No processo de moagem fina de materiais catódicos para baterias de lítio, moinhos de jato e moinhos mecânicos são equipamentos comumente utilizados. Eles diferem significativamente em seus princípios de moagem e eficácia. Selecionar o equipamento de moagem apropriado e otimizar os parâmetros do processo com base nas características do material é crucial para atender às especificações do produto, aos requisitos de qualidade e às metas de consumo de energia.
Este artigo, intitulado “Foco no equipamento: comparação de desempenho de Moinho de jato vs. Moinho mecânico para moagem fina”, abrange as seguintes seções:
1. Moinho a jato
O moinho de jatos discutido aqui é um moinho de jatos de leito fluidizado. O fluxograma do sistema é mostrado na Figura 1.
1 – Compressor de ar, 2 – Reservatório de ar, 3 – Sistema de resfriamento e purificação, 4 – Sistema de alimentação, 5 – Mecanismo de moagem, 6 – Horizontal Classificação Mecanismo, 7 – Sistema de Classificação de Ciclones, 8 – Sistema de Filtragem, 9 – Ventilador de Sucção
Figura 1: Diagrama de fluxo do equipamento do sistema de moinho de jato
O ar comprimido, após ser refrigerado, filtrado e seco, é injetado na câmara de moagem através de vários bicos dispostos em duas ou três dimensões, formando um fluxo de ar supersônico. A energia cinética desse jato fluidifica o material. As partículas aceleradas convergem no ponto de interseção dos jatos dos bicos, sofrendo intensas forças de colisão, fricção e cisalhamento para alcançar uma moagem ultrafina. O material moído é então transportado pelo fluxo de ar ascendente para a zona de classificação. Sob a força centrífuga do classificador A força de sucção do ventilador e a roda de moagem separam as partículas grossas das finas. As partículas grossas retornam à câmara de moagem por gravidade para serem moídas novamente. As partículas finas que atendem aos requisitos de tamanho entram no separador ciclônico com o fluxo de ar para separação e coleta adicionais, enquanto as partículas finas seguem para o sistema de coleta de poeira.
No processo de moinho de jato, os principais parâmetros do equipamento incluem: diâmetro do bocal, taxa de alimentação, pressão de moagem, velocidade linear da roda classificadora e volume de sucção de ar. Esses fatores influenciam conjuntamente as especificações, a qualidade e a produção do produto.
(1) Bocal
O bocal usado em moinhos a jato foi inventado pelo engenheiro sueco Gustaf de Laval e, portanto, é chamado de “Bocal de laval”. Sua seção frontal converge de uma garganta larga para uma estreita e, em seguida, diverge de uma garganta pequena para uma larga. Essa estrutura faz com que a velocidade do fluxo de ar (v) varie com a área da seção transversal do bocal, acelerando o fluxo de ar de velocidades subsônicas para sônicas e, finalmente, para supersônicas.
Figura 2: Diagrama esquemático de um bocal Laval
Após passar pelo bocal, o ar comprimido torna-se supersônico e entra na câmara de moagem. Devido ao impacto do fluxo de ar e do material, o bocal requer alta resistência mecânica e ao desgaste. Como mostrado na Figura 3a, um bocal de aço inoxidável apresenta desgaste severo após um mês de uso. Esse desgaste interrompe o campo de fluxo de ar, afetando o tamanho das partículas e a área superficial específica do produto moído, além de introduzir contaminação por metais, impactando a qualidade do produto. Para evitar esses problemas, bocais de cerâmica são comumente utilizados atualmente, como mostrado na Figura 3b.
