Nguyên lý làm việc của Radiant Tube là gì?

A ống rạng rỡ hoạt động bởi chuyển đổi năng lượng điện trở hoặc nhiệt đốt cháy thành bức xạ nhiệt hồng ngoại thông qua một ống kín bên ngoài, truyền nhiệt lượng đó một cách đồng đều đến khối lượng công việc xung quanh hoặc buồng lò mà không có bất kỳ tiếp xúc trực tiếp nào giữa nguồn nhiệt và không khí bên trong lò. Nguyên tắc cốt lõi là làm nóng gián tiếp: một bộ phận làm nóng bên trong - có thể là dây điện trở hoặc đầu đốt gas - làm nóng ống bảo vệ bên ngoài đến nhiệt độ cao và ống đó sau đó tỏa năng lượng hồng ngoại ra bên ngoài tải lò, chính xác như mặt trời tỏa năng lượng qua không gian mà không cần môi trường để mang nó.

Sự sắp xếp gián tiếp này là mục đích thiết kế cơ bản của ống bức xạ. Nó cho phép các lò xử lý nhiệt hoạt động trong môi trường được kiểm soát hoặc bảo vệ - nitơ, hydro, khí thu nhiệt - được làm nóng mà không làm lộ ra các sản phẩm đốt hoặc không khí oxy hóa vào bên trong lò, điều này có thể làm nhiễm bẩn hoặc làm hỏng phôi đang được xử lý. Ống bên ngoài đóng vai trò vừa là bộ tản nhiệt vừa là rào chắn kín khí giữa nguồn nhiệt và môi trường xử lý.

Ba cơ chế truyền nhiệt bên trong ống bức xạ

Mặc dù cái tên nhấn mạnh đến bức xạ, nhưng ống bức xạ thực sự hoạt động thông qua cả ba chế độ truyền nhiệt cơ bản – dẫn nhiệt, đối lưu và bức xạ – hoạt động theo trình tự từ nguồn năng lượng đến tải lò. Hiểu cách đóng góp của từng cơ chế sẽ làm rõ lý do tại sao ống bức xạ đạt được hiệu quả và tính đồng nhất như nó.

Dẫn nhiệt: Truyền nhiệt qua thành ống

Trong ống bức xạ được làm nóng bằng điện, phần tử dây điện trở tạo ra nhiệt bằng cách đốt nóng Joule - dòng điện đi qua dây có điện trở cao tạo ra năng lượng nhiệt tỷ lệ với bình phương của dòng điện nhân với điện trở (P = I²R). Nhiệt này được dẫn ra bên ngoài thông qua chính dây và thông qua các cấu trúc hỗ trợ (lồng, dải hoặc cuộn dây trước đây) giữ phần tử, sau đó dẫn qua thành của ống bảo vệ bên ngoài. Vật liệu ống bên ngoài - thường là thép hợp kim chịu nhiệt hoặc composite gốm - phải có đủ độ dẫn nhiệt để truyền nhiệt từ bề mặt bên trong sang bề mặt bên ngoài mà không tạo ra sự chênh lệch nhiệt độ quá mức trên độ dày thành ống.

Trong ống bức xạ đốt bằng khí, quá trình đốt cháy xảy ra bên trong lỗ ống và khí đốt nóng dẫn nhiệt trực tiếp đến thành ống bằng cách tiếp xúc khi chúng chảy dọc theo bên trong. Thành ống sau đó dẫn năng lượng nhiệt này từ bề mặt bên trong của nó ra bề mặt bên ngoài, tỏa ra tải lò.

Đối lưu: Truyền nhiệt bên trong lỗ ống

Bên trong ống bức xạ - trong khe hình khuyên giữa phần tử điện trở và thành trong của ống bảo vệ - sự truyền nhiệt giữa phần tử phát sáng và thành ống xảy ra do sự kết hợp giữa bức xạ và đối lưu tự nhiên của khí kèm theo (thường là không khí hoặc khí quyển được kiểm soát lấp đầy không gian phần tử). Sự tuần hoàn đối lưu này, tuy là thứ yếu sau bức xạ ở nhiệt độ cao, giúp phân phối nhiệt đồng đều hơn dọc theo chiều dài của ống và ngăn ngừa các điểm nóng cục bộ gần phần tử có thể gây ra quá trình oxy hóa hoặc hư hỏng sớm.

