تسمه‌های نقاله چگونه خود را با محیط‌های پرحرارت مانند متالورژی تطبیق می‌دهند؟

اثرات قرارگیری در معرض حرارت شدید بر اجزای نوار نقاله

در محیط‌های متالورژیکی، نوارهای نقاله اغلب با دماهایی بالاتر از ۳۰۰ درجه سانتی‌گراد مواجه می‌شوند که این مقدار بسیار فراتر از حد مقاومت مواد معمولی است. هنگامی که این نوارها برای مدت طولانی در معرض چنین حرارتی قرار می‌گیرند، مشکلات متعددی پیش می‌آید. لایه‌های لاستیکی شروع به تضعیف می‌کنند، پارچه داخلی تجزیه می‌شود و حتی قطعات فولادی نیز تحت تأثیر شرایط شدید، تاب بر می‌دارند. بر اساس برخی داده‌های صنعتی از گزارش دوام مواد سال گذشته، برخی ترکیبات لاستیکی پس از تنها ۵۰۰ ساعت کار در دمای ۲۵۰ درجه سانتی‌گراد، حدود ۴۰٪ انعطاف‌پذیری خود را از دست می‌دهند. از دست رفتن کشسانی به این معناست که نوارها دیگر نمی‌توانند بارهای سنگین را تحمل کنند و احتمال پارگی یا لغزش آن‌ها در حین انتقال مواد در کارخانه به‌طور قابل توجهی افزایش می‌یابد.

روش‌های رایج خرابی: ذوب، ترک خوردگی و لایه‌لایه شدن در مناطق با دمای بالا

سه روش اصلی خرابی در مناطق با دمای بالا غالب هستند:

• ذوب سطحی ناشی از تماس مستقیم با سرباره مذاب یا فلزات تازه ریخته‌گری شده
• ترک خوردگی لبه به دلیل چرخه‌دهی حرارتی بین 80°C و 400°C
• جدایش لایه زیرا چسب‌ها در معرض تنش حرارتی طولانی‌مدت تخریب می‌شوند

تحلیل سال 2022 از توقف‌های ناخواسته کارخانه‌های فولاد نشان داد که خرابی نوار نقاله‌ها سهم 23٪ را در توقفات ناگهانی داشته است و به هر واحد صنعتی متوسط 184,000 دلار آمریکا ضرر زده است (Industrial Maintenance Review).

تخریب حرارتی لاستیک‌ها و مواد پلیمری استاندارد

مواد لاستیکی قدیمی مانند SBR یا استایرن بوتادین رابر در دماهای حدود ۱۲۰ درجه سانتی‌گراد شروع به تجزیه می‌کنند. هنگامی که این اتفاق می‌افتد، گاز‌های مضری آزاد می‌کنند و به مرور زمان انعطاف‌پذیری آنها کاهش می‌یابد. در دماهای بالاتر وضعیت بدتر نیز می‌شود. در حدود دمای ۱۸۰ درجه سانتی‌گراد، تقویت‌کننده‌های نایلونی داخل تسمه‌ها در واقع بین ۸ تا ۱۲ درصد منقبض می‌شوند. این امر باعث ایجاد مشکلات متعددی در نحوه کشیدگی یکنواخت تسمه در عرض کامل آن می‌شود. نتیجه نهایی چیست؟ تسمه‌ها در شرایط کارخانه‌های ریخته‌گری که حرارت به‌طور مداوم وجود دارد، تقریباً طول عمر کافی ندارند. اکثر آنها تنها ۶ تا ۹ ماه دوام می‌آورند و سپس نیاز به تعویض دارند. در مقایسه با شرایط دمایی معمولی خارج از کوره‌های صنعتی، تسمه‌های کارخانه‌های ریخته‌گری سه برابر بیشتر از حد معمول تعویض می‌شوند.

