Кераміка з алюмініевага аксіду: матэрыял, які ціха пераўзыходзіць чаканні ў рэальных завадскіх умовах

На адным з заводаў па вытворчасці вогнетрывалых матэрыялаў, з якім я працаваў, шахтавая посуд стаў сапраўднай галаўным болем. Кордыерытавыя латкі трэскаліся прыкладна пасля 40–50 цыклаў пераходу паміж 1250 °C і пакаёвай тэмпературай, што прымушала да непланавых спыненняў кожныя шэсць-восем тыдняў. Вытворчая каманда спрабавала муліт і нават некаторыя прататыпы з сілікону карбіду, але нішто не забяспечвала стабільнага тэрміну службы без рэзкага росту выдаткаў. Урэшце мы замянілі найважнейшыя пліты для выкладкі і саггеры на керамічны корпус з 95-процэнтнай альмінагарны (%). Ужо на працягу першага года сярэдні тэрмін службы вырас да больш чым 180 цыклаў, а колькасць аварыйных спыненняў печы скарацілася больш чым удвая. Гэтая адзіная замена матэрыялу акупiлася менш чым праз дзевяць месяцаў, калі мы ўлічылі скарачэнне прастою і меншую частату замены.

Кераміка з алюмініевага аксіду — гэта, па сутнасці, спечаны алюмініевы аксід, звычайна з утрыманнем Al₂O₃ у дыяпазоне ад 92 да 99,5 %. Чым вышэйшая чысціня, тым лепшыя высокатэмпературная трываласць, электраізаляцыя і зносаўстойлівасць, але і тым вышэйшая неабходная тэмпература спеквання. Стандартныя гатункі вырабляюць шляхам сухога прэсавання, ізастатычнага прэсавання або экструзіі, а затым абпальваюць пры тэмпературы 1500–1700 °C. Для самых патрабавальных прымяненняў гарячае ізастатычнае прэсаванне (ГІП) або ліццё з каширу, за якім ідзе механічная апрацоўка зялёнага вырабу, дазваляе атрымліваць дэталі амаль канчатковай формы з вельмі нізкай порыстасцю.

Што вылучае альміна, дык гэта камбінацыя ўласцівасцей, якія вытрымліваюць рэальныя эксплуатацыйныя нагрузкі. Цвёрдасць складае каля 9 па шкале Моха, цеплаправоднасць для керамікі дастаткова высокая (20–30 Вт/м·°C у залежнасці ад чысціні), і яна захоўвае карысную згінальную трываласць пры тэмпературах значна вышэй за 1200 °C. Яна таксама ўстойлівая да большасці кіслот, шчолачаў і расплаўленых металаў лепш, чым многія акіславыя керамікі. Гэтыя ўласцівасці тлумачаць, чаму альміна выкарыстоўваецца ў якасці абразіўнага матэрыялу, для вытворчасці шахтарнага абсталявання, ушчыльненняў помпаў, ахоўных труб тэрэапары, электраізалятараў і пратэктараў ад зносу.

Даныя прадукцыйнасці ў рэальных умовах эксплуатацыі

Праз некалькі гадоў на іншым аб'екце мы правялі кантраляванае параўнанне паміж шарыкамі з алюмінаванай сталі 92 % і 99 % у адной і той жа мокрай шарыкавай млыну пры апрацоўцы шліму для керамічнага цела з высокім утрыманнем крэмнезёму. У абодвух выпадках выкарыстоўваліся шарыкі аднолькавага памеру і тая ж хуткасць млына. Пасля 2000 гадзін працы мы вымералі наступнае:

• Шар з алюмініевай керамікі 92 %: сярэдняя хуткасць зносу 0,018 % у гадзіну па вазе. Забруджванне жалезам у шліфавальнай слізкай паднялося да 0,035 % пасля 1500 гадзін. Шурпатасць паверхні шарыкаў значна павялічылася, што запаволіла эфектыўнасць шліфавання за апошнія 500 гадзін.
• 99 шароў з алюмінааксіду: сярэдняя хуткасць зносу 0,007 шт./гадзіну. Выдаленне жалеза заставалася ніжэй за 0,008 шт./гадзіну. Шары заставаліся больш гладкімі даўжэй, што дазволіла нам падтрымліваць мэтавае размеркаванне памераў часціц пры агульнае на 12 шт./гадзіну меншым часе шліфавання.

Кулькі больш высокай чысціні першапачаткова каштавалі прыкладна на 35 % даражэй, але паколькі спажыванне матэрыялаў знізілася больш чым напалову і мы выключылі дадатковы этап магнітнага аддзялення далей у працэсе, агульны кошт за тону гатовага шліфавальнага раствору быў на 22 % ніжэйшы пры выкарыстанні маркі 99 %.

Мы назіралі падобныя заканамернасці і ў керамічным посудзе. У печы для абпалу фарфоравай пліткі з хуткім абпалам, якая працавала ў цыклах пры 1220 °C, Пліты з алюмінію 95 % паказалі сярэдні ўтраты вагі ў 0,8 % пасля 150 цыклаў, у той час як аналагічныя пліты з кардьерыту страцілі 3,4 % і пачалі правісаць. Алюмінавыя пліты таксама перадавалі цяпло больш раўнамерна, што знізіла вагання тэмпературы ў групе прыкладна на 15 °C і палепшыла стабільнасць абпаку.

Практычныя ўрокі з доўгатэрміновага выкарыстання

Не кожнаму прымяненню патрэбна найвышэйшая чысціня. Для многіх зносаўстойлівых дэталяў і агульнага абпалу 92–95 % алюміна дае найлепшы баланс паміж прадукцыйнасцю і коштам. Пры тэмпературы вышэй за 1400 °C у звязальных атмасферах або калі патрабуецца высокая ўстойлівасць да тэрмічнага ўдару, часам неабходна выкарыстоўваць алюмінавую кераміку, арміраваную цырконіем, або іншыя кампазіты. Алюміна таксама крохкая; удар ад падзеня стальных інструментаў або чужародных металаў у печы можа выклікаць скол, таму добрае тэхнічнае абслугоўванне і правільныя працэдуры загрузкі застаюцца важнымі.

Паводле досведу, найбольшыя выгады дасягаюцца, калі каманды перастаюць разглядаць алюмінавую кераміку як прамы заменнік і замест гэтага перапраектоўваюць сістэму апоры з улікам моцных бакоў матэрыялу. Тонкія секцыі часта становяцца магчымымі дзякуючы больш высокай тэмпературнай трываласці, што змяншае цеплавую масу і скарачае час нагрэву і ахалоджвання. Правільная расстаноўка абсталявання ў печы, якая прадухіляе кропкавыя нагрузкі і забяспечвае раўнамернае пашырэнне, таксама значна падаўжае тэрмін службы.

Кераміка з алюмініевай акісу ніколі не будзе самым танным варыянтам на паліцы, але ва ўмовах, дзе прастоі, забруджванне або частая замена нясуць рэальныя выдаткі, яна працягвае прыносіць вымерны прыбытак. Прадпрыемствы, якія адсочваюць рэальны тэрмін службы, хуткасць зносу і наступствы, а не толькі кошт пакупкі, — менавіта яны зноў і зноў звяртаюцца да алюмінавай керамікі для найбольш важных задач. Калі ўмовы спрыяльныя, яна па-ранейшаму застаецца адным з самых надзейных матэрыялаў, якія мы маем для бяспечнай працы ў высокатэмпературных і высокааб'ёмных працэсах зносу год за годам.