กระบวนการประกอบแหวนกราไฟต์ด้วยการหดตัวจากความร้อนและการควบคุมอุณหภูมิ: ตั้งแต่การออกแบบความพอดีจนถึงการคำนวณความต่างอุณหภูมิ

การประกอบรัดร้อนของแหวนกราไฟต์และฐานโลหะเป็นกระบวนการสำคัญในการผลิตซีลกล คุณภาพการรัดร้อนส่งผลโดยตรงต่อความสมดุล ความกระชับ และความน่าเชื่อถือในระยะยาวของแหวนซีล จากประสบการณ์การรัดร้อนหลายปี Huahao Sealing Co., Ltd. (霍邱县华豪密封件有限公司) ได้จัดทำข้อกำหนดกระบวนการรัดร้อนอย่างครบถ้วน บทความนี้จะแนะนำหลักการออกแบบและจุดปฏิบัติของกระบวนการรัดร้อนแหวนกราไฟต์อย่างเป็นระบบ

1. หลักการของกระบวนการรัดร้อน

1.1 หลักการพื้นฐานของการรัดร้อน

การรัดร้อนใช้คุณสมบัติการขยายตัวทางความร้อนของฐานโลหะ — เมื่อให้ความร้อน เส้นผ่านศูนย์กลางภายในจะขยายตัว และหลังจากแทรกแหวนกราไฟต์ที่อุณหภูมิห้องเข้าไปแล้ว เมื่อเย็นตัวลงจะเกิดการยึดแน่น

1.2 การเปรียบเทียบกับการรัดเย็น

• การรัดร้อน: ให้ความร้อนฐานโลหะ แทรกแหวนกราไฟต์ที่อุณหภูมิห้อง ข้อดีคือปฏิบัติการง่าย ไม่มีผลกระทบทางความร้อนต่อกราไฟต์
• การรัดเย็น: ทำความเย็นแหวนกราไฟต์ (ไนโตรเจนเหลว -196°C) ให้หดตัวแล้วแทรกเข้าไปในฐานโลหะที่อุณหภูมิห้อง ข้อดีคือฐานโลหะไม่เสียรูป
• การรัดแบบผสม: ให้ความร้อนฐานโลหะและทำความเย็นแหวนกราไฟต์ มีความต่างอุณหภูมิสูงกว่า

การใช้งานในอุตสาหกรรมส่วนใหญ่ใช้การรัดร้อน ซึ่งเป็นหัวข้อหลักของบทความนี้

2. การออกแบบค่าการรัดร้อน

2.1 ค่าการรัดร้อนที่แนะนำ

สูตรคำนวณค่าการรัดร้อน δ:

δ = β · d

โดยที่:

• β: อัตราการรัดร้อน แนะนำ 0.001-0.002 (0.1-0.2%)
• d: เส้นผ่านศูนย์กลางการประกอบ (มม.)

ตัวอย่าง: ขนาด Φ100 มม. อัตราการรัดร้อน 0.15%

δ = 0.0015 × 100 = 0.15 มม.

ค่าการรัดร้อนที่แนะนำสำหรับขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางต่างๆ:

• Φ50 มม.: 0.05-0.10 มม.
• Φ100 มม.: 0.10-0.20 มม.
• Φ200 มม.: 0.20-0.40 มม.
• Φ300 มม.: 0.30-0.60 มม.

2.2 ความเสี่ยงจากการรัดร้อนมากเกินไป

การรัดร้อนมากเกินไปก่อให้เกิดปัญหาดังนี้:

1.ความเครียดจากการประกอบเกินความต้านทานแรงอัดของกราไฟต์ ทำให้เกิดรอยแตกร้าวในแนวรัศมี

2.เส้นผ่านศูนย์กลางภายในของแหวนกราไฟต์หดตัว ส่งผลต่อช่องว่างการประกอบกับเพลา

3.ความเครียดตกค้างสูงหลังการรัดร้อน เสี่ยงต่อความล้มเหลวเมื่อรวมกับความเครียดทางความร้อนในระหว่างการใช้งาน

2.3 ความเสี่ยงจากการรัดร้อนน้อยเกินไป

การรัดร้อนน้อยเกินไปก่อให้เกิด:

1.ฐานโลหะและแหวนกราไฟต์หลวมในระหว่างการใช้งานเนื่องจากการสั่นสะเทือนและการเปลี่ยนอุณหภูมิ

