Làm thế nào để chọn ống tỏa sáng phù hợp?

Lựa chọn quyền Ống bức xạ đòi hỏi phải đánh giá Năm thông số cốt lõi: nhiệt độ vận hành, thành phần vật liệu, hình dạng ống (hình dạng và kích thước), khả năng tương thích với khí quyển và cấu hình lò . Nếu sai bất kỳ một trong những điều này và kết quả là ống bị hỏng sớm, phôi gia nhiệt không đều, lò ngừng hoạt động ngoài kế hoạch hoặc trong trường hợp xấu nhất là sự cố an toàn do vỡ ống và khí đốt xâm nhập vào buồng lò. Quyết định này rất quan trọng về mặt kỹ thuật vì ống bức xạ hoạt động trong lò công nghiệp có thể quay vòng hàng nghìn lần trong thời gian sử dụng từ 3 đến 10 năm , trải qua các gradient nhiệt, bầu không khí oxy hóa và cacbon hóa cũng như tải trọng cơ học đồng thời. Các phần bên dưới sẽ trình bày chi tiết từng thông số lựa chọn, kèm theo dữ liệu và ví dụ cụ thể để củng cố quá trình ra quyết định.

Ống bức xạ làm gì và tại sao việc lựa chọn vật liệu là yếu tố quan trọng nhất của nó

Ống bức xạ là một vỏ đốt kín được lắp xuyên qua thành lò công nghiệp. Đầu đốt gas đốt bên trong ống và các sản phẩm đốt cháy di chuyển dọc theo chiều dài của ống - thường ở dạng U, W, P hoặc thẳng - trước khi thoát ra qua ống khói ở đầu kia. Thành ống hấp thụ nhiệt đốt và tỏa lại vào buồng lò dưới dạng bức xạ hồng ngoại, làm nóng phôi mà không có bất kỳ tiếp xúc nào giữa khí đốt và môi trường lò. Sự tách biệt này là mục đích cơ bản của ống bức xạ: nó cho phép tạo ra bầu không khí bảo vệ, được kiểm soát bên trong buồng lò trong khi vẫn sử dụng quá trình đốt khí làm nguồn nhiệt.

Thành ống đồng thời tiếp xúc với khí đốt ở bề mặt bên trong lên tới 1.150 độ C hoặc cao hơn và tới bầu không khí của lò - có thể bị khử, cacbon hóa, thấm nitơ hoặc trung tính - ở bề mặt bên ngoài, đồng thời hỗ trợ trọng lượng của chính nó và trọng lượng của cụm đầu đốt ở cấu hình đúc hẫng hoặc được đỡ. Không có thành phần nào khác trong hệ thống lò hoạt động theo sự kết hợp đồng thời của các nhu cầu nhiệt, hóa học và cơ học này. Đây là lý do tại sao lựa chọn vật liệu là lựa chọn quan trọng nhất trong đặc điểm kỹ thuật của ống bức xạ.

Bước một: Xác định nhiệt độ hoạt động

Thông số quan trọng nhất trong việc lựa chọn ống bức xạ là nhiệt độ hoạt động tối đa - cụ thể là nhiệt độ nhiệt độ thành ống , không phải nhiệt độ điểm đặt của lò. Thành ống luôn nóng hơn môi trường lò vì đây là nguồn nhiệt chính và vùng ngọn lửa cục bộ bên trong ống có thể nóng hơn đáng kể so với nhiệt độ trung bình của thành ống được biểu thị bằng cặp nhiệt điện.

Nhiệt độ thành ống so với nhiệt độ lò

Trong một hệ thống ống bức xạ được thiết kế tốt, nhiệt độ thành ống thường dao động Cao hơn nhiệt độ điểm đặt của lò từ 50 đến 150 độ C . Một lò hoạt động ở 900 độ C có thể có nhiệt độ thành ống bức xạ từ 950 đến 1.050 độ C ở vùng nóng nhất gần ngọn lửa đầu đốt. Việc chỉ định vật liệu ống được đánh giá chính xác theo nhiệt độ điểm đặt của lò mà không thêm giới hạn này là nguyên nhân phổ biến nhất dẫn đến hỏng ống sớm trong quá trình sử dụng.

Là một khuôn khổ chung để phân bổ dải nhiệt độ:

Tần số đạp xe nhiệt

Một ống bức xạ đạt đến nhiệt độ hoạt động một lần mỗi ngày và giữ ổn định sẽ ít bị mỏi nhiệt hơn nhiều so với ống chuyển từ nhiệt độ lạnh sang nhiệt độ vận hành và quay trở lại nhiều lần mỗi ca . Chu kỳ nhiệt tạo ra ứng suất nhiệt tuần hoàn trong thành ống do sự giãn nở chênh lệch giữa vùng bề mặt bên trong nóng và bên ngoài mát hơn. Các ứng dụng có chu kỳ cao - chẳng hạn như lò ủ theo mẻ hoặc lò làm cứng tải và dỡ tải thường xuyên - yêu cầu vật liệu ống có khả năng chống mỏi nhiệt vượt trội, thường có nghĩa là hợp kim có hàm lượng niken hoặc gốm cacbua silic cao hơn so với hợp kim gốc sắt.

