Как правильно выбрать излучающую трубку?

Выбор правильного Радиационная трубка требует оценки пять основных параметров: рабочая температура, состав материала, геометрия труб (форма и размеры), совместимость с атмосферой и конфигурация печи. . Если вы допустите любую из этих ошибок, результатом станет преждевременный выход из строя трубы, неравномерный нагрев заготовки, незапланированный простой печи или, в худшем случае, нарушение безопасности, вызванное разрывом трубы и попаданием дымовых газов в камеру печи. Это решение имеет решающее инженерное значение, поскольку радиационная трубка, работающая в промышленной печи, может тысячи раз в течение срока службы от 3 до 10 лет , испытывая одновременно температурные градиенты, окислительную и науглероживающую атмосферу и механические нагрузки. В разделах ниже каждый параметр выбора рассматривается практически подробно, с конкретными данными и примерами, которые помогут закрепить процесс принятия решения.

Что делает излучающая трубка и почему выбор материала является ее наиболее важным аспектом

Излучающая труба представляет собой герметичную камеру сгорания, вставленную в стену промышленной печи. Газовая горелка загорается внутри трубы, и продукты сгорания проходят по всей длине трубы — обычно в форме U, W, P или прямой — прежде чем выйти через дымоход на другом конце. Стенка трубы поглощает тепло сгорания и повторно излучает его в камеру печи в виде инфракрасного излучения, нагревая заготовку без какого-либо контакта дымовых газов с атмосферой печи. Это разделение является основной целью радиационной трубы: она обеспечивает контролируемую, часто защитную атмосферу внутри топочной камеры, при этом используя сгорание газа в качестве источника тепла.

Стенка трубы одновременно подвергается воздействию дымовые газы с температурой до 1150 градусов C или выше на внутренней поверхности и к атмосфере печи - которая может быть восстановительной, цементирующей, азотирующей или нейтральной - на внешней поверхности, поддерживая при этом собственный вес и вес узла горелки в консольной или поддерживаемой конфигурации. Ни один другой компонент печной системы не работает в условиях такого сочетания термических, химических и механических требований одновременно. Вот почему выбор материала является наиболее важным выбором при выборе излучающей трубки.

Шаг первый: Определите рабочую температуру

Единственным наиболее важным параметром при выборе излучающей трубки является максимальная рабочая температура. температура стенки трубки , а не заданная температура печи. Стенка трубы всегда горячее атмосферы печи, поскольку она является основным источником тепла, а местная зона пламени внутри трубы может быть значительно горячее, чем средняя температура стенки трубы, определяемая термопарой.

Зависимость температуры стенки трубы от температуры печи

В хорошо спроектированной системе радиационных труб температура стенки трубы обычно составляет На 50–150 градусов Цельсия выше заданной температуры печи. . Печь, работающая при температуре 900 градусов Цельсия, может иметь температуру стенок лучистой трубы от 950 до 1050 градусов Цельсия в самой горячей зоне рядом с пламенем горелки. Выбор материала труб, рассчитанного точно на заданную температуру печи без добавления этого запаса, является наиболее распространенной причиной преждевременного выхода труб из строя при эксплуатации.

В качестве общей схемы распределения температурных диапазонов:

Частота термического цикла

Излучающая трубка, которая достигает рабочей температуры один раз в день и удерживается устойчиво, испытывает гораздо меньшую тепловую усталость, чем трубка, которая циклически переходит от холода к рабочей температуре и обратно. несколько раз за смену . Термоциклирование создает циклическое тепловое напряжение в стенке трубы из-за дифференциального расширения между горячими внутренними и более холодными внешними поверхностными зонами. Применения с высокой цикличностью, такие как печи периодического отжига или закалочные печи с частой загрузкой и разгрузкой, требуют материалов труб с превосходной термостойкостью, что обычно означает сплавы с более высоким содержанием никеля или керамику из карбида кремния, а не сплавы на основе железа.

Стандарт ASTM для высокотемпературной эксплуатации жаропрочных сплавов (ASTM A297 и A351) классифицирует марки сплавов по рабочей температуре и устанавливает минимальные требования к свойствам, которые служат полезной отправной основой для выбора материала, хотя конкретные требования применения могут оправдать превышение этих минимумов ( Источник: ASTM International, Стандартные спецификации для стальных отливок из сплавов для работы при высоких температурах, A297/A297M. ).

