Кераміка з оксиду алюмінію: матеріал, який у реальних умовах експлуатації тихо перевершує всі очікування

На одному з заводів з виробництва вогнетривів, з яким я співпрацював, пічне обладнання ставало постійним головним болем. Кордієритові полиці тріскалися приблизно через 40–50 циклів нагрівання від 1250 °C до кімнатної температури, що змушувало проводити позапланові зупинки кожні шість-вісім тижнів. Виробнича команда випробувала муліт і навіть деякі прототипи з карбіду кремнію, але ніщо не забезпечувало стабільного терміну служби без значного зростання витрат. Зрештою ми замінили критично важливі опорні плити та лотки на керамічні вироби з глинозему 95 %. Протягом першого року середній термін служби зріс до понад 180 циклів, а кількість аварійних зупинок печі зменшилася більш ніж наполовину. Ця єдина зміна матеріалу окупилася за дев'ять місяців, якщо врахувати скорочення простоїв та зниження частоти заміни.

Кераміка на основі оксиду алюмінію — це, по суті, спечений оксид алюмінію, зазвичай із вмістом Al₂O₃ у діапазоні 92–99,5 %. Чим вища чистота, тим кращі високотемпературна міцність, електроізоляційні властивості та зносостійкість, але й тим вища необхідна температура спікання. Стандартні марки формуються методом сухого пресування, ізостатичного пресування або екструзії, а потім випалюються при температурі 1500–1700 °C. Для найвимогливіших застосувань гаряче ізостатичне пресування (HIP) або лиття з суспензії з подальшою обробкою сирих деталей дозволяє отримати деталі, близькі до кінцевої форми, з дуже низькою пористістю.

Особливістю глинозему є поєднання властивостей, що витримують жорсткі експлуатаційні умови. Його твердість становить близько 9 за шкалою Мооса, теплопровідність є досить високою для кераміки (20–30 Вт/м·К залежно від чистоти), а міцність на згин зберігається навіть при температурах понад 1200 °C. Він також краще за багато оксидних керамік витримує вплив більшості кислот, лугів та розплавлених металів. Ці властивості пояснюють, чому глинозем використовується у подрібнювальних середовищах, печних приладдях, ущільненнях насосів, захисних трубках термопар, електричних ізоляторах та зносостійких футеровках.

Дані про продуктивність у порівнянні на основі реальних умов експлуатації

Через кілька років на іншому виробничому майданчику ми провели контрольоване порівняння кульок для подрібнення з глинозему % 92% та 99% у тій самій мокрій кульовій млині під час переробки керамічної маси з високим вмістом кремнезему. В обох завантаженнях використовувалися кульки однакового розміру та однакова швидкість обертання млини. Після 2000 годин роботи ми виміряли наступне:

• 92 Кульки з глинозему %: середній показник зносу — 0,018 % на годину за вагою. Вміст заліза в суспензії зріс до 0,035 % після 1 500 годин. Шорсткість поверхні кульок помітно збільшилася, що уповільнило ефективність подрібнення в останні 500 годин.
• 99 кульок з оксиду алюмінію %: середній показник зносу — 0,007 % на годину. Рівень забруднення залізом не перевищував 0,008 %. Кульки довше зберігали гладкість поверхні, що дозволило нам дотримуватися заданого розподілу частинок за розмірами, скоротивши загальний час подрібнення на 12 %.

Кульки вищої чистоти спочатку коштували приблизно на 35 % дорожче, але завдяки тому, що витрата сировини зменшилася більш ніж удвічі, а також завдяки скасуванню додаткового етапу магнітної сепарації на подальшому етапі технологічного процесу, загальна вартість однієї тонни готового шлікару для сорту 99 % виявилася на 22 % нижчою.

Ми спостерігали подібні тенденції у випадку печного приладдя. У печі для випалу порцелянової плитки з швидким випалом, що працює в режимі циклів при температурі 1 220 °C, 95 г/м² глиноземістих матів показали середню втрату ваги 0,8 г/м² після 150 циклів, тоді як аналогічні кордієритові мати втратили 3,4 г/м² і почали провисати. Алюмінієві блоки також розподіляли тепло рівномірніше, що зменшило коливання температури в завантаженні приблизно на 15 °C та покращило стабільність випалу.

Практичний досвід, отриманий у результаті тривалого використання

Не для всіх сфер застосування потрібна найвища чистота. Для багатьох зносостійких деталей та загального печного обладнання глинозем 92–95 % забезпечує найкращий баланс між експлуатаційними характеристиками та вартістю. При температурах вище 1400 °C у відновних атмосферах або коли потрібна надзвичайна стійкість до термічних ударів, іноді стає необхідним використання глинозему, зміцненого цирконієм, або інших композитів. Корунд також є крихким; удар від падіння сталевих інструментів або сторонніх металевих частинок у млині може спричинити відколи, тому важливе значення мають належний стан приміщення та дотримання правильних процедур завантаження.

Як показує досвід, найбільших переваг вдається досягти тоді, коли команди перестають розглядати кераміку з глинозему як пряму заміну і натомість перепроектують систему опор з урахуванням сильних сторін цього матеріалу. Завдяки підвищеній міцності в гарячому стані часто можна використовувати більш тонкі секції, що зменшує теплову масу та скорочує час нагрівання й охолодження. Правильне розміщення опор у печі, що дозволяє уникнути точкового навантаження та забезпечує рівномірне розширення, також значно подовжує термін експлуатації.

Кераміка з оксиду алюмінію ніколи не буде найдешевшим варіантом на ринку, але в умовах, де простої, забруднення або часта заміна обходяться в реальні витрати, вона продовжує приносити відчутну вигоду. Заводи, які відстежують фактичний термін служби, швидкість зносу та наслідки для подальших процесів, а не лише ціну придбання, — саме вони продовжують повертатися до глинозему для виконання найважливіших завдань. За відповідних умов це все ще один із найнадійніших матеріалів, які ми маємо для забезпечення надійної роботи процесів із високими температурами та високим зносом рік за роком.