كيفية تحسين الأداء الحراري المشع في الأنبوب المشع (الأنبوب المشع) باستخدام تكنولوجيا الإنتاج المضافة في خط التلدين المستمر
إعادة النظر:
تبحث هذه الدراسة في تطبيق تقنية المعالجة المضافة (AM) في أنبوب مشع من النوع W لتحسين الأداء الحراري المشع. يتم تحديد الأبعاد المناسبة لهيكل قرص العسل من خلال تحليل العناصر المحدودة (FE) ويتم حساب اكتساب الحرارة الإشعاعية. يتم ثقب أنماط قرص العسل على أسطح RT (الأنبوب المشع) باستخدام طريقة ترسيب الطاقة المباشر (DED). تم فحص الكفاءة الحرارية المشعة للنموذج الأولي RT باستخدام نموذج قرص العسل المركب في فرن اختبار عن طريق محاكاة خط التلدين المستمر (CAL). أخيرًا ، تم اختبار جودة النموذج الأولي RT في الموقع في CAL رقم 3CGL في POSCO Gwangyang Steel Works. أظهرت النتائج أن التحليل الجزئي لـ FE ، الذي يتنبأ بكمية الحرارة المشعة من خلال نمذجة جزء من بنية RT بدلاً من نمذجة بنية RT بأكملها ، مناسب للتغلب على حد سعة ذاكرة الكمبيوتر وحساب معلمات تصميم نمط قرص العسل. DED مناسب لطباعة أنماط قرص العسل على RT مع أسطح منحنية كبيرة. يتم تقليل متوسط استهلاك الغاز للحفاظ على 780 درجة مئوية و 880 درجة مئوية لمدة 1440 دقيقة بنسبة 10.42٪ و 12.31٪ على التوالي. خلال الفحص السنوي لمدة ثلاث سنوات ، لم يكن هناك تشققات أو تسرب غاز على مستوى RT.
۱. مقدمة
برز التصنيع الإضافي (AM) كتكنولوجيا متقدمة بسبب مزاياها المختلفة ، بما في ذلك سهولة تصنيع المكونات الهندسية المعقدة وتحسين أداء المواد الخام باهظة الثمن. عادة ما يكون وقت التسليم AM قصير. يمكن استخدام مكونات AM (المصنوعة من عملية AM) في مجموعة متنوعة من السياقات والمساهمة في النظام الذي تنتمي إليه بطرق متنوعة. على سبيل المثال ، يتم تحسين الأداء العام للنظام من خلال مكونات AM عالية الأداء ، في حين أن مكونات AM الأخف يمكن أن تقلل من استهلاك الطاقة.
المنتج النهائي لعملية التلدين المستمرة هو شريط فولاذي مدلفن على البارد. في هذه العملية ، يتم تخزين الشرائح في فرن إعادة التسخين ، وتثبيتها بالشعير وبدون تغييرات كيميائية. يتم إجراء هذا النوع من التلدين في خط التلدين المستمر (CAL) ، المعروف باسم CAL في صناعة الصلب.
تبحث POSCO عن العمليات التي يمكن أن تقلل من استهلاك الوقود باستخدام AM بسبب اللوائح البيئية الصارمة. تستهلك CAL كمية كبيرة من الوقود للحفاظ على درجة حرارة المعالجة الحرارية المحددة مسبقًا (حوالي 800-1000 درجة مئوية). اعتمادًا على كمية CAL ، يتم تشغيل ما يقرب من 100-500 من الأنابيب المشعة في CAL ويتم استهلاك حوالي 300 مليون متر مكعب من غاز فرن الكوك (COG) والغاز الطبيعي المسال (LNG) كل عام. يتم إطلاق الحرارة المشعة باستمرار من السطح الخارجي للأنابيب المشعة ، بينما يتم شحن حرارة الاحتراق ثم إطلاقها باستمرار من خلال الأنابيب المشعة للسطح الداخلي.
يتكون الأنبوب المشع (RT) من موقد ، وجهاز إعادة تدوير ، وأنبوب مصنوع من الفولاذ عالي الحرارة أو سبائك النيكل. في الموقد ، الوقود (LNG أو COG) يشعل ويدخل مدخلات RT بسرعة. يتم نقل الحرارة المتولدة في درجات حرارة عالية في الأنبوب عن طريق الإشعاع من السطح الخارجي للأنبوب إلى الشريط الفولاذي. أخيرًا ، تتسرب الحرارة عبر المخرج. ثم يتم استخدام غاز العادم الساخن الذي يسترده المجدد لتسخين الهواء البارد المتدفق من الموقد. تأتي RT بأشكال متنوعة: مزدوج P ، مستقيم ، W وU.
ركزت الكثير من الأبحاث على تحسين الأداء الحراري المشع للموقد ونظام إعادة التسخين RT. Flamme وآخرون. جادل (2010) بأن زيادة كفاءة الوقود تعتمد على تسخين الهواء البارد المتدفق عبر الموقد. Therefore, they stressed the importance of RT design that can use internal preheating technology such as recovery plugs and regenerative and recovery burners. لذلك ، شددوا على أهمية تصميم RT الذي يمكنه استخدام تقنية التسخين الداخلي مثل مقابس الاسترداد وحراق التجديد والاسترداد. وأفادوا أن استخدام محطات الغاز منخفضة الحرارة التي يمكن أن تحترق في درجات حرارة منخفضة يقلل من تكاليف الوقود وبالتالي يزيد من كفاءة الوقود. في عام 2006 ، Scribano et al. حاول العثور على أفضل ظروف تشغيل RT من حيث نسبة التكافؤ والطاقة الحرارية والانبعاثات المنخفضة. قاموا بتصميم آلية الدوران التلقائي لغازات العادم ومعدل انبعاث NOx لمجموعة واسعة من نسب الطاقة الحرارية ومعادلتها تصل إلى 50٪ ، مقارنة بالتصميم الأصلي للحارق دون المساس بالكفاءة الحرارية ، وانبعاثات ثاني CO وقللت درجة حرارة سطح التوحيد RT.
