Когда слышишь 'карбид бора', многие сразу представляют лабораторные условия, но на деле это грязные цеха с печами, где температура под 2000°C. Главное заблуждение – будто достаточно смешать борную кислоту с углеродом и прогреть. На самом деле даже выбор марки углерода влияет на конечную плотность спекания. У нас в ООО Шимань Босэн Технолоджи Абразив с 2015 года через печи прошли сотни тонн шихты, и до сих пор каждый новый замес проверяем по старинке – пробным спеканием в муфеле.
Борную кислоту берем только с Тибетского месторождения – там меньше примесей железа. Пробовали заменять на турецкую, но после спекания в золе появлялись рыжие прожилки. Углерод – отдельная история: мелкодисперсный сажевый уплотняется неравномерно, а крупные фракции кокса дают пустоты. После десятка экспериментов остановились на фракции 80-120 мкм, хотя это удорожает подготовку на 12%.
Сушка – кажется простейшим этапом, но именно здесь мы потеряли первую партию в 300 кг. Недостаточно просушили шихту – при спекании пары воды разорвали брикеты. Теперь сушим при 110°C не менее 48 часов, с постоянным контролем влажности. Даже зимой, когда влажность в цехе падает до 30%, не сокращаем время – лучше простаивает оборудование, чем брак.
Смешивание в шаровых мельницах алмазные футеровки изнашиваются быстрее расчетного срока. Раз в квартал меняем футеровку на двух мельницах, и каждый раз подбираем новый режим помола. Инженеры говорят, что вибрации от дробилки влияют на равномерность перемешивания – провели дополнительное крепление фундамента, снизили брак на 3%.
Дуговые печи – сердце производства. Наша линия на 3000 тонн использует графитовые тигли с водяным охлаждением, но до сих пор не можем победить локальные перегревы. В прошлом месяце разрубили тигель после 15 циклов – внутри нашли оплавленные зоны с выделением свободного бора. Теперь ведем журнал термопар для каждого тигля.
Температурный режим – постоянный компромисс. При 2150°C получаем крупные кристаллы, но растет энергопотребление. Опускаем до 1950°C – продукт мельче, но повышается содержание свободного углерода. Для марки 'Хуангэн' остановились на 2050±20°C, хотя европейские стандарты допускают °C. Наш технолог insists на узком коридоре – говорит, что так стабильнее показатель твердости.
Охлаждение – не менее важный этап. Быстрое охлаждение водой дает микротрещины, медленное (сутки в печи) – окисление поверхности. После проб и ошибок разработали трехстадийный режим: первый час в печи с отключенной дугой, затем перевод в камеру с азотной средой, финальное охлаждение на воздухе. Трудоемко, но сохраняет структуру.
Дробление – здесь теряем до 8% массы. Щековые дробилки дают много пыли, роторные – неравномерную фракцию. Для глубокой переработки 2000 тонн используем комбинированную схему: сначала щековая дробилка, затем вибросита с отсевом мелочи, потом шаровые мельницы мокрого помола. Пыль улавливаем фильтрами – позже используем для приготовления шихты.
Классификация по твердости – рутинная, но важнейшая операция. Каждая партия тестируется на трех образцах из разных точек печи. Используем метод Виккерса, хотя для контроля на линии достаточно царапания эталонными материалами. Раз в месяц отправляем образцы в независимую лабораторию – расхождения не более 5%.
Упаковка – казалось бы, мелочь. Но из-за неправильной тары в 2018 году получили рекламацию от немецкого заказчика: карбид бора впитывал влагу при морской перевозке. Теперь используем вакуумные пакеты с прослойкой силикагеля, хотя это добавляет 15% к стоимости упаковки.
Когда запускали вторую линию в 2019, столкнулись с эффектом масштаба. В маленькой печи температура распределяется равномернее. При увеличении объема до 5 тонн за цикл появились зоны с разной степенью спекания. Решили установкой дополнительных электродов по периметру, но энергопотребление выросло непропорционально объему.
Логистика сырья – отдельная головная боль. Борную кислоту везем за 2000 км, каждый рейс – риск загрязнения. Пробовали хранить годовой запас, но при длительном хранении появляются комки. Пришлось строить склад с климат-контролем, что увеличило себестоимость на 5%.
Экология – постоянно ужесточаются нормы по пыли. Уловители на дробилках требуют замены фильтров каждые 2 недели. В прошлом квартале пробовали систему циклонов – эффективность ниже, зато нет расходников. Вернулись к фильтрам, хотя это 200 тысяч рублей в месяц.
Пытались внедрить СВЧ-нагрев для экономии энергии – теория гласит, что можно снизить температуру на 100-150°C. На практике не удалось добиться равномерного прогрева объемных масс. Оборудование простаивает, хотя не списываем – возможно, для мелких фракций пригодится.
Автоматизация контроля – поставили систему компьютерного зрения для анализа структуры сплава. Пока не доверяем – алгоритм пропускает микротрещины, которые опытный технолог видит невооруженным глазом. Используем как дополнительный инструмент, но основной контроль – визуальный с лупой.
Сейчас экспериментируем с легированием – добавляем кремний для повышения ударной вязкости. Первые результаты обнадеживают: при содержании Si 1.2% твердость падает на 3%, но стойкость к удару возрастает вдвое. Возможно, создадим новую марку для бронекерамики.
Главный урок за 8 лет: не существует универсальной технологии. Для абразивов нужен мелкодисперсный порошок с острыми гранями, для брони – плотные спеченные блоки. На своем сайте https://www.cn-boroncarbide.ru мы указываем разные режимы для разных применений, хотя многие клиенты все равно просят 'как обычно'.
Мощность в 5000 тонн – не предел, но дальнейшее наращивание требует коренной перестройки всей технологической цепочки. Сейчас рассматриваем проект цеха с каскадом печей меньшей мощности – возможно, это даст более стабильный продукт.
Карбид бора – материал капризный, но благодарный. Когда видишь, как из серой пыли борной кислоты получаются кристаллы с твердостью 9.5 по Моосу, понимаешь, что все сложности окупаются. Хотя иногда кажется, что печи живут своей жизнью – вчера опять одна печь выдала партию с аномально высоким содержанием бора без видимых причин. Буем разбираться.
