Réduire les coûts de production de la céramique avec Kinetics Neo
Elena Moukhina, explique comment le logiciel Kinetics Neo permet d'optimiser les processus de déliantage des polymères et de frittage des céramiques, ce qui permet de gagner du temps et de l'efficacité.
Contenu
Pourquoi l'optimisation de la température de cuisson des céramiques est-elle nécessaire ?
Que puis-je faire pour trouver la température optimale pour mon processus de production ?
Kinetics Neo: Analyse cinétique
Kinetics Neo: Simulation et optimisation
Exemple concret : Optimisation de la production de céramique dans l'industrie
Introduction
La production de céramique est un défi dans un monde où les prix de l'énergie sont élevés.
Comment réduire les coûts de la cuisson de la céramique tout en conservant la haute qualité du produit ?
Si une pièce sort du four avec des fissures et des déformations, la plupart des ingénieurs de procédés réduiront les taux de chauffage et allongeront les isothermes. Cela se traduit par des processus de déliantage et de frittage très longs, ce qui augmente considérablement les coûts.
Si les pièces quittent le four avec une bonne qualité, personne ne touchera plus au processus pour savoir s'il est possible d'obtenir le même résultat en 50 % du temps.
Mais aujourd'hui, nous sommes obligés de le faire, car les prix de l'énergie sont trop élevés.
Le logiciel NETZSCH Kinetics Neo et les données de l'analyse thermique vous offrent une vue virtuelle de votre processus à l'intérieur du four. Cela vous aide à concevoir au mieux votre procédé :
- réduisant le temps de R&D
- réduisant la consommation d'énergie
- réduisant le nombre de tirs d'essai
- en réduisant les déchets
- en conservant la même qualité ou en obtenant une meilleure qualité
- accélérer la mise sur le marché.
Voyez comment cela fonctionne : https://vimeo.com/268580866
Pourquoi l'optimisation de la température de cuisson de la céramique est-elle nécessaire ?
Dans la cuisson des céramiques, la qualité du produit dépend du profil de température, en particulier de la vitesse de chauffe. Dans la phase initiale du processus de chauffage, généralement inférieure à 700°C, le liant polymère est soigneusement éliminé par décomposition thermique. Mais l'évolution du gaz ne doit pas être trop intensive pour éviter la formation de microfissures et garantir que la structure du matériau d'origine n'est pas détruite. Par conséquent, afin d'obtenir la meilleure qualité de produit, cette étape de chauffage pour obtenir la décomposition du polymère ne doit pas être effectuée trop rapidement. D'autre part, un chauffage trop lent augmente la durée du processus, ce qui pourrait s'avérer trop coûteux et peu écologique, tout en augmentant les coûts de production.
Dans la phase finale du processus de chauffage, généralement au-dessus de 700°C, le processus de frittage avec le rétrécissement a lieu. Un chauffage trop intensif entraîne la formation de contraintes mécaniques et de microfissures. Par conséquent, pour obtenir la meilleure qualité de céramique, cette étape de chauffage avec rétrécissement ne doit pas être effectuée trop rapidement. En revanche, un chauffage trop lent augmente la durée du processus et les coûts de production correspondants.
L'objectif principal est de créer un profil de température optimal avec un chauffage équilibré pour garantir la meilleure qualité qualité du matériau temps le plus court.
L'ingénieur des procédés peut procéder par "essais et erreurs" pour trouver des programmes de cuisson appropriés. Il essaie de rendre justice à chaque processus individuel pendant le processus de frittage. Cela conduit à de longs programmes de cuisson qui ne correspondent pas de manière optimale au déroulement réel du processus de frittage.
Que puis-je faire pour trouver la température optimale pour mon processus de production ?
Dans un premier temps, il est logique d'examiner la déshydratation et l'ébarbage par thermogravimétrie. Avec cette méthode, les données expérimentales indiquent les températures auxquelles les échantillons perdent du poids, ce qui nous indique que "quelque chose sort du matériau" : "Quelque chose sort du matériau". Si vous ne constatez plus de perte de masse, vous pouvez supposer que l'ébarbage est terminé.
Dans un deuxième temps, le matériau doit être caractérisé à l'aide de la dilatométrie. Cette méthode de mesure montre où commence le frittage et à quelles températures se produisent les étapes du frittage. Enfin, si vous ne constatez plus de retrait, le frittage est terminé. L'exécution des deux tests à des vitesses de chauffe différentes permet de savoir comment les processus dépendent de la vitesse.
Le logiciel peut être utilisé pour optimiser le profil de cuisson Kinetics Neo peut être utilisé pour optimiser le profil de cuisson. Il peut analyser les données de la thermogravimétrie et de la dilatométrie, puis simuler le déliantage et le frittage pour n'importe quel profil de température.
Les étapes de l'optimisation
- Mesures thermogravimétriques avec différentes vitesses de chauffage en dessous de 700°C pour le déliantage
- Analyse cinétique des mesures thermogravimétriques et création d'un Modèle cinétiqueLe modèle cinétique est un terme général contenant le schéma (structure) des différentes étapes de réaction dans une réaction chimique à plusieurs étapes, les types de réaction et les paramètres cinétiques de ces étapes.modèle cinétique pour le déliantage
- Optimisation du profil de température en dessous de 700°C afin d'obtenir un taux de perte de masse proche d'une valeur constante.
