Hvorfor zirkoniumoksidkulene dine stadig går i stykker og tetter til silen i finmalingskvernene

Jeg har tilbrakt tolv år på våtmalingsanlegg rundt Shanghai – pigmentfabrikker i Songjiang, verksteder for elektronisk keramikk og et par produksjonslinjer for batterimaterialer i de ytre industriparkene. Den vanligste klagen når det gjelder zirkoniumoksidkuler, er ikke at de slites for fort. Det er at kulene går i stykker, utløpssilen tetter seg, og kvernen slår seg av eller produktet får grove fliser i seg. Ni av ti ganger består ladningen av yttriumoksidstabiliserte zirkoniumoksid-malekuler med stor størrelsesvariasjon eller feil diameter i forhold til spisshastigheten og viskositeten.

Y-TZP-kuler har høy tetthet, ca. 6,0 g/cm³, og er seige på grunn av transformasjonsherding. I en riktig lastet perlemølle overfører de mer energi per kollisjon enn aluminiumoksid og kaster av seg svært lite materiale. Slitasjehastighetene i laboratoriet på god 0,8–1,2 mm Y-TZP ligger ofte godt under 0,01% per time i standard slurrytester, og forurensningen fra jern eller aluminiumoksid forblir lav. Problemet oppstår når størrelsesfordelingen er bred eller kulene er for store for kvernen. Større kuler har mer kinetisk energi. Hvis slurryens viskositet er høy eller fyllingen er feil, slår de hardt mot silen eller hverandre, hardt nok til å flise av. Når det først dannes fliser, fungerer de som ekstra slipemiddel, slitasjen akselererer, og separatoren tetter seg. Jeg har åpnet kverner der halvparten av fyllingen fortsatt var runde kuler, mens den andre halvparten besto av knuste biter som aldri burde ha vært der.

I fjor gjennomførte jeg en prøveproduksjon ved en pigmentfabrikk i Songjiang. De malte en organisk pigmentslurry med høyt faststoffinnhold, omtrent 55–60% faststoff, med et mål om å oppnå en D90-verdi under 5 µm i en horisontal perlemølle med malemateriale på 0,8 mm nominelt. Zirkoniumoksid-kuler som de hadde brukt, var merket 0,6–1,0 mm Y-TZP, men da vi siktet en prøve, var den faktiske størrelsesfordelingen fra ca. 0,4 mm til 1,4 mm, med en merkbar andel av større zirkoniumoksidkuler. Etter 40 timer steg differansetrykket på silen, og vi fant knuste kuler og fliser i utløpet. Den målte slitasjen på de gjenværende hele kulene var fortsatt lav – rundt 0,008% etter vekt – men bruddfrekvensen gjorde kvernene ubrukelige. Laboratorietester av de større kulene fra det partiet viste at de sviktet ved lavere belastninger enn en tettere 0,8 mm-referansekvalitet vi hadde tilgjengelig.

Vi gikk over til en Y-TZP-ladning med smal fordelingskurve på 0,8 mm, med samme tetthet og samme nominelle kjemiske sammensetning. Fyllingsgraden ble holdt i henhold til valseverksprodusentens anbefaling, og vi overvåket viskositeten slik at zirkoniumdioksidkulene forble i suspensjon uten å klumpe seg sammen. Etter ytterligere 40 timer var silen fortsatt ren, det var ingen målbare spon i produktet, og slitasjen på kulene var 0,006–0,0071 TP3T. Gjennomstrømningen økte fordi vi kunne kjøre lenger mellom rengjøringene. Forurensningskontrollene (ICP på oppslemmingen) holdt seg i det lave ppm-området for zirkonium, noe som var akseptabelt for dette pigmentet. Anlegget opprettholdt den strengere størrelsesspesifikasjonen etter dette.

Tettheten og seigheten til gode slipekuler av yttriumoksid-stabilisert zirkoniumoksid er reelle fordeler ved finsliping. De gjør det mulig å bruke mindre slipemateriale og likevel tilføre energi til partiklene, og slitasjehastigheten forblir lav, slik at man ikke hele tiden må tilsette metall- eller keramikkstøv. Men disse fordelene forsvinner hvis kulene går i stykker. En bred størrelsesfordeling eller kuler som er for store for spisshastigheten, gjør at slitematerialet blir en kilde til spon i stedet for et slipeverktøy. Slitasjen på zirkoniumoksidkuler sammenlignet med aluminiumoksid ser utmerket ut på et datablad; i kvernen gjelder sammenligningen bare når zirkoniumoksidkulene forblir intakte.

Noen ting jeg sjekker på stedet. Sikt en prøve av hvert nytt parti – stol ikke bare på etiketten på posen. Tilpass diameteren på zirkoniumoksidkulene til avstandsspalten i separatoren og ønsket finhet; større kuler hjelper sjelden og fører ofte til økt brudd. Hold faststoffinnholdet og viskositeten innenfor det området kvernen er konstruert for, slik at kulene ikke klumper seg sammen eller slår hardt mot silen. Og hvis zirkoniakulene dine til finmaling tetter til utløpet eller etterlater fliser i produktet, må du måle størrelsesfordelingen og se etter brudd før du skylder på oppslemmingen eller kvernens hastighet. På pigmentlinjen i Songjiang stoppet overgangen til en smal 0,8 mm påfylling bruddene og gjorde at den lave slitasjehastigheten til Y-TZP faktisk kom til syne i lengre produksjonsserier. De fleste møllene jeg ser her omkring oppnår det samme resultatet når de slutter å behandle alle zirkoniumoksidkulene som identiske og begynner å sjekke hvilken størrelse som faktisk befinner seg i kammeret.