چگونه لوله تابشی مناسب را انتخاب کنیم؟

انتخاب حق لوله تابشی نیاز به ارزیابی دارد پنج پارامتر اصلی: دمای عملیاتی، ترکیب مواد، هندسه لوله (شکل و ابعاد)، سازگاری با جو، و پیکربندی کوره . هر یک از این موارد را اشتباه بگیرید و نتیجه آن خرابی زودرس لوله، گرم شدن ناهموار قطعه کار، توقف برنامه ریزی نشده کوره، یا در بدترین حالت یک حادثه ایمنی ناشی از پارگی لوله و ورود گاز احتراق به محفظه کوره است. این تصمیم از نظر مهندسی بسیار مهم است زیرا یک لوله تابشی که در یک کوره صنعتی کار می کند ممکن است چرخه داشته باشد هزاران بار در طول عمر 3 تا 10 سال ، تجربه گرادیان های حرارتی، اتمسفرهای اکسید کننده و کربن دار و بارهای مکانیکی به طور همزمان. بخش‌های زیر هر پارامتر انتخاب را با جزئیات عملی، با داده‌ها و مثال‌های خاص برای تثبیت فرآیند تصمیم‌گیری، بررسی می‌کنند.

لوله تابشی چه می کند و چرا انتخاب مواد حیاتی ترین بعد آن است

لوله تابشی یک محفظه احتراق مهر و موم شده است که از طریق دیواره یک کوره صنعتی وارد می شود. یک مشعل گاز در داخل لوله آتش می‌گیرد و محصولات احتراق از طول لوله عبور می‌کنند - معمولاً در پیکربندی U، W، P یا مستقیم - قبل از خروج از دودکش در انتهای دیگر. دیواره لوله گرمای احتراق را جذب می کند و آن را مجدداً به عنوان تابش مادون قرمز به محفظه کوره می تاباند و قطعه کار را بدون هیچ گونه تماسی بین گازهای احتراق و جو کوره گرم می کند. این جداسازی هدف اساسی لوله تابشی است: اجازه می دهد تا یک جو کنترل شده و اغلب محافظ در داخل محفظه کوره ایجاد شود در حالی که هنوز از احتراق گاز به عنوان منبع گرما استفاده می شود.

دیواره لوله به طور همزمان در معرض گازهای احتراق تا دمای 1150 درجه سانتیگراد یا بالاتر در سطح داخلی و به اتمسفر کوره - که ممکن است کاهنده، کربورکننده، نیترید کننده یا خنثی باشد - در سطح بیرونی، در حالی که وزن خود و وزن مجموعه مشعل را در یک پیکربندی کنسولی یا پشتیبانی شده تحمل می کند. هیچ جزء دیگر در سیستم کوره تحت این ترکیب از نیازهای حرارتی، شیمیایی و مکانیکی به طور همزمان عمل نمی کند. به همین دلیل است که انتخاب مواد مهم ترین انتخاب در مشخصات لوله تابشی است.

مرحله اول: دمای عملیاتی را تعریف کنید

تنها مهمترین پارامتر در انتخاب لوله تابشی حداکثر دمای عملیاتی است - به طور خاص دمای دیواره لوله ، نه دمای نقطه تنظیم کوره. دیواره لوله همیشه گرمتر از جو کوره است زیرا منبع گرمای اولیه است و منطقه شعله محلی داخل لوله ممکن است به طور قابل توجهی گرمتر از میانگین دمای دیواره لوله باشد که توسط ترموکوپل نشان داده شده است.

دمای دیواره لوله در مقابل دمای کوره

در یک سیستم لوله تابشی به خوبی طراحی شده، دمای دیواره لوله معمولاً اجرا می شود 50 تا 150 درجه سانتیگراد بالاتر از دمای تنظیم کوره . کوره ای که در دمای 900 درجه سانتیگراد کار می کند ممکن است دمای دیواره لوله تابشی 950 تا 1050 درجه سانتیگراد در داغترین منطقه نزدیک شعله مشعل داشته باشد. مشخص کردن یک ماده لوله که دقیقاً مطابق با دمای نقطه تنظیم کوره است، بدون افزودن این حاشیه، شایع ترین علت خرابی زودرس لوله در سرویس است.

به عنوان یک چارچوب کلی برای تخصیص باند دما:

فرکانس چرخه حرارتی

یک لوله تابشی که یک بار در روز به دمای کار می‌رسد و ثابت نگه می‌دارد، نسبت به لوله‌ای که از دمای سرد به دمای کارکرد و برگشت برمی‌گردد، خستگی حرارتی بسیار کمتری را تجربه می‌کند. چندین بار در هر شیفت . چرخه حرارتی تنش حرارتی چرخه ای را در دیواره لوله از انبساط دیفرانسیل بین مناطق گرم داخلی و خارجی سطح بیرونی ایجاد می کند. برنامه های کاربردی با چرخه بالا - مانند کوره های بازپخت دسته ای یا کوره های سخت کننده که بارها و بارها بارگیری و تخلیه می شوند - به مواد لوله ای با مقاومت در برابر خستگی حرارتی بالاتر نیاز دارند که معمولاً به معنی آلیاژهای حاوی نیکل یا سرامیک های کاربید سیلیکون بالاتر به جای آلیاژهای مبتنی بر آهن است.

