En el proceso de molienda fina de materiales de cátodos de baterías de litio, se utilizan comúnmente molinos de chorro y molinos mecánicos. Estos difieren significativamente en sus principios de molienda y eficacia. Seleccionar el equipo de molienda adecuado y optimizar los parámetros del proceso en función de las características del material es crucial para cumplir con las especificaciones del producto, los requisitos de calidad y los objetivos de consumo energético.
Este artículo, titulado “Enfoque en el equipo: Comparación del rendimiento de Molino de chorro vs. Molino mecánico para molienda fina”, abarca las siguientes secciones:
1. Molino de chorro
El molino de chorro que se describe aquí es de lecho fluidizado. El flujo del equipo del sistema se muestra en la Figura 1.
1 – Compresor de aire, 2 – Tanque de aire, 3 – Sistema de enfriamiento y purificación, 4 – Sistema de alimentación, 5 – Mecanismo de molienda, 6 – Horizontal Clasificación Mecanismo, 7 – Sistema de clasificación ciclónica, 8 – Sistema de filtrado, 9 – Ventilador de succión
Figura 1: Diagrama de flujo del equipo del sistema de molino de chorro
El aire comprimido, tras ser refrigerado, filtrado y secado, se inyecta en la cámara de molienda a través de varias boquillas dispuestas bidimensionalmente o tridimensionalmente, formando un flujo de aire supersónico. La energía cinética de este chorro fluidiza el material. Las partículas aceleradas convergen en el punto de intersección de los chorros de las boquillas, sometiéndose a intensas fuerzas de colisión, fricción y cizallamiento para lograr una molienda ultrafina. El material molido es entonces transportado por el flujo de aire ascendente a la zona de clasificación. Bajo la fuerza centrífuga del... clasificador Gracias a la rueda y la fuerza de succión del ventilador, se separan las partículas gruesas y finas. Las partículas gruesas caen de nuevo a la cámara de molienda por gravedad para su posterior molienda. Las partículas finas que cumplen con el tamaño requerido ingresan al separador ciclónico con el flujo de aire para su posterior separación y recolección, mientras que las partículas finas del material pasan al sistema de recolección de polvo.
Del proceso del molino de chorro, los parámetros clave del equipo incluyen Diámetro de la boquilla, velocidad de alimentación, presión de molienda, velocidad lineal de la rueda clasificadora y volumen de succión de aire.. Estos influyen conjuntamente en las especificaciones, la calidad y el resultado del producto.
(1) Boquilla
La boquilla utilizada en los molinos de chorro fue inventada por el ingeniero sueco Gustaf de Laval y por eso se llama “Boquilla Laval”. Su sección frontal converge de una garganta grande a una estrecha, y luego diverge de pequeña a grande. Esta estructura provoca que la velocidad del flujo de aire (v) varíe con el área de la sección transversal de la tobera, acelerando el flujo de aire de subsónico a sónico y, finalmente, a velocidades supersónicas.
Figura 2: Diagrama esquemático de una boquilla Laval
Tras pasar por la boquilla, el aire comprimido se vuelve supersónico y entra en la cámara de molienda. Debido al impacto del flujo de aire y el material, la boquilla requiere una alta resistencia mecánica y al desgaste. Como se muestra en la Figura 3a, una boquilla de acero inoxidable presenta un desgaste severo después de un mes de uso. Este desgaste altera el campo de flujo de aire, lo que afecta el tamaño de las partículas y la superficie específica del producto molido, además de introducir contaminación metálica, lo que perjudica la calidad del producto. Para evitar estos problemas, ahora se utilizan comúnmente boquillas de cerámica, como se muestra en la Figura 3b.
