Introduzione
Allumina fusa bianca (WFA)è un materiale industriale di allumina fusa prodotto mediante fusione ad arco elettrico di allumina calcinata. Viene utilizzato in applicazioni abrasive e refrattarie selezionate in cui proprietà quali composizione chimica, durezza, caratteristiche delle particelle e comportamento alle alte temperature possono essere rilevanti.
La valutazione della WFA può avvenire a due livelli distinti:
1. Caratterizzazione del granulo o della polvere WFA stessa
2. Test di uno strumento abrasivo o di una formulazione refrattaria che contiene WFA
Queste non sono misure intercambiabili della qualità della WFA. La caratterizzazione del materiale descrive la grana o la polvere fornita, mentre i test a livello di applicazione valutano il comportamento di un sistema abrasivo o refrattario completo in condizioni definite.
Caratterizzazione dei materiali e test a livello di applicazione
La caratterizzazione a livello di materiale copre proprietà e specifiche misurate su granuli o polvere WFA. A seconda della qualità del prodotto e dell'uso previsto, questi possono includere la dimensione delle particelle o la designazione della grana, la composizione chimica, la densità apparente, la morfologia delle particelle e la durezza come caratteristica del materiale di riferimento.
I test a livello di applicazione valutano un prodotto o una formulazione contenente WFA. Gli esempi includono il rapporto di macinazione e la ruvidità della superficie del pezzo per i sistemi abrasivi, la refrattarietà sotto carico (RUL) o i test di corrosione per i corpi refrattari. Questi risultati dipendono dallo strumento completo o dalla formulazione refrattaria, dalla procedura di test e dal pezzo o dall'ambiente di servizio piuttosto che dal solo grano WFA.
Analisi granulometrica e classificazione della grana
La dimensione delle particelle è un importante parametro di specifica WFA. Il suo significato dipende dall'applicazione abrasiva o refrattaria prevista, dalla progettazione del prodotto e dalle condizioni di lavorazione. Nessun singolodistribuzione granulometricaè ottimale per ogni applicazione.
Classificazione basata su setaccio
Per le qualità appropriate di grana abrasiva più grossa, la classificazione basata su setacci è un approccio standard. Un campione rappresentativo viene fatto passare attraverso una serie di setacci con aperture definite e la massa trattenuta sui relativi setacci viene utilizzata per valutare la distribuzione granulometrica.
Diversi intervalli di dimensioni delle particelle e sistemi di classificazione degli abrasivi possono utilizzare procedure di misurazione o classificazione diverse. Le designazioni delle maglie, i valori misurati delle dimensioni delle particelle e le designazioni dei grani abrasivi descrivono caratteristiche correlate ma diverse e non devono essere considerate direttamente equivalenti.
Per i grani abrasivi legati, la norma ISO 8486-1 copre le macrograna da F4 a F220, mentre la norma ISO 8486-2 copre le micrograna da F230 a F2000 entro gli ambiti definiti da tali standard.
Diffrazione laser per polveri fini
La diffrazione laser può essere utilizzata per caratterizzare le polveri WFA più fini. In questo metodo, le particelle disperse interagiscono con un raggio laser e il modello di diffusione della luce risultante viene utilizzato per calcolare la distribuzione delle dimensioni delle particelle attraverso un modello ottico.
La dimensione riportata si basa su una rappresentazione di una sfera equivalente piuttosto che su una misurazione diretta della geometria tridimensionale di ciascuna particella irregolare. I risultati possono quindi dipendere dalla preparazione del campione, dalle condizioni di dispersione, dall'agglomerazione, dalle impostazioni ottiche e dalla procedura di misurazione.
La norma ISO 13320:2020 fornisce un quadro generale per l'analisi delle dimensioni delle particelle mediante diffrazione laser. Si tratta di uno standard di metodo di misurazione e non definisce di per sé i gradi di grana abrasiva WFA.