استاندارد ASTM برای سرویس آلیاژهای مقاوم در برابر حرارت در دمای بالا (ASTM A297 و A351) درجه‌های آلیاژ را بر اساس دمای عملیاتی طبقه‌بندی می‌کند و حداقل الزامات ویژگی را ارائه می‌کند که به عنوان یک چارچوب اولیه مفید برای انتخاب مواد عمل می‌کند، اگرچه الزامات کاربردی خاص ممکن است بیش از این حداقل‌ها را توجیه کند. منبع: ASTM International، مشخصات استاندارد برای ریخته گری فولاد، آلیاژ، برای خدمات در دمای بالا، A297/A297M ).

مرحله دوم: مواد را با اتمسفر مطابقت دهید

محیط شیمیایی در دو طرف دیواره لوله تابشی تعیین می کند که کدام خانواده آلیاژی مناسب است. لوله ای که در یک اتمسفر اکسید کننده عملکرد عالی دارد ممکن است به سرعت در اتمسفر کربن دار یا حاوی گوگرد مورد حمله قرار گیرد و بالعکس. سازگاری مواد و جو غیرقابل مذاکره است و باید قبل از نهایی شدن هر پارامتر انتخاب دیگری مشخص شود.

اتمسفر سطح بیرونی (سمت محفظه کوره)

اتمسفر کوره در تماس با سطح لوله بیرونی بر اساس فرآیند عملیات حرارتی متفاوت است:

• جو گرماگیر (اندوگاز): مخلوطی از تقریباً 40% H2، 40% N2 و 20% CO، که برای کربورسازی، کربونیتر کردن و سخت شدن خنثی استفاده می شود. این اتمسفر در دماهای بالا به شدت کربوره می‌شود و باعث جذب کربن در سطح بیرونی لوله می‌شود - فرآیندی به نام کربن‌سازی که آلیاژهای مبتنی بر آهن را ترد می‌کند و باعث تشکیل فاز سیگما در فولادهای زنگ نزن آستنیتی در طول سرویس طولانی‌مدت می‌شود.
• اتمسفر نیتروژن-هیدروژن (N2/H2): برای بازپخت روشن فولاد ضد زنگ و آلیاژهای مس استفاده می شود. محتوای هیدروژن این اتمسفر را تبدیل به اکسیدهای فلزی می کند، اما می تواند باعث شکنندگی هیدروژنی در گریدهای آلیاژی خاص، به ویژه فولادهای زنگ نزن فریتی و مارتنزیتی شود.
• جو مبتنی بر آمونیاک (نیترید کننده): آمونیاک تفکیک شده اتمسفر غنی از نیتروژن تولید می کند که برای نیتریدینگ گاز و نیتروکربورسازی فریتی استفاده می شود. جذب نیتروژن در سطح بیرونی لوله می تواند باعث حمله نیتریدینگ - تشکیل فازهای نیترید شکننده - در آلیاژهای مبتنی بر آهن در دماهای بالاتر از تقریباً شود. 550 درجه سانتیگراد .
• هوا یا اتمسفر اکسید کننده: برخی از محفظه های کوره در هوا یا با اتمسفرهای محافظ با غلظت کم کار می کنند که در آن اکسیداسیون سطح بیرونی لوله مکانیسم تخریب اولیه است. این کم تهاجمی ترین جو برای مواد لوله فلزی است و آلیاژهای آهن-کروم-نیکل عملکرد خوبی در این محیط دارند.
• جو گوگرددار: احتراق سوخت های حاوی گوگرد یا پردازش قطعات کار حاوی گوگرد می تواند ترکیبات گوگردی را وارد جو کوره کند. گوگرد باعث خوردگی داغ (سولفیداسیون) آلیاژهای مبتنی بر نیکل و آهن در دماهای بالاتر از تقریباً می شود. 650 درجه سانتیگراد ، از دست دادن فلز را به طور چشمگیری تسریع می کند. آلیاژهای با محتوای کروم بالا (بالاتر از 25 درصد وزنی) بهترین مقاومت را در برابر سولفید شدن دارند.

جو سطح داخلی (سمت گاز احتراق)

گازهای احتراق که در داخل لوله تابشی جریان دارند در درجه اول CO2، H2O، N2 و O2 اضافی در مورد احتراق بدون چربی یا CO، H2 و N2 در مناطق احتراق غنی هستند. سطح داخلی در معرض یک محیط اکسید کننده در مناطق احتراق بدون چربی و یک محیط کاهنده یا کربور کننده در مناطق غنی از سوخت در نزدیکی نازل مشعل قرار دارد. احتراق غنی محلی در نزدیکی نوک مشعل می‌تواند ناحیه کاهش‌دهنده‌ای ایجاد کند که باعث کربوریزه شدن سطح داخلی لوله می‌شود، حتی زمانی که نسبت کلی هوا به سوخت نزدیک به استوکیومتری باشد.

راهنمای انتخاب آلیاژ بر اساس اتمسفر

مرحله سوم: درجه آلیاژ را انتخاب کنید

با تعریف دمای کار و سازگاری جو، درجه آلیاژ را می توان از خانواده های استاندارد مورد استفاده در تولید لوله تابشی صنعتی انتخاب کرد. هر خانواده دارای نقاط قوت و محدودیت های خاصی است که مناسب بودن آن را برای کاربردهای خاص تعیین می کند.

