내열강 주물의 열 피로를 방지하는 방법은 무엇입니까?

시간이 지남에 따라 열 피로가 어떻게 쌓이는가

열 피로는 단일 고온 사이클의 결과가 아니라 부품의 표면과 코어 사이에 온도 구배를 생성하는 반복적인 가열 및 냉각의 결과입니다. 연속 열처리로에서 퍼니스 롤러 표면은 작업이 진행됨에 따라 몇 분 내에 약 200°C에서 900°C 이상으로 변동할 수 있는 반면, 롤러 코어는 더 천천히 가열됩니다. 이러한 불일치로 인해 매 사이클마다 인장과 압축이 번갈아 발생하는 내부 열 응력이 발생합니다.

이 응력이 국부 피로 한계를 초과하면 표면에 미세한 균열이 형성되기 시작합니다. 각 추가 주기마다 균열이 커지고 연결되어 결국에는 박리 또는 파손으로 이어집니다. 복사열 튜브, 체인 주조로용 체인 플레이트 및 AFC 푸셔 헤드와 같은 구성 요소는 모두 동일한 가열 및 냉각 주기에 직면하므로 내열 주조를 평가할 때 열 피로 저항이 핵심 요소입니다.

재료 선택이 첫 번째 방어선입니다

내열강 주물에는 일반적으로 10~30%의 크롬이 포함되어 있으며, 안정적인 오스테나이트 또는 오스테나이트-페라이트 구조를 형성하기 위해 서비스 조건에 따라 니켈과 몰리브덴이 첨가됩니다. 오스테나이트의 원자는 페라이트보다 더 촘촘하게 채워져 있고, 결합력은 더 강하고, 원자 확산은 더 느리기 때문에 재료는 연화되거나 결정립 조대화 없이 고온에서 강도를 유지합니다. 크롬은 또한 표면에 치밀한 Cr2O3 산화 피막을 형성하며, 알루미늄 함량이 높은 합금도 Al2O3 피막을 형성합니다. 이 층은 추가적인 산소 확산을 차단하고, 고온 산화 손상을 줄이며, 열 피로 균열의 시작을 늦춥니다.

대부분의 내열 주물은 650°C~1100°C 사이에서 사용하도록 설계되었으며, 특정 특수 합금은 아래에 요약된 대로 최대 1200°C까지 도달합니다.

원심 주조가 저항을 향상시키는 이유

복사열 튜브 및 용광로 롤러와 같은 원통형 부품의 경우 원심 주조가 확실한 이점을 제공합니다. 용융된 금속을 빠르게 회전하는 주형에 붓는 과정입니다. 밀도가 높은 금속은 원심력에 의해 바깥쪽으로 밀려나고, 기포나 비금속 개재물과 같은 가벼운 원소는 중심을 향해 이동하여 제거될 수 있습니다. 그 결과 구조가 더 조밀하고 다공성 및 수축 결함이 적으며 외부 표면 근처의 입자 크기가 더 미세한 주조물이 탄생했습니다.

이러한 내부 결함은 종종 열 피로 균열의 시작점이 됩니다. 그 이유는 응력이 결함 주위에 집중되고 반복적인 열 사이클링에서 먼저 균열이 발생하는 경향이 있기 때문입니다. 결과적으로 원심 주조 방식으로 생산된 복사열관 및 용광로 롤러는 일반적으로 동일한 벽 두께의 모래 주조 부품보다 더 나은 열 피로 성능과 더 긴 사용 수명을 나타냅니다.

열팽창이 가능한 구조 설계

많은 열 피로 고장은 재료 자체가 아니라 팽창 및 온도 구배를 고려하지 않은 설계로 인해 발생합니다. 다음 사항을 염두에 두어야 합니다.

• 날카로운 모서리와 갑작스러운 전환을 피하십시오. 구멍, 계단 및 플랜지 연결부는 응력 집중을 줄이기 위해 넉넉한 필렛 반경을 사용해야 합니다.
• 벽 두께를 가능한 한 균일하게 유지하십시오. 두께가 갑자기 변하는 경우 가열 및 냉각 속도가 양쪽에서 다르므로 접합부에 추가 응력이 발생합니다. 이것이 바로 Cast Link Belt Furnace용 Furnace Roller 및 Hearth Roll과 같은 부품이 코어가 있거나 비어 있는 경우가 많은 이유입니다. 이는 무게를 줄이고 표면과 코어 온도를 더 가깝게 만듭니다.
• 체인 주조로용 체인 플레이트와 같은 긴 운반 구성 요소의 경우 분할 설계를 통해 각 링크가 독립적으로 확장 및 수축할 수 있어 전체 체인에 걸쳐 큰 축 응력이 축적되는 것을 방지할 수 있습니다.
• 용광로 피어와 AFC 용광로 롤러 레일 및 롤러는 슬라이딩 간격이나 확장 간격을 두고 설치해야 합니다. 그래야 굽힘 응력이 추가되는 고정 지지대에 의해 구속되는 대신 롤러와 레일이 가열될 때 자유롭게 늘어날 수 있습니다.

