¿Cómo pasar del mezclador de laboratorio a la planta de producción en pulvimetalurgia sin perder calidad de mezcla?
El escalado del mezclador de laboratorio a la instalación de producción en la pulvimetalurgia es exigente, porque la calidad de mezcla depende de los tamaños de partícula, las diferencias de densidad, la cohesión, el grado de llenado, la geometría del mezclador y el principio de mezclado. Un simple aumento geométrico no suele ser suficiente, ya que de lo contrario pueden modificarse los mecanismos de mezclado, las tendencias a la segregación y la distribución de los elementos de aleación o de los coadyuvantes de prensado. Un escalado sólido se basa por ello en principios de semejanza, en una evaluación reproducible de la calidad de mezcla y en una validación por etapas.
1. Mantener coherentes el principio de mezclado y la geometría
Cuando sea posible, debería conservarse el mismo tipo de mezclador desde la escala de laboratorio hasta la de producción, porque un cambio del principio de mezclado modifica los mecanismos dominantes. Para el escalado deben transferirse entonces las relaciones geométricas y las magnitudes de servicio relevantes, en lugar de aumentar únicamente el volumen.
En los mezcladores de tambor y de volteo, el número de Froude es una cifra característica central, porque describe la relación entre las fuerzas de inercia y las de gravedad. Se utiliza con frecuencia para el escalado, pero no sustituye a la comprobación experimental de la calidad de mezcla a mayor escala.
2. Comparar las cifras características importantes
Para el escalado de mezcladores horizontales deberían ser lo más comparables posible entre la escala de laboratorio y la de producción, sobre todo, el número de Froude, el grado de llenado, la velocidad de giro o velocidad periférica y el tiempo de mezclado. Al aumentar la escala puede ser razonable mantener constante el número de Froude; no obstante, el tiempo de mezclado necesario no es transferible de forma necesariamente proporcional.
El número de Froude se refiere a los mezcladores rotativos de caída libre, de tambor y de proyección, así como a los sistemas con órgano mezclador apoyado en horizontal. En los mezcladores verticales con recirculación forzada no es un criterio de dimensionado ni de escalado. Allí lo determinante es que el principio de mezclado se mantenga igual en todos los tamaños y que la recirculación abarque toda la cámara de mezclado con independencia del grado de llenado; la transferibilidad se asegura en el centro de ensayos con el producto original.
La velocidad periférica resulta útil allí donde deben limitarse la cizalla y la solicitación de las partículas. El grado de llenado debería mantenerse lo más constante posible dentro del rango validado, porque influye claramente en las trayectorias de las partículas, en la frecuencia de contacto y en el comportamiento de segregación.
3. Evaluar cuantitativamente la calidad de mezcla
La calidad de mezcla debería evaluarse con una magnitud claramente definida, por lo general mediante el coeficiente de variación (CV) de un componente clave. Un CV bajo indica una distribución más estrecha de los valores muestrales y, por tanto, una mezcla más homogénea.
Es importante que la toma de muestras sea representativa: las muestras de polvo deberían extraerse en lo posible de material en movimiento y a lo largo de varias posiciones o momentos. Para los polvos metálicos son determinantes procedimientos de muestreo normalizados o, al menos, reconocidos.
La masa de muestra debe ser suficientemente grande para reflejar de forma razonable la dispersión natural de las partículas; de lo contrario, muestras demasiado pequeñas conducen a una calidad de mezcla aparentemente mala, aunque el problema esté en el muestreo.
4. Asegurar el escalado experimentalmente
Un salto directo de la escala de laboratorio a la producción es arriesgado. En la práctica resulta razonable una etapa piloto o de centro de ensayos en la que se comprueben los parámetros de escalado y se ajusten el tiempo de mezclado, la velocidad de giro, el orden de dosificación y la conducción de la temperatura.
No solo debería evaluarse la calidad de mezcla en la salida del mezclador, sino también el comportamiento en los pasos posteriores como el transporte, el almacenamiento y el llenado. Precisamente allí surgen con frecuencia efectos de segregación que en el ensayo de laboratorio todavía no son visibles.
5. Controlar la segregación y la temperatura
Al aumentar la escala crece el riesgo de segregación, sobre todo con grandes diferencias de densidad, tamaño de partícula o propiedades de flujo. Por ello, el transporte, la descarga y el almacenamiento intermedio deben diseñarse de modo que no se pierda de nuevo la homogeneidad alcanzada en el mezclador.
En mezclas sensibles a la temperatura o al aglutinante debería observarse además la entrada de calor. Un aportación de energía excesivo puede provocar aglomeración o alterar las propiedades de flujo y empeorar así la reproducibilidad.