علم مواد پشت تسمه‌های مقاوم در برابر حرارت

ترکیب مواد تسمه‌های نقاله مقاوم به حرارت برای کاربردهای صنایع فولاد

نوارهای نقاله مقاوم در برابر حرارت که امروزه در تولید فولاد استفاده می‌شوند، از بدنه پارچه‌ای EP که به دلیل استحکام بالا و جمع‌شدگی بسیار کم شناخته شده است، همراه با ترکیبات لاستیکی خاصی استفاده می‌کنند که قادر به تحمل دماهای بالای ۲۵۰ درجه سانتی‌گراد هستند. اکثر تولیدکنندگان برای روکش این نوارها از لاستیک EPDM یا کلروپرن استفاده می‌کنند، زیرا این مواد حتی در مواجهه با افزایش ناگهانی دما تا حدود ۵۰۰ درجه سانتی‌گراد نیز انعطاف‌پذیری خود را حفظ می‌کنند؛ چیزی که بارها در آزمایش‌های انجام‌شده روی سیستم‌های نقاله صنعتی در شرایط سخت مشاهده شده است. با بررسی ساختار این نوارها، در واقع سه لایه مجزا در کنار هم کار می‌کنند: لایه بالایی دارای خاصیت بازتابنده است که گرما را منعکس می‌کند، بخش میانی که با الیاف آرامید تقویت شده است استحکام اضافی فراهم می‌کند و لایه پایینی موادی را در خود دارد که از تجمع بار الکترواستاتیک جلوگیری می‌کند و در محیط‌های خاصی که این پدیده خطرزا است، بسیار مهم است.

نقش ترکیبات لاستیکی تخصصی (EPDM، سیلیکون، نئوپرن) در مقاومت حرارتی

ترکیبات جدید لاستیک به‌صورت مستقیم با مشکلات دمایی مختلف مواجه می‌شوند. به عنوان مثال سیلیکون در برابر اکسیداسیون مقاوم است و می‌تواند به‌طور مداوم در دماهای حدود ۲۳۰ درجه سانتی‌گراد عملکرد مناسبی داشته باشد. نئوپرن داستانی کاملاً متفاوت است و مقاومت در برابر آتش را فراهم می‌کند که آن را برای انتقال ایمن فلزات مذاب ضروری می‌سازد. نوع EPDM در کارخانجات فولاد واقعاً برجسته است. چرا؟ زیرا استحکام آن حدود دوازده برابر بهتر از میزان انبساط حرارتی آن نسبت به لاستیک‌های معمولی است. این بدین معناست که EPDM حتی در دماهای پایین‌تر از منفی چهل درجه سانتی‌گراد نیز انعطاف‌پذیر باقی می‌ماند و شکل خود را از دست نمی‌دهد. مهندسان مواد هم به‌دقت به این مواد پرداخته‌اند. یافته‌های آنها نشان می‌دهد که این مواد پیشرفته پس از گذراندن هزار چرخه گرمایی، تقریباً با سرعتی معادل یک سوم لاستیک طبیعی ترک می‌خورند. این موضوع منطقی است که چرا عملیات صنعتی بسیاری در حال انتقال به این مواد هستند.

لایه‌های تقویتی و هسته‌های بافتی که یکپارچگی ساختاری را در دماهای بالا افزایش می‌دهند

طراحی‌های چندلایه شامل موارد زیر هستند:

• بافت‌های الیاف آرامید با استحکام کششی 580 مگاپاسکال
• شبکه‌های فیبرگلاس که جمع‌شدگی طولی را تا 80٪ کاهش می‌دهند
• نخ‌های فولاد کربنی که پایداری ابعادی را با کشش کمتر از 0.2٪ در دمای 300°C حفظ می‌کنند

این ساختار از لایه‌لایه شدن جلوگیری می‌کند و در عین حال تحمل بارهای 50 کیلوگرم بر متر مربع را در عملیات کوره تلس دارد.