Perché i metodi relativi alle dimensioni delle particelle non sono intercambiabili
La classificazione basata su setaccio e la diffrazione laser operano secondo diversi principi di misurazione e i loro risultati non dovrebbero essere trattati come direttamente intercambiabili.
Ad esempio, un D50 ottenuto mediante diffrazione laser è un parametro statistico all'interno di una distribuzione granulometrica misurata. Non è automaticamente equivalente alla grana F, alla grana P o ad altra designazione del grado abrasivo.
I dati relativi alle dimensioni delle particelle devono pertanto essere interpretati insieme al metodo di prova, ai parametri riportati, al sistema di classificazione e alle specifiche di prodotto applicabili.
Densità apparente
La densità apparente è la massa di una quantità di granulo abrasivo divisa per il volume che occupa nelle condizioni di prova specificate. Poiché il risultato dipende dal modo in cui il materiale viene introdotto nel contenitore di misurazione, quando si confrontano i valori di densità apparente è necessario indicare la procedura applicabile.
La densità apparente è distinta dalla densità prelevata e dalle misurazioni della densità del materiale come la densità scheletrica o reale.
Per i grani abrasivi, la norma ISO 9136-1:2004 specifica un metodo di prova della densità apparente per le macrograna, mentre la ISO 9136-2:1999 si rivolge alle micrograna. Il loro utilizzo dovrebbe seguire l'ambito dei materiali e della gamma dimensionale definiti nei rispettivi standard.
Un valore di densità apparente più elevato non deve essere interpretato automaticamente come prestazioni superiori del materiale o dell'applicazione. Il risultato può essere influenzato dalla distribuzione delle dimensioni delle particelle, dalla morfologia e dalla procedura di misurazione specificata.
Morfologia delle particelle
Morfologia delle particelle, comprese la forma dei grani e le caratteristiche superficiali, possono essere valutate, ove pertinente.
La morfologia può interagire con la distribuzione delle dimensioni delle particelle e altre variabili del materiale per influenzare la manipolazione della polvere, il comportamento di impaccamento e il comportamento di contatto abrasivo. Dovrebbe quindi essere considerato insieme ad altre caratteristiche del grado piuttosto che utilizzato come indicatore di prestazione autonomo.
Composizione chimica e profili degli ossidi
La composizione chimica è un'importante area specifica della qualità WFA. I WFA sono costituiti prevalentemente da ossido di alluminio (Al2O3), mentre le concentrazioni dei costituenti secondari variano a seconda della qualità e delle specifiche del prodotto.
A seconda del grado, la chimica riportata può includere parametri quali Na2O, SiO2, Fe2O3 e TiO2. Questi esempi non sono esaustivi e i relativi limiti di composizione dipendono dalle specifiche del prodotto applicabili.
La fluorescenza a raggi X (XRF) è comunemente utilizzata per l'analisi elementare, con risultati analitici spesso riportati come concentrazioni equivalenti all'ossido. I metodi chimici umidi possono essere utilizzati anche per analiti selezionati utilizzando procedure di preparazione del campione e analitiche adeguate al materiale e al componente target.
La composizione chimica deve essere valutata rispetto ai requisiti del grado WFA specificato e dell'applicazione prevista. Un valore Al2O3 più elevato da solo non stabilisce prestazioni abrasive o refrattarie superiori.
La durezza come caratteristica del materiale
Durezzaè una caratteristica del WFA associata alla sua struttura di corindone, o alfa-allumina. Può essere utilizzato come proprietà del materiale di riferimento, ma non è necessariamente un test di routine specifico per ogni lotto commerciale per ogni grado WFA.
Al corindone viene comunemente assegnata una durezza di circa 9 sulla scala di Mohs. La scala di Mohs è ordinale anziché lineare, quindi le differenze numeriche tra livelli adiacenti non devono essere interpretate come differenze quantitative uguali nella durezza.
