ทำไมแท่งตะแกรงติดขัดหลังใช้งานไม่กี่เดือน: เหล็กหล่อ “โต” ที่อุณหภูมิสูง
ติดขัด โย้ ดันไม่ไป: ปฏิกิริยาแรกหน้างานมักเป็นการไปตรวจเกียร์ โซ่ และตัวปรับความตึง แต่มีสาเหตุอีกกลุ่มหนึ่งอยู่ที่ตัวแท่งเอง ขนาดของแท่งเปลี่ยนไป เหล็กหล่อที่อุณหภูมิสูง “โต” แบบย้อนกลับไม่ได้ พอเย็นลงถึงอุณหภูมิห้องก็ไม่หดกลับ นี่ไม่ใช่การขยายตัวจากความร้อน และกลไกนี้มีบันทึกไว้ในเอกสารวิชาการ
1. การโตกับการขยายตัวจากความร้อนเป็นคนละเรื่อง
การขยายตัวจากความร้อนคือร้อนแล้วเพิ่ม เย็นแล้วลด ย้อนกลับได้เต็มที่ ส่วนการโตย้อนกลับไม่ได้: เหล็กหล่อชิ้นเดียวกันหลังจากใช้งานที่อุณหภูมิสูงซ้ำหลายรอบ จะมีขนาดที่อุณหภูมิห้องใหญ่กว่าตอนออกจากโรงหล่อ และที่เพิ่มขึ้นนั้นเป็นของจริง
มีสองต้นเหตุ ซึ่งยืนยันด้วยการทดลองแล้วทั้งคู่ หนึ่งคือการเปลี่ยนซีเมนไทต์เป็นแกรไฟต์ พร้อมกับการเกิดแกรไฟต์และออสเทนไนต์ซ้ำไปมา สองคือการออกซิเดชัน - ออกไซด์ที่เกิดขึ้นมีปริมาตรมากกว่าโลหะที่ถูกกินไป ออกไซด์เหล่านี้ไปอัดอยู่ในช่องแกรไฟต์และรอยแตก ดันเนื้อโลหะให้แยกออก ยิ่งออกซิไดซ์ลึก ยิ่งเปิดกว้าง
ดังนั้นบนแท่งตะแกรงที่ใช้แล้ว การโตจึงมีสองร่องรอยที่วัดได้: ขนาดใหญ่ขึ้น และมักพ่วงมาด้วยการหลุดเป็นชั้นขนานกับหน้าทำงาน กับแถบออกซิเดชันภายในที่เข้มตามช่องแกรไฟต์ ความหนาไม่จำเป็นต้องลดลง บางแท่งดู “อ้วน” กว่าแท่งใหม่ด้วยซ้ำ
2. อุณหภูมิและบรรยากาศกำหนดอัตรา: ข้อมูลที่ตีพิมพ์
- เหนือ 400℃ แกรไฟต์ในเหล็กหล่อไม่เสถียรในอากาศและถูกออกซิไดซ์ก่อน เมื่อแกรไฟต์ถูกเผาไปจะเหลือรูพรุนและรอยแตก ออกซิเจนตามช่องเหล่านี้เข้าไปข้างใน เกิดออกซิเดชันใต้ผิว (Lin และคณะ, 2011)
- ด้วยองค์ประกอบใกล้เคียงกันและเนื้อพื้นเฟอร์ไรต์ทั้งคู่ ค่าคงที่อัตราการออกซิเดชันแบบพาราโบลาของเหล็กหล่อแกรไฟต์แบบแผ่นมากกว่าของเหล็กหล่อเหนียวประมาณ 5 เท่า ส่วนเหล็กหล่อเหนียวใกล้เคียงกับเหล็กกล้าคาร์บอนต่ำ เหตุผลคือแกรไฟต์แบบแผ่นเชื่อมต่อกันเกือบทั้งหมด เท่ากับสร้างถนนไว้ให้ออกซิเจน (แหล่งเดิม)
- ปริมาตรเพิ่มขึ้นภายใต้วงรอบความร้อนซ้ำ: เมื่อให้ความร้อนถึง 700℃ ปริมาตรที่เพิ่มขึ้นหลัก ๆ มาจากการออกซิเดชัน เมื่อเกิน 800℃ ยังบวกความพรุนจากการเกิดแกรไฟต์และออสเทนไนต์ซ้ำ และความพรุนนั้นทำให้ออกซิเดชันง่ายขึ้นอีก (Metal Science and Heat Treatment, 1971)
- ที่ 850℃ ในแต่ละรอบ ปริมาตรเพิ่มขึ้นประมาณ 0.7% ในอากาศ และประมาณ 0.05% ในสุญญากาศ ต่างกัน 14 เท่า หมายความว่าในห่วงโซ่นี้ บทบาทของออกซิเจนไม่น้อยกว่าอุณหภูมิ (แหล่งเดิม)
3. เพดานอุณหภูมิเดียวกัน แต่อายุการใช้งานไม่เท่ากัน
GB/T 9437-2009 กำหนดอุณหภูมิใช้งานของงานหล่อเหล็กทนร้อนตามเกรด โดยเกรดสูงสุดถึง 1100℃ แต่เพดานอุณหภูมิเป็นเพียงใบผ่านประตู เมื่ออยู่ใกล้เพดานนั้น การเลือกเหล็กหล่อเทาหรือเหล็กหล่อเหนียวไม่ได้ตัดสินบนตารางความแข็งแรง แต่ตัดสินที่ความต้านทานออกซิเดชันและความต้านทานการโตซึ่งสัณฐานแกรไฟต์เป็นตัวกำหนด