Figura 3. a Boquilla de acero inoxidable b Boquilla de cerámica
(2) Rueda clasificadora
La rueda clasificadora consta de una brida delantera, una brida trasera, múltiples palas y un disco de sellado de aire. Los espacios entre las palas adyacentes sirven como canales de alimentación, y las caras internas de las palas forman una cavidad. Una mayor velocidad lineal de la rueda clasificadora da como resultado partículas de producto de menor tamaño. La velocidad lineal está correlacionada positivamente con el diámetro de la rueda clasificadora y su velocidad de rotación. La carga de material en la cámara de molienda se puede monitorear mediante la corriente del motor de la rueda clasificadora; una corriente más alta indica más material en la cámara.
El material choca e impacta la rueda clasificadora. Las ruedas clasificadoras de acero inoxidable presentan desgaste tras un uso prolongado, como se observa en las Figuras 4a/b. Para evitarlo, se utilizan ampliamente ruedas clasificadoras de cerámica, como se muestra en la Figura 4c.
a. Material de acero inoxidable (desgastado), b. Material de acero inoxidable (normal), c. Material cerámico
Figura 4. Rueda clasificadora
(3) Especificaciones del producto
La relación entre los parámetros del molino de chorro y el tamaño/rendimiento de las partículas del producto es la siguiente:
- “—” indica que no hay correlación directa entre el diámetro de la boquilla y el tamaño de las partículas.
- “↗” Indica que la especificación del producto aumenta a medida que aumenta el parámetro.
- “↘” Indica que la especificación del producto disminuye a medida que aumenta el parámetro.
Nota: El peso de influencia de cada parámetro varía.
| Indicador/Parámetro | Diámetro de la boquilla | Velocidad de alimentación | Velocidad lineal del disco de rectificado | Velocidad lineal de la rueda clasificadora | Nivel de succión |
| Tamaño de partícula | — | ↘ | ↘ | ↘ | ↗ |
| Capacidad de producción | ↗ | ↗ | ↗ | ↘ | ↗ |
Proceso de ajuste de parámetros:
- Seleccione previamente el tamaño de la boquilla según el modelo del equipo y la capacidad estimada.
- Determine el rango de velocidad lineal apropiado (RPM de la rueda clasificadora) en función del tamaño de partícula objetivo del material.
- Establezca un rango de presión de molienda adecuado según las características del material (p. ej., monocristalino, policristalino, aglomerado duro, aglomerado blando). Una presión excesiva genera un exceso de finos difíciles de eliminar.
- Optimice la velocidad de alimentación y el volumen de succión de aire según los requisitos de capacidad.
- Reevaluar si es necesario optimizar el diámetro de la boquilla en función de la capacidad final y el consumo de energía.
2. Molino mecánico
El molino mecánico que se describe aquí es un molino de impacto mecánico. El flujo del sistema se muestra en la Figura 5.
1- Gabinete de control eléctrico, 2- Sistema de alimentación, 3- Mecanismo de molienda,
4- Mecanismo de clasificación, 5- Sistema de separación ciclónica, 6- Sistema de filtrado
Figura 5. Diagrama de flujo del equipo del sistema de molienda mecánica
El material se introduce uniformemente en la cámara de molienda mediante un sistema de alimentación, donde se somete al fuerte impacto de un disco de molienda giratorio de alta velocidad. Simultáneamente, la fuerza centrífuga hace que el material colisione con el anillo de molienda, sometiéndolo a fuerzas combinadas de cizallamiento, fricción e impacto para la reducción de tamaño. El material molido es transportado por el flujo de aire a la zona de clasificación para la separación de partículas gruesas y finas. Las partículas gruesas regresan a la cámara de molienda para su posterior molienda. Las partículas finas calificadas entran en el separador ciclónico con el flujo de aire para su posterior separación y recolección, mientras que las finas pasan al sistema de recolección de polvo.
Los parámetros clave del equipo para el molino mecánico incluyen velocidad de alimentación, velocidad lineal del disco de molienda, velocidad lineal de la rueda clasificadora y volumen de succión de aire, que afectan conjuntamente las especificaciones, la calidad y el rendimiento del producto.
