Ritininių grandinių medžiagų pasirinkimas aukštos temperatūros aplinkoje

Ritininių grandinių medžiagų pasirinkimas aukštos temperatūros aplinkoje

Pramoninėse aplinkose, tokiose kaip metalurginis terminis apdorojimas, maisto kepimas ir naftos chemijos pramonė,ritininės grandinės, kaip pagrindiniai transmisijos komponentai, dažnai nuolat veikia aukštesnėje nei 150 °C aplinkoje. Dėl ekstremalių temperatūrų įprastinės grandinės gali suminkštėti, oksiduotis, koroduoti ir prarasti tepimo savybes. Pramonės duomenys rodo, kad netinkamai parinktų ritininių grandinių tarnavimo laikas aukštoje temperatūroje gali sutrumpėti daugiau nei 50 %, o tai netgi gali sukelti įrangos prastovą. Šiame straipsnyje daugiausia dėmesio skiriama ritininių grandinių eksploataciniams reikalavimams aukštoje temperatūroje, sistemingai analizuojant įvairių pagrindinių medžiagų charakteristikas ir pasirinkimo logiką, siekiant padėti pramonės specialistams pasiekti stabilių transmisijos sistemų atnaujinimų.

I. Pagrindiniai aukštos temperatūros aplinkos iššūkiai ritininėms grandinėms

Aukštos temperatūros aplinkos sukeliami ritininių grandinių pažeidimai yra daugialypiai. Pagrindiniai iššūkiai yra du aspektai: medžiagų eksploatacinių savybių pablogėjimas ir sumažėjęs konstrukcijos stabilumas. Tai taip pat yra techninės kliūtys, kurias reikia įveikti renkantis medžiagas:

- Medžiagos mechaninių savybių pablogėjimas: Įprastas anglinis plienas gerokai suminkštėja aukštesnėje nei 300 ℃ temperatūroje, o tempiamasis stipris sumažėja 30–50 %, todėl grandinės plokštė gali lūžti, kaištis deformuotis ir atsirasti kitų gedimų. Kita vertus, mažai legiruotas plienas aukštoje temperatūroje dar labiau pagreitėja dėl tarpkristalinės oksidacijos, todėl grandinės pailgėjimas viršija leistinas ribas.

- Padidėjusi oksidacija ir korozija: deguonis, vandens garai ir pramoninės terpės (pvz., rūgštinės dujos ir riebalai) aukštoje temperatūroje pagreitina grandinės paviršiaus koroziją. Susidariusios oksido apnašos gali užstrigti vyriams, o korozijos produktai sumažina tepimą.

- Tepimo sistemos gedimas: Įprastinė mineralinė tepimo alyva išgaruoja ir karbonizuojasi esant aukštesnei nei 120 ℃ temperatūrai, prarasdama tepimo poveikį. Dėl to padidėja trinties koeficientas tarp ritinėlių ir kaiščių, o tai padidina dilimo greitį 4–6 kartus.

- Šiluminio plėtimosi atitikimo iššūkis: jei grandinės komponentų (grandinės plokščių, kaiščių, ritinėlių) šiluminio plėtimosi koeficientai labai skiriasi, temperatūros ciklų metu gali padidėti tarpai arba grandinė gali užstrigti, o tai turi įtakos perdavimo tikslumui.

II. Aukštos temperatūros ritininių grandinių pagrindinių medžiagų tipai ir eksploatacinių savybių analizė

Dėl ypatingų aukštos temperatūros eksploatavimo sąlygų savybių pagrindinės ritininių grandinių medžiagos sudarė tris pagrindines sistemas: nerūdijantį plieną, karščiui atsparų plieną ir nikelio lydinius. Kiekviena medžiaga turi savo stipriąsias puses, atsižvelgiant į atsparumą aukštai temperatūrai, stiprumą ir atsparumą korozijai, todėl jas reikia tiksliai suderinti su konkrečiomis eksploatavimo sąlygomis.

1. Nerūdijančio plieno serija: ekonomiškas pasirinkimas vidutinės ir aukštos temperatūros darbo sąlygoms

Nerūdijantis plienas, pasižymintis puikiu atsparumu oksidacijai ir korozijai, tapo pageidaujama medžiaga vidutinės ir aukštos temperatūros aplinkai, žemesnei nei 400 ℃. Iš jų 304, 316 ir 310S rūšys yra plačiausiai naudojamos ritininių grandinių gamyboje. Eksploatacinių savybių skirtumai daugiausia kyla dėl chromo ir nikelio kiekio santykio.

