Sposoby nagrzewania rur przed odkształcaniem

W starszych liniach technologicznych nagrzewanie odbywa się w komorze pieca gazowego (rys. 3.24a). Rozwiązanie to jest mało ekonomiczne z uwagi na niską sprawność energetyczną procesu oraz duŜą bezwładność cieplną pieca. Bardziej ekonomiczne, łatwiejsze a jednocześnie mniej szkodliwe dla środowiska naturalnego [33] jest nagrzewanie indukcyjne (rys. 3.24b,c), które pozwala na częste włączanie i wyłączanie urządzenia bez znacznych strat ciepła.

Sposób realizacji nagrzewania oraz jego parametry róŜnią się w zaleŜności od wielkości kształtowanych kolan, nowoczesności linii produkcyjnej oraz materiału z jakiego wykonywane kolana. Niewłaściwe nagrzewanie lub jego niedostosowanie do pozostałych parametrów technologicznych jest jedną z najczęstszych przyczyn powstawania wad kolan.

Nagrzewanie powinno być ukierunkowane na obwodzie i długości kształtowanego kolana. Najintensywniejsze nagrzewanie konieczne jest na wewnętrznej stronie kształtowanego kolana, tam gdzie występują największe odkształcenia. Jednocześnie, temperatura na początku strefy odkształcającej powinna być niŜsza niŜ na jej końcu. Wymagania te dotyczą szczególnie kształtowania kolan o większych gabarytach [59].

Optymalne nagrzewanie umoŜliwia zwiększenie prędkości spychania, a więc podniesienie wydajności procesu. Nierównomierne nagrzewanie na obwodzie odkształcanej rury moŜe powodować zróŜnicowanie grubości ścianki kolana oraz niejednorodność struktury (wielkość ziarna) [54].

Rys. 3.24. Proces kształtowania kolan hamburskich z nagrzewem gazowym (a) i indukcyjnym (b, c).

W przypadku produkcji kolan mniejszych, nagrzewanie gazowe prowadzone jest w komorze pieca zasilanego olejem opałowym lub w nowszych liniach technologicznych - gazem ziemnym. Trzpienie wsunięte są do komory pieca (rys. 3.25a). Komora ma moŜliwość przemieszczania wzdłuŜ trzpienia, tak aby umoŜliwić optymalne nagrzewanie odkształcanych rur przy zróŜnicowanej długości drąga trzpienia. Odcinki rur wsadowych nagrzewają się w trakcie przemieszczania po drągu i w trakcie procesu kształtowania na trzpieniu do ok. 1000⁰C, następnie gotowe zagięcia spadają na samotok lub są ręcznie odbierane przez pracownika.

Proces kształtowania większych kolan wymaga precyzyjniejszego nagrzewania. Aby następował odpowiedni przepływ materiału z wewnętrznej części zaginanej rury na jej zewnętrzną część, zapewniający stałą grubości ścianki w całym kolanie, konieczne jest odpowiednie ukierunkowanie nagrzewania. Temperatura materiału odkształcanej rury powinna być niŜsza na początku strefy odkształcającej i płynnie wzrastać na jej długości. Dodatkowo, powinna występować róŜnica temperatur pomiędzy wewnętrzną i zewnętrzną częścią odkształcanej rury - wewnętrzna cześć łuku odkształcanej rury powinna mieć wyŜszą temperaturę [59]. Technologia nagrzewania powinna zapewniać więc takie jego ukierunkowanie oraz równocześnie kompensowanie oddawania ciepła do otoczenia.

Dla uzyskanie takiego efektu nagrzewanie gazowe prowadzi się przy uŜyciu odpowiednio ustawionych palników gazowych (rys. 3.25b). Rura wsadowa (1) znajdująca się jeszcze w strefie prowadzącej trzpienia (2) nagrzewana jest przy uŜyciu dwu palników dodatkowych (3), umieszczonych po obu jej stronach. Nagrzewanie odcinka rury znajdującego się w strefie odkształcającej trzpienia realizowane jest przy uŜyciu palnika głównego (4), który ogrzewa najsilniej wewnętrzną część łuku odkształcanej rury. PołoŜenie palnika głównego oraz jego moc grzewcza mogą być łatwo regulowane. Aby uniknąć nadmiernych strat ciepła oraz aby polepszyć sprawność procesu, robocza część trzpienia umieszczona jest w specjalnej komorze akumulującej ciepło (5). Takie nagrzewanie umoŜliwia precyzyjny rozkład temperatury na długości strefy odkształcającej trzpienia oraz zapewnia podobne warunki odkształcania dla kaŜdego kolejnego kolana. Optymalny rozkład temperatury dla odkształcania rury ze stali niskowęglowej przedstawiono na rys. 3.26. Na końcu strefy kalibrującej temperatura odkształcanej rury moŜe osiągać 900⁰C. Czas nagrzewania (a więc prędkość spychania) powinna być tak dobrana, aby czas przebywania rury w strefie nagrzewania był jak najkrótszy, by zapobiec nadmiernemu rozrostowi ziaren oraz utlenianiu powierzchni rury [54].

