0,006–0,0071 TP3T. Průchodnost se zvýšila, protože jsme mohli prodloužit intervaly mezi čištěním. Kontroly kontaminace (ICP v suspenzi) se u zirkonia pohybovaly v nízkém rozsahu ppm, což bylo pro tento pigment přijatelné. Závod poté dodržoval přísnější specifikaci velikosti částic.

Hustota a houževnatost kvalitních brusných kuliček ze zirkonu stabilizovaného yttriem představují skutečné výhody pro jemné mletí. Umožňují používat menší brusné kuličky a přesto dodávat energii do částic, přičemž míra opotřebení zůstává nízká, takže není nutné neustále doplňovat kovový nebo keramický prach. Tyto výhody však mizí, pokud se kuličky rozbijí. Široké rozložení velikostí nebo kuličky, které jsou příliš velké pro obvodovou rychlost, promění náplň v zdroj třísek namísto brusného nástroje. Porovnání opotřebení zirkonových kuliček s hliníkovými vypadá v technickém listu skvěle; v mlýnu však toto srovnání platí pouze tehdy, když zirkon zůstane neporušený.

Několik věcí, které kontroluji přímo na místě. Proosejte vzorek z každé nové šarže – nespoléhejte se pouze na štítek na pytli. Přizpůsobte průměr zirkonových kuliček mezeře separátoru a požadované jemnosti; větší kuličky málokdy pomohou a často zvyšují jejich lámavost. Udržujte obsah pevných látek a viskozitu v rozmezí, pro které byl mlýn navržen, aby se kuličky nehromadily ani nenarážely do síta. A pokud vaše zirkoniové médium pro jemné mletí ucpává výstup nebo se v produktu objevují úlomky, změřte velikostní rozložení a zkontrolujte, zda nejsou kuličky zlomené, než začnete vinit kaši nebo rychlost mlýna. Na lince na výrobu pigmentů v Songjiangu přechod na úzké kuličky o průměru 0,8 mm zastavil lámání a umožnil, aby se nízká míra opotřebení materiálu Y-TZP skutečně projevila při delších provozních cyklech. Většina mlýnů, které zde vidím, dosahuje stejného výsledku, jakmile přestanou považovat všechny zirkonové kuličky za identické a začnou kontrolovat, jaká velikost se ve skutečnosti nachází v komoře.