（测试计量技术及仪器专业论文）不锈钢管固溶处理装置研究.pdf

硕士学位论文 摘要 在管式换热器的生产中，由于不锈钢u 形管冷弯成型使得u 形管r 部位晶间结 构发生变化，引起材料的抗腐蚀能力下降。当u 形管工作时受到较严重腐蚀作用 会发生破裂。所以在制造过程中，不锈钢u 形管的固溶处理，恢复晶间结构也是 非常重要的一个环节。 u 形管的制造工艺要求必须进行固溶处理，恢复晶问结构。常规的固溶处理 虽然可以进行处理，但是处理效率低，工人的劳动强度大，处理过程的稳定性差， 使处理效果不理想。国外的u 形管固溶处理设备虽然先进，但价格昂贵，而且难 以维护。目前，国内只有少数几家企业有设计开发此装置的经历，但是都没有定 型产品推向市场，并且他们基本都是根据自己企业特殊情况设计开发的，不能推 广为其他企业所用。 基于此背景，在使用厂家的要求下，我们对此装置进行了开发研究。本课题 在对固溶处理工艺要求、工况条件分析之后，采用了以单片机为控制系统的核心， 强电无触点控制加热、红外测温仪测温并实时传给控制器、冷却水冷却、气体快 速排水等环节。给出了加电控制算法，实现了固溶处理的自动化处理，并且提高 了目前存在的温度测量不准确，反应慢且不稳定的问题。本课题主要完成的工作 包括： ( 1 ) 固溶处理装置方案分析确定。通过搜集国内外相关资料、对各种方案分 析论证之后，确定了加热系统、温度信号采集系统、冷却系统等环节的方案。 ( 2 ) 固溶处理装置的机械结构分析改进，包括u 形管夹紧、松开结构、支架 系统、冷却系统的各部分改进。 ( 3 ) 固溶处理装置的关键电气控制环节硬件设计，包括加热系统、温度信号 采集系统、冷却系统相关功能部分电路设计。 ( 4 ) 固溶处理装置的软件开发，给出了系统主程序流程图、初始化、温度控 制系统程序和中断子程序流程图。 ( 5 ) 固溶处理装置的人机界面开发，包括液晶显示器选型及硬件电路连接和 部分功能模块程序设计；键盘和指示灯电路设计等。 关键词：不锈钢u 形管；固溶处理；单片机；控制 不锈钢管固溶处理装置研究 a b s t r a c t i nt h em a n u f a c t u r i n go ft u b eh e a te x c h a n g e r ，s t a i n l e s ss t e e lu s h a p e dt u b er o l l f o r m i n gm a k e su - s h a p e dt u b ers i t e sc r y s t a ls t r u c t u r ec h a n g e st h u st h em a t e r i a l a n t i 。c o r r o s i o np e r f o r m a n c ed e c l i n e u s h a p e dt u b e r u p t u r e sw h e ns e r i o u ss t r e s s c o r r o s i o no c c u r sa tw o r k i n g s o ，i nt h ep r o c e s so fp r o d u c t i o n ，t h es o l u t i o nt r e a t m e n t o fs t a i n l e s ss t e e lu s h a p e dt u b et or e c o v e rc r y s t a ls t r u c t u r ei sa l s oa v e r yi m p o r t a n t l i n k u s h a p e dt u b em a n u f a c t u r i n gt e c h n i q u e sr e q u e s t ss o l u t i o nt r e a t m e n tt or e c o v e r c r y s t a ls t r u c t u r e a l t h o u g ht h ec o n v e n t i o n a lm e t h o do fs o l u t i o nt r e a t m e n tc a nb eu s e d ， i t sp r o c e s s i n ge f f i c i e n c yi s l o w ，w o r k e r sl a b o ri si n t e n s i v e ，s t a b i l i t yo fp r o c e s si s p o o ra n dp r o c e s s i n gr e s u l ti sn o ts a t i s f a c t o r y a l t h o u g hf o r e i g nu t u b es o l u t i o n t r e a t m e n