في هذا البحث ، تم تقديم طريقة لتحسين كفاءة الحرارة المشعة RT من النوع W في CAL باستخدام AM. يزداد مستوى RT عن طريق طباعة سلسلة من أنماط قرص العسل على سطح RT. لحساب وقت التشعيع المتكامل لكل وحدة مساحة (بعد ذلك ، كحرارة مشعة(J / s)) ولتحديد الأبعاد المناسبة (العرض والطول والسمك) لقرص العسل المطبوع على سطح RT بواسطة عنصر مرن حراري محدود ثلاثي الأبعاد التحليل (FE) انتهى.
RT كبير (حجم الأنبوب المستقيم 19 × 2000 مم) ولها سطح منحني. نتيجة لذلك ، من المستحيل طباعة مجموعة من أنماط قرص العسل باستخدام طريقة خلط مسحوق السرير (PBF).لذلك تم في هذا البحث اختيار طريقة ترسيب الطاقة الموجهة (DED) يمكن استخدام هذه الطريقة حتى على الأشياء الكبيرة والمنحنية. طابعات ومساحيق DED متوفر في السوق (سبيكةINCONEL 718) مستخدمة.
الكفاءة الحرارية المشعة RT تم تقييمها باستخدام أنماط قرص العسل المطبوعة في فرن تجريبي. RT يتم دعمه بواسطة دعامة مقاومة للحرارة في الطرف البعيد من فرن الاختبار ، مع الحفاظ على درجتي حرارة محيطة (780 درجة مئوية و 880 درجة مئوية) في CAL. للمقارنة ، يتم تثبيت RTs مع وبدون أنماط قرص العسل بالتتابع في الفرن التجريبي. بدلاً من قياس الحرارة المشعة ، يتم قياس التغيرات في كمية الوقود الغازي المستهلك للحفاظ على درجة حرارة محيطة معينة في فرن اختبار. أخيرًا ، تم اختبار صحة النموذج الأولي RT باستخدام أنماط قرص العسل مطبوعة في الموقع برقم CAL حقيقي رقم 3CGL في POSCO Gwangyang Steel Works ، كوريا.
۲. تحليل شريط FE و RT
2.1 متغيرات تصميم نمط قرص العسل
يوضح الشكل 1 صورة لهيكل RT حقيقي من النوع W يتكون من أربعة أنابيب مستقيمة وثلاثة منحنيات على شكل حرف U وشعلة ومحسن. الأنابيب مصنوعة من أشرطة INCONEL 601 المدلفنة على البارد بسمك 3 مم. يتم تثبيت الحارق عند مدخل الأنبوب المستقيم الأول ويقوم المحسن بتوجيه جزء من ناتج الحرارة للحارق عند مخرج الأنبوب الرابع المستقيم. يوضح الشكل 1 ب و ج مجموعة من أنماط تروس Pratt وأنماط قرص العسل التي تم إنشاؤها على مستوى RT لتحليل FE. تم حساب الكفاءة الحرارية المشعة لشكل Pratt truss وشكل قرص العسل ومقارنة كفاءتها الحرارية المشعة. تم اختيار هيكل (شكل) قرص العسل لأن كفاءته الحرارية المشعة كانت أفضل ومعدل انتشاره نظريًا يصل إلى 0.98. يوضح الشكل 1 د مخططًا لنمط قرص العسل ومتغيرات التصميم الخاصة به. يشير المتغير “t” إلى ارتفاع شبكة قرص العسل في اتجاه نصف قطر الأنبوب.
شكل 1. (أ) شكل وحجم الأنبوب المشع الحقيقي (RT). ب) مجموعة من أنماط الجمالون Pratt التي تم إنشاؤها في جزء من سطح الأنبوب المستقيم. (ج) مجموعة من أنماط قرص العسل التي تتشكل على جزء من سطح الأنبوب المستقيم. (د) رسم تخطيطي لقرص العسل ومتغيرات التصميم “W” الذي يشير إلى عرض شبكة قرص العسل. L1 و l2 تعني الطول الداخلي والخارجي لقرص العسل.
2.2 RT نموذج نقل الحرارة
يعمل تصميم CAD قبل المفهوم ، والذي يتضمن مجموعة من أنماط قرص العسل المطبوعة على RT ، كأساس لنموذج نقل الحرارة الخاص به من RT. الأوضاع التالية مخصصة لنقل الحرارة.
التبادل الإشعاعي بين سطح RT والشريط المنحدر.
توجه من خلال سماكة الأنبوب ومجموعة من أقراص العسل المطبوعة عليه.
