Alumina keramík: efnið sem hljóðlega endist lengur en væntingar í raunverulegum verksmiðjustaðsrekstri

Í einu hitaþolnu keramikhúsinu sem ég vann hjá var ofnbúnaðurinn orðinn stöðugur höfuðverkur. Cordierít-hillur voru að sprengjast eftir um það bil 40–50 hringrásir milli 1250 °C og stofuhita, sem neyddi til óvæntra stöðvana á sex til átta vikna fresti. Framleiðsluteymið hafði prófað mullít og jafnvel nokkur frumgerðir úr kísilkarbíði, en ekkert veitti stöðugan líftíma án þess að reka kostnaðinn í óhóflega háa hæð. Að lokum skiptum við um hin mikilvægu mótunarplötur og sagga í keramik úr 95% alumínósi (%). Á fyrsta ári hækkaði meðalþjónustulífið í yfir 180 hringrásir og fjöldi neyðarstöðvana í ofninum minnkaði um meira en helming. Sú eina efnisbreyting borgaði sig innan níu mánaða þegar tekið var tillit til skerðts niðurlægingartíma og lægri tíðni endurnýjunar.

Alumina keramik er í grundvallaratriðum brennt álióxíð, oftast með 92–99,5% Al₂O₃. Því hærra sem hreinleikinn er, því betri er viðnám við háan hita, rafeinangrun og slitþol, en einnig þarf hærra brennsluhitastig. Staðlaðar gerðir eru myndaðar með þurrpressun, isóstatískri pressun eða extrúsíu og brenndar við 1500–1700 °C. Fyrir kröfuhartustu notkun er beitt heitri isóstatískri pressun (HIP) eða slip-casting, þar á eftir grænvinnsla, sem framleiðir nánast lokaformhluta með mjög lága porosity.

Það sem gerir álóxíð áberandi er samsetning eiginleika sem þola raunverulega misnotkun í rekstri. Hörkuleiki er um 9 á Mohs-skalanum, varmaleiðni sæmileg fyrir keramík (20–30 W/m·K eftir hreinleika) og það viðheldur gagnlegri bognunarstyrk vel yfir 1200 °C. Það þolir einnig flestar sýrur, lútir og bráðna málma betur en mörg önnur oxíðkeramik. Þessir eiginleikar skýra hvers vegna áloxíð kemur fyrir í slípimiðlum, ofnföngum, dæluþéttingum, verndarrörum fyrir termópör, rafeinangrunarefnum og slitfóðringum.

Samanburðar gögn um frammistöðu úr raunverulegri þjónustu

Nokkrum árum síðar, á öðrum stað, gerðum við stýrða samanburðarrannsókn á 92 % álúminoxíð-kúlu og 99 % álúminoxíð-kúlu í sömu vökvakúluvél sem mölvaði sleipiefni fyrir keramíska líkama með háu kísilmagni. Báðar loturnar notuðu sömu kúlustærð og sömu vélahraða. Eftir 2.000 klukkustundir í rekstri mældum við eftirfarandi:

• 92 % álúminakúla: meðal slitunarhraði 0,018 % á klukkustund miðað við þyngd. Járnmengun í slipinu hækkaði í 0,035 % eftir 1.500 klukkustundir. Hörkun yfirborðs kúlanna jókst verulega, sem dró úr mölunaráhrifum á síðustu 500 klukkustundum.
• 99 % álúmínískúlur: meðal slitmagn 0,007 % á klukkustund. Járnupptaka hélt sig undir 0,008 %. Kúlurnar héldu sér sléttari lengur, sem gerði okkur kleift að viðhalda markmiðsdreifingu agnastærða með samtals 12 % minni mölunartíma.

Kúlur með hærri hreinleika kosta upphaflega um 35 % meira, en þar sem miðlunarneyslan minnkaði um meira en helming og við afnámum auka segul aðskilnaðarskrefs neðar í ferlinu, var heildarkostnaður á tonn af fullunninni sleipingu 22 % lægri með 99 % gæðaflokki.

Við sáum svipuð mynstur með ofnföngum. Í hraðbrennsluofni fyrir postulínsflísar sem starfar í 1.220 °C hringrásum, 95 % alumínabattar sýndu meðalþyngdartap upp á 0,8 % eftir 150 hringrásir, á meðan sambærilegir kordierítbattar misstu 3,4 % og byrjuðu að sökkva. Alumina-motturnar fluttu einnig hita jafnari, sem dró úr hitastigsbreytingum yfir hlöðuna um það bil 15 °C og bætti eldunarstöðugleika.

Hagnýtar kennslur af langtíma notkun

Ekki allar notkunareiningar þurfa hámarks hreinleika. Fyrir marga slitahluti og almenn ofnföng veitir 92–95 % álúmina besta jafnvægi milli frammistöðu og kostnaðar. Yfir 1.400 °C í afoxunarumhverfi eða þegar krafist er mikillar viðnáms gegn öflugum hitaskoki, getur verið nauðsynlegt að nota zirkoníuhertða álúminu eða önnur samsett efni. Alumina er einnig brothætt; högg frá stálverkfærum sem detta eða óhreinindi (tramp metal) í mylninu getur valdið flögnun, svo góð vinnuskil og rétt hleðsluaðferð eru nauðsynleg.

Af reynslu kemur mestur ávinningur þegar teymi hætta að meðhöndla alumina-keramík sem beina staðgengilslausn og endurhanna í staðinn stuðningskerfið út frá styrkleikum efnisins. Þynnri þættir eru oft mögulegir vegna aukins hitaþols, sem dregur úr varmamassa og styttir upphitunar- og kólnunartíma. Rétt uppsetning á ofnföggum sem forðast punktálag og leyfir jafna útþenslu eykur einnig verulega endingartíma.

Alumina-keramík verður aldrei ódýrasta lausnin í hillunni, en í umhverfi þar sem niðurtími, mengun eða tíð skipti hafa raunverulegan kostnað, skilar hún áfram mælanlegum ávinningi. Verksmiðjurnar sem fylgjast með raunverulegum líftíma, slitgörðum og afleiðingum neðansjávar frekar en einungis kaupverði eru þær sem snúa sífellt aftur til álúmíníums fyrir þau verkefni sem skipta mestu máli. Þegar skilyrðin eru rétt er það enn eitt af áreiðanlegustu efnum sem við höfum til að halda ferlum við háan hita og mikið slit gangandi áreiðanlega ár eftir ár.