Introdução
Os ímãs de neodímio-ferro-boro (Nd-Fe-B) são os chamados ímãs de terras raras que se distinguem por suas densidades de energia muito altas. Assim, eles estão constantemente ganhando importância na era da mobilidade elétrica e da miniaturização e, particularmente, em áreas de aplicação nas quais são necessários campos magnéticos fortes em volumes baixos e pesos reduzidos. Um foco cada vez maior está na conservação dos recursos de matérias-primas, na redução do peso dos acionamentos e na vida útil mais longa dos ímãs permanentes. Por exemplo, o uso de ímãs Nd-Fe-B pode possibilitar a miniaturização da tecnologia de sensores. Seu uso na construção de motores leva a uma redução do tamanho dos subconjuntos e, consequentemente, a uma redução do volume e do peso. Dessa forma, entre outras coisas, motores elétricos menores e/ou mais potentes com maior grau de eficiência podem ser fabricados usando ímãs com densidades de energia mais altas.
É possível fazer mais melhorias nos ímãs que estão sendo fabricados atualmente usando estruturas com partículas mais finas para obter um crescimento uniforme dos grãos durante a sinterização. Enquanto as estruturas com partículas mais finas aumentam a força do campo coercitivo, as estruturas mais grossas contribuem para a obtenção de alta remanência devido ao seu melhor comportamento de orientação. Isso significa que os pós de terras raras usados devem ter a distribuição de tamanho de partícula mais estreita possível. Uma distribuição estreita de tamanho de partícula com a menor proporção possível de partículas mais finas (< 2 µm) e mais grossas (> 8 µm) é o ideal. As condições de sinterização também são decisivas para a qualidade dos ímãs e devem ser cuidadosamente otimizadas. O uso de matérias-primas limpas e condições idealmente inertes durante o processamento para manter a contaminação em um nível mínimo são de igual importância.
A solução da NETZSCH
Moinho a jato espiral m-Jet com classificador de ar dinâmico integrado
A NETZSCH desenvolveu um novo moinho especialmente para a moagem de ligas de terras raras.
O m-Jet (Fig. 1) combina as vantagens de um moinho a jato de leito fluidizado com as de um moinho a jato espiral e, portanto, é o moinho ideal para a moagem de pós de terras raras. A combinação de um moinho de jato espiral com um classificador de ar dinâmico possibilita a obtenção da mais alta finura reproduzível, independentemente da carga nos jatos de gás.
O gás de moagem é transportado para a câmara de moagem (2) por meio de um sistema de distribuição de gás de moagem em forma de anel e dos bicos (1), onde é expandido, formando jatos de alta velocidade. O produto a ser moído é transportado tangencialmente para a câmara de moagem (2) por um injetor ou gravimetricamente por meio de uma trava através de uma peça de conexão (3), onde é absorvido pelos jatos de gás, acelerado e moído por impactos de partícula a partícula. As partículas tensionadas são então transportadas para a roda classificadora (4) com o gás de moagem. A roda classificadora é acionada por um motor infinitamente variável. O produto fino que corresponde às condições definidas é descarregado para fora do moinho com o gás expandido (5); o produto que é muito grosso retorna à área dos jatos para ser impactado novamente. O movimento circular do produto na câmara de moagem facilita o carregamento dos jatos com partículas.
Devido às diferenças no projeto, o conteúdo do produto durante a fase de moagem de um m-Jet é 20 a 25 vezes menor do que o de um moinho a jato de leito fluidizado correlacionado. Devido a esse fato, praticamente não ocorrem flutuações na capacidade de produção e, principalmente, na distribuição do tamanho das partículas durante a partida e a parada da planta. Não ocorre uma moagem seletiva de componentes individuais da liga (Fig. 2).
Outra vantagem do m-Jet em comparação com o moinho a jato de leito fluidizado é a possibilidade de rejeição automática de componentes difíceis de moer ou a mudança para outro produto. Os componentes indesejáveis podem ser removidos diretamente da câmara de moagem durante a operação do moinho (Fig. 3). Isso requer apenas alguns segundos. A sobrepressão no moinho garante que os componentes difíceis de moer sejam transportados para o filtro. Dessa forma, a roda classificadora é contornada mudando-se a posição do tubo de descarga na carcaça do moinho. É possível determinar a diminuição da capacidade de produção devido a componentes difíceis de moer por meio do ciclo de trabalho da dosagem. Quando um determinado valor é atingido, o produto é rejeitado e removido. Dessa forma, não há absolutamente nenhum problema causado pela contaminação da tubulação de transporte de produtos com partículas grossas de produtos e/ou componentes difíceis de moer. Graças ao pequeno volume da câmara de moagem, as perdas de pó que ocorrem durante a troca do produto são extremamente baixas.
Avanços na fabricação de pós de Nd-Fe-B por meio da classificação
As frações mais finas indesejáveis nos pós de terras raras moídos podem ser separadas por meio da classificação após a moagem. A classificação em condições inertes pode ser realizada off-line ou em linha. Para essa finalidade, estão disponíveis duas plantas básicas e sistemas de classificação. A classificação off-line pode ser realizada com o classificador de alta dispersão NETZSCH m-Class e a classificação em linha com o classificador ultrafino InlineStar M. Ambas as execuções do classificador foram otimizadas para a classificação de pós de terras raras. A NETZSCH solicitou uma patente para o processo de moagem com classificação downstream de pós de terras raras.