يتم إهمال نقل الحرارة بالحمل الحراري بسبب حركة كمية صغيرة جدًا من السائل عبر RT أثناء التشغيل. لتقليل وقت الحساب والتغلب على حد سعة ذاكرة الكمبيوتر ، تم تصميم وتحليل أنبوب مستقيم بطول 200 مم. يظهر نموذج FE الطولي شبه الاتجاهي (مستوىY-Z) في الشكل 1 ج. من الآن فصاعدًا ، وللتيسير ، يُطلق على هذا النوع من نموذج FE اسم “نموذج FE الجزئي”.
يُفترض أن التبادل الحراري المشع بين سطح نموذج FE الجزئي وسطح الشريط الفولاذي هو تجويف إشعاعي بجسم رمادي وانعكاسات متناثرة بين الأسطح. يُعرَّف الثقب فيالعباقس / المعيار بأنه مجموعة من الأسطح تتكون من وجوه. مشاكل إشعاع التجويف هي بطبيعتها غير خطية بسبب اعتماد T4 على الشحنة. يمكن وصف المزيد من اللاخطية كدالة لدرجة الحرارة من خلال وصف الإشعاع (E). يتم تحديد تدفق الحرارة المشع على سطح التجاويف بواسطة المعادلة (1).
حيث N هو عدد الصفائح التي تشكل التجويف ، Fij هي مصفوفة العامل الهندسي ، s ستيفن بولتزمان ، وej هيTi و Tjradiations للوجهينi و j، على التوالي.Cij هي مصفوفة الانعكاس المحددة بواسطة المعادلة (2).
يمثل dij أداء Delta Krunker.
يعتمد انتقال حرارة الإشعاع بين الأسطح المتقابلة بشدة على الهندسة والتوجيه بالإضافة إلى خصائص الإشعاع ودرجة الحرارة. يتم تحديد مقدار انتقال الحرارة المشعة على كلا الجانبين بواسطة عامل Fij. الشكل 2 هو رسم تخطيطي لعامل الرؤية المحدد على أنه جزء من إشعاع صدع السطح (dAs) بالسطح (dAj). تحدد المعادلة (3) عامل الرؤية بين سطحين بمسافة R.
Rij المسافة بين الطائرات dAi و dAj و qI و qj والزوايا القطبية بين Rij و هي سطح عادي. بالنسبة لمشكلة التجويف المغلق ، يحقق عامل الرؤية الارتباط (A Fij = AjFji). مجموع العوامل المرئية المحسوبة في كل ثقب هو 1 (المعادلة 4)
تم استخدام عنصر C3D8T (لبنة اقتران العقدة المكونة من 8 عقدة ، والإزاحة بثلاثة أسطر ودرجة الحرارة) لتحليل FE مع إزاحة درجة الحرارة. تم إجراء اختبار تقارب الشبكة لتحديد حجم العنصر المناسب. كانت نسبة العرض إلى الارتفاع للعناصر المستخدمة في النمذجة الهندسية بالنسبة إلى نموذج FE الجزئي 1.5 (العرض والوزن): 0.1 (الطول ، 11): 1.5 (الارتفاع ، t) ، وتم استخدام 100.788 عنصرًا.
2.3 منحنى الشرط الأولي وحالة الحدود وعامل الملاحظة
يوضح الشكل 3 عرض متساوي القياس لنموذج FE الجزئي. يتم تمييز العناصر الموجودة في نمط قرص العسل باللون الأزرق ويتم تمييز العناصر الموجودة في الشريط الفولاذي باللون الرمادي. تم ضبط درجة الحرارة الأولية لنموذج FE الجزئي وشريط الفولاذ عند 20 درجة مئوية.
الشكل 3. (أ) عرض متساوي القياس لنموذج FE الجزئي (ب) سفر فولاذي (ج) منظر أمامي للطراز الجزئي FE
في عملية CAL الحقيقية ، لا يكون ملف تعريف درجة الحرارة في جميع أنحاء RT منتظمًا وتنخفض درجة الحرارة مع زيادة المسافة من الموقد ، كما هو موضح في الشكل 4. تم قياس ملف تعريف درجة الحرارة هذا بواسطة Ifran et al. عام 2010 وتمت الموافقة عليه في هذه الدراسة. متوسط درجة الحرارة (905 درجة مئوية) للنقاط الأربع A و B و C و D (النقاط المميزة باللون الأسود في الشكل 4) عبارة عن أنبوب مستقيم كشرط حد لنموذج FE الجزئي وبالتالي درجة الحرارة (905 درجة مئوية) ) على السطح الداخلي. تم تطبيق نموذج FE الجزئي.
يختلف عامل الرؤية باختلاف المسافة بين سطح الأنبوب وسطح الشريط الفولاذي. يظهر منحنى عامل الرؤية في تحليل FE في الشكل 5. تبلغ المسافة بين الشريط ووسط الأنبوب 305 ملم. في إشعاع التجويف ، كانت نسبة سطح الوجه الصغير 84 على الأقل ، وكانت نقاط التكامل الغوسية عند كل حافة 3 ، وكانت قيمة مساحة المسافة المربعة 5. تم تحديد مقدار تشعيع السطح الرئيسي وسطح العبد ليكون 0.77. تم ضبط درجة الحرارة المحيطة بين نموذج FE الجزئي بنمط قرص العسل وشريط 800 درجة مئوية.
الشكل 4. ملف تعريف درجة الحرارة يقاس في اتجاه الطول الفعلي RT
الشكل 5. منحنى المراقبة المستخدم في تحليل FE.
