کوره درون: مهندسی قطعات کوره عملیات حرارتی با عمر طولانی

حکم: انتخاب مناسب آلیاژ عمر اجزا را 3 تا 5 برابر افزایش می دهد

برای عملیات حرارتی قطعات کوره در معرض دمای مداوم بالای 900 درجه سانتیگراد، انتخاب درست آلیاژ نیکل-کروم (Ni-Cr) یا آهن-کروم-آلومینیوم (Fe-Cr-Al) طول عمر قطعه را با ضریب 3 تا 5 تعیین می کند. . داده‌های خرابی میدانی از 200 تأسیسات عملیات حرارتی صنعتی نشان می‌دهد که لوله‌های تابشی ساخته شده از آلیاژ 601 (60% Ni، 23% Cr) 18 تا 24 ماه در دمای 1050 درجه سانتی‌گراد دوام می‌آورند، در حالی که 314 ضد زنگ (25% کروم، 20% نیکل) تنها 6 تا 8 ماه در شرایط یکسان دوام می‌آورند. نتیجه گیری مستقیم: آلیاژ را بر اساس دمای عملیاتی، ترکیب اتمسفر (گرماگیر، گرمازا، یا خلاء) و فرکانس چرخه حرارتی مشخص کنید - نه بر اساس قیمت.

محدودیت های دمای عملیاتی بر اساس درجه آلیاژ

قطعات کوره عملیات حرارتی از پنج خانواده آلیاژی اولیه ساخته شده اند که هر کدام دارای حداکثر دمای سرویس مداوم متمایز هستند. 309 ضد زنگ (23٪ کروم، 13٪ نیکل) تا حداکثر 980 درجه سانتیگراد رتبه بندی شده است. 310 ضد زنگ (25% کروم، 20% نیکل) تا 1100 درجه سانتیگراد؛ آلیاژ 601 (60% نیکل، 23% کروم) تا 1200 درجه سانتیگراد؛ آلیاژ 602 (65٪ نیکل، 25٪ کروم، 2.3٪ Al) تا 1250 درجه سانتیگراد؛ و آلیاژهای Fe-Cr-Al (APM، Kanthal) تا 1350 درجه سانتی گراد . تجاوز از این دماها حتی برای 50 ساعت باعث اکسیداسیون سریع مرز دانه می شود و شکل پذیری را 80-90 درصد کاهش می دهد و منجر به شکستگی شکننده فاجعه بار می شود.

برای کوره های خلاء که در دمای زیر 1300 درجه سانتیگراد کار می کنند، آلیاژ مولیبدن (TZM) یا اجزای گرافیت به دلیل نگرانی از تبخیر بر آلیاژهای مبتنی بر نیکل ترجیح داده می شوند. آلیاژهای مبتنی بر نیکل در خلاء بالاتر از 1050 درجه سانتیگراد خارج شده و منطقه کار را با بخار نیکل که روی سطوح قطعه کار رسوب می کند آلوده می کند. ، باعث تغییر رنگ و آلودگی احتمالی آلیاژ مواد حساس مانند تیتانیوم یا سوپرآلیاژها می شود.

سازگاری با اتمسفر: اکسیداسیون، کربورسازی و نیتریدینگ

جو کوره به طور قابل توجهی بر عمر قسمتی کوره عملیات حرارتی تأثیر می گذارد. در اتمسفرهای اکسید کننده (هوا، اگزوز غنی از اکسیژن)، همه آلیاژها یک لایه اکسید محافظ تشکیل می دهند (Cr2O3 روی آلیاژهای Ni-Cr، Al2O3 روی آلیاژهای Fe-Cr-Al). در اتمسفرهای کربن دار (CO، CH4، گاز گرماگیر)، کاربیدهای کروم در مرز دانه ها تشکیل می شوند، کروم را تخلیه می کنند و مقاومت اکسیداسیون را 70-85٪ در عرض 500 ساعت کاهش می دهند. . برای کوره‌های کربورسازی، آلیاژ 601 یا 602 را با 0.1-0.2% ایتریم اضافه کنید، که لایه اکسید را تثبیت می‌کند و عمر را 2 تا 3 برابر در مقایسه با 310 ضد زنگ افزایش می‌دهد.

