لماذا مسحوق الألومينا عالي النقاء الخاص بك؟
تُعتبر مادة «ميلز» نظيفة في المختبر، لكنها تتسبب في ظهور نقاط ضعيفة في أفران الإنتاج

لقد أمضيت اثني عشر عامًا في مراقبة سلوك مسحوق الألومينا عالي النقاء، حيث يتصرف بطريقة معينة على طاولة المختبر، وبطريقة أخرى بمجرد وصوله إلى مطحنة وفرن الإنتاج الفعليين. والمفاجأة الأكثر شيوعًا ليست حجم الجسيمات المذكور في الشهادة، بل الطريقة التي يظهر بها الصوديوم المتبقي وطريقة تحميص المسحوق على شكل نقاط ضعف أو انكماش غير متساوٍ بعد الحرق.

تتراوح نسبة Na₂O في معظم مساحيق الألومينا عالية النقاء المستخدمة في صناعة السيراميك عالي المحتوى من الألومينا ووسائط الطحن بين 0.1% و0.4%. تبدو هذه النسبة ضئيلة إلى أن تلاحظ ما يحدث عند درجات حرارة تزيد عن 1550 درجة مئوية. فارتفاع نسبة الصوديوم يعزز عملية التلبيد في الطور السائل عند درجات حرارة منخفضة، وهو ما يبدو مفيدًا إلى أن يبدأ الطور السائل في إذابة الألومينا ثم يعيد ترسيبها على شكل حبيبات مبالغ في حجمها. وتترك هذه الحبيبات الكبيرة مسامات لا تنغلق، مما يؤدي في النهاية إلى ظهور مناطق محلية لينة تتجلى في شكل صلابة منخفضة أو تآكل مبكر.

القيم المختبرية التي قمنا بقياسها فعليًّا

في العام الماضي، أجرينا مقارنة جنبًا إلى جنب بين نوعين من مسحوق الألومينا المكلس المتاح تجاريًّا، وكلاهما يحتوي اسميًّا على 99.5% من Al₂O₃، وكلاهما بقيمة d50 تتراوح بين 1.2 و1.5 ميكرومتر. احتوى المسحوق «أ» على 0.08% من Na₂O؛ بينما احتوى المسحوق «ب» على 0.28% من Na₂O. قمنا بضغط أقراص بقطر 50 مم عند ضغط 100 ميجا باسكال، ثم قمنا بتحميصها عند درجة حرارة 1580 درجة مئوية لمدة ساعتين في الهواء.

بلغت كثافة المسحوق «أ» 3.82 جم/سم³ (حوالي 96% من القيمة النظرية) مع حجم حبيبات متجانس نسبيًّا أقل من 5 ميكرومتر. وبلغت كثافة المسحوق «ب» 3.75 جم/سم³، وأظهرت حبيبات متناثرة يزيد حجمها عن 20 ميكرومتر بالإضافة إلى مجموعات من المسامية المغلقة. بلغ متوسط صلابة فيكرز على المقاطع المصقولة 1680 HV للمسحوق A و1490 HV للمسحوق B، حيث كانت القراءات المنخفضة في المسحوق B تقع دائمًا بجوار الحبيبات الكبيرة. ظل امتصاص الماء في أقراص «ب» عند 0.4٪، بينما كان أقل من 0.1٪ في «أ». هذه الاختلافات ليست كبيرة عند اختبار عينة واحدة، لكنها تظهر بسرعة عند تصنيع وسائط الطحن أو قطع التآكل التي يجب أن تحافظ على حجمها تحت الحمل.