Tiêu chuẩn ASTM dành cho hợp kim chịu nhiệt ở nhiệt độ cao (ASTM A297 và A351) phân loại các loại hợp kim theo nhiệt độ vận hành và cung cấp các yêu cầu về đặc tính tối thiểu làm khung khởi đầu hữu ích cho việc lựa chọn vật liệu, mặc dù các yêu cầu ứng dụng cụ thể có thể biện minh cho việc vượt quá các mức tối thiểu này ( Nguồn: ASTM International, Thông số kỹ thuật tiêu chuẩn cho thép đúc, hợp kim, cho dịch vụ nhiệt độ cao, A297/A297M ).

Bước hai: Kết hợp vật liệu với khí quyển

Môi trường hóa học ở cả hai phía của thành ống bức xạ xác định họ hợp kim nào phù hợp. Một ống hoạt động xuất sắc trong môi trường oxy hóa có thể bị tấn công nhanh chóng trong môi trường cacbon hóa hoặc chứa lưu huỳnh và ngược lại. Khả năng tương thích vật chất-không khí là không thể thương lượng và phải được thiết lập trước khi bất kỳ tham số lựa chọn nào khác được hoàn tất.

Khí quyển bề mặt bên ngoài (Phía buồng lò)

Bầu không khí lò tiếp xúc với bề mặt ống ngoài thay đổi tùy theo quá trình xử lý nhiệt:

• Khí quyển thu nhiệt (endogas): Hỗn hợp khoảng 40% H2, 40% N2 và 20% CO, được sử dụng để cacbon hóa, thấm cacbon và làm cứng trung tính. Bầu không khí này đang cacbon hóa mạnh ở nhiệt độ cao, gây ra sự hấp thụ cacbon vào bề mặt bên ngoài của ống - một quá trình được gọi là quá trình cacbon hóa làm giòn các hợp kim gốc sắt và gây ra sự hình thành pha sigma trong thép không gỉ austenit trong thời gian sử dụng kéo dài.
• Khí quyển nitơ-hydro (N2/H2): Được sử dụng để ủ sáng thép không gỉ và hợp kim đồng. Hàm lượng hydro làm cho bầu khí quyển này bị khử thành các oxit kim loại nhưng có thể gây ra hiện tượng giòn hydro ở một số loại hợp kim nhất định, đặc biệt là thép không gỉ ferit và martensitic.
• Môi trường dựa trên amoniac (thấm nitơ): Amoniac phân ly tạo ra bầu không khí giàu nitơ được sử dụng cho quá trình thấm nitơ khí và quá trình cacbon hóa ferritic. Sự hấp thụ nitơ vào bề mặt ngoài của ống có thể gây ra hiện tượng thấm nitơ - sự hình thành các pha nitrit giòn - trong các hợp kim gốc sắt ở nhiệt độ trên xấp xỉ 550 độ C .
• Không khí hoặc môi trường oxy hóa: Một số buồng lò hoạt động trong không khí hoặc với môi trường bảo vệ có nồng độ thấp, trong đó quá trình oxy hóa bề mặt bên ngoài ống là cơ chế phân hủy chính. Đây là môi trường ít xâm thực nhất đối với vật liệu ống kim loại và hợp kim sắt-crom-niken hoạt động tốt trong môi trường này.
• Khí quyển chứa lưu huỳnh: Việc đốt nhiên liệu chứa lưu huỳnh hoặc xử lý các phôi có chứa lưu huỳnh có thể đưa các hợp chất lưu huỳnh vào khí quyển lò. Lưu huỳnh gây ra sự ăn mòn nóng (sulfua hóa) các hợp kim gốc niken và sắt ở nhiệt độ trên khoảng 650 độ C , làm tăng đáng kể sự mất mát kim loại. Hợp kim có hàm lượng crom cao (trên 25% trọng lượng) có khả năng chống sunfua hóa tốt nhất.

Khí quyển bề mặt bên trong (Phía khí đốt)

Khí đốt chảy bên trong ống bức xạ chủ yếu là CO2, H2O, N2 và O2 dư trong trường hợp đốt cháy nghèo hoặc CO, H2, N2 ở vùng giàu chất đốt. Bề mặt bên trong tiếp xúc với môi trường oxy hóa ở các vùng đốt cháy nghèo và môi trường khử hoặc cacbon hóa ở các vùng giàu nhiên liệu gần vòi đốt. Quá trình đốt cháy giàu cục bộ gần đầu đốt có thể tạo ra vùng khử giúp thúc đẩy quá trình cacbon hóa bề mặt bên trong ống ngay cả khi tỷ lệ không khí-nhiên liệu tổng thể gần bằng cân bằng hóa học.

Hướng dẫn lựa chọn hợp kim theo khí quyển

Bước ba: Chọn lớp hợp kim

Với khả năng tương thích với nhiệt độ vận hành và khí quyển được xác định, loại hợp kim có thể được chọn từ các dòng tiêu chuẩn được sử dụng trong sản xuất ống bức xạ công nghiệp. Mỗi dòng đều có những điểm mạnh và hạn chế cụ thể quyết định sự phù hợp của nó cho các ứng dụng cụ thể.

