Jaki typ konstrukcji mieszalnika minimalizuje ścieranie przy proszkach metalicznych i zapobiega kontaminacji mieszaniny przez cząstki obce?
Dla proszków metalicznych nie istnieje pojedyncza konstrukcja mieszalnika, która automatycznie minimalizuje ścieranie i wnikanie cząstek obcych we wszystkich warunkach. Najlepiej sprawdza się z reguły wolnoobrotowy, konwekcyjny mieszalnik okresowy z wielkopowierzchniowymi narzędziami, niską prędkością względną oraz całkowicie zamkniętym, inertyzowalnym i przyjaznym dla czyszczenia prowadzeniem procesu. Decydująca jest mniej nazwa konstrukcji, a bardziej konsekwentne dostosowanie wszystkich komponentów mających kontakt z produktem, peryferii i całej obsługi do konkretnego proszku metalicznego.
Odpowiednie zasady mieszania
Dla suchego, ściernego lub wrażliwego na utlenianie proszku metalicznego często korzystne są stożkowe lub pionowe mieszalniki jednowałowe z wolnoobrotowymi narzędziami wężownicowymi lub taśmowo-śrubowymi. Wytwarzają one przede wszystkim konwekcyjną cyrkulację produktu: proszek jest w sposób kontrolowany transportowany i ponownie przemieszczany, bez konieczności stosowania wysokich prędkości uderzenia, intensywnych stref mielenia czy silnie ścinających kontaktów narzędzia. Również wolnoobrotowe mieszalniki dwuwałowe mogą być odpowiednie, jeśli wymagana jest intensywna trójwymiarowa cyrkulacja lub wprowadzenie dodatków. Przy wysoce ściernych proszkach trzeba jednak zawsze sprawdzić, czy dodatkowe zachodzenie narzędzi na siebie i mniejsze wymiary szczelin nie zwiększają zużycia.
Mniej odpowiednie są koncepcje mieszania, które celowo wytwarzają wysokie prędkości względne, silne obciążenie udarowe, wyraźne strefy uderzenia lub bardzo wąskie szczeliny ścinające. Należą do nich na przykład intensywnie pracujące mieszalniki wysokościnające, wirowe lub uderzeniowe, o ile ich wysokie obciążenie mechaniczne nie jest wyraźnie wymagane dla koniecznej deaglomeracji. Także przy mieszalnikach swobodnego spadku sytuacja nie jest generalnie lepsza: mogą one wprawdzie pracować bardzo delikatnie, ale dla kohezyjnych, zaglomerowanych lub mocno różniących się proszków metalicznych nadają się często jedynie w ograniczonym zakresie i przy niekorzystnych cechach cząstek mogą sprzyjać rozdzielaniu się mieszaniny.
Ścieranie u źródła
Ścieranie powstaje przede wszystkim wskutek ruchów względnych o wysokiej prędkości oraz nacisku kontaktowego między cząstkami, narzędziami, ścianą zbiornika, armaturami wylotowymi i elementami transportowymi. Centralna zasada doboru brzmi zatem: tyle energii ruchu, ile konieczne, ale jak najmniej. Niskie prędkości obrotowe narzędzia, duże przekroje przepływu, szerokie promienie zawracania, niskie wysokości spadku i kontrolowany transport masy zmniejszają obciążenie proszku i instalacji.
Geometria narzędzia powinna umożliwiać pełną cyrkulację produktu, nie dociskając proszku do ściany ani nie zagęszczając go w lokalnych strefach mielenia. Odstępy od ściany i narzędzia muszą być dobrane jako kompromis: zbyt duże szczeliny prowadzą do słabo wymieszanych stref brzegowych i narostów produktu, zbyt małe szczeliny mogą ścierać cząstki i generować ścieranie z powierzchni metalowych. Dla mieszanin ściernych zoptymalizowana pod kątem zużycia armatura wylotowa oraz przewody wyładunkowe i transportowe są równie ważne jak sama komora mieszania. Przy systemach ściernych niskie prędkości obrotowe i odpowiednia obróbka powierzchni są wyraźnie wymieniane jako istotne środki ograniczające zużycie.
Materiały i konstrukcja
Powierzchnie mające kontakt z produktem muszą być nie tylko twarde i odporne na zużycie, lecz również kompatybilne z docelową czystością proszku metalicznego. Hartowane stale nierdzewne, odpowiednie stopy o wysokiej twardości, węglik spiekany lub ceramika techniczna mogą obniżać zużycie. Każdą opcję materiałową trzeba jednak sprawdzić pod kątem tego, jakie pierwiastki lub cząstki mogłaby wprowadzić do produktu w przypadku zużycia. Komponent z węglika spiekanego może być na przykład bardzo odporny na zużycie, ale przy krytycznej chemii proszku wprowadzać niepożądane udziały wolframu, kobaltu lub niklu. Również wykładziny lub powłoki ceramiczne muszą być sprawdzone pod kątem przyczepności, tworzenia się pęknięć, ścieralności, odporności chemicznej i możliwego odpryskiwania.