2.4 المواد
الخواص الميكانيكية والحرارية لمادة RT (INCONEL 601 عند 900 درجة مئوية) مدرج في الجدول 1. ثابت Stefan Boltzmann5.669 x 10-14 W / mm2 / K4 ويتم ضبطه على الصفر المطلق عند 273.15 درجة مئوية تحت الصفر.
الجدول 1. الخصائص الميكانيكية والحرارية لـ INCONEL 601 عند درجة حرارة 900 درجة مئوية.
2.5 تحديد متغيرات تصميم بقعة النحل
تم إجراء تحليل FE لحساب الحرارة المشعة (J/s) عندما يكون سطح RT المطبوع بنمط قرص العسل يواجه الشريط الفولاذي. تم وضع نسبة 200 مم (عرض الأنبوب في اتجاه الطول) إلى 300 مم (عرض الشريط الفولاذي) في نموذج FE الجزئي ، والذي يتزامن مع نسبة متوسط طول RT المستقيم من RT الفعلي على الذي يقع عليه نمط قرص العسل. مطبوع عبر عرض شريط فولاذي حقيقي صلب في CAL حقيقي. تبلغ المسافة بين RT وشريط الفولاذ 305 مم ، والتي يتم تطبيقها عادةً في الواقع العملي. سمك الشريط الفولاذي 3 مم. تم إجراء التحليل باستخدام نموذج FE الجزئي لتقليل وقت الحساب FE.
الشكل 6. (أ) متغيرات تصميم قرص العسل (يسار). نموذج FE الجزئي مع أنماط مطبوعة على شكل قرص العسل (يمين). (ب-د) أبعاد هياكل قرص العسل المستخدمة في التحليل يشير إلى FE. يشير ت إلى ارتفاع شبكة قرص العسل في اتجاه نصف قطر الأنبوب. (هـ) مؤشر الخط RADTLA ، وقت إشعاع حراري متكامل لكل وحدة مساحة (J / s) لهياكل قرص العسل الثلاثة أعلاه.
يتم النظر في الهياكل الثلاثة المختلفة لقرص العسل الموضحة في الشكل 6 ب-د في تحليل FE لتحديد متغيرات التصميم لهيكل قرص العسل. الشكل 6 ب هو بنية قرص العسل لأصغر الأحجام القابلة للطباعة في هذه الدراسة. يوضح الشكل 6 ج ،د هياكل قرص العسل. يتم أيضًا أخذ أحجام أخرى من هياكل قرص العسل في الاعتبار. يقارن الشكل 6e-g الحرارة المشعة المحسوبة ثلاثة أنماط قرص العسل بأبعاد مختلفة (العرض والطول والسمك). إن تغير الحرارة المشعة على طول العقد الطولية المركزية للشريط مهم. ومن ثم ، يتم حساب الحرارة المشعة على أنها متوسط الحرارة المشعة على طول العقد الطولية الوسطى (اتجاه Y) للشريط. تبلغ الحرارة المشعة لوادي 6e-g548.6 (J / s) و 564.5 (J / s) و 527.8 (J / s) على التوالي. لاحظ عندما المستوى يواجه RT بدون نمط قرص العسل الشريط ومتغيرات تصميم قرص العسل الموضحة في الشكل 6 f ، مشعة للحرارة مقارنة بالحرارة المشعة يزيد RT بدون نمط قرص العسل بحوالي 8.64٪ حرارة مشعة 519.6 (J / s) هو. لذلك ، في هذه الدراسة ، تم اختيار متغيرات تصميم قرص العسل في الشكل 6f لطباعة DED.
كما تم التحقيق في انحراف RT بسبب وزن نمط قرص العسل. الفرق في أقصى انحراف RT بسبب إضافة نمط قرص العسل هو 0.0021 مم فقط (0.14٪). لذلك ، نستنتج أن الزيادة في الوزن بسبب إضافة نمط قرص العسل على RT لها تأثير ضئيل على انحراف RT.
۳. اختبارات
3.1 المواد المستخدمة لطباعة نمط قرص العسل
مسحوق سبيكة INCONEL 718 (CarTech®718 ، UNS N07718) ، مع التركيب الكيميائي المدرج في الجدول 2 (أعدته شركة Carpenter Technology Corporation) ، يستخدم INCONEL 601 لطباعة مجموعة من أنماط قرص العسل المصنوعة في RT. من الناحية المثالية ، يجب أن يكون نمط المعدن هو نفسه معدن RT لتحقيق قوة رابطة عالية بين النموذج وسطح RT ولمنع الأنماط من الانفصال عن RT أثناء التسخين والتبريد المتكرر لنماذج RT المطبوعة من النموذج. ومع ذلك ، فإن مادة النمط المحددة INCONEL 718تعد خيارًا لأن INCONEL 601powder غير متاح تجاريًا للطباعة ثلاثية الأبعاد.
الجدول 2. التركيب الكيميائي (النسبة المئوية الكتلية) لمسحوق سبيكة INCONEL 718 المحضر بواسطة Carpenter Technology Corporation. Fe
يوضح الجدول 3 أن INCONEL 718 لديه قوة شد وأداء أعلى من INCONEL 625في درجات الحرارة العالية. يمكن أن يدعم نمط المقاومة الأعلى RT ويمنعه من السقوط في درجات حرارة عالية. يوضح الجدول 4 أن الفرق بين معاملات التمدد الحراري لـ INCONEL 601 و INCONEL 718 أصغر من معامل INCONEL 601 و INCONEL 625. لذلك ، يعتبر INCONEL 718أكثر فاعلية في منع الأنماط من الانفصال عن RT عندما يتم تسخين قوالب RT بشكل متكرر وتبريدها أثناء الطباعة.