HK40: اسب کاری همه منظوره

HK40 (Fe-25Cr-20Ni-0.4C) پرکاربردترین آلیاژ ریخته گری گریز از مرکز برای لوله های تابشی در محدوده دمایی است. 900 تا 1050 درجه سانتیگراد . ترکیب نسبتاً متعادل آن مقاومت اکسیداسیون خوبی را از محتوای کروم، استحکام خزش کافی از سطح کربن 0.4٪ (که کاربیدهای کروم را که مانع حرکت دررفتگی در دمای بالا می‌شوند رسوب می‌کند) و مقرون به صرفه بودن به دلیل محتوای نیکل پایین آن در مقایسه با درجه‌های نیکل بالاتر، ایجاد می‌کند. HK40 اولین انتخاب مناسب برای کوره های کربوهیداسیون و سختی خنثی است که دمای عملیاتی آن در محدوده توانایی آن است.

محدودیت‌های HK40 در دمای تقریباً 1050 درجه سانتی‌گراد، جایی که قدرت خزشی آن به‌شدت کاهش می‌یابد، آشکار می‌شود، و در اتمسفرهای شدیداً کربوردار که محتوای نیکل کمتر (20٪) نسبت به آلیاژهای درجه HP باعث می‌شود آن را در برابر جذب کربن حساس‌تر کند که منجر به شکنندگی فاز سیگما پس از سرویس طولانی‌تر می‌شود.

آلیاژهای اصلاح شده با اچ پی: مقاومت در برابر دما و کربوریزاسیون بالاتر

آلیاژهای اصلاح شده توسط HP (Fe-25Cr-35Ni-0.4C با افزودن Nb، W، Ti، یا ترکیبات) سقف دمای عملیاتی را تا 1100 تا 1150 درجه سانتیگراد و به دلیل محتوای نیکل بالاتر، مقاومت قابل توجهی نسبت به HK40 در برابر کربوریزه شدن دارند. افزودن نیوبیم در گریدهای HP-Nb باعث رسوب کاربیدهای NbC پایدار می شود که در برابر انحلال مقاومت می کنند و استحکام خزشی آلیاژ را در طول سرویس طولانی حفظ می کنند. گریدهای اصلاح‌شده با HP انتخاب استاندارد برای کوره‌های کربن‌سازی گاز، کوره‌های آنیلینگ با دمای بالا، و هر برنامه‌ای هستند که دمای دیواره لوله در سرویس بیش از 1050 درجه سانتی‌گراد باشد.

آلیاژهای با نیکل بالا (آلیاژ 602CA، HR160، 253MA)

برای سخت‌ترین کاربردها - دماهای بالاتر از 1100 درجه سانتی‌گراد، اتمسفرهای شدیداً کربن‌دار یا سولفیدکننده، یا کاربردهایی که نیاز به مقاومت در برابر خستگی حرارتی استثنایی دارند - آلیاژهای با نیکل بالا با محتوای نیکل 55 تا 75 درصد وزنی عملکردی را ارائه می دهد که آلیاژهای مبتنی بر آهن نمی توانند مطابقت داشته باشند. این مواد به طور قابل توجهی گرانتر از گریدهای HK40 یا HP هستند، اما در کاربردهایی که آلیاژهای مبتنی بر آهن در عرض 12 تا 18 ماه از کار می‌افتند و آلیاژهای با نیکل بالا 4 تا 7 سال خدمات ارائه می‌دهند، اقتصاد به شدت به نفع آلیاژ درجه یک علیرغم هزینه اولیه بالاتر آن است.

لوله های تابشی کاربید سیلیکون (SiC): حداکثر عملکرد دما

لوله های تابشی سرامیکی کاربید سیلیکون در دمایی کار می کنند که فراتر از توانایی هر آلیاژ فلزی است - تا 1350 تا 1400 درجه سانتیگراد دمای دیواره لوله در سرویس مداوم SiC دارای مقاومت استثنایی در برابر اکسیداسیون (تشکیل یک لایه سطحی محافظ SiO2)، هدایت حرارتی بسیار بالا (تقریبا) 3 تا 5 برابر آلیاژهای فلزی ) و مقاومت عالی در برابر کربوری شدن، نیترید شدن و سولفیداسیون. محدودیت‌های اولیه لوله‌های تابشی SiC، شکنندگی آن‌ها است - آنها نمی‌توانند در برابر ضربه مکانیکی یا بارگذاری نقطه‌ای که سرامیک را ترک می‌کند مقاومت کنند - و هزینه بالاتر آنها در مقایسه با جایگزین‌های فلزی در اندازه‌های معادل.

لوله های SiC انتخاب استاندارد برای خطوط بازپخت مداوم در دمای بالا، بازپخت روشن نوارهای ضد زنگ، پردازش فولاد سیلیکونی و هر کوره ای است که در آن فرکانس تعویض لوله فلزی به دلیل محدودیت های دما به طور غیر قابل قبولی بالا رفته است.

چدن و فولاد کم آلیاژ: چه زمانی از آنها استفاده نکنید

لوله های چدنی و فولادی کم کربن گهگاه در تاسیسات کوره های قدیمی یا کم هزینه که دمای عملیاتی آنها کمتر است، دیده می شود. 750 درجه سانتیگراد و شرایط جوی حداقل است. بالاتر از این دما، اکسیداسیون و رشد سریع مقیاس اکسید آهن در فولادهای بدون آلیاژ یا کم آلیاژ، این مواد را برای هر کاربرد لوله تابشی که عمر مفید آن بیش از 6 تا 12 ماه پیش بینی می شود، نامناسب می کند. اگر مشخصات لوله تابشی فولاد بدون آلیاژ یا کم آلیاژ را برای دمای عملیاتی بالای 750 درجه سانتیگراد پیشنهاد کند، مشخصات قبل از ادامه نصب نیاز به تجدید نظر دارد.