جوهای نیتروژن (آمونیاک، غنی از نیتروژن) به ویژه تهاجمی هستند. در دمای 850 درجه سانتیگراد در اتمسفر نیتریدینگ، 310 ضد زنگ یک لایه نیترید عمیق 200-300 میکرون در عرض 200 ساعت ایجاد می کند که شکننده و مستعد ترک می شود. . برای کوره های نیتریدینگ، آلیاژ 601 را با افزودن تیتانیوم (1-2%) مشخص کنید که نیتریدهای تیتانیوم پایدار را در سطح تشکیل می دهد و نیتریداسیون داخلی را کند می کند. آلیاژهای Fe-Cr-Al در اتمسفرهای نیترید شونده ضعیف عمل می کنند - تشکیل نیترید آلومینیوم باعث شکنندگی و پوسته پوسته شدن شدید می شود. برای چرخه های ترکیبی کربورسازی-نیتریدینگ، فقط آلیاژهای 602 آلیاژی یا نیکل-کروم-کبالت (Ni-Cr-Co) مناسب هستند.

طراحی لوله تابشی و حالت های شکست

لوله های تابشی مستعدترین قطعات کوره عملیات حرارتی هستند که معمولاً با تغییر شکل خزشی (افتادگی) یا ترک خوردگی ناشی از خستگی حرارتی از بین می روند. شکست خزشی زمانی رخ می دهد که دمای دیواره لوله از مقاومت پارگی 10000 ساعته آلیاژ بیشتر شود. . برای یک لوله تابشی ضد زنگ 310 در دمای 1050 درجه سانتیگراد، استحکام گسیختگی 10000 ساعته تنها 5 مگاپاسکال است، در حالی که تنش حلقه کاری ناشی از فشار احتراق داخلی 2 تا 3 مگاپاسکال است که عمری بین 15000 تا 20000 ساعت دارد. در دمای 1100 درجه سانتیگراد، قدرت گسیختگی به 2 مگاپاسکال کمتر از تنش عملیاتی کاهش می یابد و عمر را به کمتر از 5000 ساعت کاهش می دهد. افزایش دمای 50 درجه سانتی گراد عمر لوله تابشی را 60 تا 75 درصد کاهش می دهد.

شکست خستگی حرارتی در طول عملیات چرخه ای (شروع و توقف مکرر) رخ می دهد. هر شروع سرد به دمای کار باعث ایجاد کرنش پلاستیکی 0.2-0.4٪ در دیواره لوله می شود . لوله های تابشی 1000 تا 2000 سیکل را قبل از شروع ترک های خستگی در درز جوش یا در مناطق برخورد مشعل تحمل می کنند. برای کاربردهایی با خاموشی روزانه (کوره های دسته ای، کارگاه های عملیات حرارتی)، دیواره های لوله ضخیم تر (حداقل 6 میلی متر برای 310، 4.5 میلی متر برای 601) یا لوله های پره دار جوش داده شده که گرادیان های حرارتی را کاهش می دهند را مشخص کنید. برای کوره های پیوسته (کارکرد 24 ساعته) ضخامت دیواره استاندارد 4 میلی متر کافی است.

صدا خفه کن و پاسخ: پیشگیری از اعوجاج

صدا خفه کن ها (محفظه های محافظ در اطراف منطقه کار) و قفسه ها (ظروف آب بندی شده برای پردازش اتمسفر کنترل شده) باید در برابر اعوجاج تحت وزن خود و گرادیان های حرارتی مقاومت کنند. صدا خزش 310 پس از 6 تا 12 ماه در دمای 1050 درجه سانتیگراد به دلیل خزش افتادگی قابل اندازه گیری را تجربه می کند که نیاز به صاف کردن یا تعویض دارد. . برای افزایش عمر صدا خفه کن، آلیاژ 602 را مشخص کنید که 2.5 برابر قدرت خزش 310 در 1050 درجه سانتی گراد است. برای صدا خفه کن های بزرگ (با عرض بیش از 1.5 متر)، سفت کننده های طولی (دنده های 50 میلی متر در 10 میلی متر که هر 300 میلی متر جوش داده می شوند) اضافه کنید که مدول مقطع را 300-400٪ با تنها 15٪ اضافه وزن افزایش می دهد.