6. Evaluar también las propiedades del producto final
Un escalado logrado no se demuestra únicamente a través de la propia mezcla de polvo, sino también a través de las propiedades posteriores de la mezcla en verde y de los componentes finales. A ellas pertenecen el comportamiento de flujo, la densidad aparente y la densidad apisonada, la resistencia en verde, la distribución de densidad y la reproducibilidad de las propiedades de sinterizado o de los componentes.
Solo cuando estas características se mantienen comparables a lo largo de las escalas de laboratorio, piloto y producción, el escalado está realmente asegurado desde el punto de vista de la ingeniería de procesos.
Idea clave
Un escalado con pocas pérdidas en la pulvimetalurgia no se consigue mediante el simple aumento de volumen, sino mediante la combinación de un mismo principio de mezclado, cifras de proceso transferibles, una toma de muestras representativa, una fase piloto experimental y el control de la segregación y de la temperatura.
Así resuelve amixon® el escalado en la pulvimetalurgia sin que se vea afectada la calidad de mezcla
Existe semejanza geométrica y cinemática en todos los tamaños
- El núcleo del enfoque de amixon®: los mezcladores de laboratorio, de centro de ensayos y de producción trabajan con el mismo principio de mezclado. El órgano mezclador de cinta helicoidal SinConvex® transporta el producto hacia arriba en la periferia y lo deja fluir hacia abajo en el centro siguiendo la gravedad. Se genera así un flujo total tridimensional que presenta la misma característica con independencia del tamaño.
- El escalado se realiza mediante la velocidad periférica (no mediante la velocidad de giro): los mezcladores amixon® se operan en todos los tamaños en la misma ventana de aproximadamente 0,8 a 3,5 m/s, por regla general a bajas revoluciones. Así se conservan el patrón de movimiento, la solicitación mecánica de las partículas y la semejanza de Froude entre las escalas.
- La calidad de mezcla es independiente del grado de llenado. Ya con un grado de llenado bajo, de aproximadamente el 10 %, se alcanzan las máximas calidades de mezcla. De este modo pueden mezclarse los más diversos tamaños de lote en el mismo mezclador de producción sin tener que validar de nuevo la homogeneidad, una ventaja decisiva frente a los sistemas con una ventana de trabajo estrecha.
Esto se ha acreditado también con polvos metálicos y derivados cerámicos
- Los mezcladores de doble eje amixon® (tipo HM) homogeneizan en la pulvimetalurgia, por ejemplo, polvos de hierro, cromo, cobre, magnesio, silicio y carbono con densidades aparentes en torno a 4 kg/dm³ y tamaños de partícula de 0,02 a 100 µm. Las instalaciones de referencia llegan hasta el tamaño HM 16000 con un volumen de lote de 16 m³.
- La tarea crítica de distribuir homogéneamente coadyuvantes de prensado como el ácido esteárico o el estearato de zinc, cuya densidad aparente es a menudo menos de una veinteava parte de la del polvo metálico, la resuelve la herramienta mezcladora que controla todo el espacio con una aportación de energía mínima y sin segregación.
- Para polvos metálicos abrasivos se dispone de materiales resistentes al desgaste como Hardox o blindajes cerámicos. Todas las cámaras de mezclado están diseñadas para la zona ATEX 20, lo que resulta relevante para polvos finos e inflamables.
Escalonado continuo de tamaños en lugar de saltos de escala
- amixon® fabrica los tamaños de mezclador, a petición, en pasos de 100 litros desde 100 hasta 50.000 litros (VM, HM). El paso de la escala de ensayo validada al tamaño de producción puede elegirse así con la finura que se desee, ya que no existe un salto forzoso al «siguiente tamaño de catálogo».
- Para lotes muy grandes se emplea el mezclador de silo Gyraton® (tipo GM) con un volumen de 10 a aproximadamente 100 m³ en pasos de 1 m³. Permite un mezclado preciso y cuidadoso con una potencia de accionamiento mínima. Se utiliza, entre otros, para estabilizantes, espesantes, minerales, granalla metálica, polvos metálicos y masas de baterías.
Validación en el centro de ensayos antes de la inversión
- amixon® concede especial importancia a la fase piloto en su propio centro de ensayos: los ensayos de mezclado con el polvo original, incluida la distribución de coadyuvantes de prensado, la toma de muestras y la evaluación de la calidad de mezcla, se realizan en centros de ensayos propios en Alemania, Japón, India, Tailandia, China, Corea del Sur y los Estados Unidos Los parámetros allí determinados (velocidad periférica, tiempo de mezclado, grado de llenado) pueden transferirse directamente a la máquina de producción, ya que el sistema de mezclado es idéntico.
- El resultado es una transferencia asegurada geométricamente en lugar de una extrapolación con riesgo. La calidad de mezcla acreditada en el laboratorio representa así también en la escala de producción la mezcla aleatoria técnicamente ideal, que en la práctica no puede mejorarse más.