مزایای پارچه‌های روکش‌شده با سرامیک و الیاف آرامید در شرایط سخت

سطوح مجهز به سرامیک مقاومت سایشی را در کارخانجات تلس به میزان 400٪ افزایش می‌دهند و 60٪ از گرمای تابشی را منعکس می‌کنند. تقویت‌کننده‌های پارا-آرامید دوره‌های کاری 18 ماهه را در عملیات ریخته‌گری پیوسته - سه برابر بیشتر از هسته‌های نایلونی - ممکن می‌سازند و توقف‌های برنامه‌ریزی‌نشده را تا 70٪ کاهش می‌دهند.

غلتک‌های فولاد ضدزنگ و قطعات فلزی برای مقاومت در برابر حرارت

غلتک‌های فولاد ضدزنگ آستنیتی (درجه 304/316) همراه با یاتاقان‌های کاربید تنگستن، قادر به تحمل بارهای تا 8,000 کیلوگرم در دمای محیطی 400 درجه سانتی‌گراد بدون خرابی روان‌کاری هستند.

طراحی و مهندسی سیستم‌های نقاله با دمای بالا

مدیریت هدایت حرارتی در طراحی نوار نقاله

مهندسین مواد با هدایت حرارتی پایین را اولویت می‌دهند تا انتقال حرارت به قطعات داخلی را به حداقل برسانند. ترکیبات تخصصی مانند EPDM جذب حرارت را نسبت به لاستیک‌های استاندارد ۳۸٪ کاهش می‌دهند، از تخریب زودهنگام لایه‌های تقویتی جلوگیری می‌کنند و دمای سطحی را در حین کارکرد زیر ۱۸۰°C (356°F) نگه می‌دارند.

طراحی نوارهای اختصاصی برای فرآیندهای متالورژی مختلف

پیکربندی‌های سفارشی نوار به نیازهای حرارتی خاص پاسخ می‌دهند:

• کارخانه‌های دانه‌سازی نیازمند سطوحی با ذرات سرامیکی هستند تا بتوانند تماس ذرات با دمای ۶۰۰–۸۰۰°C (1,112–1,472°F) را تحمل کنند
• سیستم‌های ریخته‌گری مداوم از الیاف آرامید چندلایه برای مقاومت در برابر گرمای تابشی استفاده می‌کنند
• غلتک‌های داغ هسته‌های مشبک فولاد ضدزنگ را برای پراکندگی حرارتی ترکیبی و استحکام کششی در نظر می‌گیرند

تحلیل‌های اخیر صنعت نشان می‌دهد که با تنظیم سیستم‌های نوار نقاله متناسب با الزامات فرآیند خاص، ۷۲ درصد کاهش در زمان توقف دستگاه حاصل می‌شود.

ادغام ساختاری اجزای مقاوم در برابر حرارت در سیستم‌های کامل نوار نقاله

مهندسی پیشرفته تضمین می‌کند که تسمه‌ها، غلتک‌ها و قاب‌ها به‌صورت یکپارچه سازگار باشند. غلتک‌های مجهز به پوشش سرامیکی، تولید گرمای ناشی از اصطکاک را تا ۴۱ درصد کاهش می‌دهند، در حالی که محافظ‌های جانبی دارای تهویه، جریان هوا را برای پراکندگی حرارت بهبود می‌بخشند. آزمایش‌های میدانی نشان می‌دهند که طراحی‌های یکپارچه عمر قطعات را در تأسیساتی که در دمای بالای ۳۰۰ درجه سانتی‌گراد (۵۷۲ درجه فارنهایت) کار می‌کنند، ۱٫۸ برابر افزایش می‌دهند.

