Tại sao thiết bị xử lý nhiệt bị biến dạng ở nhiệt độ cao: Nguyên nhân và giải pháp

Biến dạng là một trong những vấn đề thường gặp nhất với thiết bị xử lý nhiệt dùng trong lò công nghiệp.
Sau các chu kỳ lò lặp đi lặp lại, giỏ, khay, giá đỡ và các cấu trúc hỗ trợ có thể dần dần phát triển:

• Chảy xệ
  
• uốn
  
• Cong vênh
  
• xoắn
  
• Mất độ phẳng
  
• Điểm xếp chồng không thẳng hàng
  

Trong trường hợp nặng, biến dạng

Điều này có thể ảnh hưởng không chỉ đến bản thân vật cố định mà còn ảnh hưởng đến quá trình xử lý nhiệt.
Hậu quả có thể xảy ra bao gồm:

• Định vị phôi không chính xác
  
• Tải không đồng đều
  
• Giảm công suất lò
  
• Khó khăn khi xếp đồ đạc
  
• Tăng nguy cơ biến dạng phôi
  
• Tuổi thọ của thiết bị cố định ngắn hơn
  

Biến dạng ở nhiệt độ cao hiếm khi chỉ do một yếu tố gây ra.
Trong hầu hết các ứng dụng, nó là kết quả của sự kết hợp giữa nhiệt độ, tải trọng, vật liệu, thiết kế kết cấu, chu trình nhiệt và thực hành vận hành.
Hiểu được những yếu tố này là bước đầu tiên để cải thiện độ tin cậy của thiết bị.
FH® Alloy sản xuất các giỏ, khay, giá đỡ và thiết bị cố định lò nhiệt độ cao tùy chỉnh theo bản vẽ của khách hàng và điều kiện sử dụng thực tế.

Biến dạng vật cố xử lý nhiệt là gì?
Biến dạng của vật cố định đề cập đến sự thay đổi vĩnh viễn về hình dạng ban đầu của vật cố định xử lý nhiệt trong quá trình sử dụng.

Ví dụ, một chiếc khay ban đầu phẳng có thể dần dần bị võng ở giữa.

Một giỏ có thể phát triển:

• Tường bên cong
  
• Góc méo
  
• Bề mặt đáy không bằng phẳng
  

Một giá đỡ có thể gặp phải:

• Giá đỡ dọc uốn cong
  
• Mức độ sai lệch
  
• Mất ổn định cấu trúc
  

Điểm quan trọng là những thay đổi này thường là vĩnh viễn.
Khi vật cố nguội đi, nó có thể không trở lại kích thước ban đầu.
Điều này khác với sự giãn nở nhiệt thông thường, xảy ra tạm thời khi vật liệu bị nung nóng.

1. Độ dãn ở nhiệt độ cao là nguyên nhân chính gây biến dạng
Một trong những cơ chế quan trọng nhất đằng sau sự biến dạng của vật cố định lò là hiện tượng rão.
Từ biến là sự biến dạng chậm, vĩnh viễn của vật liệu khi nó chịu ứng suất trong thời gian dài ở nhiệt độ cao.
Đối với các thiết bị xử lý nhiệt, ứng suất có thể đến từ:

• Trọng lượng phôi
  
• Trọng lượng bản thân vật cố định
  
• Tải xếp chồng lên nhau
  
• Tải không đồng đều
  

Ngay cả khi vật cố định không vượt quá độ bền ở nhiệt độ phòng, việc tiếp xúc kéo dài ở nhiệt độ cao có thể dần dần thay đổi hình dạng của nó.
Các vấn đề liên quan đến leo điển hình bao gồm:

• Khay bị võng
  
• Thành viên chéo uốn cong
  
• Biến dạng đáy giỏ
  
• Biến dạng cột giá
  

Đây là lý do tại sao không thể chỉ sử dụng độ bền cơ học ở nhiệt độ phòng để đánh giá liệu vật liệu có phù hợp với các thiết bị lò nung hay không.