Sensowne są gładkie, spawane z niewielką liczbą szczelin i obrobione powierzchnie wewnętrzne, duże promienie przejściowe, niewielkie skoki przekroju oraz szczeliny i naroża, które są łatwo dostępne i w pełni czyszczalne. Połączenia śrubowe, otwarte gwinty, miejsca łożyskowania mające kontakt z produktem, niezabezpieczone uszczelnienia i zużywające się kontakty metaliczne powinny znajdować się możliwie poza przestrzenią produktową. Wał mieszający łożyskowany od góry może przy tym oferować korzyści, ponieważ nie jest wymagany dolny przepust wału ani miejsce łożyskowania mające kontakt z produktem w dnie zbiornika. Części zużywające się powinny być wykonane tak, aby można je było kontrolować, jednoznacznie identyfikować i wymieniać prewencyjnie, zanim uwolnią metaliczne cząstki obce.
Zamknięta obsługa
Cząstki obce nie pochodzą wyłącznie z mieszalnika. Mogą być wprowadzane wraz z surowcami, powietrzem transportowym, zbiornikami, filtrami, uszczelnieniami, narzędziami, czynnościami konserwacyjnymi lub z otoczenia produkcyjnego. System powinien być zatem możliwie zamknięty od przyjęcia surowca aż po gotowe gebindo. Pyłoszczelne stacje dokujące, zamknięte transfery kontenerowe, odpowiednie przesiewanie oraz w razie potrzeby separatory magnetyczne pomagają ograniczyć wnikanie cząstek obcych. Separatory magnetyczne wychwytują jednak wyłącznie namagnesowywalne metale obce i nie zastępują konsekwentnego unikania zanieczyszczeń niemagnetycznych.
Dla reaktywnych proszków metalicznych, takich jak aluminium, tytan, magnez lub inne łatwo utleniające się bądź wybuchowe pyłowo materiały, może być konieczna inertyzacja azotem lub argonem. Chroni ona przed utlenianiem i jednocześnie zmniejsza ryzyko pożaru i wybuchu, ale musi być częścią kompletnej koncepcji ochrony przeciwwybuchowej i bezpieczeństwa. Proszki metaliczne powinny być przetwarzane przy stałym uziemieniu; przy bardzo niskiej minimalnej energii zapłonu wypieranie tlenu gazem obojętnym może być kluczowym środkiem ochronnym. Odpowiednia inertyzacja wymaga monitorowania stężenia tlenu, odpowiedniej szczelności, bezpiecznych procedur eksploatacyjnych i oceny ryzyka.
Również wnikanie wilgoci i tlenu może pogarszać jakość wrażliwych proszków metalicznych. Zwłaszcza podczas przesypywania, przesiewania, mieszania i magazynowania kontakt z powietrzem otoczenia powinien być zminimalizowany. Dla komponentów tytanowych w procesie łoża proszkowego zaleca się na przykład prowadzenie przesiewania i mieszania w otoczeniu obojętnym i o kontrolowanej wilgotności.
Weryfikacja i konserwacja
Wybór konstrukcji mieszalnika musi zostać zabezpieczony próbami z oryginalnym proszkiem. Przed i po próbie mieszania należy zbadać co najmniej rozkład wielkości cząstek, kształt cząstek, zachowanie płynięcia, zawartość tlenu i wilgoci oraz istotne metaliczne pierwiastki obce. Do oznaczania kontaminacji pierwiastkowej nadają się, w zależności od materiału, między innymi spektrometria iskrowa OES, XRF, ICP-OES lub ICP-MS. Dla pojedynczych cząstek obcych istotne są zautomatyzowane analizy SEM/EDS, metody obrazowania oraz w razie potrzeby separacja gęstościowa. Przy zastosowaniach krytycznych takie metody mogą rejestrować liczbę, wielkość, kształt i skład zanieczyszczeń.