الجدول 3. مقاومة درجات الحرارة العالية لسبائك INCONEL المرشحة
الجدول 4. معامل التمدد الحراري لسبائك INCONEL المرشحة
يتم إجراء توزيع حجم الجسيمات لمسحوق INCONEL 718باستخدام Malvern Mastersizer 3000 ويتم ملاحظة شكل الجسيمات من خلال الفحص المجهري الإلكتروني (SEM). يوضح الشكل 7 أ توزيعات حجم الجسيمات لـ D10 و D50 و D90 عند 57.1um و 95.5um و 155um ، على التوالي. على عكس طريقة PBF ، يمكن استخدام المساحيق ذات مجموعة واسعة من أحجام الجسيمات في عملية DED ، والتي لها ميزة تقليل تكلفة صنع DED. يشبه حجم جزيئات المسحوق لطريقة DED الحجم المستخدم في عمليات تعدين المساحيق ، 50-150 مم ، والمسحوق المستخدم مماثل في الحجم.
الشكل 7. (أ) توزيع حجم الجسيمات على أساس حجم مساحيق INCONEL 718 (ب) صورة SEM لمسحوق INCONEL 718بتكبير منخفض (ج) صورة SEM لمسحوق INCONEL 718 بتكبير عالٍ.
يوضح الشكل 7 ب صور SEM لمساحيق INCONEL 718. يكون الشكل العام كرويًا تقريبًا (الشكل 7 ج) ، وجزيئات المسحوق الفردية لها بنية مجهرية شجيرية ، عادةً نتيجة التجميد السريع بينما تتشبث بعض الأقمار الصناعية بجزيئات أكبر (الشكل 7 ج).
3.2 آلة الطباعة DED
ترسب مباشر للطاقة (DED) إحدى العمليات هو AM حيث يتم استخدام مصدر طاقة مركزة (شعاع الليزر ، شعاع الإلكترون وقوس البلازما) لتشكيل طبقة ترسيب بمسحوق معدني أو سلك. DED مقارنة بدمج طبقة المسحوق يوفر (PBF) سرعات تصنيع أسرع وأحجام طباعة أكبر ، ويمكنه إرفاق مواد إضافية مباشرة بالأجزاء الموجودة..
يتم استخدام TheInssTek MX-Grande (كوريا) لطباعة أنماط قرص العسل. ترد معلمات العملية المطلوبة لتشغيل الآلة في الجدول 5. يتم ضبط طاقة الليزر تلقائيًا بين 500 و 800 واط. تم تحليل ارتفاع البركة المنصهرة والتحكم فيه في الوقت الفعلي باستخدام كاميرتين مثبتتين على رأس الفوهة. تقتصر الطباعة على سطح أربعة أنابيب مستقيمة RT باستثناء 20 مم في نهاية كل أنبوب مستقيم لإنشاء المساحة المطلوبة لحام الأنابيب المستقيمة وانحناءات U.
الجدول 5. معلمات عملية DED المستخدمة لطباعة INCONEL 718
3.2 اطبع أنماط قرص العسل على نموذج RT (الحقيقي)
تُستخدم طابعة DED الموجودة في السوق لأنها يمكنها طباعتها على أنبوب مستقيم بأسطح كبيرة ومنحنية. في عملية DED ، يتم وضع المسحوق في طبقات متتالية على الأسطح ويتم صهره بواسطة مصادر حرارة مختلفة للمسحوق ليتم إنتاجه بأي شكل. في هذه الدراسة ، يتم تعريف الطبقة على أنها شكل مسطح منفصل وشكل قرص العسل.
هناك طريقتان لطباعة مجموعة من أنماط قرص العسل على الأسطح. الطريقة الأولى تقسم الارتفاع المستهدف لأشكال قرص العسل على أنبوب مستقيم إلى عدد معين من الطبقات ، ثم توضع كل طبقة فوق الطبقات المطبوعة ، على التوالي. في هذه الدراسة ، كان سمك طبقة واحدة من شكل قرص العسل 500 سم ، وبالتالي ، تم تكديس ست طبقات فوق بعضها البعض لتشكيل قرص عسل بارتفاع 3 مم. يتم لصق كل طبقة بشكل متكرر على الطبقة السابقة حتى تصل إلى الارتفاع المستهدف (3 مم) من قرص العسل. من الآن فصاعدًا ، تُعرف هذه الطريقة باسم “طريقة أولوية الطبقة”.
طريقة أخرى تقسم الأنبوب المستقيم في اتجاه طرفي إلى عدد معين من الحلقات. يشار إلى منطقة الحلقة الخارجية بالقسم. في هذه الدراسة ، تم تقسيم الأنابيب المستقيمة إلى 16 قسمًا. طُبعت أنماط قرص العسل بارتفاع 3 مم مرة واحدة في الجزء الأول ثم طُبع نمط قرص العسل في الجزء التالي ، على التوالي. بهذه الطريقة ، تم طباعة أنماط قرص العسل في 16 قسمًا. من الآن فصاعدًا ، تُعرف هذه الطريقة باسم “طريقة تحديد الأولويات”.
