¿Qué diseño de mezclador minimiza la abrasión en polvos metálicos y evita la contaminación del material de mezcla por partículas extrañas?
Para los polvos metálicos no existe una única forma constructiva de mezclador que minimice automáticamente la abrasión y la entrada de partículas extrañas en todas las condiciones. Por lo general, lo más adecuado es un mezclador por lotes convectivo de marcha lenta, con herramientas de gran superficie, baja velocidad relativa y una conducción de proceso completamente cerrada, inertizable y favorable a la limpieza. Lo decisivo no es tanto el nombre de la forma constructiva como el diseño coherente de todos los componentes en contacto con el producto, la periferia y todo el manejo, orientado al polvo metálico concreto.
Principios de mezclado adecuados
Para los polvos metálicos secos, abrasivos o sensibles a la oxidación, suelen resultar ventajosos los mezcladores cónicos o verticales de un solo eje con herramientas helicoidales o de cinta helicoidal de marcha lenta. Estos generan predominantemente una recirculación convectiva del producto: el polvo se transporta de forma controlada y se recircula sin que sean necesariamente imprescindibles altas velocidades de impacto, zonas de molienda intensivas o contactos de herramienta fuertemente cizallantes. También los mezcladores de dos ejes operados a baja velocidad pueden ser adecuados cuando se requiere una recirculación tridimensional intensiva o la incorporación de aditivos. No obstante, en los polvos altamente abrasivos siempre debe comprobarse si las superposiciones adicionales de herramienta y las holguras más pequeñas aumentan el desgaste.
Son menos adecuados los conceptos de mezclado que generan deliberadamente altas velocidades relativas, una fuerte solicitación por impacto, zonas de choque marcadas o holguras de cizalla muy estrechas. Entre ellos se encuentran, por ejemplo, los mezcladores intensivos de alta cizalla, de turbulencia o de impacto, siempre que su elevada solicitación mecánica no sea expresamente necesaria para una desaglomeración requerida. Tampoco en los mezcladores de caída libre la situación es mejor de forma general: aunque pueden trabajar de forma muy cuidadosa, suelen ser solo limitadamente adecuados para polvos metálicos cohesivos, aglomerados o muy distintos entre sí, y pueden favorecer la segregación en caso de características de partícula desfavorables.
Abrasión en el origen
La abrasión se genera sobre todo por movimientos relativos con alta velocidad y presión de contacto entre partículas, herramientas, pared del recipiente, armaduras de salida y componentes de transporte. Por ello, la regla de diseño central es: tanta energía de movimiento como sea necesaria, pero tan poca como sea posible. Las velocidades de giro de herramienta bajas, las secciones de flujo grandes, los radios de desviación amplios, las alturas de caída reducidas y un transporte de masa controlado reducen la solicitación del polvo y de la instalación.
La geometría de la herramienta debería permitir una recirculación completa del producto sin comprimir el polvo contra la pared ni compactarlo en zonas de molienda locales. Las distancias a la pared y a la herramienta deben elegirse como un compromiso: unas holguras demasiado grandes generan zonas marginales mal mezcladas y acumulación de producto, mientras que unas holguras demasiado pequeñas pueden triturar las partículas y generar abrasión de las superficies metálicas. Para las mezclas abrasivas, una armadura de salida optimizada frente al desgaste, así como las conducciones de descarga y de transporte, son tan importantes como la propia cámara de mezclado. En los sistemas abrasivos, las velocidades de giro bajas y los tratamientos de superficie adecuados se mencionan expresamente como medidas esenciales para reducir el desgaste.
Materiales y construcción
Las superficies en contacto con el producto no solo deben ser duras y resistentes al desgaste, sino también compatibles con el objetivo de pureza del polvo metálico. Los aceros inoxidables endurecidos, las aleaciones de alta dureza adecuadas, el metal duro o las cerámicas técnicas pueden reducir el desgaste. Sin embargo, cada opción de material debe comprobarse en cuanto a qué elementos o partículas podría introducir en el producto en caso de desgaste. Un componente de metal duro, por ejemplo, puede ser muy resistente al desgaste, pero en química de polvos crítica puede introducir por sí mismo fracciones no deseadas de wolframio, cobalto o níquel. También los revestimientos o recubrimientos cerámicos deben comprobarse en cuanto a la adherencia, la formación de fisuras, la abrasividad, la resistencia química y los posibles desprendimientos.
