Alumīnija oksīda keramika: materiāls, kas reālos rūpnīcas apstākļos klusi pārsniedz cerības

Vienā no ugunsizturīgo materiālu rūpnīcām, kurā es strādāju, krāsns aprīkojums kļuva par pastāvīgu galvassāpju avotu. Kordierīta plaukti sāka plaisāt aptuveni pēc 40–50 cikliem temperatūras svārstībās no 1250 °C līdz istabas temperatūrai, kas ik pēc sešām līdz astoņām nedēļām lika veikt neplānotas ražošanas pārtraukšanas. Ražošanas komanda bija izmēģinājusi mulītu un pat dažus silīcija karbīda prototipus, taču nekas nenodrošināja stabilu kalpošanas laiku, vienlaikus nepaaugstinot izmaksas līdz debesīm. Beigu beigās mēs nomainījām kritiskās nostiprinājuma plāksnes un traukus uz 95 % alumīnija oksīda keramikas korpusu. Jau pirmajā gadā vidējais kalpošanas ilgums pieauga līdz vairāk nekā 180 cikliem, un ārkārtas krāsns apstādināšanu skaits samazinājās par vairāk nekā pusi. Šī viena materiāla maiņa atmaksājās deviņu mēnešu laikā, ņemot vērā samazināto dīkstāves laiku un retāku nomaiņu.

Alumīnija oksīda keramika būtībā ir saķepināts alumīnija oksīds, visbiežāk ar Al₂O₃ saturu diapazonā no 92 līdz 99,5 %. Jo augstāka tīrība, jo labāka izturība augstā temperatūrā, elektriskā izolācija un nodilumizturība, taču vienlaikus nepieciešama arī augstāka saķepināšanas temperatūra. Standarta klases tiek veidotas, izmantojot sauso presēšanu, izostātisko presēšanu vai ekstrūziju, pēc tam tās tiek apdedzinātas 1500–1700 °C temperatūrā. Visprasīgākajiem pielietojumiem, izmantojot karsto izostātisko presēšanu (HIP) vai liešanu no šķidrās masas, kam seko neapdedzinātu detaļu apstrāde, tiek ražotas detaļas, kas ir gandrīz gatavā formā ar ļoti zemu porainību.

Alumīnija oksīdu izceļ tā īpašību kombinācija, kas iztur pat ļoti nelabvēlīgus ekspluatācijas apstākļus. Cietība ir apmēram 9 pēc Mosa skalas, siltumvadītspēja ir ievērojama keramikas materiālam (20–30 W/m·K atkarībā no tīrības pakāpes), un tas saglabā pietiekamu lieces izturību arī temperatūrās, kas ievērojami pārsniedz 1200 °C. Tā arī iztur lielāko daļu skābju, sārmu un kausētu metālu labāk nekā daudzas oksīdu keramikas. Šīs īpašības izskaidro, kāpēc alumīnija oksīds tiek izmantots malšanas līdzekļos, krāsns piederumos, sūkņu blīvēs, termopāru aizsargcaurulēs, elektriskajos izolatoros un nodiluma aizsargslāņos.

Salīdzinošie darbības rādītāji, kas iegūti reālajos ekspluatācijas apstākļos

Pēc dažiem gadiem citā ražotnē mēs veicām kontrolētu salīdzinājumu starp 92 % alumīnija oksīda un 99 % alumīnija oksīda malšanas lodītēm tajā pašā mitrajā lodīšu dzirnavā, kurā tika apstrādāta keramikas masas šķidruma masa ar augstu silīcija saturu. Abās partijās tika izmantotas identiska izmēra lodītes un vienāds dzirnavu apgriezienu skaits. Pēc 2000 darbības stundām mēs fiksējām šādus rādītājus:

• 92 % alumīnija oksīda lodīte: vidējais nodiluma ātrums — 0,018 % stundā pēc svara. Dzelzs piemaisījumi šlikā pēc 1 500 stundām palielinājās līdz 0,035 %. Lodīšu virsmas raupjums ievērojami palielinājās, kas pēdējās 500 stundās samazināja malšanas efektivitāti.
• 99 % alumīnija oksīda lodītes: vidējais nodiluma ātrums 0,007 % stundā. Dzelzs piesārņojums saglabājās zem 0,008 %. Lodītes ilgāk saglabāja gludumu, ļaujot mums uzturēt mērķa daļiņu izmēru sadalījumu, kopumā samazinot malšanas laiku par 12 %.

