Alumiiniumoksiidkeraamika: materjal, mis ületab ootusi tegelikes tööstustingimustes

Ühes tulekindlate materjalide tehases, kus ma töötasin, tekitas ahjutarvikud pidevat peavalu. Kordieriidist riiulid hakkasid pragunema umbes 40–50 tsükli järel temperatuurivahemikus 1250 °C kuni toatemperatuurini, sundides meid iga kuue kuni kaheksa nädala tagant tegema plaaniväliseid seisakuid. Tootmismeeskond oli proovinud mulliiti ja isegi mõningaid ränikarbiidist prototüüpe, kuid ükski neist ei taganud püsivat kasutusiga ilma kulusid taevasse tõstmata. Lõpuks vahetasime kriitilise tähtsusega paigutusplaadid ja saggereid 95 % alumiiniumoksiidist keraamilise materjali vastu. Juba esimese aasta jooksul tõusis keskmine kasutusiga üle 180 tsükli ning ahju hädaseiskamiste arv vähenes enam kui poole võrra. See üksainus materjalimuutus tasus end ära üheksa kuu jooksul, kui arvestasime kaasa lühemad seisakud ja väiksema asendussageduse.

Alumiiniumoksiidkeraamika on sisuliselt paagutatud alumiiniumoksiid, mille Al₂O₃ sisaldus jääb tavaliselt vahemikku 92–99,5. Mida kõrgem on puhtusaste, seda paremad on kõrgtemperatuuriline tugevus, elektriline isolatsioon ja kulumiskindlus, kuid samas on vajalik ka kõrgem paagutamistemperatuur. Standardseid tooteid valmistatakse kuivpressimise, isostaatilise pressimise või ekstrusiooni teel, millele järgneb põletamine temperatuuril 1500–1700 °C. Kõige nõudlikumate rakenduste jaoks võimaldab kuum isostaatiline pressimine (HIP) või slip-valamine, millele järgneb tooriku töötlemine, toota peaaegu lõplikku kuju omavaid detaile väga madala poorsusega.

Alumiiniumoksiidi eristab teistest omaduste kombinatsioon, mis peab vastu ka tõeliselt rasketele kasutustingimustele. Selle kõvadus on Mohsi skaalal umbes 9, soojusjuhtivus on keraamika jaoks märkimisväärne (20–30 W/m·K, sõltuvalt puhtusastmest) ning see säilitab kasuliku paindetugevuse ka temperatuuril, mis ületab 1200 °C. Samuti talub see enamikke happeid, leeliseid ja sulametalle paremini kui paljud oksüüdkeraamikad. Need omadused selgitavad, miks alumiiniumoksiidi kasutatakse jahvatusvahendites, põletusahjude sisustuses, pumba tihendites, termopaari kaitse torudes, elektriisolatsioonides ja kulumiskindlates vooderdistes.

Tegelikust kasutusest saadud võrdlusandmed

Mõni aasta hiljem viisime teises tootmispaigas läbi kontrollitud võrdluse 92 % alumiiniumoksiidist ja 99 % alumiiniumoksiidist jahvatuskuulide vahel samas märgkuuliveskis, kus töödeldi kõrge ränisisaldusega keraamilist massi. Mõlema partiiga kasutati ühesuuruseid kuule ja sama veski pöörlemiskiirust. Pärast 2000 töötundi mõõtsime järgmist:

• 92 % alumiiniumoksiidkuul: keskmine kulumismäär 0,018 % tunnis massi järgi. Rauasaaste savisegus tõusis 1 500 tunni järel 0,035 %-ni. Kuulide pinna karedus suurenes märgatavalt, mis aeglustas jahvatamise efektiivsust viimase 500 tunni jooksul.
• 99 % alumiiniumoksiidkuulid: keskmine kulumismäär 0,007 % tunnis. Raua kogunemine jäi alla 0,008 %. Kuulid püsisid kauem siledad, mis võimaldas meil säilitada sihtosakeste suurusjaotuse, lühendades jahvatusaega kokku 12 % võrra.

Kõrgema puhtusastmega kuulid maksid esialgu umbes 35 % rohkem, kuid kuna täitematerjali kulu vähenes rohkem kui poole võrra ja me kaotasime järgnevas tootmisetapis ära täiendava magnetseparaatsiooni etapi, oli 99 % puhtusastmega valmisliivi kogukulu tonni kohta 22 % madalam.

Sarnaseid mustreid täheldasime ka ahjutarvikute puhul. Kiirpõletusega portselanplaatide ahjus, kus toimusid 1 220 °C tsüklid, näitasid 95 % alumiiniumoksiidist plaadid 150 tsükli järel keskmist kaalukaotust 0,8 %, samas kui võrreldavad kordieriidist plaadid kaotasid 3,4 % ja hakkasid läbi vajuma. Alumiiniumoksiidplaadid jaotasid soojust ka ühtlasemalt, mis vähendas temperatuuri kõikumist kogu koorma ulatuses umbes 15 °C võrra ja parandas põletamise ühtlust.

Pikaajalisest kasutamisest saadud praktilised õppetunnid

Mitte iga rakendus ei vaja kõrgeimat puhtusastet. Paljude kuluvate osade ja üldiste ahjutarvikute puhul tagab 92–95 % alumiiniumoksiid parima tasakaalu toimivuse ja hinna vahel. Temperatuuril üle 1400 °C redutseerivas keskkonnas või kui on vaja äärmist vastupidavust termilistele šokkidele, on mõnikord vaja tsirkooniumiga tugevdatud alumiiniumoksiidi või muid komposiite. Alumiiniumoksiid on ka rabe; kukkunud terasest tööriistade löök või veskis olevad metallikillud võivad põhjustada murdumist, mistõttu on oluline järgida head töökorda ja nõuetekohaseid laadimisprotseduure.

Kogemuste põhjal on suurim kasu saavutatav siis, kui meeskonnad lõpetavad alumiiniumoksiidkeraamika käsitlemise otsese asendusmaterjalina ja kujundavad selle asemel toetussüsteemi ümber, lähtudes materjali tugevatest külgedest. Suurema kuumtugevuse tõttu on sageli võimalik kasutada õhemaid sektsioone, mis vähendab soojusmassi ning lühendab kuumenemis- ja jahtumisaegu. Õige ahjutarvikute paigutus, mis väldib punktkoormusi ja võimaldab ühtlast paisumist, pikendab samuti oluliselt kasutusiga.

Alumiiniumoksiidkeraamika ei ole kunagi riiulil kõige odavam valik, kuid keskkondades, kus seisakud, saastumine või sagedased vahetused toovad kaasa reaalsed kulud, tagab see jätkuvalt mõõdetavat kasu. Just need tehased, mis jälgivad mitte ainult ostuhinda, vaid ka tegelikku kasutusiga, kulumismäärasid ja edasisi mõjusid, pöörduvad kõige olulisemate ülesannete täitmiseks ikka ja jälle alumiiniumoksiidi poole. Sobivates tingimustes on see endiselt üks kõige usaldusväärsemaid materjale, mis tagab kõrge temperatuuri ja suure kulumisega protsesside usaldusväärse toimimise aasta aastalt.