Когда говорят про теплостойкость водных теплосмен, многие сразу думают о максимальных температурах эксплуатации, но на деле куда важнее циклические нагрузки — вот где кроются основные проблемы с растрескиванием. В нашей практике с карбид-борными материалами именно резкие перепады 'нагрев-охлаждение' водой выявляют слабые места состава.
Помню, в 2018 году на одном из металлургических комбинатов пришлось менять футеровку после всего 12 циклов — визуально материал казался целым, но при простукивании слышался характерный дребезг. Оказалось, микротрещины от контакта с охлаждающей водой накопились в подложке, хотя поверхность выдерживала заявленные 1600°C.
Здесь многие ошибаются, думая, что достаточно повысить содержание дисперсных фаз. На деле важнее согласование ТКР между связкой и наполнителем. В наших линиях по производству карбида бора на ООО Шимань Босэн Технолоджи Абразив как раз экспериментировали с разными пропорциями — когда переборщили с оксидными добавками, материал начал 'шелушиться' после третьего цикла водного охлаждения.
Кстати, о воде — её химический состав часто недооценивают. На том же комбинате в Череповце жёсткая вода давала солевые отложения в порах, которые при последующем нагреве создавали дополнительные напряжения. Пришлось разрабатывать спецпокрытие, хотя изначально заказчик требовал просто 'повысить термостойкость'.
На нашем производстве в промышленном парке Чжума сначала тоже делали ставку на чистый карбид бора марки 'Хуангэн', но для водных теплосмен пришлось модифицировать состав. Добавка 3-5% дисперсного нитрида алюминия снизила чувствительность к термоударам на 40%, хотя пришлось пожертвовать частью абразивной стойкости.
Интересный случай был с кирпичами для теплообменников — заказчик жаловался на расслоение после 50 циклов. Разборка показала, что дефекты шли именно по границам спекания. Пришлось пересматривать не состав, а технологию прессования — увеличили выдержку под давлением на 15%, хотя это снизило производительность линии глубокой переработки.
Сейчас на сайте cn-boroncarbide.ru мы отдельно указываем параметры стойкости именно к водным теплосменам для каждой марки. Это не маркетинг — после того случая 2019 года, когда партия для химического комбината не прошла приёмку из-за несоответствия по циклической стойкости, ввели обязательные испытания методом 'нагрев до 1200°C — охлаждение водой 20°C'.
Когда в 2015 году запускали первую линию на 3000 тонн, не сразу учли, что для огнеупорных материалов с улучшенной теплостойкостью нужны другие температуры спекания. Первые партии при циклических испытаниях давали трещины между зёрнами карбида бора — пришлось устанавливать дополнительную зону медленного охлаждения в печах.
С водным охлаждением есть тонкость: если подавать воду под давлением менее 0.3 МПа, она не успевает равномерно охладить весь объём, образуются локальные перегревы. Это мы выяснили, тестируя образцы для сталелитейного цеха — при стандартных 0.1 МПа ресурс снижался вдвое compared to оптимальным параметрам.
Сейчас на новой линии глубокой переработки используем двухстадийный отжиг — сначала воздушное охлаждение до 600°C, потом водяное. Да, энергозатраты выше, но для ответственных применений типа футеровки печей это оправдано. Кстати, после модернизации в 2022 году именно такие материалы пошли на экспорт в Казахстан — там как раз жесткие требования по количеству циклов 'нагрев-водяное охлаждение'.
Часто конструкторы не учитывают разницу в теплопроводности между новыми и бывшими в употреблении огнеупорными материалами. У нас был прецедент, когда после замены 30% футеровки в зоне водяного охлаждения возникли термические напряжения из-за неоднородности — пришлось пересчитывать всю тепловую модель.
Ещё один момент — толщина стенки. Казалось бы, чем толще, тем лучше. Но при толщине свыше 150 мм и водяном охлаждении градиент температур становится критическим, появляются радиальные трещины. Оптимальными для наших карбид-борных плит оказались 80-120 мм в зависимости от конфигурации охлаждающих каналов.
Кстати, о каналах — их геометрия влияет не меньше, чем состав материала. После неудачного опыта с круглыми каналами (забивались окалиной) перешли на овальные с шероховатой внутренней поверхностью. Это улучшило теплоотдачу на 15%, хотя пришлось дорабатывать пресс-формы.
Сейчас экспериментируем с градиентными структурами — наружный слой с повышенным содержанием дисперсных частиц для стойкости к водному охлаждению, внутренний — с улучшенными теплоизоляционными свойствами. Первые испытания на стенде в Яане показали увеличение срока службы на 27% по сравнению с традиционными материалами.
Интересное направление — гибридные материалы на основе карбида бора с добавлением нанопористых включений. Они компенсируют термические напряжения за счёт управляемой деформации пор. Правда, пока себестоимость таких решений высока для массового применения.
На базе производственной линии мощностью 2000 тонн планируем запустить специализированную серию материалов именно для условий водных теплосмен. Уже есть предварительные договорённости с несколькими предприятиями, где критична стойкость к циклическим тепловым нагрузкам с водяным охлаждением.
В целом, если говорить о будущем — нужно уходить от универсальных решений. Как показала практика, для каждого типа оборудования и режимов работы нужны tailored материалы, особенно когда речь идёт о сочетании высоких температур и водного охлаждения.