HK40: Con ngựa có mục đích chung

HK40 (Fe-25Cr-20Ni-0.4C) là hợp kim đúc ly tâm được sử dụng rộng rãi nhất cho các ống bức xạ trong khoảng nhiệt độ 900 đến 1.050 độ C . Thành phần tương đối cân bằng của nó cung cấp khả năng chống oxy hóa tốt từ hàm lượng crom, độ bền rão thích hợp từ mức carbon 0,4% (kết tủa cacbua crom cản trở chuyển động trật khớp ở nhiệt độ cao) và hiệu quả về mặt chi phí từ hàm lượng niken thấp hơn so với các loại niken cao hơn. HK40 là lựa chọn đầu tiên thích hợp cho các lò nung cacbon và làm cứng trung tính trong đó nhiệt độ vận hành nằm trong phạm vi khả năng của nó.

Những hạn chế của HK40 trở nên rõ ràng khi ở trên khoảng 1.050 độ C, nơi độ bền dão của nó giảm mạnh và trong môi trường bị cacbon hóa nghiêm trọng, nơi hàm lượng niken thấp hơn (20%) so với hợp kim cấp HP khiến nó dễ bị hấp thụ carbon hơn dẫn đến hiện tượng giòn pha sigma sau thời gian sử dụng kéo dài.

Hợp kim được biến đổi HP: Khả năng chịu nhiệt độ và cacbon hóa cao hơn

Hợp kim được biến đổi HP (Fe-25Cr-35Ni-0,4C có bổ sung Nb, W, Ti hoặc kết hợp) mở rộng trần nhiệt độ hoạt động đến 1.100 đến 1.150 độ C và cung cấp khả năng chống cacbon hóa tốt hơn đáng kể so với HK40 do hàm lượng niken cao hơn. Việc bổ sung Niobium trong các loại HP-Nb tạo ra các cacbua NbC ổn định có khả năng chống lại sự hòa tan và duy trì độ bền rão của hợp kim trong thời gian sử dụng kéo dài. Các loại được HP sửa đổi là lựa chọn tiêu chuẩn cho lò đốt cacbon bằng khí, lò ủ nhiệt độ cao và bất kỳ ứng dụng nào mà nhiệt độ thành ống dự kiến ​​sẽ vượt quá 1.050 độ C khi sử dụng.

Hợp kim niken cao (Hợp kim 602CA, HR160, 253MA)

Đối với các ứng dụng đòi hỏi khắt khe nhất - nhiệt độ trên 1.100 độ C, khí quyển cacbon hóa hoặc sunfua hóa nghiêm trọng hoặc các ứng dụng yêu cầu khả năng chống mỏi nhiệt đặc biệt - hợp kim niken cao có hàm lượng niken là 55 đến 75% trọng lượng mang lại hiệu suất mà hợp kim gốc sắt không thể sánh được. Những vật liệu này đắt hơn đáng kể so với các loại HK40 hoặc HP, nhưng trong các ứng dụng mà hợp kim làm từ sắt bị hỏng trong vòng 12 đến 18 tháng và hợp kim có hàm lượng niken cao có thời gian sử dụng từ 4 đến 7 năm, nền kinh tế đặc biệt ủng hộ hợp kim cao cấp mặc dù chi phí ban đầu cao hơn.

Ống bức xạ silicon cacbua (SiC): Hiệu suất nhiệt độ tối đa

Ống bức xạ gốm cacbua silic hoạt động ở nhiệt độ vượt quá khả năng của bất kỳ hợp kim kim loại nào - lên đến 1.350 đến 1.400 độ C nhiệt độ thành ống trong dịch vụ liên tục. SiC có khả năng chống oxy hóa đặc biệt (tạo thành lớp bề mặt SiO2 bảo vệ), độ dẫn nhiệt rất cao (khoảng Gấp 3 đến 5 lần so với hợp kim kim loại ), và khả năng chống cacbon hóa, thấm nitơ và sunfua hóa tuyệt vời. Hạn chế chính của ống bức xạ SiC là độ giòn - chúng không thể chịu được va đập cơ học hoặc tải trọng điểm có thể làm nứt gốm - và giá thành cao hơn so với các vật liệu thay thế kim loại có kích thước tương đương.

Ống SiC là lựa chọn tiêu chuẩn cho dây chuyền ủ liên tục ở nhiệt độ cao, ủ sáng dải không gỉ, gia công thép silicon và bất kỳ lò nào mà tần suất thay thế ống kim loại đã trở nên cao đến mức không thể chấp nhận được do hạn chế về nhiệt độ.

Gang và thép hợp kim thấp: Khi nào không nên sử dụng chúng

Ống gang và thép carbon thấp đôi khi gặp phải trong các lò lắp đặt cũ hoặc chi phí thấp hơn, nơi nhiệt độ vận hành thấp hơn 750 độ C và yêu cầu về bầu không khí là tối thiểu. Trên nhiệt độ này, quá trình oxy hóa và phát triển nhanh chóng của cặn oxit sắt trên thép không hợp kim hoặc thép hợp kim thấp làm cho những vật liệu này không phù hợp với bất kỳ ứng dụng ống bức xạ nào có tuổi thọ dự kiến ​​vượt quá 6 đến 12 tháng. Nếu thông số kỹ thuật của ống bức xạ đề xuất thép không hợp kim hoặc thép hợp kim thấp có nhiệt độ vận hành trên 750 độ C thì thông số kỹ thuật cần phải sửa đổi trước khi tiến hành lắp đặt.

