I. Tło projektu i specyfikacje sprzętu

Niniejsze studium przypadku dotyczy pionowego pieca do szybkiego hartowania stopów aluminium z efektywną strefą roboczą o wymiarach 1200×1200×1100 mm (średnica × wysokość). Jest to piec oporowy pracujący cyklicznie, przeznaczony głównie do obróbki roztworowej i szybkiego hartowania odlewów i płyt ze stopów aluminium. Urządzenie ma moc znamionową 135 kW, napięcie znamionowe 380V trójfazowe 50Hz i temperaturę znamionową 650°C z regulowaną temperaturą roboczą.

Pozycjonowanie konstrukcyjne tego urządzenia różni się od konwencjonalnych pieców hartowniczych skrzynkowych: detale są zawieszone wewnątrz pieca, a zbiornik hartowniczy znajduje się bezpośrednio pod korpusem pieca. Po otwarciu drzwi pieca, detal może spaść bezpośrednio do wody – ten pionowy układ jest fizyczną podstawą do osiągnięcia szybkiego transferu.

II. Sterowanie temperaturą i projekt strefowania

System sterowania temperaturą wykorzystuje dwupoziomową architekturę. Górny poziom to 10-calowy ekran dotykowy odpowiedzialny za scentralizowane ustawianie, sterowanie, monitorowanie, rejestrowanie i przechowywanie krzywych procesów obróbki cieplnej. Niższy poziom wykorzystuje przemysłowe kontrolery temperatury Eurotherm 3504 PID z dokładnością sterowania ±1°C i jednorodnością temperatury pieca w granicach ±3°C podczas etapu wygrzewania.

Strefy grzewcze są skonfigurowane jako 2 strefy połączone w gwiazdę. Każda strefa jest wyposażona w urządzenie alarmowe nadmiernej temperatury, wskaźnik zakończenia programu, alarm dźwiękowy i wizualny nadmiernej temperatury oraz automatyczne odcięcie prądu. Kontroler temperatury posiada funkcję samostrojenia online, która oblicza optymalne parametry PID na podstawie rzeczywistych charakterystyk termicznych pieca, równoważąc szybkość nagrzewania z nadmiernym wzrostem temperatury.

III. Wykładzina pieca i konfiguracja elementów grzejnych

Wykładzina pieca wykonana jest ze standardowej ognioodpornej bawełny włóknistej, ze ścianami i dachem wykonanymi jako konstrukcje w pełni włókniste o całkowitej grubości izolacji nie mniejszej niż 240 mm. Blokowanie włókniste podlegają wtórnemu wstępnemu sprężaniu przed instalacją, osiągając gęstość sprężoną nie mniejszą niż 230 kg/m³, i są mocowane do skorupy dachu pieca za pomocą okrągłych prętów ze stali nierdzewnej. Ta konstrukcja charakteryzuje się niską przewodnością cieplną, niską pojemnością cieplną, dobrą stabilnością termiczną i odpornością na szok termiczny. Elementy mocujące są tłoczone z blachy ze stali nierdzewnej 1Cr18Ni9Ti.

Elementy grzejne to taśmy oporowe ze stopu 0Cr25Al5, prasowane za pomocą specjalnych form, aby uniknąć uszkodzeń podczas obróbki. Taśmy oporowe są mocowane za pomocą specjalnych ceramicznych śrub, co umożliwia wygodną i szybką konserwację oraz wymianę. Podczas instalacji podkładki ceramiczne są umieszczane między ścianą włóknistą a taśmą oporową, aby zapobiec bezpośredniemu kontaktowi powierzchni włóknistej z taśmą, zwiększając tym samym rozpraszanie ciepła z taśmy. Zarówno śruby ceramiczne, jak i podkładki są wykonane z materiału o wysokiej zawartości tlenku glinu i spieczone w wysokich temperaturach, aby zapewnić wystarczającą wytrzymałość i żywotność. Taśmy oporowe są zawieszone wokół komory pieca, ułatwiając rozpraszanie ciepła i cyrkulację powietrza. Elementy grzejne wykorzystują połączenie w gwiazdę, z obciążeniem powierzchniowym kontrolowanym poniżej 1,6 W/cm² – wartość poniżej konwencjonalnego limitu projektowego dla taśm oporowych, mająca na celu przedłużenie żywotności elementów w warunkach częstych cykli nagrzewania i chłodzenia.

