วิธีการระบายความร้อนให้กับท่อเหล็กขนาดใหญ่หลังจากกระบวนการชุบแข็ง

ท่อเหล็กไม่เพียงแต่ใช้ในการขนส่งของเหลวและของแข็งที่เป็นผง แลกเปลี่ยนพลังงานความร้อน และผลิตชิ้นส่วนเครื่องจักรและภาชนะบรรจุเท่านั้น แต่ยังเป็นเหล็กชนิดหนึ่งที่มีราคาประหยัดอีกด้วย การใช้ท่อเหล็กในการทำโครงสร้างอาคาร เสา และส่วนรองรับทางกล สามารถลดน้ำหนัก ประหยัดโลหะได้ 20-40% และช่วยให้การก่อสร้างเป็นแบบอัตโนมัติเหมือนโรงงาน การใช้ท่อเหล็กในการสร้างสะพานถนนไม่เพียงแต่ช่วยประหยัดเหล็กและทำให้การก่อสร้างง่ายขึ้นเท่านั้น แต่ยังช่วยลดพื้นที่ของสารเคลือบป้องกันได้อย่างมาก ช่วยประหยัดเงินลงทุนและค่าบำรุงรักษาท่อเหล็กขนาดใหญ่ท่อเหล็กมีลักษณะเป็นโพรง และความยาวจะมากกว่าเส้นผ่านศูนย์กลางหรือเส้นรอบวงของเหล็กมาก โดยแบ่งตามรูปทรงหน้าตัดได้เป็น ท่อเหล็กกลม สี่เหลี่ยมจัตุรัส สี่เหลี่ยมผืนผ้า และรูปทรงพิเศษ แบ่งตามวัสดุได้เป็น ท่อเหล็กโครงสร้างคาร์บอน ท่อเหล็กโครงสร้างโลหะผสมต่ำ ท่อเหล็กอัลลอย และท่อเหล็กผสม แบ่งตามการใช้งานได้เป็น ท่อส่งน้ำ ท่อโครงสร้างทางวิศวกรรม ท่อเหล็กสำหรับอุปกรณ์ความร้อน อุตสาหกรรมปิโตรเคมี การผลิตเครื่องจักร การเจาะทางธรณีวิทยา อุปกรณ์แรงดันสูง เป็นต้น และแบ่งตามกระบวนการผลิตได้เป็น ท่อเหล็กไร้รอยต่อและท่อเหล็กเชื่อม ซึ่งท่อเหล็กไร้รอยต่อแบ่งออกเป็นสองประเภท คือ รีดร้อนและรีดเย็น (ดึง) ส่วนท่อเหล็กเชื่อมแบ่งออกเป็น ท่อเหล็กเชื่อมตะเข็บตรงและท่อเหล็กเชื่อมตะเข็บเกลียว

ก่อนอื่น กระบวนการอบชุบความร้อนของท่อเหล็กขนาดใหญ่คืออะไร?
(1) ในระหว่างกระบวนการอบชุบความร้อน สาเหตุของการเปลี่ยนแปลงรูปทรงเรขาคณิตของท่อเหล็กขนาดใหญ่คือผลของความเค้นจากการอบชุบความร้อน ความเค้นจากการอบชุบความร้อนเป็นประเด็นที่ค่อนข้างซับซ้อน ไม่เพียงแต่เป็นสาเหตุของข้อบกพร่อง เช่น การเสียรูปและรอยแตก แต่ยังเป็นวิธีการสำคัญในการปรับปรุงความแข็งแรงต่อความล้าและอายุการใช้งานของชิ้นงานอีกด้วย
(2) ดังนั้น จึงเป็นสิ่งสำคัญที่จะต้องเข้าใจกลไกและกฎการเปลี่ยนแปลงของความเค้นจากการอบชุบความร้อน และต้องเชี่ยวชาญวิธีการควบคุมความเค้นภายใน ความเค้นจากการอบชุบความร้อนหมายถึงความเค้นที่เกิดขึ้นภายในชิ้นงานเนื่องจากปัจจัยการอบชุบความร้อน (กระบวนการทางความร้อนและกระบวนการเปลี่ยนแปลงโครงสร้าง)
(3) เป็นการสมดุลในตัวเองในปริมาตรทั้งหมดหรือบางส่วนของชิ้นงาน ดังนั้นจึงเรียกว่าความเค้นภายใน ความเค้นจากการอบชุบความร้อนแบ่งออกเป็นความเค้นดึงและความเค้นอัดตามลักษณะการกระทำ สามารถแบ่งออกเป็นความเค้นทันทีและความเค้นตกค้างตามเวลาการกระทำ และสามารถแบ่งออกเป็นความเค้นจากความร้อนและความเค้นจากเนื้อเยื่อตามสาเหตุของการเกิด
(4) ความเครียดจากความร้อนเกิดจากการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิที่เกิดขึ้นพร้อมกันในส่วนต่างๆ ของชิ้นงานระหว่างกระบวนการให้ความร้อนหรือการทำให้เย็นลง ตัวอย่างเช่น สำหรับชิ้นงานที่เป็นของแข็ง พื้นผิวจะร้อนขึ้นเร็วกว่าแกนกลางเสมอเมื่อได้รับความร้อน และแกนกลางจะเย็นลงช้ากว่าพื้นผิวเมื่อถูกทำให้เย็นลง ทั้งนี้เนื่องจากการดูดซับและการกระจายความร้อนเกิดขึ้นผ่านทางพื้นผิว
(5) สำหรับท่อเหล็กขนาดใหญ่ที่มีองค์ประกอบและสถานะการจัดเรียงตัวไม่เปลี่ยนแปลง ที่อุณหภูมิต่างกัน ตราบใดที่ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเชิงเส้นไม่เท่ากับศูนย์ ปริมาตรจำเพาะจะเปลี่ยนแปลง ดังนั้น ในระหว่างกระบวนการให้ความร้อนหรือการทำให้เย็นลง จะมีช่องว่างระหว่างพื้นผิวและศูนย์กลางของชิ้นงาน ทำให้เกิดความเค้นภายในแบบดึงกัน เห็นได้ชัดว่ายิ่งความแตกต่างของอุณหภูมิที่เกิดขึ้นภายในชิ้นงานมากเท่าใด ความเค้นจากความร้อนก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น