te q u i p m e n t si s a d v a n c e d ，t h e ya r ee x p e n s i v ea n dd i f f i c u l tt om a i n t a i n a t p r e s e n t ，o n l yaf e wc o m p a n i e sh a v et h ee x p e r i e n c eo fd e s i g n i n gt h i sd e v i c ea th o m e h o w e v e r ，n om a t u r ep r o d u c t sw e r es o l di nt h em a r k e ta n dt h e i rd e s i g n i n ga r eb a s e do n t h e i rs p e c i a lc a s e s ，i tc a nn o tb eu s e dt oo t h e rb u s i n e s s e s b a s e do nt h i sb a c k g r o u n da n dt h er e q u i r e m e n to ft h em a n u f a c t u r e r ，w ec a r r i e d o u tt h ed e v e l o p m e n tr e s e a r c ho fd e v i c e a f t e rt h e a n a l y s i s o f m a n u f a c t u r i n g t e c h n i q u e sr e q u i r e m e n t sa n dw o r k i n gc o n d i t i o n s ，t h ei s s u eu s e dm c ua st h ec o r eo f a u t o c o n t r o ls y s t e m ，h e a v y c u r r e n tc o n t a c t l e s sc o n t r o lh e a t i n g ，i n f r a r e dt h e r m o m e t e r t e m p e r a t u r em e a s u r e m e n t ，r e a l t i m et e m p e r a t u r es i g n a li st r a n s m i t t e dt om c u ，w a t e r c o o l i n gw a y ，a i rd r a i n a g eq u i c k l ya n ds oo n h e a v y c u r r e n tc o n t r o la l g o r i t h mi sg i v e n ， r e a l i z e st h ea u t o m a t i o no fs o l u t i o nt r e a t m e n ta n di m p r o v e st h a tt h e e x i s t i n g t e m p e r a t u r em e a s u r e m e n ti sn o ta c c u r a t ea n ds l o wr e s p o n s ea n di n s t a b i l i t y t h em a i n t o p i ci n c l u d e s ： ( 1 ) s c h e m ea n a l y s i s a n dd e t e r m i n a t i o no f s o l u t i o nt r e a t m e n t d e v i c e b y c o l l e c t i n gr e l e v a n td a t u ma th o m ea n da b r o a d ，a n a l y s i sa n da p p r a i s a lo fv a r i o u s s c h e m e si sc a r r i e do u t t h eh e a t i n gs y s t e m ，t e m p e r a t u r ed a t aa c q u i s i t i o ns y s t e ma n d c o o l i n gs y s t e ms c h e m eo fs o l u t i o nt r e a t m e n td e v i c ei sd e t e r m i n e d ( 2 ) m e c h a n i c a ls t r u c t u r ea n a l y s i sa n di m p r o v e m e n to fs o l u t i