Por qué las bolas de circonio se rompen constantemente y obstruyen el tamiz en los molinos de molienda fina

He pasado doce años en plantas de molienda húmeda en los alrededores de Shanghái: fábricas de pigmentos en Songjiang, talleres de cerámica electrónica y un par de líneas de producción de materiales para baterías en los parques industriales de las afueras. La queja más habitual con respecto a las bolas de circonio no es que se desgasten demasiado rápido. Es que las bolas se rompen, la rejilla de descarga se obstruye y el molino se para, o bien el producto acaba con fragmentos gruesos. Nueve de cada diez veces, la carga consiste en bolas de molienda de circonio estabilizado con itria con una amplia variación de tamaño o con un diámetro inadecuado para la velocidad periférica y la viscosidad.

Las bolas de Y-TZP son densas —aproximadamente 6,0 g/cm³— y resistentes gracias al endurecimiento por transformación. En un molino de perlas correctamente cargado, transfieren más energía por colisión que la alúmina y desprenden muy poco material. Las tasas de desgaste en laboratorio con perlas de Y-TZP de buena calidad, de 0,8–1,2 mm, suelen situarse muy por debajo de 0,01% por hora en ensayos estándar con suspensión, y la contaminación por hierro o alúmina se mantiene baja. El problema surge cuando la distribución granulométrica es amplia o las bolas son demasiado grandes para el molino. Las bolas más grandes transportan más energía cinética. Si la viscosidad de la suspensión es elevada o el llenado no es el adecuado, chocan contra la rejilla o entre sí con tanta fuerza que se astillan. Una vez que se forman las astillas, actúan como un abrasivo adicional, el desgaste se acelera y el separador se obstruye. He abierto molinos en los que la mitad de la carga seguía siendo redonda y la otra mitad eran fragmentos que nunca deberían haber estado allí.

El año pasado realicé una prueba en una planta de fabricación de pigmentos en Songjiang. Estaban moliendo una suspensión de pigmento orgánico con alto contenido en sólidos, aproximadamente entre 55 y 60% de sólidos, con el objetivo de alcanzar un D90 inferior a 5 µm en un molino de bolas horizontal con medios de 0,8 mm de diámetro nominal. Los medios de molienda de circonio que habían estado utilizando estaban etiquetados como Y-TZP de 0,6-1,0 mm, pero cuando tamizamos una muestra, el rango real oscilaba entre unos 0,4 mm y 1,4 mm, con una cola notable de bolas de circonio más grandes. Tras 40 horas, la presión diferencial del tamiz aumentó y encontramos bolas rotas y fragmentos en la descarga. El desgaste medido en las bolas enteras que habían sobrevivido seguía siendo bajo —alrededor de 0,008% en peso—, pero la tasa de rotura hacía que el molino fuera inservible. Las pruebas de trituración realizadas en laboratorio con las perlas más grandes de ese lote demostraron que fallaban a cargas inferiores a las de un grado de referencia más ajustado de 0,8 mm que teníamos a nuestra disposición.

Cambiamos a una carga de Y-TZP de 0,8 mm con distribución estrecha, con la misma densidad y la misma composición química nominal. Se mantuvo la tasa de llenado según las recomendaciones del fabricante del molino y controlamos la viscosidad para que las perlas de circonio permanecieran en suspensión sin compactarse. Tras otras 40 horas, el tamiz permaneció limpio, no se detectaron fragmentos medibles en el producto y el desgaste de las perlas fue de 0,006–0,0071 TP3T. El rendimiento aumentó, ya que pudimos prolongar los intervalos entre limpiezas. Los controles de contaminación (ICP en la suspensión) se mantuvieron en el rango bajo de ppm para el circonio, lo cual era aceptable para ese pigmento. A partir de entonces, la planta mantuvo la especificación de tamaño más estricta.

La densidad y la resistencia de unas buenas bolas de molienda de circonio estabilizado con itria son auténticas ventajas para la molienda fina. Permiten utilizar medios más pequeños y, aun así, transmitir energía a las partículas, y la tasa de desgaste se mantiene baja, por lo que no es necesario añadir constantemente polvo metálico o cerámico. Sin embargo, esas ventajas desaparecen si las bolas se rompen. Una distribución granulométrica demasiado amplia o unas perlas demasiado grandes para la velocidad periférica convierten la carga en una fuente de virutas en lugar de en una herramienta de molienda. La comparación entre el desgaste de las perlas de circonio y el de las de alúmina parece excelente en la ficha técnica; en el molino, la comparación solo se cumple cuando las perlas de circonio permanecen intactas.

Hay algunas cosas que compruebo in situ. Tamizo una muestra de cada lote nuevo; no te fíes solo de la etiqueta del saco. Ajusta el diámetro de las bolas de circonio a la separación del separador y a la finura deseada; utilizar bolas más grandes rara vez ayuda y, a menudo, aumenta la rotura. Mantén los sólidos y la viscosidad dentro del rango para el que se diseñó el molino, de modo que las bolas no se apilen ni golpeen con fuerza la rejilla. Y si tus medios de zirconia para molienda fina están obstruyendo la descarga o aparecen fragmentos en el producto, mide la distribución granulométrica y busca fracturas antes de culpar a la suspensión o a la velocidad del molino. En la línea de pigmentos de Songjiang, el cambio a una carga estrecha de 0,8 mm detuvo la rotura y permitió que la baja tasa de desgaste del Y-TZP se manifestara realmente en ciclos de producción más largos. La mayoría de los molinos que veo por aquí obtienen el mismo resultado una vez que dejan de tratar todas las bolas de circonio como idénticas y empiezan a comprobar qué tamaño hay realmente en la cámara.