Por qué tus bolas de circonio se rompen constantemente y obstruyen la rejilla 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 común 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 apaga o el producto queda con fragmentos gruesos. Nueve de cada diez veces, la carga consiste en bolas de molienda de circonio estabilizado con itria que presentan una amplia variación de tamaño o un diámetro inadecuado para la velocidad periférica y la viscosidad.

Las bolas de Y-TZP son densas, con una densidad de aproximadamente 6,0 g/cm³, y resistentes gracias al endurecimiento por transformación. En un molino de perlas cargado adecuadamente, transfieren más energía por colisión que la alúmina y pierden muy poco material. Las tasas de desgaste en laboratorio con Y-TZP de buena calidad de 0,8–1,2 mm suelen situarse muy por debajo de 0,01% por hora en pruebas estándar con lechada, y la contaminación por hierro o alúmina se mantiene baja. El problema surge cuando la distribución de tamaños 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 alta o el llenado no es el adecuado, chocan contra la rejilla o entre sí con suficiente fuerza como para astillarse. 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 aún estaba redonda y la otra mitad eran pedazos fracturados que nunca debieron 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 de sólidos, aproximadamente entre 55 y 60% de sólidos, con el objetivo de lograr un D90 inferior a 5 µm en un molino de perlas horizontal con medios de 0,8 mm de diámetro nominal. Los medios de molienda de zirconia que habían estado utilizando estaban etiquetados como Y-TZP de 0,6 a 1,0 mm, pero cuando tamizamos una muestra, el rango real osciló entre aproximadamente 0,4 mm y 1,4 mm, con una cola notable de bolas de zirconia más grandes. Después de 40 horas, la presión diferencial del tamiz aumentó y encontramos bolas rotas y astillas en la descarga. El desgaste medido en las bolas enteras que sobrevivieron seguía siendo bajo —alrededor de 0,008% en peso—, pero la tasa de rotura hizo que el molino quedara inservible. Las pruebas de compresión de laboratorio realizadas con las perlas más grandes de ese lote demostraron que fallaban a cargas más bajas que un grado de referencia más ajustado de 0,8 mm que teníamos a la mano.

Cambiamos a una carga de Y-TZP de 0,8 mm con distribución estrecha, con la misma densidad y la misma composición química nominal. La tasa de llenado se mantuvo según la recomendación del fabricante del molino y controlamos la viscosidad para que las perlas de circonio permanecieran en suspensión sin compactarse. Después de otras 40 horas, el filtro se mantuvo limpio, no se detectaron fragmentos medibles en el producto y el desgaste de las perlas fue de 0,006 a 0,0071 TP3T. El rendimiento aumentó porque pudimos operar por más tiempo entre cada limpieza. 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 las buenas perlas de molienda de circonia estabilizada con itria son ventajas reales 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 agregar constantemente polvo de metal o cerámica. Sin embargo, esas ventajas desaparecen si las perlas se rompen. Una distribución de tamaños muy amplia o perlas demasiado grandes para la velocidad periférica convierten la carga en una fuente de virutas en lugar de una herramienta de molienda. La comparación entre el desgaste de las perlas de circonio y el de las de alúmina se ve excelente en una hoja de datos; en el molino, la comparación solo se mantiene cuando el circonio se mantiene intacto.

Hay algunas cosas que reviso en el lugar. Tamiza una muestra de cada lote nuevo; no te fíes solo de la etiqueta de la bolsa. Ajusta el diámetro de las bolas de circonio al espacio del separador y a la finura deseada; usar bolas más grandes rara vez ayuda y, a menudo, aumenta la rotura. Mantén los sólidos y la viscosidad dentro del rango para el que fue diseñado el molino, para que las bolas no se apilen ni golpeen la rejilla. Y si tus medios de zirconia para molienda fina están obstruyendo la descarga o se observan 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 operación 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 comienzan a verificar qué tamaño hay realmente en la cámara.