Какой тип конструкции смесителя минимизирует истирание для металлических порошков и предотвращает загрязнение смешиваемого материала посторонними частицами?
Для металлических порошков не существует одной конструкции смесителя, которая автоматически минимизировала бы истирание и попадание посторонних частиц при всех условиях. Как правило, наиболее подходящим является медленно вращающийся, конвективный смеситель периодического действия с крупноплощадными инструментами, низкой относительной скоростью и полностью закрытым, инертизируемым и удобным для очистки ведением процесса. Решающее значение имеет не название конструкции, а последовательный расчёт всех контактирующих с продуктом компонентов, периферии и всего обращения с материалом применительно к конкретному металлическому порошку.
Подходящие принципы смешивания
Для сухого, абразивного или чувствительного к окислению металлического порошка часто предпочтительны конусные или вертикальные одновальные смесители с медленно вращающимися спиральными или шнековыми инструментами. Они создают преимущественно конвективную циркуляцию продукта: порошок контролируемо транспортируется и снова перегруппировывается без обязательного применения высоких скоростей удара, интенсивных зон размола или сильно сдвигающих контактов инструмента. Также могут подходить медленно работающие двухвальные смесители, если требуется интенсивная трёхмерная циркуляция или введение добавок. Однако для высокоабразивных порошков всегда необходимо проверять, не повышают ли дополнительное перекрытие инструментов и меньшие зазоры износ.
Менее подходят концепции смешивания, целенаправленно создающие высокие относительные скорости, сильную ударную нагрузку, выраженные зоны отбрасывания или очень узкие сдвиговые зазоры. К ним относятся, например, интенсивно работающие смесители высокого сдвига, вихревые или ударные смесители, если только их высокая механическая нагрузка прямо не требуется для необходимой дезагломерации. И у смесителей свободного падения ситуация не всегда лучше: они могут работать очень бережно, но для когезивных, агломерированных или сильно различающихся металлических порошков зачастую подходят лишь ограниченно и при неблагоприятных характеристиках частиц могут способствовать расслоению.
Истирание у источника
Истирание возникает прежде всего из-за относительных движений с высокой скоростью и контактного давления между частицами, инструментами, стенкой ёмкости, арматурой выгрузки и транспортными компонентами. Поэтому центральное правило расчёта звучит так: столько кинетической энергии, сколько необходимо, но как можно меньше. Низкая частота вращения инструмента, большое проходное сечение, широкие радиусы поворота, малая высота падения и контролируемый массовый транспорт снижают нагрузку на порошок и установку.
Геометрия инструмента должна обеспечивать полную циркуляцию продукта, не прижимая порошок к стенке и не уплотняя его в локальных зонах размола. Зазоры до стенки и инструмента необходимо выбирать как компромисс: слишком большие зазоры приводят к плохо перемешанным пристенным зонам и налипанию продукта, слишком малые зазоры могут истирать частицы и создавать истирание металлических поверхностей. Для абразивных смесей оптимизированная по износу арматура выгрузки, а также трубопроводы выгрузки и транспортировки не менее важны, чем сама смесительная камера. Для абразивных систем низкая частота вращения и подходящая обработка поверхности прямо называются существенными мерами по снижению износа.
Материалы и конструкция
Контактирующие с продуктом поверхности должны быть не только твёрдыми и износостойкими, но и совместимыми с целевой чистотой металлического порошка. Закалённые нержавеющие стали, подходящие высокотвёрдые сплавы, твёрдый сплав или технические керамики способны снижать износ. Однако каждый вариант материала необходимо проверять на то, какие элементы или частицы он может внести в продукт в случае износа. Компонент из твёрдого сплава может быть, например, очень износостойким, но при критичной химии порошка сам вносить нежелательные доли вольфрама, кобальта или никеля. Керамические футеровки или покрытия также необходимо проверять на прочность сцепления, склонность к растрескиванию, абразивность, химическую стойкость и возможное отслаивание.
Целесообразны гладкие, сваренные с минимумом щелей и обработанные внутренние поверхности, большие радиусы переходов, малые перепады сечения, а также щели и углы, легко доступные и полностью очищаемые. Резьбовые соединения, открытая резьба, контактирующие с продуктом опорные узлы, незащищённые уплотнения и изнашивающиеся металлические контакты по возможности должны располагаться вне зоны продукта. Вал мешалки с верхней опорой может давать преимущества, поскольку не требуется ни нижнего вывода вала, ни контактирующего с продуктом опорного узла в днище ёмкости. Изнашиваемые детали должны быть выполнены так, чтобы их можно было проверять, однозначно идентифицировать и заменять профилактически, прежде чем они высвободят металлические посторонние частицы.