تم إنشاء نمط قرص العسل الموضح في الشكل 8 أ ، ب باستخدام طريقة تحديد الأولويات. يوضح الشكل 8 أ ، على سبيل المثال ، الطبقة الأولى من نمط قرص العسل عند حافة أنبوب مستقيم يبلغ طوله 2000 مم وقطره 190 مم مع عصا دوارة. يتحرك رأس الطابعة وظرف الظرف في وقت واحد لطباعة نمط قرص العسل. الشكل 8 ب نظرة عامة توضح النموذج الأولي RT مع نمط قرص العسل المطبوع ليتم تثبيته في فرن الاختبار.
3.4 قياس درجة الحرارة واستهلاك الوقود للنموذج الأولي RT
تم اختبار الكفاءة الحرارية المشعة للنموذج الأولي RT باستخدام نمط قرص العسل المطبوع باستخدام فرن تجريبي. يوضح الشكل 9 أ مخططًا لفرن اختبار يحاكي CAL الفعلي. ينتج فرن الاختبار هذا حالة يتم فيها امتصاص الحرارة المشعة الناتجة عن النموذج الأولي RT بواسطة الشريط الفولاذي. يتم دعم نوعين من RT بالحجم الكامل (نموذج أولي) بدون أنماط قرص العسل بواسطة دعامة مقاومة للحرارة في الغرفة والحجرة الثانية ، أي أن فرن الاختبار به نافذة عرض زجاجية مقاومة للحرارة وصمام قابل للتعديل عند مدخل ومخرج الهواء. يكون. الغرفة مصنوعة من طوب عازل للحرارة وجدرانها مغطاة بصوف مقاوم للحرارة. يوضح الشكل 9 ب كل جزء من فرن الاختبار. تم قياس درجة الحرارة المحيطة داخل غرفة الاختبار في أربعة أوضاع (# 1 ، 2 ، 3 ، 4) 200 مم من الأنبوب المستقيم حيث يوجد الشريط الفولاذي في CAL الفعلي. تم استخدام قيمة درجة الحرارة في الموضع 2 للتحكم في استهلاك الوقود أثناء الاختبار. يتحكم نظام التحكم في درجة الحرارة والغاز في درجة الحرارة المحيطة عن طريق ضبط كمية الوقود التي يستهلكها الموقد.
الشکل 8. (ب) الگوهای لانه زنبوری بر سطح لوله مستقیم نمونه. (ب) أنماط قرص العسل المطبوعة على سطح الأنبوب المستقيم للنموذج الأولي RT ليتم تثبيتها في فرن الاختبار.
الشکل 9. (أ) رسم تخطيطي لفرن تجريبي يقيم الكفاءة الحرارية المشعة ل RTs بالحجم الكامل مع أنماط قرص العسل وبدونها. (ب) وصف كل مكون في فرن الاختبار.
يعمل نموذجان أوليان من RT مع وبدون أنماط قرص العسل في دورة الحرارة ، كما هو موضح في الشكل 10. عادة ما يتم استخدام درجة حرارة المعالجة الحرارية في CAL الحقيقي ووقت النقع في كل من 780 و 880 درجة مئوية كان 1440 دقيقة (24 ساعة). تم قياس التغييرات في استهلاك الوقود مع الحفاظ على درجة الحرارة المحيطة للفرن لمدة 24 ساعة.
الشکل 10. يتم اعتماد تغييرات درجة الحرارة وعملية تخزين الحرارة ووقت التخزين (دورة الحرارة) بشكل شائع في فرن الاختبار.
۴. النتائج والمناقشة
4.1 نمط الطباعة ثلاثية الأبعاد
كما ذكرنا أعلاه ، عند طباعة مجموعة من هياكل قرص العسل باستخدام طابعة DED ، يتم استخدام طريقتين لمنع التشوه الحراري للأنبوب الرفيع (بسمك 3 مم) أثناء الطباعة.
يوضح الشكل 11 أ النمط المطبوع باستخدام طريقة أولوية الطبقة. Layer priority method prints each layer section by section. طريقة أولوية الطبقة تطبع كل طبقة قسمًا بقسم. هذه فعالة من خلال الحرارة. ومع ذلك ، يتسبب هذا في انحراف موضع الطبقة المطبوعة التالية عن الطبقة المطبوعة السابقة لأن منطقة الطباعة بأكملها تسخن ويتمدد الأنبوب حراريًا. الشكل 11 ب هو صورة أكبر للنمط المطبوع باستخدام طريقة أولوية الطبقة. تظهر بعض البقع على الحافة. تم الحصول على هيكل ذو طبقات متدرجة بدلاً من هيكل قرص العسل الشفاف. هذا بسبب تراكم الطبقة المطبوعة في أوقات مختلفة. يزداد مقدار التمدد الحراري لكل طبقة مع زيادة عدد طبقات النمط.