o nt r e a t m e n td e v i c e ， i n c l u d i n gt h es t r u c t u r eu s e dt oc l a m pa n dr e l e a s eu - s h a p e dt u b e ，b r a c k e t ss y s t e ma n d c o o l i n gs y s t e mi sd o n e ( 3 ) h a r d w a r ed e s i g no ft h ek e ye l e c t r i c a lc o n t r o ll i n k so f s o l u t i o nt r e a t m e n t d e v i c ei sd o n e ，a sw e l la sc i r c u i td e s i g no fi n t e r r e l a t e df u n c t i o np a r to ft h eh e a t i n g 硕士学位论文 s y s t e md e s i g n ，t e m p e r a t u r ed a t aa c q u i s i t i o ns y s t e ma n dc o o l i n gs y s t e m ( 4 ) s o f t w a r ed e s i g no fs o l u t i o nt r e a t m e n td e v i c ei sd o n e ，w h i c hi n c l u d e st h em a i n p r o g r a mf l o wc h a r to ft h es y s t e m ，i n i t i a l i z a t i o n ，t h ep r o g r a mo f c o n t r o l l a b l e t e m p e r a t u r es y s t e ma n di n t e r r u p t i o ns u b r o u t i n e ( 5 ) h u m a n - m a c h i n ei n t e r f a c ed e v e l o p m e n to fs o l u t i o nt r e a t m e n td e v i c ei sd o n e ， w h i c hi n c l u d e st y p es e l e c t i o no f l i q u i dc r y s t a ld i s p l a ya n di t sh a r d w a r ec i r c u i t c o n n e c t i v i t ya n dp r o g r a md e s i g no fs o m ef u n c t i o nm o d u l e t h ed e s i g no fk e y b o a r d a n di n d i c a t o rc i r c u i ti sa l s of i n i s h e d k e yw o r d s ：s t a i n l e s ss t e e lu - t u b e ，s o l u t i o nt r e a t m e n t ，m c u ，c o n t r o l m 不锈钢管固溶处理装置研究 插图索引 图2 1 不锈钢u 形管尺寸图9 图2 2 测温偏心1 4 图2 3v 形定位卡头一1 4 图2 4 热电偶温度测量系统原理示意图1 5 图3 1 系统组成图1 7 图3 2 支架夹紧系统结构一1 9 图3 3 动支架及导轨系统2 0 图4 1 强电加热电路2 1 图4 2 控制系统的配置图2 8 图4 3 测温仪温度采集电路2 8 图4 4a d 7 7 9 5 2 9 图4 5a d 7 7 0 5 读数据周期时序3 0 图4 6a d 7 7 0 5 写数据周期时序3 1 图4 7 采样电路3 2 图4 8 绝对值电路3 3 图4 9 过零检测电路3 3 图4 1 0 同步触发电路3 4 图4 1 1 单片机与8 2 5 5 a 的连接电路图3 7 图4 1 2 接触器和电磁阀电磁铁电路3 8 图4 1 38 2 5 5 a 与继电器的连接电路图3 8 图4 1 48 2 5 5 a 与检测开关的连接电路图3 9 图4 1 5x 5 0 4 5 3 9 图4 1 6 看门狗复位电路。4 1 图4 1 7 电平转换电路。