همکاری بین مهندسان و اپراتورهای کارخانه برای عملکرد بهینه

نگاه کردن منظم به تصاویر حرارتی همراه با نگهداری سوابق دقیق تعمیر و نگهداری، به مهندسان کمک می‌کند تا طراحی‌های بهتری در طول زمان انجام دهند. پژوهش اخیر در سال 2023 که به بررسی 47 آهن‌سازی مختلف در سراسر کشور پرداخت، چیز جالبی را آشکار کرد. در کارخانه‌هایی که اپراتورها بتوانند بازخورد لحظه‌ای ارائه دهند، تولید سالانه حدود 22 درصد افزایش یافت. آن‌ها تنظیماتی مانند سرعت حرکت نوار نقاله، تنظیمات کشش و زمان‌بندی خنک‌سازی را بر اساس آنچه نقشه‌های حرارتی نشان می‌دادند، اصلاح کردند. تمام این سیستم به این دلیل کار می‌کند که همه افراد درگیر، مشاهدات خود را به اشتراک می‌گذارند. در نتیجه، استانداردهای صنعتی در مدیریت تنش حرارتی بهبود یافته‌اند و قطعاً تعداد خرابی‌های غیرمنتظره که هزینه‌بر و عامل تأخیر در عملیات هستند، کاهش یافته است.

عملکرد واقعی و دوام در فرآیندهای فولاد و فلز

عملکرد نوار نقاله در عملیات ریخته‌گری پیوسته و نورد داغ

نوارهای نقاله مقاوم در برابر حرارت می‌توانند دماهای بالاتر از ۴۰۰ درجه فارنهایت را در کارخانه‌های فولاد تحمل کنند، جایی که موادی مانند سرباره مذاب و حلقه‌های فلز داغ‌غلطک‌خورده را بدون از بین رفتن منتقل می‌کنند. طبق تحقیقاتی که سال گذشته توسط Plant Engineering منتشر شد، این نوارهای خاص زمان توقف غیرمنتظره در عملیات ریخته‌گری پیوسته را در مقایسه با نوارهای معمولی حدود دو سوم کاهش می‌دهند. دلیل این عملکرد بهتر چیست؟ این نوارها از چندین لایه تشکیل شده‌اند که شامل پارچه‌هایی با پوشش سرامیکی و تقویت‌شده با الیاف آرامید هستند. این ترکیب باعث می‌شود تا در شرایط تنش محکم باقی بمانند و از انبساط بیش از حد در معرض حرارت شدید جلوگیری کنند.

سنجش عمر خدماتی: میانگین ساعات عملیاتی در کارخانه‌های فولاد و متالورژی

بر اساس یافته‌های صنعتی، نوارهای نقاله مقاوم در برابر حرارت معمولاً قبل از نیاز به تعویض، حدود ۸٬۰۰۰ تا ۱۲٬۰۰۰ ساعت در کارخانجات تل‌آهن عملکرد دارند. این مقدار تقریباً سه برابر طولانی‌تر از نوارهای لاستیکی معمولی است. با بررسی داده‌های اخیر از گزارش جهانی متالورژی سال ۲۰۲۳، حدود چهار پنجم آبشارهای فولادی بهبود قابل توجهی را پس از انتقال به این نوارهای مرکب خاص سیلیکونی EPDM گزارش کرده‌اند. چه چیزی باعث برجسته شدن این مواد می‌شود؟ خب، این مواد فرآیند اکسیداسیون را به میزان قابل توجهی کند می‌کنند. در دماهای حدود ۵۷۲ درجه فارنهایت یا ۳۰۰ درجه سانتی‌گراد، آزمایش‌ها نشان داده‌اند که این نوارها حدود ۴۲ درصد کندتر از گزینه‌های سنتی تخریب می‌شوند. آزمایشگاه‌ها این مقایسه‌ها را با استفاده از روشی به نام آنالیز ترموجاذبه‌ای (TGA) انجام داده‌اند که اساساً میزان تجزیه مواد در طول زمان در معرض گرما را اندازه‌گیری می‌کند.

راهبردهای نگهداری برای حداکثر کردن دوام سیستم نوار نقاله در دماهای شدید

سه عملکرد حیاتی عمر تسمه را افزایش می‌دهند:

• بررسی‌های مادون قرمز هر 250 ساعت کارکرد برای تشخیص گرمایش محلی
• سیستم‌های تنظیم دقیق کشش که از انبساط و انقباض حرارتی جبران می‌کنند
• روغن‌های مبتنی بر سرامیک که اصطکاک در نقاط تماس غلتک را به حداقل می‌رسانند

اجرا کردن این اقدامات به کارخانه‌ها کمک می‌کند تا دسترسی‌پذیری 92 درصدی تسمه را به دست آورند (شاخص نگهداری صنعت 2023).

