Lo scale-up dall'impianto di laboratorio a quello di produzione nella metallurgia delle polveri è impegnativo, perché la qualità di miscelazione dipende dalle dimensioni delle particelle, dalle differenze di densità, dalla coesione, dal grado di riempimento, dalla geometria del miscelatore e dal principio di miscelazione. Un ingrandimento puramente geometrico spesso non basta, perché altrimenti possono cambiare i meccanismi di miscelazione, le tendenze alla segregazione e la distribuzione degli elementi di lega o dei lubrificanti di pressatura. Uno scale-up solido si basa quindi su principi di similitudine, su una valutazione riproducibile della qualità di miscelazione e su una validazione per gradi.

1. Mantenere coerenti il principio di miscelazione e la geometria

Se possibile, si dovrebbe mantenere lo stesso tipo di miscelatore dalla scala di laboratorio a quella di produzione, perché un cambio del principio di miscelazione modifica i meccanismi dominanti. Per lo scale-up vanno quindi trasferiti i rapporti geometrici e le grandezze di esercizio rilevanti, invece di ingrandire soltanto il volume.

Nei miscelatori a tamburo e oscillanti il numero di Froude è un parametro centrale, perché descrive il rapporto tra le forze d'inerzia e le forze di gravità. Viene spesso utilizzato per la scalatura, ma non sostituisce la verifica sperimentale della qualità di miscelazione alla scala maggiore.

2. Confrontare i parametri caratteristici importanti

Per lo scale-up dei miscelatori orizzontali dovrebbero essere il più possibile confrontabili tra scala di laboratorio e di produzione soprattutto il numero di Froude, il grado di riempimento, la velocità di giro ovvero la velocità periferica e il tempo di miscelazione. Con l'aumentare della scala può essere sensato mantenere costante il numero di Froude; il tempo di miscelazione necessario non è tuttavia trasferibile in modo necessariamente proporzionale.

Il numero di Froude si riferisce ai miscelatori rotativi a caduta libera, a tamburo e a proiezione, così come ai sistemi con utensile di miscelazione supportato in orizzontale. Nei miscelatori verticali con rimescolamento forzato non è un criterio di dimensionamento né di scale-up. Là è determinante che il principio di miscelazione resti identico su tutte le taglie e che il rimescolamento interessi l'intera camera di miscelazione indipendentemente dal grado di riempimento; la trasferibilità viene messa in sicurezza nel centro prove con il prodotto originale.

La velocità periferica è utile là dove si devono limitare il taglio e la sollecitazione delle particelle. Il grado di riempimento dovrebbe restare il più possibile costante nell'intervallo validato, perché influenza notevolmente le traiettorie delle particelle, la frequenza dei contatti e il comportamento di segregazione.

3. Valutare quantitativamente la qualità di miscelazione

La qualità di miscelazione dovrebbe essere valutata con un parametro chiaramente definito, di norma il coefficiente di variazione (CV) di un componente chiave. Un CV basso indica una distribuzione più stretta dei valori dei campioni e quindi una miscela più omogenea.

È importante che il campionamento sia rappresentativo: i campioni di polvere dovrebbero essere prelevati possibilmente da materiale in movimento, e in più posizioni o momenti. Per le polveri metalliche fanno riferimento procedure di campionamento normalizzate o almeno riconosciute.

La massa del campione deve essere abbastanza grande da rappresentare in modo sensato la dispersione naturale delle particelle; campioni troppo piccoli portano altrimenti a una qualità di miscelazione apparentemente scadente, mentre il problema sta nel campionamento.

4. Mettere in sicurezza lo scale-up per via sperimentale

Un salto diretto dalla scala di laboratorio alla produzione è rischioso. Nella pratica è sensato uno stadio pilota o di centro prove, in cui verificare i parametri di scalatura e adattare il tempo di miscelazione, la velocità di giro, l'ordine di dosaggio e la conduzione della temperatura.

Non si dovrebbe valutare solo la qualità di miscelazione allo scarico del miscelatore, ma anche il comportamento nelle fasi successive quali trasporto, stoccaggio e riempimento. Proprio là si generano spesso effetti di segregazione che nella prova di laboratorio non sono ancora visibili.

5. Controllare la segregazione e la temperatura

Con l'aumentare della scala cresce il rischio di segregazione, soprattutto con grandi differenze di densità, di dimensione delle particelle o di proprietà di scorrimento. Per questo il trasporto, lo scarico e lo stoccaggio intermedio devono essere progettati in modo che l'omogeneità raggiunta nel miscelatore non vada perduta.

Con miscele sensibili alla temperatura o al legante si dovrebbe inoltre osservare l'apporto di calore. Un apporto di energia troppo elevato può causare agglomerazione o proprietà di scorrimento alterate e peggiorare così la riproducibilità.

6. Valutare anche le proprietà del prodotto finito

Uno scale-up riuscito non si dimostra solo attraverso la miscela di polveri in sé, ma anche attraverso le proprietà successive della miscela cruda e dei componenti finiti. Tra queste rientrano il comportamento di scorrimento, la densità apparente e battuta, la resistenza a verde, la distribuzione della densità e la riproducibilità delle proprietà di sinterizzazione o dei componenti.

Solo quando queste caratteristiche restano confrontabili tra la scala di laboratorio, quella pilota e quella di produzione lo scale-up è realmente garantito dal punto di vista dell'ingegneria di processo.

Messaggio chiave

Uno scale-up con perdite minime nella metallurgia delle polveri non riesce con il semplice ingrandimento del volume, ma con la combinazione di stesso principio di miscelazione, parametri di processo trasferibili, campionamento rappresentativo, sperimentazione pilota e controllo della segregazione e della temperatura.