Hogyan lehet szimulálni és optimalizálni a csiszolási folyamatokat?

A kerámiaégetésben és a szintermetallurgiában a termék minősége a hőmérsékleti profiltól, különösen a fűtési sebességtől függ. A fűtési folyamat kezdeti szakaszában a polimer kötőanyagot hőbomlással óvatosan eltávolítják. A gáz fejlődése azonban nem lehet túl intenzív, hogy megakadályozza a mikrorepedések kialakulását, és biztosítsa, hogy az eredeti anyag szerkezete ne pusztuljon el. Ezért a legjobb termékminőség elérése érdekében ezt a fűtési szakaszt a polimer Bomlási reakcióA bomlási reakció egy kémiai vegyület szilárd és/vagy gáznemű termékeket képező, hő hatására lejátszódó reakciója. bomlásának elérése érdekében nem szabad túl gyorsan elvégezni. Másrészt a túlságosan lassú hevítés megnöveli a folyamat idejét, ami túlságosan költséges és környezetkárosító lehet, valamint növelheti a gyártási költségeket. A fő cél egy kiegyensúlyozott fűtéssel rendelkező optimális hőmérsékleti profil kialakítása, amely a legjobb minőségű anyagot biztosítja a legrövidebb idő alatt. Ennek eléréséhez tudni kell, hogy mi történik az anyaggal a kemencében az égetés során. A kemence adott hőmérsékleti profilja esetén ajánlott szimulációs módszert alkalmazni a kötésmentesítési arányra. Elemzési adatok A polimer kötőanyagok a hőBomlási reakcióA bomlási reakció egy kémiai vegyület szilárd és/vagy gáznemű termékeket képező, hő hatására lejátszódó reakciója. bomlás során tömeget veszítenek, ami termogravimetriával könnyen mérhető. A kémiai reakciók azonban kinetikus folyamatok, amelyek nemcsak a hőmérséklettől, hanem az időtől is függnek. Tehát állandó hőmérsékleten a reakció lefut, és a tömeg változik, ugyanakkor ugyanaz a tömeg különböző hőmérsékleten is előfordulhat. A hőmérsékleti profiltól csak a reakció kémiai tulajdonságai függetlenek, mint például a sztöchiometriai együtthatók, a reakciórendek és az aktiválási energiák. Kötőanyaggal a polimerelegy komponensei gyakran egymástól függetlenül bomlanak le. Ebben az esetben a kezdeti és a végső anyagösszetétel általában szintén független a hőmérsékleti profiltól. Ahhoz, hogy megtaláljuk a kémiai reakciók azon paramétereit, amelyek függetlenek a hőmérsékleti profiltól, több termogravimetriás laboratóriumi mérést kell végezni különböző hőmérsékleti körülmények között, azaz különböző fűtési sebességek mellett. A termogravimetriás bomlási görbék tipikus alakja mutatja a mért tömeg hőmérsékletfüggését különböző fűtési sebességek esetén. Az itt bemutatott méréseket a NETZSCH TG 209 F1 műszerrel végeztük. Kinetikai elemzés A polimer kötőanyagban a polimerek általában egymástól függetlenül bomlanak, és a mért tömegveszteség a keverék Bomlási reakcióA bomlási reakció egy kémiai vegyület szilárd és/vagy gáznemű termékeket képező, hő hatására lejátszódó reakciója. bomlását mutatja. A keverék minden egyes komponense több külön bomlási lépésben bomolhat le, így a folyamat egyes lépései vonatkozhatnak különböző polimerekre vagy ugyanarra a polimerre. A kinetikai elemzés lehetővé teszi a megfigyelt folyamat kinetikai paramétereinek meghatározását, amelyek függetlenek a hőmérsékleti profiltól. Ezek a paraméterek az egyes látható bomlási lépések aktiválási energiája és reakciórendje, valamint az egyes reakciólépések hozzájárulása a teljes bomlási folyamathoz. A mért adatok kinetikai elemzésére két különböző megközelítés létezik - az első a folyamat valós kémiájának megfelelően modellalapú, és a teljes folyamatot a különböző polimerek független bomlási folyamatainak összegeként tekinti. Az egyes polimerek Bomlási reakcióA bomlási reakció egy kémiai vegyület szilárd és/vagy gáznemű termékeket képező, hő hatására lejátszódó reakciója. bomlását egymást követő önálló reakciólépések sorozatának tekintik. Itt minden egyes reakciólépésnek saját sztöchiometriája és aktiválási energiája van, amelyek mindkettő állandó értéket tart a reakciólépés kezdetétől a végéig. Ez a megközelítés explicit módon és a valósághoz nagyon közel álló módon írja le a lebomlási folyamatot, de időt igényel az