Miért törnek el folyamatosan a cirkónium-dioxid golyók, és miért tömítik el a szitát a finomőrlő malmokban?

Tizenkét évet töltöttem Sanghaj környéki nedves őrlőüzemekben – pigmentgyárakban Songjiangban, elektronikus kerámia-gyárakban, valamint néhány akkumulátor-alapanyag-gyártósoron a külvárosi ipari parkokban. A cirkónium-dioxid golyókkal kapcsolatban leggyakrabban felmerülő panasz nem az, hogy túl gyorsan kopnak. Hanem az, hogy a golyók eltörnek, a kivezető szita eltömődik, és az őrlőgép leáll, vagy a termékben durva forgácsok maradnak. Tíz esetből kilencben az adagolt anyag ittrium-oxid-stabilizált cirkónium-dioxid őrlőgolyókból áll, amelyek mérete széles tartományban változik, vagy átmérőjük nem megfelelő a csúcssebességhez és a viszkozitáshoz.

A Y-TZP-gyöngyök sűrűek – körülbelül 6,0 g/cm³ – és az átalakulásos keményedésnek köszönhetően nagy szilárdságúak. Megfelelően megtöltött gyöngymalomban ütközésenként több energiát adnak át, mint az alumínium-oxid, és nagyon kevés anyagot veszítenek. A jó minőségű, 0,8–1,2 mm-es Y-TZP laboratóriumi kopási sebessége a szokásos szuszpenziós vizsgálatok során gyakran jóval 0,01%/óra alatt marad, és a vas- vagy alumínium-oxid-szennyeződés is alacsony szinten marad. A probléma akkor jelentkezik, ha a méreteloszlás széles, vagy a gyöngyök túl nagyok az őrlőgéphez képest. A nagyobb gyöngyök több kinetikus energiát hordoznak. Ha a szuszpenzió viszkozitása magas, vagy a töltés nem megfelelő, olyan erővel csapódnak a szitára vagy egymásra, hogy lepattannak. Amint a lepattant darabok kialakulnak, azok további csiszolóanyagként hatnak, a kopás felgyorsul, és az elválasztó eltömődik. Voltak olyan malmok, amelyeket kinyitva láttam, hogy a töltet fele még mindig kerek volt, a másik fele pedig olyan törött darabokból állt, amelyeknek soha nem lett volna szabad ott lenniük.

Tavaly egy kísérletet végeztem egy Songjiang-i pigmentgyárban. Ott egy magas szilárdtartalmú szerves pigmentiszapot őröltek – a szilárdtartalom nagyjából 55–60% volt –, azzal a céllal, hogy a D90-es érték 5 µm alatt maradjon, egy 0,8 mm névleges méretű golyókkal felszerelt vízszintes gyöngymalomban. Az általuk korábban használt cirkónium-dioxid golyós malomgolyók címkéjén 0,6–1,0 mm-es Y-TZP felirat szerepelt, de amikor egy mintát átszitáltunk, a tényleges méreteloszlás körülbelül 0,4 mm-től 1,4 mm-ig terjedt, és észrevehető volt a nagyobb cirkónium-dioxid golyókból álló farok. 40 óra elteltével a szita nyomáskülönbsége emelkedett, és törött golyókat és forgácsokat találtunk a kivezetésben. A megmaradt ép golyók mért kopása még mindig alacsony volt – súlyarányban körülbelül 0,008% –, de a törésarány miatt az őrlőgép használhatatlanná vált. Az adott tételből származó nagyobb gyöngyök laboratóriumi törésvizsgálatai azt mutatták, hogy alacsonyabb terhelés mellett törtek el, mint a rendelkezésünkre álló, szigorúbb 0,8 mm-es referencia-minőségű anyag.

Áttértünk egy szűk eloszlású, 0,8 mm-es Y-TZP töltetre, azonos sűrűséggel és azonos névleges összetétellel. A töltési arányt a gyártó ajánlása szerint tartottuk, és figyeltük a viszkozitást, hogy a cirkónium-dioxid gyöngyök szétcsomósodás nélkül szuszpendált állapotban maradjanak. További 40 óra elteltével a szita tiszta maradt, a termékben nem volt kimutatható forgács, a gyöngyök kopása pedig 0,006–0,0071 TP3T volt. A termelékenység nőtt, mivel a tisztítások között hosszabb ideig tudtunk üzemelni. A szennyeződés-ellenőrzések (ICP a szuszpenzión) a cirkónium esetében az alacsony ppm-tartományban maradtak, ami az adott pigment esetében elfogadható volt. Az üzem ezután is betartotta a szigorúbb méretelőírásokat.

A jó minőségű, ittrium-oxid-stabilizált cirkónium-dioxid csiszológyöngyök sűrűsége és szilárdsága valódi előnyt jelent a finomcsiszolás során. Lehetővé teszik kisebb méretű csiszolóanyagok használatát is, miközben a részecskékbe továbbra is energiát juttatnak, és a kopási arány alacsony marad, így nem kell folyamatosan fém- vagy kerámiaport pótolni. Ezek az előnyök azonban eltűnnek, ha a gyöngyök eltörnek. A széles méreteloszlás vagy a csúcssebességhez képest túl nagy gyöngyök miatt a töltet nem csiszolóeszközként, hanem forgácsforrásként működik. A cirkónium-dioxid-gyöngyök és az alumínium-oxid kopásának összehasonlítása az adatlapokon kiválónak tűnik; a malomban azonban ez az összehasonlítás csak akkor állja meg a helyét, ha a cirkónium-dioxid-gyöngyök sértetlenek maradnak.

Néhány dolog, amit a helyszínen ellenőrizni szoktam. Minden új tételből szitáljak ki egy mintát – ne hagyatkozzon kizárólag a zsák címkéjére. A cirkónium-dioxid golyók átmérőjét igazítsa a szeparátor réséhez és a kívánt finomsághoz; a nagyobb átmérő ritkán segít, és gyakran növeli a törés arányát. Tartsa a szilárdanyag-tartalmat és a viszkozitást a malom tervezési tartományán belül, hogy a golyók ne tömődjenek össze és ne csapódjanak a szitára. Ha pedig a finom őrlő cirkónium-dioxid-malomgolyók eltömítik a kivezetőt, vagy forgácsok jelennek meg a termékben, mérje meg a méreteloszlást, és keresse meg a töréseket, mielőtt a szuszpenziót vagy a malom sebességét hibáztatná. A Songjiang-i pigmentgyártósoron a 0,8 mm-es keskeny töltet átállása megállította a töréseket, és lehetővé tette, hogy az Y-TZP alacsony kopási aránya hosszabb üzemelési idő alatt is érvényesüljön. A legtöbb malom, amit errefelé látok, ugyanazt az eredményt éri el, ha abbahagyja az összes cirkónium-dioxid-golyó azonos kezelését, és elkezdi ellenőrizni, hogy valójában milyen méretűek vannak a kamrában.