Bước bốn: Chọn hình dạng ống phù hợp

Hình dạng ống bức xạ - hình dạng của đường ống mà khí đốt chảy qua - ảnh hưởng trực tiếp đến tính đồng nhất phân phối nhiệt trong lò, sự phù hợp của ống với các cấu hình lò khác nhau và lượng nhiệt đầu vào có thể đạt được trên mỗi ống. Bốn hình học được sử dụng phổ biến trong công nghiệp, mỗi hình học có những ưu điểm cụ thể và ứng dụng phù hợp.

Ống xuyên thẳng

Một ống bức xạ thẳng xuyên qua thành lò ở một bên, bắc qua buồng lò và thoát ra qua thành đối diện. Đầu đốt cháy từ một đầu và khí thải thoát ra từ đầu kia. Ống thẳng cung cấp khả năng phân bổ nhiệt tuyệt vời dọc theo chiều dài của chúng trong các ứng dụng định hướng theo chiều ngang hoặc chiều dọc và là dạng hình học đơn giản nhất để sản xuất, lắp đặt và thay thế. Chúng thích hợp cho các lò có chiều rộng bên trong đủ để chứa toàn bộ chiều dài ống - thường là 1.000 đến 3.000 mm có chiều dài được gia nhiệt - và là tiêu chuẩn trong lò ủ dải liên tục, lò ủ dây và một số lò nung theo mẻ.

Ống chữ U

Ống chữ U bao gồm hai chân song song được nối với nhau bằng một đầu uốn cong 180 độ, với đầu đốt và ống khói đều có thể tiếp cận được từ cùng một thành lò. Khí chảy từ đầu đốt xuống một chân, xung quanh đường cong chữ U và ngược lên chân quay trở lại lối ra ống khói. Ống chữ U là dạng hình học được sử dụng rộng rãi nhất trong các lò nung mẻ, lò xử lý nhiệt và bất kỳ ứng dụng nào mà việc tiếp cận chỉ từ một phía của lò là thực tế. Thách thức thiết kế chính với ống chữ U là sự chênh lệch nhiệt độ giữa chân nung nóng và chân hồi nguội - bề mặt bên trong của ống chữ U hoạt động ở nhiệt độ cao hơn đáng kể so với nhiệt độ trung bình của chân hồi, tạo ra vùng ứng suất nhiệt đòi hỏi độ dày thành và chất lượng vật liệu phù hợp để chống biến dạng từ biến trong suốt thời gian sử dụng.

Ống W

Ống chữ W mở rộng khái niệm ống chữ U bằng cách thêm một đoạn uốn cong chữ U thứ hai, tạo ra một đường ống đảo hướng hai lần trong buồng lò trước khi quay trở lại tường nung. Ống chữ W cung cấp đường dẫn nhiệt dài hơn ở độ sâu buồng lò nhất định, tạo ra nhiều nhiệt đầu vào hơn trên mỗi lần xuyên qua thành lò so với ống chữ U có mặt cắt ngang tương tự. Chúng được sử dụng trong các ứng dụng yêu cầu đầu vào nhiệt riêng cao - chẳng hạn như lò nung cứng hàng loạt năng suất cao - nhưng hình dạng phức tạp hơn khiến chúng khó chế tạo hơn với dung sai kích thước và khó thay thế hơn trong sử dụng.

Ống P (Ống Pyrex hoặc Ống khuỷu tay)

Ống P (còn gọi là ống khuỷu hoặc ống tuần hoàn một đầu) sử dụng ống tuần hoàn bên trong bên trong thân ống bên ngoài. Đầu đốt cháy vào ống bọc bên trong; khí đốt đi xuống ống bọc, đảo ngược hướng ở đầu đóng và chảy ngược lên không gian hình khuyên giữa ống bọc và ống ngoài đến lối ra ống khói ở đầu đốt. Bề mặt bên ngoài của ống P thể hiện sự phân bố nhiệt độ đồng đều hơn so với ống chữ U vì ống bọc bên trong nóng làm nóng trước khí hồi lưu trước khi chúng thoát ra, làm giảm chênh lệch nhiệt độ dọc theo chiều dài ống bên ngoài. Ống P ngày càng được sử dụng nhiều trong các thiết kế lò hiệu suất cao hiện đại, trong đó yêu cầu hàng đầu là độ đồng đều nhiệt độ trên vùng gia nhiệt.

Kích thước ống: Đường kính, Độ dày của tường và Khoảng cách chân

Trong mỗi loại hình học, đường kính ống và độ dày thành ống là các tham số chiều chính cần xác định:

• Đường kính ngoài (OD): OD ống bức xạ tiêu chuẩn nằm trong khoảng từ 60 mm đến 200 mm trong hợp kim kim loại và từ 50 mm đến 150 mm trong SiC. OD xác định diện tích bề mặt bức xạ trên mỗi ống và công suất đầu đốt mà ống có thể đáp ứng.
• Độ dày của tường: Độ dày thành ống kim loại đúc ly tâm thường dao động từ 8 mm đến 20 mm . Thành dày hơn làm tăng khả năng chống biến dạng từ biến của ống nhưng làm giảm tốc độ phản ứng nhiệt và tăng quán tính nhiệt. Độ dày thành tối thiểu được thiết lập bằng cách tính toán ứng suất đứt gãy từ biến ở nhiệt độ vận hành, sử dụng trọng lượng của ống và bất kỳ tải trọng đúc hẫng nào làm đầu vào cơ học.
• Khoảng cách chân ống chữ U: Khoảng cách từ tâm đến tâm giữa hai chân của ống chữ U xác định không gian chiếm dụng của lò và khả năng tiếp cận của ống chữ U để kiểm tra. Khoảng cách chân tiêu chuẩn dao động từ 100 mm đến 300 mm tùy thuộc vào ống OD và thiết kế lò.

