Introdução: A revolução do equipamento central da indústria cerâmica

Os materiais cerâmicos, devido às suas excelentes propriedades de alta temperatura, resistência à corrosão e alta resistência, ocupam um lugar insubstituível desde os utensílios tradicionais ao espaço aéreo moderno e a informação eletrônica. O desempenho dos produtos de cerâmica é bom e mau, o núcleo depende do processo chave de "sinterização" - a densificação, a cristalização e o crescimento de grãos de partículas de pó de cerâmica através do efeito de alta temperatura, o processo de estrutura estável e desempenho do produto acabado. O forno de sinterização de cerâmica como o equipamento central para a realização deste processo, após a iteração tecnológica do forno de terra tradicional, forno de carvão para o forno moderno de controle de temperatura inteligente, agora se desenvolveu como um equipamento de precisão com controle de alta temperatura, regulação atmosférica e velocidade de controle de precisão, determinando diretamente a densidade, a força, a resistência ao desgaste e outros indicadores principais dos produtos de cerâmica, tornando-se o apoio chave para a indústria de cerâmica para o desenvolvimento de alto desempenho, versátil e químico. Desde a produção em massa de cerâmicas domésticas até o processamento personalizado de cerâmicas especiais para uso aeroespacial, os fornos de sinterização de cerâmica sempre foram os "forjadores de alta temperatura" na cadeia industrial da cerâmica.

Princípio básico: mistério da densificação da cerâmica a altas temperaturas

A essência da sinterização de cerâmica é usar a alta temperatura para ativar a capacidade de difusão atômica das partículas de pó de cerâmica, através da migração de matéria entre partículas, fusão de contato e eliminação de poros, para alcançar a transição de pó solto para cerâmica densa, seu processo central envolve três principais mecanismos físicos e químicos, e o projeto do forno de sinterização é em torno desses mecanismos para regular com precisão as condições ambientais:

Contato de partículas e adesão: o corpo vazio de cerâmica (moldado por pó de cerâmica e ligantes, dispersores, etc.) entra no forno de sinterização, com o aumento da temperatura, a energia cinética atômica da superfície da partícula de pó aumenta, o ponto de contato entre partículas ocorre adesão, formando a estrutura de conexão inicial do pescoço, para que o corpo vazio se solidifique inicialmente. Esta fase depende principalmente do efeito de difusão da superfície, o forno de sinterização precisa fornecer uma taxa de aquecimento estável (geralmente de 5-50 ° C / min), para evitar que o aquecimento excessivamente rápido leve à fissura do corpo vazio.

Densificação e eliminação de poros: quando a temperatura sobe para a temperatura de sinterização do material cerâmico (geralmente 0,5-0,8 vezes o ponto de fusão do material), a taxa de difusão atômica aumenta significativamente, o pescoço das partículas continua a crescer, os poros vazios dentro do corpo vazio são gradualmente preenchidos e excluídos, a contração do volume e a densidade aumenta significativamente (a densidade aumenta de 50% -60% inicial para mais de 95%). Esta fase é a chave para determinar o desempenho da cerâmica, o forno de sinterização precisa controlar com precisão a uniformidade da temperatura (diferença de temperatura ≤ ± 5 ° C) para evitar o sobreaquecimento local ou a desigualdade de desempenho causada pela temperatura insuficiente.

Crescimento de grãos e estabilidade estrutural: na fase de isolamento de alta temperatura, os grãos de cerâmica crescem e otimizam através da migração do limite cristalino, formando uma estrutura cristalina estável (como a estrutura de corundum, a estrutura de pedra espiral, etc.), tornando a cerâmica com propriedades mecânicas, elétricas ou termológicas específicas. Neste momento, o controle da atmosfera no forno de sinterização é essencial - por exemplo, a atmosfera de oxidação elimina os ligantes orgânicos do corpo vazio, a atmosfera de redução impede a oxidação da cerâmica de óxidos metálicos e o ambiente de vácuo reduz a interferência do gás no crescimento do grão.

Em suma, a missão principal do forno de sinterização de cerâmica é fornecer um ambiente densificado para os vazios de cerâmica através do controle preciso da "curva de temperatura" (taxa de aquecimento-isolamento-resfriamento), "ambiente atmosférico" (ar, gás inerte, gás redutor, vácuo) e "condições de pressão" (pressão normal, alta pressão), para finalmente alcançar produtos finais de cerâmica com desempenho controlado.

