디바인딩 프로세스 시뮬레이션 및 최적화 방법

세라믹 소성 및 소결 야금에서 제품의 품질은 온도 프로파일, 특히 가열 속도에 따라 달라집니다. 가열 공정의 초기 단계에서 폴리머 바인더는 열 분해를 통해 조심스럽게 제거됩니다. 그러나 미세 균열의 형성을 방지하고 원래 재료의 구조가 파괴되지 않도록 가스의 진화가 너무 집중적이어서는 안됩니다. 따라서 최상의 제품 품질을 얻으려면 폴리머 분해를 달성하기 위한 이 가열 단계를 너무 빨리 수행해서는 안 됩니다. 반면에 지나치게 느리게 가열하면 공정 시간이 길어져 생산 비용이 증가할 뿐만 아니라 지나치게 비싸고 환경 친화적이지 않을 수 있습니다. 주요 목표는 균형 잡힌 가열로 최적의 온도 프로파일을 만들어 최단 시간 내에 최고 품질의 소재를 생산하는 것입니다. 이를 달성하기 위해서는 소성 중 용광로에서 재료에 어떤 일이 일어나는지 알아야 합니다. 퍼니스의 주어진 온도 프로파일에 대한 디바인딩 속도에 대한 시뮬레이션 방법을 사용하는 것이 좋습니다. 분석 데이터 폴리머 바인더는 열 분해 중에 질량을 잃게 되며, 이는 열 중량 측정으로 쉽게 측정할 수 있습니다. 그러나 화학 반응은 온도뿐만 아니라 시간에도 영향을 받는 운동 과정입니다. 따라서 일정한 온도에서는 반응이 일어나고 질량이 변하지만, 다른 온도에서는 동일한 질량이 발생할 수 있습니다. 온도 프로파일과 무관한 유일한 항목은 화학량론 계수, 반응 순서 및 활성화 에너지와 같은 반응의 화학적 특성입니다. 바인더를 사용하면 폴리머 혼합물의 성분이 서로 독립적으로 분해되는 경우가 많습니다. 이 경우 초기 및 최종 재료 구성은 일반적으로 온도 프로파일과도 독립적입니다. 온도 프로파일과 독립적인 화학 반응의 파라미터를 찾으려면 다양한 온도 조건, 즉 다양한 가열 속도에서 여러 열 중량 측정 실험실 측정을 수행해야 합니다. 분해에 대한 열무게 곡선의 일반적인 모양은 다양한 가열 속도에 대한 측정된 질량에 대한 온도 의존성을 보여줍니다. 여기에 제시된 측정은 NETZSCH TG 209 F1 기기에서 수행되었습니다. 동역학 분석 폴리머 바인더에서 폴리머는 일반적으로 서로 독립적으로 분해되며, 측정된 질량 손실은 혼합물의 분해를 나타냅니다. 혼합물의 각 성분은 여러 개별 분해 단계로 분해될 수 있으므로 이 과정의 개별 단계는 서로 다른 폴리머 또는 동일한 폴리머에 적용될 수 있습니다. 동역학 분석을 통해 온도 프로파일과 무관한 관찰된 공정의 동역학 파라미터를 찾을 수 있습니다. 이러한 매개변수는 눈에 보이는 각 분해 단계의 활성화 에너지와 반응 순서, 그리고 전체 분해 과정에 대한 각 반응 단계의 기여도입니다. 측정된 데이터의 동역학 분석에는 두 가지 접근 방식이 있는데, 첫 번째는 공정의 실제 화학에 따른 모델 기반이며 전체 공정을 서로 다른 폴리머의 독립적인 분해 공정의 합으로 간주합니다. 각 폴리머의 분해는 일련의 연속적인 개별 반응 단계로 간주됩니다. 여기서 각 반응 단계는 자체 화학량론과 활성화 에너지를 가지며, 이 두 가지는 반응 단계가 시작될 때부터 끝날 때까지 일정한 값을 유지합니다. 이 접근 방식은 디바인딩 과정을 명시적이고 현실에 매우 가까운 방식으로 설명하지만, 병렬 및 연속 반응 단계의 운동 모델을 분석하고 구축하는 데 시간이 필요합니다. 두 번째, 보다 근사적인 접근 방식은 모델 없이 전체 프로세스를 한 단계 반응으로 간주하여 반응 진행에 따라 활성화 에너지와 사전 지수 인자가 변화하는 방식입니다. 이 유형은 연속 단계가 있는 프로세스의 경우 매우 빠르지만, 병렬 반응이 있거나 반응이 상당히 겹치는 혼합물의 분해는 설명할 수 없는 등 몇 가지 제한이 있습니다. NETZSCH Kinetics Neo 소프트웨어는 두 가지 분석 방법을 모두 지원하므로 단일 방법 소프트웨어에 비해 장점이 있습니다. NETZSCH 여기서는 모델 기반 방법으로 열무게 데이터를 분석하는 데 Kinetics Neo를 사용했으며, 그 결과 세 가지 연속 반응 단계를 동역학 파라미터와 함께 나타내는 동역학 모델이 나타났습니다. 