Warum Ihre Zirkonoidkugeln immer wieder zerbrechen und das Sieb in Feinstmühlen verstopfen

Ich habe zwölf Jahre in Nassmühlen in der Umgebung von Shanghai verbracht – in Pigmentwerken in Songjiang, in Betrieben für elektronische Keramik und an einigen Produktionslinien für Batteriematerialien in den Außenindustrieparks. Die häufigste Beschwerde bei Zirkonoxidkugeln ist nicht, dass sie sich zu schnell abnutzen. Vielmehr geht es darum, dass die Kugeln zerbrechen, das Austragssieb verstopft, die Mühle ausfällt oder das Produkt grobe Splitter aufnimmt. In neun von zehn Fällen handelt es sich bei der Charge um yttriumoxidstabilisierte Zirkonoxid-Mahlkugeln mit einer großen Korngrößenstreuung oder einem für die Umfangsgeschwindigkeit und Viskosität falschen Durchmesser.

Y-TZP-Kugeln sind dicht – etwa 6,0 g/cm³ – und aufgrund der Umwandlungsverfestigung zäh. In einer ordnungsgemäß beladenen Perlenmühle übertragen sie pro Kollision mehr Energie als Aluminiumoxid und geben nur sehr wenig Material ab. Die Verschleißraten im Labor liegen bei gutem 0,8–1,2 mm Y-TZP in Standard-Slurry-Tests oft deutlich unter 0,01% pro Stunde, und die Verunreinigung durch Eisen oder Aluminiumoxid bleibt gering. Das Problem tritt auf, wenn die Korngrößenverteilung breit ist oder die Perlen für die Mühle zu groß sind. Größere Perlen verfügen über mehr kinetische Energie. Ist die Viskosität der Aufschlämmung hoch oder die Beladung nicht optimal, prallen sie so hart gegen das Sieb oder gegeneinander, dass sie absplittern. Sobald sich Splitter bilden, wirken diese als zusätzliches Schleifmittel, der Verschleiß beschleunigt sich und der Separator verstopft. Ich habe Mühlen in Betrieb genommen, bei denen die Hälfte der Charge noch rund war und die andere Hälfte aus Bruchstücken bestand, die dort niemals hätten sein dürfen.

Letztes Jahr habe ich einen Versuch in einer Pigmentmühle in Songjiang durchgeführt. Dort wurde eine organische Pigmentsuspension mit hohem Feststoffgehalt – etwa 55–60% Feststoffe – in einer horizontalen Perlmühle mit 0,8 mm Nennmaß der Mahlkörper gemahlen, wobei ein D90-Wert unter 5 µm angestrebt wurde. Die bisher verwendeten Zirkoniumdioxid-Mahlkugeln waren mit 0,6–1,0 mm Y-TZP gekennzeichnet, doch als wir eine Probe siebten, reichte die tatsächliche Korngrößenverteilung von etwa 0,4 mm bis 1,4 mm, mit einem deutlichen Anteil größerer Zirkoniumdioxid-Kugeln am Ende der Verteilung. Nach 40 Stunden stieg der Differenzdruck am Sieb an, und wir fanden zerbrochene Kugeln und Splitter im Austrag. Der gemessene Verschleiß an den noch intakten ganzen Kugeln war zwar mit etwa 0,008% nach Gewicht immer noch gering – doch die Bruchrate machte die Mühle unbrauchbar. Labor-Bruchversuche an den größeren Kügelchen aus dieser Charge zeigten, dass diese bereits bei geringeren Belastungen versagten als eine Referenzsorte mit einer engeren Korngrößenverteilung von 0,8 mm, die wir zur Verfügung hatten.

Wir wechselten zu einer 0,8-mm-Y-TZP-Füllung mit enger Korngrößenverteilung, gleicher Dichte und gleicher Nennzusammensetzung. Die Füllrate wurde gemäß der Empfehlung des Mühlenherstellers beibehalten, und wir achteten auf die Viskosität, damit die Zirkonoxidkügelchen in Suspension blieben, ohne sich zu verdichten. Nach weiteren 40 Stunden blieb das Sieb sauber, es waren keine messbaren Splitter im Produkt vorhanden, und der Verschleiß der Kügelchen betrug 0,006–0,0071 TP3T. Der Durchsatz stieg, da wir längere Zeiträume zwischen den Reinigungen fahren konnten. Die Kontaminationsprüfungen (ICP an der Aufschlämmung) lagen bei Zirkonium im niedrigen ppm-Bereich, was für dieses Pigment akzeptabel war. Die Anlage hielt danach die engeren Korngrößenspezifikationen ein.

Die Dichte und Zähigkeit hochwertiger, mit Yttriumoxid stabilisierter Zirkonoxid-Mahlkugeln sind echte Vorteile beim Feinmahlen. Sie ermöglichen den Einsatz kleinerer Mahlkörper, ohne dass die Energieübertragung auf die Partikel beeinträchtigt wird, und die Abnutzungsrate bleibt gering, sodass nicht ständig Metall- oder Keramikstaub nachgefüllt werden muss. Diese Vorteile gehen jedoch verloren, wenn die Kugeln zerbrechen. Eine breite Korngrößenverteilung oder Perlen, die für die Umfangsgeschwindigkeit zu groß sind, verwandeln die Charge in eine Spänequelle statt in ein Mahlwerkzeug. Der Verschleißvergleich zwischen Zirkonoxid- und Aluminiumoxid-Perlen sieht auf dem Datenblatt hervorragend aus; in der Mühle trifft dieser Vergleich jedoch nur zu, wenn das Zirkonoxid intakt bleibt.

Ein paar Dinge, die ich vor Ort überprüfe: Sieben Sie eine Probe jeder neuen Charge – verlassen Sie sich nicht allein auf das Etikett auf dem Sack. Passen Sie den Durchmesser der Zirkonoxidkugeln an den Spalt des Separators und die angestrebte Feinheit an; ein größerer Durchmesser hilft selten und führt oft zu erhöhtem Bruch. Halten Sie den Feststoffgehalt und die Viskosität in dem Bereich, für den die Mühle ausgelegt ist, damit sich die Kugeln nicht verpacken oder gegen das Sieb schlagen. Und wenn Ihre feinen Zirkonoxid-Mahlkörper den Auslass verstopfen oder Splitter im Produkt hinterlassen, messen Sie die Korngrößenverteilung und suchen Sie nach Brüchen, bevor Sie die Aufschlämmung oder die Mahlgeschwindigkeit dafür verantwortlich machen. In der Pigmentlinie in Songjiang führte die Umstellung auf eine schmale 0,8-mm-Chargengröße dazu, dass der Bruch aufhörte und sich die geringe Verschleißrate des Y-TZP tatsächlich in längeren Laufzeiten zeigte. Die meisten Mühlen, die ich hier in der Gegend sehe, erzielen das gleiche Ergebnis, sobald sie aufhören, alle Zirkonoxidkugeln als identisch zu behandeln, und anfangen zu prüfen, welche Größe tatsächlich in der Kammer vorhanden ist.