Na classificação off-line, o produto é alimentado no classificador pela parte superior por meio de uma unidade de dosagem e da unidade de alimentação do produto (1). O gás de processo necessário é fornecido por meio da entrada de gás de classificação (2). O gás de processo dispersa o produto de alimentação de forma extremamente completa através do grande número de aberturas ajustáveis das palhetas-guia do cesto de palhetas-guia estáticas (3) e, em seguida, oferece-o à roda do classificador (4). Aqui, a separação dos produtos grossos e finos é realizada de acordo com a velocidade definida do classificador (infinitamente variável). Os "finos" saem da máquina por meio da roda do classificador, que está instalada em um eixo horizontal no centro do classificador. as "partículas grossas" são rejeitadas pela roda do classificador e são descarregadas na parte traseira por meio da saída de produto grosso (6) na parte inferior da carcaça, que tem formato de espiral e uma parede divisória (5). Ao ajustar a chamada aba de produto grosso (7), a descarga do produto grosso para aplicações de separação difíceis pode ser regulada para influenciar a "pureza" do produto grosso.
Pela primeira vez, o pó de Nd-Fe-B que não tem nenhuma fração indesejável de finos ou, se necessário, nenhuma fração grossa, pode ser produzido graças à etapa de classificação subsequente. Se o produto for classificado duas vezes, as frações finas e grossas poderão ser eliminadas, se desejado, e, assim, a distribuição do tamanho das partículas do pó poderá ser adaptada exatamente para atender à aplicação específica.
Resultados da classificação subsequente de pós de terras raras e sua influência nas propriedades dos ímãs de Nd-Fe-B
Ao classificar após a moagem, as partículas finas ou grossas indesejáveis podem ser deliberadamente removidas do produto moído. A quantidade desejada de finos pode ser separada alterando-se a velocidade do classificador ou o fluxo de volume de gás através do classificador. Um fator decisivo para isso é uma excelente dispersão do produto no fluxo de gás. Isso deve ser garantido para que o classificador possa selecionar as partículas de forma limpa, de modo a obter os melhores rendimentos e distribuições de tamanho de partícula íngremes.
A Fig. 5 mostra as diferenças nas distribuições de tamanho de partícula de um produto que foi apenas moído e outro que foi posteriormente classificado. O valor de d10 aumenta de 1,54 µm para 2,03 µm. A fração de partículas mais finas < 1 µm é de cerca de 2,8% antes da classificação e quase 0,00% após a classificação.
Nos últimos anos, o chamado "moinho de jato alvo" também foi introduzido para a moagem de pó de Nd-Fe-B. A diferença na largura do PSD de uma amostra fabricada em um moinho m-Jet com classificação subsequente em um m-Class em comparação com a de um produto fabricado convencionalmente em um moinho de alvo pode ser vista claramente (Fig. 6).
Para obter uma comparação da relação d90/d10, amostras com vários valores de d50 foram moídas e depois classificadas. Os resultados mostraram que o valor d90/d10 das amostras classificadas era consideravelmente melhor do que o das amostras que haviam sido apenas moídas. Em um d50 de 3,0 µm, foram obtidos valores de 2,6. Em comparação com isso, para um produto não classificado com o mesmo d50, foi obtido um valor de 3,2 para um moinho a jato de leito fluidizado clássico ou m-Jet. Os resultados do moinho de jato alvo foram em torno de d90/d10 = 4,1 e, portanto, quase o dobro do pó que havia sido moído e classificado (Fig. 7).
Isso também fica mais claro quando se observam as diferenças nas imagens REM do pó moído em comparação com o pó Nd-Fe-B moído e classificado. A Fig. 8 mostra a imagem do pó moído com uma fração mais fina claramente reconhecível; na Fig. 9, a amostra que também foi classificada e que contém apenas uma fração mais fina insignificante.
Para examinar a influência de uma distribuição de tamanho de partícula mais estreita nas propriedades magnéticas, os ímãs foram fabricados sob diferentes condições de sinterização. A análise dos resultados mostrou que os ímãs feitos de pós classificadores têm forças de campo coercitivas mais altas. A intensidade do campo de joelho Hk e a retangularidade R = Hk/Hcj também melhoraram significativamente (Fig. 10).
Uma conexão entre a inclinação do PSD (d90/d10) e a retangularidade da curva de desmagnetização também pode ser vista claramente. A retangularidade se comporta de forma inversamente proporcional a d90/d10. Portanto, as distribuições de tamanho de partícula mais estreitas aumentam a retangularidade da curva de desmagnetização.
Conclusão
Os testes de sinterização mostraram que os ímãs com boas propriedades magnéticas podem ser produzidos com pós de Nd-Fe-B moídos no moinho a jato em espiral m-Jet. Portanto, o site m-Jet pode oferecer uma alternativa real aos moinhos a jato de leito fluidizado, que anteriormente eram usados quase exclusivamente. Além disso, também foi possível mostrar que os pós finos de Nd-Fe-B que foram posteriormente classificados após o processamento usual antes da sinterização poderiam ser usados para fabricar ímãs anisotrópicos com boas propriedades magnéticas. A alta força do campo coercitivo e a melhor retangularidade da curva de desmagnetização indicam que esses ímãs têm uma estrutura mais homogênea do que os ímãs convencionais comparáveis.
Em Hanau, perto de Frankfurt, na Alemanha, a NETZSCH Trockenmahltechnik tem um laboratório bem equipado para testes com pós de terras raras. Nesse laboratório, é possível realizar testes de moagem no moinho a jato de leito fluidizado do tipo CGS e no moinho a jato espiral com classificador integrado do tipo m-Jet, bem como testes de classificação sob atmosfera inerte (nitrogênio) no classificador de alta dispersão m-Class. Muitas análises diferentes, como, por exemplo, o analisador de partículas a laser (Malvern) e REM, também podem ser realizadas em Hanau, bem como análises ONH, OCN e ICP em cooperação com um instituto renomado.