이는 온도 프로그램과 무관하며 다른 사용자 정의 온도 프로그램의 분해 과정 시뮬레이션에 사용할 수 있습니다. 시뮬레이션이 실험 중에 사용된 것과 동일한 온도에 대해 정확히 수행되는 경우 모델이 정확하다면 시뮬레이션된 곡선이 실험에 적합해야 합니다. 이 적합성은 이미지에서 볼 수 있으며, 다른 가열 속도에 대한 실험 데이터는 기호로 표시되어 있고, 동일한 운동 매개 변수 집합을 가진 동일한 운동 모델을 기반으로 하지만 가열 속도가 다른 모든 시뮬레이션 데이터는 실선 곡선으로 표시되어 있습니다. 이는 운동 모델이 올바르게 구성되었고 운동 파라미터가 정확한 것으로 확인되었음을 의미하므로 이 모델은 향후 질량 손실을 측정할 수 없는 용광로 내부의 바인더 분해 모델링에 사용할 수 있습니다. 예측 및 최적화 세 가지 개별적인 연속 반응 단계로 구성된 동역학 모델을 통해 사용자가 지정한 온도 프로그램에 대한 질량 손실을 예측할 수 있습니다. 따라서 용광로 내부가 얼마나 뜨거운지 알면 디바인딩 진행 상황을 시뮬레이션할 수 있습니다. 예를 들어, 이 모델을 사용하면 터널 가마에서 재료의 질량 손실을 시뮬레이션할 수 있습니다. 열이 변화하는 경우 소프트웨어는 각 구역의 새로운 온도 프로그램에 대한 새로운 질량 손실 곡선을 계산합니다. 분해 속도는 온도뿐만 아니라 변환의 현재 값에 따라 달라집니다. 일정한 가열 속도에서 질량 손실 곡선에는 이 프로세스가 빠른 범위와 프로세스가 느린 범위가 있습니다. 반응 속도가 높은 매개변수는 재료 구조가 손상될 수 있는 위험 영역입니다. 반응 속도가 낮은 범위는 불합리한 시간 손실과 에너지 손실이 발생하여 최종 제품의 비용이 너무 높아집니다. 최적화 프로세스를 위해서는 최단 시간 동안 최적의 제품 품질을 찾기 위해 질량 손실률이 일정하게 유지되는 온도 프로파일을 찾아야 합니다. 시뮬레이션 기능이 없다면 이러한 온도 프로파일은 화학 엔지니어가 시행착오를 통해 만들어야 하므로 상당한 시간이 소요되고 상당한 비용이 발생하게 됩니다. Kinetics Neo 소프트웨어를 사용하여 주어진 질량 손실률 0.05%/분에 대해 새로운 온도 프로파일을 계산했습니다. 가열 속도에 일부 제한이 있는 산업 공정에서 이 소프트웨어는 최적의 온도 프로파일을 찾아 일정한 값에 매우 근접한 시뮬레이션 질량 손실률을 얻을 수 있도록 도와줍니다. 예를 들어, 독일 기업 Haldenwanger는 디바인딩 속도에 매우 민감한 새로운 폼 세라믹의 품질과 관련하여 세라믹 소성 온도 프로파일을 최적화하기 위해 소프트웨어가 필요했습니다. 이 공정은 디바인딩과 소결의 두 부분으로 구성되었습니다. 두 부분 모두에 대해 온도 프로파일 최적화를 수행하여 생산 시간을 50% 이상 단축했습니다. 동역학 분석 소프트웨어 응용 폴리머 바인더에서 폴리머는 일반적으로 서로 독립적으로 분해되며, 측정된 질량 손실은 혼합물의 분해를 나타냅니다. 혼합물의 각 성분은 여러 개별 분해 단계로 분해될 수 있으므로 이 과정의 개별 단계는 서로 다른 폴리머 또는 동일한 폴리머에 적용될 수 있습니다. 동역학 분석을 통해 온도 프로파일과 무관한 관찰된 공정의 동역학 파라미터를 찾을 수 있습니다. 이러한 매개변수는 눈에 보이는 각 분해 단계의 활성화 에너지와 반응 순서, 그리고 전체 분해 과정에 대한 각 반응 단계의 기여도입니다. 측정된 데이터의 동역학 분석에는 두 가지 접근 방식이 있는데, 첫 번째는 공정의 실제 화학에 따른 모델 기반이며 전체 공정을 서로 다른 폴리머의 독립적인 분해 공정의 합으로 간주합니다. 각 폴리머의 분해는 일련의 연속적인 개별 반응 단계로 간주됩니다. 여기서 각 반응 단계는 자체 화학량론과 활성화 에너지를 가지며, 이 두 가지는 반응 단계가 시작될 때부터 끝날 때까지 일정한 값을 유지합니다. 