Cerámica
La cerámica de alúmina es un material cerámico resistente al desgaste, a la corrosión y de alta resistencia. Es ampliamente utilizada y actualmente la categoría más utilizada de cerámica estructural de alta temperatura. Para una producción en masa y cumplir con los requisitos de apariencia uniforme, baja cantidad de molienda y fácil molienda fina, es fundamental elegir el método de prensado en seco. El moldeo por compresión requiere que la pieza bruta sea un polvo con una gradación específica, con menor humedad y aglutinante. Por lo tanto, la suspensión resultante del proceso de molienda de bolas y trituración fina debe secarse y granularse para obtener un polvo con mayor fluidez y mayor densidad aparente. La granulación por secado por aspersión se ha convertido en el método básico para la producción de cerámica de construcción y nueva cerámica. El polvo preparado mediante este proceso presenta buena fluidez, una proporción de partículas grandes y pequeñas, y una buena densidad aparente. Por lo tanto, el secado por aspersión es el método más eficaz para preparar polvo prensado en seco.
El secado por aspersión es un proceso que consiste en atomizar materiales líquidos (incluida la suspensión) y convertirlos en polvo seco en un medio de secado caliente. Los materiales se atomizan en gotas de niebla esféricas extremadamente finas. Debido a su finura y a su gran relación superficie-volumen, la humedad se evapora rápidamente y los procesos de secado y granulación se completan en un instante. El tamaño de partícula, el contenido de humedad y la densidad aparente de los materiales se pueden controlar ajustando los parámetros de secado. Mediante la tecnología de secado por aspersión, se puede producir polvo esférico de calidad uniforme y buena repetibilidad, lo que acorta el proceso de producción, facilita la producción automática y continua, y constituye un método eficaz para la preparación a gran escala de materiales de polvo seco de cerámica de alúmina fina.
2.1.1 Preparación de la lechada
La alúmina industrial de primera clase con una pureza del 99% se agrega con aproximadamente el 5% de aditivos para preparar material de porcelana al 95% y se lleva a cabo una molienda de bolas de acuerdo con la proporción de material: bola: agua = 1: 2: 1, y se agrega aglutinante, desfloculante y la cantidad adecuada de agua para preparar una suspensión estable. La viscosidad relativa se mide con un medidor de flujo simple para determinar el contenido de sólidos de lodo apropiados, el tipo y la dosis de desfloculante.
2.1.2 Proceso de secado por aspersión
Los principales parámetros de control del proceso de secado por aspersión son: a) Temperatura de salida del secador: generalmente controlada a 110 °C. b) Diámetro interior de la boquilla: utilice una placa de orificio de 0,16 mm o 0,8 mm. c) Diferencia de presión del separador ciclónico: controlada a 220 Pa.
2.1.3 Inspección del rendimiento del polvo después del secado por aspersión
La determinación de la humedad se realizará de acuerdo con los métodos comunes de determinación de la humedad de la cerámica. La partículaLa morfología y el tamaño de partícula se observaron al microscopio. La fluidez y la densidad aparente del polvo se prueban según las normas experimentales ASTM para polvo metálico. El método consiste en: sin vibración, 50 g de polvo (con una precisión de 0,01 g) pasan a través de un embudo de vidrio con un cuello de 6 mm de diámetro y 3 mm de longitud para su fluidez. Sin vibración, el polvo pasa a través del mismo embudo de vidrio y cae en un recipiente de 25 mm de altura desde el mismo embudo. La densidad sin vibración es la densidad de empaquetamiento suelto.
3.1.1 Preparación de la lechada
En el proceso de granulación por secado por aspersión, la preparación de la pulpa es crucial. El contenido de sólidos, la finura y la fluidez del lodo afectan directamente el rendimiento y el tamaño de partícula del polvo seco.
Debido a que el polvo de este tipo de porcelana de alúmina es estéril, es necesario agregar una cantidad adecuada de aglutinante para mejorar el rendimiento de formación de la pieza en bruto. Las sustancias orgánicas de uso común son la dextrina, el alcohol polivinílico, la carboximetilcelulosa, el poliestireno, etc. El alcohol polivinílico (PVA), un aglutinante soluble en agua, se seleccionó en este experimento. Es más sensible a la humedad ambiental, con el cambio de humedad ambiental afectará significativamente las propiedades del polvo seco.