درجه فشار مخزن: برای فرآیندهای فشار مثبت (بالاتر از 0.5 بار)، آلیاژ 601 یا 602 را با درزهای دو جوش داده شده با نفوذ کامل مشخص کنید. درزهای تک جوشی در مخازن با پارگی خزشی با 1/3 عمر درزهای دوجوش شکست می‌خورند. . برای مخازن خلاء (عملکرد زیر 1 میلی‌بار)، موادی را مشخص کنید که مجدداً با قوس خلاء ذوب شده‌اند (VAR) تا ذوب‌های گازی که به منابع خروج گاز تبدیل می‌شوند حذف شوند. آلیاژ VAR 601 نرخ خروج گاز را از 10-3 به 10-5 mbar·L/s·cm² کاهش می دهد که برای کاربردهای با خلاء بالا مانند لحیم کاری یا بازپخت دستگاه های پزشکی ضروری است.

وسایل، سبدها و سینی ها: بهینه سازی مواد و طراحی

تجهیزات عملیات حرارتی (تکیه، سبد، سینی) هم تنش حرارتی و هم بارگذاری مکانیکی را از وزن قطعه کار تجربه می کنند. برای عملیات حرارتی زیر 1000 درجه سانتیگراد، 310 فلز منبسط شده ضد زنگ یا ورق سوراخ دار تعادل مقرون به صرفه ای از مقاومت و مقاومت در برابر اکسیداسیون را فراهم می کند. . برای سرویس بالای 1050 درجه سانتیگراد، ریخته گری آلیاژ 601 یا سبدهای میله ای ساخته شده را مشخص کنید. قطعات ریخته گری 601 به دلیل ساختار دانه ای یکنواخت، 20 تا 30 درصد استحکام خزشی بالاتری نسبت به نمونه های فرفورژه دارند، اما 40 تا 60 درصد قیمت بیشتری دارند.

طراحی فیکسچر جرم را به حداقل می رساند (که گرما را جذب می کند و زمان چرخه را افزایش می دهد) در حالی که استحکام را حفظ می کند. فضای باز بهینه برای سبدها و سینی ها 65 تا 75 درصد باز است . زیر 60% باز، زمان چرخه 15-25% افزایش می یابد زیرا فیکسچر انتقال حرارت تابشی را مسدود می کند. بالای 80% باز، فیکسچر فاقد استحکام ساختاری است و پس از 10-20 چرخه دچار اعوجاج می شود. برای اجزای دیوار نازک (ضخامت کمتر از 2 میلی متر)، یک شبکه پشتیبانی با گیج نازک جداگانه (1.5 میلی متر 310 ضد زنگ) مشخص کنید که از اعوجاج قطعه بدون جرم حرارتی بیش از حد جلوگیری می کند.

عناصر گرمایشی: انتخاب Fe-Cr-Al در مقابل Ni-Cr

المنت‌های گرمایشی پرمصرف‌ترین قطعات کوره‌های عملیات حرارتی هستند که با طول عمر معمولی 12 تا 36 ماه بسته به شرایط عملیاتی تعویض می‌شوند. عناصر Ni-Cr (80٪ Ni، 20٪ کروم) برای دماهای تا 1200 درجه سانتیگراد استاندارد هستند. ، مقاومت در برابر اکسیداسیون و استحکام مکانیکی خوبی ارائه می دهد. عناصر Fe-Cr-Al (به عنوان مثال، APM، Kanthal A-1) تا 1350 درجه سانتیگراد کار می کنند، اما شکننده تر و مستعد شوک حرارتی هستند. عناصر Fe-Cr-Al همچنین یک لایه اکسید آلومینیوم مقاوم را تشکیل می دهند که عایق الکتریکی است - اگر عنصر با پوسته کوره برخورد کند، اتصال کوتاه نمی کند، اما عایق گرمای بیش از حد موضعی ایجاد می کند که عنصر را در نقطه تماس ذوب می کند.