(1) Disco de amolar
El disco de rectificado está equipado con pasadores. El material de la cámara se ve afectado por estos pasadores giratorios de alta velocidad. La Figura 6a muestra un disco de rectificado metálico, propenso al desgaste durante el funcionamiento prolongado, lo que genera contaminación metálica. Actualmente, se utilizan comúnmente discos de rectificado cerámicos. Si bien son más duros y resistentes al desgaste, su fragilidad suele requerir una velocidad lineal operativa menor que la de los discos metálicos, lo que reduce en parte la fuerza de impacto. Una mayor velocidad lineal del disco de molienda da como resultado partículas de producto de menor tamaño. La velocidad lineal está correlacionada positivamente tanto con el diámetro del disco como con su velocidad de rotación.
Figura 6. a. Disco abrasivo metálico b. Disco abrasivo cerámico
(2) Especificaciones del producto
La relación entre los parámetros del molino mecánico y el tamaño/rendimiento de las partículas del producto es la siguiente:
- “—” indica que no hay correlación directa entre la velocidad de alimentación y el tamaño de partícula.
- “↗” Indica que la especificación del producto aumenta a medida que aumenta el parámetro.
- “↘” Indica que la especificación del producto disminuye a medida que aumenta el parámetro.
Nota: El peso de influencia de cada parámetro varía.
| Indicador/Parámetro | Velocidad de alimentación | Velocidad lineal del disco de rectificado | Velocidad lineal de la rueda clasificadora | Nivel de succión |
| Tamaño de partícula | — | ↘ | ↘ | ↗ |
| Capacidad de producción | ↗ | ↗ | ↘ | ↗ |
El proceso de ajuste de la rueda clasificadora y otros parámetros en un molino mecánico es similar al de un molino de chorro.
(3) Comparación de rendimiento
Los diferentes principios de molienda de los molinos de chorro y los molinos mecánicos determinan su respectiva aplicabilidad, rendimiento y consumo energético. Fundamentalmente:
- Molinos de chorro Utilice un flujo de aire supersónico para provocar colisiones entre partículas para reducir el tamaño.
- Molinos mecánicos Utilice un disco giratorio para lanzar material contra pasadores fijos y la pared de la cámara para reducir el tamaño, como se ilustra en la Figura 7.
Figura 7: Diagrama esquemático de la reducción del tamaño de partículas en cámaras de molino de chorro/molino mecánico
| Molino de chorro | Molino mecánico | |
| Principio | La velocidad supersónica provoca colisiones entre materiales. | Corte y colisión entre material y equipo |
| Intensidad de molienda | Grande: velocidad supersónica | Pequeño: La velocidad lineal del disco de rectificado es limitada |
| Consumo de energía | Alto: Se requiere aire comprimido | Bajo: utiliza agua circulante para enfriar |
| Costo | Alto | Bajo |
| Huella del equipo | Grande | Pequeño |
La tabla anterior resume una comparación completa del rendimiento. Los molinos mecánicos son más adecuados para moler partículas de aglomeración blanda (p. ej., materiales policristalinos). Para algunas partículas pequeñas monocristalinas de aglomeración dura, incluso a la velocidad máxima del disco, puede no lograrse una molienda eficaz. Los molinos de chorro pueden moler tanto partículas de aglomeración blanda como dura (p. ej., materiales monocristalinos), pero presentan desventajas en cuanto al consumo de energía y el coste. Para algunos materiales policristalinos con estructuras sueltas, la molienda por chorro puede causar una descomposición excesiva de las partículas.
Figura 8 Molienda en molino de chorro y molienda en molino mecánico
La Figura 8 muestra imágenes SEM de material ternario de NCM monocristalino molido mediante un molino de chorro y un molino mecánico, respectivamente. El molino de chorro demuestra una fuerza de molienda significativamente superior, desintegrando eficazmente los aglomerados duros entre las partículas.
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— Jason Wang, Ingeniero Senior