Закрытое обращение с материалом
Посторонние частицы происходят не только из смесителя. Они могут попадать вместе с сырьём, транспортным воздухом, ёмкостями, фильтрами, уплотнениями, инструментами, работами по обслуживанию или из производственной среды. Поэтому система должна быть выполнена по возможности закрытой от приёмки сырья до конечной тары. Пыленепроницаемые станции стыковки, закрытая передача через контейнеры, подходящее просеивание и при необходимости магнитные сепараторы помогают ограничить попадание посторонних частиц. Однако магнитные сепараторы улавливают только намагничивающиеся посторонние металлы и не заменяют последовательное предотвращение немагнитных загрязнений.
Для реактивных металлических порошков, таких как алюминий, титан, магний или другие легко окисляющиеся либо взрывопожароопасные по пыли материалы, может потребоваться инертизация азотом или аргоном. Она защищает от окисления и одновременно снижает опасность возгорания и взрыва, но должна быть частью полной концепции взрывозащиты и безопасности. Металлические порошки следует перерабатывать при постоянном заземлении; при очень низкой минимальной энергии зажигания вытеснение кислорода инертным газом может быть центральной защитной мерой. Подходящая инертизация требует контроля концентрации кислорода, соответствующей герметичности, безопасных рабочих процедур и оценки опасностей.
Влага и попадание кислорода также могут ухудшать качество чувствительных металлических порошков. Особенно при перегрузке, просеивании, смешивании и хранении контакт с окружающим воздухом следует минимизировать. Для титановых компонентов в процессе послойного построения из порошка, например, рекомендуется проводить просеивание и смешивание в инертной среде с контролируемой влажностью.
Верификация и обслуживание
Выбор конструкции смесителя должен быть подтверждён испытаниями с оригинальным порошком. До и после испытания смешивания следует исследовать как минимум распределение частиц по размерам, форму частиц, поведение текучести, содержание кислорода и влаги, а также релевантные металлические посторонние элементы. Для определения элементного загрязнения в зависимости от материала подходят, среди прочего, искровая ОЭС, РФА, ИСП-ОЭС или ИСП-МС. Для отдельных посторонних частиц значимы автоматизированные анализы РЭМ/ЭДС, методы визуализации и при необходимости разделение по плотности. При критичных применениях такие методы способны фиксировать число, размер, форму и состав загрязнений.
Важна основанная на риске концепция обслуживания. Критичные по износу инструменты, арматуру выгрузки, изгибы труб, уплотнения, сита и фильтры следует проверять с определёнными интервалами и заменять до достижения критических пределов износа. Кроме того, необходимы специфичные для материала, однозначно маркированные инструменты, устройства для очистки, контейнеры и участки передачи, чтобы предотвратить перекрёстное загрязнение между различными металлическими сплавами. Загрязнение металлического порошка может возникать не только в смесителе, но и вследствие предшествующей переработки других материалов на той же установке.
Так amixon® минимизирует истирание и металлическое загрязнение при абразивных порошках
Для металлических, керамических, минеральных или других сильно абразивных порошков amixon® минимизирует истирание и загрязнение посторонними частицами за счёт тихоходной смесительной кинематики, полностью керамически покрытых поверхностей контакта с продуктом, малозагрязняющей конструкции и валидации применительно к продукту. Особенно для смешиваемых материалов, не допускающих металлического истирания, amixon® может покрыть все контактирующие с продуктом детали подходящей высокоэффективной оксидной керамикой. К ним относятся смесительная камера, смесительные инструменты, вал, арматура выгрузки и другие контактирующие с продуктом встроенные элементы. Благодаря этому прямой металлический контакт между смешиваемым материалом и поверхностями аппарата устраняется. Для соответствующим образом выполненных установок amixon® указывает, что металлическое истирание во время смешивания, реагирования или сушки исключается.
Минимизация истирания у источника
Истирание возникает прежде всего в точках контакта с высокой относительной скоростью и высоким контактным давлением: между частицами продукта, смесительными инструментами, стенкой ёмкости, арматурой выгрузки и точками передачи. Поэтому смесители amixon® работают со сравнительно низкой окружной скоростью инструмента — примерно от 0,8 м/с. В зависимости от исполнения аппарата и задачи смешивания диапазон скорости может достигать примерно 3,5 м/с. Тотальное течение SinConvex® основано на контролируемом трёхмерном принудительном перемешивании. Продукт транспортируется вверх в пристенной области, в центре под действием силы тяжести опускается вниз и повторно направляется в активную зону смешивания.
Таким образом, смесительный эффект возникает не за счёт энергоёмких зон броска, удара или раздавливания. Это снижает локальные нагрузки на контактирующих с продуктом поверхностях и уменьшает потенциал эрозионного износа. Необходимая интенсивность смешивания тем не менее всегда согласуется с когезивностью, прочностью агломератов, степенью наполнения, рецептурой и целью однородности. Если требуется временно ограниченное интенсивное смешивание, его возможное влияние на форму частиц, распределение частиц по размерам и чистоту необходимо исследовать на оригинальном продукте.
