L’allumina bianca fusa (WFA) è una materia prima fondamentale nella produzione di numerose ceramiche espanse ad alte prestazioni.
Che cos’è l’allumina fusa bianca (WFA)?
Innanzitutto, una rapida definizione: l’allumina fusa bianca è un materiale sintetico prodotto fondendo allumina calcinata ad alta purezza (Al₂O₃) in un forno ad arco elettrico a temperature superiori a 2000 °C. Viene quindi raffreddata, frantumata e classificata in diverse granulometrie. Le sue caratteristiche principali sono:
Elevata purezza: in genere >99% Al₂O₃.
Durezza elevata: 9,0 sulla scala di Mohs.
Eccellente refrattarietà: elevato punto di fusione (~2050°C).
Buona inerzia chimica: resistente agli acidi e agli alcali.
Granulometria controllata: può essere macinato e setacciato con precisione.
Perché il WFA viene utilizzato nella ceramica espansa?
Le ceramiche espanse sono strutture leggere e altamente porose, utilizzate principalmente come filtri (per metalli fusi) e materiali isolanti . I requisiti per queste applicazioni si allineano perfettamente alle proprietà di WFA:
Resistenza alle alte temperature: le ceramiche espanse utilizzate per filtrare alluminio, ferro o acciaio fusi devono resistere a temperature estreme (700°C – 1600°C) senza rammollirsi o degradarsi. L’elevata refrattarietà del WFA lo rende ideale.
Inerzia chimica: il materiale non deve reagire con il metallo fuso filtrato. Il WFA è estremamente stabile e non introduce impurità nella fusione.
Resistenza agli shock termici: l’improvviso gradiente termico causato dall’immersione del filtro nel metallo fuso può causare la rottura di materiali di qualità inferiore. La formulazione specifica della sospensione ceramica (che include WFA e leganti) è progettata per mitigare questo fenomeno, e le proprietà intrinseche del WFA contribuiscono a creare una struttura robusta.
Porosità e struttura controllate: la struttura della schiuma (dimensione, forma e apertura dei pori) è fondamentale per la sua efficienza filtrante. I granuli WFA forniscono lo scheletro solido e rigido che mantiene questa struttura in condizioni estreme.
Elevata resistenza meccanica: il filtro deve resistere alle forze erosive e meccaniche del flusso di metallo fuso. L’estrema durezza del WFA garantisce che il filtro mantenga la sua forma e non disperda particelle.
Come viene utilizzato il WFA nel processo di produzione della ceramica espansa?
Il metodo più comune per realizzare ceramiche espanse è il metodo della spugna polimerica replica . Ecco come la WFA si inserisce nel processo:
Preparazione della sospensione: polveri fini di allumina fusa bianca (e spesso altri additivi come leganti, argille e coadiuvanti di sinterizzazione) vengono miscelate con acqua per formare una sospensione viscosa e cremosa. La distribuzione granulometrica della WFA è fondamentale: deve essere sufficientemente fine da ricoprire uniformemente la schiuma polimerica, ma deve anche contenere grani più grossolani per contribuire a creare una struttura resistente.
Impregnazione: una schiuma polimerica a celle aperte (ad esempio, poliuretano) con la struttura porosa desiderata (ad esempio, 10, 20, 30 PPI – pori per pollice) viene immersa nella sospensione. La schiuma viene ripetutamente compressa e rilasciata per garantire che la sospensione WFA ricopra completamente tutti i montanti della rete polimerica.
Rimozione dell’eccesso: la schiuma impregnata viene fatta passare attraverso rulli o centrifugata per rimuovere la fanghiglia in eccesso. Questo è un passaggio fondamentale per garantire che le celle (pori) rimangano aperte mentre i montanti (le pareti ceramiche) sono completamente rivestiti.
Asciugatura: la schiuma rivestita viene asciugata lentamente per rimuovere l’acqua senza rompere il rivestimento ceramico.
Bruciatura del polimero: la parte essiccata viene riscaldata a una temperatura moderata (~500-800 °C) per bruciare lentamente e rimuovere il modello in schiuma polimerica. Questo lascia una replica in ceramica fragile e porosa.
- Cottura ad alta temperatura (sinterizzazione): il pezzo viene quindi cotto a temperature molto elevate (tipicamente 1450 °C – 1650 °C). In questa fase, le particelle di WFA sinterizzano, ovvero si fondono ai bordi senza fondersi completamente, formando uno scheletro ceramico resistente, monolitico e altamente refrattario.
Specifiche chiave di WFA per ceramiche espanse
Quando si acquista WFA per questa applicazione, i produttori cercano:
Purezza (% Al₂O₃): ≥ 99,0% è lo standard. Impurità come la soda (Na₂O) possono ridurre la refrattarietà e influenzare la sinterizzazione.
Granulometria (Mesh/Finezza): Tipicamente macinato in polveri fini. Le distribuzioni più comuni sono F240, F280, F320 e anche più fini (valori d50 di 20-50 micron). Spesso si utilizza una miscela di granulometrie diverse per ottenere una densità di compattazione e una reologia ottimali della sospensione.
Chimica: un basso contenuto di Fe₂O₃, SiO₂ e Na₂O è fondamentale per garantire prestazioni ad alta temperatura ed evitare la contaminazione dei metalli filtrati.