Perché le sfere in zirconia continuano a rompersi e a intasare il setaccio nei mulini per macinazione fine

Ho trascorso dodici anni negli impianti di lavorazione a umido nei dintorni di Shanghai: stabilimenti di pigmenti a Songjiang, officine di ceramica per l’elettronica e un paio di linee di produzione di materiali per batterie nei parchi industriali periferici. La lamentela più frequente riguardo alle sfere di zirconia non è che si consumino troppo in fretta. È che le sfere si rompono, il vaglio di scarico si intasa e il mulino va in blocco oppure il prodotto presenta frammenti grossolani. Nove volte su dieci il carico è costituito da sfere di macinazione in zirconia stabilizzata con ittrio con un’ampia dispersione granulometrica o con un diametro non adeguato alla velocità periferica e alla viscosità.

Le sfere in Y-TZP sono dense, con una densità di circa 6,0 g/cm³, e resistenti grazie all’indurimento da trasformazione. In un mulino a sfere caricato correttamente, trasferiscono più energia per collisione rispetto all’allumina e perdono pochissimo materiale. I tassi di usura rilevati in laboratorio su Y-TZP di buona qualità da 0,8–1,2 mm si attestano spesso ben al di sotto di 0,01% all’ora nei test standard con sospensione, e la contaminazione da ferro o allumina rimane bassa. Il problema si presenta quando la distribuzione granulometrica è ampia o le sfere sono troppo grandi per il mulino. Le sfere più grandi trasportano maggiore energia cinetica. Se la viscosità della sospensione è elevata o il riempimento non è corretto, urtano contro il vaglio o tra di loro con una forza tale da scheggiarsi. Una volta che si formano le schegge, queste agiscono come abrasivi aggiuntivi, l’usura accelera e il separatore si intasa. Mi è capitato di aprire mulini in cui metà del carico era ancora rotondo e l’altra metà era costituita da frammenti che non avrebbero mai dovuto trovarsi lì.

L’anno scorso ho condotto una prova presso un impianto di produzione di pigmenti a Songjiang. Stavano macinando una sospensione di pigmento organico ad alto contenuto di solidi, con una percentuale di solidi compresa tra circa il 55 e il 60%, con l’obiettivo di ottenere un D90 inferiore a 5 µm in un mulino a sfere orizzontale con sfere di macinazione di 0,8 mm di diametro nominale. I corpi macinanti in zirconia che stavano utilizzando erano etichettati come Y-TZP da 0,6–1,0 mm, ma quando abbiamo setacciato un campione, la distribuzione effettiva variava da circa 0,4 mm a 1,4 mm, con una notevole coda di sfere di zirconia più grandi. Dopo 40 ore la pressione differenziale del vaglio è aumentata e abbiamo trovato sfere rotte e frammenti nello scarico. L’usura misurata sulle sfere intere rimaste era ancora bassa — circa 0,008% in peso — ma il tasso di rottura ha reso il mulino inutilizzabile. Le prove di frantumazione in laboratorio condotte sulle sfere più grandi di quel lotto hanno dimostrato che si rompevano a carichi inferiori rispetto a un grado di riferimento più ristretto da 0,8 mm che avevamo a disposizione.

Siamo passati a una carica di Y-TZP con distribuzione ristretta a 0,8 mm, stessa densità e stessa composizione chimica nominale. La velocità di riempimento è stata mantenuta secondo le raccomandazioni del produttore del mulino e abbiamo monitorato la viscosità in modo che le sfere di zirconia rimanessero in sospensione senza compattarsi. Dopo altre 40 ore il vaglio è rimasto pulito, non sono stati rilevati frammenti misurabili nel prodotto e l’usura delle sfere è stata compresa tra 0,006 e 0,0071 TP3T. La produttività è aumentata poiché è stato possibile prolungare gli intervalli tra una pulizia e l’altra. I controlli di contaminazione (ICP sulla sospensione) hanno mantenuto valori di zirconio nella fascia bassa dei ppm, il che era accettabile per quel pigmento. Da allora in poi, l’impianto ha mantenuto le specifiche dimensionali più rigorose.

La densità e la resistenza delle perle di macinazione in zirconia stabilizzata con ittrio di buona qualità rappresentano dei veri vantaggi per la macinazione fine. Consentono di utilizzare perle più piccole e di trasferire comunque energia alle particelle, mentre il tasso di usura rimane basso, evitando così di dover aggiungere costantemente polvere metallica o ceramica. Tuttavia, tali vantaggi svaniscono se le perle si rompono. Una distribuzione granulometrica troppo ampia o sfere troppo grandi rispetto alla velocità periferica trasformano la carica in una fonte di trucioli anziché in uno strumento di macinazione. Il confronto tra l’usura delle sfere di zirconia e quella dell’allumina appare eccellente sulla scheda tecnica; nel mulino, tuttavia, tale confronto è valido solo quando la zirconia rimane intatta.

Ecco alcune cose che controllo in loco. Setacciate un campione di ogni nuovo lotto: non fidatevi solo dell’etichetta sul sacco. Adeguate il diametro delle sfere di zirconia alla distanza tra le piastre del separatore e alla finezza desiderata; aumentare il diametro raramente è d’aiuto e spesso aumenta la rottura delle sfere. Mantenete i solidi e la viscosità entro i limiti per cui il mulino è stato progettato, in modo che le sfere non si compattino né urtino violentemente contro il vaglio. E se i vostri mezzi di macinazione fini in zirconia intasano lo scarico o lasciano frammenti nel prodotto, misurate la distribuzione granulometrica e cercate eventuali fratture prima di dare la colpa alla sospensione o alla velocità del mulino. Sulla linea di produzione dei pigmenti di Songjiang, il passaggio a una carica più ristretta di 0,8 mm ha posto fine alla rottura e ha permesso al basso tasso di usura dello Y-TZP di manifestarsi effettivamente nei cicli di lavorazione più lunghi. La maggior parte dei mulini che vedo da queste parti ottiene lo stesso risultato una volta che smette di considerare tutte le sfere di zirconia come identiche e inizia a verificare quale dimensione sia effettivamente presente nella camera.