Шаг второй: сопоставьте материал с атмосферой

Химическая среда по обе стороны стенки радиационной трубы определяет, какие семейства сплавов подходят. Трубка, которая отлично работает в окислительной атмосфере, может быстро подвергнуться воздействию науглероживающей или серосодержащей атмосферы, и наоборот. Совместимость материала и атмосферы не подлежит обсуждению и должна быть установлена ​​до окончательного определения любого другого параметра выбора.

Атмосфера внешней поверхности (сторона топочной камеры)

Атмосфера печи, контактирующая с внешней поверхностью трубы, варьируется в зависимости от процесса термообработки:

• Эндотермическая атмосфера (эндогаз): Смесь примерно 40% H2, 40% N2 и 20% CO, используемая для цементации, нитроцементации и нейтральной закалки. Эта атмосфера сильно науглероживает при высоких температурах, вызывая абсорбцию углерода внешней поверхностью трубы — процесс, называемый науглероживанием, который делает сплавы на основе железа хрупкими и вызывает образование сигма-фазы в аустенитных нержавеющих сталях при длительном сроке службы.
• Азотно-водородная (N2/H2) атмосфера: Используется для светлого отжига нержавеющей стали и медных сплавов. Содержание водорода приводит к восстановлению этой атмосферы до оксидов металлов, но может вызвать водородное охрупчивание некоторых марок сплавов, особенно ферритных и мартенситных нержавеющих сталей.
• Атмосфера на основе аммиака (азотирующая): Диссоциированный аммиак создает богатую азотом атмосферу, используемую для газового азотирования и нитроцементации ферритов. Абсорбция азота внешней поверхностью трубки может вызвать азотирование — образование хрупких нитридных фаз — в сплавах на основе железа при температурах выше примерно 550 градусов С .
• Воздух или окислительная атмосфера: Некоторые печные камеры работают на воздухе или в защитной атмосфере с низкой концентрацией, где окисление внешней поверхности труб является основным механизмом деградации. Это наименее агрессивная среда для металлических трубных материалов, и железо-хромоникелевые сплавы хорошо себя чувствуют в этой среде.
• Серосодержащая атмосфера: Сжигание серосодержащего топлива или обработка серосодержащих заготовок могут привести к попаданию соединений серы в атмосферу печи. Сера вызывает горячую коррозию (сульфидирование) сплавов на основе никеля и железа при температурах выше примерно 650 градусов С , резко ускоряя потерю металла. Сплавы с высоким содержанием хрома (более 25 мас.%) обладают наилучшей стойкостью к сульфидированию.

Внутренняя приземная атмосфера (сторона дымовых газов)

Газы сгорания, проходящие внутри радиационной трубы, представляют собой в основном CO2, H2O, N2 и избыток O2 в случае обедненного сгорания или CO, H2 и N2 в богатых зонах сгорания. Внутренняя поверхность подвергается воздействию окислительной среды в зонах обедненного сгорания и восстановительной или науглероживающей среды в зонах с высоким содержанием топлива вблизи сопла горелки. Локальное богатое сгорание возле кончика горелки может создать зону восстановления, которая способствует науглероживанию внутренней поверхности трубки, даже если общее соотношение воздуха и топлива близко к стехиометрическому.

Руководство по выбору сплавов по атмосфере

Шаг третий: выберите марку сплава

После определения совместимости с рабочей температурой и атмосферой марку сплава можно выбрать из стандартных семейств, используемых в промышленном производстве радиационных трубок. Каждое семейство имеет свои сильные стороны и ограничения, определяющие его пригодность для конкретных применений.

HK40: универсальная рабочая лошадка

HK40 (Fe-25Cr-20Ni-0,4C) — наиболее широко используемый сплав центробежного литья для радиационных трубок в диапазоне температур От 900 до 1050 градусов Цельсия . Его относительно сбалансированный состав обеспечивает хорошую стойкость к окислению благодаря содержанию хрома, достаточную прочность при ползучести при уровне углерода 0,4% (который выделяет карбиды хрома, которые препятствуют движению дислокаций при повышенной температуре) и экономическую эффективность благодаря более низкому содержанию никеля по сравнению с марками с более высоким содержанием никеля. HK40 является подходящим выбором для печей цементации и нейтральной закалки, где рабочая температура находится в пределах допустимого диапазона.