elemzéshez és a kinetikai modell párhuzamos és egymást követő reakciólépésekből történő felépítéséhez. A második, közelítőbb megközelítést modellmentesnek nevezzük, ahol az egész folyamatot egylépéses reakciónak tekintjük, amelyben az aktiválási energia és a preexponenciális faktorok a reakció előrehaladtával változnak. Ez a típus nagyon gyors az egymást követő lépésekkel rendelkező folyamatok esetében, de vannak bizonyos korlátozások is, például nem tudja leírni egy keverék Bomlási reakcióA bomlási reakció egy kémiai vegyület szilárd és/vagy gáznemű termékeket képező, hő hatására lejátszódó reakciója. bomlását párhuzamos reakciókkal vagy jelentős átfedéssel rendelkező reakciókkal. NETZSCH A Kinetics Neo szoftver mindkét elemzési módszert kiszolgálja, ami előnyt jelent az egymódszeres szoftverekkel szemben. NETZSCH A Kinetics Neo programot használtuk a termogravimetriás adatok modellalapú módszerrel történő elemzéséhez, amelynek eredménye egy olyan kinetikai modellt mutat, amely három egymást követő reakciólépést ábrázol a kinetikai paramétereikkel. Ez független a hőmérsékleti programtól, és felhasználható a bomlási folyamatok szimulációjára más, felhasználó által meghatározott hőmérsékleti programok esetében. Ha a szimulációt pontosan a kísérlet során használt hőmérsékletekre végezzük, akkor a szimulált görbéknek illeszkedniük kell a kísérlethez, ha a modell helyes. Ez az illeszkedés látható a képen, ahol a különböző fűtési sebességekre vonatkozó kísérleti adatok szimbólumokkal vannak jelölve, és az azonos kinetikai modell alapján, azonos kinetikai paraméterkészlettel - de különböző fűtési sebességekre - szimulált összes adatot a tömör görbék mutatják. Ez azt jelenti, hogy a kinetikai modell helyesen lett felépítve, és a kinetikai paraméterek helyesnek bizonyultak, így ez a modell használható a jövőben a kötőanyag kemencén belüli Bomlási reakcióA bomlási reakció egy kémiai vegyület szilárd és/vagy gáznemű termékeket képező, hő hatására lejátszódó reakciója. bomlásának modellezéséhez, ahol nem lehet mérni a tömegveszteséget. Előrejelzés és optimalizálás A kapott kinetikai modell, amely három egymást követő egyedi reakciólépésből áll, lehetővé teszi a tömegveszteség előrejelzését a felhasználó által megadott hőmérsékleti programra. Ezért annak ismerete, hogy milyen meleg van a kemencében, lehetővé teszi a KötésmentesítésA köszörülés a kerámia- és por-fémipar egyik fő gyártási lépése. A gyártást megelőző lépésekben, például az öntésnél használt adalékanyagok termikus vagy katalitikus eltávolítására utal.kötésmentesítés előrehaladásának szimulálását. Ez a modell lehetővé teszi például az anyag tömegveszteségének szimulálását az alagútkemencében. Hőmérsékletváltozás esetén a szoftver minden zónában új tömegveszteséggörbét számol az új hőmérsékleti programhoz. A bomlási sebesség nemcsak a hőmérséklettől, hanem az aktuális konverziós értéktől is függ. Állandó fűtési sebesség mellett a tömegveszteséggörbén vannak olyan tartományok, ahol ez a folyamat gyors, és olyan tartományok, ahol a folyamat lassú. Azok a paraméterek, amelyekben a reakciósebesség magas, azok a kockázati zónák, ahol az anyagszerkezet károsodhat. Az alacsony reakciósebességű tartományok indokolatlan időveszteséget és energiaveszteséget eredményeznek, és ezért a végtermék költségei túl magasak. Az optimalizálási folyamathoz meg kell találni azokat a hőmérsékleti profilokat, ahol a tömegveszteség mértéke állandó, hogy a lehető legrövidebb idő alatt optimális termékminőséget lehessen elérni. A szimulációs lehetőség nélkül az ilyen hőmérsékleti profilokat a vegyészmérnöknek kellene létrehoznia a próba és hiba módszerével - ez jelentős időt igényelne és jelentős költségeket generálna. A Kinetics Neo szoftver segítségével kiszámították az új hőmérsékleti profilt az adott 0,05%/perc tömegveszteséghez. A fűtési sebességek bizonyos korlátozásokkal jellemezhető ipari folyamatoknál ez a szoftver segíthet megtalálni az optimális hőmérsékleti profilt, hogy a szimulált tömegveszteséget az állandó értékhez nagyon