È possibile misurare anche la durezza di indentazione Vickers, ma non è un test diretto su polvere sciolta e richiede un campione opportunamente preparato, come un grano montato e lucidato o una superficie di materiale preparata. I valori riportati dipendono da fattori quali la preparazione del campione e le condizioni del test.
Test sull'abrasività a livello di applicazione
Rapporto di macinazione
Il rapporto di macinazione, comunemente indicato come rapporto G, è un parametro utilizzato per valutare il comportamento della mola in condizioni definite. Viene comunemente espresso come il volume del materiale rimosso dal pezzo rispetto al volume dell'usura della mola.
Il rapporto G non è una proprietà intrinseca della grana WFA. Dipende dalle specifiche della mola completa, dal materiale del pezzo, dai parametri operativi, dalle condizioni del refrigerante, dalla pratica di ravvivatura e da altre variabili di processo.
Un rapporto G più elevato indica una maggiore quantità di materiale rimosso dal pezzo rispetto all'usura della mola nelle condizioni di quel particolare test. Dovrebbe essere interpretato insieme al comportamento di rimozione del materiale richiesto, alle condizioni della superficie e ai requisiti del processo piuttosto che trattato come una misura universale della qualità dell'abrasivo.
Rugosità superficiale
La rugosità superficiale è un altro risultato a livello di applicazione che può essere misurato dopo la rettifica o la finitura. È possibile utilizzare la profilometria ottica o a contatto e, ove appropriato, parametri come Ra possono essere riportati.
La rugosità superficiale è influenzata dall'utensile abrasivo, dal pezzo in lavorazione, dalle specifiche della grana, dai parametri di processo e dal metodo di misurazione. Un valore di rugosità inferiore non è di per sé preferibile in ogni applicazione; i criteri di accettazione dipendono dalle condizioni superficiali richieste e dall'obiettivo di produzione.
Test sui refrattari a livello di applicazione
Refrattarietà sotto carico
La refrattarietà sotto carico (RUL) valuta il comportamento di deformazione di un prodotto refrattario formato sotto un carico di compressione specificato all'aumentare della temperatura.
Nell'ambito di una procedura di prova definita, le variazioni dimensionali nel campione refrattario vengono misurate in funzione della temperatura. La norma ISO 1893:2007 specifica un metodo differenziale per determinare la refrattarietà sotto carico di prodotti refrattari formati con temperatura in progressivo aumento.
Il RUL è quindi una proprietà del corpo refrattario piuttosto che un test di routine del grano WFA sciolto. I risultati dipendono dalla formulazione refrattaria completa, dalla porosità, dal sistema di fase e legante, dalla cronologia del processo e dalle condizioni di test.
Test di resistenza chimica e alle scorie
I test di corrosione chimica o delle scorie valutano l'interazione tra una formulazione refrattaria finita e un mezzo corrosivo specifico in condizioni di esposizione definite.
I risultati possono dipendere dalla composizione refrattaria, dalla porosità, dalla distribuzione delle fasi, dalla chimica del mezzo corrosivo, dalla temperatura, dall'atmosfera, dalla durata dell'esposizione e dalla procedura di test. Tali risultati caratterizzano il sistema refrattario e non dovrebbero essere attribuiti solo al contenuto di WFA.
Cosa devono verificare gli acquirenti su una TDS o un COA
Ai fini dell'approvvigionamento e delle specifiche, le informazioni rilevanti per un prodotto WFA dipendono dal suo grado e dall'uso previsto.
La documentazione e i dati utili possono includere:
- Grado WFA e forma del prodotto
- Composizione chimica
- Designazione della grana o della granulometria
- Distribuzione granulometrica e metodo di misurazione
- Standard di classificazione dell'abrasivo applicabile
- Densità apparente ove rilevante
- Morfologia delle particelle ove rilevante
- Dati di test specifici dell'applicazione ove richiesto
- Scheda Tecnica (TDS)
- Certificato di analisi (COA)
- Scheda di sicurezza (SDS)
Un TDS generalmente fornisce informazioni tecniche tipiche o nominali su un prodotto, mentre un COA riporta risultati analitici o di ispezione specificati per un particolare lotto o lotto. Una SDS fornisce informazioni sulla sicurezza e sulla comunicazione dei pericoli.