Ограничения HK40 становятся очевидными при температуре примерно выше 1050 градусов Цельсия, когда его предел ползучести резко падает, а также в сильно науглероженных атмосферах, где более низкое содержание никеля (20%) по сравнению со сплавами класса HP делает его более восприимчивым к поглощению углерода, что приводит к охрупчиванию сигма-фазы после длительного срока службы.

HP-модифицированные сплавы: более высокая термостойкость и стойкость к науглероживанию

Сплавы, модифицированные HP (Fe-25Cr-35Ni-0,4C с добавками Nb, W, Ti или их комбинацией), расширяют потолок рабочих температур до от 1100 до 1150 градусов Цельсия и обеспечивают значительно лучшую устойчивость к науглероживанию, чем HK40, благодаря более высокому содержанию никеля. Добавки ниобия в марки HP-Nb выделяют стабильные карбиды NbC, которые противостоят растворению и поддерживают предел ползучести сплава в течение длительного срока службы. Модифицированные HP марки являются стандартным выбором для печей газовой цементации, печей высокотемпературного отжига и любых применений, где ожидается, что температура стенок труб в процессе эксплуатации превысит 1050 градусов Цельсия.

Сплавы с высоким содержанием никеля (сплав 602CA, HR160, 253MA)

Для наиболее требовательных применений — температур выше 1100 °C, сильно науглероживающих или сульфидирующих атмосфер или применений, требующих исключительной стойкости к термической усталости — сплавы с высоким содержанием никеля с содержанием никеля от 55 до 75% масс. обеспечивают производительность, с которой не могут сравниться сплавы на основе железа. Эти материалы значительно дороже, чем марки HK40 или HP, но в тех случаях, когда сплавы на основе железа выходят из строя в течение 12–18 месяцев, а сплавы с высоким содержанием никеля обеспечивают срок службы от 4 до 7 лет, с экономической точки зрения предпочтение отдается сплаву премиум-класса, несмотря на его более высокую первоначальную стоимость.

Излучающие трубки из карбида кремния (SiC): максимальные температурные характеристики

Керамические радиационные трубки из карбида кремния работают при температурах, которые выходят за рамки возможностей любого металлического сплава — до от 1350 до 1400 градусов Цельсия температура стенки трубы при непрерывной эксплуатации. SiC обладает исключительной стойкостью к окислению (образует защитный поверхностный слой SiO2), очень высокой теплопроводностью (приблизительно В 3–5 раз выше, чем у металлических сплавов ), а также превосходную стойкость к науглероживанию, азотированию и сульфидированию. Основными ограничениями излучающих трубок из SiC являются их хрупкость — они не могут выдерживать механические удары или точечные нагрузки, которые могут привести к растрескиванию керамики — и их более высокая стоимость по сравнению с металлическими альтернативами эквивалентных размеров.

Трубки из карбида кремния являются стандартным выбором для линий высокотемпературного непрерывного отжига, светлого отжига полос нержавеющей стали, обработки кремнистой стали и любых печей, где частота замены металлических трубок стала неприемлемо высокой из-за температурных ограничений.

Чугун и низколегированная сталь: когда их не следует использовать

Трубы из чугуна и низкоуглеродистой стали иногда встречаются в старых или недорогих печах, где рабочие температуры ниже 750 градусов С Требования к атмосфере минимальны. Выше этой температуры быстрое окисление и рост окалины оксида железа на нелегированной или низколегированной стали делает эти материалы непригодными для любого применения в радиационных трубах, где ожидается срок службы, превышающий 6–12 месяцев. Если в спецификации радиационной трубы предлагается нелегированная или низколегированная сталь для рабочей температуры выше 750 градусов C, спецификация требует пересмотра перед началом установки.