4 2 图4 1 8 存储器扩展电路4 3 图5 1 系统程序总流程图4 5 图5 2 读数据流程图4 7 图5 3 系统控制算法4 9 图5 4 交流调功电路典型波形5 0 图5 5 中断服务子程序5 2 图5 6 参数备份流程图5 2 图6 11 2 2 3 2 液晶与单片机连接电路图5 5 i v 硕：仁学位论文 图6 21 2 2 3 2 液晶串行读写操作时序图5 6 图6 31 2 2 3 2 液晶操作程序框图5 6 图6 4 键盘和指示灯电路5 9 图6 5 人机界面图6 0 v 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法 律后果由本人承担。 作者签名：典红 日期：山o 年名月 幺日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保 存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收 录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 e l 期：必扣年多月乒日 日期：扣如年莎月7 日 硕士学位论文 1 1 课题的背景和意义 第1 章绪论 不锈钢管按组织可分为：铁素体不锈钢，如c ，1 7 、c ，1 7 z 、c ，2 8 等；马 氏体不锈钢，如2 c , 1 3 、3 c r l 3 、4 c r l 3 等；奥氏体不锈钢，如0 c , 1 8 n i 9 r , 、 1 c r l 8 m 9 五、c r l 8 n i l 2 m 。2 r , 。由于奥氏体不锈钢含有较高的铬和镍，可形成致 密的氧化膜且热强性高，故奥氏体不锈钢比其他不锈钢具有更优良的耐磨 性、塑性、高温性能和焊接性。 奥氏体的晶间腐蚀( i g c ) 是一种局部腐蚀，遭受这种腐蚀的不锈钢表 面看来还很光亮，但经不起轻轻敲击便会破碎成细粒。由于晶间不易检查， 造成设备的突然破坏，所以危害极大。奥氏体不锈钢是工业中应用最广的 不锈钢之_ ，多半在4 2 7 816 ( 不同牌号的奥氏体不锈钢范围有所差 别) 的敏化范围内，在特定的腐蚀环境中易发生晶间腐蚀，晶间腐蚀还会 加快整体腐蚀。因此，合适的固溶处理、稳定化处理、降低碳及杂质元素 ( 例如，硅、磷和氮等) 在奥氏体不锈钢晶界的含量，消除或防止热加工 或冷加工过程中对材料的影响等，都是降低晶间腐蚀敏感性和防止晶间腐 蚀的有效措施【l l 。 奥氏体不锈钢腐蚀的机理1 2 】：碳在奥氏体中的饱和溶解度小于0 0 2 ， 一般不锈钢的含碳量都高于这个数值，当不锈钢从固溶处理温度冷却下来 时，碳处于过饱和，经过敏化区时，碳和铬形成碳化物( 主要是c ，2 3 ( 7 6 ， e 2 3 c 6 ) 在晶界析出。由于c r 2 3 6 6 ，e 2 3 6 6 含c ，量很高，而c ，在奥氏体中 扩散速率很低，这样就在晶界两侧形成了贫e 区，因而钝化性能与晶粒不 同，即晶界区和晶粒本体有了明显的差异，晶粒与晶界构成活态钝态的微 电偶结构，造成晶界腐蚀。 影响晶间腐蚀的因素： 1 成分的影响 ( 1 ) 碳含量：大量实验可以知道，碳含量是影响奥氏体不锈钢晶间腐 蚀最主要的因素，随着碳含量的降低，奥氏体不锈钢晶间腐蚀性能得到 提高。 ( 2 ) c ，含量：在奥氏体不锈钢中，c ，含量的增加使其在低的敏化温度 区加速晶问腐蚀，在高的敏化温度区则会延长产生晶间腐蚀的时间。 ( 3 ) m 含量：m 含量的增加降低了碳在奥氏体中的溶解度，并促进了 碳化物的析出和长大，所以m 的含量会增加晶间腐蚀敏感性。一般来说， 不锈钢管同溶处理装置研究 奥氏体不锈钢中c ，的含量应超过1 1 ，如果更低，则会严重降低抗晶间腐蚀 的能力。 ( 4 ) 互含量：这种稳定性元素的加入，能够部分抑制碳化物的形成，减 轻贫c ，从而提高抗晶间腐蚀的能力1 3 5 】。 2 工艺因素 ( 1 ) 腐蚀介质的影响：腐蚀介质的种类及成分决定了晶间腐蚀的产生 与否，以及腐蚀程度。通常，在酸性介质中，不锈钢产生晶间腐蚀比较严 重。 ( 2 ) 温度影响：由于4 5 0 8 5 0 为敏化温度，故可将温度控制在4 5 0 以下，在此温度不会产生c r2 3 c 6 ，或将温度升高到8 5 0 以上，提高e 的 扩散速度，使足够的铬在晶界处于碳结合就不会在晶界处形成贫铬区，降 低发生晶间腐蚀的几率。在敏化温度中，尤其以6 5 0 最为危险，所以在固 溶处理冷却阶段，速度要快，尽量避免敏化温度区。在加热或冷却过程中， 在敏化温度区停留时间越短，发生晶间腐蚀的机会越小，所以固溶处理在 加热和冷却两个阶段，提高加热和冷却速度是提高奥氏体不锈钢u 形管耐 晶间腐蚀的有效措施。 常温下碳化物在奥氏体中的溶解度较小，随着温度升高，碳化物在奥 氏体中溶解度增加，在1 0 5 0 以上时碳化物全部融入奥氏体中，迅速冷却 可获得过饱和固溶体，即均匀的单相奥氏体组织，该过程称为固溶处理1 6 j 。 固溶处理后的奥氏体不锈钢管在冷弯之后其晶间结构发生改变，使得其固 溶处理效果削弱、抗腐蚀能力降低，故需要进行再次固溶处理，恢复其原 有的晶间结构。 