Introducción
Los imanes de neodimio-hierro-boro (Nd-Fe-B) son los denominados imanes de tierras raras, que se distinguen por sus elevadísimas densidades de energía. Por eso cobran cada vez más importancia en la era de la movilidad eléctrica y la miniaturización, sobre todo en ámbitos de aplicación en los que se necesitan campos magnéticos potentes con volúmenes y pesos reducidos. Cada vez se presta más atención a la conservación de los recursos de materias primas, la reducción del peso de los accionamientos y el alargamiento de la vida útil de los imanes permanentes. Por ejemplo, el uso de imanes Nd-Fe-B puede hacer posible la miniaturización en la tecnología de sensores. Su uso en la construcción de motores permite reducir el tamaño de los subconjuntos y, en consecuencia, el volumen y el peso. De este modo, entre otras cosas, se pueden fabricar motores eléctricos más pequeños y/o potentes con un mayor grado de eficiencia utilizando imanes con densidades de energía más elevadas.
Es posible mejorar aún más los imanes que se fabrican actualmente utilizando estructuras con partículas más finas para obtener un crecimiento uniforme del grano durante la sinterización. Mientras que las estructuras con partículas más finas aumentan la intensidad del campo coercitivo, las estructuras más gruesas contribuyen a la obtención de una alta remanencia debido a su mejor comportamiento de orientación. Esto significa que los polvos de tierras raras utilizados deben tener una distribución granulométrica lo más estrecha posible. Lo ideal es una distribución granulométrica estrecha con la menor proporción posible de partículas finas (< 2 µm) y gruesas (> 8 µm). Las condiciones de sinterización también son decisivas para la calidad de los imanes y deben optimizarse cuidadosamente. El uso de materias primas limpias y las condiciones idealmente inertes durante el procesamiento para mantener la contaminación al mínimo son de igual importancia.
La solución de NETZSCH
Molino de chorro en espiral m-Jet con clasificador de aire dinámico integrado
NETZSCH ha desarrollado un nuevo molino especialmente para moler aleaciones de tierras raras.
El m-Jet (Fig. 1) combina las ventajas de un molino de chorro de lecho fluidizado con las de un molino de chorro en espiral y es, por tanto, el molino ideal para moler polvos de tierras raras. La combinación de un molino de chorro espiral con un clasificador de aire dinámico permite obtener la máxima finura reproducible independientemente de la carga en los chorros de gas.
El gas de molienda se transporta a la cámara de molienda (2) a través de un sistema de distribución de gas de molienda en forma de anillo y las boquillas (1), donde se expande durante lo cual se forman chorros de alta velocidad. El producto a moler se transporta tangencialmente a la cámara de molienda (2) mediante un inyector o gravimétricamente a través de una esclusa mediante una pieza de conexión (3) donde es absorbido por los chorros de gas, acelerado y molido mediante impactos partícula a partícula. A continuación, las partículas estresadas se transportan a la rueda clasificadora (4) con el gas de trituración. La rueda clasificadora es accionada por un motor de regulación continua. El producto fino que corresponde a las condiciones establecidas se descarga fuera del molino con el gas expandido (5); el producto demasiado grueso se devuelve a la zona de los chorros para ser impactado de nuevo. El movimiento circular del producto en la cámara de molienda facilita la carga de partículas en los chorros.
Debido a las diferencias de diseño, el contenido de producto durante la fase de molienda de un m-Jet es de 20 a 25 veces inferior al de un molino de chorro de lecho fluidizado correlacionado. Debido a este hecho, prácticamente no se producen fluctuaciones en la capacidad de producción y, especialmente, en la distribución granulométrica durante el arranque y la parada de la planta. No se produce una molienda selectiva de los componentes individuales de la aleación (Fig. 2).
Otra ventaja del m-Jet en comparación con el molino de chorro de lecho fluidizado es la posibilidad de rechazar automáticamente los componentes difíciles de moler o de cambiar a otro producto. Los componentes indeseables pueden retirarse directamente de la cámara de molienda durante el funcionamiento del molino (Fig. 3). Esto sólo requiere unos segundos. La sobrepresión en el molino garantiza que los componentes difíciles de moler sean transportados al filtro. De este modo se evita la rueda clasificadora cambiando la posición del tubo de descarga en la carcasa del molino. Es posible determinar la disminución de la capacidad de rendimiento debida a los componentes difíciles de moler mediante el ciclo de trabajo de la dosificación. Cuando se alcanza un valor determinado, el producto se rechaza y se retira. De este modo, no existe ningún problema de contaminación de las tuberías de transporte de producto con partículas gruesas de producto y/o componentes difíciles de moler. Gracias al pequeño volumen de la cámara de molienda, las pérdidas de polvo que se producen durante el cambio de producto son extremadamente bajas.
Avances en la fabricación de polvos de Nd-Fe-B mediante clasificación
Las fracciones más finas indeseables de los polvos de tierras raras molidos pueden separarse clasificándolas después de la molienda. La clasificación en condiciones inertes puede realizarse fuera de línea o en línea. Para ello se dispone de dos instalaciones y sistemas de clasificación básicos. La clasificación fuera de línea puede llevarse a cabo con el clasificador de alta dispersión NETZSCH m-Class y la clasificación en línea con el clasificador ultrafino InlineStar M. Ambas ejecuciones del clasificador han sido optimizadas para la clasificación de polvos de tierras raras. NETZSCH ha solicitado una patente para el proceso de molienda con clasificación posterior de polvos de tierras raras.
