Quale tipo costruttivo di miscelatore minimizza l'abrasione nelle polveri metalliche e previene una contaminazione del prodotto da particelle estranee?
Per le polveri metalliche non esiste un'unica forma costruttiva di miscelatore che minimizzi automaticamente l'abrasione e l'ingresso di particelle estranee in tutte le condizioni. Di norma è più adatto un miscelatore batch convettivo a bassa velocità, con utensili di grande superficie, bassa velocità relativa e una conduzione di processo completamente chiusa, inertizzabile e favorevole alla pulizia. Decisivo non è tanto il nome della forma costruttiva, quanto la progettazione coerente di tutti i componenti a contatto con il prodotto, della periferia e dell'intera movimentazione per la specifica polvere metallica.
Principi di miscelazione idonei
Per la polvere metallica secca, abrasiva o sensibile all'ossidazione, i miscelatori conici o verticali monoalbero con utensili a elica o a nastro elicoidale a bassa velocità sono spesso vantaggiosi. Generano prevalentemente un rimescolamento convettivo del prodotto: la polvere viene trasportata e nuovamente rimescolata in modo controllato, senza che siano necessariamente richieste elevate velocità di impatto, zone di macinazione intense o contatti dell'utensile fortemente cesoianti. Anche i miscelatori a due alberi azionati a bassa velocità possono essere idonei quando è richiesto un rimescolamento tridimensionale intensivo o l'incorporazione di additivi. Nelle polveri altamente abrasive, tuttavia, occorre sempre verificare se le sovrapposizioni aggiuntive degli utensili e le luci più ridotte aumentano l'usura.
Meno idonei sono i concetti di miscelazione che generano deliberatamente elevate velocità relative, forte sollecitazione da impatto, zone di urto marcate o interstizi di taglio molto stretti. Tra questi rientrano ad esempio i miscelatori ad alto taglio, a turbina o a impatto a funzionamento intensivo, a meno che la loro elevata sollecitazione meccanica non sia espressamente richiesta per una necessaria disagglomerazione. Anche nei miscelatori a caduta libera la situazione non è generalmente migliore: possono sì lavorare in modo molto delicato, ma per polveri metalliche coesive, agglomerate o molto diverse tra loro sono spesso idonei solo in misura limitata e, in presenza di caratteristiche particellari sfavorevoli, possono favorire la segregazione.
Abrasione alla fonte
L'abrasione nasce soprattutto da movimenti relativi ad alta velocità e da pressione di contatto tra particelle, utensili, parete del recipiente, valvole di scarico e componenti di trasporto. La regola di dimensionamento centrale è quindi: tanta energia di movimento quanto necessario, ma il meno possibile. Bassi numeri di giri dell'utensile, ampie sezioni di flusso, ampi raggi di deviazione, basse altezze di caduta e un trasporto di massa controllato riducono la sollecitazione della polvere e dell'impianto.
La geometria dell'utensile dovrebbe consentire un rimescolamento completo del prodotto senza premere la polvere contro la parete o compattarla in zone di macinazione locali. Le distanze dalla parete e dall'utensile devono essere scelte come compromesso: fessure troppo ampie generano zone di bordo scarsamente miscelate e accumulo di prodotto, fessure troppo piccole possono sgretolare le particelle e generare abrasione dalle superfici metalliche. Per le miscele abrasive, una valvola di scarico ottimizzata contro l'usura, così come le tubazioni di scarico e di trasporto, sono importanti quanto la camera di miscelazione stessa. Nei sistemi abrasivi, bassi numeri di giri e trattamenti superficiali idonei sono espressamente citati come misure essenziali per ridurre l'usura.
Materiali e costruzione
Le superfici a contatto con il prodotto devono essere non solo dure e resistenti all'usura, ma anche compatibili con l'obiettivo di purezza della polvere metallica. Acciai inossidabili induriti, leghe idonee ad alta durezza, metallo duro o ceramiche tecniche possono ridurre l'usura. Ogni opzione di materiale deve tuttavia essere verificata rispetto a quali elementi o particelle potrebbe rilasciare nel prodotto in caso di usura. Un componente in metallo duro, ad esempio, può essere molto resistente all'usura, ma nelle chimiche di polvere critiche può introdurre esso stesso quote indesiderate di tungsteno, cobalto o nichel. Anche i rivestimenti o le placcature ceramiche devono essere verificati per adesione, formazione di cricche, abrasività, resistenza chimica ed eventuali scheggiature.