在大型高压接触腐蚀介质的u 形管换热器中，尤其在螺纹锁紧式换热 器u 形管制造中，很多事故是由其中的u 形管r 部位失效引起的，原因是 u 形管r 部分在工作时受到较严重的应力腐蚀导致管壁穿裂，其中应力的主 要来源是u 形管r 部位在冷成型时产生的残余内应力，因为u 形管弯制成 形过程中的冷变形会引起材料组织和性能的劣化1 7 , 8 l 。 在u 形管换热器中，由于u 形管r 部位多为冷弯成形，产生弯曲应力 及晶间结构组织的变化，降低了抗腐蚀性等机械性能。在u 形管换热器制 造中，冷弯的不锈钢管均要进行固溶处理，恢复其机械性能，避免可能在 工作时受到较严重的应力腐蚀导致管壁穿裂。 不锈钢u 形换热管管束的制造在换热管制造中占有相当大的比例，当 使用环境对换热管的耐蚀性能有较高要求时，一般都在生产过程中对u 形 管的弯曲部分采取特殊的工艺处理措施，使换热管弯曲处的材料组织和使 用性能尽量恢复至或接近原始状态，其中u 形管固溶处理是关键技术之一。 2 硕士学位论文 兰州石油机械装备有限公司是生产各类换热器的老字号企业，历史悠 久，u 形管换热器也是主导产品之一。目前使用的u 形管固溶处理装置中 出现不稳定状态，经常发生仪表记录温度在6 0 0 9 0 0 之间时自动进入保 温，并且保温之后不能自动降温，必须逐根手动控制操作完成，而且只有 频繁调节红外光学高温仪的间距和焦度，使热辐射迅速传感到控制柜。操 作时，u 形管的夹伸长度、上翘、下凹、扭转、不平行度等任何微小变化都 能导致仪表记录温度远远滞后于实际温度几百度，无法提交每根钢管的固 溶处理曲线，出现多次加热才能达到仪表记录曲线与工艺相符1 9j 。 对不锈钢在敏化区内反复加热多次的危害是很大的，固溶化态的u 形 管是一种亚稳定状态的奥氏体单相组织，在室温下就有析出c r 2 3 c 6 ( 碳化 铬) 的倾向，但由于温度不够高而难以实现，当重新加热到4 5 0 一8 5 0 的 时候，则可能显著析出。按照固态相变规律，这些碳化物主要析出在晶界 上，由于这种碳化铬的含铬量远高于基体中的含铬量，因而它的形成势必 引起邻近区域铬的聚集扩散，从而造成晶界附近的奥氏体附近的奥氏体区 域中形成一个含铬量低于1 1 7 的贫铬区而引起晶间腐蚀，它将使钢的强度、 塑性及冲击韧性显著降低i l0 。 1 2 课题的国内外历史及研究发展现状 这一问题早在上世纪8 0 年代已经引起了国内外设计和制造厂家的高度重视。 对冷弯后的不锈钢u 形换热管都明确要求进行1 0 5 0 一1 1 0 0 的固溶处理，而不 允许采用低温消除应力的方法，因为奥氏体不锈钢固溶处理需要将温度加热到 1 1 5 0 ，并要迅速冷却。在加热或冷却过程中要经过敏化温度区，即4 5 0 8 5 0 ，如果采取低温消除应力，容易造成贫c ，区，降低奥氏体不锈钢u 形管的抗腐 蚀能力【1 1 】。对u 形管进行固溶处理若采用常规的热处理设备和工艺，操作难度大、 效率低、u 形管变形严重，并且深入炉膛部分和炉外部分之间过渡段的敏化问题 也不能得到圆满解决。国外目前已有相关产品，但价格昂贵，令不少厂家望而止 步，再者即使买回来，产品超过保修期之后，如果出现故障，国外公司不提供设 备图纸，难以维护。所以设计国产化、通用化、自动化程度高的不锈钢u 形管固 溶处理装置迫在眉睫。 1 3 不锈n u 形管固溶处理现有装置 目前大部分企业采用常规的热处理设备和工艺，一方面固溶处理自动 化程度不高，而且很难稳定满足工艺要求。国内有少数几家公司生产了相 关产品，但都没有推广性。因为基本上是根据自己公司特定工况条件设计 3 不锈钢管同溶处理装置研究 的，以下我们对这些产品的优缺点加以比较分析。 中核集团西安核设备有限公司于19 9 0 年自行研究开发设计制造了国产 的不锈钢管固溶处理装置，为自己生产u 形管换热器服务，该公司生产的 u 形管固溶处理装置主要由电源箱、控制箱、冷却系统、测温仪、夹具和工 作台架等几部分组成。加热温度由通电时间控制，通电时间的长短预先用 测温仪标定。即先测量出达到工艺要求的温度所需要的通电时间。然后将 时间参数输入控制箱，控制箱即可按所标定的时间控制加热时间，并实现 到温后自动转入保温阶段。冷却采用压缩空气从管子一端进入管内进行强 制风冷【引，但至今该研究没有作为定型产品生产销售。 中石化齐鲁石化公司机械厂开发的专用固溶处理装置，其装置主要由 下列五部分组成：1 加热电源2 软式悬吊挂架3 导电夹持块4 冷却水池 5 支持架。其操作方法是：调节两件导电夹持块的间距，使之与所要处理 的u 形管弯曲直径相适应。将导电夹持块的操作手柄提起，将u 形换热管 从上部放下，放下手柄，夹持块在配重及悬吊架的作用下自动找正，夹紧 换热管。按下电源控制器按钮，通电加热。用光学高温测温仪测量加热温 度，同时与温度一颜色对比样本相比较，达到技术要求的温度。加热至既定 温度，即可关闭电源，在关闭电源的同时，将两个导电夹持块的操作手柄 同时提起，并轻轻向里推，两悬架靠拢，与换热管脱离，u 形换热管在自重 作用下落入水池被迅速冷却1 1 2 j 。 