کاهش خرابی در کارخانجات تابشی از طریق استفاده از تسمه‌های نقاله مقاوم در برابر حرارت پیشرفته

کارخانه‌های تابشی که از فرآیندهای متالورژیکی پیشرفته مانند خلاء زدایی گازی استفاده می‌کنند، 57 درصد کاهش در حوادث لایه‌لایه شدن گزارش داده‌اند. نوآوری‌های اخیر در فولاد یاتاقان امکان تولید قطعات غلتکی بادوام‌تر را فراهم کرده است و تاب برداشتن ناشی از حرارت را در عملیات مداوم تا 38 درصد کاهش داده است. این ارتقاء سیستماتیک از خرابی‌های بحرانی که قبلاً به کارخانه‌ها هزینه‌ای معادل 740 هزار دلار در ماه ضایعات تولید تحمیل می‌کرد، جلوگیری می‌کند (تحلیل هزینه‌های 2023 حمل و نقل مواد).

نوآوری‌ها و روندهای آینده در فناوری تسمه‌های نقاله مقاوم در برابر حرارت

سیستم‌های نظارت هوشمند برای تشخیص دمای واقعی و تنش در زمان واقعی

امروزه سیستم‌های نقاله با سنسورهای هوشمندی تجهیز شده‌اند که از طریق اینترنت اشیا به هم متصل می‌شوند و می‌توانند تشخیص دهند هنگامی که دما از ۶۰۰ درجه فارنهایت (حدود ۳۱۵ درجه سانتیگراد) بالاتر رود. طبق آزمایش‌های میدانی اخیر که توسط مؤسسه پونمون در سال ۲۰۲۳ گزارش شده است، این سیستم‌ها حدود چهل درصد از خاموشی‌های ناشی از گرما کاسته‌اند. این سیستم از دستگاه‌های ریز الیاف نوری که در داخل تسمه‌ها تعبیه شده‌اند، برای نظارت بر دمای سطحی با دقت مثبت یا منفی دو درجه فارنهایت استفاده می‌کند. این امر به تیم‌های نگهداری اجازه می‌دهد تا مشکلاتی مانند نقاط اصطکاک غیرعادی یا نقاط تنش را بسیار قبل از تبدیل شدن به مشکلات جدی شناسایی کنند. علاوه بر این، چیز دیگری نیز در حال وقوع است: مدل‌های ریاضی پیش‌بینی‌کننده‌ای که در پس‌زمینه اجرا می‌شوند، در واقع کارگران را از قبل هشدار می‌دهند که در حین فرآیند سینترینگ ممکن است تسمه‌های نقاله شروع به لایه‌لایه شدن کنند.

توسعه مواد کامپوزیتی ترکیبی برای تسمه‌های نسل بعدی

دانشمندانی که در زمینه مهندسی مواد کار می‌کنند، شروع به طراحی تسمه‌های جدیدی کرده‌اند که از ترکیب نانوذرات سرامیکی با پلاستیک‌های مقاوم حرارتی بالا مانند پلی‌ایمید تشکیل شده‌اند. این تسمه‌های آزمایشی قادرند دماهای حدود ۹۰۰ درجه فارنهایت یا ۴۸۰ درجه سانتیگراد را بدون از دست دادن خاصیت انعطاف‌پذیری خود تحمل کنند. بر اساس تحقیقات منتشر شده در سال گذشته در مجله Materials Research، ماده ترکیبی تقریباً دو برابر مقاومت در برابر ترک خوردگی نسبت به لاستیک معمولی EPDM در هنگام قرار گرفتن در چرخه‌های مکرر گرمایی نشان داده است. توسعه جالب دیگر، استفاده از گرافن در هسته پارچه‌هاست که در واقع انتقال حرارت از طریق ماده را بهبود می‌بخشد. آزمایش‌ها نشان می‌دهند که این ساختار حرارت اضافی را با سرعتی تقریباً سه برابر نسخه‌های متداول مسلح شده با آرامید که اکنون در بازار موجود هستند، دفع می‌کند.

