Varför dina zirkoniumoxidkulor hela tiden går sönder och täpper till silen i finmalningskvarnar

Jag har tillbringat tolv år på våtmalningsanläggningar runt om i Shanghai – pigmentfabriker i Songjiang, verkstäder för elektronisk keramik och ett par produktionslinjer för batterimaterial i de yttre industriområdena. Det vanligaste klagomålet när det gäller zirkoniumoxidkulor är inte att de slits för snabbt. Det är att kulorna går sönder, att utmatningssilen sätts igen, att kvarnen stängs av eller att produkten får grova flisor. Nio gånger av tio handlar det om yttriumoxidstabiliserade zirkoniumoxidkulor med stor storleksspridning eller fel diameter för spetshastigheten och viskositeten.

Y-TZP-kulor har en hög densitet, cirka 6,0 g/cm³, och är sega tack vare omvandlingsförstärkningen. I en korrekt lastad kulkvarn överför de mer energi per kollision än aluminiumoxid och släpper ifrån sig mycket lite material. Slitagehastigheterna i laboratoriet för bra Y-TZP på 0,8–1,2 mm ligger ofta långt under 0,01% per timme i standardslurrytester, och föroreningen av järn eller aluminiumoxid förblir låg. Problemet uppstår när storleksfördelningen är bred eller kulorna är för stora för kvarnen. Större kulor har mer kinetisk energi. Om slurryns viskositet är hög eller fyllningen inte stämmer, slår de mot siktet eller mot varandra tillräckligt hårt för att flisa sig. När flisor väl bildas fungerar de som extra slipmedel, slitaget accelererar och separatorn sätts igen. Jag har öppnat kvarnar där hälften av laddningen fortfarande var rund och den andra hälften bestod av splittrade bitar som aldrig borde ha funnits där.

Förra året genomförde jag ett försök vid en pigmentfabrik i Songjiang. De malde en organisk pigmentslurry med hög fastämneshalt, ungefär 55–60% fastämnen, med målet att uppnå ett D90-värde under 5 µm i en horisontell pärlkvarn med malmedel med en nominell storlek på 0,8 mm. De zirkoniumoxidkulor som de hade använt var märkta 0,6–1,0 mm Y-TZP, men när vi siktade ett prov visade sig den faktiska storleksfördelningen sträcka sig från cirka 0,4 mm till 1,4 mm, med en märkbar svans av större zirkoniumoxidkulor. Efter 40 timmar steg differenstrycket i siktanläggningen och vi fann trasiga kulor och flisor i utmatningen. Det uppmätta slitaget på de kvarvarande hela kulorna var fortfarande lågt – cirka 0,008% i vikt – men brottfrekvensen gjorde kvarnen obrukbar. Laboratorietester av krosshållfasthet på de större kulorna från det partiet visade att de brast vid lägre belastningar än en jämnare referenskvalitet på 0,8 mm som vi hade till hands.

Vi bytte till en Y-TZP-laddning med snäv partikelstorleksfördelning på 0,8 mm, med samma densitet och samma nominella kemiska sammansättning. Fyllningsgraden hölls enligt tillverkarens rekommendation och vi övervakade viskositeten så att zirkoniumdioxidkulorna förblev suspenderade utan att klumpa ihop sig. Efter ytterligare 40 timmar var siktet fortfarande rent, inga mätbara spån i produkten och slitaget på kulorna var 0,006–0,0071 TP3T. Genomströmningen ökade eftersom vi kunde köra längre mellan rengöringarna. Kontamineringskontrollerna (ICP på uppslamningen) låg kvar i det lägre ppm-intervallet för zirkonium, vilket var acceptabelt för det pigmentet. Anläggningen kunde därefter upprätthålla de strängare storleksspecifikationerna.

Densiteten och segheten hos högkvalitativa slipkulor av yttriumoxidstabiliserad zirkoniumoxid är verkliga fördelar vid finslipning. De gör det möjligt att använda mindre slipmedel och ändå tillföra energi till partiklarna, samtidigt som slitaget förblir lågt så att man inte ständigt behöver fylla på med metall- eller keramikdamm. Men dessa fördelar försvinner om kulorna går sönder. En bred storleksfördelning eller kulor som är för stora för spetshastigheten gör att materialet blir en källa till spån istället för ett slipverktyg. Slitaget hos zirkoniumoxidkulor jämfört med aluminiumoxid ser utmärkt ut på ett datablad; i kvarnen gäller jämförelsen endast när zirkoniumoxiden förblir intakt.

Några saker jag kontrollerar på plats. Sikt ett prov från varje nytt parti – lita inte enbart på etiketten på säcken. Anpassa zirkoniumoxidkulornas diameter efter separatorns spaltbredd och önskad finhet; större kulor hjälper sällan och leder ofta till ökat brott. Håll fastämneshalten och viskositeten inom det intervall som kvarnen är konstruerad för, så att kulorna inte packar ihop sig eller slår mot siktnätet. Och om dina zirkoniumoxidkulor för finmalning täpper till utloppet eller ger upphov till flisor i produkten, mät storleksfördelningen och leta efter sprickor innan du skyller på slammet eller kvarnhastigheten. På pigmentlinjen i Songjiang stoppade bytet till en smal 0,8 mm-sats brotten och gjorde att den låga slitagehastigheten hos Y-TZP faktiskt visade sig vid längre körningar. De flesta kvarnar jag ser här omkring får samma resultat när de slutar behandla alla zirkoniumoxidkulor som identiska och börjar kontrollera vilken storlek som verkligen finns i kammaren.