کوره جعبه اتمسفر: طراحی، کنترل گاز و راهنمای فرآیند

یک کوره جعبه اتمسفر یک دستگاه گرمایش محفظه مهر و موم شده است که برای انجام پردازش حرارتی تحت یک محیط گازی دقیق کنترل شده به جای هوای محیط طراحی شده است. ویژگی تعیین کننده عناصر گرمایش یا عایق نیست، بلکه محفظه محفظه ضد گاز یا محفظه مهر و موم شده که فشار مثبت یک گاز فرآیندی مشخص - هیدروژن، نیتروژن، آرگون، گاز گرماگیر یا گاز تشکیل دهنده - را برای جلوگیری از اکسیداسیون، دستیابی به مواد شیمیایی سطحی خاص یا حذف آلاینده ها در طول چرخه حرارتی حفظ می کند. . کاربردهای اولیه شامل بازپخت روشن فولاد ضد زنگ، تف جوشی قطعات فلزی پودری، لحیم کاری در اتمسفر هیدروژنی، کربوهیداسیون و کربونیتراسیون فولادهای کم کربن و عملیات حرارتی فلزات واکنشی مانند تیتانیوم است که در صورت گرم شدن در هوا به طور فاجعه آمیزی اکسید می شوند. پارامترهای انتخابی حیاتی عبارتند از حداکثر دمای عملیاتی (که عنصر گرمایش و نوع عایق را تعیین می کند)، سازگاری با جو تمام اجزای داخلی و یکپارچگی سیستم آب بندی.

چرا یک جو کنترل شده برای عملیات حرارتی دقیق ضروری است؟

حرارت دادن فلز در هوای محیط باعث دو واکنش فوری و عموماً نامطلوب می شود: اکسیداسیون و کربن زدایی. اکسیداسیون یک مقیاس سطحی را تشکیل می دهد - اکسید آهن در فولادها، اکسید کروم در فولاد ضد زنگ - که باید با ترشی کردن، آسیاب کردن، یا ماشینکاری پس از عملیات حرارتی، هدر رفتن مواد و اضافه کردن هزینه پردازش حذف شود. کربن زدایی موذیانه تر است: اتم های کربن از سطح فولاد به اتمسفر غنی از اکسیژن پراکنده می شوند و یک لایه سطحی نرم و خالی از کربن روی قسمتی ایجاد می کنند که قرار است سخت شود. قطعه ای که سختی صحیح را در هسته خود اندازه گیری می کند ممکن است زودتر از موعد خراب شود زیرا سطح آن اساساً ماده متفاوت و ضعیف تری است.

یک atmosphere box furnace eliminates these problems by surrounding the workload with a gas mixture that is chemically neutral or reducing relative to the metal being processed. For steel, a reducing atmosphere of hydrogen or a hydrogen-nitrogen blend prevents oxidation and can actively reduce any pre-existing oxide films on the part surface. The oxygen partial pressure in a properly purged and flowing atmosphere furnace can be maintained below 10-2⁰ اتمسفر در 1000 درجه سانتیگراد، سطحی که در آن تشکیل اکسید آهن از نظر ترمودینامیکی غیرممکن است. این شیمی فیزیک بنیادی است که عملیات حرارتی "روشن" را امکان پذیر می کند - قطعاتی از کوره با سطحی تمیز و فلزی مشابه ظاهر از پیش پردازش شده خود خارج می شوند.

