Skip to main navigation Przejdź do głównej treści Skip to page footer

Jak jednocześnie zapewnić jakość mieszania i integralność cząstek przy kruchych granulatach ceramicznych?

Kruche granulaty ceramiczne, na przykład granulaty prasownicze suszone rozpyłowo z tlenku glinu, tlenku cyrkonu, węglika krzemu, ferrytów lub innych ceramik technicznych, muszą być często wtórnie mieszane ze spoiwami, środkami poślizgowymi, pigmentami, dodatkami lub domieszkami. Powstaje przy tym konflikt celów: dodatki mają być rozprowadzone jednorodnie w całym wsadzie, podczas gdy ziarna granulatu muszą możliwie zachować swoją istotną dla formowania wielkość, kształt, porowatość i sypkość.

Integralność cząstek jest istotna dla kolejnych procesów prasowania. Granulaty suszone rozpyłowo są stosowane, ponieważ ich przeważnie zbliżony do kulistego kształt i określony rozkład wielkości ziaren wspierają sypkość i powtarzalne napełnianie narzędzi prasujących. Zmiany rozkładu wielkości ziaren, zwłaszcza wzrost udziału frakcji drobnej wskutek ścierania lub pękania, mogą zmieniać gęstość nasypową, zachowanie przepływu, wypełnienie formy i zachowanie zagęszczania. Wielkość granulatu i jego rozkład wpływają z kolei na gęstość kształtki surowej, gradienty gęstości i zachowanie podczas spiekania.

Dla takich zadań systemy mieszania o niskim obciążeniu mechanicznym są zasadniczo korzystne. Odpowiednie mogą być mieszalniki kontenerowe, bębnowe, V lub dwustożkowe, jeśli składniki mają podobne właściwości cząstek i dostępny jest wystarczający czas na wymieszanie o charakterze dyfuzyjnym. Systemy te działają przeważnie poprzez toczenie, przemieszczanie i wielokrotny podział warstw produktu. Unikają szybkoobrotowych narzędzi w przestrzeni produktowej, oferują jednak tylko ograniczone możliwości rozprowadzania bardzo małych ilości dozowanych lub wprowadzania klejących cieczy.

Pionowe mieszalniki stożkowo-ślimakowe mogą stanowić alternatywę, gdy wymagane jest łagodne, konwekcyjne przemieszczanie. Ślimak prowadzony przy ścianie podnosi produkt, podczas gdy pod wpływem grawitacji opada on z powrotem. Wynikające obciążenie można przy odpowiednich obrotach i geometrii narzędzia utrzymać na niskim poziomie. Także wolnoobrotowe dwuwałowe mieszalniki łopatkowe mogą nadawać się do większych wsadów, jeśli ich intensywność mieszania jest dostosowana do wytrzymałości na pękanie granulatu. Ogólnie obowiązuje: systemu mieszania nie wolno oceniać wyłącznie na podstawie jego typu konstrukcji. Obroty, stopień napełnienia, geometria narzędzia, czas trwania mieszania, warunki wprowadzania i wyładunek istotnie wpływają na rzeczywiste obciążenie cząstek.

Systemy wysokointensywne z szybkoobrotowymi narzędziami rozdrabniającymi, rotorami tnącymi lub wyraźnymi strefami ścinania i uderzenia zwykle nie są pierwszym wyborem dla już gotowych, kruchych granulatów prasowniczych. Mogą być sensowne, gdy aglomeraty mają być celowo rozpuszczone lub ciecze wmieszane. Dla samego mieszania końcowego kruchych granulatów przy wysokiej intensywności mieszania rośnie jednak ryzyko ścierania i pękania ziaren. Czy mieszalnik lemieszowy lub inny intensywny system mieszania jest mimo to możliwy do zastosowania, zależy od wytrzymałości granulatu, wymaganego czasu mieszania i dopuszczalnej zmiany udziału frakcji drobnej.

Parametry procesowe muszą być ustawione tak, aby pożądana jednorodność była osiągana przy minimalnym obciążeniu mechanicznym. Niskie obroty i kontrolowany ruch produktu ograniczają energię uderzenia i tarcia. Przy obracających się mieszalnikach bębnowych liczba Froude'a może służyć jako orientacja dla stanu ruchu. Ruch toczący lub łagodnie kaskadowy jest z reguły łagodniejszy niż ruch rzutowy lub odśrodkowy. Nie można jednak podać ogólnie obowiązującej docelowej liczby Froude'a, ponieważ geometria zbiornika, stopień napełnienia, właściwości granulatu i zabudowy silnie wpływają na zachowanie ruchu.

Stopień napełnienia musi być dostosowany do danego mieszalnika. Zbyt niski stopień napełnienia może powodować duże wysokości spadku i podwyższoną prędkość cząstek. Zbyt wysoki stopień napełnienia redukuje skuteczne przemieszczanie i może prowadzić do dłuższych czasów mieszania. Zamiast ogólnie obowiązującego zakresu stopnia napełnienia jako punkt wyjścia powinien być więc stosowany zakres pracy przewidziany przez producenta, a następnie optymalizowany z oryginalnym granulatem.