Bước năm: Đánh giá phương pháp sản xuất - Đúc ly tâm so với đúc tĩnh so với chế tạo

Phương pháp sản xuất thân ống bức xạ có tác động trực tiếp đến chất lượng luyện kim, độ chính xác về kích thước và hiệu suất nhiệt độ cao. Ba tuyến sản xuất được sử dụng thương mại, mỗi tuyến có đặc điểm chất lượng cụ thể.

Đúc ly tâm

Đúc ly tâm là phương pháp sản xuất tiêu chuẩn và được ưu tiên cho các phần thẳng và chân ống bức xạ kim loại. Hợp kim nóng chảy được đổ vào khuôn quay; lực ly tâm đẩy kim loại lỏng hướng ra ngoài vào thành khuôn và giữ nó ở đó khi nó đông đặc lại. Kết quả là một ống có vùng ngoài dày đặc, hạt mịn (nơi lực ly tâm cao nhất) và vùng hạt thô dần dần về phía lỗ khoan bên trong. Bởi vì bề mặt bên ngoài hoạt động ở nhiệt độ thấp hơn lỗ khoan bên trong của ống bức xạ, độ dốc cấu trúc hạt này phù hợp lý tưởng với sự phân bố ứng suất - vùng bên ngoài dày đặc cung cấp khả năng chống rão khi nhiệt độ thấp hơn và cấu trúc bên trong thô hơn cung cấp đủ độ bền mà không có độ cứng quá mức mà cấu trúc hạt mịn sẽ tạo ra ở vùng bên trong nóng hơn.

Ống đúc ly tâm luôn vượt trội hơn so với ống đúc tĩnh trong môi trường nhiệt độ cao. Nghiên cứu từ Hiệp hội Đúc Châu Âu (CAEF, Dữ liệu Hiệu suất Đúc Hợp kim Chịu Nhiệt, 2019) xác nhận rằng các ống HK40 được đúc ly tâm có tuổi thọ đứt gãy khoảng dài hơn 40 đến 60% so với các vật đúc tĩnh tương đương có cùng thành phần hợp kim được thử nghiệm ở 1.000 độ C trong cùng mức ứng suất, do cấu trúc vi mô dày đặc hơn và đồng đều hơn được tạo ra bởi lực ly tâm trong quá trình hóa rắn.

Đúc tĩnh

Đúc tĩnh (trọng lực) được sử dụng cho các phần uốn chữ U, các bộ phận khuỷu và các bộ phận hình học phức tạp không thể được tạo ra bằng phương pháp đúc ly tâm. Vật đúc tĩnh vốn có cấu trúc vi mô thô hơn, độ xốp cao hơn và độ biến đổi cấu trúc vi mô nhiều hơn so với vật đúc ly tâm. Chúng có thể được chấp nhận đối với các phần uốn cong hoạt động ở nhiệt độ thấp hơn chân ống, nhưng không nên sử dụng cho các phần chân ống sẽ tiếp xúc với nhiệt độ vận hành cao nhất. Khi xác định ống bức xạ ống chữ U, việc xác nhận rằng các phần chân thẳng được đúc ly tâm và chỉ phần uốn cong là đúc tĩnh là thực hành kỹ thuật tốt.

Ống chế tạo (rèn và hàn)

Các ống bức xạ được rèn và hàn - được tạo thành từ tấm cán hoặc ống ép đùn với các mối hàn dọc hoặc theo chu vi - đôi khi được sử dụng trong các ứng dụng có nhiệt độ thấp hơn (dưới 900 độ C) hoặc trong các vật liệu không thể đúc được, chẳng hạn như một số hợp kim được tăng cường phân tán. Các mối hàn trong hợp kim nhiệt độ cao là một điểm yếu tiềm ẩn vì vùng chịu ảnh hưởng nhiệt của mối hàn thường có độ bền rão thấp hơn kim loại cơ bản. Trong các ứng dụng ống bức xạ quan trọng có nhiệt độ trên 900 độ C, ống đúc được ưu tiên hơn các chế tạo hàn vì lý do này.

Bước sáu: Đánh giá cấu hình lò và khả năng tương thích của đầu đốt

Cấu hình vật lý của lò và hệ thống đầu đốt đang được sử dụng hạn chế các tùy chọn ống bức xạ có sẵn và khả năng tương thích giữa ống và đầu đốt phải được xác minh trước khi hoàn tất đặt hàng ống.

Gắn ngang và dọc

Việc lắp ống bức xạ nằm ngang — cấu hình phổ biến nhất trong các lò nung liên tục và nhiều lò nung mẻ — khiến ống phải chịu ứng suất uốn do trọng lượng bản thân của nó và trọng lượng của cụm đầu đốt. Ứng suất uốn lớn nhất xảy ra ở giữa nhịp của ống thẳng hoặc tại điểm nối uốn chữ U của ống chữ U. Đối với các nhịp ngang dài vượt quá khoảng 1.500 đến 2.000 mm với vật liệu HK40 , có thể cần phải có giá đỡ ở giữa nhịp hoặc lựa chọn ống có thành dày hơn để hạn chế độ võng từ biến trong thời gian sử dụng ở nhiệt độ vận hành.