同样，至今该研究没有作为定型产品生产销售，因此不能作为固溶处 理类产品的通用设备，有以下几个原因： ( 1 ) 强电部分的加热电源是利用其公司m z - 10 0 0 型埋弧自动焊机的弧 焊电源并联使用，但是对于其他需要进行不锈钢u 形管固溶处理的公司不 一定满足要求；( 2 ) 设计的选吊式导电夹块虽可连续调整结构，但是从空 间上来讲，有占用空间过大的缺点；( 3 ) 当u 形管加热、保温之后的入水 急冷结构不能实现自动化冷却，需要操作者抬起操作手柄操作；( 4 ) 当用 测温仪进行温度测量时，不能预先把温度曲线输入控制器中，让控制器分 析判断。其做法是：测温仪测量加热温度的同时与温度一颜色对比样本相比 较来判断，显然不能满足自动化的要求，而且准确性、快速性较差。 甘肃某公司为某石化公司型号为a s m es a 312t p 3 4 7 h 的奥氏体不锈钢u 形管开发的固溶处理装置。加热电源是利用其公司两台交流弧焊机，型号 为b x 卜5 0 0 、b x 2 - 10 0 0 ，测量不锈钢加热温度时，用x m t - l21 奥特温度控制 仪，时间控制采用秒表对时间进行控制，对于加热电源来讲，其他公司未 必能满足要求。时间控制靠人工，实时性、准确性很差，而且对人的反应 要求很高，增加了人的劳动强度且容易造成偶然误差。在通电加热和保温 4 硕士学位论文 过程中，温度记录和通电时间由人工控制并记录，显然自动化程度不高， 而且对人的依赖性很大，造成了较大的人为误差 1 3 , 1 4 】。 1 4 课题的研究内容 综合分析以上公司的相关产品，存在的问题是：强电加热，普遍采用 弧焊机来供电，有的需要一台，有的甚至需要更多台，对于固溶处理装置 本身，没有专门的加热电源；在加热和保温的处理过程中，参数的记录和 分析对人依赖性很大，增加了人的劳动强度，随机误差无形中增加，对后 面的数据分析带来不必要的误差。 在搜集国内外关于奥氏体不锈钢管热处理系统资料的基础上，结合工矿条件， 对各种方案进行分析、比较和总结，研究开发出了符合奥氏体不锈钢管固溶处理 要求的自动控制装置【1 5 , 1 6 】。 本研究项目根据不锈钢u 形管固溶处理的特点，所研发装置的主要特 点是： ( 1 ) 对于不锈钢u 形管进行固溶处理，解决了受每个厂家工况条件约 束大，对操作人员要求高的问题。 ( 2 ) 冷却系统、加热温度控制系统、加热结束u 形管管内残留水回收 的整个处理过程完全自动化。 ( 3 ) 加热过程中，装置实时显示加热时间和加热温度曲线。 根据工况条件，本装置主要设计内容包括以下几个方面： ( 1 ) 根据工况条件和工件结构尺寸，对系统机械装置进行分析改进。 ( 2 ) 冷却系统：包括过滤器、水泵、电机选型。 ( 3 ) u 形管残留水回收系统：包括进气排气、水路气路切换阀选型。 ( 4 ) 加热系统：电流大小计算、电流信号转化为数字信号之器件选择。 ( 5 ) 以单片机系统为核心的自动化控制系统软硬件开发设计。 5 不锈钢管同溶处理装置研究 第2 章装置工艺要求分析及设计方案构思 2 1 固溶处理工艺要求分析 不锈钢u 形换热管组织为：奥氏体、少量铁素体和碳化物。换热管在 折弯之后，晶体内部结构发生了变化，使得其耐腐蚀能力明显下降，为了 改善晶体内部结构，对其进行固溶处理，以达到修复内部结构的目的。常 温下碳化物在奥氏体中的溶解度小，随着温度的升高，碳化物在奥氏体中 的溶解度增加。加热到l0 5 0 以上时，可使碳化物全部溶入奥氏体，迅速 冷却后，可获得过饱和固溶体，恢复其晶体内部结构。 固溶处理是奥氏体不锈钢最有效的软化处理方式，一般奥氏体组织固 溶处理温度在10 5 0 一1 10 0 。含碳量高时取上限，含碳量低时取下限。固 溶处理后的力学性能与固溶处理温度有直接关系，温度越高，时间越长， 硬度越低，故o c , a 8 n , 9 t , 不锈钢管的固融化处理以l0 5 0 为宜，考虑到环境 因素的影响，实际当中取为：l0 5 0 2 0 1 6 j 。 奥氏体不锈钢的固溶处理时间应尽可能短，因为这种钢在9 0 0 左右再 结晶，到l0 5 0 很快使碳化物固溶。薄壁管的保温时间要短，厚壁管保温 时间要稍长些，要避免在高温长时间保持，否则会引起过热，并使得表面 粗糙，还会造成晶粒粗大，出现大量的铁素体 1 7 , 1 s 】。 奥氏体不锈钢固溶处理时应较缓慢加热到4 0 0 ，以减小内应力，然后 很快从4 0 0 升温到9 0 0 左右，以避免更多的碳化物析出，然后加热到10 5 0 以上，保温后急速冷却。因为奥氏体不锈钢的碳化物固溶后再析出的温 度为4 5 0 8 5 0 ，尤其在6 0 0 7 0 0 时析出较多，6 5 0 左右析出最多， 所以保温后必须急速冷却到3 0 0 以下，这样才能使碳化物过饱和固溶的奥 氏体保持到室温i ”j 。 