Alumīnija oksīda izolators: materiāls, kas izturēja tur, kur porcelāns nepārtraukti cieta neveiksmes

Lielas keramikas flīžu rūpnīcas paplašināšanas sākumposmā inženieru komanda saskārās ar atkārtotu problēmu. Augstsprieguma izolatori, kas atbalsta sildelementus rullveida krāsnīs, sabojājās satraucoši bieži. Sākotnējie porcelāna izolatori kalpoja tikai 8 līdz 14 mēnešus, pirms uz tiem parādījās plaisas vai virsmas izlādes ceļi, kas izraisīja elektriskas kļūdas un lika veikt neplānotas apstādināšanas. Katra bojājuma gadījums nozīmēja ražošanas zaudējumus un dārgas avārijas nomaiņas. Pēc tam, kad bija izmēģināti vairāki dažādi porcelāna veidi, taču reāla uzlabojuma nebija, mēs nolēmām tajās pašās krāsns sekcijās pārbaudīt 95 % alumīnija oksīda izolatorus.

Alumīnija oksīda izolatori tiek izgatavoti no saķepināta alumīnija oksīda, parasti ar tīrības pakāpi no 92 % līdz 99,5 %. Jo augstāks ir alumīnija oksīda saturs, jo labāka ir elektriskās izolācijas, mehāniskās izturības un izturības pret augstām temperatūrām kombinācija. Šīs detaļas tiek veidotas, izmantojot sauso presēšanu vai izostātisko presēšanu, un apdedzinātas temperatūrās virs 1500 °C. Blīvā mikrostruktūra nodrošina tām izcilu dielektrisko izturību un spēju izturēt termiskos ciklus, kas daudzas citas keramikas materiālus iznīcinātu.

Lauka salīdzinājums, kas mainīja specifikāciju

Mēs uzstādījām saskaņotus 95 % alumīnija oksīda un augstas kvalitātes porcelāna izolatoru komplektus blakus esošajās vienas un tās pašas krāsns zonās. Abi komplekti darbojās identiskos apstākļos: nepārtraukta ekspluatācija 1180–1220 °C temperatūrā ar biežām termiskām ciklām krāsns iedarbināšanas un izslēgšanas laikā. Pēc 24 mēnešiem mēs reģistrējām šādus rezultātus:

• Porcelāna izolatori: 37 % bojājumu rādītājs. Lielākā daļa bojājumu bija saistīta ar termiskā šoka izraisītiem plīsumiem vai virsmas izlādes veidošanos, kas izraisīja pārspriegumu. Vidējais ekspluatācijas laiks līdz nomaiņai bija 11 mēneši. Vairākiem izolatoriem jau pēc 6 mēnešiem bija redzami glazūras bojājumi un palielināta noplūdes strāva.
• 95 % alumīnija oksīda izolatori: 4 % bojājumu rādītājs. Nedaudzās bojājumu gadījumi bija saistīti ar mehānisku triecienu apkopes laikā, nevis ar materiāla nolietošanos. Vidējais ekspluatācijas laiks pārsniedza 28 mēnešus, un daudzas vienības izmēģinājuma beigās joprojām bija teicamā stāvoklī. Noplūdes strāva saglabājās stabila, un pat pēc atkārtotiem termiskajiem cikliem netika novērota virsmas izlāde.

Atšķirība dīkstāves laikā bija ievērojama. Krāsns sekcijās, kas bija aprīkotas ar alumīnija oksīda izolatoriem, testa perioda laikā bija nepieciešamas tikai divas plānotas izolatoru nomainīšanas, savukārt porcelāna sekcijās bija nepieciešamas 14 nomainīšanas. Aprēķinot kopējās izmaksas, ieskaitot ražošanas zaudējumus, nomaiņas darbaspēku un rezerves daļas, alumīnija oksīda izolatori nodrošināja par 63 % zemākas izmaksas uz vienu ekspluatācijas mēnesi, neskatoties uz to augstāko sākotnējo iegādes cenu.