Sono utili superfici interne lisce, saldate senza fughe e rifinite, ampi raggi di transizione, salti di sezione ridotti, nonché fessure e angoli facilmente accessibili e completamente pulibili. Collegamenti a vite, filettature aperte, punti di appoggio a contatto con il prodotto, guarnizioni non protette e contatti metallici soggetti a usura dovrebbero, per quanto possibile, trovarsi al di fuori della camera di prodotto. Un albero di miscelazione supportato dall'alto può offrire vantaggi in questo senso, perché non è necessario alcun passaggio d'albero inferiore né alcun punto di appoggio a contatto con il prodotto nel fondo del recipiente. I componenti soggetti a usura dovrebbero essere concepiti in modo da poter essere ispezionati, identificati chiaramente e sostituiti preventivamente, prima che rilascino particelle metalliche estranee.
Movimentazione chiusa
Le particelle estranee non provengono solo dal miscelatore. Possono essere introdotte con le materie prime, l'aria di trasporto, i contenitori, i filtri, le guarnizioni, gli utensili, le operazioni di manutenzione o dall'ambiente di produzione. Il sistema dovrebbe quindi essere realizzato il più possibile chiuso, dall'accettazione delle materie prime fino al contenitore finale. Stazioni di aggancio a tenuta di polvere, trasferimenti container chiusi, una vagliatura idonea ed eventualmente separatori magnetici aiutano a limitare l'ingresso di particelle estranee. I separatori magnetici, tuttavia, catturano solo metalli estranei magnetizzabili e non sostituiscono una prevenzione coerente dei contaminanti non magnetici.
Per le polveri metalliche reattive come alluminio, titanio, magnesio o altri materiali facilmente ossidabili ovvero soggetti a esplosione di polveri, può essere necessaria l'inertizzazione con azoto o argon. Essa protegge dall'ossidazione e riduce al contempo il rischio di incendio ed esplosione, ma deve far parte di un concetto completo di protezione antideflagrante e di sicurezza. Le polveri metalliche dovrebbero essere lavorate costantemente messe a terra; in presenza di un'energia minima di accensione molto bassa, lo spostamento dell'ossigeno tramite gas inerte può essere una misura di protezione centrale. Un'inertizzazione idonea richiede il monitoraggio della concentrazione di ossigeno, una tenuta adeguata, procedure operative sicure e una valutazione dei rischi.
Anche l'umidità e l'ingresso di ossigeno possono compromettere la qualità delle polveri metalliche sensibili. In particolare durante travaso, vagliatura, miscelazione e stoccaggio, il contatto con l'aria ambiente dovrebbe essere ridotto al minimo. Per i componenti in titanio destinati ai processi a letto di polvere, ad esempio, si raccomanda di eseguire vagliatura e miscelazione in un ambiente inerte e a umidità controllata.
Verifica e manutenzione
La scelta della forma costruttiva del miscelatore deve essere confermata tramite prove con la polvere originale. Prima e dopo la prova di miscelazione dovrebbero essere esaminati almeno la distribuzione granulometrica, la forma delle particelle, il comportamento di scorrimento, il contenuto di ossigeno e umidità, nonché gli elementi metallici estranei rilevanti. Per la determinazione delle contaminazioni elementari si prestano, a seconda del materiale, tra l'altro l'OES a scintilla, l'XRF, l'ICP-OES o l'ICP-MS. Per le singole particelle estranee sono rilevanti le analisi SEM/EDS automatizzate, i metodi di imaging ed eventualmente la separazione per densità. Nelle applicazioni critiche, tali metodi possono rilevare numero, dimensione, forma e composizione dei contaminanti.
È importante un concetto di manutenzione basato sul rischio. Utensili critici per l'usura, valvole di scarico, curve di tubazione, guarnizioni, vagli e filtri dovrebbero essere verificati a intervalli definiti e sostituiti prima di raggiungere i limiti critici di usura. Sono inoltre necessari utensili, dispositivi di pulizia, container e tratti di trasferimento specifici per materiale e chiaramente identificati, per evitare la contaminazione crociata tra leghe metalliche diverse. La contaminazione della polvere metallica può insorgere non solo nel miscelatore, ma anche a causa della precedente lavorazione di altri materiali nello stesso impianto.
