วิธีการที่เตาแก๊สถ่ายเทความร้อนจากเปลวไฟไปยังชิ้นงานนั้นเป็นตัวกำหนดคุณภาพของผลิตภัณฑ์ ประสิทธิภาพการใช้พลังงาน และขอบเขตของกระบวนการที่เตาสามารถทำได้ วิธีการพื้นฐานสามวิธี ได้แก่ การเผาไหม้โดยตรง การเผาไหม้โดยอ้อมโดยใช้ปล่องควัน และท่อความร้อน แต่ละวิธีมีข้อดีของตัวเอง และการเลือกวิธีที่ไม่เหมาะสมกับงานจะนำไปสู่ปัญหาด้านคุณภาพ ค่าใช้จ่ายด้านพลังงานที่สูงเกินไป หรือทั้งสองอย่าง
MONTE INTELLIGENCE จำหน่ายเตาอบที่ใช้ก๊าซเป็นเชื้อเพลิงในทั้งสามรูปแบบ บทความนี้จะเปรียบเทียบการออกแบบเหล่านี้โดยพิจารณาจากเกณฑ์ที่สำคัญสำหรับการปฏิบัติงานด้านการอบชุบความร้อน
เตาเผาแบบเผาไหม้โดยตรงจะเผาไหม้ก๊าซธรรมชาติ (หรือก๊าซเชื้อเพลิงอื่นๆ) โดยตรงในห้องเผาไหม้ และผลิตภัณฑ์จากการเผาไหม้ ได้แก่ เปลวไฟและก๊าซไอเสียร้อน จะสัมผัสกับชิ้นงานโดยตรง หัวเผาจะจุดไฟในห้องเผาไหม้ ก๊าซร้อนจะไหลเวียนรอบๆ ชิ้นงาน (โดยการพาความร้อนตามธรรมชาติหรือพัดลมหมุนเวียน) และก๊าซไอเสียจะออกทางปล่องไฟ นี่คือการกำหนดค่าที่ง่ายที่สุดและประหยัดพลังงานที่สุด เนื่องจากไม่มีสิ่งกีดขวางระหว่างแหล่งความร้อนและชิ้นงาน พลังงานจากการเผาไหม้ทั้งหมดจึงสามารถนำไปใช้ในการให้ความร้อนแก่ชิ้นงานได้ ยกเว้นความร้อนสัมผัสที่ถูกนำพาไปกับก๊าซไอเสีย
ข้อจำกัดของการให้ความร้อนโดยตรงคือชิ้นงานจะสัมผัสกับบรรยากาศการเผาไหม้ ผลิตภัณฑ์จากการเผาไหม้ประกอบด้วยคาร์บอนไดออกไซด์ (CO2) และไอน้ำ (H2O) ซึ่งทั้งสองอย่างจะทำปฏิกิริยากับเหล็กที่อุณหภูมิการอบชุบ เหล็กที่ได้รับความร้อนในเตาเผาโดยตรงจะเกิดคราบออกไซด์ (คราบจากโรงงาน) บนพื้นผิว สำหรับการใช้งานหลายอย่าง เช่น การอุ่นก่อนการตีขึ้นรูป การทำให้เป็นปกติ การคลายความเครียด การอบอ่อนก่อนการกลึง คราบนี้เป็นที่ยอมรับได้เพราะจะถูกกำจัดออกไปในขั้นตอนการแปรรูปต่อไป หรือไม่เป็นอันตรายต่อผลิตภัณฑ์
การให้ความร้อนโดยตรงไม่เหมาะสมในกรณีที่คุณภาพของพื้นผิวมีความสำคัญอย่างยิ่ง กระบวนการต่างๆ เช่น การคาร์บูไรซิ่ง การคาร์โบไนไตรซิ่ง การชุบแข็งแบบเงา และกระบวนการใดๆ ที่ต้องการศักยภาพของคาร์บอนที่เฉพาะเจาะจง ไม่สามารถทนต่อบรรยากาศที่ไม่สามารถควบคุมได้ของผลิตภัณฑ์จากการเผาไหม้ สำหรับการใช้งานเหล่านี้ ผลิตภัณฑ์จากการเผาไหม้จะต้องแยกออกจากชิ้นงาน ซึ่งนำไปสู่การใช้การให้ความร้อนโดยอ้อม