Шаг четвертый: выберите правильную геометрию трубы

Геометрия радиационной трубы — форма траектории трубы, по которой текут дымовые газы — напрямую влияет на равномерность распределения тепла в печи, пригодность трубы для различных конфигураций печи и достижимую погоню тепла на трубу. В промышленности широко используются четыре геометрии, каждая из которых имеет свои преимущества и соответствующие области применения.

Прямоточные трубы

Прямая радиационная труба проходит через стену печи с одной стороны, охватывает топочную камеру и выходит через противоположную стену. Горелка зажигается с одного конца, а дымовые газы выходят с другого. Прямые трубы обеспечивают превосходное распределение тепла по длине при горизонтальной или вертикальной ориентации и имеют самую простую геометрию для изготовления, установки и замены. Они подходят для печей с достаточной внутренней шириной, чтобы вместить всю длину трубы — обычно от 1000 до 3000 мм длины нагрева — они являются стандартными в печах непрерывного отжига полосы, печах отжига проволоки и некоторых печах периодического действия.

U-образные трубы

U-образные трубы состоят из двух параллельных отводов, соединенных изгибом на 180 градусов на закрытом конце, причем горелка и дымоход доступны с одной и той же стенки печи. Газ течет от горелки вниз по одному отводу, вокруг U-образного изгиба, и возвращается по обратному отводу к выходу дымохода. U-образные трубы являются наиболее широко используемой геометрией в печах периодического действия, печах для термообработки и в любых приложениях, где практичный доступ только с одной стороны печи. Основной проблемой при проектировании U-образных трубок является разница температур между горячей обжиговой ветвью и более холодной возвратной ветвью — внутренняя поверхность U-образного изгиба работает при значительно более высокой температуре, чем средняя температура возвратной ветви, создавая термически напряженную область, которая требует соответствующей толщины стенки и качества материала, чтобы противостоять деформации ползучести в течение срока службы.

W-трубки

W-образные трубы расширяют концепцию U-образной трубы, добавляя второй U-образный изгиб, создавая путь трубы, который дважды меняет направление внутри топочной камеры, прежде чем вернуться к топочной стенке. W-образные трубы обеспечивают более длинный путь нагрева при заданной глубине камеры печи, производя больше тепла на одно прохождение стенки печи, чем U-образные трубы аналогичного поперечного сечения. Они используются в приложениях, где требуется высокая удельная тепловая мощность, например, в высокопроизводительных закалочных печах периодического действия, но их более сложная геометрия усложняет их изготовление с соблюдением размерных допусков и затрудняет замену в процессе эксплуатации.

P-образные трубы (типа Pyrex или коленчатые трубы)

В P-образных трубках (также называемых коленчатыми трубками или односторонними рециркуляционными трубками) используется внутренняя рециркуляционная втулка внутри корпуса внешней трубки. Горелка загорается во внутренней гильзе; Газы сгорания движутся вниз по рукаву, меняют направление на закрытом конце и возвращаются вверх по кольцевому пространству между рукавом и внешней трубой к выходу дымохода на конце горелки. Наружная поверхность P-образной трубки обеспечивает более равномерное распределение температуры, чем U-образная трубка, поскольку горячая внутренняя муфта предварительно нагревает возвратные газы перед их выходом, уменьшая разницу температур по длине внешней трубки. P-образные трубы все чаще используются в современных высокопроизводительных печах, где однородность температуры в зоне нагрева является основным требованием.

Размеры трубки: диаметр, толщина стенки и расстояние между опорами

В пределах каждого типа геометрии диаметр трубы и толщина стенки являются основными размерными параметрами, которые необходимо указать:

• Внешний диаметр (НД): Внешние диаметры стандартных излучающих трубок варьируются примерно от от 60 мм до 200 мм в металлических сплавах и от 50 мм до 150 мм в SiC. OD определяет площадь излучающей поверхности на трубку и мощность горелки, которую может вместить трубка.
• Толщина стенки: Толщина стенок металлических труб, отлитых центробежным способом, обычно составляет от от 8 мм до 20 мм . Более толстые стенки увеличивают сопротивление трубы деформации ползучести, но уменьшают скорость теплового отклика и увеличивают тепловую инерцию. Минимальная толщина стенки устанавливается путем расчета напряжения разрушения при ползучести при рабочей температуре с использованием веса трубы и любой консольной нагрузки в качестве механического воздействия.
• Расстояние между опорами U-образной трубки: Межцентровое расстояние между двумя ветвями U-образной трубы определяет занимаемое пространство печи и доступность U-образного изгиба для проверки. Стандартное расстояние между ногами составляет от от 100 мм до 300 мм в зависимости от наружного диаметра трубы и конструкции печи.