Così amixon® minimizza l'abrasione e la contaminazione metallica nelle polveri abrasive
Nelle polveri metalliche, ceramiche, minerali o in altre polveri fortemente abrasive, amixon® minimizza l'abrasione e la contaminazione da particelle estranee grazie a una cinematica di miscelazione a bassa velocità, a superfici di contatto con il prodotto interamente rivestite in ceramica, a una costruzione a basso rischio di contaminazione e a una convalida specifica per il prodotto. In particolare per i prodotti che non tollerano alcuna abrasione metallica, amixon® può rivestire tutti i componenti a contatto con il prodotto con una ceramica ossidica ad alte prestazioni idonea. Tra questi rientrano la camera di miscelazione, gli utensili di miscelazione, l'albero, le valvole di scarico e ulteriori componenti interni a contatto con il prodotto. Il contatto metallico diretto tra il prodotto da miscelare e le superfici dell'apparecchio viene così eliminato. Per gli impianti realizzati in modo corrispondente, amixon® descrive che l'abrasione metallica durante miscelazione, reazione o essiccazione viene esclusa.
Minimizzare l'abrasione alla fonte
L'abrasione nasce soprattutto nei punti di contatto con elevata velocità relativa ed elevata pressione superficiale: tra particelle di prodotto, utensili di miscelazione, parete del recipiente, valvole di scarico e punti di trasferimento. I miscelatori amixon® lavorano quindi con velocità periferiche dell'utensile relativamente basse, a partire da circa 0,8 m/s. A seconda della forma costruttiva dell'apparecchio e del compito di miscelazione, la finestra di velocità può arrivare fino a circa 3,5 m/s. Il deflusso totale SinConvex® si basa su un rimescolamento forzato tridimensionale controllato. Il prodotto viene trasportato verso l'alto nella zona vicina alla parete, fluisce al centro verso il basso sotto l'effetto della gravità e viene ricondotto ripetutamente nella zona di miscelazione attiva.
L'azione di miscelazione nasce quindi non da zone di lancio, urto o schiacciamento ad alta energia. Ciò riduce le sollecitazioni locali sulle superfici a contatto con il prodotto e abbassa il potenziale di usura erosiva. L'intensità di miscelazione necessaria viene comunque sempre adattata a coesività, resistenza degli agglomerati, grado di riempimento, ricetta e obiettivo di omogeneità. Se è necessaria una miscelazione intensiva limitata nel tempo, il suo possibile effetto su forma delle particelle, distribuzione granulometrica e purezza deve essere esaminato con il prodotto originale.
Ceramica su tutte le superfici di contatto
amixon® dispone di diverse soluzioni con ceramiche tecniche e ceramiche ossidiche per le zone dell'apparecchio critiche per l'usura. A seconda dell'abrasività, della chimica del prodotto da miscelare, della temperatura, del tipo di pulizia e degli elementi estranei ammessi, possono essere impiegati rivestimenti ceramici al plasma, rivestimenti a spruzzo termico ad alta temperatura o piastre di protezione ceramiche. Nelle applicazioni particolarmente critiche, la ceramica ossidica ad alta resistenza può essere applicata su tutti i componenti a contatto con il prodotto. In questo modo non solo gli utensili di miscelazione, ma anche la camera di miscelazione, l'albero, lo scarico, le valvole e ulteriori superfici di contatto vengono protetti dal contatto diretto del prodotto con il metallo.
La scelta del materiale avviene sempre in funzione dei requisiti del prodotto. Le ceramiche ossidiche a base di alluminio possono ad esempio offrire una protezione efficace contro l'usura. Altri sistemi ceramici entrano in considerazione quando esistono requisiti particolari di durezza, resistenza alla temperatura, resistenza alla corrosione o compatibilità chimica. I rivestimenti ceramici devono essere permanentemente aderenti, non devono fessurarsi o scheggiarsi sotto sollecitazione di processo e devono essere resistenti al prodotto, ai mezzi di pulizia e agli sbalzi di temperatura. Per questo il corretto pretrattamento della superficie metallica portante, lo spessore del rivestimento, la lavorazione superficiale e il controllo qualità sono componenti del dimensionamento.