- Mesures au dilatomètre avec différentes vitesses de chauffage au-dessus de 700°C pour le frittage
- Analyse cinétique des mesures au dilatomètre et création d'un modèle cinétique pour le frittage
- Optimisation du profil de température au-dessus de 700°C afin d'obtenir un taux de retrait proche d'une valeur constante.
- Validation du profil de température complet, d'abord en laboratoire, puis dans des conditions industrielles.
Kinetics Neo: Analyse cinétique
Si les données, qui ont été mesurées à différentes vitesses de chauffage, sont chargées dans le logiciel de simulation, la cinétique de la réaction peut être modélisée mathématiquement Kinetics Neola cinétique de la réaction peut être modélisée mathématiquement. Vous obtenez ainsi un modèle de simulation qui décrit de manière fiable les processus dépendant de la température et du temps dans votre matériau.
Fig. 1 : Courbes de frittage et ajustement du modèle dans Kinetics Neo pour des taux de chauffage constants
La figure 1 montre les courbes du dilatomètre et le calcul de l'ajustement à partir du modèle cinétique à trois étapes. La figure 2 contient les mêmes données et le même modèle pour le taux de conversion. Les pics sur ces courbes représentent les points critiques avec un retrait intensif, où des mini-fissures peuvent se produire.
Fig. 2 : Taux de conversion en %/min - cela montre les zones où le frittage est très intensif et où les fissures ou les déformations peuvent se produire.
Kinetics Neo: Simulation et optimisation
La simulation du processus de frittage pour le profil de température avec trois segments (chauffage, isotherme, chauffage) est présentée dans la figure 3.
Avec ce modèle, vous pouvez désormais simuler n'importe quel programme de combustion et l'effet sur votre processus de frittage en changeant simplement la température dans le logiciel.
Fig. 3 : Simulation d'une courbe de frittage avec un programme de cuisson donné
En ce qui concerne les taux de conversion à chaque étape du frittage, vous pouvez optimiser votre programme de cuisson directement dans le logiciel et voir comment le changement de programme affectera le processus de frittage et les taux de conversion à chaque étape. Des taux de conversion trop élevés peuvent provoquer des fissures ou des déformations sur vos pièces. Le modèle des taux de conversion est illustré dans l'image en fonction des différents taux de chauffage. Le défi consiste à déterminer le taux de conversion maximal sans compromettre la qualité. En dehors des programmes de frittage plus complexes, la première étape la plus simple consiste à simuler avec un taux de conversion constant - ce que vous obtenez comme résultat est la courbe de température :
Fig. 4 : Courbe de température modélisée basée sur un taux de conversion de 0,5%/min
La courbe représente le profil de température idéal pour un changement de longueur constant.
Cependant, dans les conditions réelles, il est souvent nécessaire d'avoir un programme de température composé de plusieurs segments de température avec une vitesse de chauffage constante.
Le logiciel offre la possibilité de créer un tel programme avec un nombre donné d'étapes de température et de voir la prédiction pour ces étapes :
Le profil de température "réel", composé de paliers de température avec une vitesse de chauffage constante, peut être exporté vers un fichier texte. Plus d'informations sur cette fonctionnalité.
En optimisant votre processus de déliantage et de frittage par rapport aux taux de conversion maximums et à la capacité de votre four en termes de taux de chauffage et de refroidissement, vous vous rapprocherez de l'optimum en modélisant votre programme de cuisson dans le logiciel. Avec Kinetics Neo Simulation, vous atteindrez plus rapidement l'optimum !
Exemple concret : Optimisation de la production de céramique dans l'industrie
La société allemande Haldenwanger produit une large gamme de matériaux céramiques destinés à différents usages. Elle développe en permanence de nouveaux matériaux céramiques dotés de meilleures propriétés physiques.
Le nouveau matériau céramique HALOFOAM ALUMINATM possède d'excellentes propriétés physiques, mais la qualité finale de cette mousse céramique est très sensible aux températures de cuisson. Le ralentissement du chauffage permet d'obtenir une qualité parfaite, mais le temps de production est trop long et les coûts de production très élevés.
Par conséquent, le processus de cuisson de cette production céramique nécessite l'optimisation de son profil de température et des taux de chauffage. Cependant, la méthode expérimentale "essais et erreurs" ne fonctionne pas ici, car chaque cycle de production dure plusieurs jours dans la chambre de cuisson et entraîne des coûts élevés.
L'optimisation du profil de température a été réalisée à l'aide du logiciel Kinetics Neo.
Ce processus comporte deux parties, le déliantage et le frittage.
Les mesures pour l'ébarbage avec différentes vitesses de chauffage ont été effectuées sur le STA 449 F1 du laboratoire NETZSCH. Ensuite, le modèle cinétique pour le processus de déliantage a été créé et les températures inférieures à 700°C pour le déliantage uniquement ont été optimisées dans Kinetics Neo.
Les mesures du retrait pendant le frittage ont été effectuées sur un dilatomètre dans le laboratoire NETZSCH également. Le deuxième modèle cinétique pour le frittage et l'optimisation des températures supérieures à 700°C pour le frittage uniquement ont été effectués sur Kinetics Neo.
L'optimisation totale du profil de température a été réalisée pour les deux pièces et le temps de production a été réduit de plus de 50 %.
