Ako zabrániť tepelnej únave pri tepelne odolných oceľových odliatkoch？

Ako sa časom zvyšuje tepelná únava

Tepelná únava nie je výsledkom jedného horúceho cyklu, ale opakovaného zahrievania a ochladzovania, ktoré vytvára teplotný gradient medzi povrchom a jadrom dielu. V kontinuálnej peci na tepelné spracovanie sa povrch valca pece môže vychýliť z teploty približne 200 °C na viac ako 900 °C v priebehu niekoľkých minút, ako prechádza práca, zatiaľ čo jadro valca sa zahrieva pomalšie. Tento nesúlad vytvára vnútorné tepelné napätie, ktoré sa pri každom cykle strieda medzi napätím a stlačením.

Akonáhle toto napätie presiahne lokálny limit únavy, na povrchu sa začnú vytvárať jemné trhliny. S každým ďalším cyklom trhliny rastú a spájajú sa, čo môže viesť k odlupovaniu alebo prasknutiu. Komponenty ako radiant Heat Tubes, Reťazová doska pre pec na odlievanie reťaze a Tlačná hlava AFC čelia rovnakému cyklu opakovaného zahrievania a chladenia, a preto je odolnosť voči tepelnej únave kľúčovým faktorom pri hodnotení akéhokoľvek tepelne odolného odliatku.

Výber materiálu je prvou líniou obrany

Žiaruvzdorné oceľové odliatky zvyčajne obsahujú 10 % až 30 % chrómu s pridaním niklu a molybdénu v závislosti od prevádzkových podmienok na vytvorenie stabilnej austenitickej alebo austeniticko-feritickej štruktúry. Atómy v austenite sú zbalené pevnejšie ako vo ferite, väzbové sily sú silnejšie a atómová difúzia je pomalšia, takže materiál si zachováva svoju pevnosť pri vysokej teplote bez zmäknutia alebo zhrubnutia zrna. Chróm tiež vytvára na povrchu hustý film oxidu Cr2O3 a zliatiny s vyšším obsahom hliníka tiež vytvárajú film Al2O3; táto vrstva blokuje ďalšiu difúziu kyslíka, znižuje poškodenie oxidáciou pri vysokej teplote a spomaľuje nástup praskania tepelnou únavou.

Väčšina tepelne odolných odliatkov je navrhnutá na prevádzku pri teplotách od 650 °C do 1100 °C, pričom niektoré špeciálne zliatiny dosahujú až 1200 °C, ako je zhrnuté nižšie:

Prečo odstredivé liatie zvyšuje odolnosť

Pre valcové komponenty, ako je sálavá tepelná trubica a pecný valec, ponúka odstredivé liatie jasnú výhodu. Roztavený kov sa naleje do rýchlo rotujúcej formy; hustší kov je tlačený smerom von odstredivou silou, zatiaľ čo ľahšie prvky, ako sú bubliny plynu a nekovové inklúzie, sa pohybujú smerom k stredu a môžu byť odstránené. Výsledkom je odliatok s hustejšou štruktúrou, menšou pórovitosťou a chybami zmršťovania a jemnejšou veľkosťou zrna blízko vonkajšieho povrchu.

Tieto vnútorné defekty sú často východiskovými bodmi pre trhliny z tepelnej únavy, pretože napätie sa okolo nich sústreďuje a majú tendenciu praskať ako prvé pri opakovanom tepelnom cyklovaní. Výsledkom je, že sálavé tepelné rúrky a pecné valce vyrobené odstredivým liatím vo všeobecnosti vykazujú lepšiu tepelnú únavu a dlhšiu životnosť ako časti odliate do piesku s rovnakou hrúbkou steny.

Konštrukčný dizajn, ktorý umožňuje tepelnú expanziu

Mnoho porúch tepelnej únavy nie je spôsobených samotným materiálom, ale konštrukciou, ktorá nezohľadňuje rozťažnosť a teplotné gradienty. Stojí za to mať na pamäti nasledujúce body:

• Vyhnite sa ostrým rohom a prudkým prechodom. Otvory, stupne a prírubové spoje by mali využívať veľkorysé polomery zaoblenia na zníženie koncentrácie napätia.
• Udržujte hrúbku steny čo najrovnomernejšiu. Ak sa hrúbka náhle zmení, rýchlosť ohrevu a ochladzovania sa na oboch stranách líši, čo vytvára dodatočné napätie na spoji. To je dôvod, prečo sú diely, ako je valec pece a valec ohniska pre odlievanú pásovú pec, často jadrové alebo duté, čo znižuje hmotnosť a zbližuje teplotu povrchu a jadra.
• Pri dlhých dopravných komponentoch, ako je reťazová doska pre pec na odlievanie reťaze, segmentovaný dizajn umožňuje, aby sa každý článok rozťahoval a zmršťoval nezávisle, čím sa predchádza nahromadeniu veľkého axiálneho napätia v celej reťazi.
• Koľajnice a valčeky pece a valčeky pece AFC by mali byť inštalované s posuvnými vôľami alebo dilatačnými medzerami, aby sa valčeky a koľajnice mohli voľne predlžovať pri zahrievaní namiesto toho, aby boli obmedzované pevnými podperami, ktoré by inak zvýšili ohybové napätie.

