Reduzca los costes de producción de cerámica con Kinetics Neo
La Directora de Campo de NETZSCH, la Dra. Elena Moukhina, explica cómo el software Kinetics Neo ayuda a optimizar los procesos de desaglomerado de polímeros y sinterización de cerámica, ahorrando tiempo y haciéndolos más eficientes.
Contenido
¿Por qué es necesaria la optimización de la temperatura de cocción de la cerámica?
¿Qué puedo hacer para encontrar la temperatura óptima para mi proceso de producción?
Kinetics Neo: Análisis Cinético
Kinetics Neo: Simulación y Optimización
Ejemplo de la vida real: Optimización de la producción de cerámica en la industria
Introducción
La producción de cerámica es un reto en el mundo de los altos precios de la energía.
¿Cómo reducir los costes de la cocción de cerámica y mantener la alta calidad del producto?
Si una pieza sale del horno con grietas y deformaciones, la mayoría de los ingenieros de procesos reducen las velocidades de calentamiento y alargan las isotermas. Esto acaba en procesos de desaglomerado y sinterización muy largos y aumenta los costes drásticamente.
Si las piezas salen del horno con buena calidad, nadie volverá a tocar el proceso para averiguar si es posible obtener el mismo resultado en el 50% del tiempo.
Pero ahora tenemos que hacerlo, porque los precios de la energía son demasiado altos.
El software NETZSCH Kinetics Neo y los datos del análisis térmico le proporcionan una visión virtual de su proceso dentro del horno. Esto le ayuda a diseñar su proceso de la mejor manera posible:
- reduciendo el tiempo de I+D
- reduciendo el consumo de energía
- reduciendo el número de pruebas de cocción
- reducción de los desechos
- manteniendo o mejorando la calidad
- acelerar la comercialización.
Vea cómo funciona: https://vimeo.com/268580866
¿Por qué es necesario optimizar la temperatura de cocción de la cerámica?
En la cocción de cerámica, la calidad del producto depende del perfil de temperatura, en particular de la velocidad de calentamiento. En la fase inicial del proceso de calentamiento, normalmente por debajo de 700°C, el aglutinante polimérico se elimina cuidadosamente mediante descomposición térmica. Pero la evolución del gas no debe ser demasiado intensa para evitar la formación de microfisuras y garantizar que no se destruya la estructura del material original. Por lo tanto, para obtener la mejor calidad del producto, esta etapa de calentamiento para lograr la descomposición del polímero no debe realizarse con demasiada rapidez. Por otra parte, un calentamiento excesivamente lento aumenta el tiempo del proceso, lo que podría resultar excesivamente caro y poco ecológico, además de incrementar los costes de producción.
En la fase final del proceso de calentamiento, normalmente por encima de 700°C, tiene lugar el proceso de sinterización con la contracción. Un calentamiento demasiado intenso provoca la formación de tensiones mecánicas y microfisuras. Por lo tanto, para obtener la mejor calidad de la cerámica, esta etapa de calentamiento con contracción no debe realizarse demasiado rápido. Sin embargo, un calentamiento demasiado lento aumenta el tiempo del proceso y los correspondientes costes de producción.
El objetivo principal es crear un perfil de temperatura óptimo con un calentamiento equilibrado para garantizar la mejor calidad material en el tiempo más corto.
El ingeniero de procesos puede utilizar el método de "prueba y error" para encontrar los programas de cocción adecuados. Intenta hacer justicia a cada proceso individual durante el proceso de sinterización. Esto conduce a largos programas de cocción que no se ajustan de forma óptima al desarrollo real del proceso de sinterización.
¿Qué puedo hacer para encontrar la temperatura óptima para mi proceso de producción?
Al principio, tiene sentido examinar la deshidratación y el desprendimiento mediante termogravimetría. Con este método los datos experimentales presentan las temperaturas, donde el espécimen pierde peso - lo que nos dice: "Algo sale del material". Si ya no se observan pérdidas de masa, se puede suponer que se ha completado el desligado.
En un segundo paso, el material debe caracterizarse con ayuda de la dilatometría. Este método de medición muestra dónde comienza la sinterización y a qué temperaturas se producen los pasos de sinterización. Por último, si ya no se observa contracción, la sinterización se ha completado. Realizando ambas pruebas con diferentes velocidades de calentamiento, se sabe cómo dependen los procesos de la velocidad.
Para la optimización del perfil de cocción, se puede utilizar el software Kinetics Neo. Puede analizar los datos de la termogravimetría y la dilatometría y, a continuación, simular el desaglomerado y la sinterización para cualquier perfil de temperatura.
Pasos de optimización
- Mediciones termogravimétricas con diferentes velocidades de calentamiento por debajo de 700°C para el desaglomerado
- Análisis cinético de las mediciones termogravimétricas y creación de un Modelo cinéticoEl modelo cinético es el término general que contiene el esquema (estructura) de los pasos individuales de reacción en la reacción química multipaso, los tipos de reacción y los parámetros cinéticos de estos pasos.modelo cinético para el desaglomerado
- Optimización del perfil de temperatura por debajo de 700°C para obtener una tasa de pérdida de masa cercana al valor constante.