Шаг пятый. Оценка метода производства: центробежное литье, статическое литье и изготовление.

Метод изготовления корпуса радиационной трубки напрямую влияет на его металлургическое качество, точность размеров и устойчивость к высоким температурам. В коммерческих целях используются три производственных маршрута, каждый из которых имеет определенные качественные характеристики.

Центробежное литье

Центробежное литье является стандартным и предпочтительным методом производства прямых секций и ветвей металлических радиационных труб. Расплавленный сплав заливают во вращающуюся форму; Центробежная сила выталкивает жидкий металл наружу к стенке формы и удерживает его там по мере затвердевания. В результате получается трубка с плотная, мелкозернистая внешняя зона (где центробежная сила самая высокая) и зона с постепенно более крупным зерном по направлению к внутреннему отверстию. Поскольку внешняя поверхность работает при более низкой температуре, чем внутреннее отверстие радиационной трубы, этот градиент зеренной структуры идеально соответствует распределению напряжений — плотная внешняя зона обеспечивает сопротивление ползучести при более низкой температуре, а более грубая внутренняя структура обеспечивает достаточную прочность без чрезмерной жесткости, которую мелкозернистая структура могла бы создать в более горячей внутренней зоне.

Трубы, отлитые центробежным способом, неизменно превосходят статические отливки при работе при высоких температурах. Исследование Европейской литейной ассоциации (CAEF, Данные о характеристиках литья жаропрочных сплавов, 2019 г.) подтвердили, что отлитые центрифугой трубы HK40 имеют срок службы до разрушения при ползучести примерно на 40–60 % дольше чем эквивалентные статические отливки из того же состава сплава, испытанные при температуре 1000 градусов Цельсия при тех же уровнях напряжения, из-за более плотной и однородной микроструктуры, создаваемой центробежной силой во время затвердевания.

Статический кастинг

Статическое (гравитационное) литье применяют для U-образных профилей, коленчатых деталей и геометрически сложных элементов, которые невозможно изготовить центробежным литьем. Статические отливки по своей природе имеют более грубую микроструктуру, более высокую пористость и большую изменчивость микроструктуры, чем центробежные отливки. Они приемлемы для участков колен, которые работают при более низких температурах, чем ветки труб, но не должны использоваться для участков ветвей труб, которые будут подвергаться воздействию самых высоких рабочих температур. При выборе радиационной трубы U-образной формы хорошей инженерной практикой является подтверждение того, что прямые секции отливаются центробежно, а только изогнутая секция отливается статически.

Готовые (кованые и сварные) трубы

Кованые и сварные радиационные трубы, изготовленные из прокатанного листа или экструдированной трубы с продольными или кольцевыми сварными швами, иногда используются при более низких температурах (ниже 900 градусов Цельсия) или в материалах, не поддающихся литью, таких как некоторые дисперсионно-упрочненные сплавы. Сварные швы жаропрочных сплавов являются потенциально слабым местом, поскольку зона термического влияния сварного шва обычно имеет меньшую прочность на ползучесть, чем основной металл. По этой причине в критических случаях применения радиационных трубок при температуре выше 900 градусов Цельсия литые трубы предпочтительнее сварных.

Шаг шестой: оцените конфигурацию печи и совместимость горелок

Физическая конфигурация печи и используемой системы горелок ограничивает доступные варианты излучающих трубок, поэтому совместимость между трубкой и горелкой должна быть проверена до завершения заказа труб.

Горизонтальный и вертикальный монтаж

Горизонтальная установка радиационной трубы — наиболее распространенная конфигурация в печах непрерывного действия и многих печах периодического действия — подвергает трубу изгибающему напряжению из-за собственного веса и веса узла горелки. Максимальное напряжение изгиба возникает в середине пролета прямой трубы или в месте соединения U-образного изгиба U-образной трубы. Для длинных горизонтальных пролетов, превышающих примерно От 1500 до 2000 мм из материала HK40 , может потребоваться опорная опора в середине пролета или выбор трубы с более толстыми стенками, чтобы ограничить провисание при ползучести в течение срока службы при рабочей температуре.