برای اتمسفرهای کربن دار، عناصر Ni-Cr نامناسب هستند - کربن به داخل نیکل پخش می شود، کاربید نیکل را تشکیل می دهد و باعث شکنندگی سریع می شود. در اتمسفرهای کربن دار، عناصر Fe-Cr-Al با محتوای آلومینیوم بالا (5-6٪) را مشخص کنید. . برای کوره های خلاء، عناصر مولیبدن یا تنگستن را مشخص کنید، نه Ni-Cr یا Fe-Cr-Al، که دارای فشار بخار بیش از حد در شرایط خلاء هستند. عناصر مولیبدن تا دمای 1300 درجه سانتیگراد کار می کنند اما در دمای زیر 200 درجه سانتیگراد شکننده می شوند (انتقال شکل پذیر به شکننده)، که نیاز به جابجایی دقیق در طول تعمیر و نگهداری کوره سرد دارد.

یکپارچگی جوش و رویه های تعمیر

جوش ها ضعیف ترین نقطه در هر قسمت کوره عملیات حرارتی هستند. شکست جوش 45 تا 50 درصد از خرابی های لوله تابشی و صدا خفه کن را تشکیل می دهد . تمام جوش‌های با دمای بالا باید با فلز پرکننده منطبق ساخته شوند - استفاده از پرکننده 309 روی فلز پایه 310، استحکام خزشی را 40 تا 50 درصد در دمای 1050 درجه سانتی‌گراد کاهش می‌دهد. برای آلیاژ 601، از پرکننده 601 یا پرکننده نیکل کروم ERNiCr-3 استفاده کنید. برای آلیاژهای Fe-Cr-Al، جوشکاری بسیار دشوار است (پیش گرمایش تا 300 درجه سانتیگراد مورد نیاز است) و باید از آن اجتناب شود - به جای آن، اتصال دهنده های مکانیکی یا طرح های ریخته گری را مشخص کنید.

عملیات حرارتی پس از جوش (PWHT) برای تمام جوش های آلیاژ Ni-Cr با ضخامت بیش از 6 میلی متر مورد نیاز است. PWHT در دمای 980 درجه سانتی گراد به مدت 2 ساعت در هر 25 میلی متر ضخامت، تنش های پسماند را کاهش می دهد و عمر خزشی جوش را دو برابر می کند. . بدون PWHT، ترک خوردگی جوش در 25 تا 50 درصد از عمر فلز پایه رخ می دهد. برای تعمیرات میدانی (جوشکاری در محل لوله های تابشی ترک خورده یا صدا خفه کن)، از فرآیند جوشکاری کم هیدروژن و کاهش تنش به صورت موضعی با مشعل در دمای 700-800 درجه سانتیگراد استفاده کنید - ایده آل نیست، اما خطر ترک فوری را 50-60٪ کاهش می دهد. تعویض همیشه برای تعمیر قطعاتی که در دمای بالای 1000 درجه سانتیگراد کار می کنند ترجیح داده می شود.

چرخه حرارتی و پیش بینی زندگی

برای قطعات کوره عملیات حرارتی، چرخه حرارتی اغلب آسیب بیشتری نسبت به دمای حالت ثابت دارد. هر تغییر دمای 100 درجه سانتیگراد تقریباً 0.1٪ کرنش پلاستیکی در 310 ضد زنگ ایجاد می کند. . کرنش انباشته شده پلاستیکی بیش از 2% بدون در نظر گرفتن دمای عملیاتی باعث ترک خوردن خستگی می شود. برای کوره های دسته ای که از محیط تا 1050 درجه سانتیگراد (1000 درجه سانتیگراد ΔT) در حال چرخش هستند، کرنش پلاستیک القایی تقریباً 1.0٪ در هر چرخه است. بنابراین، یک جزء ضد زنگ 310 تنها پس از 2 چرخه به 2% کرنش انباشته می رسد - توضیح می دهد که چرا قطعات کوره دسته ای عمر بسیار کوتاه تری نسبت به قطعات کوره پیوسته دارند.