ประการที่สอง จะระบายความร้อนให้กับท่อเหล็กขนาดใหญ่หลังจากกระบวนการชุบแข็งได้อย่างไร?
(1) ในระหว่างกระบวนการชุบแข็ง ชิ้นงานจะต้องถูกทำให้ร้อนถึงอุณหภูมิที่สูงขึ้นและทำให้เย็นลงในอัตราที่เร็วขึ้น ดังนั้น ในระหว่างการชุบแข็ง โดยเฉพาะอย่างยิ่งในระหว่างกระบวนการทำให้เย็นลงหลังการชุบแข็ง จะเกิดความเค้นทางความร้อนอย่างมาก เมื่อลูกเหล็กที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 26 มม. ถูกทำให้เย็นลงในน้ำหลังจากได้รับความร้อนที่ 700°C อุณหภูมิของพื้นผิวและแกนกลางจะเปลี่ยนแปลง
(2) ในช่วงเริ่มต้นของการระบายความร้อน อัตราการระบายความร้อนของพื้นผิวจะสูงกว่าของแกนกลางอย่างมาก และความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างพื้นผิวและแกนกลางจะเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง เมื่อการระบายความร้อนดำเนินต่อไป อัตราการระบายความร้อนของพื้นผิวจะช้าลง ในขณะที่อัตราการระบายความร้อนของแกนกลางจะเพิ่มขึ้น เมื่ออัตราการระบายความร้อนของพื้นผิวและแกนกลางเกือบเท่ากัน ความแตกต่างของอุณหภูมิจะถึงค่ามาก
(3) ต่อมา อัตราการเย็นตัวของแกนกลางจะมากกว่าอัตราการเย็นตัวของพื้นผิว และความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างพื้นผิวกับแกนกลางจะค่อยๆ ลดลง จนกระทั่งความแตกต่างของอุณหภูมิหายไปเมื่อแกนกลางเย็นตัวลงอย่างสมบูรณ์ กระบวนการสร้างความเครียดทางความร้อนระหว่างการเย็นตัวอย่างรวดเร็ว
(4) ในช่วงเริ่มต้นของการระบายความร้อน ชั้นผิวจะเย็นตัวลงอย่างรวดเร็ว และความแตกต่างของอุณหภูมิจะเริ่มเกิดขึ้นระหว่างชั้นผิวกับแกนกลาง เนื่องจากคุณสมบัติทางกายภาพของการขยายตัวและการหดตัวจากความร้อน ปริมาตรของผิวจะต้องหดตัวลงอย่างน่าเชื่อถือ แต่เนื่องจากอุณหภูมิของแกนกลางยังคงสูงและปริมาตรจำเพาะมีขนาดใหญ่ จึงทำให้ผิวไม่สามารถหดตัวเข้าด้านในได้อย่างอิสระ ส่งผลให้เกิดความเครียดจากความร้อน โดยที่ผิวถูกยืดออกและแกนกลางถูกบีบอัด
(5) เมื่อการระบายความร้อนดำเนินต่อไป ความแตกต่างของอุณหภูมิที่กล่าวถึงข้างต้นจะเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง และความเค้นจากความร้อนที่เกิดขึ้นก็จะเพิ่มขึ้นตามไปด้วย เมื่อความแตกต่างของอุณหภูมิมีค่ามาก ความเค้นจากความร้อนก็จะมากเช่นกัน หากความเค้นจากความร้อนในขณะนี้ต่ำกว่าความแข็งแรงคราของเหล็กที่อุณหภูมิที่สอดคล้องกัน จะไม่ทำให้เกิดการเสียรูปพลาสติก แต่จะเกิดการเสียรูปยืดหยุ่นเพียงเล็กน้อยเท่านั้น
(6) เมื่ออุณหภูมิลดลงต่อไป อัตราการเย็นตัวของพื้นผิวจะช้าลง และอัตราการเย็นตัวของแกนกลางจะเพิ่มขึ้นตามไปด้วย ความแตกต่างของอุณหภูมิมีแนวโน้มลดลง และความเครียดจากความร้อนจะค่อยๆ ลดลง เมื่อความเครียดจากความร้อนลดลง การเสียรูปยืดหยุ่นข้างต้นก็จะลดลงตามไปด้วย