Kāpēc alumīnija oksīds nodrošina labākus rezultātus sarežģītos apstākļos

Alumīnija oksīda siltuma izplešanās koeficients ir zemāks un stabilāks nekā lielākajai daļai porcelāna veidu, kas samazina iekšējās spriedzes straujas sasilšanas un atdzišanas laikā. Tā augstāka siltumvadītspēja arī palīdz izkliedēt lokālus karstuma punktus. Elektrisko īpašību ziņā 95 % alumīnija oksīds parasti nodrošina dielektrisko izturību virs 15 kV/mm un tilpuma pretestību, kas istabas temperatūrā ir ievērojami virs 10¹⁴ Ω·cm — šie rādītāji paliek stabili arī paaugstinātās temperatūrās, kurās porcelāns sāk sabrukt.

Vēl vienā projektā, kas saistīts ar aizdedzes svecīšu izolatoriem rūpnieciskajiem gāzes dzinējiem, mēs salīdzinājām 99 % alumīnija oksīdu ar tradicionālu steatīta korpusu. Pēc 8 000 stundu nepārtrauktas darbības maksimālās temperatūras apstākļos, kas tuvinājās 850 °C, alumīnija oksīda izolatoriem netika novērots izmērāms izolācijas pretestības kritums, savukārt steatīta detaļās bija izveidojušās mikroplaisas un noplūdes strāva bija palielinājusies par 40 %. Ar alumīnija oksīda izolatoriem aprīkotie dzinēji darbojās arī ar mazāku aizdedzes kļūdu skaitu un tiem bija nepieciešama retāka apkope.

Praktiski apsvērumi, kas gūti reālu instalāciju pieredzē

Ne visām lietojumprogrammām ir nepieciešams augstākais tīrības pakāpes līmenis. Daudzos krāsns un cepļos izmantošanas gadījumos 92–95 % alumīnija oksīds nodrošina labāko līdzsvaru starp veiktspēju un izmaksām. Temperatūrās virs 1300 °C vai spēcīgi reducējošā vidē ir nepieciešams 99 % vai pat 99,5 % alumīnija oksīds. Alumīnija oksīds ir trausls, tāpēc uzstādīšanas laikā ir ļoti svarīgi rīkoties uzmanīgi — detaļas nometšana vai nevienmērīga griezes momenta pielietošana uzstādīšanas detaļām var izraisīt slēptus plīsumus, kas parādās tikai vēlāk ekspluatācijas laikā.

Pieredze liecina, ka vislielākie uzlabojumi tiek panākti tad, ja vienlaikus ar izolatora materiālu tiek pārskatīta visa atbalsta sistēma. Pareizs attālums, punktu slodžu novēršana un elastīgu starplikas vai atsperu izmantošana bieži vien vēl vairāk pagarina kalpošanas laiku. Joprojām ir svarīgi regulāri pārbaudīt, vai uz virsmas nav piesārņojuma vai mehānisku bojājumu, lai gan augsttemperatūras vidē alumīnija oksīds parasti prasa daudz mazāku uzmanību nekā porcelāns.

Alumīnija oksīda izolatori nav lētākais risinājums tirgū, taču lietojumos, kur uzticamība tieši ietekmē ražošanas apjomu vai drošību, tie pastāvīgi nodrošina zemākas kopējās ekspluatācijas izmaksas. Tie uzņēmumi, kas ņem vērā faktisko kalpošanas laiku un bojājumu veidus, nevis tikai sākotnējo cenu, galu galā izvēlas alumīnija oksīdu kā standarta risinājumu savām vissvarīgākajām elektriskās izolācijas vajadzībām. Ja ekspluatācijas apstākļi ietver atkārtotus termiskos ciklus, augstu spriegumu un garus apkopes intervālus, alumīnija oksīds ir atkārtoti pierādījis, ka tas ir materiāls, kas nodrošina sistēmu nepārtrauktu darbību, nevis kļūst par nākamo galvassāpju avotu apkopes jomā.