ادغام تحلیل‌های پیش‌بینانه در برنامه‌ریزی نگهداری نوار نقاله

سیستم‌های یادگیری ماشین اکنون به سوابق گذشته سایش حرارتی نگاه می‌کنند تا بتوانند پیش‌بینی کنند چه زمانی تسمه‌ها نیاز به تعویض دارند و بر اساس یافته‌های جدید دلویت از سال 2024، دقت این پیش‌بینی‌ها به حدود 92 درصد می‌رسد. واحدهایی که از این ابزارهای نگهداری پیش‌بینانه استفاده می‌کنند، معمولاً عمر تجهیزات خود را حدود 30 درصد بیشتر می‌کنند، زیرا می‌توانند برنامه‌های تمیزکاری را دقیق‌تر تنظیم کرده و بار کاری را بهتر بین دستگاه‌ها توزیع کنند. نرم‌افزار هوشمند نگهداری در واقع تصاویر زنده مادون قرمز را با الگوهای شناخته‌شده تخریب مواد مقایسه می‌کند که این امر باعث کاهش تقریباً نصفی خرابی‌های غیرمنتظره در کارخانه‌های تولید آلومینیوم می‌شود. بسیاری از مدیران کارخانه از زمان به‌کارگیری این رویکردهای تحلیلی جدید، کاهش چشمگیری در توقف‌های غیرمنتظره مشاهده کرده‌اند.

بخش سوالات متداول

تسمه‌های نقاله مقاوم در برابر حرارت تا چه دمایی را تحمل می‌کنند؟

تسمه‌های نقاله مقاوم در برابر حرارت که در تولید فولاد استفاده می‌شوند، برای تحمل دماهای بالای 250 درجه سانتی‌گراد طراحی شده‌اند و برخی از مواد پیشرفته قادر به تحمل دمای تا 500 درجه سانتی‌گراد هستند.

شایع‌ترین حالت‌های خرابی نوار نقاله در محیط‌های با دمای بالا چیست؟

شایع‌ترین حالت‌های خرابی شامل ذوب سطحی به دلیل تماس مستقیم با مواد داغ، ترک خوردن لبه‌ها ناشی از چرخه‌های حرارتی و جدایش لایه‌ها در اثر تخریب چسب‌ها تحت تنش حرارتی است.

طراحی‌های جدید مواد چگونه ماندگاری نوار نقاله را افزایش می‌دهند؟

طراحی‌های جدید مواد از ترکیبات لاستیکی خاصی مانند EPDM، تقویت‌کننده‌های چندلایه مانند الیاف آرامید و پوشش‌های سرامیکی استفاده می‌کنند تا انعطاف‌پذیری را افزایش داده، سایش را کاهش داده و مقاومت حرارتی را بهبود بخشند و به‌طور قابل توجهی عمر مفید نوار نقاله در محیط‌های متالورژیکی را افزایش دهند.

استراتژی‌های نگهداری توصیه‌شده برای سیستم‌های نوار نقاله در دماهای شدید کدام‌اند؟

استراتژی‌های مهم نگهداری شامل انجام منظم تصویربرداری مادون قرمز، تنظیم دقیق کشش برای جبران تغییرات حرارتی و استفاده از روغن‌کارهای مبتنی بر سرامیک برای کاهش اصطکاک و سایش است.

فناوری چگونه به دوام نوار نقاله کمک می‌کند؟

پیشرفت‌های فناوری مانند سنسورهای هوشمند، ادغام اینترنت اشیا برای نظارت آنی و تحلیل‌های پیش‌بینی‌کننده برای برنامه‌ریزی نگهداری، به‌طور قابل توجهی دوام و عملکرد نوارهای نقاله را در محیط‌های با دمای بالا افزایش می‌دهند.