مرحله چهارم: هندسه لوله مناسب را انتخاب کنید

هندسه لوله تابشی - شکل مسیر لوله ای که گازهای احتراق از طریق آن جریان می یابند - به طور مستقیم بر یکنواختی توزیع گرما در کوره، مناسب بودن لوله برای پیکربندی های مختلف کوره و ورودی گرمای قابل دستیابی در هر لوله تأثیر می گذارد. چهار هندسه در مصارف صنعتی رایج هستند که هر کدام دارای مزایای خاص و کاربردهای مناسبی هستند.

لوله های مستقیم

یک لوله تابشی مستقیم از یک طرف از دیواره کوره عبور می کند، محفظه کوره را می پوشاند و از دیواره مقابل خارج می شود. مشعل از یک طرف آتش می گیرد و گازهای دودکش از طرف دیگر خارج می شوند. لوله های مستقیم توزیع حرارت عالی را در طول طول خود در کاربردهای افقی یا عمودی ارائه می دهند و ساده ترین هندسه برای ساخت، نصب و جایگزینی هستند. آنها برای کوره هایی با عرض داخلی کافی مناسب هستند تا طول لوله کامل را در خود جای دهند - معمولا 1000 تا 3000 میلی متر از طول گرم شده - و در کوره های بازپخت نواری پیوسته، کوره های آنیلینگ سیمی و برخی از کوره های دسته ای استاندارد هستند.

U-Tubes

لوله های U از دو پایه موازی تشکیل شده اند که توسط یک خم 180 درجه در انتهای بسته به هم متصل شده اند و مشعل و دودکش هر دو از یک دیوار کوره قابل دسترسی هستند. گاز از مشعل به سمت پایین، در اطراف U-bend جریان می یابد و از پایه برگشتی به سمت خروجی دودکش می رود. لوله‌های U پرکاربردترین هندسه در کوره‌های دسته‌ای، کوره‌های عملیات حرارتی و هر برنامه‌ای هستند که دسترسی تنها از یک طرف کوره عملی است. چالش اصلی طراحی با لوله‌های U اختلاف دمایی بین پایه شلیک گرم و پایه برگشتی خنک‌تر است - سطح داخلی U-bend در دمای بسیار بالاتری نسبت به میانگین پایه برگشتی عمل می‌کند و یک ناحیه تحت فشار حرارتی ایجاد می‌کند که به ضخامت دیواره و کیفیت مواد کافی برای مقاومت در برابر تغییر شکل خزشی در طول عمر مفید نیاز دارد.

W-Tubes

لوله‌های W مفهوم U-tube را با اضافه کردن یک خم دوم U گسترش می‌دهند و مسیر لوله‌ای را ایجاد می‌کنند که قبل از بازگشت به دیوار آتش دو بار در داخل محفظه کوره جهت را معکوس می‌کند. لوله‌های W مسیر گرمایش طولانی‌تری را در عمق محفظه کوره فراهم می‌کنند و ورودی گرمای بیشتری را در هر نفوذ دیواره کوره نسبت به لوله‌های U با سطح مقطع مشابه تولید می‌کنند. آنها در کاربردهایی استفاده می‌شوند که در آن گرمای ویژه بالا مورد نیاز است - مانند کوره‌های سخت‌کننده دسته‌ای با بهره‌وری بالا - اما هندسه پیچیده‌تر آن‌ها باعث می‌شود تا تولید تا تحمل ابعادی چالش برانگیزتر و جایگزینی در سرویس دشوارتر شود.

لوله های P (لوله های پیرکس یا زانویی)

لوله های P (همچنین به آنها لوله های زانویی یا لوله های چرخشی تک سر نیز گفته می شود) از یک آستین چرخشی داخلی در داخل بدنه لوله بیرونی استفاده می کنند. مشعل به آستین داخلی شلیک می کند. گازهای احتراق به سمت پایین آستین حرکت می کنند، در انتهای بسته جهت معکوس را طی می کنند و از فضای حلقوی بین آستین و لوله بیرونی به سمت خروجی دودکش در انتهای مشعل برمی گردند. سطح بیرونی لوله P توزیع دمایی یکنواخت تری را نسبت به لوله U ارائه می دهد زیرا آستین داغ داخلی گازهای برگشتی را قبل از خروج گرم می کند و اختلاف دما را در طول لوله بیرونی کاهش می دهد. لوله‌های P به طور فزاینده‌ای در طراحی‌های مدرن کوره‌های با کارایی بالا مورد استفاده قرار می‌گیرند که در آن یکنواختی دما در سراسر منطقه گرم شده یک نیاز اولیه است.

ابعاد لوله: قطر، ضخامت دیوار و فاصله پاها

در هر نوع هندسه، قطر لوله و ضخامت دیواره پارامترهای بعدی اولیه هستند که باید مشخص شوند:

• قطر خارجی (OD): ODهای استاندارد لوله تابشی حدوداً متغیر است 60 میلی متر تا 200 میلی متر در آلیاژهای فلزی و از 50 میلی متر تا 150 میلی متر در SiC. OD سطح تابش هر لوله و ظرفیت مشعل را که لوله می تواند در خود جای دهد تعیین می کند.
• ضخامت دیوار: ضخامت دیوار برای لوله های فلزی ریخته گری گریز از مرکز به طور معمول از محدوده متفاوت است 8 میلی متر تا 20 میلی متر . دیواره های ضخیم تر مقاومت لوله را در برابر تغییر شکل خزشی افزایش می دهند اما سرعت پاسخ حرارتی را کاهش می دهند و اینرسی حرارتی را افزایش می دهند. حداقل ضخامت دیواره با محاسبه تنش گسیختگی خزشی در دمای عملیاتی، با استفاده از وزن لوله و هر بار کنسولی به عنوان ورودی مکانیکی تعیین می‌شود.
• فاصله پاها لوله U: فاصله مرکز تا مرکز بین دو پایه یک لوله U، فضای اشغال شده کوره و دسترسی به U-bend را برای بازرسی تعیین می کند. فاصله استاندارد پاها از 100 میلی متر تا 300 میلی متر بسته به OD لوله و طراحی کوره.

