Cфера применения керамических насосов и компонентов насосов

Рис. 1. Триплексный насос TS2016SS оснащен твердыми керамическими поршнями для обеспечения повышенной производительности при переносе жестких и абразивных сред. Источник: General Pump

Керамические материалы для насосов могут обеспечить улучшенную производительность, низкий износ, высокие рабочие температуры, коррозионную стойкость и низкое загрязнение среды. В целом, керамические материалы имеют чрезвычайно высокую твердость, высокие температуры плавления, износостойкость, стойкость к окислению и коррозионную стойкость, а также сохраняют эти свойства при повышенных температурах. Керамика химически инертна и устойчива к большинству растворителей, кислот и щелочных растворов.
Эти свойства часто делают керамику идеальным материалом для определенных компонентов насоса, таких как поршни, шарики обратных клапанов, рабочие колеса и вкладыши.
Керамика может быть изготовлена ​​с жесткими допусками и зазорами от 2 до 5 микрон. Благодаря малым зазорам керамические насосы практически не имеют утечек и не требуют дополнительных уплотнений. Керамика, как правило, также имеет минимальное трение. Коррозия и износостойкость являются важными факторами при выборе материалов и компонентов для керамических насосов.

Характеристики керамических материалов

Как правило, керамические материалы применяют для таких компонентов насоса как гильзы, плунжеры, стенки цилиндров, шарики и рабочие колеса, которые контактируют с абразивными или коррозийными средами. Подвижные компоненты внутри приводной части насоса также выигрывают от низкого трения, жестких допусков и способности работать всухую или без смазки.
Керамика - это хрупкие материалы с низкой вязкостью, поэтому пластиковые и металлические корпуса и подложки используются в паре с керамическими компонентами для обеспечения прочности и долговечности. Конструкции насосов должны быть адаптированы к свойствам керамических материалов, таким как тепловое расширение, хрупкость или технологичность. Например, глухие резьбовые отверстия не подходят для такого хрупкого материала. Поверхность с высокой гладкостью или с низкой шероховатостью, полученная на шлифованных и полированных керамических поверхностях, значительно увеличивает срок службы уплотнения сальника. Многие насосы и клапаны предоставляют возможность керамических торцевых уплотнений для обеспечения герметичности при работе с абразивными растворами и агрессивными жидкостями. Керамические уплотнения продлевают срок службы насоса и время между циклами обслуживания или замены уплотнения.

Рисунок 2. Схема керамических шестеренных насосных компонентов, таких как подшипники, валы, корпуса и прокладки из оксида циркония. Источник: Witte Pumps & Technology

В некоторых применениях керамического покрытия на компоненте насоса достаточно для обеспечения повышенной износостойкости. Например, горизонтальный поршневой насос Exel с керамическим покрытием от Binks имеет поршневые штоки, поршень и седла с керамическим покрытием. Они предназначены для защиты от износа от высокоабразивных жидкостей и могут работать дольше, чем твердосплавные поршни. Для более экстремального износа и высокотемпературных применений может потребоваться твердотельный керамический компонент насоса. Так General Pump предлагает триплексный насос из нержавеющей стали 316 с твердыми керамическими поршнями. В некоторых случаях полностью керамический насос должен выдерживать высокие температуры, сильные коррозийные среды или работать вместе со смазкой. Например,Witte Pumps & Technology разрабатывает и производит насосы на заказ, изготовленные полностью из керамики. Его керамические насосы используются для транспортировки высокоагрессивного солевого раствора при температуре 550 ° C. В разделе «Мягкая оболочка, твердое ядро» эксперты из компании Witte Pump & Technology объясняют, как свойства керамики с низким коэффициентом трения можно использовать в конструкциях насосов, где возможна внешняя смазка или смазка из среды. 

Также был изготовлен керамический шестеренный насос с магнитным приводом для перемещения серной кислоты при температуре более 130 ° C. Контактирующие с кислотой детали (например, корпус, подшипник, зубчатые колеса) состоят из оксида циркония.

Рисунок 3. Плунжеры насосов из цельной керамики, полой керамики и керамического покрытия, уплотнения и клапаны для применения в экстремальных условиях. Источник: CoorsTek

Керамические насосы высоко ценятся инженерами фармацевтической, пищевой и медицинской, медицинской и косметической промышленности за их чистоту,
долговечность и точность наполнения. Они являются важным компонентом технологической системы в высокопроизводительных условиях.
Керамические наполнительные насосы отлично подходят для дозирования небольших и средних объемов стерильных жидкостей, так как керамические материалы химически инертны и биосовместимы. Низкий уровень износа керамики означает, что среда, как правило, может почти не подвергаться загрязнению от насоса. Керамические плунжеры и компоненты обеспечивают долговечный насос, который позволяет заправочному насосу работать в течение 10 лет на крупносерийном заводе с минимальным обслуживанием. Керамические наполнительные насосы, как правило, не имеют уплотнений и могут работать всухую без повреждений. Они могут хорошо подходить для процессов очистки на месте и стерилизации, потому что керамика не подвержена воздействию высоких температур и агрессивных химикатов. Некоторые производители производят керамические насосы для наполнения и дозирования, такие как Innovacera , Neoceram , McDanel Advanced Ceramic Technologies и Ivek .