En la clasificación fuera de línea, el producto se introduce en el clasificador desde arriba a través de una unidad de dosificación y la unidad de alimentación de producto (1). El gas de proceso necesario se suministra a través de la entrada de gas de clasificación (2). El gas de proceso dispersa el producto alimentado muy a fondo a través del gran número de rendijas de paletas guía ajustables de la cesta de paletas guía estática (3) y, a continuación, lo ofrece a la rueda clasificadora (4). Aquí se realiza la separación de productos gruesos y finos en función de la velocidad de clasificación ajustada (regulable sin escalonamiento). Los "finos" salen de la máquina a través de la rueda clasificadora que está instalada en un eje horizontal en el centro del clasificador. las "partículas gruesas" son rechazadas por la rueda clasificadora y se descargan por la parte trasera a través de la salida de producto grueso (6) situada en la parte inferior de la carcasa, que tiene forma de espiral y dispone de una pared divisoria (5). Ajustando la denominada trampilla de producto grueso (7) se puede regular la descarga de producto grueso para aplicaciones de separación difíciles para influir en la "pureza" del producto grueso.
Por primera vez se ha podido producir polvo de Nd-Fe-B sin fracciones finas indeseables o, en caso necesario, sin fracciones gruesas, gracias a la fase de clasificación posterior. Si el producto se clasifica dos veces, pueden eliminarse tanto las fracciones finas como las gruesas y, de este modo, la distribución granulométrica del polvo se adapta exactamente a la aplicación concreta.
Resultados de la clasificación posterior de los polvos de tierras raras y su influencia en las propiedades de los imanes Nd-Fe-B
Mediante la clasificación después de la molienda, las partículas finas o gruesas no deseadas pueden eliminarse deliberadamente del producto molido. La cantidad deseada de finos puede separarse modificando la velocidad del clasificador o el caudal de gas que lo atraviesa. Un factor decisivo para ello es una excelente dispersión del producto en la corriente de gas. Esto debe garantizarse para que el clasificador pueda seleccionar limpiamente las partículas y obtener así los mejores rendimientos y distribuciones granulométricas pronunciadas.
La Fig. 5 muestra las diferencias en las distribuciones granulométricas de un producto que sólo se molió y otro que se clasificó posteriormente. El valor d10 aumenta de 1,54 µm a 2,03 µm. La fracción de partículas más finas < 1 µm es de alrededor del 2,8 % antes de clasificar y de casi el 0,00 % después de clasificar.
En los últimos años, también se ha introducido el denominado "molino de chorro blanco" para la molienda de polvo Nd-Fe-B. Puede apreciarse claramente la diferencia en la anchura de la PSD de una muestra fabricada en un molino m-Jet con posterior clasificación en un m-Class en comparación con la de un producto fabricado convencionalmente en un molino de blancos (Fig. 6).
Para obtener una comparación de la relación d90/d10, se trituraron muestras con distintos valores d50 y se clasificaron. Los resultados mostraron que el valor d90/d10 de las muestras clasificadas era considerablemente mejor que el de las muestras sólo trituradas. Para un d50 de 3,0 µm se obtuvieron valores de 2,6. En comparación, para un producto no clasificado con la misma d50 se obtuvo un valor de 3,2 para un molino de chorro de lecho fluidizado m-Jet o clásico. Los resultados del molino de chorro objetivo se situaron en torno a d90/d10 = 4,1 y, por tanto, casi duplicaron los del polvo molido y clasificado (Fig. 7).
Esto también queda claro al observar las diferencias en las imágenes REM del polvo molido en comparación con el polvo Nd-Fe-B molido y clasificado. La Fig. 8 muestra la imagen del polvo molido con una fracción más fina claramente reconocible, en la Fig. 9 la muestra que también ha sido clasificada y que sólo contiene una fracción más fina insignificante.
Para examinar la influencia de una distribución más estrecha del tamaño de las partículas en las propiedades magnéticas, se fabricaron imanes en distintas condiciones de sinterización. El análisis de los resultados mostró que los imanes fabricados con polvos clasificadores tienen mayores intensidades de campo coercitivo. La intensidad de campo de rodilla Hk y la rectangularidad R = Hk/Hcj también mejoraron significativamente (Fig. 10).
También se observa claramente una relación entre la inclinación de la PSD (d90/d10) y la rectangularidad de la curva de desmagnetización. La rectangularidad se comporta de forma inversamente proporcional a d90/d10. Por lo tanto, las distribuciones de tamaño de partícula más estrechas aumentan la rectangularidad de la curva de desmagnetización.
Conclusión
Las pruebas de sinterización demostraron que podían fabricarse imanes con buenas propiedades magnéticas con polvos de Nd-Fe-B molidos en el molino de chorro espiral m-Jet. Por lo tanto, el m-Jet puede ofrecer una alternativa real a los molinos de chorro de lecho fluidizado que hasta ahora se utilizaban casi exclusivamente. Además, también se pudo demostrar que los polvos finos de Nd-Fe-B clasificados posteriormente tras el procesamiento habitual antes de la sinterización podían utilizarse para fabricar imanes anisótropos con buenas propiedades magnéticas. La elevada intensidad del campo coercitivo y la mayor rectangularidad de la curva de desmagnetización indican que estos imanes tienen una estructura más homogénea que los imanes convencionales comparables.
En Hanau, cerca de Frankfurt en Alemania, NETZSCH Trockenmahltechnik tiene un laboratorio bien equipado para pruebas con polvos de tierras raras. En este laboratorio, es posible llevar a cabo pruebas de molienda en el molino de chorro de lecho fluidizado del tipo CGS y en el molino de chorro en espiral con clasificador integrado del tipo m-Jet, así como pruebas de clasificación en atmósfera inerte (nitrógeno) en el clasificador de alta dispersión m-Class. En Hanau también se pueden llevar a cabo muchos análisis diferentes como, por ejemplo, análisis de partículas por láser (Malvern) y REM, así como análisis ONH, OCN, ICP en cooperación con un instituto de renombre.