Trong các ống đốt bằng khí, sự đối lưu cưỡng bức của hỗn hợp khí đốt đang chảy là cơ chế chính để nhiệt truyền tới thành ống - dòng khí nóng quét qua bề mặt ống bên trong và sự hỗn loạn trong dòng chảy giúp tăng cường hệ số truyền nhiệt đối lưu, cải thiện hiệu quả tổng thể của việc truyền nhiệt đến thành ống.

Bức xạ: Cơ chế truyền nhiệt bên ngoài cơ bản

Khi thành ống bên ngoài đạt đến nhiệt độ hoạt động, nó sẽ phát ra bức xạ điện từ hồng ngoại theo định luật Stefan-Boltzmann. Công suất bức xạ phát ra trên một đơn vị diện tích tăng theo lũy thừa bậc bốn của nhiệt độ tuyệt đối - nghĩa là thành ống ở 1.000°C (1.273 K) tỏa năng lượng trên một đơn vị diện tích lớn hơn khoảng 16 lần so với cùng một ống ở 500°C (773 K). Sự phụ thuộc mạnh mẽ vào nhiệt độ này là lý do tại sao các ống bức xạ lại hoạt động hiệu quả ở nhiệt độ vận hành cao và tại sao công suất đầu ra của chúng tăng không tương xứng khi nhiệt độ điểm đặt tăng.

Năng lượng bức xạ do ống phát ra truyền đi với tốc độ ánh sáng xuyên qua buồng lò, nơi nó được hấp thụ bởi khối lượng công việc, thành lò và lò sưởi. Các phôi hấp thụ bức xạ này và chuyển nó trở lại thành năng lượng nhiệt - nóng lên mà không cần tiếp xúc vật lý với ống hoặc lưu thông môi trường mang nhiệt giữa chúng. Đây là cơ chế đặt tên cho ống bức xạ và đặc tính cơ bản của nó: sưởi ấm sạch sẽ, không tiếp xúc, tương thích với không khí.

Bộ phận làm nóng: Loại, vật liệu và thông số vận hành

Bộ phận làm nóng bên trong - còn được gọi là lõi ống - là thành phần chuyển đổi năng lượng của ống bức xạ được làm nóng bằng điện. Thiết kế của nó xác định mật độ năng lượng, độ đồng đều nhiệt độ dọc theo chiều dài ống và tuổi thọ dự kiến ​​của tổ hợp. Ba cấu hình chính được sử dụng trong sản xuất ống bức xạ thương mại.

Bộ phận làm nóng kiểu lồng

Phần tử kiểu lồng bao gồm dây điện trở quấn thành cuộn dây ba chiều hoặc cấu trúc lưới được đỡ trên khung cứng bằng các miếng đệm bằng gốm hoặc hợp kim được sắp xếp theo hình dạng lồng hình trụ. Cấu hình này tối đa hóa diện tích bề mặt tiếp xúc của dây điện trở so với lỗ ống, cải thiện khả năng truyền nhiệt bức xạ từ phần tử sang thành ống. Cấu trúc lồng cũng cung cấp sự hỗ trợ cơ học giúp dây không bị võng hoặc xẹp xuống do trọng lượng của chính nó ở nhiệt độ cao - một yếu tố quan trọng cần cân nhắc đối với các ống hoạt động trên 1.000°C khi hiện tượng rão ở nhiệt độ cao trong vật liệu kim loại trở nên đáng kể. Các phần tử kiểu lồng rất phù hợp với các ứng dụng yêu cầu công suất đầu ra cao và phân bổ nhiệt đồng đều dọc theo toàn bộ chiều dài ống.