Oltre ai rivestimenti ceramici, amixon® può impiegare, a seconda del compito, materiali di base resistenti all'usura, utensili di miscelazione induriti, riporti di saldatura dura, inserti in metallo duro o elementi di protezione ceramici sostituibili. Queste opzioni sono sensate quando il rivestimento ceramico completo non è necessario o quando zone diverse del miscelatore sono sollecitate in misura diversa. Nelle polveri metalliche, tuttavia, non è determinante solo la resistenza all'usura, ma soprattutto la domanda su quali elementi o particelle potrebbero finire nel prodotto in caso di eventuale usura. Un rivestimento ceramico ossidico completo di tutte le superfici a contatto con il prodotto è quindi la soluzione preferita quando l'abrasione metallica deve essere esclusa in modo coerente.
Protezione costruttiva
Il rivestimento ceramico viene integrato da un'esecuzione dell'apparecchio costruttivamente a basso rischio di contaminazione. Le camere di miscelazione a contatto con il prodotto possono essere realizzate saldate senza fughe e levigate. Collegamenti a vite, filettature aperte e componenti metallici smontabili vengono, per quanto possibile, disposti al di fuori della camera di prodotto. Gli organi miscelanti supportati solo in alto evitano un passaggio d'albero inferiore e quindi punti di appoggio a contatto con il prodotto nella zona del fondo. Ciò riduce il rischio che l'usura di guarnizioni, cuscinetti o metallo finisca nel prodotto da miscelare.
I concetti di apparecchio chiusi e a tenuta di polvere con guarnizioni OmgaSeal® limitano inoltre l'ingresso di particelle ambientali, polvere estranea e umidità. Ciò è particolarmente rilevante quando le polveri metalliche sono sensibili all'ossidazione o quando leghe diverse vengono lavorate nella stessa area di produzione. Per le polveri metalliche reattive ovvero soggette a esplosione di polveri, può essere necessario un miscelatore a tenuta di gas e inertizzabile. L'inertizzazione con azoto o argon deve far parte di un concetto completo di sicurezza, protezione antideflagrante e conduzione dell'esercizio.
Non solo il miscelatore, ma l'intera periferia di processo determina la purezza raggiungibile. Container, stazioni di aggancio, organi di dosaggio, vagli, filtri, tubazioni di trasporto, curve di tubazione, valvole di scarico e utensili di manutenzione possono anch'essi introdurre particelle estranee. Per le leghe metalliche critiche, i percorsi di prodotto, i componenti di ricambio, i dispositivi di pulizia ed eventualmente intere aree dell'impianto devono essere assegnati e controllati per materiale. La contaminazione crociata tra polveri metalliche diverse è un rischio di qualità rilevante nella lavorazione metallurgica delle polveri.
Dimostrare la purezza
Garanzie generiche in ppm o ppb non sono solide. L'abrasione metallica effettivamente raggiungibile dipende, tra l'altro, da durezza, forma delle particelle, distribuzione granulometrica, grado di riempimento, tempo di miscelazione, numero di giri dell'utensile, qualità del rivestimento e abbinamento dei materiali. amixon® determina l'esecuzione dell'apparecchio adeguata nel centro prove con il prodotto originale e in accordo con l'analitica del gestore. Per tali prove sono disponibili presso la sede di Paderborn diversi impianti di prova.
Prima e dopo la prova di miscelazione, oltre alla qualità di miscelazione e alla distribuzione granulometrica, dovrebbero essere verificati anche i contenuti di elementi rilevanti e le particelle estranee. ICP-OES o ICP-MS consentono l'analisi quantitativa di elementi critici nell'intervallo delle tracce. SEM/EDX, analisi ottica delle particelle, prove di separazione magnetica o altri metodi di imaging integrano l'analisi metallica complessiva, poiché singole particelle estranee critiche possono restare nascoste in una misurazione puramente cumulativa. La distribuzione granulometrica, la forma delle particelle e la purezza della polvere metallica influenzano in modo determinante la qualità dei successivi processi di produzione metallurgica delle polveri o additiva.