2. Tải quá mức làm tăng tốc độ biến dạng của thiết bị
Mỗi vật cố định phải được thiết kế xung quanh một tải xác định.
Nếu tải sản xuất thực tế vượt quá điều kiện thiết kế thì biến dạng có thể xảy ra nhanh hơn nhiều.
Các tình huống quá tải thường gặp bao gồm:

• Thêm nhiều bộ phận hơn để tăng công suất lô
  
• Xếp chồng nhiều lớp cố định hơn thiết kế ban đầu
  
• Sử dụng cùng một thiết bị cố định cho các bộ phận nặng hơn
  
• Tập trung các bộ phận vào một khu vực
  

Ví dụ, một giỏ được thiết kế cho tải trọng phân bố có thể hoạt động rất khác nếu hầu hết các phôi được đặt ở giữa.
Ở nhiệt độ cao, tải trọng cục bộ này có thể làm tăng đáng kể độ võng.

Thực hành được đề xuất
Đội ngũ sản xuất cần xác định rõ ràng:

• Tải phôi tối đa
  
• Tổng trọng lượng tải tối đa
  
• Phân phối tải khuyến nghị
  
• Chiều cao xếp chồng tối đa
  

Sau đó, thiết bị cố định sẽ được sử dụng trong các giới hạn này.

3. Phân phối tải kém tạo ra căng thẳng cục bộ
Hai thiết bị có cùng trọng lượng có thể có tuổi thọ sử dụng rất khác nhau.
Sự khác biệt thường nằm ở nơi áp dụng trọng lượng.
Nếu tải trọng tập trung trên một diện tích nhỏ, một số bộ phận kết cấu nhất định có thể chịu nhiều ứng suất hơn các bộ phận khác.

Các vị trí có áp lực cao điển hình bao gồm:

• Giữa các khay lớn
  
• Đáy giỏ không được hỗ trợ
  
• Góc
  
• Thành viên chéo dài
  
• Điểm tiếp xúc nhỏ
  

Những khu vực này có thể bị biến dạng đầu tiên.
Một thiết kế hiệu quả hơn sẽ phân phối tải thông qua:

• Nhiều thành viên hỗ trợ
  
• Đường dẫn tải được gia cố
  
• Khoảng cách hỗ trợ chính xác
  
• Xương sườn được đặt đúng vị trí
  

Thiết kế đồ gá tốt phải phù hợp với kiểu gia cố với kiểu tải phôi thực tế.

4. Lựa chọn vật liệu không chính xác có thể rút ngắn tuổi thọ của đèn
Lớp vật liệu có ảnh hưởng lớn đến biến dạng nhiệt độ cao.
Hợp kim có thể cung cấp độ bền tuyệt vời ở nhiệt độ phòng nhưng mất khả năng chịu tải đáng kể khi tiếp xúc với nhiệt độ lò.

Lựa chọn vật liệu cố định nên xem xét:

• Nhiệt độ hoạt động thực tế
  
• thời gian nắm giữ
  
• Không khí lò
  
• Tải phôi
  
• Tần số chu kỳ nhiệt
  
• Tuổi thọ sử dụng cần thiết
  

Các vật liệu chịu nhiệt phổ biến được sử dụng cho các thiết bị lò nung có thể bao gồm:

• 310S
  
• 1.4848
  
• 1.4849
  
• 1.4852
  
• Hợp kim đúc chịu nhiệt khác
  
• Hợp kim gốc niken cho các điều kiện khắc nghiệt hơn
  

Tuy nhiên, không có một loại vật liệu nào là tốt nhất cho mọi ứng dụng.
Sự lựa chọn chính xác phụ thuộc vào điều kiện hoạt động thực tế.

5. Sử dụng loại hợp kim cao hơn không tự động giải quyết được biến dạng
Khi một vật cố định hiện có biến dạng quá nhanh, một phản ứng phổ biến là:
“Sử dụng hợp kim đắt tiền hơn.”
Đôi khi điều này hoạt động.
Đôi khi nó không.

Nếu vấn đề thực sự là:

• Khoảng cách quá mức giữa các hỗ trợ
  
• Gia cố kém
  
• Tải không chính xác
  
• Xếp chồng không đúng cách
  
• Hạn chế giãn nở nhiệt
  

chỉ thay đổi vật liệu có thể không giải quyết được vấn đề.
Một cách tiếp cận tốt hơn là đánh giá:
Điều kiện lò tải thiết kế vật liệu
cùng nhau.
Điều này đặc biệt quan trọng khi thay thế một vật cố định hiện có.
Chỉ cần sao chép bản vẽ cũ bằng hợp kim cao cấp hơn có thể tạo ra điểm yếu về cấu trúc tương tự.