Resultan razonables las superficies interiores lisas, soldadas con pocas juntas y mecanizadas, los radios de transición grandes, los cambios de sección reducidos, así como rendijas y esquinas fácilmente accesibles y completamente limpiables. Las uniones roscadas, las roscas abiertas, los puntos de apoyo en contacto con el producto, las juntas no protegidas y los contactos metálicos sujetos a desgaste deberían situarse, en la medida de lo posible, fuera de la cámara de producto. Un eje de mezclado apoyado desde arriba puede ofrecer ventajas en ello, porque no se necesita ningún paso de eje inferior ni ningún punto de apoyo en contacto con el producto en el fondo del recipiente. Las piezas de desgaste deberían ejecutarse de modo que puedan inspeccionarse, identificarse claramente y sustituirse de forma preventiva antes de liberar partículas metálicas extrañas.
Manejo cerrado
Las partículas extrañas no proceden únicamente del mezclador. Pueden introducirse con las materias primas, el aire de transporte, los recipientes, los filtros, las juntas, las herramientas, las operaciones de mantenimiento o desde el entorno de producción. Por ello, el sistema debería ejecutarse de la forma más cerrada posible, desde la recepción de materia prima hasta el envase final. Las estaciones de acoplamiento estancas al polvo, los trasvases de contenedores cerrados, un tamizado adecuado y, en su caso, separadores magnéticos ayudan a limitar la entrada de partículas extrañas. No obstante, los separadores magnéticos solo captan metales extraños magnetizables y no sustituyen una prevención coherente de los contaminantes no magnéticos.
Para los polvos metálicos reactivos, como el aluminio, el titanio, el magnesio u otros materiales fácilmente oxidables o susceptibles de explosión de polvo, puede ser necesaria la inertización con nitrógeno o argón. Esta protege frente a la oxidación y reduce al mismo tiempo el riesgo de incendio y explosión, pero debe formar parte de un concepto completo de protección contra explosiones y de seguridad. Los polvos metálicos deberían procesarse siempre con puesta a tierra; con una energía mínima de ignición muy baja, el desplazamiento del oxígeno mediante gas inerte puede ser una medida de protección central. Una inertización adecuada requiere la supervisión de la concentración de oxígeno, una estanqueidad adecuada, procedimientos de servicio seguros y una evaluación de riesgos.
También la humedad y la entrada de oxígeno pueden afectar a la calidad de los polvos metálicos sensibles. En particular durante el trasvase, el tamizado, el mezclado y el almacenamiento, debería minimizarse el contacto con el aire ambiente. Para los componentes de titanio en el proceso de lecho de polvo, por ejemplo, se recomienda realizar el tamizado y el mezclado en un entorno inerte y con control de humedad.
Verificación y mantenimiento
La selección de la forma constructiva del mezclador debe respaldarse mediante ensayos con polvo original. Antes y después del ensayo de mezclado deberían examinarse al menos la distribución del tamaño de partícula, la forma de partícula, el comportamiento de flujo, el contenido de oxígeno y de humedad, así como los elementos metálicos extraños relevantes. Para determinar las contaminaciones elementales son adecuados, según el material, entre otros, el OES de chispa, la XRF, el ICP-OES o el ICP-MS. Para partículas extrañas individuales son relevantes los análisis automatizados SEM/EDS, los métodos de imagen y, en su caso, la separación por densidad. En aplicaciones críticas, estos métodos pueden registrar el número, el tamaño, la forma y la composición de los contaminantes.
Es importante contar con un concepto de mantenimiento basado en riesgo. Las herramientas críticas para el desgaste, las armaduras de salida, los codos de tubería, las juntas, los tamices y los filtros deberían revisarse en intervalos definidos y sustituirse antes de alcanzar los límites de desgaste críticos. Además, son necesarios herramientas, equipos de limpieza, contenedores y trayectos de transferencia específicos por material y claramente identificados para evitar la contaminación cruzada entre distintas aleaciones metálicas. La contaminación de polvo metálico puede producirse no solo en el mezclador, sino también por el procesamiento previo de otros materiales en la misma instalación.
