קרמיקה מאלומינה: החומר שעולה בשקט על כל הציפיות בתנאי מפעל אמיתיים

במפעל לחומרים עמידים באש שעבדתי בו, ציוד הכבשן הפך לכאב ראש מתמשך. מדפי הקורדיאריט נסדקו לאחר כ-40–50 מחזורים בטמפרטורות שבין 1250 °C לטמפרטורת החדר, מה שאילץ את המפעל לבצע השבתות לא מתוכננות כל שישה עד שמונה שבועות. צוות הייצור ניסה מולייט ואפילו כמה אבטיפוסים מקרביד סיליקון, אך אף אחד מהם לא סיפק אורך חיים עקבי מבלי להקפיץ את העלויות לשמיים. בסופו של דבר, החלפנו את לוחות ההנחה (setter plates) והסגרים (saggers) הקריטיים לגוף קרמיקה מאלומינה מסוג 95 %. בתוך השנה הראשונה עלה אורך החיים הממוצע ליותר מ-180 מחזורים, ומספר העצירות החירום של הכבשן צנח ביותר מחצי. שינוי חומר יחיד זה החזיר את ההשקעה תוך תשעה חודשים, לאחר שלקחנו בחשבון את צמצום זמן ההשבתה ואת תדירות ההחלפה הנמוכה יותר.

קרמיקת אלומינה היא למעשה תחמוצת אלומיניום שעברה תהליך סינטור, ובדרך כלל תכולת ה-Al₂O₃ בה נעה בין 92% ל-99.5%. ככל שטוהר החומר גבוה יותר, כך עמידותו בטמפרטורות גבוהות, בידודו החשמלי ועמידותו בפני שחיקה טובים יותר, אך גם טמפרטורת הסינטור הנדרשת גבוהה יותר. הדרגות הסטנדרטיות נוצרות באמצעות דחיסה יבשה, דחיסה איזוסטטית או אקסטרוזיה, ולאחר מכן נשרפות בטמפרטורה של 1500–1700 °C. עבור היישומים התובעניים ביותר, דחיסה איזוסטטית חמה (HIP) או יציקה בתערובת נוזלית (slip casting) ולאחר מכן עיבוד שבבי של החומר הגולמי, מייצרים חלקים בעלי צורה קרובה לצורה הסופית (near-net-shape) עם נקבוביות נמוכה מאוד.

מה שמבדיל את האלומינה הוא שילוב התכונות שלה, העמידות גם בתנאי הפעלה קשים במיוחד. קשיותה עומדת על כ-9 בסולם מוהס, המוליכות התרמית שלה מכובדת יחסית לחומר קרמי (20–30 וואט/מטר·קלווין, בהתאם לדרגת הטוהר), והיא שומרת על חוזק כיפוף שימושי גם בטמפרטורות גבוהות בהרבה מ-1200 °C. כמו כן, היא עמידה בפני רוב החומצות, הבסיסים והמתכות המותכות טוב יותר מאשר קרמיקות תחמוצת רבות. תכונות אלו מסבירות מדוע אלומינה משמשת בחומרי טחינה, אביזרי תנור, אטמי משאבות, צינורות הגנה לצמדים תרמיים, מבודדים חשמליים וציפויי הגנה מפני שחיקה.

נתוני ביצועים השוואתיים מתוך פעילות שוטפת בפועל

כמה שנים לאחר מכן, באתר אחר, ערכנו השוואה מבוקרת בין כדורי טחינה מאלומינה מסוג % 92 לבין כדורי טחינה מאלומינה מסוג % 99, באותו מטחנת כדורים רטובה שעיבדה תערובת קרמית בעלת תכולת סיליקה גבוהה. בשני המחזורים נעשה שימוש בכדורים בגודל זהה ובאותה מהירות טחינה. לאחר 2,000 שעות פעולה מדדנו את הנתונים הבאים:

• 92 כדור אלומינה %: קצב שחיקה ממוצע של 0.018 % לשעה לפי משקל. רמת הזיהום בברזל בתערובת עלתה ל-0.035 % לאחר 1,500 שעות. חספוס פני השטח של הכדורים גדל באופן ניכר, מה שהאט את יעילות הטחינה ב-500 השעות האחרונות.
• 99 כדורי אלומינה %: קצב שחיקה ממוצע של 0.007 % לשעה. כמות הבר שנאספה נשארה מתחת ל-0.008 %. הכדורים נשארו חלקים לאורך זמן רב יותר, מה שאיפשר לנו לשמור על התפלגות גודל החלקיקים הרצויה תוך קיצור זמן הטחינה הכולל ב-12 %.

הכדורים בעלי הטוהר הגבוה יותר עלו בתחילה כ-35 % יותר, אך מכיוון שצריכת חומרי הגלם פחתה ביותר ממחצית והצלחנו לבטל שלב הפרדה מגנטית נוסף בהמשך התהליך, העלות הכוללת לטון של תערובת המוגמרת הייתה נמוכה ב-22 % בדרגת טוהר של 99 %.

ראינו דפוסים דומים גם בציוד תנור. בתנור לשריפת אריחי פורצלן במהירות, הפועל במחזורים של 1,220 °C, בלוקי אלומינה מסוג 95 % הראו ירידה ממוצעת במשקל של 0.8 % לאחר 150 מחזורים, בעוד שבלוקי קורדיאריט דומים איבדו 3.4 % והחלו לשקוע. לוחות האלומינה גם העבירו חום באופן אחיד יותר, מה שהפחית את תנודות הטמפרטורה על פני המטען בכ-15 °C ושיפר את עקביות השריפה.

לקחים מעשיים מהשימוש לטווח ארוך

לא כל יישום דורש רמת טוהר מקסימלית. עבור חלקי בלאי רבים וציוד תנור כללי, אלומינה מסוג % בדרגת טוהר של 92–95 מספקת את האיזון הטוב ביותר בין ביצועים לעלות. בטמפרטורות מעל 1,400 °C באטמוספירות מחזקות, או כאשר נדרשת עמידות גבוהה במיוחד בפני הלם תרמי, לעיתים יש צורך באלומינה מחוזקת בזירקוניה או בחומרים מרוכבים אחרים. אלומינה היא גם חומר שביר; פגיעה מכלי פלדה שנפלו או ממתכת זרה בטחנה עלולה לגרום לשבבים, ולכן שמירה על סדר ונהלי העמסה נכונים נותרים חיוניים.

מניסיון, התועלת הגדולה ביותר מתקבלת כאשר צוותים מפסיקים להתייחס לקרמיקה מאלומינה כאל תחליף ישיר, ובמקום זאת מתכננים מחדש את מערכת התמיכה בהתאם ליתרונות החומר. לעתים קרובות ניתן לייצר חלקים דקים יותר בזכות חוזק גבוה יותר בטמפרטורות גבוהות, מה שמפחית את המסה התרמית ומקצר את זמני החימום והקירור. תכנון נכון של אביזרי התנור, המונע עומסים נקודתיים ומאפשר התפשטות אחידה, מאריך אף הוא באופן משמעותי את אורך חיי השירות.

קרמיקת אלומינה לעולם לא תהיה האופציה הזולה ביותר על המדף, אך בסביבות שבהן השבתה, זיהום או החלפה תדירה כרוכים בעלות ממשית, היא ממשיכה להניב תשואה מדידה. המפעלים העוקבים אחר אורך החיים בפועל, קצב הבלאי וההשפעות הנלוות, ולא רק אחר מחיר הרכישה, הם אלה שחוזרים שוב ושוב להשתמש באלומינה למשימות החשובות ביותר. כאשר התנאים מתאימים, זהו עדיין אחד החומרים האמינים ביותר שברשותנו לשמירה על תפקוד אמין של תהליכים בטמפרטורות גבוהות ובתנאי בלאי קשים, שנה אחר שנה.