دراسة حالة: تكسير بوتقات الألومينا في التجفيف في درجات الحرارة العالية

مقدمة

أبلغ أحد العملاء عن تعطل كامل لدفعة من بوتقات الألومينا الكبيرة أثناء عمليات التجفيف في درجات الحرارة العالية. تم استخدام البوتقات، التي كانت مخصصة في الأصل كمكونات عازلة، لحمل مواد المسحوق أثناء التسخين. وبمجرد تعريضها للتغيرات السريعة في درجات الحرارة والبخار، انكسرت البوتقات.

بعد مراجعة عملية العميل، حدد المهندسون في Stanford Advanced Materials (SAM) الصدمة الحرارية في بيئة رطبة باعتبارها السبب الجذري. وعلى الرغم من أن الألومينا، رغم مقاومتها العالية لدرجات الحرارة، إلا أنها ليست مثالية للتطبيقات التي تنطوي على البخار والتسخين السريع. اقترحت شركة SAM العديد من المواد البديلة، مما ساعد العميل في النهاية على الانتقال إلى حل يتمتع باستقرار حراري أفضل.

الخلفية

كان العميل يستخدم بوتقات الألومينا عالية النقاء، مستفيدًا من مقاومتها الحرارية العالية (تصل إلى 1750 درجة مئوية). ومع ذلك، كانت البوتقات المستخدمة في الممارسة العملية معرضة لجو فرن عالي الحرارة مع كميات كبيرة من البخار. وتضمنت العملية تسخين المواد المسحوقة فوق 1000 درجة مئوية لطرد الرطوبة.

أدخل هذا الإعداد عاملي إجهاد:

• تدرجات حرارية عالية بسبب التسخين والتبريد السريع

• التلامس المنتظم مع بخار الماء الذي يعمل بشكل مختلف على بعض أنواع السيراميك

على الرغم من أن الألومينا تتمتع بخصائص كيميائية وميكانيكية جيدة، إلا أن مقاومتها السيئة للصدمات الحرارية - خاصة في الظروف الرطبة - تجعلها عرضة للتشقق. جاءنا العميل وطلب منا بوتقة تقاوم الحرارة وكذلك الرطوبة دون المساس بالبنية.

توضيح بيئة التطبيق

من خلال التواصل المفتوح مع الفريق التقني للعميل، اكتسبت SAM معلومات واسعة حول العملية:

• ظروف الفرن: منحدرات درجة حرارة عالية، تتجاوز 1000 درجة مئوية، مع وجود إمدادات مستمرة من بخار الماء
• الدور الوظيفي: البوتقات المستخدمة ليس فقط كحاويات، ولكن كأوعية معالجة مباشرة في عملية تجفيف مستمرة
• نمط الفشل: بدأت التشققات والفشل الكارثي في الكشف عن نفسها في دورات التسخين المبكرة
• متطلبات المواد: قوة درجة الحرارة، ومقاومة الصدمات الحرارية، والاستقرار الكيميائي في البخار

وبناءً على ذلك، أصبح من الواضح أن الألومينا القياسية كانت تتجاوز حدود تصميمها في حالة الاستخدام المحددة هذه.

مقارنة المواد واختيار المواد

المواد	نقاط القوة	القيود
الألومينا (Al₂O₃)	- يمكن أن تتحمل حتى 1800 درجة مئوية - قوة ميكانيكية جيدة - مقاومة للتآكل كيميائياً	- عرضة للصدمات الحرارية - حساس حرارياً للتعرض للبخار - هش، يتشقق في درجات الحرارة القصوى
زركونيا (ZrO₂)	- مقاومة أفضل بكثير للصدمات الحرارية - نقطة انصهار عالية للغاية (~ 2700 درجة مئوية) - خامل للمواد الكيميائية في البخار	- أعلى تكلفة - أصعب في التصنيع الآلي - مهلة زمنية أطول للأجزاء المخصصة
نيتريد البورون النيتريد التحليلي الحراري (PBN)	- قدرة تحمل منخفضة للتدوير الحراري - غير نشط في البخار أو الأجواء القاسية - مستقرة في ظروف درجات الحرارة العالية	- باهظة الثمن - يتطلب تصنيعًا مخصصًا للأحجام الكبيرة

التوصية والتنفيذ

بعد النظر في أداء المواد والتكلفة والمهلة الزمنية، قدمت SAM عددًا من البدائل. ثم اختار العميل بعد ذلك نيتريد البورون النيتريد التحليلي الحراري (PBN). لا يمتص PBN الماء، على عكس الألومينا، وتستجيب بنيته المجهرية للطبقات للإجهاد الحراري بشكل جيد. وعلى الرغم من أن التكلفة الأولية لكل بوتقة كانت أعلى، إلا أن العميل قدّر الموثوقية طويلة الأجل واستمرارية العملية على حساب الاقتصاديات قصيرة الأجل.

وأشارت ليزا روس، كبيرة المهندسين في SAM، إلى أن

"لم يكن هدفنا مجرد اقتراح مادة أقوى، بل كان هدفنا مطابقة البوتقة لظروف الضغط المحددة. وتناسب PBN هذه الحالة بشكل مثالي - فالحرارة والرطوبة والدورات المتكررة هي التي تزدهر فيها."

ملاحظات العميل

بعد عدة أسابيع من الاستخدام، أبلغ العميل عن:

• عدم وجود تشقق أو تشوه في ظل الدورات الحرارية المتكررة
• ثقة أكبر في تشغيل خطوات الجفاف في درجات الحرارة العالية
• انقطاعات أقل في العملية واتساق أفضل عبر الدفعات

"لم يكن لدينا أي فكرة أن الغلاف الجوي يمكن أن يؤثر على البوتقات بهذا القدر. لم تكتفِ شركة SAM بتحديد المشكلة بدقة، بل أرشدتنا إلى خيارات متعددة من المواد حتى وصلنا إلى الخيار الصحيح. وكان التحسن فوريًا."

الخلاصة

إن اختيار المواد ليس مجرد مسألة تصنيفات درجة الحرارة - بل اختيار الإعدادات الكلية: الغلاف الجوي، ومعدل الدورة، والتعرض الكيميائي، والإجهاد الميكانيكي.

هنا، كان السيراميك-الألومنيوم القياسي عالي الحرارة - الألومنيوم - يتدهور بشدة من التعرض للبخار والصدمة الحرارية. ومن خلال التبديل إلى مادة أكثر ملاءمة، تخلص العميل من نقاط الفشل، وقلل من وقت التعطل، وحسّن استقرار العملية.

Stanford Advanced Materials قدمت أكثر من مجرد مادة، فقد ساعدنا العميل على إعادة التفكير في كيفية تفاعل البوتقات مع بيئة المعالجة. هذا هو الفرق بين التوريد والحل.

هل أنت مستعد للعمل معنا؟ أرسل استفسارًا اليوم.

انظر أيضًا فئة البوتقات لدينا هنا.