Керамика на всех контактных поверхностях
amixon® располагает различными решениями с техническими керамиками и оксидными керамиками для критичных по износу областей аппарата. В зависимости от абразивности, химии смешиваемого материала, температуры, вида очистки и допустимых посторонних элементов могут применяться керамические плазменные покрытия, высокотемпературные покрытия газопламенного напыления или керамические защитные пластины. В особо критичных применениях высокопрочная оксидная керамика может наноситься на все контактирующие с продуктом детали. Благодаря этому от прямого металлического контакта с продуктом защищены не только смесительные инструменты, но и смесительная камера, вал, выпускное отверстие, арматура и другие контактные поверхности.
Выбор материала всегда согласуется с требованиями продукта. Оксидные керамики на основе алюминия способны, например, обеспечивать эффективную защиту от износа. Другие керамические системы применяются, если существуют особые требования к твёрдости, термостойкости, коррозионной стойкости или химической совместимости. При этом керамические покрытия должны прочно и долговременно держаться, не растрескиваться и не отслаиваться под нагрузкой процесса, а также быть стойкими к продукту, моющим средам и перепадам температуры. Поэтому правильная предварительная обработка металлической несущей поверхности, толщина покрытия, обработка поверхности и контроль качества являются частью расчёта.
Помимо керамических покрытий amixon® может, в зависимости от задачи, применять износостойкие базовые материалы, закалённые смесительные инструменты, наплавку твёрдым сплавом, оснащение твёрдым сплавом или сменные керамические защитные элементы. Эти варианты целесообразны тогда, когда полная керамическая футеровка не требуется или когда разные зоны смесителя нагружены по-разному. Однако для металлических порошков решающей является не только износостойкость, но прежде всего вопрос о том, какие элементы или частицы могут попасть в смешиваемый материал при возможном износе. Поэтому полное покрытие оксидной керамикой всех контактирующих с продуктом поверхностей является предпочтительным решением, если металлическое истирание должно быть последовательно исключено.
Конструктивная защита
Керамическое покрытие дополняется конструктивно малозагрязняющим исполнением аппарата. Контактирующие с продуктом смесительные камеры могут быть выполнены сваренными без щелей и отшлифованными. Резьбовые соединения, открытая резьба и съёмные металлические детали по возможности размещаются вне зоны продукта. Мешалки только с верхней опорой исключают нижний вывод вала и тем самым контактирующие с продуктом опорные узлы в области днища. Благодаря этому снижается риск попадания в смешиваемый материал износа уплотнений, подшипников или металла.
Закрытые, пыленепроницаемые концепции аппарата с уплотнениями OmgaSeal® дополнительно ограничивают попадание частиц окружающей среды, посторонней пыли и влаги. Это особенно важно, когда металлические порошки чувствительны к окислению или когда на одной и той же производственной площади перерабатываются разные сплавы. Для реактивных либо взрывопожароопасных по пыли металлических порошков может потребоваться газонепроницаемый, инертизируемый смеситель. При этом инертизация азотом или аргоном должна быть частью полной концепции безопасности, взрывозащиты и ведения технологического процесса.
Не только смеситель, но и вся технологическая периферия определяет достижимую чистоту. Контейнеры, станции стыковки, дозирующие органы, сита, фильтры, транспортные трубопроводы, изгибы труб, клапаны выгрузки и инструменты для обслуживания также могут вносить посторонние частицы. Для критичных металлических сплавов необходимо закреплять и контролировать по материалу пути продукта, сменные детали, устройства для очистки и при необходимости целые участки установки. Перекрёстное загрязнение между различными металлическими порошками является значимым риском качества в порошковой металлургии.
Подтверждение чистоты
Общие гарантии в ppm или ppb не являются надёжными. Фактически достижимое металлическое истирание зависит, среди прочего, от твёрдости, формы частиц, распределения частиц по размерам, степени наполнения, времени смешивания, частоты вращения инструмента, качества покрытия и сочетания материалов. amixon® определяет подходящее исполнение аппарата в испытательном центре с оригинальным продуктом и в согласовании с аналитикой эксплуатирующей организации. Для таких испытаний на площадке в Падерборне доступны различные испытательные установки.
До и после испытания смешивания наряду с качеством смешивания и распределением частиц по размерам следует проверять также релевантное содержание элементов и посторонние частицы. ИСП-ОЭС или ИСП-МС позволяют количественно анализировать критические элементы в следовых количествах. РЭМ/ЭДС, оптический анализ частиц, испытания магнитной сепарации или другие методы визуализации дополняют общий анализ металлов, поскольку отдельные критические посторонние частицы могут оставаться скрытыми при чистом суммарном измерении. Распределение частиц по размерам, форма частиц и чистота металлического порошка существенно влияют на качество последующих порошково-металлургических или аддитивных процессов производства.