برای کاهش آسیب چرخه حرارتی، از آلیاژهایی با ضریب انبساط حرارتی پایین (CTE) استفاده کنید. آلیاژهای Fe-Cr-Al دارای CTE 15 µm/m·K در مقابل 18 µm/m·K برای 310 زنگ نزن هستند. - کاهش 17 درصدی که به معنی 30 تا 40 درصد کاهش کرنش حرارتی در هر سیکل است. برای کاربردهای با چرخه بالا (کوره های دسته ای با 10 چرخه در روز)، علیرغم هزینه مواد بالاتر (30-50 دلار/کیلوگرم در مقابل 15-25 دلار/کیلوگرم برای 310) Fe-Cr-Al را مشخص کنید. افزایش عمر از 1000 سیکل به 3000 چرخه حق بیمه را در 6 تا 12 ماه توجیه می کند.

خوردگی ناشی از شارها و آلاینده ها

شارهای مورد استفاده در عملیات لحیم کاری و لحیم کاری برای قطعات کوره عملیات حرارتی بسیار خورنده هستند. شارهای مبتنی بر فلوراید به لایه‌های اکسید کروم حمله می‌کنند و باعث اکسیداسیون فاجعه‌بار در عرض 10 تا 20 ساعت در دمای 1100 درجه سانتی‌گراد می‌شوند. . برای کوره های لحیم کاری، برای محافظت از اجزای فلزی، از یک صدا خفه کن یا قفسه مجزا با پوشش سرامیک آلومینا (Al2O3) یا مولایت استفاده کنید. اگر اجزای فلزی باید در معرض شار قرار گیرند، آلیاژ 602 را مشخص کنید که یک لایه اکسید کروم پایدارتر را تشکیل می دهد، اما عمر کمتری را می پذیرد - به جای 12-24 ماه انتظار 3-6 ماه را داشته باشید.

آلاینده های قطعات کار (روغن های ماشینکاری، روان کننده ها، رنگ ها) در کوره تبخیر می شوند و با سطوح اجزا واکنش می دهند. پارافین های کلردار (معمول در مایعات برش) گاز کلر را در دمای 800-1000 درجه سانتیگراد آزاد می کنند که با کروم واکنش داده و کلرید کروم فرار را تشکیل می دهد. ، لایه اکسید محافظ را به سرعت تخلیه می کند. برای کوره هایی که قطعات روغنی را پردازش می کنند، یک منطقه سوزاندن (پیش گرمایش 600-700 درجه سانتیگراد) نصب کنید که در آن مواد فرار قبل از ورود قطعات به منطقه با دمای بالا حذف می شوند. این امر خوردگی اجزا را 60-80٪ کاهش می دهد و عمر لوله تابشی را از 12 به 24-30 ماه افزایش می دهد.

بازرسی و نظارت بر وضعیت

بازرسی منظم قطعات کوره عملیات حرارتی از خرابی های فاجعه بار که به محصول آسیب می زند و نیاز به توقف اضطراری دارد، جلوگیری می کند. لوله های تابشی را هر 3 ماه یکبار برای کاهش ضخامت دیوار با استفاده از ضخامت سنج اولتراسونیک بررسی کنید . لوله ای که 25 درصد ضخامت دیواره اصلی خود را از دست داده است (مثلاً از 4 میلی متر به 3 میلی متر) کمتر از 20 درصد از عمر خزشی باقی مانده خود را دارد - زمان بندی تعویض در عرض 1-2 ماه. به طور مشابه، اعوجاج صدا خفه کن را با یک راسته اندازه گیری کنید. افتادگی بیش از 15 میلی متر در یک دهانه 2 متری نشان دهنده خرابی قریب الوقوع است.

برای وسایل و سبدها، بازرسی بصری هر 1-2 هفته یکبار ترک خوردگی را قبل از شکست فاجعه بار تشخیص می دهد. ترک های بیش از 25 میلی متر طول یا ترک های دیواره ای نیاز به حذف فوری اجزا دارند . ترک‌های کوچک (کمتر از 10 میلی‌متر) را می‌توان برای جلوگیری از انتشار، سوراخ کرد (قطر 3 میلی‌متر در هر نوک ترک)، اما باید ظرف 3 ماه جایگزین شود. فهرستی از قطعات حیاتی را نگه دارید: برای یک کوره پیوسته، یک مجموعه کامل از لوله های تابشی به اضافه 50 درصد وسایل را ذخیره کنید. زمان تولید قطعات آلیاژی سفارشی 601 معمولاً 12-16 هفته است. توقف برنامه ریزی نشده بدون قطعات یدکی 5000 تا 20000 دلار در روز در تولید از دست رفته هزینه دارد.

