Шахтаның қалдық шламы құбырға жоғары жылдамдықпен соқтығысқанда, металлургиялық цехтағы жоғары температуралы шлак ішкі қабырғаны жуа бергенде және химиялық цехтағы күшті қышқыл ерітіндісі құбыр қабырғасын күн сайын коррозиялағанда, кәдімгі металл құбырлар бірнеше айдан кейін жиі ағып кетеді. Бірақ мұндай «өнеркәсіптік тазарту орнында» зақымдалмай шыдай алатын құбыр түрі бар, және ол...кремний карбидінен жасалған тозуға төзімді құбырнегізгі материал ретінде. Бұл қарапайым болып көрінетін өнеркәсіптік компонент қандай материалдық интеллектті жасырады?
Болатқа қарағанда қатал материалдық код
Кремний карбидінің тарихы 19 ғасырдың соңында ғалымдар синтетикалық алмас өндіруге тырысып жатқанда кездейсоқ бұл қатты қосылысты тапқан кезде басталды. Ол табиғатта өте сирек кездеседі және «муассанит» деп аталады, ал бүгінде өнеркәсіпте қолданылатын кремний карбиді толығымен дерлік жасанды синтездің өнімі болып табылады.
Кремний карбидті құбырларын соншалықты «өндіріске төзімді» етудің құпиясы олардың ерекше микроқұрылымында жатыр. Электронды микроскоп астында кремний карбидті кристалдары алмасқа ұқсас тетраэдрлік құрылымды көрсетеді, әрбір кремний атомы төрт көміртек атомымен тығыз қоршалған, үзілмейтін коваленттік байланыс желісін құрайды. Бұл құрылым оған алмастан кейінгі екінші қаттылықты береді, Моос қаттылығы 9,5 құрайды, бұл кварц құмының үздіксіз эрозиясының (Моос қаттылығы 7) із қалдыру қиын екенін білдіреді.
Одан да сирек кездесетіні - кремний карбиді тек қатты ғана емес, сонымен қатар жоғары температураға да өте төзімді. 1400 ℃ жоғары температурада ол тұрақты механикалық қасиеттерді сақтай алады, бұл оны болат металлургиясында домна пештерінде көмір ұнтағын тасымалдау және жылу энергиясын өндіруде қазандық қожын шығару сияқты жоғары температуралық жағдайларда жақсы жұмыс істеуге мүмкіндік береді. Сонымен қатар, ол көптеген қышқылдар мен сілтілердің эрозиясына «иммунитетке» ие және бұл коррозияға төзімділік химия өнеркәсібіндегі берік қышқыл беру құбырларында ерекше бағалы.
Құбырлардың қызмет ету мерзімін он есеге ұзартатын дизайн философиясы
Қарапайым қаттылық күрделі өнеркәсіптік ортаға төтеп беру үшін жеткіліксіз. Қазіргі заманғы кремний карбидінің тозуға төзімді құбырлары ақылды композиттік құрылымдарды қолданады: әдетте сыртқы қабаты құрылымдық тірек беретін қарапайым көміртекті болат, ішкі қабаты кремний карбидінің керамикалық төсемі, ал кейбір құбырлар жалпы беріктікті арттыру үшін сыртынан шыны талшықты орайды. Бұл дизайн кремний карбидінің тозуға төзімділік артықшылығын ғана емес, сонымен қатар керамикалық материалдардың сынғыштығын да өтейді.
Инженерлер құбырдың әртүрлі бөліктерінің тозу дәрежесіне негізделген «сараланған жобалауды» да жүргізеді. Мысалы, егер шынтақтың сыртқы доғасы ең қатты тозса, қалыңырақ кремний карбидті төсем қолданылады; егер ішкі доғаның тозуы салыстырмалы түрде жеңіл болса, беріктікті қамтамасыз ету және материалдың ысырап болуын болдырмау үшін оны тиісті түрде жұқарту керек.
Реакциялық күйдіру технологиясын қолдану кремний карбиді құбырларын жетілдіреді. Температура мен шикізат қатынасын дәл бақылау арқылы материал нөлдік кеуектілігі бар тығыз күйге жете алады, сонымен қатар өздігінен майланатын қабат түзу үшін графит компоненттерін енгізеді. Сұйықтық құбырды шайған кезде, графит қабаты қорғаныш қабықша түзеді, бұл құбырға «майлау сауытын» салу сияқты үйкеліс коэффициентін одан әрі төмендетеді.
Индустриалды қаннан жасыл болашаққа дейін
Жылу энергетикасы, тау-кен өндірісі, металлургия және химия инженериясы сияқты ауыр салаларда құбыр жүйелері «өнеркәсіптік қан тамыры» сияқты, ал олардың сенімділігі өндіріс қауіпсіздігі мен тиімділігімен тікелей байланысты. Дәстүрлі металл құбырларды қатты тозу ортасында жиі 3 ай ішінде ауыстыру қажет, ал кремний карбидінен жасалған тозуға төзімді құбырлардың қызмет ету мерзімін 10 еседен астам ұзартуға болады, бұл тоқтап қалу кезіндегі техникалық қызмет көрсету жиілігін айтарлықтай азайтады.
Бұл ұзақ мерзімді сипаттама қоршаған ортаға айтарлықтай пайда әкеледі. Құбырларды ауыстыруды азайту болат тұтынуды азайтуды білдіреді, ал өндіріс процесінде қолданылатын озық балқыту технологиялары (мысалы, ESK әдісі) электр энергиясын өндіру үшін қалдық газды қалпына келтіріп, энергияны пайдалануды 20%-ға арттыра алады. Литий батареяларын өндіру және қоршаған ортаны қорғау жабдықтары сияқты жаңадан пайда болып келе жатқан салаларда кремний карбидті құбырларының коррозияға және тозуға төзімділігі де маңызды рөл атқарады.
Өнеркәсіптік прогресс туралы айтқан кезде, біз көбінесе көз тартарлық жоғары технологиялық өнімдерге назар аударамыз, бірақ кремний карбидінен жасалған тозуға төзімді құбырлар сияқты «көрініс артындағы батырларды» оңай елемейміз. Дәл осы инновация заманауи өнеркәсіптің тиімді жұмысын қолдайтын негізгі материалдардың қасиеттерін барынша арттырады. Шахталардан зауыттарға, жоғары температуралы пештерден химиялық цехтарға дейін, бұл үнсіз «өте қатты қалқандар» өнеркәсіптік өндірістің қауіпсіздігі мен тұрақтылығына өзіндік үлес қосуда.
Жарияланған уақыты: 2025 жылғы 30 шілде