Estrutura básica e classificação:

Sistema de aquecimento: o "núcleo de fonte de calor" do forno é responsável por fornecer um ambiente estável e uniforme de alta temperatura. De acordo com os diferentes elementos de aquecimento podem ser divididos em: 1 aquecimento de resistência (os componentes comuns são barras de silício e molibdeno, barras de carbono de silício e fios de liga de cromo e níquel, a gama de temperatura aplicável é de 800 a 1800 ° C, amplamente utilizado na sinterização de cerâmica a alta e média temperatura); ② Aquecimento por indução (uso de indução eletromagnética para gerar aquecimento de fluxo turbulento, taxa de aquecimento rápida, boa uniformidade de temperatura, aplicável a sinterização a alta temperatura de 1200-2200 ℃, como processamento de cerâmica especial); Aquecimento de microondas (através da vibração atómica interna do corpo vazio excitada por microondas, alta eficiência de aquecimento, poupança de energia e proteção ambiental, aplicável a 600-1600 ℃, especialmente adequado para sinterização de cerâmica fina); Aquecimento a gás (gás natural, gás licuado como combustível, baixo custo, aquecimento rápido, adequado para produção diária em massa de cerâmica, gama de temperatura de 800-1300 ℃).

Isolamento e estrutura do forno: a chave para garantir a estabilidade da temperatura no forno e reduzir a perda de calor. O material do forno deve ter resistência a altas temperaturas e baixa condutividade térmica, fibra de óxido de alumínio comumente usada, fibra de molite, feltro de grafito, etc. (feltro de grafito é adequado para fornos de alta temperatura de vácuo ou atmosfera inerte); A carcaça do forno usa chapa de aço laminada a frio, preenchimento intermediário de materiais de isolamento, alguns fornos também possuem vias de água de resfriamento para alcançar o resfriamento rápido e a proteção do forno.

Sistema de controle de atmosfera: para as necessidades de sinterização de diferentes materiais cerâmicos para ajustar o ambiente de gás no forno, os componentes principais incluem tanques de armazenamento de gás, medidores de fluxo, válvulas, dispositivos de vedação, etc. Os tipos de atmosfera disponíveis são: atmosfera de ar (sem controle adicional, aplicável a cerâmicas oxidadas, como cerâmicas de óxido de alumínio); Atmosfera inerte (argônio, nitrogênio, para evitar a oxidação de cerâmicas metálicas ou cerâmicas não óxidas, como cerâmicas de nitreto de silício); Atmosfera de redução (hidrogênio, monóxido de carbono, aplicável à sinterização de redução de cerâmica contendo óxidos metálicos, como cerâmica de carboneto de tungstênio); Ambiente de vácuo (pressão ≤ 10-3 Pa, reduzir o efeito das impurezas de gás na sinterização, melhorar a pureza da cerâmica, aplicável à cerâmica eletrônica).

Sistema de controle e detecção de temperatura: Controle preciso da temperatura e monitoramento em tempo real, composto por sensores de temperatura (termopar, termómetro infravermelho), instrumentos de controle de temperatura (controlador PID, sistema PLC), registradores. A precisão de controle de temperatura do forno sinterizado moderno pode chegar a ± 1 ° C, o aquecimento do programa de suporte (curva de aquecimento-isolamento-arrefecimento de vários estágios predefinida), alguns modelos também têm função de calibração automática de uniformidade de temperatura.

Sistema de transmissão e manipulação: facilita a entrada e saída de corpos vazios, incluindo placas de empurrão, bandejas, cintas transportadoras (forno de sinterização contínua) ou mecanismos de elevação (forno de sinterização intermitente), materiais resistentes a altas temperaturas, não deformados, materiais comuns de corundo, carboneto de silício ou grafite.

Vantagem técnica: a competitividade central do forno sinterizado moderno

Precisão do controle de temperatura: através de um sistema avançado de controle de temperatura e um design uniforme do forno, a uniformidade da temperatura aumenta de ±50 ° C para ±5 ° C no forno tradicional, evitando deformações cerâmicas, fissuras ou desempenho desigual devido à flutuação da temperatura, especialmente para adaptar os requisitos rigorosos de consistência da cerâmica.

Ambiente atmosférico controlável: capacidade de regulação atmosférica diversificada para atender às necessidades de sinterização de cerâmicas de diferentes materiais, por exemplo, proteção de nitrogênio pode prevenir a oxidação da cerâmica de nitreto de silício, ambiente de vácuo pode melhorar o desempenho de isolamento da cerâmica de óxido de alumínio, expandindo as fronteiras de aplicação de materiais cerâmicos.