总结以上几点，按照厂方提供图纸的技术要求。确定了本装置不锈钢u 形管固溶处理的工艺要求是： ( 1 ) u 形管被加热至10 5 0 2 0 ，含碳量偏高时取上限，含碳量偏 低时取下限。为了防止工件在处理过程中产生过热、过烧、氧化和脱碳， 避免在温度敏化区间停留过长时间致使晶粒粗化，工艺上要求升温时间在 21 秒 t 2 分钟，这个时间区间是因为加热时间随着u 形管弯曲半径、牌号 不同而有所差别。 ( 2 ) 保温时间为10 秒，随着厚度增加可适当延长。 ( 3 ) 冷却采用水冷，冷却时间为3 分钟，使其温度降至3 0 0 以下。 6 硕十学位论文 2 2 固溶处理工况条件分析 在u 形管换热器制造过程中，固溶处理装置多数都是自制型，自动化 程度低，稳定性差。其中有一企业的自制装置，存在的问题有：温度监控 不准确，设备动作反映慢且不稳定的现象。目前的做法是，逐根手动控制 完成，并且不断调节红外测温仪的间距与角度，操作时u 形管的夹紧程度 变化导致仪器记录温度滞后于实际温度几百度，故要多次加热才能达到仪 表记录曲线与工艺相一致，但是多次加热尤其在敏化区加热，容易在晶界 附近的奥氏体区域中形成贫铬区，引起晶间腐蚀，使钢的强度、塑性和冲 击性显著降低【10 1 。 2 3 不锈钢的传热学分析 2 - 3 1 传热学相关理论 传热学是研究热量传递规律的科学，凡是有温度差的地方，就有热量 自发地从高温温度传向低温物体。热量传递有三种基本方式：导热、对流 和热辐射。 1 导热 指一个物体各部分之间或各物体之间存在温差且无相对宏观运动时发 生的热量传递现象。导热是物质的固有本质，无论是气体、液体还是固体， 都具有导热的本领。 基本规律：傅里叶公式 t 口；a 兰w 2(2am 1 ) 口= 、7 矿 l 1 ， 6 影响因素：导热系数、温差、几何因素。导热系数入是一个物性参数， 其单位为w m k ；它取决于物质的热力状态，如压力、温度等。 2 热对流与对流换热 2 0 , 2 1 l 热对流指流体中温度不同的各部分物质在空间发生宏观相对运动引起 的热量传递现象。对流换热：当流体流过一个物体表面时的热量传递过程， 它与单纯的对流不同，具有如下特点： ( 1 ) 导热与热对流同时存在的复杂热传递过程。 ( 2 ) 必须有直接接触( 流体与壁面) 和宏观运动，也必须有温差。热 对流通常不能以独立的方式传递热量，它必然伴随着热传导。同时，由于 导热也是物质的固有本质，因而对流换热是流体的宏观热运动( 热对流) 与流体的微观热运动( 导热) 联合作用的结果。基本规律：牛顿冷却公式 一h 彳( 五一乏) ( 2 2 ) 7 不锈钢管固溶处理装置研究 其中4 为换热面积，必须是流体与壁面间相互接触的，与热量传递方向 相垂直的面积。 影响因素：流体热物性( 如导热系数、粘度等) 、流体流态和流速、温 差、几何因素等等，对流换热的表面传热系数h 为一过程量，而不像导热 系数入那样是物性参数。 3 热辐射 当物质微观粒子( 原子) 内部的电子受激和振动时，将产生交替变化 的电场和磁场，所发出电磁波向空间传播，即为热辐射。从物理本质上讲， 热辐射( t h e r m a lr a d ia tio n ) 和其他所有各种辐射一样，都是电磁波。它 们之间的内在区别是导致发射电磁波的激励方式不同，而外在表现是发射 的波长不一样，以及吸收该电磁波之后所引起的效应不同。热辐射的特点 与导热及对流有着显著的不同之处。基本规律：黑体辐射的斯蒂藩一玻耳 兹曼定律【22 1 。 e * a b t 4 w m 2 ( 2 3 ) 通过以上传热学分析可知，在不锈钢u 形管加热过程中其实三种热量 传递方式相互伴随都有存在，为了简化计算，我们这里只考虑热对流的情 况，这个计算仅作为加热电路电流参数的参考。 2 3 2 加热电流计算分析 由于导热也是物质的固有本质，因而对流换热是流体的宏观热运动( 热 对流) 与流体的微观热运动( 导热) 联合作用的结果，为了方便计算，我 们做一下假设。 1 假设： ( 1 ) 在工件外径为r ，内径为r ，圆筒长度三足够长时，且远远大 于r ，在某一温度下，假设工件内部温度梯度为零，可以忽略工件径向坐 标方向和轴向方向的导热作用，工件温度均匀，表面温度与内部温度相同。 ( 2 ) 工件与周围的空气没有热辐射，不考虑热辐射作用【2 2 1 。 ( 3 ) 厂方提供的不锈钢u 形管组图中，所有不锈钢管的长度都相同， 为6 6 0 0 m m ，半径从4 0 m m 到4l5 m m ，展开长度从l3 3 2 6 m m 到14 5 0 4 m m ，共1 6 种 不同尺寸的不锈钢u 形管，材料为：o c t l 8 m 9 五。显然，尺寸相差很大，展 开长度也有较大差别。计算此电流的目的是为加热电路设计提供电流参考。 为了获得较准确的数据，我们可以多选几个序号长度尺寸的u 形管进行计 算，同时参考相关资料和经验参数，折中，确定参考加热电流的大小。 