Почему лотки, подвергшиеся термообработке, деформируются или трескаются?

Неравномерное термическое циклирование: основная причина коробления и растрескивания

Термопара управления печью может подтвердить целевую среднюю температуру, однако внутри камеры все еще могут существовать значительные температурные градиенты поперек, сверху вниз и спереди назад. Поскольку лоток неоднократно нагревается и охлаждается под действием этих градиентов, разные зоны расширяются и сжимаются с разной скоростью, создавая совокупное тепловое напряжение.

В печах непрерывной термообработки температура поверхности печных валков может колебаться от примерно 200°C до более 900°C всего за несколько минут. Поддоны для термообработки подвергаются даже большему количеству циклов загрузки и разгрузки в день, чем обычные печные ролики, поэтому накопленный тепловой удар значителен. Как только локализованное напряжение превышает предел текучести материала, лоток начинает прогибаться, скручиваться или деформироваться. Если напряжение продолжает концентрироваться без облегчения, наступает перелом.

Недостатки структурного проектирования: тепловое расширение, которому некуда деваться

Когда лоток нагревается от комнатной температуры до 1000°C, линейное расширение может достигать 10–15 мм на метр длины. Если в конструкции не предусмотрены компенсационные зазоры или гибкие соединительные конструкции, тепловое расширение не имеет пути выхода — напряжение накапливается непосредственно в сварных соединениях и в конечном итоге приводит к растрескиванию.

Толщина стенок не менее важна. Толщина стенки основного лотка обычно составляет от 8 до 20 мм. Слишком тонкие стены теряют прочность и быстро окисляются; Слишком толстые стены увеличивают тепловую массу, продлевают циклы нагрева и усиливают термическую нагрузку. Эмпирические данные показывают, что при увеличении толщины стенки на каждые 2 мм вес лотка увеличивается примерно на 15 %, а срок ползучести при высоких температурах увеличивается всего лишь примерно на 5 %. Поэтому оптимизация баланса между структурной прочностью и термической эффективностью имеет важное значение.

При расположении ребер сотовая структура увеличивает жесткость лотка более чем на 40 % по сравнению с обычными радиальными ребрами, одновременно уменьшая вес и улучшая циркуляцию печных газов, сохраняя однородность температуры заготовки в пределах ±5°C. Твердость нижней направляющей должна быть на 30–50 HBW ниже, чем у печных роликов, чтобы предотвратить повреждение дорогостоящих поверхностей роликов.

Неправильный выбор материала: характеристики при высоких температурах быстро ухудшаются

Обычные лотки из углеродистой стали быстро теряют прочность и стойкость к окислению при температуре выше 900°C. Отливки из жаропрочных легированных сталей, таких как марки 1.4848, 1.4849, 2.4879 и SCH13, обычно содержат от 10% до 30% хрома с добавками никеля и молибдена, образуя стабильную аустенитную или аустенитно-ферритную микроструктуру. Это позволяет лоткам надежно работать при температуре от 900°C до 1150°C, обеспечивая срок службы в три-пять раз дольше, чем у обычных лотков из углеродистой стали.

Хром образует на поверхности плотную оксидную пленку Cr₂O₃, которая блокирует дальнейшую диффузию кислорода, замедляя как высокотемпературное окисление, так и начало термического усталостного растрескивания. Кроме того, отливки, которые не прошли нормализацию и отпуск для снятия остаточного напряжения в процессе литья, начнут трескаться гораздо раньше, поскольку эксплуатационные термические напряжения накапливаются поверх уже существовавших остаточных напряжений.

Ошибки при эксплуатации и техническом обслуживании: скрытые причины отказов

Даже при правильном выборе материала и продуманной конструкции конструкция неправильная эксплуатационная практика может значительно сократить срок службы лотка. К наиболее распространенным недостаткам управления на местах относятся:

• 01 Загрузка одного лотка выше 85 % от его номинальной проектной мощности создает локализованные концентрации напряжений, вызывающие раннюю деформацию.
• 02 Работа при фактической температуре менее чем на 50°C ниже максимальной номинальной рабочей температуры материала, что не оставляет запаса прочности на случай случайного перегрева.
• 03 Несоосные передаточные механизмы — толкающие стержни, толкающие головки, манипуляторные головки — которые создают постоянную боковую силу, со временем ускоряя износ и деформацию.
• 04 Пропуск комплексных проверок размеров каждые 500 циклов печи; продолжение использования, когда деформация критического размера уже превысила 3 ​​мм.
• 05 Неравномерное закалочное охлаждение, создающее резкий температурный градиент между заготовками и лотком, вызывающий внезапный тепловой удар.

Как определить, нуждается ли лоток в замене

Проверка лотков должна быть сосредоточена на трех измерениях: плоскостности, прямоугольности и общей пропорциональной целостности. Подносы должны оставаться плоскими и ровными как по ширине, так и по длине. Провисание, изгиб, деформация или скручивание мешают плавному перемещению материала внутри печи и могут вызвать неожиданную остановку оборудования.

Прямоугольность лучше всего проверять столярным угольником, приложенным к каждому из четырех углов. Любое нестандартное состояние может вызвать проблемы с отслеживанием в системе транспортировки печи, вызывая каскад вторичных отказов. Лотки со значительными выпуклостями или большими изломами, выходящими за пределы первоначальных допусков на размеры, следует немедленно выводить из эксплуатации, а не ремонтировать и использовать повторно.

Включение проверок лотков в плановые летние или зимние остановки для технического обслуживания печей является практическим способом институционализировать этот процесс и выявлять проблемы до того, как они перерастут в дорогостоящие остановки производства.

Основные стратегии продления срока службы лотков

На уровне материала использование отливок из жаростойких сплавов, которые уже прошли нормализацию и отпуск, устраняет остаточное литейное напряжение еще до того, как лоток вступит в эксплуатацию. На структурном уровне обеспечение компенсации теплового расширения в конструкции — посредством сотовых ребер, гибких соединений и достаточных компенсационных зазоров — распределяет напряжение, а не концентрирует его. На уровне процесса постепенный нагрев и охлаждение уменьшают тепловой шок; закалка в масле создает значительно меньшую термическую нагрузку, чем закалка в воде, а закалка на воздухе подходит для применений, где контроль деформации имеет большее значение, чем максимальная твердость.