Reikėtų pažymėti, kad nerūdijančio plieno grandinės nėra „neklystančios“. 304 nerūdijantis plienas jautrėja aukštesnėje nei 450 ℃ temperatūroje, dėl to atsiranda tarpkristalinė korozija. Nors 310S yra atsparus karščiui, jo kaina yra maždaug 2,5 karto didesnė nei 304, todėl reikia išsamiai apsvarstyti jo tarnavimo laiko reikalavimus.

2. Karščiui atsparaus plieno serija: stiprumo lyderiai ekstremaliose temperatūrose

Kai darbinė temperatūra viršija 800 ℃, įprasto nerūdijančio plieno stiprumas gerokai sumažėja. Šiuo metu pagrindiniu pasirinkimu tampa karščiui atsparus plienas su didesniu chromo ir nikelio kiekiu. Šios medžiagos, pakoregavus legiruojamųjų elementų santykius, aukštoje temperatūroje sudaro stabilią oksido plėvelę, išlaikydamos gerą šliaužimo stiprumą:

- 2520 Karščiui atsparus plienas (Cr25Ni20Si2): Kaip dažniausiai naudojama aukštos temperatūros medžiaga, jos ilgalaikio eksploatavimo temperatūra gali siekti 950 ℃, todėl ji puikiai veikia carburizavimo atmosferose. Po paviršiaus chromo difuzinio apdorojimo atsparumas korozijai gali būti dar 40 % padidintas. Jis dažniausiai naudojamas daugiafunkciuose krosnių grandininiuose konvejeriuose ir krumpliaratinių išankstinio oksidavimo krosnių konvejerių sistemose. Jo tempiamasis stipris ≥520 MPa ir pailgėjimas ≥40 % efektyviai apsaugo nuo konstrukcijos deformacijos aukštoje temperatūroje.

- Karščiui atsparus Cr20Ni14Si2 plienas: kadangi nikelio kiekis yra šiek tiek mažesnis nei 2520, tai yra ekonomiškesnis pasirinkimas. Jo nuolatinė darbinė temperatūra gali siekti 850 ℃, todėl jis tinka sąnaudoms jautrioms aukštos temperatūros reikmėms, tokioms kaip stiklo gamyba ir ugniai atsparių medžiagų transportavimas. Pagrindinė jo savybė yra stabilus šiluminio plėtimosi koeficientas, dėl kurio geriau suderinamas su žvaigždutės medžiagomis ir sumažėja perdavimo smūgiai.

3. Nikelio pagrindu pagamintų lydinių serija: geriausias sprendimas atšiaurioms eksploatavimo sąlygoms

Ekstremaliomis sąlygomis, viršijančiomis 1000 ℃, arba esant labai korozinei aplinkai (pvz., terminio apdorojimo metu aviacijos ir kosmoso komponentams bei branduolinės pramonės įrangai), nikelio lydiniai yra nepakeičiamos medžiagos dėl puikių savybių aukštoje temperatūroje. Nikelio lydiniai, pavyzdžiui, Inconel 718, turi 50–55 % nikelio ir yra sutvirtinti tokiais elementais kaip niobis ir molibdenas, išlaikant puikias mechanines savybes net esant 1200 ℃ temperatūrai.

Pagrindiniai nikelio pagrindo lydinių ritininių grandinių privalumai: ① Valkšnumo stipris yra daugiau nei tris kartus didesnis nei 310S nerūdijančio plieno; po 1000 valandų nepertraukiamo veikimo 1000 ℃ temperatūroje, liekamoji deformacija yra ≤0,5%; ② Ypač didelis atsparumas korozijai, gali atlaikyti stiprias korozines terpes, tokias kaip sieros rūgštis ir azoto rūgštis; ③ Puikus nuovargio atsparumas aukštai temperatūrai, tinkamas dažniems temperatūros ciklų sąlygoms. Tačiau jų kaina yra 5–8 kartus didesnė nei 310S nerūdijančio plieno, ir jos paprastai naudojamos aukštos klasės tiksliosiose transmisijos sistemose.

