Когда говорят про теплостойкость водных теплосмен, многие сразу представляют лабораторные испытания при идеальных условиях. Но на практике в тех же доменных печах или коксовых батареях материал сталкивается не просто с высокой температурой, а с циклическими теплосменами, где водяное охлаждение создает экстремальные термоудары. Именно здесь кроется основная ошибка поставщиков — тестировать огнеупоры на статичный нагрев, игнорируя динамику реальных процессов. У нас в ООО Шимань Босэн Технолоджи Абразив при отработке карбида бора для футеровки сначала тоже фокусировались на термостойкости в сухих условиях, пока не столкнулись с трещинами в зоне водяного охлаждения конвертеров.
Если брать карбид бора марки 'Хуангэн', который мы выпускаем, его первоначальные показатели по термостойкости были высокими — до 1800°C в воздушной среде. Но при моделировании теплосмен с водяным охлаждением, когда температура падает с 1500°C до 200°C за минуты, появляются микротрещины. Это связано не с самой температурой, а с градиентом напряжений в поверхностном слое. Пришлось менять структуру материала — увеличивать открытую пористость до 14-16%, чтобы компенсировать расширение.
Кстати, многие забывают, что важна не только пористость, но и распределение пор по размерам. Если преобладают поры диаметром менее 1 мкм, вода при охлаждении не успевает испаряться и создает локальные давления. Мы на втором этапе проекта, когда запустили линию глубокой переработки на 2000 тонн, специально ввели контроль фракционного состава пористости. Это снизило количество брака по трещинам на 23%.
Еще один нюанс — химическая стойкость к водяному пару. При резком охлаждении пар проникает в поры и может окислять связующие компоненты. Для карбида бора это менее критично, но для огнеупоров с силикатными связками становится проблемой. Помню, как в 2018 году пришлось полностью менять рецептуру для одного заказа из Казахстана — их технологи не учли агрессивность пара с примесями серы.
Основная страна покупателя для нас — Россия, и там требования к огнеупорным материалам часто жестче, чем в Азии. Например, для сталелитейных комбинатов Урала важна не просто теплостойкость, а сохранение целостности после 300+ циклов 'нагрев-водяное охлаждение'. При этом толщина футеровки часто меньше, чем в Китае, из-за экономии пространства в печах.
В 2019 году мы поставили партию карбида бора для кислородного конвертера на одном из заводов в Липецкой области. Изначально использовали стандартную формулу, но после 150 циклов появились сколы в зоне фурм. Пришлось оперативно менять гранулометрический состав — увеличили долю среднефракционного порошка (80-120 мкм) за счет уменьшения мелкой фракции. Это улучшило устойчивость к термоударам, хотя немного снизило начальную прочность.
Интересно, что российские технологи часто просят предоставить не просто сертификаты, а детальные протоколы испытаний именно в условиях водных теплосмен. Они сами разрабатывают методики тестирования, иногда более жесткие, чем ГОСТ. Мы даже переняли их подход с регистрацией акустической эмиссии во время теплосмен — это помогает прогнозировать развитие трещин.
Наша производственная линия мощностью 3000 тонн карбида бора изначально не была адаптирована для материалов с повышенной стойкостью к водным теплосменам. Пришлось модернизировать систему прессования — перейти на изостатическое прессование под давлением 250 МПа вместо 180 МПа. Это дало более однородную плотность по сечению изделий.
При глубокой переработке важно контролировать не только основной состав, но и примеси. Например, содержание свободного бора не должно превышать 0.3%, иначе при контакте с водяным паром образуется борная кислота, которая разъедает структуру. Мы на заводе в Яане ввели дополнительную стадию отжига в аргоне именно для снижения свободного бора.
Сейчас работаем над новым составом с добавлением диборида титана — он улучшает стойкость к теплосменам за счет более высокой теплопроводности. Но есть сложность с спеканием — приходится поддерживать очень точный температурный профиль. На полной мощности в 100 миллионов юаней в год такие эксперименты рискованны, но без них не выйти на новый уровень.
Самое распространенное заблуждение — считать, что высокая плотность автоматически означает хорошую стойкость к теплосменам. На деле слишком высокая плотность (более 2.8 г/см3 для карбида бора) приводит к хрупкому разрушению при циклических нагрузках. Оптимальная плотность для условий с водяным охлаждением — 2.65-2.75 г/см3.
Еще одна ошибка — игнорирование режима охлаждения. Водяное охлаждение бывает струйным и капельным, и каждый режим создает разные градиенты температур. Для струйного охлаждения критична устойчивость к эрозии, для капельного — к точечным термоударам. Мы обычно запрашиваем у клиентов детальное описание системы охлаждения перед подбором материала.
Часто недооценивают влияние скорости нагрева. В реальных условиях нагрев может быть медленным (часы), а охлаждение — мгновенным (секунды). Это создает асимметричные напряжения. В наших испытаниях мы моделируем именно такие условия, хотя это сложнее и дороже стандартных тестов.
Сейчас вижу тенденцию к комбинированным материалам — например, карбид бора с металлической матрицей или многослойные конструкции. Но для массового производства это пока дорого. Наше предприятие в промышленном парке Чжума экспериментирует с послойным спеканием, но стабильность свойств пока не идеальна.
Интересный момент — для разных основная страна покупателя требуются разные подходы. В России, например, предпочитают монолитные изделия, в Европе — модульные системы. Это влияет на требования к теплостойкости при водных теплосменах, так как в модульных системах больше стыков, где концентрируются напряжения.
Думаю, в ближайшие 5 лет стандартом станет не просто показатель теплостойкости, а комплексный коэффициент, учитывающий количество циклов, скорость теплосмен и агрессивность среды. Мы уже ведем переговоры с российскими НИИ о совместной разработке такой методики оценки. Без этого сложно будет удерживать позиции на рынке, несмотря на известность марки 'Хуангэн'.