Loại vết thương dải dọc

Phần tử quấn dải dọc sử dụng dây điện trở phẳng hoặc ruy băng quấn thành các dải dọc song song dọc theo bề mặt bên trong của ống, được giữ cố định bằng các hạt hoặc giá đỡ bằng gốm. Hình dạng này phân bố phần tử gia nhiệt sát thành ống, giảm thiểu đường bức xạ từ phần tử này sang ống khác và nâng cao hiệu quả truyền nhiệt ra bề mặt bên ngoài. Các phần tử dạng dải quấn đặc biệt hiệu quả trong các ống có đường kính trung bình trong đó khoảng cách giữa các phần tử với tường sẽ hạn chế hệ số quan sát đối với bức xạ. Chúng là lựa chọn phổ biến cho các ống bức xạ trong lò ủ, trong đó sự phân bổ nhiệt độ đồng đều trên toàn bộ chiều dài ống là rất quan trọng đối với chất lượng sản phẩm.

Loại dây kháng vết thương xoắn ốc

Phần tử quấn xoắn ốc là cấu hình đơn giản nhất: dây điện trở được quấn thành một cuộn dây xoắn ốc chạy dọc trục qua tâm lỗ ống, được đỡ bằng các chất cách điện bằng gốm. Thiết kế này dễ sản xuất, cho phép dễ dàng thay thế bộ phận mà không làm ảnh hưởng đến ống bên ngoài và là lựa chọn kinh tế nhất cho các ứng dụng tiêu thụ điện năng thấp hơn. Vị trí trung tâm của cuộn dây xoắn ốc đặt nó ở khoảng cách tối đa với thành ống, làm tăng hệ số quan sát bức xạ tới thành ống và phân phối nhiệt tương đối đồng đều xung quanh chu vi ống. Xếp hạng công suất ống đơn cho thiết kế dây xoắn ốc nằm trong khoảng từ 3 kW đến 60 kW , bao gồm đầy đủ các yêu cầu lò xử lý nhiệt thông thường.

Vật liệu dây điện trở: Hợp kim Ni-Cr và Fe-Cr

Hai họ hợp kim dây điện trở chính được sử dụng trong các phần tử ống bức xạ là hợp kim niken-crom (Ni-Cr) và sắt-crom (Fe-Cr), mỗi loại phù hợp với phạm vi nhiệt độ và bầu khí quyển khác nhau:

Nhiệt độ hoạt động của bộ phận làm nóng kéo dài 500°C đến 1.300°C , bao gồm toàn bộ phạm vi từ ủ ở nhiệt độ thấp cho đến các hoạt động austenit hóa và cacbon hóa ở nhiệt độ cao. các Tải trọng bề mặt của phần tử được thiết kế ở mức ≤1 W/cm2 - một thông số thiết kế quan trọng để kiểm soát nhiệt độ bề mặt của phần tử và tốc độ oxy hóa. Việc duy trì tải trọng bề mặt trong giới hạn này giúp kéo dài tuổi thọ của phần tử một cách đáng kể bằng cách ngăn chặn hiện tượng quá nhiệt cục bộ ở bề mặt dây, điều này sẽ đẩy nhanh quá trình oxy hóa ranh giới hạt và giảm độ bền kéo.

Ống bảo vệ bên ngoài: Cấu trúc, Vật liệu và Chế tạo

Ống bảo vệ bên ngoài là thành phần cấu trúc xác định của cụm ống bức xạ. Nó phải đồng thời hoạt động như một bộ tản nhiệt nhiệt ở nhiệt độ cao, một rào cản kín khí giữa môi trường xử lý và bộ phận làm nóng, đồng thời là một bộ phận cấu trúc hỗ trợ trọng lượng của chính nó và trọng lượng của các bộ phận bên trong trong suốt nhịp lò - thường không có hỗ trợ trung gian trên chiều dài từ 1 đến 3 mét trở lên.

Ống đúc ly tâm

Ống đúc ly tâm được sản xuất bằng cách đổ hợp kim chịu nhiệt nóng chảy vào khuôn hình trụ quay nhanh. Lực ly tâm ném kim loại lỏng ra ngoài vào thành khuôn, tạo ra một ống có cấu trúc vi hạt mịn, đồng đều, dày đặc, vượt trội về độ bền nhiệt độ cao và khả năng chống oxy hóa đối với vật đúc tĩnh. Quá trình đúc ly tâm cũng có xu hướng đẩy các tạp chất và tạp chất có mật độ thấp hơn về phía bề mặt lỗ khoan, nơi chúng có thể được gia công đi, để lại bức tường bên ngoài có cấu trúc quan trọng ở tình trạng sạch nhất, dày đặc nhất.