Figura 3. a) Bocal de aço inoxidável b) Bocal de cerâmica
(2) Roda Classificadora
A roda classificadora consiste em um flange frontal, um flange traseiro, múltiplas lâminas e um disco de vedação de ar. Os espaços entre as lâminas adjacentes servem como canais de alimentação, e as faces internas das lâminas formam uma cavidade. Uma maior velocidade linear da roda classificadora resulta em partículas de produto de menor tamanho. A velocidade linear apresenta correlação positiva tanto com o diâmetro da roda classificadora quanto com sua velocidade de rotação. A carga de material na câmara de moagem pode ser monitorada pela corrente do motor da roda classificadora; uma corrente mais alta indica maior quantidade de material na câmara.
O material colide e impacta a roda classificadora. Rodas classificadoras de aço inoxidável apresentam desgaste após uso prolongado, como mostrado nas Figuras 4a/b. Para evitar isso, rodas classificadoras de cerâmica são agora amplamente adotadas, como mostrado na Figura 4c.
a. Material de aço inoxidável (desgastado), b. Material de aço inoxidável (normal), c. Material cerâmico
Figura 4. Roda Classificadora
(3) Especificações do produto
A relação entre os parâmetros do moinho de jato e o tamanho/produção das partículas do produto é a seguinte:
- “—” Indica que não há correlação direta entre o diâmetro do bocal e o tamanho das partículas.
- “↗” Indica que a especificação do produto aumenta à medida que o parâmetro aumenta.
- “↘” Indica que a especificação do produto diminui à medida que o parâmetro aumenta.
Nota: O peso de influência de cada parâmetro varia.
| Indicador/Parâmetro | Diâmetro do bocal | Taxa de alimentação | Velocidade linear do disco de retificação | Velocidade linear da roda classificadora | Nível de sucção |
| Tamanho de partícula | — | ↘ | ↘ | ↘ | ↗ |
| Capacidade de produção | ↗ | ↗ | ↗ | ↘ | ↗ |
Processo de ajuste de parâmetros:
- Pré-selecione o tamanho do bocal com base no modelo do equipamento e na capacidade estimada.
- Determine a faixa de velocidade linear apropriada (RPM da roda classificadora) com base no tamanho de partícula alvo do material.
- Estabeleça uma faixa de pressão de moagem adequada com base nas características do material (por exemplo, monocristalino, policristalino, aglomerado duro, aglomerado macio). Pressão excessiva gera partículas finas em excesso, que são difíceis de remover.
- Otimize a taxa de alimentação e o volume de sucção de ar com base nos requisitos de capacidade.
- Reavaliar a necessidade de otimizar o diâmetro do bocal com base na capacidade final e no consumo de energia.
2. Moinho Mecânico
O moinho mecânico aqui discutido é um moinho de impacto mecânico. O fluxograma do sistema de equipamentos é mostrado na Figura 5.
1- Painel de controle elétrico, 2- Sistema de alimentação, 3- Mecanismo de moagem,
4- Mecanismo de Classificação, 5- Sistema de Separação Ciclônica, 6- Sistema de Filtragem
Figura 5. Diagrama de fluxo de equipamentos do sistema de moinho mecânico
O material é alimentado uniformemente na câmara de moagem por um sistema de alimentação, onde é submetido a um forte impacto de um disco de moagem rotativo de alta velocidade. Simultaneamente, a força centrífuga faz com que o material colida com o anel de moagem, sofrendo forças combinadas de cisalhamento, fricção e impacto para redução de tamanho. O material moído é transportado por um fluxo de ar para a zona de classificação para separação de partículas grossas e finas. As partículas grossas retornam à câmara de moagem para moagem adicional. As partículas finas qualificadas entram no separador ciclônico com o fluxo de ar para separação e coleta adicionais, enquanto as partículas finas seguem para o sistema de coleta de poeira.
Os principais parâmetros de equipamento para o moinho mecânico incluem taxa de alimentação, velocidade linear do disco de moagem, velocidade linear da roda classificadora e volume de sucção de ar, que afetam conjuntamente as especificações, a qualidade e a produção do produto.
