Jak przejść z mieszalnika laboratoryjnego na instalację produkcyjną w metalurgii proszków bez utraty jakości mieszania?
Skalowanie z instalacji laboratoryjnej na produkcyjną w metalurgii proszków jest wymagające, ponieważ jakość mieszania zależy od wielkości cząstek, różnic gęstości, kohezji, stopnia napełnienia, geometrii mieszalnika i zasady mieszania. Samo powiększenie geometryczne często nie wystarcza, gdyż w przeciwnym razie mogą zmienić się mechanizmy mieszania, tendencje do segregacji oraz rozmieszczenie pierwiastków stopowych lub środków poślizgowych do prasowania. Solidne skalowanie opiera się dlatego na zasadach podobieństwa, powtarzalnej ocenie jakości mieszania i stopniowej walidacji.
1. Utrzymać spójność zasady mieszania i geometrii
Jeżeli to możliwe, ten sam typ mieszalnika powinien zostać zachowany od skali laboratoryjnej do produkcyjnej, ponieważ zmiana zasady mieszania zmienia dominujące mechanizmy. Do skalowania należy wtedy przenosić stosunki geometryczne oraz istotne wielkości ruchowe, a nie tylko powiększać objętość.
W mieszalnikach bębnowych i zataczających liczba Froude'a jest centralną liczbą charakterystyczną, ponieważ opisuje stosunek sił bezwładności do sił grawitacji. Bywa często wykorzystywana do skalowania, nie zastępuje jednak eksperymentalnego sprawdzenia jakości mieszania w większej skali.
2. Porównać ważne liczby charakterystyczne
Przy skalowaniu mieszalników poziomych możliwie porównywalne między skalą laboratoryjną i produkcyjną powinny być przede wszystkim liczba Froude'a, stopień napełnienia, prędkość obrotowa lub prędkość obwodowa oraz czas mieszania. Przy rosnącej skali stała liczba Froude'a może być celowa, mimo to potrzebny czas mieszania nie jest bezwzględnie proporcjonalnie przenoszalny.
Liczba Froude'a odnosi się przy tym do obrotowych mieszalników swobodnego spadku, bębnowych i rzutowych oraz do układów z poziomo łożyskowanym mieszadłem. Przy mieszalnikach pionowych z wymuszonym przemieszczaniem nie jest ona kryterium doboru ani skalowania. Miarodajne jest tam to, że zasada mieszania pozostaje taka sama we wszystkich wielkościach, a przemieszczanie obejmuje całą komorę mieszania niezależnie od stopnia napełnienia; przenoszalność zabezpiecza się w centrum prób z produktem oryginalnym.
Prędkość obwodowa jest pomocna tam, gdzie należy ograniczyć ścinanie i obciążenie cząstek. Stopień napełnienia powinien pozostawać możliwie stały w zakresie walidowanym, ponieważ wyraźnie wpływa na trajektorie cząstek, częstość kontaktów i zachowanie segregacyjne.
3. Ocenić jakość mieszania ilościowo
Jakość mieszania powinna być oceniana jasno zdefiniowaną wielkością charakterystyczną, najczęściej współczynnikiem zmienności (CV) składnika kluczowego. Niski CV wskazuje na węższy rozkład wartości próbek, a tym samym na bardziej jednorodną mieszaninę.
Ważne jest, aby pobieranie próbek było reprezentatywne: próbki proszku należy pobierać możliwie z materiału w ruchu, i to w kilku pozycjach lub momentach. Dla proszków metalicznych miarodajne są przy tym znormalizowane lub co najmniej uznane procedury pobierania próbek.
Masa próbki musi być dostatecznie duża, aby sensownie odwzorować naturalny rozrzut cząstek; zbyt małe próbki prowadzą w przeciwnym razie do pozornie złej jakości mieszania, choć problem leży w pobieraniu próbek.
4. Zabezpieczyć skalowanie eksperymentalnie
Bezpośredni skok ze skali laboratoryjnej do produkcji jest ryzykowny. Praktycznie celowy jest stopień pilotowy lub stopień centrum prób, w którym sprawdza się parametry skalowania i dopasowuje czas mieszania, prędkość obrotową, kolejność dozowania i prowadzenie temperatury.
Oceniać należy przy tym nie tylko jakość mieszania na wylocie mieszalnika, lecz także zachowanie w krokach następujących dalej, takich jak transport, magazynowanie i napełnianie. Właśnie tam powstają często efekty segregacji, które w próbie laboratoryjnej nie są jeszcze widoczne.
5. Kontrolować segregację i temperaturę
Z rosnącą skalą rośnie ryzyko segregacji, przede wszystkim przy dużych różnicach gęstości, wielkości cząstek lub właściwości płynięcia. Dlatego transport, wyładunek i magazynowanie pośrednie muszą być zaprojektowane tak, aby jednorodność osiągnięta w mieszalniku nie została ponownie utracona.
Przy mieszaninach wrażliwych na temperaturę lub na lepiszcze należy ponadto obserwować wprowadzanie ciepła. Zbyt wysokie wprowadzanie energii może powodować aglomerację lub zmienione właściwości płynięcia, a tym samym pogarszać powtarzalność.
