پروژه کوره المنتی واگنی ۱۵۰ کیلووات برای پیش‌گرم و تنش‌زدایی قطعات فولادی

طراحی، ساخت و اجرای کوره المنتی واگنی ۱۵۰ کیلووات برای پیش‌گرم و تنش‌زدایی قطعات فولادی تا وزن ۱۰ تن

۱. معرفی پروژه
در بسیاری از صنایع، عملیات حرارتی قطعات فولادی نقش مهمی در بهبود خواص مکانیکی، حذف تنش‌های پسماند و آماده‌سازی قطعات برای مراحل بعدی تولید دارد. کیفیت این فرآیند تا حد زیادی به دقت کنترل دما، یکنواختی توزیع حرارت و عملکرد صحیح سیستم کنترل بستگی دارد.
این پروژه شامل طراحی، ساخت و اجرای یک کوره المنتی واگنی با توان حرارتی ۱۵۰ کیلووات برای انجام عملیات پیش‌گرم و تنش‌زدایی قطعات فولادی تا وزن ۱۰ تن است.
ابعاد داخلی کوره عبارت است از:
عرض: ۲ متر
ارتفاع: ۲ متر
عمق: ۵ متر
حداکثر دمای کاری کوره ۵۰۰ درجه سلسیوس بوده و نرخ طراحی گرمایش حدود ۵۰ درجه سلسیوس بر ساعت در نظر گرفته شده است.
بخش برق قدرت، کنترل، سیستم حرارتی، مدار فرمان، تابلو برق و تمامی مراحل طراحی مهندسی، انتخاب تجهیزات، برنامه‌ریزی سیستم کنترل و راه‌اندازی توسط تیم الکترون انجام شده است.
یکی از مهم‌ترین ویژگی‌های این پروژه، استفاده از کنترلر JUMO DICON 500 برای اجرای خودکار سیکل حرارتی شامل افزایش دما، زمان ماند و کاهش دما است.
واگن کوره نیز به‌صورت موتوری طراحی شده و اپراتور می‌تواند ورود و خروج قطعات را به‌راحتی کنترل کند.

۲. چالش پروژه
در ابتدای پروژه، کوره‌ای با ظرفیت و ابعاد موردنیاز برای این فرآیند در دسترس نبود.
از طرف دیگر، در عملیات پیش‌گرم و تنش‌زدایی، تنها رسیدن به دمای موردنظر کافی نیست؛ بلکه رعایت نرخ افزایش دما، یکنواختی توزیع حرارت و کنترل دقیق سیکل حرارتی اهمیت بسیار زیادی دارد.
وزن بالای قطعات، ابعاد بزرگ محفظه و نیاز به کنترل دقیق دما باعث شد طراحی پروژه صرفاً به انتخاب المنت محدود نشود.
در این پروژه موارد زیر به‌صورت هم‌زمان مورد بررسی قرار گرفت:
محاسبه بار حرارتی
انتخاب توان مناسب کوره
طراحی سیستم المنت‌ها
انتخاب تجهیزات برق قدرت
طراحی تابلو برق
کنترل دقیق دما
حفاظت الکتریکی
همچنین یکی از اهداف اصلی طراحی، دستیابی به توزیع یکنواخت دما در سراسر حجم کوره بود تا اختلاف دمای نقاط مختلف قطعه به حداقل برسد.
مبنای طراحی حرارتی پروژه، گرم کردن یک بار فولادی ۱۰ تنی تا دمای ۵۰۰ درجه سلسیوس با نرخ طراحی حدود ۵۰ درجه سلسیوس بر ساعت بود.
بر اساس محاسبات بار حرارتی، جرم مؤثر کوره، تلفات انتقال حرارت و ضریب اطمینان، توان نامی ۱۵۰ کیلووات برای سیستم محاسبه شد.

روش محاسبه بار گرمایی کوره را  در این مقاله مشاهده نمایید .

۳. راهکار مهندسی
پس از انجام محاسبات حرارتی، توان کل کوره ۱۵۰ کیلووات تعیین شد.
با توجه به ابعاد کوره و زون بندی متناسب ، این توان بین چهار گروه المنت تقسیم شد.
مشخصات هر گروه عبارت است از:
توان هر گروه: ۳۷٫۵ کیلووات
تعداد المنت هر گروه: ۳ عدد
توان هر المنت: ۱۲٫۵ کیلووات
المنت‌ها از آلیاژ Kanthal A-1 سوئدی انتخاب شدند.
هر سه المنت به‌صورت اتصال مثلث (Delta) به شبکه سه‌فاز متصل شده‌اند.
کنترل هر گروه توسط یک کنترل‌کننده توان مستقل PARAENT TS-070-I-FN انجام می‌شود.
فرمان کنترل توان توسط خروجی ۴ تا ۲۰ میلی‌آمپر کنترلر JUMO ارسال شده و به هر چهار کنترل‌کننده توان اعمال می‌شود.
کنترل توان المنت‌ها متناسب با فرمان کنترلر و تنظیمات کنترل‌کننده‌های توان انجام می‌شود تا دمای کوره با دقت بالا در مقدار تنظیم‌شده حفظ شود.