ساخت کوره: سیستم های محفظه، مخزن، و عایق

معماری فیزیکی یک کوره جعبه اتمسفر به دو فلسفه طراحی اصلی تقسیم می شود: طراحی مخزن آب بندی شده و طراحی با قابلیت خلاء با دیوار سرد. طراحی مخزن از یک جعبه آلیاژی ساخته شده استفاده می کند - معمولاً Inconel 600، 601 یا یک فولاد ضد زنگ با دمای بالا مانند 310 یا 330 - که در داخل محفظه گرم شده قرار می گیرد و حاوی گاز فرآیند است. المنت های گرمایشی بیرونی هستند و در هوای محیط یا یک پتوی ساده نیتروژنی کار می کنند. این طراحی قوی، مقرون به صرفه و انتخاب استاندارد برای دماهای تا حدودی است 1150 درجه سانتی گراد . بالاتر از این دما، قدرت خزش حتی بهترین آلیاژهای مبتنی بر نیکل به عامل محدودکننده تبدیل می‌شود و طراحی به یک محفظه دیوار سرد با درجه خلاء با عناصر گرمایش داخلی و عایق داخلی تغییر می‌کند که می‌تواند با گاز فرآیند تخلیه و پر شود.

مواد عنصر گرمایش بر اساس محدوده دما

انتخاب مواد عنصر گرمایش با حداکثر دمای عملیاتی و ترکیب جو تنظیم می شود. ماده ای که عملکرد بی عیب و نقصی در نیتروژن دارد ممکن است در همان دما به دلیل شکنندگی هیدروژن یا تشکیل هیدریدهای فرار به طور فاجعه آمیزی در هیدروژن از بین برود.

تحویل گاز، کنترل جریان و مدیریت جو

یک اتمسفر کنترل شده یک پر کننده ساکن نیست. این یک سیستم پویا است که نیاز به مدیریت مداوم جریان، فشار و خلوص گاز دارد. محفظه کوره ابتدا باید قبل از شروع گرمایش از هوای محیط پاک شود تا در صورت استفاده از هیدروژن یا گاز قابل احتراق از تشکیل مخلوط انفجاری جلوگیری شود. پروتکل پاکسازی معمولاً به حداقل نیاز دارد مبادلات حجمی پنج تا ده اتاقی با یک گاز بی اثر - معمولا نیتروژن یا آرگون - قبل از ورود گاز فرآیند واکنشی و شروع گرمایش. برای اتمسفرهای هیدروژنی، تصفیه باید تا زمانی ادامه یابد که غلظت اکسیژن، اندازه‌گیری شده توسط یک آنالایزر درون خطی اکسیژن، به زیر آستانه ایمنی حد انفجار پایین‌تر برسد، که برای هیدروژن غلظت اکسیژن کمتر از 4 درصد حجمی است.

در طول چرخه گرمایش، جریان مداوم گاز فرآیند حفظ می شود. میزان جریان توسط حجم محفظه کوره، میزان نشت سیستم آب بندی و سطح قابل قبول آلودگی جو تعیین می شود. یک دبی معمولی برای یک کوره جعبه ای در مقیاس آزمایشگاهی با محفظه 10 لیتری در محدوده 2 تا 5 لیتر در دقیقه ، تقریباً هر 2 تا 5 دقیقه یک بار حجم محفظه را تغییر می دهد. جریان ناکافی باعث ایجاد آلاینده های خارج شده از گاز می شود - بخار آب از عایق، ترکیبات آلی فرار حاصل از روغن های باقیمانده در حجم کار، و اکسیژن از نشت های جزئی هوا. سنسور نقطه شبنم در خروجی گاز مستقیم ترین روش برای نظارت بر کیفیت جو است. برای بازپخت روشن فولاد ضد زنگ، نقطه شبنم باید در زیر حفظ شود -40 درجه سانتی گراد ، مربوط به مقدار بخار آب کمتر از 127 قسمت در میلیون است.

انتخاب گاز فرآیند بر اساس کاربرد

انتخاب جو فرآیند با هدف متالورژیکی عملیات حرارتی تعیین می شود. هر مخلوط گاز یا گاز در دما با سطح فلز تعامل متفاوتی دارد و انتخاب جو نادرست می تواند سطح قطعه معیوب یا حتی خطر ایمنی ایجاد کند.