Việc lắp thẳng đứng (ống bắn xuống hoặc hướng lên qua sàn hoặc mái lò) giúp loại bỏ ứng suất uốn do trọng lượng bản thân nhưng yêu cầu các đầu nối và hệ thống mặt bích của ống phải được định mức cho toàn bộ trọng lượng của ống khi kéo hoặc nén thay vì dựa vào cấu trúc ống để chịu tải trọng uốn. Lắp dọc thường được sử dụng trong lò nung chuông, lò nồi và một số dây chuyền ủ dải liên tục.

Tốc độ đốt đầu đốt và tải nhiệt ống

Tốc độ đốt của đầu đốt - biểu thị bằng kW hoặc MBtu/giờ - xác định dòng nhiệt xuyên qua thành ống. Việc vượt quá tải nhiệt tối đa được khuyến nghị của ống sẽ khiến bề mặt bên trong quá nóng, vượt quá khả năng rão của hợp kim, dẫn đến độ võng tăng tốc và cuối cùng là vỡ. cáco hướng dẫn chung, ống bức xạ kim loại tiêu chuẩn bằng vật liệu HK40 hoặc HP được thiết kế cho mật độ dòng nhiệt tối đa từ 60 đến 90 kW/m2 diện tích bề mặt bên ngoài của ống. Ống SiC có thể duy trì tải nhiệt cao hơn do tính dẫn nhiệt vượt trội của chúng. Xác nhận rằng tốc độ đốt của đầu đốt được đề xuất nằm trong giới hạn tải nhiệt của ống đối với đường kính và chiều dài quy định là bước bắt buộc trong quá trình lựa chọn.

Kết nối đầu đốt và khả năng tương thích mặt bích

Ống bức xạ phải tiếp xúc cơ học với cụm đầu đốt ở đầu đốt và với đầu nối ống khói ở đầu ra. Các kết nối này thường được thực hiện thông qua một mặt bích lắp gắn với vật liệu chịu lửa hoặc tấm tường lò. Thiết kế mặt bích ống bức xạ khác nhau tùy theo nhà sản xuất và nhà chế tạo lò, đồng thời hình dạng đầu kết nối của ống phải phù hợp với hệ thống lắp lò hiện có. Khi thay thế các ống trong lò hiện có, việc lấy bản vẽ ống ban đầu hoặc khảo sát kích thước của việc lắp thành lò trước khi đặt hàng các ống thay thế sẽ ngăn ngừa sự không khớp kích thước tốn kém mà cần phải sửa đổi lò để giải quyết.

Các dạng hư hỏng ống bức xạ phổ biến và cách lựa chọn ngăn chặn chúng

Việc hiểu các chế độ hư hỏng ống bức xạ thường gặp nhất — và nguyên nhân cốt lõi của chúng trong các lỗi lựa chọn hoặc ứng dụng — cung cấp cái nhìn sâu sắc thực tế về thông số lựa chọn nào quan trọng nhất trong từng bối cảnh ứng dụng.

Độ võng và biến dạng của Creep

Độ võng từ biến - sự biến dạng đi xuống dần dần của ống nằm ngang dưới tác dụng của trọng lượng bản thân ở nhiệt độ cao - là dạng hư hỏng phổ biến nhất trong các ống bức xạ kim loại. Nó xảy ra khi:

• Ống được vận hành trên giới hạn nhiệt độ được khuyến nghị của vật liệu, làm giảm độ bền rão của nó xuống dưới mức cần thiết để hỗ trợ trọng lượng của chính nó
• Thành ống có kích thước quá nhỏ (đường kính quá mỏng hoặc quá nhỏ) so với chiều dài nhịp, tạo ra ứng suất uốn quá mức ở nhiệt độ vận hành
• Quá trình cacbon hóa vật liệu ống đã làm giòn mặt cắt ngang, gây ra hiện tượng rão tăng tốc ở các vùng dẻo còn lại

Phòng ngừa lựa chọn: chỉ định vật liệu có giới hạn an toàn thích hợp đối với ứng suất đứt gãy từ biến ở nhiệt độ vận hành tối đa và xác minh rằng kích thước ống tạo ra ứng suất uốn có thể chấp nhận được ở nhiệt độ đó. Dữ liệu từ biến được công bố cho hợp kim chịu nhiệt trong ASTM A297 và trong Hướng dẫn đúc hợp kim chịu nhiệt AFS cung cấp các giá trị ứng suất đứt gãy từ biến cần thiết cho tính toán này.

Sự thấm cacbon hóa

Quá trình cacbon hóa - sự hấp thụ cacbon từ khí quyển lò vào bề mặt bên ngoài của ống - xảy ra trong tất cả các hợp kim sắt-crom-niken ở một mức độ nào đó trong lò nung khí quyển cacbon hóa. Quá trình cacbon hóa nghiêm trọng tạo ra lớp bề mặt có hàm lượng carbon cao, giòn và dễ bị nứt trong quá trình luân nhiệt. Theo thời gian, lớp cacbon hóa lan truyền vào trong, làm giảm độ dày thành chịu tải hiệu quả và gây mất dần khả năng chống rão. Phòng ngừa lựa chọn: sử dụng các loại hợp kim niken cao hoặc biến tính HP trong lò khí quyển cacbon hóa; tránh HK40 vì khả năng chống cacbon hóa là yếu tố hạn chế tuổi thọ chính.