يطبع الشكل 11 ج نمط قرص العسل باستخدام طريقة تحديد أولويات القسم. الشكل 11 د هو صورة أكبر للنمط المطبوع بطريقة تحديد الأولويات. على الرغم من وجود تناقض طفيف بين الطبقتين الأولى والثانية ، إلا أن نمط قرص العسل بالكامل مطبوع جيدًا. في هذه الطريقة ، تتركز الحرارة في منطقة صغيرة نسبيًا. لذلك ، يتمدد الجزء الساخن فقط. ومع ذلك ، في طريقة أولوية الطبقة ، يتم تسخين إجمالي 16 قسمًا لطباعة الطبقة الأولى في جميع الأقسام. تتوسع هذه الأقسام الستة عشر. على الرغم من أن المدخلات الحرارية لقسم ما في طريقة تحديد أولوية المقطع العرضي أعلى من طريقة أولوية الطبقة ، إلا أن المنطقة المسخنة تكون أصغر والطبقة بعد الطبقة الثالثة تتم طباعتها على قسم مسخن وممتد بالكامل. نتيجة لذلك ، يكون عدم تطابق الطبقة في طريقة تحديد الأولويات أصغر من طريقة أولوية الطبقة.
الشکل 11. أنماط قرص العسل مطبوعة بطريقة تفضيل الطبقة. (أ) عرض كامل و (مع) منظر كبير. أنماط قرص العسل مطبوعة بطريقة الأولوية. ج) عرض كامل و (في) عرض كبير.
4.2 الرش على النمط
يظهر رش اللحام عند الحافة في الشكل 11 ب ، د. رذاذ اللحام هو قطرة من المعدن المنصهر التي تشتت من البركة المنصهرة أثناء الطباعة. في المرحلة الأولى من الطباعة ، يتم إرفاق الرذاذ بلوحة التصنيع لأن موضع البركة المنصهرة قريب من لوحة التصنيع ولا تزال قطرات الذوبان المشتتة في لتر واحد. الحالة السائلة (خارج فيلم الأكسيد وداخل المعدن السائل) أو الحالة شبه السائلة عند الالتصاق بلوحة التصنيع. مع تقدم الطباعة ، يزداد موضع البركة المنصهرة بسبب تراكم الطبقة المطبوعة. تتجمد القطرات المنصهرة المتناثرة مع زيادة القطرات الذائبة في مسافة الرحلة قبل الالتصاق بلوحة التصنيع. لذلك ، فإن الرش لطباعة جزء كبير ومستقل لا يمثل مشكلة خطيرة لأن لوحة التصنيع المرفقة بالبخاخ تتم إزالتها بعد الطباعة.
في حالة طباعة الهياكل الإضافية أو إصلاح المناطق التالفة على الأجزاء الموجودة ، ومع ذلك ، فإن موضع البركة المنصهرة قريب جدًا من الأجزاء ولا يمكن إزالتها بعد طباعة الأجزاء المرفقة بالرش. في هذه الدراسة ، يبلغ ارتفاع طبقة واحدة من نمط قرص العسل 500 مم ، وبالتالي يبلغ ارتفاع النموذج 3 مم فقط. بالإضافة إلى ذلك ، تعمل الطبقة المطبوعة مسبقًا كحاجز بالقرب من موضع الطباعة وتحجب فوهات الرش. يبدو أن مسافة الطيران القصيرة للقطرات المنصهرة بسبب وضع الانصهار المنخفض وانسداد طبقة ما قبل الطباعة هي السبب الرئيسي للرش داخل أنماط قرص العسل. يمكن إزالة المرشات المتبقية ، التي لم يتم تثبيتها بإحكام على سطح الأنبوب ، أثناء التشغيل. يمكن أن تتسبب الرشاشات المنفصلة بسبب موضع RTs في حدوث عيوب متنحية أو خدوش على الشريط. من خلال التحكم في متغيرات العملية ، مثل طاقة الليزر وسرعة الطباعة ، يمكن تقليل عدد البخاخات. تتم إزالة البخاخات الموجودة في الأنبوب قبل التجميع النهائي باستخدام السفع الرملي والطحن اليدوي.
4.3 قياس درجة الحرارة واستهلاك الوقود في فرن الاختبار
يوضح الشكل 12 درجة الحرارة المقاسة والغاز التراكمي (الوقود) المستهلك طوال دورة الحرارة ، كما هو موضح في الشكل 10. توضح دوائر درجة الحرارة المجوفة في الموضع 2 في الشكل 9 ب كمية الغاز التراكمي المستهلكة للتحكم في استهلاك الوقود والخطوط الصلبة. الرموز والخطوط المميزة باللون الأحمر هي لـ RT عادي (RT بدون نمط قرص العسل) وتلك المميزة باللون الأزرق هي لـ RT مطبوعة بنمط قرص العسل. تتبع تغيرات درجة الحرارة لنمط RT البسيط ونمط قرص العسل RT المطبوع نفس النمط تقريبًا لأن نظام التحكم في درجة الحرارة يعمل بشكل صحيح. اختلفت كمية الغاز التراكمية المستهلكة للحفاظ على درجة حرارة معينة. من الواضح أن كمية الغاز التراكمي المستهلكة لـRT المطبوع بنمط قرص العسل أقل من RT العادي. زاد الفرق في استهلاك الغاز التراكمي بين RT ونمط قرص العسل المطبوع العادي مع مرور الوقت ودرجة حرارة النقع.
الشکل 12. درجة الحرارة المقاسة والغاز التراكمي المستهلك للعينة العادية (بدون طباعة نمط قرص العسل) ونمط قرص العسل المطبوع RT
يلخص الجدول 6 قيم درجة الحرارة المحددة ودرجة الحرارة المقاسة والغاز المستهلك لوقت النقع والغاز المستهلك لدورة الحرارة بأكملها. عند تطبيق RT على السطح العادي ، فإن متوسط كمية الغاز المستهلكة للحفاظ على درجة الحرارة المحددة (780 درجة مئوية و 880 درجة مئوية) لفترة النقع (14400 دقيقة) هي 48 متر مكعب و 65 مترًا ، على التوالي. يبلغ الغاز المستهلك لكامل دورة التسخين (3000 دقيقة) 118 مترًا مكعبًا.