مرحله پنجم: ارزیابی روش ساخت - ریخته گری گریز از مرکز در مقابل ریخته گری استاتیک در مقابل ساخت

روشی که توسط آن بدنه لوله تابشی تولید می شود تأثیر مستقیمی بر کیفیت متالورژیکی، دقت ابعادی و عملکرد در دمای بالا دارد. سه مسیر تولید به صورت تجاری مورد استفاده قرار می گیرد که هر کدام ویژگی های کیفی خاصی دارند.

ریخته گری گریز از مرکز

ریخته گری سانتریفیوژ روش تولید استاندارد و ترجیحی برای مقاطع مستقیم لوله تابشی فلزی و پایه های لوله است. آلیاژ مذاب در قالب دوار ریخته می شود. نیروی گریز از مرکز، فلز مایع را به سمت بیرون در برابر دیواره قالب می راند و در حالی که جامد می شود، آن را در آنجا نگه می دارد. نتیجه یک لوله با یک است منطقه بیرونی متراکم و ریزدانه (جایی که نیروی گریز از مرکز بالاترین است) و یک ناحیه دانه ای به تدریج درشت تر به سمت سوراخ داخلی. از آنجایی که سطح بیرونی در دمای پایین‌تر از حفره داخلی در یک لوله تابشی عمل می‌کند، این گرادیان ساختار دانه‌ای به‌طور ایده‌آل با توزیع تنش همسو می‌شود - ناحیه متراکم بیرونی مقاومت در برابر خزش را در جایی که دما پایین‌تر است ایجاد می‌کند، و ساختار داخلی درشت‌تر استحکام کافی را بدون سفتی بیش از حدی که ساختار دانه‌های ریز در ناحیه گرم‌تر داخلی ایجاد می‌کند، فراهم می‌کند.

لوله های ریخته گری گریز از مرکز به طور مداوم نسبت به ریخته گری استاتیک در سرویس های با دمای بالا برتری دارند. تحقیق از انجمن ریخته گری اروپا (CAEF، داده های عملکرد ریخته گری آلیاژ مقاوم در برابر حرارت، 2019) تایید کرد که لوله های HK40 ریخته گری گریز از مرکز، عمر پارگی خزشی را تقریباً نشان می دهند 40 تا 60 درصد طولانی تر نسبت به ریخته‌گری‌های استاتیکی معادل از همان ترکیب آلیاژی که در 1000 درجه سانتی‌گراد تحت سطوح تنش یکسان آزمایش شده‌اند، به دلیل ریزساختار متراکم‌تر و یکنواخت‌تر تولید شده توسط نیروی گریز از مرکز در طول انجماد.

ریخته گری استاتیک

ریخته گری ایستا (گرانشی) برای مقاطع U-bend، اجزای زانویی و عناصر هندسی پیچیده استفاده می شود که توسط ریخته گری گریز از مرکز تولید نمی شوند. ریخته گری استاتیک ذاتاً دارای ریزساختار درشت تر، تخلخل بالاتر و تنوع ریزساختاری بیشتری نسبت به ریخته گری گریز از مرکز هستند. آن‌ها برای بخش‌های خمشی که در دمای پایین‌تر از پایه‌های لوله کار می‌کنند قابل قبول هستند، اما نباید برای بخش‌های پای لوله‌ای که در معرض بالاترین دمای عملیاتی قرار می‌گیرند استفاده شوند. هنگام مشخص کردن یک لوله تابشی U-tube، تأیید اینکه بخش‌های پای مستقیم به صورت گریز از مرکز ریخته‌گری می‌شوند و فقط بخش خمشی ریخته‌گری استاتیک است، عمل مهندسی خوبی است.

لوله های ساخته شده (فرفورژه و جوش داده شده).

لوله های تابشی فرفورژه و جوش داده شده - که از صفحه نورد شده یا لوله اکسترود شده با جوش های طولی یا محیطی تشکیل شده اند - گهگاه در کاربردهای دمای پایین تر (زیر 900 درجه سانتیگراد) یا در موادی که مستعد ریخته گری نیستند، مانند برخی از آلیاژهای تقویت شده با پراکندگی استفاده می شوند. جوش در آلیاژهای با دمای بالا یک نقطه ضعف بالقوه است زیرا ناحیه متاثر از حرارت جوش معمولاً از مقاومت خزشی کمتری نسبت به فلز پایه برخوردار است. به همین دلیل در کاربردهای حساس لوله تابشی بالای 900 درجه سانتیگراد، لوله های ریخته گری بر تولیدات جوش داده شده ترجیح داده می شوند.

مرحله ششم: پیکربندی کوره و سازگاری مشعل را ارزیابی کنید

پیکربندی فیزیکی کوره و سیستم مشعل مورد استفاده گزینه های لوله تابشی موجود را محدود می کند و سازگاری لوله و مشعل باید قبل از نهایی شدن سفارش لوله تأیید شود.