Tepelné spracovanie a špeciálne svietidlá spolupracujú

Tepelné spracovanie po odlievaní je ďalším dôležitým krokom pri predchádzaní tepelnej únave. Ak sa zvyškové napätie z odlievania neuvoľní normalizáciou a popúšťaním, zvýši sa prevádzkové tepelné napätie a dielec skôr praskne. Spôsob chladenia tiež ovplyvňuje kvalitu ochranného oxidového filmu: bez ohľadu na to, či je diel po rozpúšťacom žíhaní kalený vodou alebo pomaly chladený, vytvára filmy s rôznou hustotou, takže chladiaci cyklus by sa mal testovať a vyberať na základe špecifickej zliatiny a prevádzkových podmienok.

V reálnej výrobe prechádzajú položky, ako sú prípravky na tepelné spracovanie, prípravky na tepelné spracovanie Wedding, základné podnosy na tepelné spracovanie a kôš na presné odlievanie, ešte viac cyklov ohrevu a chladenia za deň ako typický valec pece, pretože sa opakovane nakladajú a vykladajú. Z tohto dôvodu musia byť odlievané zo zliatin odolných voči teplu a musia dodržiavať rovnaké materiálové a konštrukčné princípy, ako sú opísané vyššie. Používanie správnych upínacích prípravkov tiež napomáha rovnomernejšiemu zahrievaniu obrobkov vo vnútri pece, čím sa predchádza lokálnemu prehriatiu, ktoré môže samo o sebe vyvolať tepelnú únavu spracovávaných dielov.

Kontrolný zoznam prevencie jednotlivých komponentov

Nižšie uvedená tabuľka sumarizuje typické príznaky tepelnej únavy a hlavné preventívne opatrenia pre bežné tepelne odolné komponenty, ktoré sú užitočné ako rýchla referencia pri navrhovaní a údržbe:

Rutinná kontrola a včasné varovanie

Dokonca aj so správnym materiálom a dizajnom umožňuje vynechanie rutinnej kontroly skoré praskliny prerásť do veľkých porúch. Bežné metódy zahŕňajú vizuálnu kontrolu sieťových alebo radiálnych trhlín na povrchu, testovanie penetračným farbivom na nájdenie jemných trhlín, meranie sústrednosti a priehybu pecného valca na zistenie skreslenia a umiestnenie termočlánkov na kľúčové body na monitorovanie abnormálnych teplotných gradientov.

Oplatí sa viesť záznamy o prevádzke pre každú kritickú časť, ako je kumulatívny počet cyklov ohrevu a chladenia a celkový počet prevádzkových hodín, aby bolo možné naplánovať preventívnu údržbu alebo výmenu, keď časť dosiahne určité percento svojej projektovanej životnosti. V jednom skutočnom prípade sa životnosť valca pece s hodnotením na tri až päť rokov prevádzky skrátila na menej ako šesť mesiacov po opakovanom rýchlom ochladení počas núdzových odstávok. To ukazuje, že prevádzkové postupy sú dôležité rovnako ako dizajn: rýchlosť vykurovania a chladenia by sa mala vždy udržiavať v rozumnom rozsahu, aby sa predišlo zbytočnému tepelnému šoku.

Spájame to všetko

Zabránenie tepelnej únave nikdy nie je výsledkom jedinej opravy. Pochádza z kombinovaného účinku výberu materiálu, procesu odlievania, konštrukčného návrhu, tepelného spracovania a bežnej údržby. Od výberu správnej rovnováhy chrómu, niklu a molybdénu, cez hustejšiu štruktúru, ktorú poskytuje odstredivé liatie, až po priestor pre tepelnú rozťažnosť zabudovanú do pecného valca, reťazovej dosky a AFC tlačnej hlavy a podpornú úlohu podnosov na tepelné spracovanie a koša na presné odlievanie, každý z týchto krokov do určitej miery oneskoruje iniciáciu a rast trhlín. V kombinácii s disciplinovanou kontrolou a preventívnou údržbou tento prístup udržuje zariadenie v bezpečnom chode a zároveň predlžuje životnosť tepelne odolných odliatkov a znižuje neplánované prestoje spôsobené tepelnou únavou.