ارتقاهای آلیاژی مقرون به صرفه

ارتقاء از آلیاژ ضد زنگ 310 به آلیاژ 601 50 تا 80 درصد به هزینه قطعات می افزاید، اما معمولا عمر را 3 تا 4 برابر افزایش می دهد. یک لوله تابشی 10000 دلاری 310 ضد زنگ با دوام 12 ماهه 10000 دلار در سال هزینه دارد. یک لوله آلیاژی 17000 دلاری 601 که 48 ماه طول می کشد، 4250 دلار در سال هزینه دارد - 58٪ صرفه جویی سالانه . برای کاربردهای با دمای بالا (بالاتر از 1075 درجه سانتیگراد)، افزایش عمر از 310 به 601 حتی چشمگیرتر است: 310 ممکن است تنها 3-4 ماه دوام داشته باشد، در حالی که 601 24-30 ماه دوام می آورد و باعث کاهش هزینه سالانه 80-85٪ می شود.

ارتقای انتخابی: در حین استفاده از آلیاژهای استاندارد در مناطق سردتر، اجزای داغترین منطقه (نزدیکترین مشعلها یا عناصر گرمایش) را با آلیاژهای درجه بالاتر جایگزین کنید. یک بلوک مشعل آلیاژی 602 (اول 500 میلی متر لوله تابشی) همراه با ضد زنگ 310 برای طول لوله باقیمانده 30٪ بیشتر از تمام 310 هزینه دارد اما عمر کلی لوله را 100-150٪ افزایش می دهد. . به طور مشابه، از آلیاژ 602 برای طبقه پایین سبدها (گرمترین منطقه) و 310 برای طبقات بالایی استفاده کنید. این رویکرد ترکیبی، کارآمدی هزینه را برای کوره‌های چند ناحیه‌ای که دما بین 100 تا 200 درجه سانتی‌گراد در سراسر منطقه کار تغییر می‌کند، به حداکثر می‌رساند.

برنامه ریزی جایگزینی و برنامه ریزی خاموش

تعویض پیشگیرانه قطعات کوره عملیات حرارتی در طول خاموشی های برنامه ریزی شده هزینه بسیار کمتری نسبت به تعویض اضطراری دارد. برای لوله های تابشی 310 ضد زنگ، تعویض را در 18 ماه برنامه ریزی کنید، حتی اگر خرابی قابل مشاهده ای رخ نداده باشد. . داده های میدانی نشان می دهد که 85 درصد از 310 لوله بین 18 تا 24 ماه از کار می افتند. تعویض در 18 ماهگی از 5 مورد از 6 خرابی که در مواقع اضطراری رخ می دهد جلوگیری می کند. برای لوله های 601، 36 ماه برنامه ریزی کنید. رکوردهای چرخه عمر را برای هر منطقه کوره نگه دارید - تغییرات دما اغلب باعث می شود که یک منطقه 2 تا 3 برابر سریعتر از سایرین خراب شود.

هماهنگی تعویض با تعمیر نسوز و مشعل. یک خاموش شدن واحد برای جایگزینی لوله های تابشی، مواد نسوز و مشعل های خدماتی 15000 تا 30000 دلار هزینه در تولید از دست رفته دارد. . سه خاموشی جداگانه 45000 تا 90000 دلار هزینه دارد. جایگزینی اجزا را در یک چرخه 12-18 ماهه برای قطعات حیاتی برنامه ریزی کنید و تمام تعمیرات منطقه داغ را در یک خاموشی سالانه 5-7 روزه قرار دهید. برای کوره‌هایی که 24/7 کار می‌کنند، هزینه تولید از دست رفته ناشی از تعطیلی 7 روزه (35000 تا 140000 دلار بسته به ارزش محصول) با جلوگیری از 3 تا 4 خاموشی برنامه‌ریزی نشده که هر کدام باعث 2 تا 5 روز توقف اضطراری می‌شوند توجیه می‌شود.