közelítő szimulált tömegveszteséget kapjunk. Például a német Haldenwanger vállalatnak szüksége volt a szoftverre a kerámiaégetés hőmérsékletprofiljának optimalizálásához, tekintettel az új habkerámiáira, amelyek minősége nagyon érzékeny a kötésmentesítési sebességre. Ez a folyamat két részből állt, a csiszolásból és a szinterezésből. A hőmérsékletprofil optimalizálását mindkét részre elvégezték, és a gyártási időt több mint 50%-kal csökkentették. Kinetikai analízis szoftver alkalmazások A polimer kötőanyagban a polimerek általában egymástól függetlenül bomlanak, és a mért tömegveszteség a keverék Bomlási reakcióA bomlási reakció egy kémiai vegyület szilárd és/vagy gáznemű termékeket képező, hő hatására lejátszódó reakciója. bomlását mutatja be. A keverék minden egyes összetevője több önálló bomlási lépésben bomolhat le, így a folyamat egyes lépései különböző polimerekhez vagy ugyanahhoz a polimerhez tartozhatnak. A kinetikai elemzés lehetővé teszi a megfigyelt folyamat kinetikai paramétereinek meghatározását, amelyek függetlenek a hőmérsékleti profiltól. Ezek a paraméterek az egyes látható bomlási lépések aktiválási energiája és reakciórendje, valamint az egyes reakciólépések hozzájárulása a teljes bomlási folyamathoz. A mért adatok kinetikai elemzésére kétféle megközelítés létezik - az első a folyamat valós kémiájának megfelelően modellalapú, és a teljes folyamatot a különböző polimerek független bomlási folyamatainak összegeként tekinti. Az egyes polimerek Bomlási reakcióA bomlási reakció egy kémiai vegyület szilárd és/vagy gáznemű termékeket képező, hő hatására lejátszódó reakciója. bomlását egymást követő egyedi reakciólépések sorozatának tekintik. Itt minden egyes reakciólépésnek saját sztöchiometriája és aktiválási energiája van, amelyek mindkettő állandó értéket tart a reakciólépés kezdetétől annak végéig. Ez a megközelítés explicit módon és a valósághoz nagyon közel álló módon írja le a lebomlási folyamatot, de időt igényel az elemzéshez és a kinetikai modell párhuzamos és egymást követő reakciólépésekből történő felépítéséhez. A második, közelítőbb megközelítést modellmentesnek nevezzük, ahol az egész folyamatot egylépéses reakciónak tekintjük, amelyben az aktiválási energia és a preexponenciális faktorok a reakció előrehaladtával változnak. Ez a típus nagyon gyors az egymást követő lépésekkel rendelkező folyamatok esetében, de vannak bizonyos korlátozások is, például nem tudja leírni egy keverék Bomlási reakcióA bomlási reakció egy kémiai vegyület szilárd és/vagy gáznemű termékeket képező, hő hatására lejátszódó reakciója. bomlását párhuzamos reakciókkal vagy jelentős átfedéssel rendelkező reakciókkal. NETZSCH A Kinetics Neo szoftver mindkét elemzési módszert kiszolgálja, ami előnyt jelent az egymódszeres szoftverekkel szemben. NETZSCH A Kinetics Neo programot használtuk a termogravimetriás adatok modellalapú módszerrel történő elemzéséhez, amelynek eredménye egy olyan kinetikai modellt mutat, amely három egymást követő reakciólépést ábrázol a kinetikai paramétereikkel. Ez független a hőmérsékleti programtól, és felhasználható a bomlási folyamatok szimulációjára más, felhasználó által meghatározott hőmérsékleti programok esetében. Ha a szimulációt pontosan a kísérlet során használt hőmérsékletekre végezzük, akkor a szimulált görbéknek illeszkedniük kell a kísérlethez, ha a modell helyes. Ez az illeszkedés látható a képen, ahol a különböző fűtési sebességekre vonatkozó kísérleti adatok szimbólumokkal vannak jelölve, és az azonos kinetikai modell alapján, azonos kinetikai paraméterkészlettel - de különböző fűtési sebességekre - szimulált összes adatot a tömör görbék mutatják. Ez azt jelenti, hogy a kinetikai modell helyesen lett felépítve, és a kinetikai paraméterek helyesnek bizonyultak, így ez a modell használható a jövőben a kötőanyag kemencén belüli Bomlási reakcióA bomlási reakció egy kémiai vegyület szilárd és/vagy gáznemű termékeket képező, hő hatására lejátszódó reakciója. bomlásának modellezéséhez, ahol nem lehet mérni a tömegveszteséget.