Czas mieszania musi być ograniczony do rzeczywistego zapotrzebowania na jednorodność. Po osiągnięciu wymaganej jakości mieszania dodatkowy czas obróbki prowadzi często już tylko do dalszego ścierania. To tak zwane przemieszanie jest określane w próbach: w różnych momentach pobierane są reprezentatywne próbki i oceniany jest zarówno rozkład składnika wiodącego, jak i rozkład wielkości ziaren. Do jakości mieszania można wykorzystać współczynnik zmienności odpowiedniego znacznika lub składnika czynnego. Ogólna wartość graniczna, taka jak współczynnik zmienności poniżej 5 procent, nie jest jednak odpowiednia dla wszystkich receptur ceramicznych. Dopuszczalna wartość zależy od ilości dozowanej, pobierania próbek, metody analizy i wymagań jakościowych produktu końcowego.

Integralność cząstek jest oceniana przed i po procesie mieszania na podstawie rozkładu wielkości ziaren. Przy granulatach prasowniczych analiza sitowa lub metody obrazowania są często szczególnie miarodajne; dyfrakcja laserowa może być stosowana uzupełniająco, o ile metoda pomiarowa nie niszczy już ziaren granulatu podczas przygotowania próbki. Do rejestrowania należą co najmniej udział frakcji drobnej, nadziarno, d10, d50, d90 i szerokość rozkładu. Dodatkowo mogą być oceniane gęstość nasypowa, gęstość po ubiciu, współczynnik Hausnera, czas przepływu oraz ewentualnie wytrzymałość na pękanie poszczególnych granulatów. Wzrost udziału frakcji drobnej, zmiany współczynnika Hausnera lub zmieniony czas przepływu mogą dawać wskazówki dotyczące ścierania lub zmian strukturalnych.

Obok samego mieszalnika na ścieranie granulatu wpływa cała peryferia. Krytyczne są miejsca wprowadzania, przenośniki ślimakowe, pneumatyczne odcinki transportowe, śluzy komórkowe, przekazania, organy wyładowcze i wysokości spadku. Granulat powinien być możliwie równomiernie i z niską wysokością spadku wprowadzany do mieszalnika oraz po mieszaniu łagodnie wyładowywany. Płyty odbojowe mogą redukować energię spadku, mogą jednak także powodować dodatkowe tarcie lub naklejenia. Wykonanie musi być więc dobierane w odniesieniu do produktu. Często korzystniejsze są łagodnie prowadzone zsuwnie, dostosowane szyby przekazujące i krótkie swobodne drogi spadku niż niekontrolowane upadki produktu.

Przy bardzo małych ilościach dodatku sensowny może być premiks. Najpierw substancja dodatkowa jest mieszana z małą częściową ilością materiału nośnikowego; ten premiks jest następnie łączony z głównym wsadem. Dzięki temu może się skrócić wymagany czas mieszania wrażliwego całego wsadu. Czy metoda jest odpowiednia, zależy od tego, czy frakcja nośnikowa ma tę samą strukturę cząstek i czy sam premiks może być wytworzony bez istotnego ścierania.

Receptura wpływa również na wytrzymałość granulatów. Zawartość spoiwa, wilgotność resztkowa, warunki granulacji i profil suszenia decydują o wytrzymałości i odkształcalności ziaren. Podwyższenie wytrzymałości granulatu może zmniejszyć ścieranie, nie może jednak naruszać zachowania podczas prasowania i spiekania. Granulaty suszone rozpyłowo są często celowo formułowane tak, aby z jednej strony dobrze płynęły i mogły być transportowane, a z drugiej podczas prasowania pękały lub odkształcały się w sposób kontrolowany. Optymalna wytrzymałość musi być więc zaprojektowana dla całej ścieżki procesowej – przygotowania, mieszania, transportu, wypełnienia formy i zagęszczania.

Tak amixon® wspiera łagodne mieszanie kruchych granulatów

Łagodny ruch produktu jako cel projektowy

Przy kruchych granulatach ceramicznych, powlekanych cząstkach, kryształach, produktach instant lub proszkach suszonych rozpyłowo zachowanie struktury cząstek jest na pierwszym planie. Mieszalniki pionowe amixon® serii VM i HM mogą być eksploatowane przy niskich prędkościach obwodowych. Producent podaje dla tych systemów regulowany zakres od około 0,8 do 3,5 m/s; w praktyce mieszalniki pionowe są często eksploatowane przy niskich obrotach.

Narzędzia mieszające SinConvex® wytwarzają trójwymiarowy ruch produktu: materiał sypki jest podnoszony w obszarze przyściennym, a następnie w obszarze centralnym opada z powrotem pod wpływem grawitacji. Przy obrotach, czasie mieszania, stopniu napełnienia i wykonaniu narzędzi dostosowanych specyficznie do produktu ta zasada mieszania może umożliwiać równomierne rozprowadzenie przy ograniczonym obciążeniu mechanicznym. Pełne wykluczenie ścierania, pękania ziaren czy wzrostu temperatury nie może być jednak ogólnie zagwarantowane. Zwłaszcza przy kruchych granulatach ceramicznych dopuszczalny udział frakcji drobnej, rozkład wielkości ziaren i rozwój temperatury muszą być określane w próbie z oryginalnym produktem.