Así minimiza amixon® la abrasión y la contaminación metálica en polvos abrasivos
En polvos metálicos, cerámicos, minerales u otros altamente abrasivos, amixon® minimiza la abrasión y la contaminación por partículas extrañas mediante una cinemática de mezclado de baja velocidad, superficies de contacto con el producto totalmente recubiertas de cerámica, una construcción con baja contaminación y una validación referida al producto. Especialmente en productos a mezclar que no toleran ninguna abrasión metálica, amixon® puede recubrir todas las piezas en contacto con el producto con una cerámica de óxido de alto rendimiento adecuada. Entre ellas se encuentran la cámara de mezclado, las herramientas de mezclado, el eje, las armaduras de descarga y otros elementos internos en contacto con el producto. Con ello se elimina el contacto metálico directo entre el producto a mezclar y las superficies del aparato. amixon® describe, para las instalaciones ejecutadas en consecuencia, que se excluye la abrasión metálica durante el mezclado, la reacción o el secado.
Minimizar la abrasión en el origen
La abrasión se genera sobre todo en los puntos de contacto con alta velocidad relativa y alta presión superficial: entre las partículas de producto, las herramientas de mezclado, la pared del recipiente, las armaduras de salida y los puntos de transferencia. Por ello, los mezcladores amixon® trabajan con velocidades periféricas de herramienta comparativamente bajas, a partir de aproximadamente 0,8 m/s. Según la forma constructiva del aparato y la tarea de mezclado, la ventana de velocidad puede llegar hasta aproximadamente 3,5 m/s. La verströmación total SinConvex® se basa en una recirculación forzada tridimensional controlada. El producto se transporta hacia arriba en la zona próxima a la pared, fluye hacia abajo en el centro apoyado por la gravedad y se conduce repetidamente a la zona de mezclado activa.
El efecto de mezclado no se genera así mediante zonas energéticas de proyección, impacto o aplastamiento. Esto reduce las solicitaciones locales en las superficies de contacto con el producto y disminuye el potencial de desgaste erosivo. No obstante, la intensidad de mezclado necesaria siempre se adapta a la cohesividad, la firmeza del aglomerado, el grado de llenado, la receta y el objetivo de homogeneidad. Si se requiere un mezclado intensivo por tiempo limitado, su posible influencia en la forma de partícula, la distribución del tamaño de partícula y la pureza debe estudiarse con el producto original.
Cerámica en todas las superficies de contacto
amixon® dispone de distintas soluciones con cerámicas técnicas y cerámicas de óxido para las zonas del aparato críticas en cuanto al desgaste. Según la abrasividad, la química del producto a mezclar, la temperatura, el tipo de limpieza y los elementos extraños admisibles, pueden emplearse recubrimientos cerámicos por plasma, recubrimientos por proyección térmica de alta temperatura o placas de protección cerámicas. En aplicaciones especialmente críticas, la cerámica de óxido de alta resistencia puede ejecutarse en todas las piezas en contacto con el producto. Con ello se protegen frente al contacto metálico directo con el producto no solo las herramientas de mezclado, sino también la cámara de mezclado, el eje, la salida, las armaduras y otras superficies de contacto.
La selección de materiales siempre se realiza en función de los requisitos del producto. Las cerámicas de óxido con base de aluminio, por ejemplo, pueden ofrecer una protección eficaz frente al desgaste. Otros sistemas cerámicos entran en consideración cuando existen requisitos especiales de dureza, resistencia a la temperatura, resistencia a la corrosión o compatibilidad química. Los recubrimientos cerámicos deben tener en ello una adherencia duradera, no deben agrietarse ni desprenderse bajo la solicitación del proceso, y deben ser resistentes frente al producto, los medios de limpieza y los cambios de temperatura. Por ello, el pretratamiento correcto de la superficie metálica portante, el espesor del recubrimiento, el acabado superficial y el control de calidad forman parte del diseño.