Ống đúc ly tâm là lựa chọn ưu tiên cho các ứng dụng đòi hỏi khắt khe nhất - lò tôi, môi trường cacbon hóa và thấm nitơ ở nhiệt độ cao, và bất cứ nơi nào tuổi thọ tối đa và độ ổn định kích thước trong chu trình nhiệt được yêu cầu. Các hợp kim phổ biến bao gồm HK40 (25Cr-20Ni), hợp kim HP (25Cr-35Ni) và hợp kim tạo hình alumina cho các ứng dụng nhiệt độ cao nhất đạt tới 1.200°C.

Ống cuộn và hàn

Ống cán và hàn được chế tạo bằng cách tạo tấm hoặc tấm hợp kim chịu nhiệt thành hình trụ và hàn đường nối dọc. Lộ trình sản xuất này cho phép sử dụng vật liệu hợp kim rèn - có độ dẻo và độ bền tốt hơn so với vật liệu đúc tương đương - và tiết kiệm hơn đối với các ống có đường kính trung bình ở nhiệt độ vừa phải. Mối hàn dọc là điểm yếu tiềm ẩn trong ống hàn và chất lượng mối hàn phải được kiểm soát cẩn thận để đảm bảo không có độ xốp, vết cắt và nồng độ ứng suất dư có thể gây ra vết nứt trong chu trình nhiệt. Đối với các ứng dụng lò ủ có nhiệt độ dưới 700°C và chu kỳ nhiệt ở mức vừa phải, ống hàn mang lại tuổi thọ sử dụng hiệu quả về mặt chi phí. ba năm trở lên .

Ống liền mạch

Các ống liền mạch được sản xuất bằng cách ép đùn nóng hoặc xuyên qua các phôi rắn, tạo ra một ống không có đường hàn dọc. Điều này giúp loại bỏ kiểu hư hỏng liên quan đến mối hàn của các ống hàn đồng thời cung cấp các đặc tính cơ học đẳng hướng và độ dày thành ổn định của sản phẩm rèn. Ống hợp kim chịu nhiệt liền mạch có nhiều loại thành phần bao gồm thép không gỉ 310 (25Cr-20Ni), thép không gỉ 314 (25Cr-20Ni-Si) và các loại hợp kim cao khác nhau. Chúng thể hiện sự dung hòa tốt nhất giữa độ bền nhiệt độ cao của ống đúc ly tâm và độ dẻo và độ bền của các sản phẩm rèn, đồng thời được sử dụng rộng rãi trong cả ứng dụng ống bức xạ lò tôi và lò ủ trên toàn bộ phạm vi nhiệt độ hoạt động của sản phẩm.

Lựa chọn vật liệu ống theo nhiệt độ ứng dụng

Ống bức xạ đốt bằng khí: Nguyên lý làm việc dựa trên sự đốt cháy

Các ống bức xạ đốt bằng khí hoạt động dựa trên nguyên lý đầu vào năng lượng khác biệt cơ bản với các thiết kế làm nóng bằng điện, mặc dù cơ chế truyền nhiệt bên ngoài - bức xạ từ bề mặt ống nóng - là giống hệt nhau. Hiểu nguyên lý làm việc của khí đốt rất quan trọng vì những ống này chiếm ưu thế trong các lò xử lý nhiệt công nghiệp quy mô lớn, nơi chi phí năng lượng khí thấp hơn điện và ở những nơi yêu cầu mức công suất rất cao (hàng chục đến hàng trăm kilowatt mỗi ống) khiến việc sưởi ấm bằng điện trở trở nên không thực tế.