Non tutti i parametri o documenti sono richiesti per ogni prodotto WFA. I criteri di accettazione dovrebbero basarsi sulle specifiche della qualità applicabile, sui requisiti concordati del cliente e sull'applicazione prevista.
Perché la comparabilità dei metodi di prova è importante
Un confronto significativo dei valori di prova richiede metodi di misurazione e condizioni di prova sufficientemente comparabili.
Per esempio:
- La classificazione basata su setaccio e le misurazioni della dimensione delle particelle tramite diffrazione laser non sono direttamente intercambiabili.
- I valori della densità apparente devono essere confrontati utilizzando procedure compatibili.
- I risultati della durezza dipendono dal metodo di durezza e dalla preparazione del campione.
- Il rapporto G dipende dalla mola, dal pezzo e dalle condizioni operative.
- I risultati RUL si applicano al corpo refrattario testato e alla procedura di prova definita.
Un valore numerico senza il relativo metodo di misurazione o contesto di prova può quindi fornire una base incompleta per confrontare i gradi WFA o i sistemi contenenti WFA.
Conclusione
L'allumina fusa bianca può essere valutata sia a livello di materiale che a livello di applicazione. Le specifiche relative alla dimensione delle particelle o alla grana, alla composizione chimica, alla densità apparente, alla morfologia e alle caratteristiche di durezza di riferimento descrivono il grano o la polvere WFA stessa.
Il rapporto di macinazione, la rugosità superficiale del pezzo, la refrattarietà sotto carico e la resistenza alle scorie o alla corrosione descrivono invece il comportamento degli utensili abrasivi o dei sistemi refrattari contenenti WFA in condizioni specificate.
Per un confronto significativo, acquirenti e ingegneri dovrebbero valutare i risultati dei test insieme al metodo pertinente, allo standard di classificazione, alle specifiche del prodotto e ai requisiti applicativi anziché fare affidamento su valori numerici isolati.
Riferimenti
- Organizzazione internazionale per la standardizzazione. ISO8486-1:1996. Abrasivi legati - Determinazione e designazione della distribuzione granulometrica - Parte 1: Macrograni da F4 a F220.
- Organizzazione internazionale per la standardizzazione. ISO 8486-2:2007. Abrasivi legati - Determinazione e designazione della distribuzione granulometrica - Parte 2: Micrograni da F230 a F2000.
- Organizzazione internazionale per la standardizzazione. ISO 13320:2020. Analisi granulometrica - Metodi di diffrazione laser.
- Organizzazione internazionale per la standardizzazione. ISO 9136-1:2004. Grani abrasivi - Determinazione della densità apparente - Parte 1: Macrograni.
- Organizzazione internazionale per la standardizzazione. ISO 9136-2:1999. Grani abrasivi - Determinazione della densità apparente - Parte 2: Microgrits.
- Organizzazione internazionale per la standardizzazione. ISO 1893:2007. Prodotti refrattari - Determinazione della refrattarietà sotto carico - Metodo differenziale con aumento della temperatura.
- Malkin, S. e Guo, C. (2008). Tecnologia di rettifica: teoria e applicazioni della lavorazione con abrasivi. 2a ed. Stampa industriale.
- Schafföner, S., Dietze, C., Möhmel, S., Fruhstorfer, J., & Aneziris, CG (2017). Refrattari contenenti aggregati di allumina fusa e sinterizzata: indagini sulla lavorazione, distribuzione granulometrica e morfologia delle particelle. Ceramica Internazionale, 43(5), 4252–4262. DOI: 10.1016/j.ceramint.2016.12.067.