نصب افقی در مقابل عمودی

نصب لوله تابشی افقی - رایج ترین پیکربندی در کوره های پیوسته و بسیاری از کوره های دسته ای - لوله را تحت فشار خمشی ناشی از وزن خود و وزن مجموعه مشعل قرار می دهد. حداکثر تنش خمشی در وسط یک لوله مستقیم یا در محل اتصال U-bend یک لوله U رخ می دهد. برای دهانه های افقی طولانی بیش از تقریبا 1500 تا 2000 میلی متر در مواد HK40 یک پایه نگهدارنده در وسط دهانه یا انتخاب یک لوله با دیواره ضخیم‌تر ممکن است برای محدود کردن افت خزش در طول عمر مفید در دمای کار ضروری باشد.

نصب عمودی (پرتاب لوله به سمت پایین یا بالا از طریق کف کوره یا سقف) تنش خمشی ناشی از وزن خود را حذف می کند، اما مستلزم آن است که اتصالات انتهایی لوله و سیستم های فلنج برای وزن کامل لوله در کشش یا فشار به جای تکیه بر ساختار لوله برای حمل بارهای خمشی درجه بندی شوند. نصب عمودی معمولاً در کوره های زنگوله ای، کوره های گلدانی و برخی از خطوط پیوسته آنیل نواری استفاده می شود.

نرخ شلیک مشعل و بارگذاری حرارتی لوله

نرخ شلیک مشعل - که بر حسب کیلووات یا MBtu/hr بیان می‌شود - شار گرما را از طریق دیواره لوله تعیین می‌کند. بیش از حد مجاز بارگذاری حرارتی توصیه شده لوله باعث می شود سطح داخلی بیش از حد از قابلیت خزش آلیاژ گرم شود و منجر به تسریع افتادگی و در نهایت پارگی شود. به عنوان یک دستورالعمل کلی، لوله های تابشی فلزی استاندارد در مواد HK40 یا HP برای طراحی شده اند حداکثر چگالی شار حرارتی 60 تا 90 کیلووات بر متر مربع سطح خارجی لوله لوله های SiC به دلیل رسانایی حرارتی برتر می توانند بارهای حرارتی بالاتری را تحمل کنند. تأیید اینکه نرخ شلیک مشعل پیشنهادی در محدوده بارگذاری حرارتی لوله برای قطر و طول مشخص است، یک مرحله اجباری در فرآیند انتخاب است.

اتصال مشعل و سازگاری فلنج

لوله تابشی باید به طور مکانیکی با مجموعه مشعل در انتهای شلیک و با اتصال دودکش در انتهای خروجی ارتباط برقرار کند. این اتصالات معمولاً از طریق یک فلنج نصب می‌شوند که با دیواره نسوز یا پانل کوره درگیر می‌شود. طراحی فلنج لوله تابشی بسته به سازنده و سازنده کوره متفاوت است و هندسه انتهای اتصال لوله باید با سیستم نصب کوره موجود مطابقت داشته باشد. هنگام تعویض لوله ها در یک کوره موجود، به دست آوردن نقشه اصلی لوله یا بررسی ابعادی نصب دیواری کوره قبل از سفارش لوله های جایگزین، از عدم تطابق ابعادی پرهزینه ای که برای رفع آنها نیاز به اصلاح کوره دارد، جلوگیری می کند.

حالت های رایج خرابی لوله تابشی و نحوه جلوگیری از انتخاب آنها

درک متداول‌ترین حالت‌های خرابی لوله تابشی - و دلایل ریشه‌ای آن‌ها در خطاهای انتخاب یا برنامه - بینش عملی را در مورد اینکه کدام پارامترهای انتخاب در هر زمینه برنامه بیشترین اهمیت را دارند، ارائه می‌کند.

خزش افتادگی و تغییر شکل

افتادگی خزش - تغییر شکل پیشرونده رو به پایین یک لوله افقی تحت وزن خود در دمای بالا - رایج ترین حالت شکست در لوله های تابشی فلزی است. زمانی اتفاق می افتد که:

• لوله بالاتر از حد دمای توصیه شده ماده عمل می کند و قدرت خزش آن را کمتر از مقدار مورد نیاز برای تحمل وزن خود کاهش می دهد.
• اندازه دیواره لوله برای طول دهانه کم است (قطر خیلی نازک یا خیلی کوچک) که باعث ایجاد تنش خمشی بیش از حد در دمای عملیاتی می شود.
• کربوریزاسیون مواد لوله باعث شکنندگی سطح مقطع شده و باعث خزش سریع در نواحی شکل پذیر باقی مانده شده است.

پیشگیری از انتخاب: ماده ای را با حاشیه ایمنی کافی در تنش گسیختگی خزشی در حداکثر دمای عملیاتی مشخص کنید و بررسی کنید که ابعاد لوله تنش خمشی قابل قبولی را در آن دما ایجاد می کند. داده های خزش منتشر شده برای آلیاژهای مقاوم در برابر حرارت در ASTM A297 و در کتابچه راهنمای ریخته گری آلیاژ مقاوم در برابر حرارت AFS مقادیر تنش گسیختگی خزشی مورد نیاز برای این محاسبه را ارائه کنید.

تردی کربوریزاسیون

کربن‌سازی - جذب کربن از جو کوره به سطح بیرونی لوله - در تمام آلیاژهای آهن-کروم- نیکل تا حدی در کوره‌های جوی کربوره‌کننده رخ می‌دهد. کربوریزاسیون شدید یک لایه سطحی با کربن بالا ایجاد می کند که شکننده است و در طول چرخه حرارتی مستعد ترک خوردن است. با گذشت زمان، لایه کربوره شده به سمت داخل پخش می شود و ضخامت دیواره باربر موثر را کاهش می دهد و باعث از دست دادن تدریجی مقاومت خزشی می شود. پیشگیری از انتخاب: استفاده از گریدهای آلیاژی اصلاح شده با اچ پی یا با نیکل بالا در کوره های اتمسفر کربن دار. از HK40 که مقاومت در برابر کربوریزاسیون عامل اصلی محدود کننده عمر است اجتناب کنید.