• نیتروژن (N2): کم هزینه ترین و پرکاربردترین جو بی اثر. مناسب برای بازپخت فلزات غیر واکنشی مانند مس، برنج و آلومینیوم. برای فولاد، نیتروژن یک گاز خنثی است که از اکسید شدن جلوگیری می کند، اما اگر فولاد حاوی عناصر قوی تشکیل دهنده نیترید مانند کروم یا آلومینیوم باشد، می تواند در دمای بالای 900 درجه سانتیگراد باعث نیترید شدن شود. برای بازپخت روشن فولاد ضد زنگ مناسب نیست زیرا تشکیل نیترید کروم سطح را کدر می کند.
• آرگون (Ar): با تمام فلزات در تمام دماهای عملی کوره کاملا بی اثر است. برای عملیات حرارتی تیتانیوم، زیرکونیوم و سایر فلزات فعال که نیتروژن یا اکسیژن را حل می کنند استفاده می شود. گرانتر از نیتروژن به دلیل فراوانی کمتر و هزینه تولید بالاتر، بنابراین استفاده از آن برای کاربردهایی که نیتروژن از نظر شیمیایی ناسازگار است محفوظ است.
• هیدروژن (H2): یک گاز کاهنده قدرتمند که به طور فعال اکسیدهای سطحی را از فولاد و فولاد ضد زنگ حذف می کند. جو استاندارد برای بازپخت روشن فولاد زنگ نزن آستنیتی زیرا اکسید کروم را کاهش می دهد و از تشکیل اکسید جدید جلوگیری می کند. هیدروژن دارای خواص انتقال حرارت عالی است - رسانایی حرارتی آن تقریباً است 7 برابر بیشتر از نیتروژن - که یکنواختی دما را در حجم کار بهبود می بخشد، اما اتلاف حرارت را از طریق عایق کوره افزایش می دهد. بسیار قابل اشتعال؛ به سیستم های ایمنی ضد انفجار نیاز دارد.
• گاز تشکیل دهنده (ترکیب N2-H2، معمولاً 95/5 یا 90/10): مصالحه ای که قابلیت کاهش را با کاهش هزینه و خطر اشتعال در مقایسه با هیدروژن خالص فراهم می کند. محتوای هیدروژن 5 یا 10 درصد در دمای اتاق کمتر از حد پایین تر انفجار است، که کار با آن را ایمن تر می کند، اگرچه در دمای کوره، در صورت وجود اکسیژن، مخلوط می تواند قابل اشتعال شود.
• گاز گرماگیر (20٪ CO، 40٪ H2، 40٪ N2): از ترک خوردن گاز هیدروکربنی (گاز طبیعی یا پروپان) با هوا در یک ژنراتور خارجی تولید می شود. پتانسیل کربن را می توان با تنظیم نسبت هوا به گاز و نقطه شبنم کنترل کرد. به طور گسترده در فرآیندهای کربورسازی و کربونیتراسیون که کربن باید به سطح فولاد وارد شود، استفاده می شود. یک گاز حامل با پتانسیل کربن دقیق کنترل شده پایه سخت شدن کیس است.
• خلاء: خلاء (کمتر از 10-2 mbar) در حالی که گاز نیست، از نظر عملکردی تمیزترین اتمسفر برای پردازش فلزات و سوپرآلیاژهای واکنش پذیر است. کوره های خلاء یک زیرمجموعه تخصصی هستند اما اصول طراحی اساسی کوره های اتمسفر را از نظر گرمایش و عایق مشترک دارند. عدم وجود هر گونه گاز تمام واکنش های اکسیداسیون، کربن زدایی و گاز-فلز را از بین می برد.

سیستم های ایمنی برای اتمسفرهای قابل احتراق

یکy atmosphere box furnace operating with hydrogen, forming gas, or endothermic gas must incorporate multiple redundant safety systems. A hydrogen explosion inside a sealed furnace at 1000°C is a catastrophic event that can destroy the furnace and injure or kill personnel in the vicinity. The safety architecture is built on three independent layers of protection: gas management, ignition prevention, and structural containment.

