آلومینای سفید ذوب‌شده (WFA) یک ماده اولیه حیاتی در تولید بسیاری از سرامیک‌های فومی با کارایی بالا است.
آلومینای سفید ذوب شده (WFA) چیست؟
اول، یک تعریف سریع: آلومینای سفید ذوب‌شده یک ماده مصنوعی است که با ذوب آلومینای کلسینه شده با خلوص بالا (Al₂O₃) در کوره قوس الکتریکی در دمای بیش از 2000 درجه سانتیگراد تولید می‌شود. سپس خنک، خرد شده و به اندازه‌های مختلف دانه‌بندی می‌شود. ویژگی‌های کلیدی آن عبارتند از:
خلوص بالا: معمولاً >99% Al₂O₃.
سختی بالا: 9.0 در مقیاس موهس.
دیرگدازی عالی: نقطه ذوب بالا (حدود ۲۰۵۰ درجه سانتیگراد).
بی‌اثری شیمیایی خوب: مقاوم در برابر اسیدها و قلیاها.
اندازه دانه کنترل شده: می‌توان آن را به طور دقیق آسیاب و الک کرد.
چرا از WFA در سرامیک‌های فومی استفاده می‌شود؟
سرامیک‌های فومی ساختارهای بسیار متخلخل و سبکی هستند که عمدتاً به عنوان فیلتر (برای فلزات مذاب) و مواد عایق استفاده می‌شوند . الزامات این کاربردها کاملاً با خواص WFA مطابقت دارد:
مقاومت در برابر دمای بالا: سرامیک‌های فومی که برای فیلتر کردن آلومینیوم، آهن یا فولاد مذاب استفاده می‌شوند، باید در برابر دماهای بسیار بالا (700 تا 1600 درجه سانتیگراد) بدون نرم شدن یا تخریب مقاومت کنند. دیرگدازی بالای WFA آن را به گزینه‌ای ایده‌آل تبدیل می‌کند.
بی‌اثر بودن شیمیایی: این ماده نباید با فلز مذابی که فیلتر می‌شود واکنش دهد. WFA بسیار پایدار است و ناخالصی‌ها را وارد مذاب نمی‌کند.
مقاومت در برابر شوک حرارتی: گرادیان حرارتی ناگهانی هنگام غوطه‌ور کردن فیلتر در فلز مذاب می‌تواند باعث ترک خوردن مواد نامرغوب شود. فرمولاسیون خاص دوغاب سرامیکی (شامل WFA و چسب‌ها) برای کاهش این امر طراحی شده است و خواص ذاتی WFA به ایجاد یک ساختار مستحکم کمک می‌کند.
تخلخل و ساختار کنترل‌شده: ساختار فوم (اندازه منافذ، شکل و میزان باز بودن) برای کارایی فیلتراسیون آن بسیار مهم است. دانه‌های WFA اسکلت محکم و سفتی را فراهم می‌کنند که این ساختار را در شرایط سخت حفظ می‌کند.
مقاومت مکانیکی بالا: فیلتر باید در برابر نیروهای فرسایشی و مکانیکی جریان فلز مذاب مقاومت کند. سختی بالای WFA تضمین می‌کند که فیلتر شکل خود را حفظ کرده و ذرات را از خود جدا نمی‌کند.
چگونه از WFA در فرآیند تولید سرامیک فومی استفاده می‌شود؟
رایج‌ترین روش برای ساخت سرامیک‌های فومی، روش اسفنج پلیمری کپی است . در اینجا نحوه‌ی استفاده از WFA در این فرآیند آورده شده است:
آماده‌سازی دوغاب: پودرهای ریز آلومینای سفید ذوب‌شده (و اغلب افزودنی‌های دیگر مانند چسب‌ها، خاک رس و کمک‌های پخت) با آب مخلوط می‌شوند تا یک دوغاب چسبناک و خامه‌ای تشکیل شود. توزیع اندازه ذرات WFA بسیار مهم است – باید به اندازه کافی ریز باشد تا فوم پلیمری را به طور یکنواخت بپوشاند، اما همچنین حاوی دانه‌های درشت‌تری باشد تا به ایجاد یک ساختار قوی کمک کند.
اشباع‌سازی: یک فوم پلیمری سلول باز (مثلاً پلی‌اورتان) با ساختار منافذ مورد نظر (مثلاً 10، 20، 30 PPI – منافذ در هر اینچ) در دوغاب فرو برده می‌شود. این فوم بارها فشرده و رها می‌شود تا اطمینان حاصل شود که دوغاب WFA تمام پایه‌های شبکه پلیمری را به طور کامل پوشانده است.
حذف اضافی: فوم آغشته شده از غلتک‌ها عبور داده می‌شود یا سانتریفیوژ می‌شود تا دوغاب اضافی آن حذف شود. این یک مرحله بسیار مهم برای اطمینان از باز ماندن سلول‌ها (منافذ) در حالی است که ستون‌ها (دیواره‌های سرامیکی) کاملاً پوشش داده شده‌اند.
خشک کردن: فوم روکش‌دار به آرامی خشک می‌شود تا آب آن بدون ترک خوردن پوشش سرامیکی خارج شود.
سوختن پلیمر: قطعه خشک شده تا دمای متوسط (حدود ۵۰۰ تا ۸۰۰ درجه سانتیگراد) گرم می‌شود تا به آرامی بسوزد و قالب فوم پلیمری از بین برود. این یک ماکت سرامیکی شکننده و متخلخل باقی می‌گذارد.
- پخت در دمای بالا (ذوب شدن): سپس قطعه در دمای بسیار بالا (معمولاً ۱۴۵۰ تا ۱۶۵۰ درجه سانتیگراد) پخته می‌شود. در این مرحله، ذرات WFA زینتر می‌شوند – آنها در مرزهای خود بدون ذوب کامل به هم جوش می‌خورند – و یک اسکلت سرامیکی قوی، یکپارچه و بسیار نسوز تشکیل می‌دهند.
مشخصات کلیدی WFA برای سرامیک‌های فومی
هنگام تهیه WFA برای این کاربرد، تولیدکنندگان به دنبال موارد زیر هستند:
خلوص (% Al₂O₃): ≥ 99.0% استاندارد است. ناخالصی‌هایی مانند سود (Na₂O) می‌توانند دیرگدازی را کاهش داده و بر پخت تأثیر بگذارند.
اندازه دانه (مش/ظرافت): معمولاً به صورت پودرهای ریز آسیاب می‌شوند. توزیع‌های رایج عبارتند از F240، F280، F320 و حتی ریزتر (مقادیر d50 برابر با 20 تا 50 میکرون). اغلب ترکیبی از اندازه‌های دانه برای چگالی بهینه بسته‌بندی و رئولوژی دوغاب استفاده می‌شود.
شیمی: محتوای کم Fe₂O₃، SiO₂ و Na₂O برای تضمین عملکرد در دمای بالا و جلوگیری از آلودگی فلزات فیلتر شده بسیار مهم است.