IV. Cyrkulacja gorącego powietrza i system prowadzenia powietrza

Na dachu pieca zainstalowany jest wentylator cyrkulacyjny odporny na wysokie temperatury o mocy 7,5 kW. Materiał wentylatora jest zaprojektowany tak, aby wytrzymać długotrwałe wysokie temperatury bez deformacji, z łożyskami chłodzonymi powietrzem, aby dostosować się do środowiska dachu o wysokiej temperaturze. Osłona prowadząca powietrze maksymalizuje składową wzdłużną siły odśrodkowej generowanej przez wentylator, dociskając gorące powietrze w dół. Powietrze następnie omija detal i jest zasysane z powrotem do wlotu wentylatora od dołu, tworząc zamkniętą pętlę cyrkulacyjną. Ta ścieżka przepływu powietrza zapewnia jednorodność pola temperatury w komorze pieca i jest wspierającym projektem dla metody ładowania zawieszanego – detale nie mają żadnych przeszkód wokół siebie, co pozwala na przepływ powietrza.

V. Mechanizm podnoszenia kosza na materiał i blokady drzwi pieca

Mechanizm podnoszenia kosza na materiał składa się z wciągarki elektrycznej, łańcucha podnoszącego typu pierścieniowego i bloczków. Wciągarka jest dwubiegową jednostką sterowaną elektrycznie z prędkością liny do 18 metrów na minutę, spełniającą wymaganie szybkiego zanurzenia w wodzie; faza podnoszenia wykorzystuje niską prędkość, aby zmniejszyć uderzenie inercyjne podczas wchodzenia detalu i kosza do pieca. Wciągarka posiada sterowanie krokowe i urządzenie samoblokujące, pozwalające na zatrzymanie w dowolnej pozycji. Biorąc pod uwagę środowisko pieca o wysokiej temperaturze, zastosowano łańcuch pierścieniowy 16Mn. System bloczków jest zainstalowany w górnej części korpusu pieca, składający się z 4 bloczków i 4 zestawów łożysk, zapewniając płynne podnoszenie i opuszczanie kosza.

Drzwi pieca znajdują się na dole korpusu pieca i przesuwają się bocznie, z prowadnicami po bokach, aby utrzymać ruch poziomy. Otwieranie i zamykanie drzwi jest napędzane przez cylinder. Podczas zamykania cylinder popycha drzwi do pozycji zamkniętej i nadal wywiera nacisk, podnosząc drzwi do góry za pomocą mechanizmu dźwigniowego po bokach, aby docisnąć je szczelnie do korpusu pieca. Mechanizm podnoszenia i mechanizm drzwi pieca są blokowane: mechanizm podnoszenia może być zasilany i obsługiwany tylko po całkowitym otwarciu drzwi pieca (w tym momencie zasilanie elementów grzejnych zostało odcięte). Ta logika blokady zapobiega uszkodzeniu sprzętu w wyniku błędnej obsługi, gdy drzwi nie są otwarte.

VI. Czas transferu hartowania i zbiornik hartowniczy

Czas transferu hartowania definiuje się jako czas od otwarcia drzwi pieca do pełnego zanurzenia detalu w wodzie, z wymogiem projektowym nieprzekraczającym 10 sekund. Ten parametr jest kluczowy dla procesu obróbki roztworowej stopów aluminium – im krótszy czas transferu, tym wyższa szybkość chłodzenia przez zakres wrażliwy na hartowanie i tym lepszy efekt wzmocnienia przez starzenie.

Zbiornik hartowniczy jest konstrukcji mobilnej, napędzanej silnikiem o mocy 2,2 kW. W zbiorniku zainstalowane są dwie pompy cyrkulacyjne o mocy 3 kW, które stale mieszają wodę podczas hartowania, utrzymując jednolitą temperaturę wody i przyspieszając wymianę ciepła z powierzchni detalu. Zbiornik jest spawany z blachy stalowej o grubości 5 mm i przetestowany pod kątem szczelności. Wózek mobilny jest spawany z ceownika 12#, z przednią częścią służącą jako obszar stołu roboczego ramy materiałowej, a tylną częścią jako zbiornik na wodę, z trzema zestawami kół (jeden zestaw to koła napędowe).

VII. Sekwencja działań procesowych

Kompletna sekwencja działań sprzętu jest następująca: ręczne ładowanie → wózek hartowniczy przesuwa się pod korpus pieca → drzwi pieca otwierają się → mechanizm podnoszenia ramy materiałowej opada → ręczne zaczepianie → rama materiałowa podnosi się → drzwi pieca zamykają się → nagrzewanie i wygrzewanie zgodnie z czasem procesu → koniec obróbki roztworowej → pompa mieszająca wodę uruchamia się → drzwi pieca otwierają się → rama materiałowa opada → rama materiałowa szybko wchodzi do wody w celu hartowania → rama materiałowa podnosi się → wózek hartowniczy wychodzi → rama materiałowa opada → ręczne odczepianie, a następnie powrót do otworu pieca → drzwi pieca zamykają się → ręczne rozładowanie → rozpoczyna się kolejny cykl.