سیستم مدیریت گاز باید شامل الف شعله سوزاننده یا جرقه زن کاتالیزوری در اگزوز کوره برای احتراق ایمن هر هیدروژن واکنش نداده که از محفظه خارج می شود. توالی پاکسازی باید با کنترل های گرمایش در هم قفل شود تا زمانی که سطح اکسیژن کمتر از آستانه ایمن نباشد، المان های گرمایشی نمی توانند انرژی داشته باشند. یک شعله گیر در خط تامین گاز مانع از انتشار جلوی شعله به لوله های تامین گاز می شود. کوره باید دارای یک پانل کاهش فشار یا دیسک گسیختگی باشد که به گونه‌ای طراحی شده باشد که در فشاری به میزان قابل‌توجهی کمتر از فشار ترکیدگی محفظه تخلیه شود و هرگونه فشار بیش از حد انفجار را از موقعیت اپراتور دور کند. خطوط گازرسانی باید دارای شیرهای برقی معمولی بسته باشند که در صورت قطع برق از کار می افتند و در صورت قطع برق بلافاصله جریان گاز را متوقف می کنند. نظارت مستمر با سنسورهای اکسیژن، آشکارسازهای گاز قابل احتراق در اتاق، و یک مدار توقف اضطراری با سیم سخت که تمام جریان گاز و توان گرمایشی را قطع می‌کند، حداقل مشخصات ایمنی قابل قبول برای یک کوره اتمسفر دارای قابلیت هیدروژن هستند.

آماده سازی حجم کار و کنترل آلودگی

تمیز بودن حجم کار وارد شده به کوره جعبه اتمسفر به طور مستقیم کیفیت قطعات پردازش شده و عمر داخلی کوره را تعیین می کند. روغن های برش باقیمانده، روان کننده های کشش، پوشش های ضد زنگ و کثیفی مغازه در دمای کوره تبخیر می شوند و جو را آلوده می کنند. هیدروکربن‌های تبخیر شده روی عناصر گرمایشی و دیواره‌های مخزن ترک می‌خورند، دوده کربن را رسوب می‌دهند که بازده گرمایشی را کاهش می‌دهد، مقاومت الکتریکی عناصر را تغییر می‌دهد و در فرآیندی که در نظر گرفته شده است خنثی باشد، یک محیط کربن‌زا ایجاد می‌کند. رسوبات کربن همچنین با لایه غیرفعال سازی اکسید کروم روی آلیاژ مخزن واکنش می دهند و منجر به کربوری شدن و شکنندگی مواد مخزن می شود.

یک effective pre-cleaning protocol includes چربی زدایی بخار با حلال بدون کلر، شستشوی قلیایی آبی با آبکشی داغ و خشک کردن با هوای اجباری، یا پخت در خلاء برای تبخیر باقیمانده ها قبل از ورود قطعات به کوره فرآیند. قطعات باید پس از تمیز کردن با دستکش تمیز و بدون پرز کار شوند. اثر انگشتی که قبل از بازپخت روشن روی یک قطعه گذاشته می‌شود، به‌عنوان علائم حک شده دائمی روی سطح نهایی قابل مشاهده است. مواد فیکساتور نیز باید با جو سازگار باشند. سبدهای فولاد کربنی حجم کاری فولاد ضد زنگ را کربن زدایی و آلوده می کنند. اتصال باید از همان آلیاژ قطعات یا یک آلیاژ سازگار با دمای بالاتر که آلاینده وارد نمی کند ساخته شود.

یکنواختی دما و الزامات بررسی

کیفیت عملیات حرارتی مستقیماً با یکنواختی دما در منطقه کار کوره مرتبط است. مشخصات عملیات حرارتی هوافضا و خودرو، مانند AMS 2750 (پیرومتری) ، الزامات بررسی یکنواختی دما (TUS) را که کوره برای واجد شرایط بودن برای تولید باید برآورده کند، تعریف کنید. یک کوره کلاس 2 به ازای AMS 2750 باید یکنواختی دمایی 6± درجه سانتیگراد را در سرتاسر منطقه کاری در دمای کاری مناسب حفظ کند. یک کوره کلاس 1 این را تا 3± درجه سانتیگراد سفت می کند.