6. Nhịp dài không được hỗ trợ có thể gây ra hiện tượng võng
Giỏ và khay lớn thường chứa các thành phần cấu trúc dài.
Ở nhiệt độ cao, các phần dài không được hỗ trợ sẽ dễ bị võng hơn khi chịu tải.

Vấn đề trở nên nghiêm trọng hơn khi:

• Kích thước vật cố lớn
  
• Tải trọng tập trung ở trung tâm
  
• thời gian nắm giữ is long
  
• Nhiệt độ hoạt động cao
  

Những cải tiến thiết kế có thể có bao gồm:

• Giảm khoảng cách hỗ trợ
  
• Thêm hỗ trợ trung gian
  
• Tăng độ sâu phần
  
• Sử dụng sườn gia cố
  
• Phân phối lại đường dẫn tải
  

Mục tiêu không nhất thiết là thêm tài liệu vào mọi nơi.
Mục tiêu là củng cố các lĩnh vực có nhu cầu cơ cấu cao nhất.

7. Gia cố đáy không đủ có thể làm biến dạng giỏ
Đáy giỏ xử lý nhiệt thường chịu phần lớn tải trọng của phôi.

Nếu giỏ sử dụng kết cấu dạng lưới mở thì người thiết kế phải cân đối:

• Khu vực mở
  
• tuần hoàn nhiệt
  
• Trọng lượng cố định
  
• Sức mạnh kết cấu
  

Quá nhiều diện tích mở có thể làm giảm khả năng hỗ trợ.
Diện tích mở quá ít có thể khiến giỏ nặng không cần thiết và có thể ảnh hưởng đến quá trình truyền nhiệt.

Các mẫu biến dạng phổ biến bao gồm:

• Độ võng trung tâm
  
• Thành viên lưới Bent
  
• Khung chu vi bị biến dạng
  

Do đó, cấu trúc đáy được thiết kế phù hợp là rất quan trọng đối với các giỏ xử lý nhiệt hạng nặng.

8. Khay xử lý nhiệt có thể mất độ phẳng
Độ phẳng của khay đặc biệt quan trọng khi phôi cần được định vị có kiểm soát.

Chu kỳ nhiệt lặp đi lặp lại có thể khiến khay:

• võng
  
• xoắn
  
• Cung
  
• Phát triển các bề mặt hỗ trợ không đồng đều
  

Khi độ phẳng bị mất, các bộ phận có thể không còn ở đúng vị trí như dự định nữa.

Điều này có thể ảnh hưởng đến:

• Đang tải tính nhất quán
  
• Độ lặp lại xử lý nhiệt
  
• Xếp chồng vật cố
  

Do đó, việc gia cố khay phải được thiết kế xung quanh:

• Đang tải vị trí
  
• Điểm hỗ trợ
  
• kích thước tổng thể
  
• Độ bền nhiệt độ cao
  

9. Thiết kế cố định có thể xếp chồng lên nhau có thể tạo thêm biến dạng
Các giỏ và khay có thể xếp chồng lên nhau giúp cải thiện việc sử dụng lò nhưng chúng cũng chuyển tải từ lớp này sang lớp khác.
Nếu các điểm xếp chồng được thiết kế kém, tải có thể tập trung ở những khu vực hạn chế.

Các vấn đề có thể xảy ra bao gồm:

• Điểm định vị bị nghiền nát
  
• góc cong
  
• Sai lệch
  
• Tải dọc không đồng đều
  

Một thiết kế có thể xếp chồng tốt sẽ cung cấp:

• Truyền tải có thể dự đoán được
  
• Tính năng định vị ổn định
  
• Diện tích tiếp xúc vừa đủ
  
• Căn chỉnh theo chiều dọc nhất quán
  

Khi một số đồ đạc đã tải được xếp chồng lên nhau, lớp dưới cùng phải chịu được tổng trọng lượng lớn hơn đáng kể.
Điều này phải được xem xét trong quá trình thiết kế.

10. Đạp xe nhiệt lặp đi lặp lại có thể thay đổi hình dạng cố định
Các thiết bị liên tục giãn nở trong quá trình làm nóng và co lại trong quá trình làm mát.