เตาเผาแบบใช้ความร้อนทางอ้อมใช้ตัวกันไฟ (muffle) ซึ่งเป็นวัสดุโลหะผสมหรือเซรามิกทนความร้อนที่แยกห้องเผาไหม้ออกจากห้องชิ้นงาน หัวเผาจะจุดไฟจากภายนอกตัวกันไฟ ทำให้ผนังตัวกันไฟร้อนขึ้น และความร้อนจะแผ่ไปยังชิ้นงานภายใน ภายในตัวกันไฟจะมีการควบคุมบรรยากาศ เช่น ก๊าซดูดความร้อน ไนโตรเจน-ไฮโดรเจน เป็นต้น เพื่อป้องกันชิ้นงาน ผลิตภัณฑ์จากการเผาไหม้จะไม่สัมผัสกับชิ้นงานโดยตรง
ปล่องควันเป็นส่วนประกอบสำคัญของเตาหลอมประเภทนี้ สำหรับอุณหภูมิสูงถึงประมาณ 950°C ปล่องควันสามารถผลิตจากโลหะผสมทนความร้อนได้ เช่น RA330, Incoloy 800HT หรือโลหะผสมนิกเกิลสูงแบบหล่อ ซึ่งมีอายุการใช้งาน 3-5 ปี สำหรับอุณหภูมิที่สูงกว่านั้น สูงถึง 1150°C จะใช้ปล่องควันซิลิคอนคาร์ไบด์ แต่ปล่องควันชนิดนี้เปราะและมีราคาแพงกว่า ปล่องควันคิดเป็นต้นทุนการลงทุนที่สำคัญ โดยทั่วไปประมาณ 15-25% ของต้นทุนเตาหลอมทั้งหมด และการเปลี่ยนปล่องควันในที่สุดจะเป็นค่าใช้จ่ายในการบำรุงรักษาที่สำคัญ
ข้อเสียของการใช้ปล่องควันคือการลดลงของอุณหภูมิที่ผนังปล่องควัน ในการให้ความร้อนแก่ห้องทำงานจนถึง 850°C อุณหภูมิในห้องเผาไหม้จะต้องสูงกว่านั้น โดยทั่วไปอยู่ที่ 950-1050°C เพื่อให้เกิดแรงขับเคลื่อนในการถ่ายเทความร้อนผ่านปล่องควัน อุณหภูมิในห้องเผาไหม้ที่สูงขึ้นหมายถึงอุณหภูมิของก๊าซไอเสียที่สูงขึ้นและการสูญเสียความร้อนที่มากขึ้น ทำให้ประสิทธิภาพเชิงความร้อนของเตาเผาลดลง 10-20% เมื่อเทียบกับเตาเผาแบบเผาไหม้โดยตรงที่มีขนาดเท่ากัน
การให้ความร้อนด้วยท่อแผ่รังสีเป็นรูปแบบหนึ่งของการให้ความร้อนทางอ้อมซึ่งกลายเป็นมาตรฐานสำหรับเตาเผาแบบต่อเนื่อง รวมถึงเตาเผาแบบสายพานตาข่าย แทนที่จะใช้ปล่องไฟขนาดใหญ่เพียงปล่องเดียว เตาเผาจะใช้ท่อแผ่รังสีหลายท่อ ซึ่งเป็นท่อโลหะผสมที่ปิดสนิทและวางอยู่ภายในห้องเผา หัวเผาจะทำงานอยู่ภายในท่อ ผลิตภัณฑ์จากการเผาไหม้จะไหลผ่านท่อ (มักมีการหมุนเวียนภายในเพื่อปรับปรุงความสม่ำเสมอในการถ่ายเทความร้อน) และระบายออกทางปลายอีกด้านหนึ่ง พื้นผิวด้านนอกของท่อจะแผ่ความร้อนไปยังชิ้นงาน