جو داخل کوره از طریق انتقال حرارت همرفتی به یکنواختی دما کمک می کند که در کوره های خلاء وجود ندارد. هیدروژن با هدایت حرارتی فوق العاده بالایی که دارد بهترین یکنواختی دما را فراهم می کند. گردش گاز در یک کوره جعبه ای مهر و موم شده معمولاً توسط a فن داخلی با دمای بالا نصب شده در درب کوره یا روی دیواره عقب، توسط شفتی که از طریق یک ورودی چرخشی به عایق و مهر و موم گاز نفوذ می کند. فن اتمسفر را در داخل و اطراف حجم کار به گردش در می آورد و اختلاف دما بین گرم ترین و سردترین نقطه را کاهش می دهد. سرعت فن، چگالی گاز و ترتیب بار کاری همگی بر ضریب انتقال حرارت همرفتی تأثیر می‌گذارند که برای هیدروژن در دمای 1000 درجه سانتی‌گراد می‌تواند از آن فراتر رود. 200 W/m²·K در مقایسه با 50-80 W/m²·K برای نیتروژن در شرایط یکسان.

تعمیر و نگهداری، تشخیص نشت، و مدیریت عمر پاسخ

یکپارچگی ضد گاز یک کوره اتمسفر با هر چرخه حرارتی کاهش می یابد. انبساط و انقباض مکرر مخزن، مهر و موم در، و ترموکوپل و ورودی محور فن، مسیرهای سایش را برای ورود هوا ایجاد می کند. نشتی که در دمای اتاق غیرقابل تشخیص باشد می تواند به دلیل انبساط حرارتی تفاضلی به مسیر قابل توجهی در 1000 درجه سانتیگراد باز شود. کوره باید به صورت برنامه ریزی شده با استفاده از یک نشتی بررسی شود تشخیص نشت طیف سنج جرمی هلیوم یا تست واپاشی فشار . در یک آزمایش واپاشی فشار، محفظه با نیتروژن تحت فشار قرار می گیرد تا فشار آزمایش مشخص شود، جداسازی می شود و افت فشار در یک بازه زمانی تعیین شده اندازه گیری می شود. نرخ نشتی بیش از مشخصات سازنده - معمولاً 1 تا 5 میلی بار در ساعت برای کوره های توده آزمایشگاهی - نشان می دهد که آب بند درب، مهر و موم شفت یا خود مخزن نیاز به سرویس دارد.

مخزن یک جزء مصرفی با عمر مفید محدود است. مکانیسم‌های سایش اولیه عبارتند از اکسیداسیون سطح بیرونی از قرار گرفتن در معرض هوا در دما، کربوریزه شدن از جوهای آلوده و خستگی حرارتی ناشی از گرمایش و سرمایش چرخه‌ای. مخزن فولاد ضد زنگ نوع 310 که در 1050 درجه سانتیگراد در سرویس هیدروژن کار می کند ممکن است دوام بیاورد 3000 تا 5000 چرخه قبل از ایجاد نشتی در درزهای جوش یا نشان دادن اعوجاج بیش از حد. یک retort Inconel 600 در شرایط یکسان می تواند 8000 تا 12000 چرخه دوام بیاورد اما هزینه بسیار بیشتری دارد. تعویض مخزن باید به عنوان یک رویداد تعمیر و نگهداری برنامه ریزی شده برنامه ریزی شود، نه یک تعمیر واکنشی، زیرا خرابی ناگهانی مخزن در اواسط چرخه حجم کار را خراب می کند و می تواند از طریق قرار گرفتن در معرض گاز فرآیند به عناصر گرمایشی و عایق آسیب برساند.