Вертикальный монтаж (выпуск трубы вниз или вверх через пол или крышу печи) устраняет изгибающее напряжение из-за собственного веса, но требует, чтобы концевые соединения трубы и фланцевые системы были рассчитаны на полный вес трубы при растяжении или сжатии, а не полагались на конструкцию трубы для выдерживания изгибающих нагрузок. Вертикальная установка обычно используется в колпаковых печах, горшечных печах и некоторых линиях непрерывного отжига полосы.

Скорость горения горелки и тепловая нагрузка трубки

Скорость горения горелки, выраженная в кВт или МБТЕ/ч, определяет тепловой поток через стенку трубы. Превышение максимальной рекомендованной тепловой нагрузки на трубу приводит к перегреву внутренней поверхности, превышающему предел ползучести сплава, что приводит к ускоренному провисанию и возможному разрыву. Как правило, стандартные металлические радиационные трубы из материалов HK40 или HP предназначены для максимальная плотность теплового потока от 60 до 90 кВт/м2 площади внешней поверхности трубки. Трубки SiC могут выдерживать более высокие тепловые нагрузки благодаря своей превосходной теплопроводности. Подтверждение того, что предлагаемая мощность горения горелки находится в пределах тепловой нагрузки трубы для указанного диаметра и длины, является обязательным этапом процесса выбора.

Соединение горелки и совместимость фланцев

Излучающая труба должна механически соприкасаться с узлом горелки на топочном конце и с соединением дымохода на выходном конце. Эти соединения обычно выполняются через монтажный фланец, который соединяется с огнеупором или панелью стенки печи. Конструкции фланцев радиационной трубы различаются в зависимости от производителя и производителя печи, а геометрия соединительного конца трубы должна соответствовать существующей системе крепления печи. При замене труб в существующей печи получение исходного чертежа труб или размерной проверки крепления к стене печи перед заказом запасных труб предотвращает дорогостоящие несоответствия размеров, для устранения которых требуется модификация печи.

Распространенные виды отказов радиационной трубки и как их предотвратить при выборе

Понимание наиболее частых видов отказов излучающих трубок — и их коренных причин в ошибках выбора или применения — дает практическое понимание того, какие параметры выбора наиболее важны в каждом контексте применения.

Ползучесть, провисание и деформация

Ползучесть – прогрессирующая деформация горизонтальной трубы вниз под действием собственного веса при повышенной температуре – является наиболее распространенным видом разрушения металлических радиационных труб. Это происходит, когда:

• Труба эксплуатируется при температуре выше рекомендованного предела температуры материала, что снижает ее сопротивление ползучести ниже уровня, необходимого для выдерживания собственного веса.
• Стенка трубы имеет недостаточный размер (слишком тонкая или слишком малый диаметр) для длины пролета, что создает чрезмерное напряжение изгиба при рабочей температуре.
• Науглероживание материала трубы сделало ее поперечное сечение хрупким, что привело к ускоренной ползучести в остальных пластичных зонах.

Предотвращение выбора: укажите материал с достаточным запасом прочности по напряжению разрушения при ползучести при максимальной рабочей температуре и убедитесь, что размеры трубы создают приемлемое напряжение изгиба при этой температуре. Опубликованные данные о ползучести жаропрочных сплавов в соответствии с ASTM A297 и в Руководстве по литью жаропрочных сплавов AFS. укажите значения напряжения разрушения при ползучести, необходимые для этого расчета.

Науглероживание, охрупчивание

Науглероживание — поглощение углерода из атмосферы печи на внешнюю поверхность трубы — происходит во всех сплавах железа, хрома и никеля в той или иной степени в печах с атмосферой цементации. Сильная науглероживание создает поверхностный слой с высоким содержанием углерода, который становится хрупким и склонным к растрескиванию во время термоциклирования. Со временем науглероженный слой распространяется внутрь, уменьшая эффективную толщину несущей стенки и вызывая прогрессирующую потерю сопротивления ползучести. Предупреждение выбора: использовать в печах с атмосферой цементации марки HP-модифицированных или высоконикелевых сплавов; избегайте HK40, где устойчивость к науглероживанию является основным фактором, ограничивающим срок службы.