4. Pagalbinės medžiagos ir paviršiaus apdorojimo technologija

Be pagrindo pasirinkimo, paviršiaus apdorojimo technologija yra labai svarbi siekiant pagerinti eksploatacines savybes aukštoje temperatūroje. Šiuo metu pagrindiniai procesai apima: ① Chromo infiltracija: Cr2O3 oksido plėvelės formavimas grandinės paviršiuje, 40 % pagerinantis atsparumą korozijai, tinkamas aukštos temperatūros cheminei aplinkai; ② Nikelio pagrindo lydinių purškimas: lengvai susidėvinčioms dalims, tokioms kaip kaiščiai ir ritinėliai, dangos kietumas gali siekti HRC60 ar aukštesnį, 2–3 kartus pailginant tarnavimo laiką; ③ Keraminė danga: naudojama aukštesnėje nei 1200 ℃ temperatūroje, efektyviai izoliuoja aukštos temperatūros oksidaciją, tinka metalurgijos pramonei.

III. Medžiagų parinkimo logika ir praktiniai pasiūlymai dėl aukštos temperatūros ritininių grandinių

Medžiagų pasirinkimas nėra tiesiog „kuo didesnis atsparumas temperatūrai, tuo geriau“, bet reikalauja sukurti keturių komponentų vertinimo sistemą „temperatūra-apkrova-terpė-sąnaudos“. Toliau pateikiami praktiniai pasirinkimo pasiūlymai skirtingais atvejais:

1. Paaiškinkite pagrindinius veikimo parametrus

Prieš pasirenkant, reikia tiksliai surinkti tris pagrindinius parametrus: ① Temperatūros diapazonas (nuolatinė darbinė temperatūra, didžiausia temperatūra ir ciklų dažnis); ② Apkrovos sąlygos (vardinė galia, smūginės apkrovos koeficientas); ③ Aplinkos terpė (vandens garų, rūgštinių dujų, riebalų ir kt. buvimas). Pavyzdžiui, maisto kepimo pramonėje grandinės turi ne tik atlaikyti aukštą 200–300 ℃ temperatūrą, bet ir atitikti FDA higienos standartus. Todėl pirmenybė teikiama 304 arba 316 nerūdijančiam plienui, o švino turinčių dangų reikėtų vengti.

2. Pasirinkimas pagal temperatūros diapazoną

- Vidutinė temperatūros diapazonas (150–400 ℃): pirmenybė teikiama 304 nerūdijančiam plienui; jei atsiranda nedidelė korozija, naudokite 316 nerūdijantį plieną. Naudojant maistinius aukštos temperatūros tepalus (tinkančius maisto pramonei) arba grafito pagrindo tepalus (tinkančius pramoniniam naudojimui), grandinės tarnavimo laikas gali būti daugiau nei tris kartus ilgesnis nei įprastų grandinių.

- Aukšta temperatūra (400–800 ℃): pagrindinė grandis yra 310S nerūdijantis plienas arba karščiui atsparus Cr20Ni14Si2 plienas. Rekomenduojama grandinę chromuoti ir naudoti aukštai temperatūrai atsparų grafitą (atsparumas temperatūrai ≥1000 ℃), tepimo ciklų papildant kas 5000 ciklų.

- Labai aukšta temperatūra (virš 800 ℃): atsižvelgiant į sąnaudas, rinkitės 2520 karščiui atsparų plieną (vidutinės ir aukštos klasės) arba Inconel 718 nikelio pagrindo lydinį (aukštos klasės). Tokiu atveju, norint išvengti tepimo gedimų, reikalinga konstrukcija be tepimo arba kietas tepalas (pvz., molibdeno disulfido danga).

3. Pabrėžkite medžiagų ir struktūros atitikimą

Visų grandinės komponentų šiluminio plėtimosi pastovumas aukštoje temperatūroje yra labai svarbus. Pavyzdžiui, naudojant 310S nerūdijančio plieno grandinės plokštes, kaiščiai turėtų būti pagaminti iš tos pačios medžiagos arba turėti panašų šiluminio plėtimosi koeficientą kaip 2520 karščiui atsparus plienas, kad būtų išvengta nenormalaus laisvumo, kurį sukelia temperatūros pokyčiai. Tuo pačiu metu, siekiant pagerinti atsparumą deformacijai aukštoje temperatūroje, turėtų būti parinkti tvirti ritinėliai ir pastorintos grandinės plokščių konstrukcijos.