Atualização de automação de processo: sistema de controle PLC integrado e operação de tela táctil, aquecimento do programa de suporte, isolamento automático, resfriamento automático, alguns fornos contínuos também podem ser conectados com robôs de carga e descarga para alcançar a produção não tripulada, melhorando a eficiência da produção (produção diária do forno contínuo pode chegar a mais de mil peças) e reduzindo os erros de operação humana.

Economia de energia, proteção ambiental e segurança: a utilização de novos materiais isolantes (como fibras cerâmicas) e componentes de aquecimento de alta eficiência aumenta a eficiência térmica de menos de 30% do forno tradicional para mais de 60%, reduzindo significativamente o consumo de energia; Ao mesmo tempo, é equipado com medidas de segurança como alarme de sobretemperatura, proteção contra vazamentos, dispositivo anti-explosão (forno atmosférico de redução) para garantir a segurança da produção.

Ampla gama de adaptação: da cerâmica de baixa temperatura (por exemplo, cerâmica colorida, 800 ° C) à cerâmica ultra-alta temperatura (por exemplo, cerâmica de carboneto de zircónio, 2200 ° C), da porcelana diária em lote à cerâmica especial personalizada, o forno de sinterização moderno pode atender às necessidades de produção de diferentes cenários ajustando o modo de aquecimento, o tipo de atmosfera e os parâmetros de processo.

V. Aplicações multidisciplinares:

O cenário de aplicação do forno de sinterização de cerâmica cobre toda a cadeia da indústria cerâmica, da cerâmica tradicional à cerâmica avançada, com a capacidade de "forja a alta temperatura" que se estende sempre:

Área de cerâmica tradicional: 1 uso diário de cerâmica (tigela, prato, vaso, etc.), usando forno de túnel de gás ou forno de pressão de resistência, sinterizado na atmosfera de ar de 1100-1300 ℃, alcançando a densificação do corpo vazio e a fusão do vidro; ② cerâmica de construção (azulejos, utensílios de limpeza de banho), produção em massa através de forno a gás contínuo, temperatura de sinterização de 1000-1200 ° C, para garantir a resistência ao desgaste e à impermeável dos azulejos; 3 Cerâmica artística (areia violeta, porcelana verde), usando forno de caixa intermitente, controle preciso da taxa de aquecimento e tempo de isolamento, reduzindo o processo de queima tradicional, apresentando cor e textura únicas.

Área de cerâmica eletrônica: ① placa de base de componentes eletrônicos (óxido de alumínio, placa de base de nitreto de alumínio), forno de resistência de proteção a vácuo ou nitrogênio, sinterizado a 1500-1800 ° C, exige alta densidade e propriedades de isolamento, para embalagens de chips, placas de circuito; ② Cerâmica piezoelétrica (titanato de bário, cerâmica de titanato de chumbo de zirconio), através do forno atmosférico para controlar o ambiente de sinterização, para garantir o seu efeito piezoelétrico, para sensores, transductores de ultra-som; 3 Cerâmica magnética (óxido de ferro), sinterizada em uma atmosfera de oxidação de 1200-1400 ° C, usada em componentes eletrônicos como transformadores, indutores e outros.

Área de cerâmica especial: 1 cerâmica estrutural (nitreto de silício, cerâmica de carboneto de silício), usando um forno de indução ou um forno de vácuo, sinterizado em uma atmosfera inerte de 1600-2000 ℃, com alta resistência, propriedades de alta temperatura, para lâminas de motor, ferramentas de corte; ② Biocerâmica (hidroxifosfato, cerâmica de óxido de alumínio), sinterizado a baixa temperatura através de forno de microondas ou forno de vácuo (800-1200 ° C), para manter a biocompatibilidade, para articulações artificiais, implantes dentais; 3 Cerâmica aeroespacial (cerâmica de óxido de alumínio endurecido de zircónio, cerâmica de carboneto de boro), usando forno de vácuo ultra-alta temperatura (2000-2200 ℃) sinterizado, resistente à temperatura e à corrosão, para a cobertura térmica da nave espacial, tubo de foguete.

Outras áreas especiais: ① tinta cerâmica e vidro, usando um forno de resistência caixa, sinterizado em 800-1100 ℃, para alcançar a cor do cabelo e a estabilidade do pigmento; ② material de membrana cerâmica, através do controle da temperatura de sinterização e da atmosfera, formando uma estrutura porosa, para o tratamento de água, separação de gás; Cerâmica para a indústria nuclear (cerâmica de óxido de urânio), sinterizada em um forno de alta temperatura a vácuo para garantir a estabilidade e a segurança do combustível nuclear.