Celowe ustawianie intensywności mieszania

Intensywność mieszania nie jest określana wyłącznie przez typ konstrukcji mieszalnika. Wynika ona z kombinacji geometrii narzędzia, obrotów, stopnia napełnienia, czasu trwania mieszania, warunków wprowadzania i ewentualnych dodatkowych zabudów. Do samej homogenizacji wrażliwych granulatów szybkoobrotowe narzędzia rozdrabniające czy rotory tnące zwykle nie są stosowane. Jeśli jednak miękkie aglomeraty mają być rozpuszczone lub ciecze celowo rozprowadzone, mogą być lokalnie i czasowo ograniczone dołączane oddzielnie napędzane rotory tnące.

Obroty głównego mieszadła, czas mieszania i ewentualne zastosowanie rotora mogą być zapisane jako parametry receptury w sterowaniu. Dzięki temu po pomyślnym opracowaniu procesu można realizować powtarzalne programy wsadowe. Wymagany czas mieszania powinien być ograniczony do punktu, w którym osiągnięta zostaje pożądana jednorodność. Niepotrzebne wydłużenie czasu mieszania może nawet przy niskich obrotach prowadzić do dodatkowego ścierania.

Przetwarzanie dużych wsadów w sposób łagodny dla produktu

Mieszalniki pionowe jednowałowe i dwuwałowe mogą być według informacji producenta wykonywane w wielkościach do około 50 m³. Skalowanie większych wsadów wymaga jednak ponownej oceny obciążenia cząstek, ponieważ wysokość napełnienia, obciążenie ciśnieniowe, drogi wymieszania, energia wprowadzania i zachowanie wyładowcze mogą się zmieniać. Przejście skali nie może być więc zabezpieczone wyłącznie poprzez prędkość obwodową.

Dla dużych wsadów amixon® oferuje mieszalnik Gyraton® typu GM. Według informacji producenta dostępne są wielkości konstrukcyjne od 10 do około 70 m³; dla zastosowań w przemyśle spożywczym amixon® podaje także silosy mieszające do 100 m³. System mieszania pracuje przy stosunkowo niskiej mocy zainstalowanej i jest zaprojektowany do łagodnej homogenizacji suchych, wilgotnych i pastowatych materiałów sypkich. Gyraton® może być dlatego interesujący dla wielkoobjętościowych, wrażliwych produktów, o ile jakość mieszania, integralność cząstek i opróżnianie zostaną wykazane dla konkretnej receptury.

Rozwiązania specjalne i ochrona przed zużyciem

Dla szczególnie wrażliwych materiałów w grę wchodzą także mieszalnik z pustymi kulami SpherHelics® i mieszalnik KoneSlid®. Systemy te są zaprojektowane do łagodnego ruchu produktu i możliwie pełnego opróżniania. KoneSlid® został opracowany szczególnie dla produktów powstających w wyniku suszenia rozpyłowego, granulacji fluidyzacyjnej lub suszenia taśmowego, których struktura cząstek ma być możliwie zachowana. Osiągalny czas mieszania, opróżnianie resztkowe i rzeczywista skłonność do segregacji zależą jednak zawsze od produktu, stopnia napełnienia i konfiguracji instalacji.

Dla proszków i mas ceramicznych amixon® oferuje wykonania chronione przed zużyciem. Zależnie od ścierności produktu można stosować materiały odporne na zużycie, napawania twarde, systemy ochronne z węglików spiekanych lub ceramiczne. Przy wysokoczystych ceramikach technicznych trzeba sprawdzić, czy możliwe ścieranie wybranych materiałów ochronnych jest zgodne z wymaganiami czystości produktu. amixon® podaje dla metalurgii proszków i ceramiki drobnoziarnistej odporne na zużycie systemy mieszające i suszarko-mieszające dla wsadów od około 5 do 40 000 kg.

Dowód w centrum prób

Przydatność techniki mieszania powinna być wykazana z oryginalnym granulatem. Zmieniane są przy tym typ mieszalnika, wykonanie narzędzi, stopień napełnienia, obroty, czas mieszania, strategia dozowania i warunki wyładunku. Obok jakości mieszania należy oceniać rozkład wielkości ziaren, udział frakcji drobnej, gęstość nasypową i po ubiciu, zachowanie przepływu, rozwój temperatury oraz ewentualnie wpływ na wypełnienie formy, gęstość kształtki surowej i wynik spiekania.

amixon® podaje, że w siedzibie głównej w Paderborn eksploatuje ponad 30 instalacji testowych o różnych wielkościach; uzupełniające centra prób znajdują się w Japonii, Indiach, Tajlandii, Chinach, Korei Południowej i USA. Udokumentowane wyniki mogą służyć jako podstawa do ustalenia odpowiedniej maszyny i dopuszczalnego okna eksploatacyjnego dla późniejszej skali produkcyjnej.