Окисление и накипь

Быстрое окисление, приводящее к чрезмерному образованию окалины и утончению стенок, происходит, когда сплав труб используется при температуре окисления, превышающей максимально рекомендуемую, или когда защитная окалина хрома или глинозема разрушается в результате термоциклирования, механического повреждения или химического воздействия. Откалывание окалины — отделение толстых слоев оксида во время охлаждения — ускоряет потерю металла и может привести к попаданию остатков оксидов в атмосферу печи. Предотвращение выбора: подтвердите, что максимальная номинальная температура непрерывного окисления сплава превышает температуру стенки трубы как минимум на величину. 50 градусов С .

Термическое усталостное растрескивание

Трещины термической усталости, обычно возникающие на внешней поверхности и распространяющиеся внутрь, возникают в результате циклических растягивающих и сжимающих напряжений, возникающих в результате многократного нагрева и охлаждения. Они наиболее опасны вблизи концентраций геометрических напряжений, таких как сварные швы, U-образные соединения и точки крепления фланцев. В условиях высокой цикличности с несколькими циклами нагрева-охлаждения за смену усталостные повреждения накапливаются быстрее, чем в условиях низкой цикличности. Предотвращение выбора: при частом циклическом использовании используйте сплавы с высоким содержанием никеля или керамические трубки из карбида кремния с превосходной термостойкостью; избегайте статических литых изгибаемых участков при частой циклической работе.

Сульфидейшн и горячая коррозия

Атака сульфидейшн, характеризующаяся быстрым образованием окалины со слоистой сульфидно-оксидной структурой и ускоренной потерей металла, возникает в печах, обрабатывающих серосодержащие заготовки или использующих серосодержащий топливный газ. Это один из наиболее быстрых и разрушительных видов отказа радиантных трубок; трубка, вышедшая из строя в результате сульфидирования, может потерять Толщина стенок от 2 до 5 мм в год по сравнению с менее чем 0,5 мм в год при работе только с окислением. Предотвращение отбора: определите любой источник серы в процессе, прежде чем выбирать сплав для труб, и укажите сплавы с высоким содержанием хрома (более 25 мас.%), если сера присутствует в какой-либо значимой концентрации.

Контрольный список выбора излучающей трубки: практическое резюме

Следующий контрольный список объединяет процесс выбора в структурированную последовательность вопросов, на которые следует ответить, прежде чем окончательно определиться со спецификацией излучающей трубки. Каждый вопрос связан с параметрами выбора, рассмотренными выше.

1. Какова заданная температура печи и какова расчетная температура стенки трубы в самой горячей зоне? Добавьте от 100 до 150 градусов Цельсия к заданному значению печи, чтобы оценить температуру стенки трубы, и выберите материал, рассчитанный как минимум на 50 градусов Цельсия выше этой оценки.
2. Какова атмосфера печи на внешней поверхности трубы? Определите, является ли это окислением, цементацией, азотированием, сульфидированием или восстановлением, и подтвердите совместимость сплава с помощью таблицы атмосфер, приведенной выше.
3. Какова частота термоциклирования? Несколько циклов работы в смену требуют превосходной стойкости к термической усталости — для частой циклической работы при температуре выше 900 градусов C используйте модифицированные HP или сплавы с высоким содержанием никеля, а не HK40.
4. Какая геометрия трубы соответствует конфигурации печи? Подтвердите, допускает ли доступ к печи U-образную, W-образную, прямую или P-образную геометрию, и убедитесь, что распределение тепла предлагаемой геометрии соответствует требованиям однородности печи.
5. Каковы внешний диаметр трубки, толщина стенки и длина нагрева? Убедитесь, что выбранные размеры создают приемлемое напряжение изгиба под собственным весом и при рабочей температуре, используя опубликованные данные о ползучести для предлагаемого сплава.
6. Трубка отливается центробежно? Подтвердить центробежное литье для всех секций прямых опор; убедитесь, что все статические литые изгибные секции спроектированы и указаны как низкотемпературные элементы.
7. Соответствует ли мощность горения горелки пределу тепловой нагрузки трубки? Убедитесь, что тепловой поток при предлагаемой скорости горения не превышает 60–90 кВт/м2 для металлических трубок или рекомендованный производителем SiC предел для керамических трубок.
8. Совместимы ли размеры торцевых соединений труб с существующим монтажом печи? Перед заказом получите габаритные чертежи крепления печи, чтобы избежать несоответствия фланцев.
9. Каков ожидаемый срок службы и оправдывает ли общая стоимость в течение этого срока использование сплава премиум-класса? Рассчитайте годовую стоимость (стоимость трубы, разделенную на годы службы плюс трудозатраты на установку) для каждого предполагаемого сплава, чтобы определить наиболее экономичный вариант в течение цикла обслуживания печи.

