Интеллектуальные технологии. Как «поймать» трещину

Специалисты Группы Магнезит совместно с учёными Института физики прочности и материаловедения имени Виктора Евгеньевича Панина Сибирского отделения РАН (ИФПМ СО РАН, Томск) смоделировали «ловушки» для микротрещин, возникающих внутри огнеупорных футеровок. Эффективность своей идеи они доказали в ходе эксперимента, проведённого в условиях сталеплавильного производства.

Ранее мы сообщали, что магнезитовцы успешно сотрудничают с томскими учёными в области компьютерного моделирования. Сегодня рассказываем подробности об уникальном исследовании, цель которого — найти способы замедления образования микротрещин, разрушающих целостность футеровки при высоких нагрузках в тепловых агрегатов.

Авторы исследования — кандидат технических наук, ведущий специалист управления инжиниринга, проектов и производства работ Андрей Заболотский, заместитель технического директора, руководитель по технологическим разработкам Антон Мигашкин, начальник лаборатории материаловедения Антон Платонов и Андрей Дмитриев, доктор физико-математических наук, главный научный сотрудник ИФПМ СО РАН. Им удалось найти способ избежать эффекта, который в материаловедении называют «обходом препятствия», и остановить рост трещин, возникающих в матрице огнеупорного материала под действием механической или термомеханической нагрузки. Результаты данной работы опубликованы в «Вестнике Томского госуниверситета. Математика и механика» в статье «Оптимизация фазового состава огнеупора включениями с трещинами для повышения ресурса футеровки. Моделирование и эксперимент» (№ 100, 2026 год).

Как отмечают авторы статьи, их целью была «разработка математической модели роста трещины на границе раздела матрица—включение и её использовании для определения оптимального количества включений с внутренними дефектами для повышения трещиностойкости материала в условиях термомеханической нагрузки».

Если сказать проще — разработчики нашли способ, как остановить возникновение трещин внутри огнеупорных футеровок во время службы. Исследователи утверждают, что «при взаимодействии с плотным включением, не имеющим внутренних трещин, наиболее вероятен обход препятствия трещиной». Поясним, что после нескольких циклов нагрева и охлаждения в футеровке появляются микротрещины, и если они доходят до прочного зерна в составе огнеупора, которое не могут взломать, то огибают его и продолжают свой путь к поверхности футеровки.

Избежать этого можно «при наличии во включении собственных внутренних дефектов, при которых вероятен переход трещины внутрь включения и его медленное разрушение». То есть в структуру огнеупора добавили трещиноватые зёрна (внутри они имеют микроскопические трещины, пустоты или другие дефекты), выполняющие роль ловушки. Моделирование методом конечных элементов, выполненное в программном комплексе ANSYS, показало, что в момент, когда растущая в матрице трещина достигает поверхности трещиноватого зерна, напряжение в его внутренней полости резко возрастает — до критических значений. В этот момент и достигается эффект, которого добивались разработчики: вместо обхода препятствия трещина заходит внутрь зерна и идёт по заданному внутри его пути — по имеющимся внутренним повреждениям.

Это подтвердили исследования траекторий термических трещин в огнеупорах с помощью электронной микроскопии, а также промышленный эксперимент: футеровка сталеразливочного ковша, выполненная из огнеупоров с добавкой трещиноватых зёрен служит дольше обычной, так как на её поверхности не образуются широкие магистральные трещины.

«Определено оптимальное содержание добавки в огнеупоре для замедления скорости роста магистральной трещины, и проведён промышленный эксперимент по применению опытной партии огнеупоров для рабочей футеровки сталеразливочных ковшей, содержащей добавку с внутренней дефектной структурой в оптимальном количестве. Проведённый эксперимент показал снижение количества трещин в футеровке агрегата и увеличение продолжительности срока её эксплуатации», — говорится в заключительной части статьи.

— Причины разрушения футеровки, появления различных дефектов в процессе её службы: вертикальных трещин, сколов и других, мы исследуем с Андреем Заболотским с 2017 года. За прошедшее время накопили достаточный опыт в данных вопросах и продолжаем наши исследования совместно с ведущими специалистами в сфере материаловедения и моделирования. Это учёные из Института новых материалов и технологий (кафедра керамики и огнеупоров, Екатеринбург) и Института физики прочности и материаловедения (Томск), — говорит Антон Мигашкин. — В своей работе мы активно используем математическое моделирование, с помощью которого процессы возможного разрушения огнеупоров становятся не просто «видимы» благодаря созданным моделям, но и позволяют сформировать рекомендации по улучшению состава огнеупоров и эксплуатации металлургических агрегатов.

Разработку магнезитовцев и томских учёных уже назвали инновационной. В частности, после публикации статьи в вузовском вестнике последовали новые. Издания, которые следят за новостями науки, рассказывают о том, как «группа российских учёных и инженеров из компании „Магнезит“ совместно с Институтом физики прочности и материаловедения в Томске предложила революционный подход: они решили „обмануть“ трещину».

А всем, кого заинтересовала данная разработка, предлагаем ознакомиться с полной версией научной статьи.