열처리와 전용 치구가 함께 작용

주조 후 열처리는 열피로를 예방하는 또 다른 중요한 단계입니다. 주조로 인한 잔류 응력이 노멀라이징 및 템퍼링을 통해 완화되지 않으면 작동 열 응력이 추가되고 부품이 더 빨리 균열됩니다. 냉각 방법은 보호 산화막의 품질에도 영향을 미칩니다. 용액 어닐링으로 인해 부품이 수냉식인지 서냉식인지에 따라 밀도가 다른 필름이 생성되므로 냉각 주기를 테스트하고 특정 합금 및 서비스 조건에 따라 선택해야 합니다.

실제 생산에서 열처리 고정구, 웨딩 열처리 고정구, 열처리 베이스 트레이 및 정밀 주조 바구니와 같은 품목은 반복적으로 로드 및 언로드되기 때문에 일반적인 퍼니스 롤러보다 하루에 훨씬 더 많은 가열 및 냉각 주기를 거칩니다. 이러한 이유로 내열 합금으로 주조해야 하며 위에서 설명한 것과 동일한 재료 및 설계 원칙을 따라야 합니다. 올바른 고정 장치를 사용하면 가공물이 용광로 내부에서 더욱 고르게 가열되어 가공 중인 부품의 열 피로를 유발할 수 있는 국부적인 과열을 방지할 수 있습니다.

구성요소별 예방 체크리스트

아래 표에는 설계 및 유지 관리 중 빠른 참조로 유용한 일반적인 열 피로 증상과 일반적인 내열 구성 요소의 주요 예방 조치가 요약되어 있습니다.

정기점검 및 조기경보

올바른 재료와 디자인을 사용하더라도 일상적인 검사를 건너뛰면 초기 균열이 심각한 고장으로 발전할 수 있습니다. 일반적인 방법에는 표면의 네트워크 또는 방사형 균열에 대한 육안 검사, 미세한 균열을 찾기 위한 염료 침투 테스트, 왜곡을 감지하기 위한 퍼니스 롤러의 동심도 및 편향 측정, 비정상적인 온도 구배를 모니터링하기 위해 주요 지점에 열전대 배치 등이 있습니다.

가열 및 냉각 주기의 누적 횟수, 총 작동 시간 등 각 중요 부품에 대한 실행 기록을 유지하여 부품이 설계 수명의 일정 비율에 도달하면 예방적 유지 관리 또는 교체 일정을 계획할 수 있도록 하는 것이 좋습니다. 실제 사례 중 하나에서는 서비스 수명이 3~5년인 Furnace Roller가 비상 정지 중에 급속 냉각을 반복한 후 수명이 6개월 미만으로 단축되었습니다. 이는 작동 방식이 설계만큼 중요하다는 것을 보여줍니다. 가열 및 냉각 속도는 불필요한 열 충격을 피하기 위해 항상 합리적인 범위 내에서 유지되어야 합니다.

모든 것을 하나로 모으기

열피로 예방은 결코 한 번의 해결로 이루어질 수 없습니다. 이는 재료 선택, 주조 공정, 구조 설계, 열처리 및 일상적인 유지 관리의 결합된 효과에서 비롯됩니다. 크롬, 니켈 및 몰리브덴의 적절한 균형 선택부터 원심 주조가 제공하는 밀도 높은 구조, 용광로 롤러, 체인 플레이트 및 AFC 푸셔 헤드에 내장된 열팽창 공간, 열처리 베이스 트레이 및 정밀 주조 바스켓의 지원 역할에 이르기까지 이러한 모든 단계는 균열 발생 및 성장을 어느 정도 지연시킵니다. 엄격한 검사 및 예방적 유지 관리가 결합된 이 접근 방식은 내열 주조품의 서비스 수명을 연장하고 열 피로로 인한 계획되지 않은 가동 중지 시간을 줄이는 동시에 장비를 안전하게 작동하도록 유지합니다.