Радиационная трубка Серия, производимая Casting Huaye, охватывает прямые профили, отлитые центробежным способом, U-образные трубы, W-образные трубы и статические литые изогнутые компоненты из HK40, HP-модифицированных марок и сплавов с высоким содержанием никеля, с технической поддержкой для выбора материала и геометрии для конкретного применения на основе температуры печи, атмосферы и данных рабочего цикла.

Общая стоимость владения: почему самая дешевая трубка редко является самым дешевым вариантом

Решения о выборе излучающей трубы, принятые только на основе первоначальной стоимости покупки, постоянно приводят к более высоким общим затратам в течение цикла обслуживания печи, чем решения, принятые на основе совокупной стоимости владения (TCO). Понимание факторов затрат в каждом сценарии необходимо для составления экономического обоснования выбора сплава премиум-класса, когда первоначальное ценовое давление велико.

Cost Components of Radiant Tube Ownership

total cost of operating a radiant tube system over a maintenance period includes:

• Первоначальная стоимость покупки трубки — наиболее заметная стоимость, но часто самый маленький компонент в течение многолетнего срока службы
• Монтажные работы — обычно требуется замена комплекта радиационных трубок в печи термообработки. От 8 до 24 часов технического обслуживания на печь , включая охлаждение печи, снятие трубок, установку новых трубок и возврат к рабочей температуре.
• Стоимость простоя печи — стоимость упущенной выгоды при каждой замене трубок; для высокопроизводительной линии термообработки стоимость простоя печи может достигать От 5 000 до 50 000 долларов США в день в зависимости от стоимости обрабатываемых деталей
• Частота замены — трубка, срок службы которой составляет 5 лет, по сравнению с трубкой, срок службы которой составляет 2 года, требует в 2,5 раза большего количества замен за 10-летний период, соответственно умножая все вышеперечисленные компоненты затрат.
• Повреждение огнеупора при замене - если неисправная труба приводит к попаданию горячего газа в камеру печи, повреждение футеровки печи и огнеупорного материала зоны нагрева может потребовать ремонта, что приведет к значительным затратам и дополнительному времени простоя, помимо замены самой трубы.

Практический пример

Рассмотрим печь для цементации периодического действия, работающую при температуре 940 градусов Цельсия, с 20 радиантными трубками U-образного типа. Трубки НК40 обеспечивают срок службы 2 года в атмосфере цементации; Срок службы трубок, модифицированных HP, составляет 5 лет. Если стоимость труб HK40 составляет 60 % от стоимости HP-модифицированных трубок за комплект, а каждая замена трубки требует 16 часов работ по техническому обслуживанию плюс 2 дня простоя печи при производственной стоимости 15 000 долларов США в день:

• HK40 в течение 10 лет: 5 случаев замены x (стоимость трубки, работа, время простоя 30 000 долларов США) = большая сумма
• HP-модификация в течение 10 лет: 2 замены x (затраты на оплату труда, время простоя 30 000 долларов США) = общая сумма значительно ниже, несмотря на более высокую стоимость комплекта трубок

В большинстве сценариев промышленной термообработки расчет совокупной стоимости владения благоприятствует выбор наиболее эффективного и технически подходящего материала для труб для условий эксплуатации, а не для самого дешевого варианта, поскольку время простоя и трудозатраты на дополнительные мероприятия по замене намного превышают первоначальную надбавку к цене материала с более длительным сроком службы.