Quá trình oxy hóa và mở rộng quy mô

Quá trình oxy hóa nhanh dẫn đến hình thành cặn quá mức và mỏng thành xảy ra khi hợp kim ống được sử dụng trên nhiệt độ oxy hóa tối đa được khuyến nghị hoặc khi lớp crom hoặc alumina bảo vệ bị phá vỡ do chu trình nhiệt, hư hỏng cơ học hoặc tấn công hóa học. Sự bong tróc cặn - sự bong ra của các lớp oxit dày trong quá trình làm mát - làm tăng tốc độ mất kim loại và có thể đưa các mảnh vụn oxit vào không khí lò. Ngăn chặn lựa chọn: xác nhận rằng xếp hạng nhiệt độ oxy hóa liên tục tối đa của hợp kim vượt quá nhiệt độ thành ống ít nhất 50 độ C .

Nứt do mỏi nhiệt

Các vết nứt mỏi do nhiệt - thường bắt đầu ở bề mặt bên ngoài và lan truyền vào trong - là kết quả của ứng suất kéo và nén theo chu kỳ được tạo ra bởi quá trình gia nhiệt và làm mát lặp đi lặp lại. Chúng nghiêm trọng nhất ở vùng tập trung ứng suất hình học như chân mối hàn, điểm nối uốn chữ U và điểm gắn mặt bích. Các ứng dụng có tần suất đạp xe cao với nhiều chu kỳ làm mát bằng nhiệt trên mỗi ca sẽ tích lũy hư hỏng do mỏi nhanh hơn so với các ứng dụng có tần suất đạp xe thấp. Ngăn ngừa lựa chọn: trong các ứng dụng có chu kỳ cao, sử dụng hợp kim niken cao hơn hoặc ống gốm SiC có khả năng chống mỏi nhiệt vượt trội; tránh các phần uốn đúc tĩnh trong chế độ đạp xe cao.

Sunfua hóa và ăn mòn nóng

Tấn công sunfua hóa - đặc trưng bởi sự hình thành cặn nhanh chóng với cấu trúc sunfua-oxit phân lớp và mất kim loại nhanh chóng - xảy ra trong các lò xử lý phôi chứa lưu huỳnh hoặc sử dụng khí nhiên liệu chứa lưu huỳnh. Đây là một trong những chế độ hư hỏng nhanh nhất và có sức tàn phá lớn nhất đối với các ống bức xạ; một ống bị hỏng do sunfua hóa có thể bị mất Độ dày tường từ 2 đến 5 mm mỗi năm so với ít hơn 0,5 mm mỗi năm trong dịch vụ chỉ oxy hóa. Phòng ngừa lựa chọn: xác định bất kỳ nguồn lưu huỳnh nào trong quy trình trước khi chọn hợp kim ống và chỉ định các hợp kim có hàm lượng crom cao (trên 25% trọng lượng) nếu lưu huỳnh có mặt ở bất kỳ nồng độ đáng kể nào.

Danh sách kiểm tra lựa chọn ống bức xạ: Tóm tắt thực tế

Danh sách kiểm tra sau đây hợp nhất quá trình lựa chọn thành một chuỗi câu hỏi có cấu trúc cần được trả lời trước khi hoàn thiện thông số kỹ thuật của ống bức xạ. Mỗi câu hỏi liên kết đến các tham số lựa chọn được thảo luận ở trên.

1. Nhiệt độ điểm đặt của lò là bao nhiêu và nhiệt độ thành ống ước tính ở vùng nóng nhất là bao nhiêu? Thêm 100 đến 150 độ C vào điểm đặt lò để ước tính nhiệt độ thành ống và chọn vật liệu được đánh giá cao hơn ước tính này ít nhất 50 độ C.
2. Bầu không khí lò trên bề mặt ống ngoài là gì? Xác định xem nó đang oxy hóa, cacbon hóa, thấm nitơ, sunfua hóa hay khử và xác nhận tính tương thích của hợp kim với bảng khí quyển ở trên.
3. Tần số chu kỳ nhiệt là gì? Nhiều chu kỳ trong mỗi ca yêu cầu khả năng chống mỏi nhiệt vượt trội - chỉ định hợp kim được biến đổi HP hoặc hợp kim niken cao thay vì HK40 cho nhiệm vụ đạp xe cao trên 900 độ C.
4. Hình dạng ống nào phù hợp với cấu hình lò? Xác nhận xem việc tiếp cận lò có cho phép hình học ống chữ U, ống W, thẳng hay ống P hay không và xác minh rằng sự phân bổ nhiệt của hình học được đề xuất phù hợp với yêu cầu về tính đồng nhất của lò.
5. Đường kính ngoài của ống, độ dày thành ống và chiều dài được gia nhiệt là bao nhiêu? Xác minh rằng các kích thước đã chọn tạo ra ứng suất uốn có thể chấp nhận được dưới trọng lượng bản thân ở nhiệt độ vận hành bằng cách sử dụng dữ liệu từ biến đã công bố cho hợp kim được đề xuất.
6. Ống có được đúc ly tâm không? Xác nhận đúc ly tâm cho tất cả các phần chân thẳng; xác nhận rằng mọi phần uốn đúc tĩnh đều được thiết kế và chỉ định là các phần tử có nhiệt độ thấp hơn.
7. Tốc độ đốt của đầu đốt có nằm trong giới hạn tải nhiệt của ống không? Xác minh rằng dòng nhiệt ở tốc độ nung đề xuất không vượt quá 60 đến 90 kW/m2 đối với ống kim loại hoặc giới hạn khuyến nghị của nhà sản xuất SiC đối với ống gốm.
8. Kích thước kết nối đầu ống có tương thích với việc lắp lò hiện tại không? Nhận bản vẽ kích thước của việc lắp đặt lò trước khi đặt hàng để tránh hiện tượng mặt bích không khớp.
9. Tuổi thọ sử dụng dự kiến ​​là bao nhiêu và tổng chi phí trong thời gian sử dụng đó có phù hợp với hợp kim cao cấp không? Tính toán chi phí hàng năm (chi phí ống chia cho số năm sử dụng cộng với chi phí lắp đặt) cho mỗi hợp kim ứng viên để xác định phương án kinh tế nhất trong chu kỳ bảo trì của lò.