Đầu đốt, vùng đốt và dòng khí thải

Trong ống bức xạ đốt bằng khí, cụm đầu đốt ở một đầu ống sẽ đốt cháy hỗn hợp khí nhiên liệu (khí tự nhiên, LPG hoặc hydro) và không khí đốt. Khí đốt di chuyển dọc theo lỗ trong của ống với tốc độ cao, truyền nhiệt vào thành ống bằng đối lưu cưỡng bức. Trong thiết kế ống thẳng, khí đốt thoát ra ở đầu đối diện thông qua kết nối ống khói. Trong các thiết kế tuần hoàn - cấu hình ống chữ U, ống W hoặc ống P - khí thải được chuyển hướng trở lại dọc theo một nhánh hồi trong cùng một cụm ống, thu hồi nhiệt bổ sung trước khi thoát ra, cải thiện hiệu suất nhiệt đến các giá trị 55 đến 75% hoặc cao hơn với hệ thống đốt thu hồi .

Hình học ống và tính đồng nhất nhiệt độ

Một trong những thách thức thiết kế chính đối với ống bức xạ đốt bằng khí là đạt được sự phân bố nhiệt độ đồng đều dọc theo chiều dài ống. Trong ống thẳng đơn giản, nhiệt độ khí đốt cao nhất ở gần đầu đốt và giảm dọc theo ống khi nhiệt truyền vào thành ống và khí nguội đi. Điều này tạo ra một gradient nhiệt độ dọc theo ống có thể gây ra sự gia nhiệt không đồng đều của tải lò. Cấu hình ống chữ U và ống W giải quyết vấn đề này bằng cách gấp đường dẫn khí sao cho khí đốt nóng nhất gần đầu đốt được đặt dọc theo khí nhánh hồi làm mát, cho phép trao đổi nhiệt giữa các luồng khí chuyển tiếp và chuyển động trở lại có xu hướng cân bằng sự phân bố nhiệt độ bề mặt bên ngoài. Thiết kế tiên tiến đạt được sự đồng đều về nhiệt độ ở thành ngoài của ±20 đến 40°C dọc theo chiều dài ống , so với độ dốc từ 100°C trở lên trong các thiết kế ống thẳng đơn giản.

Hệ thống đốt phục hồi và tái sinh

Các ống bức xạ đốt bằng khí hiện đại thường kết hợp thu hồi nhiệt phục hồi hoặc tái tạo từ khí thải để làm nóng trước không khí đốt đi vào. Trong hệ thống thu hồi nhiệt, bộ trao đổi nhiệt bằng kim loại được tích hợp trong cụm đầu đốt sẽ truyền nhiệt từ khí thải thoát ra sang không khí đốt lạnh đi vào, nâng nhiệt độ không khí lên 300°C lên 500°C trước khi đốt. Việc làm nóng trước này làm giảm nhiên liệu cần thiết để đạt được nhiệt độ thành ống mục tiêu, cải thiện hiệu suất nhiệt bằng cách 20 đến 35% so với quá trình đốt cháy không khí lạnh. Các hệ thống tái sinh sử dụng các lớp lưu trữ nhiệt bằng gốm xen kẽ để đạt được nhiệt độ làm nóng trước không khí cao hơn nữa - tiệm cận nhiệt độ khí thải trừ đi nhiệt độ tiếp cận nhỏ - mang lại hiệu suất nhiệt tổng thể vượt quá 80%.

Tại sao việc gia nhiệt gián tiếp qua ống bức xạ lại cần thiết trong lò nung có khí quyển được kiểm soát

Giá trị xác định của ống bức xạ trong xử lý nhiệt công nghiệp không phải là hiệu suất nhiệt riêng biệt mà là khả năng cung cấp nhiệt ở nhiệt độ cao trong khi duy trì bầu không khí được kiểm soát hóa học hoàn toàn riêng biệt xung quanh phôi. Khả năng này là lý do tại sao các ống bức xạ được sử dụng trong hầu hết các lò nung liên tục và lò mẻ được kiểm soát bằng khí quyển để xử lý nhiệt kim loại.