El alcohol polivinílico tiene muchos tipos diferentes, con diferentes grados de hidrólisis y polimerización, lo cual afecta el proceso de secado por aspersión. Su grado general de hidrólisis y polimerización afecta el proceso de secado por aspersión. Su dosificación usualmente es de 0.14-0.15% en peso. La adición excesiva causará que el polvo de granulación por aspersión forme partículas de polvo seco y duro para evitar que las partículas se deformen durante el prensado. Si las características de las partículas no se pueden eliminar durante el prensado, estos defectos se almacenarán en el cuerpo verde y no se podrán eliminar después de la cocción, lo que afectará la calidad del producto final. La adición de aglutinante con una resistencia verde insuficiente aumentará la pérdida de operación. El experimento muestra que cuando se agrega una cantidad adecuada de aglutinante, la sección del tocho verde se observa bajo el microscopio. Se puede ver que cuando la presión se incrementa de 3 MPa a 6 MPa, la sección aumenta suavemente y hay un pequeño número de partículas esféricas. Cuando la presión es de 9 Mpa, la sección es lisa y básicamente no hay partículas esféricas, pero la alta presión provocará la estratificación del tocho verde. El PVA se abre a unos 200 ℃.
Comience a quemar y drene a aproximadamente 360 ℃. Para disolver el aglutinante orgánico y humedecer las partículas de la palanquilla, forme una capa intermedia de líquido entre las partículas, mejore la plasticidad de la palanquilla, reduzca la fricción entre las partículas y la fricción entre los materiales y el molde, promueva el aumento de densidad de la palanquilla prensada y la homogeneización de la distribución de la presión, y también agregue la cantidad adecuada de plastificante, los más utilizados son glicerina, ácido etoxilado, etc.
Dado que el aglutinante es un polímero macromolecular orgánico, el método de adición a la lechada es fundamental. Lo ideal es añadir el aglutinante preparado a un lodo uniforme con el contenido de sólidos requerido. De esta forma, se evita la incorporación de materia orgánica no disuelta ni dispersa a la lechada y se reducen los posibles defectos tras la cocción. Al añadir el aglutinante, la lechada se genera fácilmente mediante molienda de bolas o agitación. El aire contenido en la gota se encuentra en el polvo seco, lo que ahueca las partículas secas y reduce su densidad. Para solucionar este problema, se pueden añadir antiespumantes.
Debido a requisitos económicos y técnicos, se requiere un alto contenido de sólidos. Dado que la capacidad de producción del secador se refiere al agua de evaporación por hora, la suspensión con alto contenido de sólidos aumentará significativamente la producción de polvo seco. Cuando el contenido de sólidos aumenta del 50 % al 75 %, la producción del secador se duplica.
El bajo contenido de sólidos es la principal causa de la formación de partículas huecas. Durante el proceso de secado, el agua migra a la superficie de la gota y transporta partículas sólidas, lo que hace que la parte interna de la gota sea hueca; si se forma una película elástica de baja permeabilidad alrededor de la gota, debido a la baja velocidad de evaporación, la temperatura de la gota aumenta y el agua se evapora de la parte interna, lo que hace que la gota se abulte. En ambos casos, se destruirá la forma esférica de las partículas y se producirán partículas huecas anulares o con forma de manzana o pera, lo que reducirá la fluidez y la densidad aparente del polvo seco. Además, la suspensión con alto contenido de sólidos puede reducir
En procesos de secado cortos, la reducción del tiempo de secado puede reducir la cantidad de adhesivo transferido a la superficie de la partícula junto con el agua, evitando así que la concentración de aglutinante en la superficie de la partícula sea mayor que en el centro. Esto permite que las partículas adquieran una superficie dura y no se deformen ni aplasten durante el prensado y conformado, lo que reduce la masa del tocho. Por lo tanto, para obtener un polvo seco de alta calidad, es necesario aumentar el contenido de sólidos de la suspensión.