Trải qua hàng trăm chu kỳ, chuyển động lặp đi lặp lại này có thể dẫn đến:

• Mệt mỏi do nhiệt
  
• Biến dạng vĩnh viễn
  
• vết nứt
  
• Hư hỏng mối hàn
  

Chu kỳ nhiệt trở nên nghiêm trọng hơn khi có:

• Tốc độ gia nhiệt nhanh
  
• Làm mát nhanh
  
• Thay đổi nhiệt độ lớn
  
• Độ dày phần khác nhau
  
• Mở rộng hạn chế
  

Các thiết bị cố định lớn đặc biệt nhạy cảm vì những thay đổi về kích thước có thể trở nên đáng kể theo chiều dài kết cấu dài.

11. Dung sai giãn nở nhiệt không đủ có thể gây cong vênh
Nếu cấu trúc vật cố định quá cứng, các bộ phận của nó có thể không thể giãn nở tự do trong quá trình gia nhiệt.
Điều này có thể tạo ra căng thẳng nội bộ.

Ví dụ bao gồm:

• Các cấu kiện dài được hàn chắc chắn ở cả hai đầu
  
• Cấu trúc định vị chặt chẽ
  
• Khoảng trống lắp ráp không đủ
  
• Hệ thống hỗ trợ quá hạn chế
  

Các kết quả có thể xảy ra bao gồm:

• Cunging
  
• xoắn
  
• vết nứt mối hàn
  
• Sai lệch
  

Do đó, thiết kế cố định nên phân biệt giữa các khu vực yêu cầu định vị cố định và các khu vực có thể cho phép chuyển động có kiểm soát.

12. Cấu trúc hàn có thể biến dạng xung quanh các khu vực chung
Đối với các thiết bị cố định lò nung được chế tạo sẵn, các mối hàn có thể trở thành những vị trí quan trọng.

Những lý do có thể bao gồm:

• Ứng suất dư do hàn
  
• Vùng ảnh hưởng nhiệt
  
• Độ dày phần khác nhau
  
• Nồng độ ứng suất
  
• Chu kỳ nhiệt lặp đi lặp lại
  

Các mẫu lỗi phổ biến bao gồm:

• vết nứt near weld toes
  
• Cong vênh cục bộ
  
• Biến dạng khớp
  

Cải thiện hiệu suất hàn có thể bao gồm:

• Thiết kế khớp tốt hơn
  
• Quy trình hàn đúng
  
• Vật liệu độn phù hợp
  
• Trình tự hàn được cải thiện
  
• Giảm các mối hàn không cần thiết
  

Tuy nhiên, chất lượng hàn không thể bù đắp cho thiết kế kết cấu yếu về cơ bản.

13. Xử lý không đúng cách cũng có thể gây biến dạng thiết bị
Không phải tất cả các biến dạng của vật cố định đều xảy ra bên trong lò.

Đồ đạc nặng cũng có thể bị hư hỏng trong:

• Cần cẩu nâng
  
• Xử lý xe nâng
  
• Đang tải
  
• Đang dỡ hàng
  
• Vận chuyển xưởng
  

Ví dụ, việc nâng một vật cố định có tải dài chỉ từ hai điểm ở vị trí kém có thể gây ra hiện tượng uốn cong.
Do đó, các yêu cầu xử lý cần được xem xét trong giai đoạn thiết kế.

Các tính năng có thể bao gồm:

• Điểm nâng chuyên dụng
  
• Khu vực nâng gia cố
  
• Túi đựng nĩa
  
• Cấu trúc nâng cân bằng
  

14. Loại lò ảnh hưởng đến rủi ro biến dạng
Các hệ thống lò khác nhau tạo ra các điều kiện tải và nhiệt khác nhau.

Thiết bị lò chân không
Những cân nhắc quan trọng bao gồm:

• Truyền nhiệt bức xạ
  
• Độ ổn định kích thước
• Khối lượng cố định
  
• Phương pháp làm mát
  
• Sạch sẽ
  

Thiết bị lò nung
Những mối quan tâm chung bao gồm:

• Cấu trúc dọc dài
  
• Nâng tải
  
• Căn dọc
  
• Tổng trọng lượng vật cố định cao
  

Thiết bị lò nung con lăn
Các yếu tố bổ sung bao gồm:

• Điểm tiếp xúc con lăn
  
• Độ phẳng đáy
  
• Di chuyển qua lò
  
• Tải động
  

Thiết bị lò nung cacbon
Tuổi thọ của thiết bị có thể bị ảnh hưởng bởi cả hai:

• Tải nhiệt độ cao
  
• Không khí lò
  

Do đó, các yêu cầu về vật liệu và kết cấu cần được đánh giá cụ thể cho quá trình cacbon hóa.