Tính toàn vẹn của khí quyển và chất lượng phôi

Các quy trình xử lý nhiệt như ủ sáng, thấm cacbon, làm cứng trung tính và thiêu kết đòi hỏi không khí trong lò phải được kiểm soát chính xác để ngăn chặn quá trình oxy hóa, khử cacbon hoặc cacbon hóa bề mặt phôi. Bất kỳ sự rò rỉ khí đốt nào (chứa CO₂, H₂O và O₂) hoặc không khí oxy hóa từ bộ phận làm nóng tiếp xúc vào môi trường lò sẽ ngay lập tức phản ứng với bề mặt thép nóng, tạo ra cặn, thay đổi carbon bề mặt và biến đổi kích thước khiến các bộ phận được xử lý bị lỗi.

Ống bức xạ cách ly hoàn toàn nguồn nhiệt khỏi môi trường xử lý bằng cách bịt kín cả phần tử và sản phẩm đốt (trong ống đốt khí) bên trong ống bảo vệ bên ngoài. Ống bên ngoài là thành phần duy nhất tiếp xúc với cả môi trường lò ở bên ngoài và nguồn nhiệt ở bên trong - và tính toàn vẹn kín khí của nó là điều giúp cho việc xử lý nhiệt không khí có kiểm soát có thể thực hiện được ở quy mô công nghiệp.

Khả năng tương thích khí quyển hydro

Lò nung khí quyển hydro - được sử dụng để ủ sáng thép không gỉ, thiêu kết các bộ phận kim loại bột và hàn đồng - yêu cầu kiểm soát khí quyển nghiêm ngặt nhất vì hydro vừa có tính khử cao (ngăn chặn quá trình oxy hóa phôi) vừa rất dễ cháy. Các phần tử điện trực tiếp tiếp xúc với khí quyển hydro tạo ra nguy cơ nổ và khả năng gây giòn phần tử. Các ống bức xạ trong lò nung hydro duy trì nguyên tố này trong không khí hoặc trong khí trơ riêng biệt, khiến chúng trở thành phương pháp gia nhiệt an toàn duy nhất cho các ứng dụng khí quyển hydro. Vật liệu ống bên ngoài phải được lựa chọn cẩn thận để có khả năng chống thấm hydro ở nhiệt độ cao - đây là một lý do khiến hợp kim có hàm lượng niken cao được ưu tiên sử dụng cho dịch vụ hydro vì chúng có độ thấm hydro thấp hơn so với hợp kim gốc sắt.

Xếp hạng công suất, tải trọng bề mặt và tính toán thiết kế

Thiết kế định lượng của cụm ống bức xạ bao gồm việc cân bằng các yêu cầu công suất đầu ra của lò so với giới hạn nhiệt của cả bộ phận làm nóng và ống ngoài để đạt được tuổi thọ sử dụng cần thiết.

Tải trọng bề mặt của phần tử: Thông số thiết kế quan trọng

Tải trọng bề mặt của bộ phận làm nóng - được biểu thị bằng watt trên centimet vuông diện tích bề mặt bộ phận - là thông số quan trọng nhất kiểm soát nhiệt độ bộ phận làm nóng và do đó tuổi thọ sử dụng. Đối với các nguyên tố hợp kim niken-crom và sắt-crom hoạt động trong cụm ống bức xạ, tải trọng bề mặt thiết kế thường bị hạn chế ở mức 1 W/cm2 . Giới hạn này đảm bảo rằng nhiệt độ bề mặt phần tử không tăng quá mức so với nhiệt độ lò - thường duy trì trong khoảng Nhiệt độ cao hơn nhiệt độ thành ống từ 100 đến 200°C - giữ nguyên tố đó trong phạm vi khả năng chống oxy hóa đáng tin cậy của nó.

Việc vượt quá giới hạn tải bề mặt sẽ gây ra quá trình oxy hóa nhanh chóng trên bề mặt dây phần tử, khiến dây mỏng dần, tăng điện trở, tăng mật độ năng lượng hơn nữa trong chu trình tự gia cố và cuối cùng dẫn đến hiện tượng cháy cục bộ. Do đó, thiết kế trong giới hạn tải trọng bề mặt là phương tiện chính để đảm bảo tuổi thọ sử dụng của bộ phận giúp sản phẩm có hiệu quả kinh tế.