La suspensión utilizada para el secado por aspersión debe tener suficiente fluidez y la menor humedad posible. Si la viscosidad de la suspensión se reduce introduciendo más agua, no solo aumenta el consumo de energía del secado, sino que también se reduce la densidad aparente del producto. Por lo tanto, es necesario reducir la viscosidad de la suspensión con la ayuda de coagulante. La suspensión seca se compone de varios micrones o partículas más pequeñas, que pueden considerarse como un sistema de dispersión coloidal. La teoría de la estabilidad coloidal muestra que hay dos fuerzas que actúan sobre las partículas de la suspensión: la fuerza de van der Waals (fuerza de Coulomb) y la fuerza de repulsión electrostática. Si la fuerza es principalmente la gravedad, se producirá aglomeración y floculación. La energía potencial total (VT) de la interacción entre partículas está relacionada con su distancia, durante la cual VT en algún punto es la suma de la energía gravitacional VA y la energía repulsiva VR. Cuando VT entre partículas presenta la máxima energía potencial positiva, es el sistema de despolimerización. Para una suspensión dada, VA es cierta, por lo que la estabilidad del sistema son aquellas funciones que controlan VR: la carga superficial de las partículas y el espesor de las capas eléctricas dobles. El espesor de la bicapa es inversamente proporcional a la raíz cuadrada del enlace de valencia y la concentración del ion de equilibrio. La compresión de doble capa puede reducir la barrera potencial de floculación, por lo que se requiere que el enlace de valencia y la concentración de iones de equilibrio en la solución sean bajos. Los demulsionantes comúnmente utilizados son HCI, HNO3, NaOH, (CH) 3noh (amina cuaternaria), GA, etc.
Debido a que la suspensión acuosa de polvo cerámico de alúmina 95 es neutra y alcalina, muchos coagulantes, que tienen un buen efecto diluyente en otras suspensiones cerámicas, pierden su función. Por lo tanto, es muy difícil preparar una suspensión con un alto contenido de sólidos y buena fluidez. La suspensión de alúmina estéril, que pertenece al óxido anfótero, presenta diferentes procesos de disociación en medios ácidos o alcalinos, y forma estados de disociación con diferente composición y estructura micelar. El valor de pH de la suspensión afecta directamente el grado de disociación y adsorción, lo que resulta en un cambio en el potencial ζ y la correspondiente floculación o disociación.
La suspensión de alúmina presenta valores máximos de potencial ζ, tanto positivo como negativo, en medios ácidos o alcalinos. En este punto, su viscosidad se encuentra en su valor más bajo, en estado de descoagulación, mientras que en estado neutro aumenta y se produce la floculación. Se ha observado que la fluidez de la suspensión mejora considerablemente y su viscosidad se reduce al añadir un demulsionante adecuado, acercándose así a la del agua. La fluidez del agua, medida con un viscosímetro simple, es de 3 segundos/100 ml, mientras que la de la suspensión es de 4 segundos/100 ml. Al reducirse la viscosidad de la suspensión, el contenido de sólidos puede aumentarse hasta el 60% y se puede formar un relleno estable. Dado que la capacidad de producción del secador se refiere a la evaporación de agua por hora, la suspensión...
3.1.2 Control de los principales parámetros en el proceso de secado por aspersión
El patrón de flujo de aire en la torre de secado afecta el tiempo de secado, el tiempo de retención, el agua residual y la adherencia de las gotas a las paredes. En este experimento, el proceso de mezcla de aire entre gotas es de flujo mixto, es decir, el gas caliente ingresa a la torre de secado desde la parte superior, y la boquilla atomizadora se instala en la parte inferior de la torre de secado, formando una fuente de rocío. La gota es parabólica, por lo que la gota se mezcla con el aire en contracorriente, y cuando la gota alcanza la parte superior de la carrera, se convierte en un flujo descendente y se pulveriza en forma cónica. Tan pronto como la gota ingresa a la torre de secado, pronto alcanzará la velocidad máxima de secado y entrará en la etapa de secado a velocidad constante. La duración de la etapa de secado a velocidad constante depende del contenido de humedad de la gota, la viscosidad del lodo, la temperatura y la humedad del aire seco. El punto límite C entre la etapa de secado a velocidad constante y la etapa de secado rápido se denomina punto crítico. En este momento, la superficie de la gota ya no puede mantener el estado saturado debido a la migración de agua. Al disminuir la tasa de evaporación, la temperatura de las gotas aumenta y la superficie de las gotas en el punto D se satura, formando una capa dura. La evaporación se desplaza hacia el interior y la velocidad de secado continúa disminuyendo. La eliminación adicional de agua está relacionada con la permeabilidad a la humedad de la capa dura. Por lo tanto, es necesario controlar los parámetros de operación de forma razonable.
