Alumiiniumoksiidist isolatsioon: materjal, mis pidas vastu seal, kus portselan ikka ja jälle läbi kukkus

Suure keraamiliste plaatide tehase laiendamise algusjärgus seisid insenerid silmitsi korduva probleemiga. Rullahjude sees kütteelemente toetavad kõrgepinge isolaatorid rikkusid murettekitava kiirusega. Algne portselanist isolaatorid pidasid vastu vaid 8 kuni 14 kuud, enne kui neile tekkisid praod või pinnale tekkisid elektrilised jäljed, mis põhjustasid elektrilisi rikkeid ja sundisid tegema planeerimata seisakuid. Iga rike tähendas tootmise katkemist ja kulukaid erakorralisi asendusi. Pärast mitme erineva portselanikvaliteedi katsetamist, mis ei toonud kaasa märkimisväärset paranemist, otsustasime testida 95 % alumiiniumoksiidisolatorit samades ahjuosades.

Alumiiniumoksiidist isolaatorid on valmistatud paagutatud alumiiniumoksiidist, mille puhtusaste jääb tavaliselt vahemikku 92 % kuni 99,5 %. Mida suurem on alumiiniumoksiidi sisaldus, seda parem on elektrilise isolatsiooni, mehaanilise tugevuse ja kõrgetele temperatuuridele vastupidavuse kombinatsioon. Need osad vormitakse kuivpressimise või isostaatilise pressimise teel ning põletatakse temperatuuril üle 1500 °C. Tihe mikrostruktuur annab neile suurepärase dielektrilise tugevuse ja võime taluda temperatuurikõikumisi, mis hävitaksid paljud teised keraamikad.

Välitestide võrdlus, mis muutis spetsifikatsiooni

Paigaldasime sama ahju kõrvuti asuvatesse tsoonidesse 95 % alumiiniumoksiidist ja kõrgekvaliteedilisest portselanist isolatorite komplektid. Mõlemad komplektid töötasid identseis tingimustes: pidev töö temperatuuril 1180–1220 °C koos sagedaste temperatuuritsüklitega käivitamisel ja seiskamisel. 24 kuu möödudes registreerisime järgmised tulemused:

• Portselanisolatsioonid: 37 % rikke määr. Enamik rikkeid oli tingitud termilise šoki põhjustatud pragunemisest või pinnal tekkinud elektrilise jälje tekkest, mis viisid ülekandeni. Keskmine kasutusiga enne asendamist oli 11 kuud. Mitmel seadmel ilmnesid juba 6 kuu möödudes nähtavad glasuurikahjustused ja suurenenud lekkevool.
• 95 % alumiiniumoksiidist isolaatorit: 4 % rikkejuhtumit. Need vähesed rikked olid tingitud pigem hooldustööde käigus tekkinud mehaanilisest mõjust kui materjali kulumisest. Keskmine kasutusiga ületas 28 kuud ning paljud seadmed olid katse lõppedes endiselt suurepärases seisukorras. Lekkevool püsis stabiilne ning isegi korduvate termotsüklite järel ei täheldatud pinnalekkeid.

Seisakuaja erinevus oli märkimisväärne. Alumiiniumoksiidisolatsiooniga varustatud ahjuseadmed vajasid katseperioodi jooksul vaid kaht planeeritud isolatsioonivahetust, samas kui portselanisolatsiooniga seadmed vajasid 14 vahetust. Kui arvutasime kokku kogukulud, sealhulgas tootmiskadu, asendustööjõu ja varuosade kulud, osutusid alumiiniumoksiidisolatsioonid hoolimata nende kõrgemast esialgsest ostuhinnast 63 % odavamaks ühe töökuu kohta.

Miks alumiiniumoksiid toimib paremini rasketes tingimustes

Alumiiniumoksiidi soojuspaisumistegur on madalam ja ühtlasem kui enamikel portselanitel, mis vähendab sisemisi pingeid kiire kuumenemise ja jahutamise ajal. Selle suurem soojusjuhtivus aitab samuti hajutada lokaalseid kuumkohti. Elektriliste omaduste poolest pakub 95 % alumiiniumoksiid toatemperatuuril tavaliselt dielektrilist tugevust üle 15 kV/mm ja mahutakistust tunduvalt üle 10¹⁴ Ω·cm – need väärtused püsivad stabiilsena ka kõrgendatud temperatuuridel, kus portselan hakkab lagunema.

Teises projektis, mis käsitles tööstuslike gaasimootorite süüteküünalde isolaatoreid, võrdlesime 99 % alumiiniumoksiidi tavapärase steatiidist korpusega. Pärast 8 000 tundi kestnud pidevat töötamist tipptemperatuuril ligi 850 °C ei näidanud alumiiniumoksiidist isolaatorid mõõdetavat isolatsioonitakistuse langust, samal ajal kui steatiidist osadele olid tekkinud mikropragunid ja lekkevool suurenes 40 % võrra. Alumiiniumoksiidisolatsiooniga mootoritel esines ka vähem süütekatkestusi ja need vajasid harvem hooldust.

Praktilised kaalutlused tegelike paigalduste põhjal

Mitte iga rakendus ei vaja kõrgeimat puhtusastet. Paljude ahjude ja põletusahjude puhul pakub 92–95 % alumiiniumoksiid parimat tasakaalu jõudluse ja hinna vahel. Temperatuuril üle 1300 °C või tugevalt redutseerivas keskkonnas on vaja kasutada 99 % või isegi 99,5 % alumiiniumoksiidi. Alumiiniumoksiid on rabe, seega on paigaldamisel äärmiselt oluline ettevaatlik käitlemine – osa kukutamine või paigaldusdetailidele ebaühtlase pöördemomendi rakendamine võib põhjustada varjatud pragusid, mis ilmnevad alles hiljem kasutamise käigus.

Kogemuste põhjal on suurimad parandused saavutatavad siis, kui koos isolaatormaterjaliga vaadatakse läbi kogu tugisüsteem. Õige vahekaugus, punktkoormuste vältimine ning paindlike tihendite või vedrude kasutamine pikendavad kasutusiga sageli veelgi. Pindade saastumise või mehaaniliste kahjustuste regulaarne kontrollimine on endiselt oluline, kuigi alumiiniumoksiid nõuab kõrgtemperatuurilistes keskkondades üldiselt palju vähem tähelepanu kui portselan.

Alumiiniumoksiidist isolatsioonid ei ole turul kõige odavam valik, kuid rakendustes, kus töökindlus mõjutab otseselt tootmismahtu või ohutust, tagavad need järjepidevalt madalamad kogukulud. Need tehased, mis jälgivad pigem tegelikku kasutusiga ja rikkeviise kui ainult alghinda, on need, kes lõpuks standardiseerivad oma kõige kriitilisemate elektrilise isolatsiooni vajaduste jaoks alumiiniumoksiidi. Kui tingimused hõlmavad korduvaid temperatuurikõikumisi, kõrget pinget ja pikki hooldusvahemikke, on alumiiniumoksiid korduvalt tõestanud end materjalina, mis hoiab süsteemid töös, selle asemel et muutuda järgmiseks hooldusprobleemiks.