RTSi5 กับ RQTSi5 ในตารางเทียบวัสดุคือคู่นั้นเอง เป้าซิลิคอนใกล้กันมาก ตัวหนึ่งเป็นเหล็กหล่อเทาแกรไฟต์แบบแผ่น อีกตัวเป็นเหล็กหล่อเหนียวแกรไฟต์แบบก้อนกลม ถ้าอยู่ในบรรยากาศออกซิไดซ์เหนือ 800℃ เป็นเวลานาน ตามข้อมูลข้างต้น อัตราการออกซิเดชันของสองเกรดต่างกันได้ถึงระดับ 5 เท่า
นี่ก็อธิบายว่าทำไมวิธีปฏิบัติหน้างานวิธีหนึ่งจึงได้ผล: เปลี่ยนไม่กี่แถวในโซนเผาไหม้หลักเป็นเหล็กหล่อเหนียวหรืองานหล่อโครเมียมสูง ส่วนโซนอบแห้งและโซนเผาไหม้หมดยังใช้เหล็กหล่อทนร้อนธรรมดา สิ่งที่เปลี่ยนไม่ใช่ “วัสดุที่แพงกว่า” แต่เป็นสัณฐานแกรไฟต์และปริมาณโครเมียม
4. สี่ขั้นตอนหน้างานเพื่อยืนยันว่าโต ไม่ใช่สึก
- วัด: เทียบของใหม่กับของเก่าในตำแหน่งเดียวกัน วัดด้านละสามจุดทั้งความกว้างแท่ง ความยาวแท่ง และความหนาหัว การโตคือขนาดใหญ่ขึ้นแต่ความหนาไม่จำเป็นต้องลด การสึกแบบขัดสีคือความหนาลดแต่ขนาดแทบไม่เปลี่ยน
- ดู: ผิวตัดมีรอยแตกและการหลุดเป็นชั้นขนานกับหน้าทำงานหรือไม่ และมีแถบออกซิเดชันภายในที่เข้มตามช่องแกรไฟต์หรือไม่
- เรียงตามตำแหน่ง: หนักที่สุดแถวโซนเผาไหม้หลักและเบาที่ปลายทั้งสองข้าง คือการโตที่ขับด้วยอุณหภูมิ ถ้าบางสม่ำเสมอทั้งชุด โอกาสสูงกว่าเป็นเรื่องบรรยากาศหรือเลือกเกรดต่ำเกิน
- ตัดปัจจัยอื่น: กระแสไฟฝั่งขับ เสียงผิดปกติ ความตึงโซ่ และรางสึก ล้วนทำให้ดันไม่ไป ต้องตัดออกก่อนแล้วจึงพูดถึงวัสดุ
สองขั้นแรกคือวิธีในบทความตรวจใบรับรองวัสดุ คือวัดขนาดแล้วดูผิวตัดกับโครงสร้าง ส่วนสาเหตุที่แท่งแตกทั้งแท่ง ดูรูปแบบความเสียหายสี่แบบ
5. สี่สิ่งที่แก้ได้ และสามข้อตอนจัดซื้อ
สิ่งที่แก้ได้: หนึ่ง ลดอุณหภูมิผิวแท่งตะแกรง ด้วยการยึดตำแหน่งโซนเผาไหม้หลักไว้ด้วยการกระจายลม ความหนาชั้นเชื้อเพลิง และความเร็วตะแกรง เพราะเกิน 800℃ การโตเร็วขึ้นชัดเจน สอง ลดจำนวนและช่วงกว้างของวงรอบความร้อน เพราะการเปิด-ปิด ลมเย็นที่พัดเข้าเตาตอนหยุด และการเดินเครื่องภาระต่ำเป็นเวลานาน ล้วนบวกส่วนที่ย้อนกลับไม่ได้เข้าไปทุกครั้ง สาม ลดบรรยากาศออกซิไดซ์ ด้วยการคุมอากาศส่วนเกินให้ต่ำสุดที่การเผาไหม้ยอมให้ ซึ่งเป็นที่มาของช่องว่าง 14 เท่าระหว่างอากาศกับสุญญากาศ สี่ เลือกตามสัณฐานแกรไฟต์และปริมาณโครเมียม แบ่งตามโซน ตอนประกอบให้ใส่แท่งใหม่ตามระยะห่างที่ออกแบบไว้ อย่าหวังว่า “ใส่ให้แน่นกว่านี้จะผนึกดีกว่า” และแท่งที่โตแล้วอย่าดัดกลับมาใช้ เพราะการดัดเพียงเปลี่ยนการบิดเบี้ยวให้เป็นความเค้นตกค้าง
ตอนสั่งซื้อ ให้เขียนสามข้อลงในข้อตกลงทางเทคนิคแทนที่จะเขียนแค่เกรด: เกรดพร้อมสัณฐานแกรไฟต์ (เหล็กหล่อเทาหรือเหล็กหล่อเหนียว) เพดานอุณหภูมิใช้งานและบรรยากาศ และเกณฑ์ตรวจรับ (องค์ประกอบทางเคมี สัณฐานแกรไฟต์ด้วยโลหะวิทยา ความแข็ง)
เอกสารอ้างอิง
- Lin M.-B., Wang C.-J., Volinsky A. A., High Temperature Oxidation Behavior of Flake and Spheroidal Graphite Cast Irons, Oxidation of Metals, 2011, 76: 161–168
- Growth of cast iron due to phase transformations and oxidation processes, Metal Science and Heat Treatment, 1971
- GB/T 9437-2009 งานหล่อเหล็กทนร้อน (Heat-resistant iron castings)