Előrejelzés és optimalizálás A kapott kinetikai modell, amely három egymást követő egyedi reakciólépésből áll, lehetővé teszi a tömegveszteség előrejelzését a felhasználó által megadott hőmérsékleti programra. Ezért annak ismerete, hogy milyen meleg van a kemencében, lehetővé teszi a KötésmentesítésA köszörülés a kerámia- és por-fémipar egyik fő gyártási lépése. A gyártást megelőző lépésekben, például az öntésnél használt adalékanyagok termikus vagy katalitikus eltávolítására utal.kötésmentesítés előrehaladásának szimulálását. Ez a modell lehetővé teszi például az anyag tömegveszteségének szimulálását az alagútkemencében. Hőmérsékletváltozás esetén a szoftver minden zónában új tömegveszteséggörbét számol az új hőmérsékleti programhoz.

A bomlási sebesség nemcsak a hőmérséklettől, hanem a konverzió aktuális értékétől is függ. Állandó fűtési sebesség mellett a tömegvesztési görbén vannak olyan tartományok, ahol ez a folyamat gyors, és olyan tartományok, ahol a folyamat lassú. Azok a paraméterek, amelyekben a reakciósebesség magas, azok a kockázati zónák, ahol az anyagszerkezet károsodhat. Az alacsony reakciósebességű tartományok indokolatlan időveszteséget és energiaveszteséget eredményeznek, és ezért a végtermék költségei túl magasak. Az optimalizálási folyamathoz meg kell találni azokat a hőmérsékleti profilokat, ahol a tömegveszteség mértéke állandó lesz, hogy a lehető legrövidebb idő alatt optimális termékminőséget találjunk. A szimulációs lehetőség nélkül az ilyen hőmérsékleti profilokat a vegyészmérnöknek kellene létrehoznia a próba és hiba módszerével - ez jelentős időt igényelne és jelentős költségeket generálna. A Kinetics Neo szoftver segítségével kiszámították az új hőmérsékleti profilt az adott 0,05%/perc tömegveszteséghez.

A fűtési sebességek bizonyos korlátozása által jellemzett ipari folyamatokban ez a szoftver segíthet megtalálni az optimális hőmérsékleti profilt, hogy a szimulált tömegveszteség mértéke nagyon közel legyen az állandó értékhez. Például a német Haldenwanger vállalatnak szüksége volt a szoftverre a kerámiaégetés hőmérsékletprofiljának optimalizálásához, tekintettel az új habkerámiáira, amelyek minősége nagyon érzékeny a kötésmentesítési sebességre. Ez a folyamat két részből állt, a csiszolásból és a szinterezésből. A hőmérsékletprofil optimalizálását mindkét részre elvégezték, és a gyártási időt több mint 50%-kal csökkentették. Kinetikai analízis szoftveralkalmazások A kinetikai analízis és szimuláció alkalmazási területe nem korlátozódik a kerámiák gyártása során vagy a szintermetallurgiában történő csiszolási folyamatra. Ilyen szimulációra van szükség például a csomagolóanyagok élettartamának meghatározásához vagy a magas hőmérsékleten végzett folyamaton belüli műveletekhez.