- Mediciones dilatométricas con diferentes velocidades de calentamiento por encima de 700°C para la sinterización
- Análisis cinético de las mediciones del dilatómetro y creación de un modelo cinético para la sinterización
- Optimización del perfil de temperatura por encima de 700°C para obtener una tasa de contracción cercana al valor constante.
- Validación del perfil de temperatura completo, primero en laboratorio y después en condiciones industriales.
Kinetics Neo: Análisis cinético
Si los datos, que se midieron bajo diferentes velocidades de calentamiento, se cargan en el software de simulación Kinetics Neo, entonces la cinética de reacción se puede modelar matemáticamente. Lo que se obtiene es un modelo de simulación que describe de forma fiable los procesos dependientes de la temperatura y del tiempo en el material.
Fig. 1: Curvas de sinterización y ajuste del modelo en Kinetics Neo para velocidades de calentamiento constantes
La figura 1 muestra las curvas del dilatómetro y el cálculo del ajuste a partir del modelo cinético de tres pasos. La Figura 2 contiene los mismos datos y modelo para la tasa de conversión. Los picos de estas curvas presentan los puntos críticos con contracción intensiva, en los que pueden producirse minifisuras.
Fig. 2: Tasas de conversión en %/min - esto le muestra las áreas, donde la sinterización es muy intensa y por lo tanto aquí las grietas o deformaciones pueden ocurrir.
Kinetics Neo: Simulación y optimización
La simulación del proceso de sinterización para el perfil de temperatura con tres segmentos (calentamiento, isotérmico, calentamiento) está presente en la Figura 3.
Con este modelo ahora se puede simular cualquier programa de combustión y el efecto sobre su proceso de sinterización con sólo cambiar la temperatura en el software.
Fig. 3: Simulación de una curva de sinterización con un programa de cocción determinado
Con respecto a las tasas de conversión en cada paso de sinterización, puede optimizar su programa de cocción directamente en el software y ver cómo el cambio de programa afectará al proceso de sinterización y a las tasas de conversión para cada paso. Un índice de conversión demasiado alto puede provocar grietas o deformaciones en las piezas. El modelo para las tasas de conversión se puede ver en la imagen basada en diferentes tasas de calentamiento. El reto consiste en averiguar cuál es el índice de conversión máximo sin comprometer la calidad. Al lado de programas de sinterización más complejos, el primer paso más fácil es simular con una tasa de conversión constante - lo que se obtiene como resultado es la curva de temperatura:
Fig. 4: Curva de temperatura modelizada basada en una tasa de conversión del 0,5%/min
La curva es el perfil de temperatura ideal para el cambio de longitud constante.
Sin embargo, para las condiciones reales a menudo es necesario tener el programa de temperatura que consta de varios segmentos de temperatura con velocidad de calentamiento constante.
En el software existe la posibilidad de crear un programa de este tipo con un número determinado de pasos de temperatura y ver la predicción para estos pasos:
El perfil de temperatura "Real" compuesto por pasos de temperatura con velocidad de calentamiento constante se puede exportar al archivo de texto. Más información sobre esta funcionalidad.
Con la optimización de su proceso de desaglomerado y sinterización con respecto a las tasas máximas de conversión y la capacidad de su horno en términos de tasas de calentamiento y enfriamiento, se acercará al óptimo con el modelado de su programa de cocción en el software. Con Kinetics Neo Simulation, llegará más rápido al punto óptimo
Ejemplo de la vida real: Optimización de la producción cerámica en la industria
La empresa alemana Haldenwanger produce una amplia gama de materiales cerámicos para diferentes usos. Desarrolla continuamente nuevos materiales cerámicos con mejores propiedades físicas.
El nuevo material cerámico HALOFOAM ALUMINATM tiene excelentes propiedades físicas, pero la calidad final de esta espuma cerámica es muy sensible a las temperaturas de cocción. La ralentización del calentamiento conduce a la calidad perfecta, pero tiene un tiempo de producción demasiado largo y unos costes de producción muy elevados.
Por lo tanto, el proceso de cocción de esta producción cerámica requiere la optimización de su perfil de temperatura y de las velocidades de calentamiento. Sin embargo, el método experimental de "prueba y error" no funciona en este caso, porque cada ciclo de producción se prolonga muchos días en la cámara de cocción y tiene unos costes elevados.
La optimización del perfil de temperatura se realizó en el programa informático Kinetics Neo.
Este proceso constaba de dos partes, el desbobinado y la sinterización.
Las mediciones para el desaglomerado con diferentes velocidades de calentamiento se realizaron en el STA 449 F1 del laboratorio NETZSCH. A continuación, se creó el modelo cinético para el proceso de desaglomerado y se optimizaron en Kinetics Neo las temperaturas por debajo de 700°C sólo para el desaglomerado.
Las mediciones de la contracción durante la sinterización se realizaron también en el dilatómetro del laboratorio NETZSCH. El segundo modelo cinético para la sinterización y luego la optimización de las temperaturas por encima de 700°C sólo para la sinterización se realizaron en Kinetics Neo de nuevo.
La optimización total del perfil de temperatura se llevó a cabo para ambas piezas y el tiempo de producción se redujo en más del 50%.