كيف كان الوضع داخل المصنع

كان أحد العملاء الذي يصنع كرات طحن عالية المحتوى من الألومينا يعاني من ظهور كرات لينة بشكل متقطع — حيث كانت قراءات الصلابة تنخفض بمقدار 150–200 HV عن بقية الدفعة، ودائمًا في نفس المواقع داخل عربة الفرن. وكانوا يستخدمون مسحوق ألومينا تفاعليًّا محددًا بنسبة ≤0.2% Na₂O. وعندما قمنا بفحص الدفعات الفعلية الواردة، تبين أن ثلاث دفعات من أصل خمس تحتوي على نسبة تتراوح بين 0.24 و0.31%. وكان المطحنة نفسها عبارة عن مطحنة كروية تعمل بنظام الدُفعات بطول 1.5 متر، محشوة بوسائط من الألومينا بنسبة 92%، وتقوم بطحن مسحوق الألومينا مع كمية صغيرة من المادة الرابطة العضوية لمدة 6 ساعات. كانت درجة حرارة الملاط في الموقع تتراوح بين 35 و40 درجة مئوية، وكانوا يحققون قيمة d50 نهائية تبلغ حوالي 0.8 ميكرومتر. ولم يبدُ أن هناك أي خلل في المطحنة.

ظهرت المشكلة بعد عملية الحرق. فقد تم تلبيد الدفعات ذات المحتوى الأعلى من الصوديوم بشكل أسرع على السطح الخارجي للكرة، في حين تأخر تلبيد اللب، مما أدى إلى ظهور تدرج في الكثافة. قمنا بتقطيع بعض الكرات “اللينة” ووجدنا نفس نمط الحبيبات الكبيرة والمسامية المتبقية الذي رأيناه في الأقراص المختبرية. وبمجرد تشديد الحد الأقصى المسموح به لـ Na₂O الوارد إلى ≤0.12% وإضافة فترة انتظار مدتها 30 دقيقة عند 1200 درجة مئوية أثناء ارتفاع درجة الحرارة للسماح لمسحوق الألومينا بالتوازن، انخفضت الشكاوى المتعلقة بالكرات اللينة انخفاضًا حادًا. لم يتغير وقت الطحن في المطحنة ومعدل تآكل الوسائط؛ وكان الاختلاف الحقيقي الوحيد هو التركيب الكيميائي للمسحوق وتعديل بسيط في جدول التسخين.

ما يهم حقًّا في قاعة الجلسات

لا يزال توزيع حجم الجسيمات أمرًا مهمًا، لكنه نادرًا ما يكون أول ما يثير المشاكل في الألومينا المكلسة الحديثة. يمكن لمعظم الموردين تحقيق قيمة d50 ثابتة. أما المتغيرات الأكثر تقلبًا فهي مستوى الصوديوم، ودرجة التكتل المتبقية بعد التكليس، ونسبة المسحوق التفاعلي فعليًّا مقارنةً بالألومينا ألفا الصلبة. فمسحوق الألومينا المكلس الذي يبدو جيدًا عند تحليله باستخدام جهاز تحليل حجم الجسيمات بالليزر قد يحتوي مع ذلك على تكتلات صلبة لا تتفكك تمامًا خلال دورة طحن مدتها 6 ساعات، خاصةً إذا كان الطاحن يعمل بدرجة حرارة منخفضة قليلاً أو كانت وسائط الطحن متآكلة.

إذا كنت تقوم بضغط أو صب الأجزاء بالانزلاق التي تتطلب صلابة موحدة بعد التلبيد، فأنا أتحقق من ثلاثة أمور قبل أن أقلق بشأن وقت الطحن: نسبة Na₂O الفعلية المذكورة في الشهادة (وليس القيمة النموذجية)، مساحة السطح وفقًا لطريقة BET (عادةً ما تعني المساحة الأكبر تفاعلًا أكبر، ولكنها تعني أيضًا احتمالًا أكبر لتكوّن التكتلات)، واختبار كثافة سريع بعد الحرق على المنتج الخاص بك بدلاً من الاعتماد فقط على بيانات المورد. غالبًا ما تظهر الفجوة بين المختبر والمصنع في القطعة المحروقة، وليس في الملاط المطحون.

يُعتبر مسحوق الألومينا المُكلس أمرًا بسيطًا إلى أن تصطدم الاختلافات الكيميائية الطفيفة بجدول تشغيل الفرن الفعلي. وبمجرد أن تلاحظ نفس نمط النقاط الضعيفة في كل من الأقراص المختبرية والكرات الإنتاجية، تتوقف عن التعامل مع قيمة Na₂O باعتبارها مجرد معلومات أساسية.