Además de los recubrimientos cerámicos, amixon® puede emplear, según la tarea, materiales base resistentes al desgaste, herramientas de mezclado endurecidas, revestimientos por soldadura dura, guarniciones de metal duro o elementos de protección cerámicos intercambiables. Estas opciones son razonables cuando no se requiere el revestimiento cerámico completo o cuando distintas zonas del mezclador se solicitan con distinta intensidad. Sin embargo, en los polvos metálicos no es determinante únicamente la resistencia al desgaste, sino sobre todo la cuestión de qué elementos o partículas podrían llegar al producto a mezclar en caso de un posible desgaste. Por ello, un recubrimiento completo de cerámica de óxido en todas las superficies de contacto con el producto es la solución preferida cuando se desea excluir de forma coherente la abrasión metálica.
Protección constructiva
El recubrimiento cerámico se complementa con una ejecución del aparato constructivamente pobre en contaminación. Las cámaras de mezclado en contacto con el producto pueden ejecutarse soldadas sin juntas y rectificadas. Las uniones roscadas, las roscas abiertas y las piezas metálicas desmontables se disponen, en la medida de lo posible, fuera de la cámara de producto. Los órganos mezcladores apoyados únicamente en la parte superior evitan un paso de eje inferior y, con ello, puntos de apoyo en contacto con el producto en la zona del fondo. Esto reduce el riesgo de que el desgaste de juntas, cojinetes o metal llegue al producto a mezclar.
Los conceptos de aparato cerrados y estancos al polvo con juntas OmgaSeal® limitan adicionalmente la entrada de partículas ambientales, polvo extraño y humedad. Esto es especialmente relevante cuando los polvos metálicos son sensibles a la oxidación o cuando se procesan distintas aleaciones en la misma superficie de producción. Para los polvos metálicos reactivos o susceptibles de explosión de polvo puede ser necesario un mezclador estanco al gas e inertizable. La inertización con nitrógeno o argón debe formar parte, en ello, de un concepto completo de seguridad, protección contra explosiones y gestión operativa.
No solo el mezclador, sino toda la periferia de proceso, determina la pureza alcanzable. Los contenedores, las estaciones de acoplamiento, los órganos de dosificación, los tamices, los filtros, las conducciones de transporte, los codos de tubería, las válvulas de descarga y las herramientas de mantenimiento también pueden introducir partículas extrañas. En las aleaciones metálicas críticas, las trayectorias del producto, las piezas de recambio, los equipos de limpieza y, en su caso, zonas enteras de la instalación deben asignarse y controlarse según el material. La contaminación cruzada entre distintos polvos metálicos es un riesgo de calidad relevante en el procesamiento pulvimetalúrgico.
Demostrar la pureza
Las garantías generales en ppm o ppb no son fiables. La abrasión metálica realmente alcanzable depende, entre otros factores, de la dureza, la forma de partícula, la distribución del tamaño de partícula, el grado de llenado, el tiempo de mezclado, la velocidad de giro de la herramienta, la calidad del recubrimiento y el emparejamiento de materiales. amixon® determina la ejecución adecuada del aparato en el centro de ensayos con producto original y en coordinación con la analítica del explotador. Para estos ensayos hay disponibles distintas instalaciones de prueba en la sede de Paderborn.
Antes y después del ensayo de mezclado deberían comprobarse, además de la calidad de mezcla y la distribución del tamaño de partícula, también los contenidos elementales relevantes y las partículas extrañas. El ICP-OES o el ICP-MS permiten el análisis cuantitativo de elementos críticos en el rango de trazas. El SEM/EDX, el análisis óptico de partículas, los ensayos de separación magnética u otros métodos de imagen complementan el análisis metálico global, porque partículas extrañas críticas individuales pueden quedar ocultas en una medición meramente global. La distribución del tamaño de partícula, la forma de partícula y la pureza del polvo metálico influyen de forma sustancial en la calidad de los procesos de fabricación pulvimetalúrgicos o aditivos posteriores.