Жоғары температуралы ортадағы роликті тізбектерге арналған материалды таңдау

Жоғары температуралы ортадағы роликті тізбектерге арналған материалды таңдау

Металлургиялық термиялық өңдеу, тамақ пісіру және мұнай химиясы сияқты өнеркәсіптік ортада,роликті тізбектер, негізгі беріліс компоненттері ретінде, көбінесе 150°C-тан асатын ортада үздіксіз жұмыс істейді. Төтенше температура дәстүрлі тізбектердің жұмсаруына, тотығуына, коррозияға ұшырауына және майланбауына әкелуі мүмкін. Өнеркәсіптік деректер дұрыс таңдалмаған роликті тізбектердің қызмет ету мерзімі жоғары температура жағдайында 50%-дан астамға қысқаруы мүмкін екенін көрсетеді, тіпті жабдықтың істен шығуына әкеледі. Бұл мақалада жоғары температуралы ортадағы роликті тізбектердің өнімділік талаптарына назар аударылады, өнеркәсіп мамандарына беріліс жүйелерін тұрақты жаңартуға көмектесу үшін әртүрлі негізгі материалдардың сипаттамалары мен таңдау логикасы жүйелі түрде талданады.

I. Роликті тізбектерге жоғары температуралы ортаның негізгі қиындықтары

Жоғары температуралы ортадан туындайтын роликті тізбектердің зақымдануы көп өлшемді. Негізгі қиындықтар екі аспектіде жатыр: материалдың өнімділігінің төмендеуі және құрылымдық тұрақтылықтың төмендеуі. Бұл сондай-ақ материалды таңдау кезінде жеңуге тура келетін техникалық кедергілер:

- Материалдың механикалық қасиеттерінің нашарлауы: Кәдімгі көміртекті болат 300℃ жоғары температурада айтарлықтай жұмсарады, созылу беріктігі 30%-50%-ға төмендейді, бұл тізбек пластинасының сынуына, түйреуіштің деформациясына және басқа да ақауларға әкеледі. Екінші жағынан, төмен легирленген болат жоғары температурада түйіршікаралық тотығу салдарынан тозуды одан әрі жеделдетеді, бұл тізбектің ұзаруының рұқсат етілген шектен асып кетуіне әкеледі.

- Тотығу мен коррозияның жоғарылауы: Жоғары температуралы ортада оттегі, су буы және өнеркәсіптік орта (мысалы, қышқыл газдар мен майлар) тізбек бетінің коррозиясын жеделдетеді. Пайда болған оксидті қабыршақ топсаның бітелуіне әкелуі мүмкін, ал коррозия өнімдері майлауды азайтады.

- Майлау жүйесінің істен шығуы: Кәдімгі минералды майлау майы 120℃ жоғары температурада буланып, көміртектенеді, бұл өзінің майлау әсерін жоғалтады. Бұл роликтер мен түйреуіштер арасындағы үйкеліс коэффициентінің күрт артуына әкеліп соғады, бұл тозу жылдамдығын 4-6 есеге арттырады.

- Термиялық кеңеюді сәйкестендіру сынағы: Егер тізбек компоненттерінің (тізбек пластиналары, түйреуіштер, роликтер) термиялық кеңею коэффициенттері айтарлықтай ерекшеленсе, температура циклі кезінде саңылаулар кеңеюі немесе тізбек ілініп қалуы мүмкін, бұл беріліс дәлдігіне әсер етеді.

II. Жоғары температуралы роликті тізбектердің негізгі материал түрлері және өнімділігін талдау

Жоғары температуралы жұмыс жағдайларының ерекше сипаттамаларына байланысты негізгі роликті тізбек материалдары үш негізгі жүйені құрады: тот баспайтын болат, ыстыққа төзімді болат және никель негізіндегі қорытпалар. Әрбір материалдың жоғары температураға төзімділігі, беріктігі және коррозияға төзімділігі тұрғысынан өзіндік артықшылықтары бар, бұл нақты жұмыс жағдайларына негізделген дәл сәйкестендіруді қажет етеді.