Augstākas tīrības pakāpes lodītes sākotnēji izmaksāja aptuveni par 35 % vairāk, taču, tā kā filtrējošo materiālu patēriņš samazinājās par vairāk nekā pusi un mēs atcēlām papildu magnētiskās atdalīšanas posmu turpmākajā procesā, kopējās izmaksas par tonnu gatavā šlipa ar 99 % tīrības pakāpi bija par 22 % zemākas.

Līdzīgas tendences novērojām arī attiecībā uz krāsns piederumiem. Ātrapiedeguma porcelāna flīžu krāsnī, kurā notiek 1 220 °C cikli, 95 % alumīnija oksīda plāksnes pēc 150 cikliem uzrādīja vidēju svara zudumu 0,8 %, savukārt salīdzināmās kordierīta plāksnes zaudēja 3,4 % un sāka nosēsties. Alumīnija oksīda plāksnes arī vienmērīgāk pārvadīja siltumu, kas samazināja temperatūras svārstības kravas apjomā par aptuveni 15 °C un uzlaboja apdedzināšanas vienveidību.

Praktiskas atziņas, kas gūtas ilgtermiņa lietošanas laikā

Ne visām lietojumam ir nepieciešama visaugstākā tīrība. Daudzām nodiluma detaļām un vispārējām krāsns iekārtām 92–95 % alumīnija oksīds nodrošina vislabāko līdzsvaru starp veiktspēju un izmaksām. Temperatūrās virs 1 400 °C reducējošā vidē vai gadījumos, kad nepieciešama ārkārtīgi augsta izturība pret termisko šoku, dažkārt ir nepieciešams izmantot ar cirkoniju pastiprinātu alumīnija oksīdu vai citus kompozītmateriālus. Alumīnija oksīds ir arī trausls; trieciens no nokritušiem tērauda darbarīkiem vai metāla piemaisījumiem malšanas iekārtā var izraisīt atlūzumus, tāpēc joprojām ir ļoti svarīga kārtība telpās un pareizas iekraušanas procedūras.

Pieredze liecina, ka vislielākie ieguvumi rodas tad, kad komandas pārstāj uzskatīt alumīnija oksīda keramiku par tiešu aizvietotāju un tā vietā pārprojektē atbalsta sistēmu, ņemot vērā materiāla stiprās puses. Augstākas karstuma izturības dēļ bieži vien ir iespējams izmantot plānākas sekcijas, kas samazina termisko masu un saīsina uzsildīšanas un atdzesēšanas laiku. Pareizs krāsns piederumu izvietojums, kas novērš punktveida slodzes un nodrošina vienmērīgu izplešanos, arī ievērojami pagarina kalpošanas laiku.

Alumīnija oksīda keramika nekad nebūs lētākais risinājums plauktā, taču vidēs, kur dīkstāves, piesārņojums vai bieža nomaiņa rada reālas izmaksas, tā joprojām nodrošina izmērāmu atdevi. Tie uzņēmumi, kas seko līdzi faktiskajam ekspluatācijas ilgumam, nodiluma rādītājiem un tālākajām sekām, nevis tikai pirkuma cenai, ir tie, kas vissvarīgākajiem uzdevumiem atkal un atkal izvēlas alumīnija oksīdu. Ja apstākļi ir piemēroti, tas joprojām ir viens no uzticamākajiem materiāliem, kas nodrošina augsttemperatūras un liela nodiluma procesu drošu darbību gadu no gada.