Dấu hiệu điển hình cho thấy thiết bị bắt đầu hỏng
Lý tưởng nhất là các vấn đề về thiết bị cố định nên được xác định trước khi xảy ra lỗi hoàn toàn.
Người vận hành nên theo dõi:

• Tăng độ võng của khay
  
• Tường rổ không còn vuông nữa
  
• Khó xếp chồng
  
• Điểm định vị bị sai lệch
  
• Vết nứt xung quanh mối hàn
  
• Điểm nâng cong
  
• Tiếp xúc không đều với con lăn lò
  
• Phôi di chuyển khỏi vị trí dự kiến
  

Kiểm tra thường xuyên có thể giúp xác định biến dạng tiến triển.

Làm thế nào để giảm sự biến dạng của thiết bị xử lý nhiệt
Không có giải pháp chung, nhưng một số biện pháp có thể cải thiện đáng kể hiệu suất.

1. Làm cho Vật liệu phù hợp với Điều kiện Dịch vụ Thực tế
Đánh giá:

• Nhiệt độ
  
• Bầu không khí
  
• Tải
  
• thời gian nắm giữ
  
• Chu kỳ nhiệt
  

2. Tối ưu hóa phân phối tải
Tránh tải trọng tập trung quá mức và đảm bảo các bộ phận kết cấu mang trọng lượng hiệu quả.

3. Giảm các nhịp dài không được hỗ trợ
Sử dụng thích hợp:

• Gia cố xương sườn
  
• Hỗ trợ trung gian
  
• Thành viên chéo
  

4. Cho phép giãn nở nhiệt
Tránh những hạn chế về cấu trúc không cần thiết.

5. Kiểm soát tải tối đa
Không vận hành thiết bị liên tục trên mức tải thiết kế của nó.

6. Tối ưu hóa trọng lượng của thiết bị
Tránh cả hai:

• Cấu hình quá yếu
  
• Cấu trúc nặng nề không cần thiết
  

7. Cải thiện phương pháp xử lý
Sử dụng các điểm nâng và hệ thống xử lý được thiết kế cho vật cố định có tải.

Làm thế nào có thể kéo dài tuổi thọ của thiết bị xử lý nhiệt?
Việc kéo dài tuổi thọ sử dụng thường đòi hỏi sự kết hợp của:
Thiết kế tối ưu hóa vật liệu chính xác, vận hành kiểm soát tải thích hợp

Một quá trình cải tiến thực tế có thể bao gồm:

1. Kiểm tra vật cố định bị lỗi hiện có.
   
2. Xác định vị trí biến dạng chính.
   
3. Xem lại nhiệt độ hoạt động.
   
4. Xác nhận tải phôi thực tế.
5. Kiểm tra lớp vật liệu.
   
6. Xem lại bầu không khí lò.
   
7. Đánh giá khoảng cách hỗ trợ
   
8. Phân tích phương pháp xử lý
   
9. Sửa đổi cấu trúc hoặc vật liệu khi cần thiết.
   

Điều này thường hiệu quả hơn là chỉ sao chép một vật cố định hiện có.

Thông tin cần cung cấp khi thiết bị bị biến dạng
Nếu thiết bị xử lý nhiệt hiện có có thời gian sử dụng ngắn, việc cung cấp thông tin vận hành chi tiết có thể giúp xác định nguyên nhân.
Thông tin được đề xuất bao gồm:

Hình ảnh của vật cố định bị biến dạng thực tế đặc biệt hữu ích.
Họ có thể giúp xác định xem vấn đề chính có phải là:

• Chất liệu
  
• Cấu trúc
  
• Đang tải
  
• Xử lý
  
• Hoặc sự kết hợp của các yếu tố
  

Giải pháp thiết bị xử lý nhiệt tùy chỉnh bằng hợp kim FH®
FH® Alloy sản xuất các thiết bị xử lý nhiệt tùy chỉnh cho các ứng dụng lò nhiệt độ cao.
Sản phẩm bao gồm:

• Giỏ xử lý nhiệt
  
• khay lò
  
• Giá đỡ xử lý nhiệt
  
• Đồ đạc có thể xếp chồng lên nhau
  
• Thiết bị lò chân không
  
• Thiết bị lò nung
  
• Cấu trúc tải tùy chỉnh
  

Đồ đạc có thể được sản xuất theo:

• Bản vẽ của khách hàng
  
• Mẫu hiện có
  
• Kích thước lò
  
• Hình học phôi
  
• Đang tải requirements
  
• Chất liệu specifications
  

Đối với các dự án thay thế, FH® Alloy cũng có thể đánh giá thông tin biến dạng hoặc lỗi hiện có trước khi sản xuất đồ gá mới.

Câu hỏi thường gặp
Câu hỏi 1: Tại sao giỏ xử lý nhiệt của tôi bị võng ở giữa?
Các nguyên nhân phổ biến bao gồm tải tập trung, nhịp dài không được hỗ trợ, độ bền nhiệt độ cao không đủ hoặc biến dạng từ biến.

Câu hỏi 2: Việc thay đổi sang hợp kim tốt hơn có thể ngăn chặn sự biến dạng của vật cố định không?
Nó có thể hữu ích, nhưng vật chất chỉ là một yếu tố. Thiết kế kết cấu, phân bổ tải trọng, nhiệt độ vận hành và độ giãn nở nhiệt cũng cần được đánh giá.

Câu hỏi 3: Tại sao vật cố định biến dạng sau nhiều chu kỳ thay vì ngay lập tức?
Biến dạng tiến triển thường liên quan đến hiện tượng rão ở nhiệt độ cao và chu kỳ nhiệt lặp đi lặp lại.

Câu hỏi 4: Việc tăng độ dày của vật cố định có luôn ngăn ngừa cong vênh không?
Không. Độ dày bổ sung có thể làm tăng độ cứng, nhưng đường dẫn tải kém, nhịp dài hoặc giãn nở nhiệt hạn chế vẫn có thể gây biến dạng.

Câu 5: Có thể cải thiện thiết kế vật cố định bị biến dạng không?
Đúng. Các bản vẽ hiện có, thông tin tải thực tế, điều kiện lò, tuổi thọ sử dụng và ảnh lỗi có thể được sử dụng để đánh giá các cải tiến tiềm năng.

Câu hỏi 6: Tôi nên cung cấp thông tin gì cho thiết bị xử lý nhiệt thay thế?
Cung cấp kích thước, bản vẽ, vật liệu, nhiệt độ, môi trường lò, thông tin phôi, tổng tải, điều kiện chu trình và ảnh của vật cố định bị hỏng nếu có.

Kết luận
Biến dạng ở nhiệt độ cao là một trong những yếu tố quan trọng nhất hạn chế tuổi thọ của thiết bị xử lý nhiệt.

Các nguyên nhân phổ biến bao gồm:

• Nhiệt độ cao leo
  
• Tải quá mức
  
• Phân phối tải kém
  
• Lựa chọn vật liệu không chính xác
  
• nhịp dài không được hỗ trợ
  
• Hạn chế giãn nở nhiệt
  
• Chu kỳ nhiệt lặp đi lặp lại
  
• Xử lý không đúng cách
  

Giải pháp hiệu quả nhất thường không phải là nâng cấp vật liệu đơn lẻ.

Hiệu suất cố định đáng tin cậy đòi hỏi sự kết hợp chính xác của:
lựa chọn vật liệu thiết kế kết cấu điều kiện vận hành lò điều khiển tải

FH® Alloy cung cấp các thiết bị xử lý nhiệt tùy chỉnh cho lò công nghiệp dựa trên bản vẽ của khách hàng và yêu cầu dịch vụ thực tế.
Đối với các thiết bị cố định hiện có bị võng, uốn cong, nứt hoặc tuổi thọ sử dụng ngắn, hãy cung cấp bản vẽ, vật liệu, loại lò, nhiệt độ vận hành, trọng lượng tải, lịch sử dịch vụ và hình ảnh lỗi để đánh giá kỹ thuật.