1. Тот баспайтын болат сериясы: орташа және жоғары температуралы жұмыс жағдайлары үшін тиімді таңдау

Тот баспайтын болат, тотығуға және коррозияға төзімділігімен, 400 ℃-тан төмен орташа және жоғары температуралы орталар үшін ең қолайлы материалға айналды. Олардың ішінде роликті тізбек өндірісінде 304, 316 және 310S маркалары ең кеңінен қолданылады. Өнімділік айырмашылықтары негізінен хром мен никель құрамының арақатынасынан туындайды.

Тот баспайтын болаттан жасалған тізбектердің «мінсіз» емес екенін атап өткен жөн. 304 тот баспайтын болат 450℃ жоғары сезімталдықты көрсетеді, бұл түйіршікаралық коррозияға әкеледі. 310S ыстыққа төзімді болғанымен, оның құны 304-тен шамамен 2,5 есе жоғары, бұл қызмет ету мерзіміне қойылатын талаптарды жан-жақты қарастыруды қажет етеді.

2. Ыстыққа төзімді болат сериясы: Төтенше температурадағы беріктік көшбасшылары

Жұмыс температурасы 800℃-тан асқан кезде, кәдімгі тот баспайтын болаттың беріктігі айтарлықтай төмендейді. Бұл кезде хром мен никель мөлшері жоғары ыстыққа төзімді болат негізгі таңдауға айналады. Бұл материалдар қорытпа элементтерінің арақатынасын реттеу арқылы жоғары температурада жақсы сырғыма беріктігін сақтай отырып, тұрақты оксид қабықшасын түзеді:

- 2520 Ыстыққа төзімді болат (Cr25Ni20Si2): Жиі қолданылатын жоғары температуралы материал ретінде оның ұзақ мерзімді қызмет ету температурасы 950℃ жетуі мүмкін, бұл карбюраторлы атмосферада тамаша өнімділік көрсетеді. Беттік хром диффузиялық өңдеуден кейін коррозияға төзімділікті 40%-ға арттыруға болады. Ол көбінесе көп мақсатты пеш тізбекті конвейерлерде және берілістерді алдын ала тотығу пешінің конвейерлік жүйелерінде қолданылады. Оның созылу беріктігі ≥520MPa және созылу ≥40% жоғары температурада құрылымдық деформацияға тиімді қарсы тұрады.

- Cr20Ni14Si2 ыстыққа төзімді болат: никель мөлшері 2520-дан сәл төмен болғандықтан, ол үнемді нұсқаны ұсынады. Оның үздіксіз жұмыс температурасы 850℃-қа жетуі мүмкін, бұл оны шыны өндірісі және отқа төзімді материалдарды тасымалдау сияқты жоғары температуралы қолданбаларға жарамды етеді. Оның негізгі ерекшелігі - жылу кеңеюінің тұрақты коэффициенті, бұл жұлдызша материалдарымен жақсы үйлесімділікті қамтамасыз етеді және беріліс соққысын азайтады.

3. Никель негізіндегі қорытпа сериясы: Қатал жұмыс жағдайлары үшін ең жақсы шешім

1000℃-тан асатын экстремалды жағдайларда немесе жоғары коррозиялық орталардың қатысуымен (мысалы, аэроғарыштық компоненттер мен ядролық өнеркәсіп жабдықтарын термиялық өңдеу), никель негізіндегі қорытпалар жоғары температуралық өнімділігінің арқасында алмастырылмайтын материалдар болып табылады. Inconel 718 мысалы ретінде никель негізіндегі қорытпалардың құрамында 50%-55% никель бар және ниобий мен молибден сияқты элементтермен нығайтылған, тіпті 1200℃ температурада да тамаша механикалық қасиеттерді сақтайды.

Никель негізіндегі қорытпалы роликті тізбектердің негізгі артықшылықтары: 1. Сығылу беріктігі 310S тот баспайтын болаттан үш еседен астам; 1000℃ температурада 1000 сағат үздіксіз жұмыс істегеннен кейін тұрақты деформация ≤0,5% құрайды; 2. Күкірт қышқылы және азот қышқылы сияқты күшті коррозиялық орталарға төтеп бере алатын өте күшті коррозияға төзімді; 3. Жоғары температурадағы шаршауға төзімділігі жоғары, жиі температуралық цикл жағдайларына жарамды. Дегенмен, олардың құны 310S тот баспайтын болаттан 5-8 есе жоғары және олар әдетте жоғары дәлдіктегі беріліс жүйелерінде қолданылады.