2.ความสมดุลไม่ดี มีการวิ่งออกนอกศูนย์ของผิวซีลมาก

3.ประสิทธิภาพการซีลไม่เสถียร

3. การคำนวณอุณหภูมิการให้ความร้อน

3.1 สูตรคำนวณอุณหภูมิการให้ความร้อน

อุณหภูมิการให้ความร้อนของที่นั่งโลหะ T = T_amb + δ_clear / (α · d)

โดยที่:

• T_amb: อุณหภูมิแวดล้อม (°C) ปกติ 20°C
• δ_clear: การขยายตัวรวมที่พิจารณาช่องว่างการสอด (มม.) δ_clear = δ + 0.05-0.10 มม.
• α: ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนของที่นั่งโลหะ (1/°C)
• d: เส้นผ่านศูนย์กลางการประกอบ (มม.)

3.2 ตัวอย่างการคำนวณ

ที่นั่งเหล็ก Φ100 มม. (α=11.5×10⁻⁶/°C) หดตัวด้วยความร้อนกับแหวนกราไฟต์ โดยมีการรบกวน 0.15 มม.:

δ_clear = 0.15 + 0.10 = 0.25 มม.

T = 20 + 0.25 / (11.5×10⁻⁶ × 100) = 20 + 217 = 237°C

ในทางปฏิบัติ อุณหภูมิการให้ความร้อนจะสูงกว่าค่าที่คำนวณประมาณ 1.1-1.2 เท่า เพื่อให้แน่ใจว่ามีช่องว่างการสอดเพียงพอ:

T_actual = 237 × 1.15 = 273°C

3.3 อุณหภูมิการให้ความร้อนสำหรับวัสดุที่นั่งต่างๆ

| วัสดุที่นั่ง | ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อน (×10⁻⁶/°C) | อุณหภูมิการให้ความร้อนสำหรับ Φ100 มม., การรบกวน 0.15 มม. |

|---------------|----------------------------------------|---------------------------------------------------|

| เหล็ก | 11.5 | 237°C |

| สแตนเลส | 16.0 | 176°C |

| ทองแดง | 17.0 | 168°C |

| อะลูมิเนียม | 23.0 | 130°C |

4. การควบคุมการให้ความร้อนและการทำความเย็น

4.1 อัตราการให้ความร้อน

• อุณหภูมิห้อง→100°C: ≤50°C/ชั่วโมง
• 100-200°C: ≤30°C/ชั่วโมง
• เกิน 200°C: ≤20°C/ชั่วโมง

อัตราการให้ความร้อนที่สูงเกินไปจะทำให้เกิดความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างภายในและภายนอกของที่นั่งโลหะมาก ส่งผลให้เกิดความเค้นความร้อนและการเสียรูป

4.2 เวลาคงอุณหภูมิ

หลังจากถึงอุณหภูมิเป้าหมาย ให้คงอุณหภูมิไว้ 30-60 นาที เพื่อให้ที่นั่งโลหะมีอุณหภูมิสม่ำเสมอ

• ขนาดต่ำกว่า Φ100 มม.: คงอุณหภูมิ 30 นาที
• ขนาด Φ100-200 มม.: คงอุณหภูมิ 45 นาที
• ขนาดเกิน Φ200 มม.: คงอุณหภูมิ 60 นาที

4.3 ขั้นตอนการสอดแหวน

1.วางแหวนกราไฟต์ที่อุณหภูมิห้องบนโต๊ะทำงานที่สะอาด

2.ใช้เทอร์โมมิเตอร์อินฟราเรดวัดอุณหภูมิภายในเส้นผ่านศูนย์กลางของที่นั่งโลหะ เพื่อยืนยันว่าอุณหภูมิเป้าหมายถึงแล้ว

3.สอดที่นั่งโลหะอย่างรวดเร็วบนแหวนกราไฟต์ โดยใช้เวลาทำงานไม่เกิน 30 วินาที

4.ปล่อยให้เย็นลงเองจนถึงอุณหภูมิห้อง

4.4 อัตราการทำความเย็น

• ใช้วิธีเย็นลงเองตามธรรมชาติ ห้ามใช้น้ำหรืออากาศบังคับ
• อัตราการทำความเย็น ≤30°C/ชั่วโมง
• หลังเย็นลงถึงอุณหภูมิห้อง ให้คงไว้ 24 ชั่วโมงก่อนดำเนินการขั้นตอนต่อไป