4. Ekonominio efektyvumo formulė, skirta našumui ir sąnaudoms subalansuoti

Esant ne ekstremalioms eksploatavimo sąlygoms, nereikia aklai rinktis aukštos klasės medžiagų. Pavyzdžiui, įprastose metalurgijos pramonės terminio apdorojimo krosnyse (temperatūra 500 ℃, nėra stiprios korozijos) 310S nerūdijančio plieno grandinių naudojimo kaina yra maždaug 60 % mažesnė nei 2520 karščiui atsparaus plieno, tačiau tarnavimo laikas sutrumpėja tik 20 %, todėl bendras ekonomiškumas padidėja. Ekonomiškumą galima apskaičiuoti padauginus medžiagos kainą iš tarnavimo laiko koeficiento, teikiant pirmenybę variantui, kurio kaina per laiko vienetą yra mažiausia.

IV. Dažniausios atrankos klaidos ir atsakymai į dažniausiai užduodamus klausimus

1. Klaidingas įsitikinimas: grandinė visada bus tinkama, jei medžiaga atspari karščiui?

Neteisinga. Medžiaga tėra pagrindas. Grandinės konstrukcinė konstrukcija (pvz., tarpo dydis ir tepimo kanalai), terminio apdorojimo procesas (pvz., tirpalo apdorojimas, siekiant pagerinti atsparumą aukštai temperatūrai) ir montavimo tikslumas turi įtakos eksploatacinėms savybėms aukštoje temperatūroje. Pavyzdžiui, 310S nerūdijančio plieno grandinės aukšta temperatūra sumažės 30 %, jei ji nebuvo apdorota tirpalu 1030–1180 ℃ temperatūroje.

2. Klausimas: Kaip išspręsti grandinės užstrigimo problemą aukštoje temperatūroje, koreguojant medžiagas?

Žandikaulio trūkčiojimą dažniausiai sukelia oksido apnašų lupimasis arba netolygus šiluminis plėtimasis. Sprendimai: ① Jei tai oksidacijos problema, atnaujinkite 304 nerūdijantį plieną į 310S arba atlikite chromavimo apdorojimą; ② Jei tai šiluminio plėtimosi problema, suvienodinkite visų grandinės komponentų medžiagas arba rinkitės nikelio pagrindo lydinio kaiščius, kurių šiluminio plėtimosi koeficientas yra mažesnis.

3. Klausimas: Kaip maisto pramonės aukštos temperatūros grandinės gali subalansuoti atsparumą aukštai temperatūrai ir higienos reikalavimus?

Pirmenybę teikite 304 arba 316L nerūdijančiam plienui, vengdami dangų, kuriose yra sunkiųjų metalų; naudokite konstrukciją be griovelių, kad būtų lengva valyti; naudokite FDA sertifikuotą maistui skirtą aukštai temperatūrai skirtą tepimo alyvą arba savaime tepančią konstrukciją (pvz., grandines su PTFE tepalu).

V. Santrauka: nuo medžiagų pasirinkimo iki sistemos patikimumo

Ritininių grandinių medžiagų parinkimas aukštos temperatūros aplinkai iš esmės apima optimalaus sprendimo paiešką tarp ekstremalių eksploatavimo sąlygų ir pramoninių sąnaudų. Nuo 304 nerūdijančio plieno ekonominio praktiškumo iki 310S nerūdijančio plieno našumo balanso ir galiausiai nikelio pagrindo lydinių proveržio – kiekviena medžiaga atitinka konkrečius eksploatavimo sąlygų reikalavimus. Ateityje, tobulėjant medžiagų technologijoms, tendencija taps naujos lydinių medžiagos, kurios suderina aukštą temperatūrą ir mažą kainą. Tačiau dabartiniame etape tikslus eksploatacinių parametrų rinkimas ir mokslinio vertinimo sistemos sukūrimas yra pagrindinės stabilių ir patikimų perdavimo sistemų sukūrimo prielaidos.