Dải công suất ống đơn

Xếp hạng công suất của ống đơn 3 kW đến 60 kW đáp ứng đầy đủ các yêu cầu của lò xử lý nhiệt:

• 3 kW đến 10 kW: Lò nung trong phòng thí nghiệm nhỏ, lò ủ nhiệt độ thấp và lò nung mẻ nhỏ gọn để sản xuất khối lượng thấp.
• 10 kW đến 30 kW: Lò nung mẻ công nghiệp vừa, lò đai lưới liên tục cho các bộ phận nhỏ và máy tạo khí quyển.
• 30 kW đến 60 kW: Lò nung công nghiệp lớn, lò nung đáy ô tô và lò đốt con lăn hoặc máy đẩy liên tục lớn trong đó mỗi vùng ống phải cung cấp công suất cao để tăng nhiệt nhanh và duy trì nhiệt độ đồng đều.

Các nhà thiết kế lò chọn mức công suất ống và số lượng ống trên mỗi vùng để đạt được mật độ công suất lắp đặt cần thiết - thường được biểu thị bằng kW trên mét vuông diện tích lò sưởi - cần thiết để đạt đến nhiệt độ điểm đặt trong thời gian gia nhiệt được chỉ định và duy trì nhiệt độ đó ở mức tải sản xuất tối đa.

Các yếu tố chi phối tuổi thọ của ống bức xạ

Tuổi thọ sử dụng là thông số hiệu suất có ý nghĩa thương mại nhất của bất kỳ hệ thống lắp đặt ống bức xạ nào, vì hư hỏng sớm đòi hỏi phải dừng bảo trì ngoài kế hoạch tốn kém, mua sắm các bộ phận thay thế và có khả năng loại bỏ tải sản phẩm đang thực hiện trong lò. Hiểu được các yếu tố chi phối tuổi thọ sử dụng cho phép người vận hành tối đa hóa nó thông qua lựa chọn, lắp đặt và vận hành chính xác.

Nhiệt độ hoạt động và chu kỳ nhiệt

Cả ống ngoài và phần tử bên trong đều xuống cấp nhanh hơn ở nhiệt độ vận hành cao hơn do quá trình oxy hóa, rão và phát triển hạt tăng tốc trong cấu trúc vi mô hợp kim. Mỗi lần nhiệt độ thành ống tăng thêm 50°C sẽ làm tăng gần gấp đôi tốc độ oxy hóa của hợp kim sắt-crom và niken-crom. Chu kỳ nhiệt - làm nóng và làm mát lặp đi lặp lại - gây ra ứng suất nhiệt theo chu kỳ trong thành ống và phần tử do sự giãn nở nhiệt chênh lệch giữa ống, phần tử đỡ và chất cách điện bằng gốm. Sự mệt mỏi khi đạp xe này là cơ chế hỏng hóc chính trong các lò tôi, nơi có sự thay đổi nhiệt độ thường xuyên và nhanh chóng trong chu trình tôi. Giảm thiểu chu kỳ nhiệt không cần thiết thông qua việc lập kế hoạch lò thích hợp và tốc độ tăng nhiệt chậm, được kiểm soát giúp kéo dài đáng kể tuổi thọ của ống trong các ứng dụng này.

Hóa học và ô nhiễm khí quyển

Các lớp oxit bảo vệ hình thành trên hợp kim niken-crom và sắt-crom - chromia (Cr₂O₃) và alumina (Al₂O₃) tương ứng - là những lớp bảo vệ hợp kim khỏi quá trình oxy hóa nhanh hơn nữa ở nhiệt độ cao. Các lớp này có thể bị phá vỡ do ô nhiễm lưu huỳnh, tiếp xúc với halogenua, độ ẩm quá mức hoặc thay đổi đột ngột về hóa học trong khí quyển (đặc biệt là chuyển đổi giữa các điều kiện oxy hóa và khử), dẫn đến quá trình oxy hóa đột phá trong đó lớp bảo vệ bị hỏng và bắt đầu mất kim loại nhanh chóng. Duy trì bầu không khí trong lành, đồng nhất về mặt hóa học bên trong lò - và đảm bảo khoang chứa phần tử của ống bức xạ không bị nhiễm bẩn - là điều cần thiết để đạt được tuổi thọ định mức của lò. ≥1 năm đối với lò tôi, ≥3 năm đối với lò tôi và ≥2 năm đối với ống đốt khí .