(1) Disco de retificação
O disco de moagem é equipado com pinos de moagem. O material na câmara é impactado por esses pinos giratórios de alta velocidade. A Figura 6a mostra um disco de moagem metálico, que é propenso ao desgaste durante a operação a longo prazo, introduzindo contaminação metálica. Discos de moagem de cerâmica são comumente usados atualmente. Embora sejam mais duros e resistentes ao desgaste, sua natureza frágil geralmente requer uma velocidade linear operacional menor em comparação com os discos metálicos, reduzindo parte da força de impacto. Uma maior velocidade linear do disco de moagem resulta em partículas de produto de menor tamanho. A velocidade linear está positivamente correlacionada tanto com o diâmetro do disco quanto com sua velocidade de rotação.
Figura 6. a. Disco de retificação de metal b. Disco de retificação de cerâmica
(2) Especificações do produto
A relação entre os parâmetros do moinho mecânico e o tamanho/produção das partículas do produto é a seguinte:
- “—” Indica que não há correlação direta entre a taxa de alimentação e o tamanho das partículas.
- “↗” Indica que a especificação do produto aumenta à medida que o parâmetro aumenta.
- “↘” Indica que a especificação do produto diminui à medida que o parâmetro aumenta.
Nota: O peso de influência de cada parâmetro varia.
| Indicador/Parâmetro | Taxa de alimentação | velocidade linear do disco de retificação | Velocidade linear da roda classificadora | Nível de sucção |
| Tamanho de partícula | — | ↘ | ↘ | ↗ |
| Capacidade de produção | ↗ | ↗ | ↘ | ↗ |
O processo de ajuste da roda classificadora e de outros parâmetros em um moinho mecânico é semelhante ao de um moinho a jato.
(3) Comparação de desempenho
Os diferentes princípios de moagem dos moinhos a jato e dos moinhos mecânicos determinam suas respectivas aplicabilidades, rendimentos e consumo de energia. Fundamentalmente:
- Moinhos de jato Utiliza fluxo de ar supersônico para causar colisões entre partículas e, assim, reduzir seu tamanho.
- Moinhos mecânicos Utiliza-se um disco rotativo para lançar o material contra pinos fixos e a parede da câmara para redução de tamanho, conforme ilustrado na Figura 7.
Figura 7: Diagrama esquemático da redução do tamanho de partículas em câmaras de moinho de jato/moinho mecânico
| Moinho de jato | Moinho mecânico | |
| Princípio | A velocidade supersônica causa colisões entre materiais. | Cisalhamento e colisão entre material e equipamento |
| Intensidade de moagem | Grande: Velocidade supersônica | Pequeno: A velocidade linear do disco de retificação é limitada. |
| Consumo de energia | Alto: Requer ar comprimido. | Baixo: Utiliza água circulante para resfriamento |
| Custo | Alto | Baixo |
| Pegada de equipamento | Grande | Pequeno |
Uma comparação abrangente de desempenho está resumida na tabela acima. Moinhos mecânicos são mais adequados para moer partículas com aglomerados macios (por exemplo, materiais policristalinos). Para algumas partículas pequenas de monocristais com aglomerados duros, mesmo na velocidade máxima do disco, a moagem eficaz pode não ser alcançada. Moinhos a jato podem moer tanto partículas com aglomerados macios quanto com aglomerados duros (por exemplo, materiais monocristalinos), mas apresentam desvantagens em termos de consumo de energia e custo. Para alguns materiais policristalinos com estruturas pouco compactas, a moagem a jato pode causar quebra excessiva das partículas.
Figura 8: Moagem em moinho de jato e moagem em moinho mecânico
A Figura 8 mostra imagens de MEV (Microscopia Eletrônica de Varredura) do material ternário NCM monocristalino moído por um moinho de jato e por um moinho mecânico, respectivamente. O moinho de jato demonstra uma força de moagem significativamente superior, quebrando eficazmente os aglomerados duros entre as partículas.
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— Jason WangEngenheiro Sênior