اکسیداسیون و پوسته پوسته شدن

اکسیداسیون سریع که منجر به تشکیل رسوب بیش از حد و نازک شدن دیواره می شود، زمانی رخ می دهد که یک آلیاژ لوله بالاتر از حداکثر دمای اکسیداسیون توصیه شده خود استفاده شود، یا زمانی که مقیاس کروم یا آلومینا محافظ توسط چرخه حرارتی، آسیب مکانیکی یا حمله شیمیایی مختل می شود. پوسته پوسته شدن - جدا شدن لایه های اکسید ضخیم در طول خنک شدن - تلفات فلز را تسریع می کند و می تواند زباله های اکسید را وارد جو کوره کند. پیشگیری از انتخاب: تأیید کنید که حداکثر درجه دمای اکسیداسیون پیوسته آلیاژ از دمای دیواره لوله حداقل با یک حاشیه بیشتر است. 50 درجه سانتیگراد .

ترک خوردگی خستگی حرارتی

ترک‌های خستگی حرارتی - که معمولاً در سطح بیرونی ایجاد می‌شوند و به سمت داخل انتشار می‌یابند - ناشی از تنش‌های کششی و فشاری چرخه‌ای ناشی از گرمایش و سرمایش مکرر هستند. آنها در نزدیکی غلظت های تنش هندسی مانند انگشتان جوش، اتصالات U-bend و نقاط اتصال فلنج بسیار شدید هستند. برنامه‌های با دوچرخه‌سواری بالا با چرخه‌های متعدد گرما-خنک کردن در هر شیفت، آسیب خستگی را سریع‌تر از برنامه‌های با دوچرخه کم جمع می‌کنند. پیشگیری از انتخاب: در کاربردهای با چرخه بالا، از آلیاژهای نیکل بالاتر یا لوله های سرامیکی SiC با مقاومت در برابر خستگی حرارتی برتر استفاده کنید. اجتناب از بخش های خمیده ریختگی استاتیک در کار دوچرخه سواری بالا.

سولفیداسیون و خوردگی داغ

حمله سولفیداسیون - که با تشکیل مقیاس سریع با ساختار لایه‌ای سولفید-اکسید و تسریع تلفات فلز مشخص می‌شود - در کوره‌های پردازش قطعات گوگرددار یا استفاده از گاز سوخت حاوی گوگرد رخ می‌دهد. این یکی از سریع ترین و مخرب ترین حالت های شکست برای لوله های تابشی است. لوله ای که در اثر سولفیداسیون از کار می افتد ممکن است از بین برود ضخامت دیواره 2 تا 5 میلی متر در سال در مقایسه با کمتر از 0.5 میلی متر در سال در خدمات فقط اکسیداسیون. پیشگیری از انتخاب: قبل از انتخاب آلیاژ لوله، هر منبع گوگرد را در فرآیند شناسایی کنید و اگر گوگرد در هر غلظت معنی‌داری وجود داشت، آلیاژهای با کروم بالا (بالای 25 درصد وزنی) را مشخص کنید.

چک لیست انتخاب لوله تابشی: یک خلاصه عملی

چک لیست زیر فرآیند انتخاب را در یک توالی ساختاریافته از سؤالات ادغام می کند که باید قبل از نهایی کردن مشخصات لوله تابشی به آنها پاسخ داده شود. هر سوال به پارامترهای انتخابی که در بالا بحث شد پیوند دارد.

1. دمای نقطه تنظیم کوره چقدر است و دمای دیواره لوله در گرمترین منطقه چقدر است؟ برای تخمین دمای دیواره لوله، 100 تا 150 درجه سانتیگراد به نقطه تنظیم کوره اضافه کنید و ماده ای را انتخاب کنید که حداقل 50 درجه سانتیگراد بالاتر از این تخمین باشد.
2. جو کوره در سطح لوله بیرونی چگونه است؟ مشخص کنید که آیا اکسید کننده، کربوره کننده، نیترید کننده، سولفید کننده یا احیا کننده است و سازگاری آلیاژ را با جدول اتمسفر بالا تأیید کنید.
3. فرکانس چرخه حرارتی چیست؟ چرخه‌های چندگانه در هر شیفت به مقاومت در برابر خستگی حرارتی بالاتر نیاز دارد - آلیاژهای اصلاح‌شده با HP یا آلیاژهای نیکل بالا را به جای HK40 برای کارکرد دوچرخه‌ای بالا در دمای 900 درجه سانتی‌گراد مشخص کنید.
4. چه هندسه لوله ای برای پیکربندی کوره مناسب است؟ تأیید کنید که آیا دسترسی کوره اجازه هندسه U-tube، W-tube، مستقیم یا P-tube را می دهد و بررسی کنید که توزیع حرارت هندسه پیشنهادی با نیاز یکنواختی کوره مطابقت دارد.
5. OD لوله، ضخامت دیواره و طول گرم شده چیست؟ بررسی کنید که ابعاد انتخاب شده تنش خمشی قابل قبولی را تحت وزن خود در دمای عملیاتی با استفاده از داده‌های خزش منتشر شده برای آلیاژ پیشنهادی ایجاد می‌کنند.
6. آیا لوله به صورت گریز از مرکز ریخته گری می شود؟ ریخته‌گری گریز از مرکز را برای تمام بخش‌های پای مستقیم تأیید کنید. تأیید کنید که هر بخش خمشی ریختگی استاتیک به عنوان عناصر با دمای پایین‌تر طراحی و مشخص شده است.
7. آیا سرعت شلیک مشعل در محدوده بارگذاری حرارتی لوله است؟ بررسی کنید که شار حرارتی در نرخ پخت پیشنهادی از 60 تا 90 کیلووات بر متر مربع برای لوله های فلزی یا حد توصیه شده سازنده SiC برای لوله های سرامیکی تجاوز نمی کند.
8. آیا ابعاد اتصال انتهای لوله با نصب کوره موجود سازگار است؟ برای جلوگیری از عدم تطابق فلنج، نقشه‌های ابعادی نصب کوره را قبل از سفارش تهیه کنید.
9. طول عمر مورد انتظار چقدر است، و آیا هزینه کل در طول عمر آن یک آلیاژ ممتاز را توجیه می کند؟ هزینه سالانه (هزینه لوله تقسیم بر سالهای سرویس به اضافه کار نصب) را برای هر آلیاژ کاندید محاسبه کنید تا مقرون به صرفه ترین گزینه در چرخه تعمیر و نگهداری کوره را شناسایی کنید.