5. รูปแบบความล้มเหลวทั่วไป

5.1 การแตกร้าวจากความเค้นความร้อน

ลักษณะ: รอยแตกร้าวแนวรัศมีในแหวนกราไฟต์ มักเกิดขึ้นภายใน 24-48 ชั่วโมงหลังการหดตัวด้วยความร้อน

สาเหตุ:

1.อุณหภูมิการให้ความร้อนสูงเกินไป ทำให้เกิดความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างที่นั่งโลหะกับกราไฟต์มากเกินไป

2.อัตราการทำความเย็นสูงเกินไป ทำให้อุณหภูมิภายในและภายนอกของกราไฟต์แตกต่างกันเกิน 80°C

3.การรบกวนสูงเกินไป ทำให้เกิดความเค้นในการประกอบใกล้เคียงกับขีดจำกัดความแข็งแรงของกราไฟต์

5.2 การคลายตัว

ลักษณะ: การเคลื่อนที่สัมพัทธ์ระหว่างที่นั่งโลหะกับแหวนกราไฟต์หลังการใช้งาน

สาเหตุ:

1.การรบกวนไม่เพียงพอ

2.อุณหภูมิการใช้งานสูงกว่าที่ออกแบบไว้ ทำให้การรบกวนถูกชดเชยด้วยความแตกต่างของการขยายตัวทางความร้อน

3.การสั่นสะเทือนทำให้เกิดการสึกหรอแบบเสียดสีที่ผิวสัมผัสการประกอบ

5.3 การเบี่ยงเบนความเป็นศูนย์กลาง

ลักษณะ: การวิ่งออกแนวรัศมีของผิวซีลมากกว่า 0.02 มม.

สาเหตุ:

1.การให้ความร้อนที่ไม่สม่ำเสมอของที่นั่งโลหะทำให้เกิดการเสียรูป

2.แหวนกราไฟต์ไม่ได้อยู่ศูนย์กลางในระหว่างการสอด

3.ความแม่นยำในการกลึงรูของที่นั่งโลหะไม่เพียงพอ

6. การควบคุมคุณภาพ

6.1 การเลือกวิธีการให้ความร้อน

• การให้ความร้อนด้วยไฟฟ้า: ควบคุมอุณหภูมิได้แม่นยำ (±2°C) เหมาะสำหรับที่นั่งขนาดเล็กและขนาดกลาง
• การให้ความร้อนแบบเหนี่ยวนำ: ให้ความร้อนรวดเร็ว อุณหภูมิสม่ำเสมอ เหมาะสำหรับการผลิตจำนวนมาก
• การให้ความร้อนในเตาอบ: อุณหภูมิสม่ำเสมอแต่ช้า เหมาะสำหรับที่นั่งขนาดใหญ่
• การให้ความร้อนด้วยเปลวไฟ: ห้ามใช้ เนื่องจากอุณหภูมิไม่สม่ำเสมอและเสี่ยงต่อการร้อนเกินไป

6.2 รายการตรวจสอบ

1.ก่อนการหดร้อน: วัดเส้นผ่านศูนย์กลางด้านในของที่นั่งโลหะและเส้นผ่านศูนย์กลางด้านนอกของแหวนกราไฟต์ คำนวณการรบกวนจริง

2.24 ชั่วโมงหลังการหดร้อน: ตรวจสอบแหวนกราไฟต์ว่ามีรอยแตกหรือไม่

3.48 ชั่วโมงหลังการหดร้อน: ตรวจสอบความสมมาตร (การวิ่งรัศมี ≤0.02 มม.)

4.72 ชั่วโมงหลังการหดร้อน: ทดสอบการซีล

บทสรุป

กระบวนการหดร้อนแหวนกราไฟต์เป็นขั้นตอนสำคัญในการผลิตซีลกล จำเป็นต้องควบคุมอย่างเข้มงวดทั้งการรบกวน อุณหภูมิความร้อน และอัตราการให้ความร้อน/การทำความเย็น Huahao Sealing Co., Ltd. มีอุปกรณ์หดร้อนครบครันและระบบการควบคุมคุณภาพที่สมบูรณ์ เพื่อให้ได้ชุดประกอบแหวนกราไฟต์และที่นั่งโลหะที่มีความแม่นยำสูง กรุณาติดต่อทีมเทคนิคของเรา — เราจะให้คำแนะนำโซลูชันการหดร้อนที่เหมาะสมที่สุดโดยอิงจากประสบการณ์กระบวนการระดับมืออาชีพ