Ważna jest oparta na ryzyku koncepcja konserwacji. Krytyczne pod względem zużycia narzędzia, armatury wylotowe, kolana rurowe, uszczelnienia, sita i filtry powinny być sprawdzane w określonych odstępach i wymieniane przed osiągnięciem krytycznych granic zużycia. Ponadto wymagane są specyficzne dla materiału, jednoznacznie oznakowane narzędzia, urządzenia czyszczące, kontenery i odcinki transferowe, aby zapobiec zanieczyszczeniu krzyżowemu między różnymi stopami metali. Kontaminacja proszku metalicznego może powstawać nie tylko w mieszalniku, lecz również wskutek wcześniejszego przetwarzania innych materiałów w tej samej instalacji.
Jak amixon® minimalizuje ścieranie i kontaminację metaliczną przy proszkach ściernych
Przy proszkach metalicznych, ceramicznych, mineralnych lub innych silnie ściernych amixon® minimalizuje ścieranie i kontaminację cząstkami obcymi dzięki niskoobrotowej kinematyce mieszania, w pełni pokrytym ceramiką powierzchniom styku z produktem, konstrukcji o niskiej kontaminacji oraz walidacji odniesionej do produktu. Zwłaszcza przy mieszaninach, które nie tolerują żadnego ścierania metalicznego, amixon® może pokryć wszystkie części mające kontakt z produktem odpowiednią wysokowydajną ceramiką tlenkową. Należą do nich komora mieszania, narzędzia mieszające, wał, armatury wylotowe oraz inne elementy wewnętrzne mające kontakt z produktem. Dzięki temu eliminowany jest bezpośredni kontakt metalu między mieszaniną a powierzchniami aparatu. amixon® opisuje dla odpowiednio wykonanych instalacji, że ścieranie metaliczne podczas mieszania, reagowania lub suszenia jest wykluczone.
Minimalizacja ścierania u źródła
Ścieranie powstaje przede wszystkim w punktach styku o wysokiej prędkości względnej i wysokim nacisku powierzchniowym: między cząstkami produktu, narzędziami mieszającymi, ścianą zbiornika, armaturami wylotowymi i punktami przekazania. Mieszalniki amixon® pracują dlatego ze stosunkowo niskimi prędkościami obwodowymi narzędzia, zaczynając od około 0,8 m/s. W zależności od formy konstrukcyjnej aparatu i zadania mieszania okno prędkości może sięgać do około 3,5 m/s. Całkowite przepłynięcie SinConvex® opiera się na kontrolowanym, trójwymiarowym wymuszonym przemieszczaniu. Produkt jest transportowany w obszarze przyściennym ku górze, w centrum spływa wspomagany grawitacją w dół i jest wielokrotnie prowadzony do aktywnej strefy mieszania.
Działanie mieszające nie powstaje zatem przez wysokoenergetyczne strefy rzutu, uderzenia czy zgniatania. Zmniejsza to lokalne obciążenia na powierzchniach styku z produktem i obniża potencjał zużycia erozyjnego. Wymagana intensywność mieszania jest jednak zawsze dostosowywana do kohezyjności, wytrzymałości aglomeratów, stopnia napełnienia, receptury i celu jednorodności. Jeśli wymagane jest ograniczone czasowo mieszanie intensywne, jego możliwy wpływ na kształt cząstek, rozkład wielkości cząstek i czystość musi zostać zbadany z oryginalnym produktem.
Ceramika na wszystkich powierzchniach styku
amixon® dysponuje różnymi rozwiązaniami z ceramiki technicznej i ceramiki tlenkowej dla obszarów aparatu krytycznych pod względem zużycia. W zależności od ścieralności, chemii mieszaniny, temperatury, rodzaju czyszczenia i dopuszczalnych pierwiastków obcych mogą być stosowane ceramiczne powłoki plazmowe, wysokotemperaturowe powłoki natryskiwane płomieniowo lub ceramiczne płyty ochronne. W szczególnie krytycznych zastosowaniach wysokowytrzymała ceramika tlenkowa może być wykonana na wszystkich częściach mających kontakt z produktem. Dzięki temu chronione są przed bezpośrednim metalicznym kontaktem z produktem nie tylko narzędzia mieszające, lecz również komora mieszania, wał, wylot, armatury i inne powierzchnie styku.
Dobór materiału zawsze odbywa się w dostosowaniu do wymagań produktu. Ceramika tlenkowa na bazie aluminium może na przykład oferować skuteczną ochronę przed zużyciem. Inne systemy ceramiczne wchodzą w grę, gdy istnieją szczególne wymagania dotyczące twardości, odporności termicznej, odporności na korozję lub kompatybilności chemicznej. Powłoki ceramiczne muszą być przy tym trwale przyczepne, nie mogą pękać ani odpryskiwać pod obciążeniem procesowym oraz muszą być odporne na produkt, media czyszczące i zmiany temperatury. Dlatego elementami doboru są właściwe przygotowanie wstępne metalowej powierzchni nośnej, grubość powłoki, obróbka powierzchni i kontrola jakości.
