Alumininė keramika: medžiaga, kuri realiomis gamyklos sąlygomis tyliai pranoksta lūkesčius

Vienoje ugniai atsparių medžiagų gamykloje, kurioje dirbau, krosnių įranga tapo nuolatine galvos skausmo priežastimi. Kordierito lentynos įtrūkdavo po maždaug 40–50 ciklų, kurių metu temperatūra svyruodavo nuo 1250 °C iki kambario temperatūros, todėl kas šešias–aštuonias savaites tekdavo vykdyti neplanuotus gamybos sustabdymus. Gamybos komanda buvo išbandžiusi mulitą ir net keletą silicio karbido prototipų, tačiau nė vienas iš jų neužtikrino pastovaus tarnavimo laiko, nesukeldamas milžiniškų išlaidų. Galiausiai svarbiausias nustatymo plokštes ir krepšelius pakeitėme į 95 % aliuminio oksido keramikos korpusą. Jau per pirmuosius metus vidutinis tarnavimo laikas padidėjo iki daugiau nei 180 ciklų, o avarinių krosnių sustabdymų skaičius sumažėjo daugiau nei perpus. Šis vienintelis medžiagos pakeitimas atsipirko per devynis mėnesius, įskaičiavus sutrumpėjusį prastovos laiką ir retesnį keitimą.

Aliuminio oksido keramika iš esmės yra sukepintas aliuminio oksidas, kurio sudėtis dažniausiai svyruoja nuo 92 iki 99,5 % Al₂O₃. Kuo didesnis grynumas, tuo geresnės aukštos temperatūros stiprumo, elektrinės izoliacijos ir atsparumo dilimui savybės, tačiau tuo pačiu reikalinga ir aukštesnė sukepinimo temperatūra. Standartinės rūšys formuojamos sausos presavimo, izostatinio presavimo arba ekstruzijos būdu, po to degamos 1500–1700 °C temperatūroje. Labiausiai reiklioms taikymo sritims, naudojant karštą izostatinį presavimą (HIP) arba liejimą iš suspensijos, po kurio atliekamas neapdorotų detalių apdirbimas, pagaminamos beveik galutinės formos detalės su labai mažu poringumu.

Aluminosidą išskiria savybių derinys, leidžiantis jam atlaikyti net ir ekstremalias eksploatacijos sąlygas. Jo kietumas pagal Moso skalę siekia apie 9, šilumos laidumas yra pakankamai geras keramikai (20–30 W/m·K, priklausomai nuo grynumo), o lenkimo stipris išlieka gerokai virš 1200 °C. Be to, ji atsparesnė daugumai rūgščių, šarmų ir išlydytų metalų nei daugelis oksidinių keramikų. Šios savybės paaiškina, kodėl aliuminio oksidas naudojamas šlifavimo priemonėse, krosnių įrangoje, siurblių sandarikliuose, termoparų apsauginiuose vamzdeliuose, elektros izoliatoriuose ir nusidėvėjimui atspariuose įdėkluose.

Tikrosios eksploatacijos metu surinkti lyginamieji veikimo duomenys

Po kelerių metų kitoje gamybos vietoje atlikome kontroliuojamą palyginimą tarp 92 % aliuminio oksido ir 99 % aliuminio oksido malimo rutulių tame pačiame šlapiajame rutuliniame malūne, kuriame buvo apdorojama keramikos masė su dideliu silicio dioksido kiekiu. Abiem atvejais buvo naudojami identiško dydžio rutuliai ir tas pats malūno sukimosi greitis. Po 2 000 valandų veikimo išmatavome šiuos rodiklius:

• 92 % aliuminio oksido rutuliai: vidutinis nusidėvėjimo greitis – 0,018 % per valandą pagal svorį. Geležies priemaišos šlako sudėtyje po 1 500 valandų padidėjo iki 0,035 %. Rutulių paviršiaus šiurkštumas pastebimai padidėjo, o tai sulėtino malimo efektyvumą per paskutines 500 valandų.
• 99 % aliuminio oksido rutuliai: vidutinis nusidėvėjimo greitis – 0,007 % per valandą. Geležies kiekis neviršijo 0,008 %. Rutuliai ilgiau išliko gladesni, todėl mums pavyko išlaikyti numatytą dalelių dydžio pasiskirstymą, o bendras malimo laikas sutrumpėjo 12 %.

Aukštesnio grynumo rutuliukai iš pradžių kainavo maždaug 35 % daugiau, tačiau kadangi žaliavų suvartojimas sumažėjo daugiau nei perpus ir mums pavyko pašalinti papildomą magnetinio atskyrimo etapą tolesniame gamybos procese, bendros išlaidos už toną gatavo šlako, naudojant 99 % grynumo rutuliukus, buvo 22 % mažesnės.

Panašias tendencijas pastebėjome ir krosnių įrangos atveju. Greito degimo porcelianinių plytelių krosnyje, kurioje vyksta 1 220 °C ciklai, 95 % aliuminio oksido plokštės po 150 ciklų parodė vidutinį svorio praradimą 0,8 %, o panašios kordierito plokštės prarado 3,4 % ir pradėjo smukti. Aluminio oksido plokštės taip pat tolygiau perdavė šilumą, dėl to temperatūros svyravimai krosnies krovinyje sumažėjo apie 15 °C, o degimo nuoseklumas pagerėjo.

Praktinės išvados, gautos ilgalaikio naudojimo metu

Ne kiekvienai paskirčiai reikalingas aukščiausias grynumas. Daugeliui nusidėvinčių detalių ir bendrosios paskirties krosnių įrangos 92–95 % aliuminio oksidas užtikrina geriausią eksploatacinių savybių ir kainos santykį. Esant temperatūrai virš 1 400 °C redukuojančioje aplinkoje arba kai reikalingas ypatingas atsparumas terminiams smūgiams, kartais tenka naudoti cirkonio oksidu sustiprintą aliuminio oksidą arba kitus kompozitus. Aliuminis taip pat yra trapus; nukritusių plieninių įrankių smūgis arba malūne esantys metaliniai įterpimai gali sukelti atsilupimus, todėl labai svarbu palaikyti tvarką ir laikytis tinkamų pakrovimo procedūrų.

Iš patirties matyti, kad didžiausią naudą gaunama tada, kai komandos nustoja laikyti aliuminio oksido keramiką tiesioginiu pakaitalu ir vietoj to pertvarko atraminę sistemą, atsižvelgdamos į medžiagos privalumus. Dėl didesnio atsparumo karščiui dažnai galima naudoti plonesnes sekcijas, o tai sumažina šiluminę masę ir sutrumpina įkaitinimo bei atvėsinimo laiką. Tinkamas krosnies įrangos išdėstymas, leidžiantis išvengti taškinių apkrovų ir užtikrinantis tolygų plėtimąsi, taip pat žymiai prailgina tarnavimo laiką.

Aluminos keramika niekada nebus pigiausias variantas parduotuvių lentynose, tačiau aplinkose, kuriose prastovos, užteršimas ar dažnas keitimas sukelia realias išlaidas, ji ir toliau užtikrina apčiuopiamą grąžą. Įmonės, kurios atsižvelgia ne tik į pirkimo kainą, bet ir stebi faktinį tarnavimo laiką, nusidėvėjimo greitį bei pasekmes tolesniuose procesuose, būtent jos ir toliau renkasi aliuminio oksidą svarbiausiems darbams atlikti. Esant tinkamoms sąlygoms, tai vis dar yra viena iš patikimiausių medžiagų, kurią turime, kad aukštos temperatūros ir didelio nusidėvėjimo procesai veiktų patikimai metai iš metų.