4. Көмекші материалдар және бетті өңдеу технологиясы

Негізді таңдаудан басқа, бетті өңдеу технологиясы жоғары температуралық өнімділікті жақсарту үшін өте маңызды. Қазіргі уақытта негізгі процестерге мыналар жатады: 1. Хромның инфильтрациясы: тізбек бетінде Cr2O3 оксиді қабықшасын түзеді, коррозияға төзімділікті 40%-ға арттырады, жоғары температуралы химиялық ортаға жарамды; 2. Никель негізіндегі қорытпадан жасалған бүріккіш жабын: түйреуіштер мен роликтер сияқты оңай тозатын бөлшектер үшін жабынның қаттылығы HRC60 немесе одан жоғары деңгейге жетуі мүмкін, бұл қызмет ету мерзімін 2-3 есеге ұзартады; 3. Керамикалық жабын: 1200°C жоғары жағдайларда қолданылады, жоғары температуралы тотығуды тиімді оқшаулайды, металлургия өнеркәсібіне жарамды.

III. Жоғары температуралы роликті тізбектерге арналған материалды таңдау логикасы және практикалық ұсыныстар

Материалды таңдау тек «температураға төзімділік неғұрлым жоғары болса, соғұрлым жақсы» дегенді ғана емес, керісінше «температура-жүктеме-орташа-құн» төртеуін бір бағалау жүйесін құруды талап етеді. Әртүрлі сценарийлерде таңдау бойынша практикалық ұсыныстар төменде келтірілген:

1. Негізгі жұмыс параметрлерін нақтылаңыз

Таңдау алдында үш негізгі параметрді дәл жинау қажет: 1) Температура диапазоны (үздіксіз жұмыс температурасы, шың температурасы және цикл жиілігі); 2) Жүктеме жағдайлары (номиналды қуат, соққы жүктемесі коэффициенті); 3) Қоршаған орта (су буының, қышқыл газдардың, майдың және т.б. болуы). Мысалы, тамақ пісіру өнеркәсібінде 200-300℃ жоғары температураға төтеп берумен қатар, тізбектер FDA гигиеналық стандарттарына да сәйкес келуі керек. Сондықтан 304 немесе 316 тот баспайтын болат артықшылықты таңдау болып табылады, ал қорғасын бар жабындарды қолданудан аулақ болу керек.

2. Температура диапазоны бойынша таңдау

- Орташа температура диапазоны (150-400℃): 304 тот баспайтын болат артықшылықты таңдау болып табылады; егер аздап коррозия пайда болса, 316 тот баспайтын болатқа ауыстырыңыз. Азық-түлікке арналған жоғары температуралы майды (азық-түлік өнеркәсібіне жарамды) немесе графит негізіндегі майды (өнеркәсіптік қолдануға жарамды) пайдалану шынжырдың қызмет ету мерзімін кәдімгі шынжырларға қарағанда үш еседен астамға ұзарта алады.

- Жоғары температура диапазоны (400-800℃): 310S тот баспайтын болат немесе Cr20Ni14Si2 ыстыққа төзімді болат негізгі таңдау болып табылады. Тізбекті хромдау және жоғары температуралы графит майын (температураға төзімділік ≥1000℃) пайдалану ұсынылады, майлауды әрбір 5000 цикл сайын толықтырып отырады.

- Өте жоғары температура диапазоны (800℃ жоғары): Шығын бюджетіне байланысты 2520 ыстыққа төзімді болатты (орташадан жоғарыға дейінгі) немесе Inconel 718 никель негізіндегі қорытпаны (жоғары сапалы) таңдаңыз. Бұл жағдайда майлаудың істен шығуын болдырмау үшін майламайтын конструкция немесе қатты майлағыш (мысалы, молибден дисульфидті жабын) қажет.

3. Материалдар мен құрылымның сәйкестігіне баса назар аударыңыз

Барлық тізбек компоненттерінің термиялық кеңеюінің тұрақтылығы жоғары температурада өте маңызды. Мысалы, 310S тот баспайтын болаттан жасалған тізбек пластиналарын пайдаланған кезде, температураның өзгеруінен туындаған қалыптан тыс саңылауды болдырмау үшін түйреуіштер бірдей материалдан жасалуы немесе 2520 ыстыққа төзімді болат сияқты термиялық кеңею коэффициентіне ие болуы керек. Сонымен қатар, жоғары температурада деформацияға төзімділікті арттыру үшін қатты роликтер мен қалыңдатылған тізбек пластиналарының құрылымдарын таңдау керек.