Obok powłok ceramicznych amixon® może, w zależności od zadania, stosować materiały podstawowe odporne na zużycie, hartowane narzędzia mieszające, napawanie twardymi stopami, okładziny z węglika spiekanego lub wymienne elementy ochronne z ceramiki. Te opcje są sensowne wtedy, gdy pełna wykładzina ceramiczna nie jest wymagana lub gdy różne strefy mieszalnika są obciążane w różnym stopniu. Przy proszkach metalicznych decydująca jest jednak nie tylko odporność na zużycie, lecz przede wszystkim pytanie, jakie pierwiastki lub cząstki mogłyby przy ewentualnym zużyciu trafić do mieszaniny. Pełna powłoka z ceramiki tlenkowej na wszystkich powierzchniach styku z produktem jest zatem preferowanym rozwiązaniem, gdy ścieranie metaliczne ma zostać konsekwentnie wykluczone.
Ochrona konstrukcyjna
Powłokę ceramiczną uzupełnia konstrukcyjnie niskokontaminacyjne wykonanie aparatu. Komory mieszania mające kontakt z produktem mogą być wykonane bezszczelinowo spawane i szlifowane. Połączenia śrubowe, otwarte gwinty i rozłączne części metalowe są rozmieszczane w miarę możliwości poza przestrzenią produktową. Mieszadła łożyskowane wyłącznie od góry unikają dolnego przepustu wału, a tym samym miejsc łożyskowania mających kontakt z produktem w obszarze dna. Dzięki temu zmniejsza się ryzyko, że zużycie uszczelnień, łożysk lub metalu trafi do mieszaniny.
Zamknięte, pyłoszczelne koncepcje aparatu z uszczelnieniami OmgaSeal® dodatkowo ograniczają wnikanie cząstek z otoczenia, pyłu obcego i wilgoci. Jest to szczególnie istotne, gdy proszki metaliczne są wrażliwe na utlenianie lub gdy na tej samej powierzchni produkcyjnej przetwarzane są różne stopy. Dla reaktywnych bądź wybuchowych pyłowo proszków metalicznych może być konieczny szczelny gazowo, inertyzowalny mieszalnik. Inertyzacja azotem lub argonem musi być przy tym częścią kompletnej koncepcji bezpieczeństwa, ochrony przeciwwybuchowej i prowadzenia eksploatacji.
Osiągalną czystość określa nie tylko mieszalnik, lecz cała peryferia procesowa. Kontenery, stacje dokujące, organy dozujące, sita, filtry, przewody transportowe, kolana rurowe, zawory wyładunkowe i narzędzia konserwacyjne mogą również wprowadzać cząstki obce. Przy krytycznych stopach metali drogi produktu, części wymienne, urządzenia czyszczące, a w razie potrzeby całe obszary instalacji muszą być przyporządkowane materiałowo i kontrolowane. Zanieczyszczenie krzyżowe między różnymi proszkami metalicznymi jest w przetwórstwie proszków metali istotnym ryzykiem jakościowym.
Wykazywanie czystości
Ogólne gwarancje w ppm lub ppb nie są wiarygodne. Rzeczywiście osiągalne ścieranie metaliczne zależy między innymi od twardości, kształtu cząstek, rozkładu wielkości cząstek, stopnia napełnienia, czasu mieszania, prędkości obrotowej narzędzia, jakości powłoki i doboru pary materiałowej. amixon® ustala odpowiednie wykonanie aparatu w centrum prób z oryginalnym produktem oraz w uzgodnieniu z analityką użytkownika. Dla takich prób w lokalizacji Paderborn dostępne są różne instalacje próbne.
Przed i po próbie mieszania oprócz jakości mieszania i rozkładu wielkości cząstek powinny być sprawdzane również istotne zawartości pierwiastków oraz cząstki obce. ICP-OES lub ICP-MS umożliwiają ilościową analizę krytycznych pierwiastków w zakresie śladowym. SEM/EDX, optyczna analiza cząstek, próby separacji magnetycznej lub inne metody obrazowania uzupełniają całkowitą analizę metali, ponieważ pojedyncze krytyczne cząstki obce mogą pozostać niewidoczne w czystym pomiarze sumarycznym. Rozkład wielkości cząstek, kształt cząstek i czystość proszku metalicznego istotnie wpływają na jakość kolejnych procesów wytwarzania proszkowo-metalurgicznego lub przyrostowego.