Najnowsze linie technologiczne wyposaŜone są w urządzenia do nagrzewania indukcyjnego. Urządzenia te cechują się wysoką mocą, sprawnością, szybkością nagrzewania, czystością i powtarzalnością, co sprawia, Ŝe jest to najkorzystniejsza metoda nagrzewania w

1 5

4 3

2

Rys. 3.25. Schemat przemysłowych urządzeń do nagrzewania gazowego z komorą a) zamkniętą [58] oraz b) otwartą [27]. 1 – odkształcana rura, 2 - trzpień , 3 – palnik dodatkowy, 4 - palnik główny , 5 – komora. 1 4 5 3 2 a) b)

wielu procesach technologicznych. Ciepło moŜe być koncentrowane lokalnie. Przenikanie ciepła zaleŜy od częstotliwości zastosowanego w układzie prądu przemiennego [61]. Schemat nagrzewania indukcyjnego w procesie kształtowania kolan przedstawiono na rys. 3.27a.

Nagrzewany element znajduje się w zmiennym polu elektromagnetycznym, generowanym przez prąd zmienny przepływający przez induktor. W przypadku kształtowania kolan metodą hamburską induktor ma formę spirali (1), odpowiednio otaczającej odcinek rury (2) znajdujący się w strefie odkształcającej trzpienia (3). Spirala jest ukształtowana tak, Ŝe odległości pomiędzy sąsiednimi zwojami są odpowiednio równe, dla zewnętrznego łuku i dla wewnętrznego. MoŜna wtedy uzyskać rozkład temperatury jak na rys. 3.27b, odpowiedni przy odkształcaniu rur ze stali wysokostopowych [59].

Nagrzewanie indukcyjne oprócz swych niewątpliwych zalet ma takŜe wady. Towarzyszy mu zjawisko naskórkowości, polegające na tym, Ŝe najsilniej nagrzewana jest powierzchnia nagrzewanego elementu. Z tego względu występuje gradient temperatury na grubości ścianki rury. Dodatkowo, rura w trakcie kształtowania przemieszcza się względem zwojów induktora które wywołują nagrzew lokalnie. Występuje więc takŜe gradient temperatury na długości kształtowanej rury - pomiędzy sąsiednimi zwojami spirali. MoŜe on wywoływać niepoŜądane napręŜenia termiczne. Prędkość spychania musi więc być dobrana tak, aby czas procesu kształtowania był wystarczająco długi do uwolnienia napręŜeń termicznych. Szczególne znaczenie ma to przy odkształcaniu rur ze stali wysokostopowych, których przewodność

Rys. 3.26. Optymalny rozkład temperatury na długości trzpienia podczas kształtowania kolan hamburskich [36].

550-600⁰C 800-8500C

~9000C

Rys. 3.27. Schemat nagrzewania indukcyjnego (a) oraz optymalny rozkład temperatury na długości trzpienia w trakcie kształtowania kolana o duŜych wymiarach ze stali nierdzewnej (b) [59]. 1 - cewka, 2 - kształtowane kolano, 3 – trzpień.

3 2 1 1000⁰C 850^0C a) b)

cieplna jest mniejsza niŜ węglowych. Z tego względu proces powinien przebiegać w temperaturze nieco niŜszej niŜ temperatura intensywnego rozrostu ziaren [59].

Proces kształtowania specjalnych kolan grubościennych (nie objętych normą) wymaga chłodzenia trzpienia w trakcie procesu. Chłodzenie realizowane jest wtedy przez przepływ wody kanałami wydrąŜonymi wewnątrz trzpienia. Schemat układu chłodzenia takiego trzpienia przedstawiono wcześniej na rys. 3.12.