را لوله تابشی سری های تولید شده توسط Casting Huaye شامل بخش های مستقیم ریخته گری گریز از مرکز، لوله های U، لوله های W، و اجزای خمش ریختگی استاتیک در HK40، گریدهای اصلاح شده با HP و آلیاژهای با نیکل بالا، با پشتیبانی فنی برای انتخاب مواد خاص و هندسه بر اساس دما، جو و داده های چرخه عملکرد کوره است.

هزینه کل مالکیت: چرا ارزان ترین لوله به ندرت گزینه کم هزینه است

تصمیمات انتخاب لوله تابشی که بر اساس هزینه خرید اولیه به تنهایی انجام می شود، به طور مداوم هزینه های کل بالاتری را در طول چرخه تعمیر و نگهداری کوره نسبت به تصمیمات اتخاذ شده در مورد هزینه کل مالکیت (TCO) ایجاد می کند. درک محرک های هزینه در هر سناریو برای ایجاد یک مورد تجاری برای انتخاب آلیاژ ممتاز در زمانی که فشار هزینه اولیه بالا است ضروری است.

را Cost Components of Radiant Tube Ownership

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

• هزینه خرید اولیه لوله - قابل مشاهده ترین هزینه اما اغلب کوچکترین جزء در طول عمر چند ساله
• کار نصب - تعویض مجموعه ای از لوله های تابشی در یک کوره عملیات حرارتی معمولاً نیاز دارد 8 تا 24 ساعت کار تعمیر و نگهداری در هر کوره از جمله خنک شدن کوره، برداشتن لوله، نصب لوله جدید و بازگشت به دمای عملیاتی
• هزینه خرابی کوره - ارزش تولید از دست رفته در طول هر رویداد تعویض لوله؛ برای یک خط عملیات حرارتی با بهره وری بالا، هزینه خرابی کوره ممکن است برسد 5000 تا 50000 دلار در روز بسته به ارزش قطعات در حال پردازش
• فرکانس تعویض - لوله ای که 5 سال دوام می آورد در مقابل لوله ای که 2 سال دوام می آورد، به 2.5 برابر موارد تعویض در یک دوره 10 ساله نیاز دارد، که بر این اساس تمام اجزای هزینه فوق را ضرب می کند.
• آسیب نسوز در حین تعویض - اگر یک لوله خراب باعث ورود گاز داغ به محفظه کوره شود، آسیب به پوشش کوره و نسوز منطقه گرمایش ممکن است نیاز به تعمیر داشته باشد که هزینه قابل توجهی و زمان خرابی اضافی فراتر از تعویض خود لوله می‌افزاید.

یک مثال عملی

یک کوره کربورسازی دسته ای را در نظر بگیرید که در دمای 940 درجه سانتیگراد با 20 لوله تابشی نوع U کار می کند. لوله های HK40 2 سال عمر مفید را در فضای کربوری ارائه می دهند. لوله های اصلاح شده با HP 5 سال را ارائه می دهند. اگر هزینه لوله های HK40 60 درصد هزینه لوله اصلاح شده توسط HP برای هر مجموعه باشد و هر تعویض لوله به 16 ساعت کار تعمیر و نگهداری به اضافه 2 روز توقف کوره با ارزش تولید 15000 دلار در روز نیاز دارد:

• HK40 طی 10 سال: 5 رویداد تعویض x (هزینه کار لوله 30000 دلار خرابی) = کل بالا
• اصلاح شده توسط HP در طی 10 سال: 2 رویداد تعویض x (هزینه کار لوله 30000 دلار خرابی) = مجموع به طور قابل توجهی کمتر علیرغم هزینه بالای هر مجموعه لوله

در اکثر سناریوهای عملیات حرارتی صنعتی، کل هزینه محاسبه مالکیت به نفع است انتخاب مواد لوله با بالاترین کارایی که از نظر فنی مناسب است برای شرایط عملیاتی، به جای گزینه کم‌هزینه، زیرا زمان خرابی و هزینه کار در رویدادهای جایگزین اضافی بسیار بیشتر از حق بیمه اولیه یک ماده با عمر طولانی‌تر است.