Thiết kế hỗ trợ và ứng suất cơ học

dài ống rạng rỡs các buồng lò trải rộng mà không có giá đỡ trung gian có thể bị võng xuống dưới trọng lượng của chính chúng ở nhiệt độ cao do hiện tượng rão ở nhiệt độ cao trong hợp kim ống. Độ võng này gây ra ứng suất uốn trong thành ống và có thể dẫn đến nứt - đặc biệt tại điểm ống thoát ra khỏi thành lò, nơi độ dốc nhiệt độ dốc tạo ra ứng suất nhiệt cao. Thiết kế giá đỡ ống phù hợp - sử dụng khoảng cách chính xác của giá đỡ, đảm bảo ống không vượt quá nhịp và lựa chọn hợp kim có khả năng chống rão phù hợp với nhiệt độ vận hành - là điều cần thiết để đạt được tuổi thọ sử dụng tối đa mà không bị hỏng hóc cơ học.

Ứng dụng ống bức xạ trong các quy trình xử lý nhiệt

Ống bức xạ được sử dụng trong hầu hết các quy trình xử lý nhiệt có kiểm soát khí quyển trong ngành gia công kim loại. Bảng sau đây tóm tắt các ứng dụng chính, phạm vi nhiệt độ lò và vai trò cụ thể của ống bức xạ trong mỗi quy trình:

Khả năng tương thích với thiết bị xử lý nhiệt trong nước và nhập khẩu

Ống bức xạ được thiết kế cho các ứng dụng xử lý nhiệt hiện đại phải tương thích với nhiều loại nền lò - cả thiết bị trong nước được sản xuất theo tiêu chuẩn quốc gia và hệ thống nhập khẩu được thiết kế theo thông số kỹ thuật của Châu Âu, Mỹ hoặc Nhật Bản. Yêu cầu về khả năng tương thích này thúc đẩy tầm quan trọng của việc tiêu chuẩn hóa kích thước, các tùy chọn giao diện khớp nối và khả năng tùy chỉnh chiều dài ống, đường kính, định mức công suất và cấu hình phần tử để phù hợp với thông số kỹ thuật của nhà sản xuất thiết bị gốc.

Các thông số kích thước chính phải phù hợp để tương thích với ống thay thế bao gồm:

• Chiều dài ống tổng thể và chiều dài sưởi ấm hoạt động: Phải phù hợp với nhịp lò và cách bố trí vùng của hệ thống lắp đặt ban đầu để duy trì cùng mức phân bổ điện năng và độ đồng đều nhiệt độ.
• Đường kính ống ngoài và độ dày thành: Phải lắp các giá đỡ ống và vòng đệm xuyên thành lò của thiết kế lò ban đầu mà không cần sửa đổi.
• Thiết bị đầu cuối kết nối điện: Loại thiết bị đầu cuối, khoảng cách và xếp hạng điện áp/dòng điện phải phù hợp với bảng điều khiển lò và hệ thống phân phối điện.
• Đánh giá công suất và điện trở phần tử: Tổng điện trở và công suất định mức của bộ phận thay thế phải tương thích với cài đặt vòi máy biến áp của lò và bảo vệ quá dòng để tránh vấp ngã hoặc cấp nguồn kém cho khu vực.

Khả năng sản xuất ống bức xạ làm linh kiện thay thế trực tiếp cho hệ thống xử lý nhiệt nhập khẩu - được sản xuất theo cùng thông số kỹ thuật về kích thước và điện như thiết bị gốc - loại bỏ nhu cầu về các bộ phận thay thế nhập khẩu tốn kém và giảm đáng kể thời gian thực hiện cũng như chi phí bảo trì lò. Khả năng tương thích với cả nền tảng thiết bị trong nước và nhập khẩu là một trong những đặc tính có giá trị thiết thực nhất của dòng sản phẩm ống bức xạ được thiết kế tốt.