이 접근 방식은 디바인딩 과정을 명시적이고 현실에 매우 가까운 방식으로 설명하지만, 병렬 및 연속 반응 단계의 운동 모델을 분석하고 구축하는 데 시간이 필요합니다. 두 번째, 보다 근사적인 접근 방식은 모델 없이 전체 프로세스를 한 단계 반응으로 간주하여 반응 진행에 따라 활성화 에너지와 사전 지수 인자가 변화하는 방식입니다. 이 유형은 연속 단계가 있는 프로세스의 경우 매우 빠르지만, 병렬 반응이 있거나 반응이 상당히 겹치는 혼합물의 분해는 설명할 수 없는 등 몇 가지 제한이 있습니다. NETZSCH Kinetics Neo 소프트웨어는 두 가지 분석 방법을 모두 지원하므로 단일 방법 소프트웨어에 비해 장점이 있습니다. NETZSCH 여기서는 모델 기반 방법으로 열무게 데이터를 분석하는 데 Kinetics Neo를 사용했으며, 그 결과 세 가지 연속 반응 단계를 동역학 파라미터와 함께 나타내는 동역학 모델이 나타났습니다. 이는 온도 프로그램과 무관하며 다른 사용자 정의 온도 프로그램의 분해 과정 시뮬레이션에 사용할 수 있습니다. 시뮬레이션이 실험 중에 사용된 것과 동일한 온도에 대해 정확히 수행되는 경우 모델이 정확하다면 시뮬레이션된 곡선이 실험에 적합해야 합니다. 이 적합성은 이미지에서 볼 수 있으며, 다른 가열 속도에 대한 실험 데이터는 기호로 표시되어 있고, 동일한 운동 매개변수 집합을 가진 동일한 운동 모델을 기반으로 하지만 다른 가열 속도에 대한 모든 시뮬레이션 데이터는 실선 곡선으로 표시되어 있습니다. 이는 운동 모델이 올바르게 구성되었고 운동 파라미터가 정확한 것으로 확인되었음을 의미하므로, 향후 질량 손실을 측정할 수 없는 퍼니스 내부의 바인더 분해 모델링에 이 모델을 사용할 수 있습니다.

예측 및 최적화 세 개의 개별적인 연속 반응 단계로 구성된 운동 모델을 통해 사용자가 지정한 온도 프로그램에 대한 질량 손실을 예측할 수 있습니다. 따라서 용광로 내부가 얼마나 뜨거운지 알면 디바인딩 진행 상황을 시뮬레이션할 수 있습니다. 예를 들어, 이 모델을 사용하면 터널 가마에서 재료의 질량 손실을 시뮬레이션할 수 있습니다. 열이 변화하는 경우 소프트웨어는 각 구역의 새로운 온도 프로그램에 대한 새로운 질량 손실 곡선을 계산합니다.

분해 속도는 온도뿐만 아니라 변환의 현재 값에 따라 달라집니다. 일정한 가열 속도에서 질량 손실 곡선에는 이 과정이 빠른 범위와 느린 범위가 있습니다. 반응 속도가 높은 매개변수는 재료 구조가 손상될 수 있는 위험 영역입니다. 반응 속도가 낮은 범위는 불합리한 시간 손실과 에너지 손실이 발생하여 최종 제품의 비용이 너무 높아집니다. 최적화 프로세스를 위해서는 최단 시간 동안 최적의 제품 품질을 찾기 위해 질량 손실률이 일정하게 유지되는 온도 프로파일을 찾아야 합니다. 시뮬레이션 기능이 없다면 이러한 온도 프로파일은 화학 엔지니어가 시행착오를 통해 만들어야 하므로 상당한 시간이 소요되고 상당한 비용이 발생하게 됩니다. Kinetics Neo 소프트웨어를 사용하여 주어진 질량 손실률 0.05%/분에 대해 새로운 온도 프로파일을 계산했습니다.

가열 속도에 일부 제한이 있는 산업 공정에서 이 소프트웨어는 최적의 온도 프로파일을 찾아 일정한 값에 매우 근접한 시뮬레이션 질량 손실률을 얻을 수 있도록 도와줍니다. 예를 들어, 독일 기업 Haldenwanger는 디바인딩 속도에 매우 민감한 새로운 폼 세라믹의 품질과 관련하여 세라믹 소성 온도 프로파일을 최적화하기 위해 소프트웨어가 필요했습니다. 이 공정은 디바인딩과 소결의 두 부분으로 구성되었습니다. 두 부분 모두에 대해 온도 프로파일 최적화를 수행하여 생산 시간을 50% 이상 단축했습니다. 동역학 분석 소프트웨어 응용 분야 동역학 분석 및 시뮬레이션의 응용 분야는 세라믹 생산 중 디바인딩 공정이나 소결 야금 공정에만 국한되지 않습니다. 예를 들어 포장 재료의 수명을 결정하거나 고온에서의 공정 중 작업을 위해 이러한 시뮬레이션이 필요합니다.