Керамика от алумина: материалът, който тихо надминава очакванията в реални производствени условия

В един завод за огнеупорни материали, с който съм работил, пещната обстановка се превърна в постоянен проблем. Кордиеритовите рафтове се напукваха след около 40–50 цикъла между 1250 °C и стайна температура, което налагаше непланирани спирания на производството на всеки шест до осем седмици. Производственият екип беше пробвал мулит и дори някои прототипи от силициев карбид, но нищо не осигуряваше стабилен експлоатационен живот, без разходите да скочат до небето. В крайна сметка преминахме към използване на 95 % алуминиево-керамичен материал за критичните фиксиращи плочи и сагери. Още през първата година средният експлоатационен живот се повиши до над 180 цикъла, а броят на аварийните спирания на пещта намаля с повече от половина. Тази единствена промяна в материала се изплати в рамките на девет месеца, след като взехме предвид намаленото време на престой и по-ниската честота на подмяна.

Керамиката от алуминиев оксид представлява по същество спечен алуминиев оксид, най-често в диапазона 92–99,5 % Al₂O₃. Колкото по-висока е чистотата, толкова по-добри са якостта при високи температури, електроизолацията и износоустойчивостта, но също така и толкова по-висока е необходимата температура на спечене. Стандартните марки се формират чрез сухо пресоване, изостатично пресоване или екструдиране, след което се изпичат при 1500–1700 °C. За най-взискателните приложения горещото изостатично пресоване (HIP) или леене в калъп, последвано от механична обработка на суровия материал, позволява получаването на детайли с форма, близка до крайната, и с много ниска порьозност.

Това, което отличава алуминиевия оксид, е комбинацията от свойства, които издържат на реални експлоатационни натоварвания. Твърдостта му е около 9 по скалата на Моос, топлинната проводимост е забележителна за керамика (20–30 W/m·K в зависимост от чистотата), а той запазва полезна якост на огъване при температури значително над 1200 °C. Тя също така е по-устойчива на повечето киселини, алкали и разтопени метали в сравнение с много оксидни керамики. Тези характеристики обясняват защо алуминиевият оксид се използва в смилащи тела, пещни приспособления, уплътнения за помпи, защитни тръби за термодвойки, електрически изолатори и износоустойчиви облицовки.

Данни за производителността при паралелна работа, събрани при реални експлоатационни условия

Няколко години по-късно, на друг обект, проведохме контролирано сравнение между 92 алуминиеви топки % и 99 алуминиеви топки % в една и съща мокра топкова мелница, обработваща керамична маса с високо съдържание на силициев диоксид. И при двете партиди бяха използвани топки с еднакви размери и еднаква скорост на мелницата. След 2 000 часа работа измерихме следното:

• 92 алуминиева топка %: средна степен на износване 0,018 % на час по тегло. Съдържанието на желязо в кашата се е повишило до 0,035 % след 1 500 часа. Грубостта на повърхността на топките се увеличи значително, което забави ефективността на смилането през последните 500 часа.
• 99 алуминиеви топчета %: средна степен на износване 0,007 % на час. Натрупването на желязо остана под 0,008 %. Топчетата запазиха гладкостта си по-дълго, което ни позволи да поддържаме целевото разпределение на размера на частиците с общо 12 % по-кратко време на смилане.

Топчетата с по-висока чистота струваха първоначално с около 35 % повече, но тъй като разходът на суровини намаля с повече от половина и премахнахме допълнителния етап на магнитна сепарация в последващия етап на производството, общата цена на тон готова суспензия беше с 22 % по-ниска при сорта с чистота 99 %.

Подобни тенденции наблюдавахме и при печните приспособления. В пещ за бързо изпичане на порцеланови плочки, работеща при цикли от 1 220 °C, 95 алуминиеви плочи % показаха средна загуба на тегло от 0,8 % след 150 цикъла, докато сравнимите кордиеритови плочи загубиха 3,4 % и започнаха да провисват. Алуминиевите плочи също така пренасяха топлината по-равномерно, което намали температурните колебания в натоварването с около 15 °C и подобри равномерността на изпичането.

Практически изводи от дългосрочното използване

Не всяко приложение изисква най-висока степен на чистота. За много износващи се части и общо оборудване за пещи алуминиевият оксид 92–95 % осигурява най-добрия баланс между експлоатационни характеристики и цена. При температури над 1 400 °C в редуцираща атмосфера или когато се изисква изключителна устойчивост на термичен шок, понякога се налага използването на алумина, укрепена със цирконий, или други композитни материали. Алуминият също е крехък; ударите от паднали стоманени инструменти или метални отпадъци в мелницата могат да причинят отчупвания, затова поддържането на чистота и спазването на правилни процедури за зареждане остават от съществено значение.

От опит знаем, че най-големите ползи се постигат, когато екипите престанат да разглеждат алуминиево-керамичните материали като пряк заместител и вместо това препроектират носещата система, като се съобразят със силните страни на материала. По-тънките сечения често са възможни благодарение на по-високата якост при висока температура, което намалява термичната маса и съкращава времето за нагряване и охлаждане. Правилното разположение на пещните приспособления, което избягва точковите натоварвания и позволява равномерно разширяване, също значително удължава експлоатационния срок.

Керамиката от алумина никога няма да бъде най-евтиният вариант на пазара, но в условия, където престоите, замърсяването или честата подмяна водят до реални разходи, тя продължава да осигурява измерима възвръщаемост. Заводите, които проследяват действителния експлоатационен срок, степента на износване и последващите ефекти, а не само покупната цена, са тези, които продължават да се обръщат към алуминиевата керамика за най-важните задачи. Когато условията са подходящи, тя все още е един от най-надеждните материали, с които разполагаме, за да поддържаме процесите при високи температури и силно износване да работят надеждно година след година.