2 已知条件： h ：导热系数，可以通过查表得到。 8 硕十学位论文 a g 不锈钢u 形管的内表面积。 五：水被加热后温度。 乃：水被加热前温度。 尺：不锈钢u 形管的电阻值。 f ：通电加热时间，可根据不锈钢u 形管固溶处理工艺确定，h 通过查 表可以得到。 妒；h 彳( 五一乏) ( 2 4 ) q = 1 2 r t ( 2 5 ) 根据( 2 4 ) 、( 2 5 ) 两式我们可以看到，两个方程里，已知h 、a 、互、 疋、r 、t ，可以计算出此型号尺寸的u 形管的加热电流。很显然，如果尺不 同，在彳、五、疋、t 、h 几个参数不变的情况下，加热电流要求也不同，我 们仅以图号为 l l i3 2 0 2 2 13 一l ，序号为1 ，半径为4 0 m m 的不锈钢u 形管为例进行分析 计算。 3 计算过程： ( 1 ) 不锈钢u 形管外形尺寸图如下： 图2 1 不锈钢u 形管尺寸图 ( 2 ) i i i3 2 0 2 - 2 - 13 1 ，序号为1 的不锈钢u 形管的尺寸如下：半径r 为 4 3 m m ，展开长度为13 3 2 6 m m 。不锈钢u 形管从室温温度加热到工艺要求温度， 取温度上限，其满足牛顿冷却公式：矿= h a ( t 1 一t 2 ) 其中： 一一热流量( w ) ，单位时间传递的热量； 卜一表面传热系数 w ( m 2 k ) ，通过查相关手册可知，水强制对流的传热 系数大致范围为：1 0 0 0 - - - , 1 5 0 0 0 w ( m 2 k ) ，我们选取为8 0 0 0 w ( m 2 k ) 。 彳一与流体接触的壁面面积 m 2 ，不锈钢管与流体接触的壁面实际是内 表面。 表面积s 为： a = 2 z ( 厂- d ) x l ( 2 6 ) 其中： 9 不锈钢管固溶处理装置研究 ，为不锈钢管的半径； d 为壁厚， 为不锈钢管的展开长度，查阅图纸得：l 为1 3 3 2 6 m m 一1 3 3 2 6 m ，为4 0 r a m = 0 0 4 0 m ， d 为2 m m 一0 0 0 2 m ， p 取3 1 4 。 带入数据： 解得：a = 2 j r x ( r - d ) x l = 2 x 3 1 4 x ( o 0 4 0 - 0 0 0 2 ) x 1 3 3 2 6 = 3 1 8 0 ( m 2 ) 五：固体壁表面温度 ，取工艺要求上限 互；l 1 0 0 。c 一1 1 0 0 + 2 7 3 1 5 = 1 3 7 3 1 5 k ； 五：流体温度 ，取常温下水的温度为2 0 五= 2 0 c = 2 0 + 2 7 3 1 5 - 2 9 3 1 5 k ； 带入数据后得不锈钢u 形管吸收热流量为： 一8 0 0 0 x 3 1 8 x ( 1 3 7 3 1 5 - 2 9 3 1 5 ) 一2 7 4 7 5 2 0 0 ( w ) ( 3 ) 当大电流通过电极把电流传给u 形管，此时会产生焦耳热，这个热 量跟加热电路电流大小、通电时间和u 形管自身的电阻值有关，用表达式表 示即为： q = 1 2 r t 其中： r ；p 竺 ( 2 7 ) s 斤为不锈钢管的电阻； p 为此材料不锈钢u 形管的电阻率，通过查阅g b 9 9 4 8 一l9 8 8 ( 石油裂化 用无缝钢管) 国家标注资料可得：p = 0 7 3 1 0 弗q m 为单根不锈钢管有效加热长度，根据图纸技术要求第四条即：u 型 换热管成型后，弯管及附近3 0 0 m m 的直管段应消除应力热处理，故 l 一万r ( 半圆周长) + 2 x 弯曲附近直管长度一3 1 4 x 0 0 4 3 + 2 x 0 3 = 0 7 3 5 ( m ) s 为不锈钢管作为导体的环形截面积，s 一万_ 2 一万r 2 2 ，、r 2 分别为不 锈钢管的内、外半径，故 s = 3 1 4 ( 0 9 5 x 1 0 之) 2 - ( o 7 x 1 0 。2 ) 2 】一0 0 0 0 1 2 9 5 ( m 2 ) 所以序号1 不锈钢u 形管的电阻为： r = p 鲁，o 7 3 1 0 。6 ! ! = 坠；0 7 3 1 0 - 6x 5 6 7 5 6 7 5 7 ：0 4 1 4 1 0 2 ( q ) s0 0 0 0 1 2 9 5 、 t 为加热时间，按照工艺要求，取值范围是：2ls 2 m i1 1 ，因为我选取 序号l 不锈钢管，从不锈钢管图纸中可以看到，其半径最小，展开长度最 1 0 硕士学位论文 短，故取下限为21s 。 在不计热量损失的情况下，认为u 形管的电阻热转化为冷水升温所需的 热量，根据能量守恒和传递定律可知： 即q 一妒，故：1 2x 0 4 1 4 x 1 0 五2 1 = 2 7 4 7 5 2 0 0 ( w ) 解之得：i1 1 7 7 7 8 ( a ) 。 2 4