The Ống bức xạ Dòng sản phẩm do Casting Huaye sản xuất bao gồm các phần thẳng được đúc ly tâm, ống chữ U, ống W và các bộ phận uốn đúc tĩnh ở HK40, các loại được HP sửa đổi và hợp kim niken cao, có hỗ trợ kỹ thuật cho việc lựa chọn hình học và vật liệu dành riêng cho ứng dụng dựa trên dữ liệu nhiệt độ lò, không khí và chu trình vận hành.

Tổng chi phí sở hữu: Tại sao ống rẻ nhất hiếm khi là lựa chọn có chi phí thấp nhất

Các quyết định lựa chọn ống bức xạ chỉ dựa trên chi phí mua ban đầu luôn tạo ra tổng chi phí cao hơn trong chu kỳ bảo trì lò so với các quyết định dựa trên tổng chi phí sở hữu (TCO). Hiểu các yếu tố thúc đẩy chi phí trong từng tình huống là điều cần thiết để đưa ra đề án kinh doanh cho việc lựa chọn hợp kim cao cấp khi áp lực chi phí ban đầu cao.

Các thành phần chi phí của quyền sở hữu ống bức xạ

Tổng chi phí vận hành hệ thống ống bức xạ trong thời gian bảo trì bao gồm:

• Chi phí mua ống ban đầu - chi phí dễ thấy nhất nhưng thường là chi phí nhỏ nhất trong thời gian sử dụng nhiều năm
• Nhân công lắp đặt - việc thay thế một bộ ống bức xạ trong lò xử lý nhiệt thường đòi hỏi 8 đến 24 giờ lao động bảo trì mỗi lò , bao gồm thời gian nguội của lò, tháo ống, lắp ống mới và quay trở lại nhiệt độ vận hành
• Chi phí ngừng hoạt động của lò - giá trị sản xuất bị mất trong mỗi lần thay thế ống; đối với dây chuyền xử lý nhiệt năng suất cao, chi phí ngừng hoạt động của lò có thể lên tới 5.000 đến 50.000 USD mỗi ngày tùy thuộc vào giá trị của các bộ phận được xử lý
• Tần suất thay thế — một ống có tuổi thọ 5 năm so với một ống có tuổi thọ 2 năm cần số lần thay thế gấp 2,5 lần trong khoảng thời gian 10 năm, nhân tất cả các thành phần chi phí trên cho phù hợp
• Thiệt hại vật liệu chịu lửa trong quá trình thay thế - nếu một ống bị hỏng khiến khí nóng xâm nhập vào buồng lò, hư hỏng lớp lót lò và vật liệu chịu lửa vùng gia nhiệt có thể cần phải sửa chữa làm tăng thêm chi phí đáng kể và thời gian ngừng hoạt động bổ sung ngoài việc thay thế ống

Một ví dụ thực tế

Xét một lò cacbon hóa theo mẻ hoạt động ở 940 độ C với 20 ống bức xạ kiểu chữ U. Ống HK40 có tuổi thọ sử dụng là 2 năm trong môi trường cacbon hóa; Ống được sửa đổi HP cung cấp 5 năm. Nếu chi phí của ống HK40 bằng 60% chi phí của ống đã được HP sửa đổi cho mỗi bộ và mỗi lần thay ống cần 16 giờ lao động bảo trì cộng với 2 ngày ngừng hoạt động của lò với giá trị sản xuất là 15.000 USD mỗi ngày:

• HK40 trong hơn 10 năm: 5 sự kiện thay thế x (chi phí nhân công cho ống là 30.000 USD thời gian ngừng hoạt động) = tổng mức cao
• HP đã sửa đổi trong 10 năm: 2 sự kiện thay thế x (chi phí nhân công cho ống, thời gian ngừng hoạt động là 30.000 USD) = tổng chi phí thấp hơn đáng kể mặc dù chi phí cho mỗi bộ ống cao hơn

Trong hầu hết các kịch bản xử lý nhiệt công nghiệp, tổng chi phí tính toán quyền sở hữu thiên về lựa chọn vật liệu ống hiệu suất cao nhất phù hợp về mặt kỹ thuật đối với các điều kiện vận hành, thay vì lựa chọn có chi phí thấp nhất, vì thời gian ngừng hoạt động và chi phí nhân công của các lần thay thế bổ sung vượt xa mức giá ban đầu của vật liệu có tuổi thọ cao hơn.