الجدول 6. متوسط كمية الغاز المستخدمة للحفاظ على 780 درجة مئوية و 880 درجة مئوية لمدة 1440 دقيقة ودورة حرارة كاملة (3000 دقيقة).
يتم استهلاك غاز نمط قرص العسل طوال دورة التسخين بأكملها دون ضبط درجة الحرارة 780 ° C880 ° C780 ° C880° C قياس درجة الحرارة 782 ° C882 ° C783 ° C882 ° C الغاز المستخدم لوقت النقع 48 مترًا 65 مترًا مكعبًا 43 مترًا مكعبًا 57 مترًا 118 مترًا مكعبًا مع 105 متر مكعب في المقدمة ، عندما يتم تنفيذ RT بنمط قرص العسل المطبوع ، ويتم ملاحظة كمية الغاز المستهلكة للحفاظ على درجة الحرارة المحددة (780 درجة مئوية و 880 درجة مئوية) لمدة 14400 دقيقة (43 مترًا مكعبًا و 57 مترًا على التوالي) ، مما يقلل من استهلاك الغاز في كل وقت نقع. يجد. كان استهلاك الغاز 105 مترًا لكامل دورة التسخين. عند مقارنة استهلاك الغاز لكل نقع لنوعي RTS ، استهلك RT بنمط قرص العسل المطبوع 10.42٪ عند 780 درجة مئوية و 12.31٪ عند 880 درجة مئوية أقل من RTالعادي ، على التوالي. مقارنة باستهلاك غاز RT المزدوج في الدورة الحرارية بأكملها ، ينخفض متوسط استهلاك الغاز بنسبة 11.02٪. تظهر كلا النتيجتين أن كفاءة الحرارة الإشعاعية RT تزداد مع إضافة أنماط قرص العسل.
4.4 اختبار الصوت لنموذج RT الأولي باستخدام أنماط قرص العسل المطبوعة
يتكون CAL الحقيقي من ثلاثة مجالات للتدفئة والنقع والتبريد. ومن ثم ، يجب أن يكون المسحوق المعدني المستخدم في إنشاء أنماط قرص العسل قادرًا على الحفاظ على رابطة قوية بين النمط وسطح RT وفصل أنماط قرص العسل عن سطح RT عندما يتم تسخين وتبريد RT بشكل متكرر. كل منطقة لديها عشرات RTs وحوالي 200RT في رقم 3CAL في POSCO Gwangyang Steel Works. للتحقق من سلامة النموذج الأولي RT باستخدام أنماط قرص العسل المطبوعة ، يتم تثبيته في POSCO Gwangyang Steel Works في 3CAL No. ويظل قيد التشغيل لأكثر من ثلاث سنوات.
تم فحص فصل الأنماط المطبوعة وشكل نمط قرص العسل في الفحص السنوي على مدى ثلاث سنوات. تظل أشكال كل نمط قرص العسل في الأنابيب المستقيمة الأربعة سليمة ولم يتم ملاحظة أي فصل بين نمط قرص العسل عن النموذج الأولي لسطح RT. لم يحدث انخفاض في الضغط أثناء التشغيل ولا تسرب أي غاز احتراق من الداخل إلى الخارج RT. لذلك ، تم تأكيد سلامة نموذج RT الأولي وطريقة DED المعتمدة في هذه الدراسة لطباعة نمط قرص العسل على سطح RT مقبولة.
۵. استنتاج
في هذه الدراسة ، يتم تقديم طريقة وطريقة لاستخدام تقنية AM لتقليل استهلاك وقود RT من النوع W المثبت على CAL. تم حساب متغيرات تصميم نمط قرص العسل المطبوع على سطح RT بواسطة تحليل FE لنقل الحرارة الإشعاعي. نموذج على شكل خلية نحل بالحجم الحقيقي مطبوع بواسطة DED على سطح RT. يتم تقييم الأداء الحراري لـ RT باستخدام نموذج قرص العسل المطبوع في فرن اختبار ، ويتم تثبيت RT في CAL الحقيقي في POSCO Gwangyang Steel Works لاختبار تطبيقه العملي وسلامته. فيما يلي الاستنتاجات الرئيسية لهذه الدراسة:
(1) الكفاءة الحرارية المشعة RT مقارنة بنمط قرص العسل المطبوع 10.42٪ و 12.31٪ يتم زيادة RT بسيط لكل وقت نقع ، مما يشير إلى نمط قرص العسل المطبوع إن RT المقترحة في هذه الدراسة جيدة بما يكفي بحيث يمكن العثور عليها CAL الحقيقي المستخدم في صناعة الصلب.
(2) طريقة DED المعتمدة لطباعة نمط قرص العسل على سطح RT مناسبة للأشياء ذات الأسطح الكبيرة المنحنية.
(3) نظرًا لأن نمط قرص العسل الذي تم إنشاؤه بواسطة DED لديه مقاومة التصاق كافية بين النمط وسطح RT ، لا تواجه DED مشكلة في استخدامه لـ RT ، والذي يستخدم في بيئات التدفئة والتبريد المتكررة.