ท่อความร้อนแบบแผ่รังสีมีข้อดีหลายประการเหนือกว่าเตาเผาแบบใช้ปลอกเดี่ยว ท่อสามารถจัดเรียงเพื่อให้ความร้อนสม่ำเสมอยิ่งขึ้น โดยทั่วไปจะจัดเรียงเป็นแถวเหนือและใต้ชิ้นงาน ซึ่งต่างจากเตาเผาแบบใช้ปลอกเดี่ยวที่ให้ความร้อนจากด้านข้างและด้านบนเป็นหลัก ท่อแต่ละท่อสามารถถอดและเปลี่ยนได้โดยไม่ต้องเปิดห้องเตาเผา ช่วยลดเวลาในการบำรุงรักษา เส้นผ่านศูนย์กลางของท่อมีขนาดเล็กพอ (โดยทั่วไป 100-200 มม.) ทำให้ความหนาของผนังท่ออยู่ในระดับปานกลาง (5-8 มม.) ในขณะที่ยังคงให้ความแข็งแรงทางกลและความต้านทานการกัดกร่อนที่เพียงพอ
การออกแบบท่อความร้อนแบบแผ่รังสีที่พบได้บ่อยที่สุดคือท่อรูปตัว U: หัวเผาจุดไฟเข้าไปในขาข้างหนึ่งของตัว U ก๊าซจากการเผาไหม้จะไหลไปยังปลายปิดและไหลกลับผ่านขาอีกข้างหนึ่งไปยังท่อไอเสีย การออกแบบนี้ให้การถ่ายเทความร้อนที่ดีเนื่องจากเปลวไฟที่มีอุณหภูมิสูงอยู่ในขาข้างหนึ่งและก๊าซไอเสียที่เย็นกว่าอยู่ในอีกขาหนึ่ง ทำให้ได้อุณหภูมิพื้นผิวท่อที่สม่ำเสมอกว่าการออกแบบแบบตรงไปตรงมา ท่อรูปตัว W และท่อแบบปลายเดียวที่มีตัวแลกเปลี่ยนความร้อน (SER tubes) ใช้สำหรับงานที่ต้องการการปล่อยความร้อนต่อท่อสูงกว่า
การเลือกวัสดุท่อขึ้นอยู่กับอุณหภูมิของเตาเผา สำหรับอุณหภูมิสูงถึง 950°C ท่อโลหะผสม HK-40 (25% Cr, 20% Ni) หรือ HP (25% Cr, 35% Ni) ที่หล่อขึ้นรูปจะให้ประสิทธิภาพการใช้งานที่เพียงพอ สำหรับอุณหภูมิที่สูงกว่าหรือในบรรยากาศที่มีก๊าซคาร์บอนไนซ์ที่อาจทำให้เกิดฝุ่นโลหะ จำเป็นต้องใช้โลหะผสมนิกเกลที่มีปริมาณนิกเกลสูงกว่าหรือท่อเซรามิก (ซิลิคอนคาร์ไบด์) อายุการใช้งานของท่อในการใช้งานอบชุบความร้อนทั่วไปอยู่ระหว่าง 2-5 ปี โดยลักษณะความเสียหาย ได้แก่ การแตกร้าวจากการคืบ (จากการสัมผัสกับอุณหภูมิสูงเป็นเวลานานภายใต้น้ำหนักของท่อเอง) การออกซิเดชัน (ผนังท่อบางลงจากด้านการเผาไหม้) และการคาร์บอนไนซ์ (การดูดซับคาร์บอนที่ทำให้ท่อเปราะ)
MONTE INTELLIGENCE แนะนำการกำหนดค่าความร้อนโดยพิจารณาจากอุณหภูมิของกระบวนการ ข้อกำหนดของบรรยากาศ ปริมาณการผลิต และงบประมาณด้านเงินทุน สำหรับการอุ่นก่อนการตีขึ้นรูปและการทำให้เป็นปกติ การให้ความร้อนโดยตรงให้ผลลัพธ์ที่คุ้มค่าที่สุด สำหรับการอบชุบด้วยความร้อนในบรรยากาศควบคุม การออกแบบท่อความร้อนหรือเตาเผาแบบปิดจะถูกกำหนดโดยพิจารณาจากรูปทรงของเตาและอุณหภูมิในการทำงาน
หากต้องการคำแนะนำเกี่ยวกับการกำหนดค่าเตาแก๊สที่เหมาะสมกับกระบวนการของคุณ โปรดติดต่อ helenxu@cnlymonte.com
