De ce bilele din zirconiu se sparg în continuu și înfundă sita în morile de măcinare fină

Am petrecut doisprezece ani în fabrici de prelucrare umedă din jurul orașului Shanghai — fabrici de pigmenți din Songjiang, ateliere de ceramică electronică și câteva linii de producție a materialelor pentru baterii din parcurile industriale periferice. Cea mai frecventă plângere legată de bilele de zirconiu nu este că se uzează prea repede. Ci faptul că bilele se sparg, sita de descărcare se înfundă, iar moara se oprește sau produsul conține particule grosiere. În nouă cazuri din zece, încărcătura constă în bile de măcinare din zirconiu stabilizat cu ytriu, cu o distribuție largă a dimensiunilor sau cu un diametru nepotrivit pentru viteza la vârf și vâscozitate.

Bilele din Y-TZP sunt dense, având o densitate de aproximativ 6,0 g/cm³, și rezistente datorită întăririi prin transformare. Într-o moară cu bile încărcată corespunzător, acestea transferă mai multă energie pe coliziune decât alumina și pierd foarte puțin material. Ratele de uzură în laborator pentru Y-TZP de bună calitate, cu dimensiuni de 0,8–1,2 mm, se situează adesea cu mult sub 0,01% pe oră în testele standard cu suspensie, iar contaminarea cu fier sau alumina rămâne scăzută. Problema apare atunci când distribuția dimensiunilor este largă sau bilele sunt prea mari pentru moară. Bilele mai mari transportă mai multă energie cinetică. Dacă vâscozitatea suspensiei este ridicată sau umplerea este necorespunzătoare, acestea lovesc sită sau se ciocnesc între ele suficient de tare încât să se ciobească. Odată ce se formează așchii, acestea acționează ca un abraziv suplimentar, uzura se accelerează, iar separatorul se înfundă. Am deschis morile în care jumătate din încărcătură era încă rotundă, iar cealaltă jumătate era formată din bucăți sparte care nu ar fi trebuit să se afle acolo.

Anul trecut am efectuat un test la o fabrică de pigmenți din Songjiang. Aceștia măcinau o suspensie de pigment organic cu conținut ridicat de substanțe solide, aproximativ 55–60% substanțe solide, urmărind obținerea unei valori D90 sub 5 µm într-un morar cu bile orizontal, cu bile de dimensiune nominală de 0,8 mm. Mediul de măcinare cu bile de zirconiu pe care îl foloseau era etichetat ca Y-TZP de 0,6–1,0 mm, dar când am cernut o probă, distribuția reală a variat de la aproximativ 0,4 mm la 1,4 mm, cu o cantitate semnificativă de bile de zirconiu mai mari. După 40 de ore, presiunea diferențială la sită a crescut și am găsit bile sparte și așchii în descărcare. Uzura măsurată pe bilele întregi rămase era încă scăzută — în jur de 0,008% în greutate — dar rata de rupere a făcut ca moara să devină inutilizabilă. Testele de zdrobire efectuate în laborator pe bilele mai mari din acel lot au arătat că acestea au cedat la sarcini mai mici decât un grad de referință mai strict, de 0,8 mm, pe care îl aveam la îndemână.

Am trecut la o încărcătură de Y-TZP cu distribuție îngustă de 0,8 mm, cu aceeași densitate și aceeași compoziție chimică nominală. Rata de umplere a fost menținută conform recomandărilor producătorului morii, iar vâscozitatea a fost monitorizată astfel încât bilele de zirconiu să rămână în suspensie fără a se aglomera. După încă 40 de ore, sita a rămas curată, fără particule măsurabile în produs, iar uzura bilelor a fost de 0,006–0,0071 TP3T. Randamentul a crescut, deoarece am putut opera mai mult timp între operațiunile de curățare. Verificările de contaminare (ICP pe suspensie) s-au menținut în intervalul scăzut de ppm pentru zirconiu, ceea ce era acceptabil pentru acel pigment. Fabrica a menținut specificațiile dimensionale mai stricte după aceea.

Densitatea și rezistența bilelor de măcinare din zirconiu stabilizat cu ytriu de bună calitate reprezintă avantaje reale pentru măcinarea fină. Acestea vă permit să utilizați corpuri de măcinare mai mici și să transmiteți totuși energie particulelor, iar rata de uzură rămâne scăzută, astfel încât nu este necesar să adăugați constant praf metalic sau ceramic. Însă aceste avantaje dispar dacă bilele se sparg. O distribuție largă a dimensiunilor sau bilele prea mari pentru viteza la vârf transformă încărcătura într-o sursă de așchii, în loc să fie o unealtă de măcinare. Comparația dintre uzura bilelor de zirconiu și cea a aluminei arată excelent pe o fișă tehnică; în moară, comparația se menține doar atunci când zirconiul rămâne intact.

Iată câteva aspecte pe care le verific la fața locului. Cerneți o probă din fiecare lot nou — nu vă bazați doar pe eticheta de pe sac. Potriviți diametrul bilelor de zirconiu cu spațiul dintre plăcile separatorului și gradul de finete dorit; utilizarea unor bile mai mari rareori ajută și, de multe ori, duce la spargerea acestora. Mențineți conținutul de solide și vâscozitatea în intervalul pentru care a fost proiectat morarul, astfel încât bilele să nu se aglomereze sau să lovească sită. Și dacă mediul de măcinare fină din zirconiu înfundă orificiul de evacuare sau se observă așchii în produs, măsurați distribuția dimensiunilor și căutați fracturi înainte de a da vina pe suspensie sau pe viteza morarului. Pe linia de pigmenți din Songjiang, trecerea la o încărcătură îngustă de 0,8 mm a oprit ruperea și a permis ca rata redusă de uzură a Y-TZP să se manifeste efectiv în cicluri de funcționare mai lungi. Majoritatea morilor pe care le văd pe aici obțin același rezultat odată ce încetează să trateze toate bilele de zirconiu ca fiind identice și încep să verifice ce dimensiune se află de fapt în cameră.