6. Oceniać także właściwości produktu końcowego
Udanego skalowania nie da się wykazać jedynie na samej mieszaninie proszków, lecz także na dalszych właściwościach mieszanki surowej i elementów końcowych. Należą do nich zachowanie przy płynięciu, gęstość nasypowa i gęstość po ubiciu, wytrzymałość surowa, rozkład gęstości oraz powtarzalność właściwości po spiekaniu lub właściwości elementów.
Dopiero gdy te cechy pozostają porównywalne w skali laboratoryjnej, pilotowej i produkcyjnej, skalowanie jest rzeczywiście zabezpieczone od strony inżynierii procesowej.
Wniosek
Skalowanie z małymi stratami w metalurgii proszków udaje się nie przez samo powiększenie objętości, lecz przez połączenie jednakowej zasady mieszania, przenoszalnych liczb procesowych, reprezentatywnego pobierania próbek, eksperymentalnego pilotażu oraz kontroli segregacji i temperatury.
W ten sposób amixon® rozwiązuje skalowanie w metalurgii proszków bez pogorszenia jakości mieszania
Podobieństwo geometryczne i kinematyczne obowiązuje dla wszystkich wielkości
- Rdzeń podejścia amixon®: mieszalniki laboratoryjne, centrum prób i produkcyjne pracują według tej samej zasady mieszania. Narzędzie wstęgowe SinConvex® transportuje mieszaninę na obwodzie w górę i pozwala jej spływać w dół w centrum, podążając za grawitacją. Powstaje przy tym trójwymiarowe pełne przemieszczanie objętości, które niezależnie od wielkości ma tę samą charakterystykę.
- Skaluje się przez prędkość obwodową, a nie przez prędkość obrotową: mieszalniki amixon® są eksploatowane we wszystkich wielkościach w tym samym oknie od około 0,8 do 3,5 m/s, z reguły niskoobrotowo. Dzięki temu obraz rzutu, mechaniczne obciążenie cząstek i podobieństwo Froude'a zostają zachowane między skalami.
- Jakość mieszania jest niezależna od stopnia napełnienia. Już przy niskim stopniu napełnienia około 10 % osiągane są najwyższe jakości mieszania. Dzięki temu w tym samym mieszalniku produkcyjnym można mieszać najróżniejsze wielkości wsadu, bez konieczności ponownej walidacji jednorodności – decydująca zaleta wobec układów o wąskim oknie pracy.
Sprawdziło się to również przy proszkach metali i pochodnych ceramiki
- Mieszalniki dwuwałowe amixon® (typ HM) homogenizują w metalurgii proszków na przykład proszki żelaza, chromu, miedzi, magnezu, krzemu i węgla o gęstościach nasypowych około 4 kg/dm³ i wielkościach cząstek od 0,02 do 100 µm. Instalacje referencyjne sięgają do wielkości HM 16000 o objętości wsadu 16 m³.
- Krytyczne zadanie równomiernego rozprowadzenia środków poślizgowych do prasowania, takich jak kwas stearynowy lub stearynian cynku, których gęstość nasypowa wynosi często mniej niż jedną dwudziestą gęstości nasypowej proszku metalu, rozwiązuje mieszadło kontrolujące całą przestrzeń przy minimalnym wprowadzaniu energii i bez segregacji.
- Dla abrazyjnych proszków metali dostępne są materiały odporne na zużycie, takie jak Hardox lub pancerze ceramiczne. Wszystkie komory mieszania są zaprojektowane dla strefy ATEX 20, co jest istotne dla drobnych, zapalnych pyłów.
Ciągła siatka wielkości zamiast skoków skali
- amixon® wykonuje wielkości mieszalników na życzenie w krokach co 100 litrów od 100 do 50.000 litrów (VM, HM). Krok od walidowanej skali próbnej do wielkości produkcyjnej jest tym samym dowolnie drobno wybieralny, ponieważ nie ma wymuszonego skoku na „następną wielkość katalogową”.
- Dla bardzo dużych wsadów stosowany jest mieszalnik silosowy Gyraton® (typ GM) o objętości od 10 do około 100 m³ w krokach co 1 m³. Umożliwia on precyzyjne i łagodne mieszanie przy minimalnej mocy napędu. Stosowany jest między innymi do stabilizatorów, środków zagęszczających, rud, złomu metalowego drobnego, proszków metali i mas bateryjnych.
Walidacja w centrum prób przed inwestycją
- Szczególną wagę przywiązuje amixon® do pilotażu we własnym centrum prób: próby mieszania z proszkiem oryginalnym – wraz z rozprowadzeniem środków poślizgowych do prasowania, pobieraniem próbek i oceną jakości mieszania – odbywają się w zakładowych centrach prób w Niemczech, Japonii, Indiach, Tajlandii, Chinach, Korei Południowej i USA. Wyznaczone tam parametry (prędkość obwodowa, czas mieszania, stopień napełnienia) można przenieść bezpośrednio na maszynę produkcyjną, ponieważ system mieszania jest identyczny.
- Wynikiem jest geometrycznie zabezpieczone przeniesienie zamiast ryzykownej ekstrapolacji. Jakość mieszania wykazana w laboratorium stanowi tym samym również w skali produkcyjnej technicznie idealną mieszaninę losową, której w praktyce nie da się dalej poprawić.