Выбор материалов для керамических насосов

Рисунок 4. Значения твердости различных материалов для керамических насосов. Источник: Kyocera

Обычные керамические насосные материалы включают оксид алюминия (глинозем), оксид циркония (диоксид циркония), оксид алюминия-диоксид циркония, сапфир (монокристаллический оксид алюминия), кварц, плавленый диоксид кремния, нитрид кремния и карбид кремния. Специфический керамический материал, выбранный будет зависеть от давления и температуры среды, а также требуемой ударной вязкости, огнеупорности, твердость, прочность, износостойкость и устойчивость к коррозии. Как показано на рисунке, хотя все обычные материалы для керамических насосов тверже,
чем нержавеющая сталь, между различными керамическими материалами наблюдается широкий разброс твердости.

Стоимость и технологичность являются дополнительными факторами выбора материала.  Глинозем будет относительно дешевле по сравнению с монокристаллическим сапфиром. Части оксида алюминия могут быть отлиты из порошка оксида алюминия и затем спечены или обожжены с последующей окончательной обработкой или шлифовкой до точных размеров.
Сапфировые детали нужно шлифовать из кристалла или выращивать с определенным профилем. Сапфир может иметь превосходные свойства для конкретных применений. Сапфир полностью плотный, в то время как некоторые обожженные керамические или глиноземные компоненты могут иметь плотность от 90 до 98%. Некоторые глиноземные материалы имеют более низкую чистоту или кремнеземные добавки. Сапфир - это высокочистый твердый материал,
который выдерживает термический и экологический удар, обеспечивая высокую износостойкость и химическую совместимость.

Рисунок 5. Циркониевые части насоса. Источник: Инновация

Швейцарская компания Jewel производит сапфировые седла, а также сапфировые и рубиновые шарики для насосов и клапанов. Компания также поставляет шарики из оксида алюминия, диоксида циркония и нитрида кремния для менее требовательных конечных применений. Керамические шарики и седла используются в качестве герметичных обратных клапанов в насосах. CoorsTek предлагает керамические насосы и компоненты насоса , такие как керамические шарики , цельные керамические поршни, полые керамические поршни и поршни из нержавеющей стали с керамическим покрытием и удлинительные стержни. Керамические плунжеры работают исключительно хорошо для большинства применений в морской, химической и дозирующей промышленности, когда коррозия и истирание являются проблемой.

рисунка 6. Детали насоса Hexaloy из карбида кремния и других компонентов. Источник: Saint-Gobain

Стабилизированный оксидом иттрия диоксид циркония выгоден для поршней насосов или поршней из-за высокой прочность материала, огнеупорность, твердость, износостойкость и устойчивость к коррозии. Xiamen Unipretec Ceramic Technology Co. Ltd. и Xiamen Innovacera Advanced Materials Co. Ltd. производят циркониевые керамические поршни и поршни для поршневых насосов высокого давления, автоматических разливочных машин, медицинских насосов с контролируемым объемом и шприцевых насосов. Компания NGK Spark Plug Company Co. Ltd. предлагает износостойкие детали насосов, такие как глинозем и циркониевые плунжеры, регулирующие клапаны для жидкости и шарики для насосов и насосных систем. Saint-Gobain и Kyocera поставляют детали и материалы для карбидокремниевых насосов. Карбид кремния имеет более высокую твердость и химическую стойкость по сравнению с глиноземом и диоксидом циркония. Материалы карбида кремния Hexaloy от Saint-Gobain используются в насадках, насосах и клапанах.

Карбид кремния Kyocera поддерживает прочность до 1400 ° C, что полезно в насосах, перемещающих высокотемпературные среды. 

Керамические насосы и детали из керамических насосов обладают преимуществами по сравнению с металлическими и пластиковыми аналогами. Они также имеют некоторые ограничения, которые могут ограничивать их широкое использование, включая стоимость, производство, корректировку конструкции и хрупкость. Однако в определенных коррозионных и абразивных применениях и при больших объемах, для точного заполнения, керамические насосы являются оптимальным выбором.