Tại sao một số thiết kế hỗ trợ gây ra căng thẳng ẩn?

Trong nhiều hệ thống lò nung, cấu trúc hỗ trợ được thiết kế chủ yếu để:

• định vị,
• chịu tải,
• và ổn định cơ học.

Tuy nhiên, phân tích thực tế cho thấy:

một số thiết kế hỗ trợ có thể vô tình tạo ra ứng suất nội bộ ẩn bên trong con lăn SiC.

Những ứng suất này có thể không nhìn thấy được trong quá trình lắp đặt hoặc vận hành bình thường,
nhưng có thể làm giảm đáng kể độ tin cậy lâu dài.

Nhiều hệ thống hỗ trợ trông có vẻ:

• cứng,
• ổn định,
• và chắc chắn về mặt cơ học.

Ở nhiệt độ phòng:

• con lăn có thể quay bình thường,
• sự thẳng hàng có vẻ chấp nhận được,
• và không phát hiện vấn đề rõ ràng.

Tuy nhiên, ở:

• 1200–1700°C,

sự giãn nở nhiệt làm thay đổi:

• điều kiện tiếp xúc,
• phân bố tải trọng,
• và sự ràng buộc cấu trúc.

Kết quả là:

• ứng suất tích lũy bên trong có thể cao hơn nhiều so với dự kiến.

Một vấn đề phổ biến là:

• sự ràng buộc cấu trúc quá mức.

Ví dụ bao gồm:

• khối hỗ trợ cứng,
• hình học tiếp xúc chặt chẽ,
• cấu trúc đầu cố định,
• lực ép hỗ trợ không đều,
• hoặc lực kẹp quá mức.

Những điều kiện này ngăn cản:

• chuyển động nhiệt tự do.

Thay vì giãn nở tự nhiên,
con lăn trở nên:

• bị khóa một phần,
  điều này tạo ra:
• ứng suất nén bên trong trong quá trình gia nhiệt,
• và ứng suất kéo trong quá trình làm mát.

Ứng suất hiếm khi được phân bố đều.

Trong hầu hết các trường hợp:

• các vùng tiếp xúc cục bộ chịu ứng suất cao hơn nhiều.

Các vị trí đặc biệt quan trọng bao gồm:

• cạnh hỗ trợ,
• giao diện trục,
• vùng tiếp xúc góc,
• và các điểm hỗ trợ cục bộ.

Những khu vực này trở thành:

• vùng tập trung ứng suất,
  ngay cả khi tải trọng tổng thể có vẻ bình thường.

Các sai lệch nhỏ của hỗ trợ có thể ảnh hưởng mạnh mẽ đến:

• áp suất tiếp xúc,
• hành vi uốn,
• và biến dạng nhiệt.

Ví dụ:

• sự khác biệt nhỏ về chiều cao,
• độ nghiêng góc,
• lực lò xo không đồng nhất,
• hoặc sự mài mòn cục bộ của các bộ phận hỗ trợ.

Những điều kiện này gây ra:

• truyền tải không đều,
• mômen uốn thứ cấp,
• và phân bố ứng suất bất đối xứng.

Qua các chu kỳ nhiệt lặp đi lặp lại:

• tổn thương cục bộ dần dần tích lũy.

Nhiều lỗi do ứng suất ẩn không xảy ra trong:

• vận hành ổn định.

Thay vào đó:

• lỗi thường xuất hiện trong quá trình tắt máy.

Tại sao?

Bởi vì:

• bề mặt nguội nhanh hơn,
• nhiệt độ bên trong vẫn cao hơn,
• và sự co lại do nhiệt bị hạn chế.

Điều này tạo ra:

• ứng suất kéo gần bề mặt và các vùng hỗ trợ.

Đối với vật liệu gốm giòn:

• ứng suất kéo rất nguy hiểm.

Kết quả là:

• vết nứt thường bắt đầu tại các khu vực tập trung ứng suất liên quan đến hỗ trợ.

Ứng suất ẩn do hỗ trợ gây ra thường tạo ra:

• nứt cạnh,
• gãy vùng hỗ trợ,
• vỡ vụn cục bộ,
• mài mòn bất đối xứng,
• hoặc lỗi đột ngột giống như sốc nhiệt.

Trong nhiều trường hợp:

• bản thân vật liệu không có lỗi.

Nguyên nhân gốc rễ thực sự là:

ứng suất do ràng buộc hỗ trợ và truyền tải không đều.

Hệ thống hỗ trợ không chỉ nên:

• chịu tải,
  mà còn:
• thích ứng với chuyển động nhiệt.

Cấu trúc hỗ trợ lò xo hoặc cấu trúc nổi giúp:

• phân phối lại lực tiếp xúc,
• hấp thụ sự thay đổi kích thước,
• giảm sự ràng buộc cục bộ,
• và giảm thiểu sự tập trung ứng suất.

Điều này đặc biệt quan trọng đối với:

• lò nung dài,
• chu kỳ nhiệt nhanh,
• và hệ thống con lăn có khẩu độ lớn.

Ứng suất ẩn nguy hiểm vì:

• không có biến dạng nhìn thấy được có thể xuất hiện,
• con lăn có thể vẫn thẳng,
• và hoạt động ban đầu có vẻ ổn định.

Tuy nhiên:

• ứng suất bên trong tiếp tục tích lũy trong các chu kỳ nhiệt.

Cuối cùng:

• các vết nứt nhỏ lan rộng,
  dẫn đến:
• lỗi bất ngờ sau thời gian dài vận hành.

Hoạt động con lăn đáng tin cậy phụ thuộc không chỉ vào:

• độ bền vật liệu,
  mà còn vào:
• độ linh hoạt của hỗ trợ,
• dung sai giãn nở nhiệt,
• hình học tiếp xúc,
• và hành vi phân bố tải trọng.

Trong các hệ thống gốm nhiệt độ cao:

thiết kế hỗ trợ là một phần của chính hệ thống ứng suất.

Một số cấu trúc hỗ trợ tạo ra ứng suất ẩn vì chúng hạn chế sự giãn nở nhiệt và tạo ra sự ràng buộc cục bộ không đều.

Đối với các hệ thống con lăn SiC đáng tin cậy:

• các bộ phận hỗ trợ phải cho phép chuyển động có kiểm soát,
• phân bố tải trọng đồng đều,
• và giảm thiểu sự tập trung ứng suất cục bộ trong chu kỳ nhiệt.

Đối với các lò nung con lăn trên cao nhiệt độ cao, con lăn bằng silicon carbide thiêu kết áp suất (SSiC) được sử dụng rộng rãi vì độ ổn định nhiệt, khả năng chống oxy hóa và độ tin cậy về kích thước lâu dài.

Shaanxi Kegu New Material Technology Co., Ltd.