El contenido de humedad del polvo seco se determina principalmente por la temperatura de salida del secador por aspersión. Este contenido de humedad afecta la densidad aparente y la fluidez del polvo seco, y determina la calidad de la pieza prensada. El PVA es sensible a la humedad. Bajo diferentes condiciones de contenido de humedad, la misma cantidad de PVA puede causar diferente dureza en la capa superficial de las partículas de polvo seco, lo que hace que la determinación de la presión fluctúe y la calidad de la producción sea inestable durante el proceso de prensado. Por lo tanto, la temperatura de salida debe controlarse estrictamente para garantizar el contenido de humedad del polvo seco. Generalmente, la temperatura de salida debe controlarse a 110 °C y la temperatura de entrada debe ajustarse en consecuencia. La temperatura de entrada no debe superar los 400 °C, generalmente alrededor de los 380 °C. Si la temperatura de entrada es demasiado alta, la temperatura del aire caliente en la parte superior de la torre se sobrecalentará. Cuando las gotas de niebla suben al punto más alto y encuentran aire sobrecalentado, para el polvo cerámico que contiene aglutinante, el efecto del aglutinante se reducirá y, finalmente, el rendimiento de prensado del polvo seco se verá afectado. En segundo lugar, si la temperatura de entrada es demasiado alta, la vida útil del calentador también se verá afectada y la piel del calentador se caerá y entrará en la torre de secado con aire caliente, contaminando el polvo seco. Bajo la condición de que la temperatura de entrada y la temperatura de salida estén básicamente determinadas, la temperatura de salida también se puede ajustar mediante la presión de la bomba de alimentación, la diferencia de presión del separador ciclónico, el contenido sólido de la suspensión y otros factores.
Diferencia de presión del separador ciclónico.La diferencia de presión del separador ciclónico es grande, lo que aumentará la temperatura de salida, aumentará la recolección de partículas finas y reducirá el rendimiento del secador.
3.1.3 Propiedades del polvo secado por aspersión
La fluidez y la densidad de empaquetamiento del polvo cerámico de alúmina preparado mediante secado por aspersión son generalmente mejores que las del proceso convencional. El polvo de granulación manual no puede fluir a través del dispositivo de detección sin vibración, mientras que el polvo de granulación por aspersión sí lo hace. Según la norma ASTM para la prueba de fluidez y densidad aparente de polvos metálicos, se midieron la densidad aparente y la fluidez de las partículas obtenidas mediante secado por aspersión en diferentes condiciones de contenido de agua. Véase la Tabla 1.
Tabla 1 Densidad suelta y fluidez del polvo secado por aspersión
Tabla 1 Densidad del polvo y caudal
| Contenido de humedad (%) | 1.0 | 1.6 | 2.0 | 2.2 | 4.0 |
| Densidad de estanqueidad (g/cm3) | 1.15 | 1.14 | 1.16 | 1.18 | 1.15 |
| Liquidez(es) | 5.3 | 4.7 | 4.6 | 4.9 | 4.5 |
El contenido de humedad del polvo secado por aspersión se controla generalmente entre el 1 % y el 3 %. En este punto, el polvo presenta una buena fluidez, lo que permite cumplir con los requisitos del moldeo por prensado.
DG1 es la densidad del polvo de granulación hecho a mano y DG2 es la densidad del polvo para granulación por aspersión.
El polvo granulado a mano se prepara mediante molienda de bolas, secado, tamizado y granulación.
Tabla 2 Densidad de polvos prensados formados por granulación manual y granulación por aspersión
Tabla 2 Densidad del cuerpo verde
| Presión (MPA) | 4 | 6 | 8 | 10 | 12 | 14 |
| DG1 (g/cm3) | 2.32 | 2.32 | 2.32 | 2.33 | 2.36 | 2.4 |
| DG2 (g/cm3) | 2.36 | 2.46 | 2.53 | 2.56 | 2.59 | 2.59 |
El tamaño y la morfología de las partículas del polvo se observaron al microscopio. Se observa que las partículas son básicamente esféricas sólidas, con una interfaz clara y una superficie lisa. Algunas partículas tienen forma de manzana, de pera o puente, representando el 3% del total. La distribución del tamaño de partícula es la siguiente: el tamaño máximo de partícula es de 200 μm (<1%), el tamaño mínimo de partícula es de 20 μm (individual), la mayoría de las partículas son de aproximadamente 100 μm (50%) y la mayoría de las partículas son de aproximadamente 50 μm (20%). El polvo producido por secado por aspersión se sinteriza a 1650 grados y su densidad es de 3170 g/cm³.3.
(1) Se puede obtener una suspensión de alúmina 95 con un contenido de sólidos del 60 % utilizando PVA como aglutinante y agregando el coagulante y lubricante adecuados.
(2) Un control razonable de los parámetros de operación de secado por aspersión puede obtener un polvo seco ideal.
(3) Mediante el proceso de secado por aspersión, se puede producir polvo de alúmina 95, apto para el prensado en seco a granel. Su densidad es de aproximadamente 1,1 g/cm³.3y la densidad de sinterización es de 3170 g/cm3.