4. Өнімділік пен шығынды теңестірудің шығын тиімділігі формуласы

Төтенше емес жұмыс жағдайында жоғары сапалы материалдарды соқыр таңдаудың қажеті жоқ. Мысалы, металлургия өнеркәсібіндегі дәстүрлі термиялық өңдеу пештерінде (температура 500℃, күшті коррозия жоқ), 310S тот баспайтын болат шынжырларын пайдалану құны 2520 ыстыққа төзімді болаттың құнынан шамамен 60%-ды құрайды, бірақ қызмет ету мерзімі тек 20%-ға қысқарады, бұл жалпы шығын тиімділігін арттырады. Шығын тиімділігін материал құнын қызмет ету мерзімі коэффициентіне көбейту арқылы есептеуге болады, уақыт бірлігіне ең аз шығыны бар нұсқаға басымдық беріледі.

IV. Таңдау бойынша жиі кездесетін қате түсініктер және жиі қойылатын сұрақтарға жауаптар

1. Қате түсінік: Материал ыстыққа төзімді болғанша, шынжыр әрқашан жарамды бола ма?

Дұрыс емес. Материал тек негіз болып табылады. Тізбектің құрылымдық дизайны (мысалы, саңылау өлшемі және майлау арналары), термиялық өңдеу процесі (мысалы, жоғары температуралық беріктікті жақсарту үшін ерітіндімен өңдеу) және орнату дәлдігі жоғары температуралық өнімділікке әсер етеді. Мысалы, 310S тот баспайтын болаттан жасалған шынжыр 1030-1180℃ температурада ерітіндімен өңдеуден өтпесе, оның жоғары температуралық беріктігі 30%-ға төмендейді.

2. Сұрақ: Жоғары температуралы ортада тізбектің кептелуін материалдарды реттеу арқылы қалай шешуге болады?

Жақ сүйектерінің ісінуі көбінесе оксидтік қабыршақтанудан немесе біркелкі емес термиялық кеңеюден туындайды. Шешімдері: 1. Егер бұл тотығу мәселесі болса, 304 тот баспайтын болатты 310S-ке дейін жаңартыңыз немесе хроммен қаптауды орындаңыз; 2. Егер бұл термиялық кеңею мәселесі болса, барлық тізбек компоненттерінің материалдарын біріктіріңіз немесе термиялық кеңею коэффициенті төмен никель негізіндегі қорытпа түйреуіштерін таңдаңыз.

3. Сұрақ: Тамақ өнеркәсібіндегі жоғары температуралы тізбектер жоғары температураға төзімділік пен гигиена талаптарын қалай теңестіре алады?

304 немесе 316L тот баспайтын болатқа басымдық беріңіз, ауыр металдардан тұратын жабындарды қолданбаңыз; оңай тазалау үшін ойықсыз дизайнды қолданыңыз; FDA сертификатталған тағамдық жоғары температуралы майлағыш майды немесе өздігінен майланатын құрылымды (мысалы, PTFE майлағышы бар тізбектер) пайдаланыңыз.

V. Қысқаша мазмұны: Материалды таңдаудан жүйенің сенімділігіне дейін

Жоғары температуралы ортаға арналған роликті тізбекті материалдарды таңдау негізінен экстремалды жұмыс жағдайлары мен өнеркәсіптік шығындар арасындағы оңтайлы шешімді табуды қамтиды. 304 тот баспайтын болаттың экономикалық тиімділігінен бастап, 310S тот баспайтын болаттың өнімділік тепе-теңдігіне дейін, содан кейін никель негізіндегі қорытпалардың соңғы серпілісіне дейін әрбір материал нақты жұмыс жағдайының талаптарына сәйкес келеді. Болашақта материалдар технологиясының дамуымен жоғары температуралық беріктік пен төмен бағаны біріктіретін жаңа қорытпа материалдары үрдіске айналады. Дегенмен, қазіргі кезеңде жұмыс параметрлерін дәл жинау және ғылыми бағалау жүйесін құру тұрақты және сенімді беріліс жүйелеріне қол жеткізудің негізгі алғышарттары болып табылады.