۴. سیستم کنترل دما
برای کنترل دمای کوره از JUMO DICON 500 استفاده شده است.
کوره به دو زون حرارتی تقسیم شده است.
در هر زون یک ترموکوپل نوع K نصب شده است که با استفاده از سیم های جبرانی متناسب با ترموکوپل به صورت مجزا به کنترلر Jumo متصل شده اند.
میانگین دمای اندازه‌گیری‌شده توسط این دو ترموکوپل به‌عنوان متغیر کنترلی (Proccess Value) وارد کنترلر شده و مبنای تنظیم توان المنت‌ها قرار می‌گیرد.
اپراتور تنها برنامه حرارتی موردنظر را وارد کنترلر می‌کند.
کنترلر به‌صورت کاملاً خودکار مراحل زیر را اجرا می‌کند:
افزایش دما (Ramp)
زمان ماند (Soaking)
کاهش دما (Ramp Down)
در این پروژه از PLC و HMI استفاده نشده و تمام منطق کنترل حرارتی توسط خود کنترلر JUMO انجام می‌شود.
تنظیم پارامترهای PID، پیکربندی ورودی‌های ترموکوپل، تنظیم خروجی ۴ تا ۲۰ میلی‌آمپر و راه‌اندازی کامل سیستم کنترل توسط تیم الکترون انجام شده است.

۵. سیستم گرمایش
سیستم گرمایش کوره بر پایه چهار گروه المنت حرارتی طراحی شده است. این آرایش علاوه بر توزیع مناسب توان، امکان کنترل دقیق‌تر دما و کاهش تنش حرارتی روی المنت‌ها را نیز فراهم می‌کند.
مشخصات سیستم گرمایش به شرح زیر است:
توان کل کوره: ۱۵۰ کیلووات
تعداد گروه‌های المنت: ۴ گروه
توان هر گروه: ۳۷٫۵ کیلووات
تعداد المنت هر گروه: ۳ عدد
توان هر المنت: ۱۲٫۵ کیلووات
جنس المنت: Kanthal A-1 سوئدی
نحوه اتصال المنت‌ها: مثلث (Delta)
کنترل هر گروه: یک عدد کنترل‌کننده توان PARAENT TS-070-I-FN
در مجموع چهار کنترل‌کننده توان در سیستم نصب شده است که فرمان مشترک ۴ تا ۲۰ میلی‌آمپر را از کنترلر JUMO دریافت می‌کنند.
پس از مشخص شدن توان هر المنت، مقاومت الکتریکی موردنیاز محاسبه شد و بر اساس آن، قطر و طول سیم المنت انتخاب گردید.
در این پروژه از سیم کانتال با قطر تقریبی ۳٫۵ میلی‌متر استفاده شده است. این قطر با توجه به عواملی مانند توان هر المنت، دمای کاری، چگالی توان سطحی مجاز (Surface Loading)، استحکام مکانیکی و عمر مورد انتظار المنت انتخاب شده است و صرفاً بر اساس مقاومت الکتریکی تعیین نشده است.
طول واقعی سیم هر المنت در حدود ۸۰ متر بوده که پس از فنرپیچی با قطر تقریبی ۵۰ میلی‌متر، طول مسیر نصب آن در داخل کوره حدود ۱۲ متر می‌شود. وزن تقریبی هر المنت نیز در حدود ۶ کیلوگرم است.

روش تعیین مشخصات المنت را  در این مقاله مشاهده نمایید .

۶. سیستم گردش هوا
برای یکنواخت‌سازی دمای داخل کوره، یک فن سیرکولاسیون با موتور ۴ کیلووات در نظر گرفته شده است.
وظیفه این فن، گردش هوای گرم در داخل محفظه و کاهش اختلاف دمای نقاط مختلف کوره است. این موضوع به‌ویژه در کوره‌هایی با ابعاد بزرگ و ظرفیت بالا اهمیت زیادی دارد.
روشن و خاموش شدن فن توسط اپراتور انجام می‌شود و عملکرد آن بخشی از سیکل اتوماتیک کنترلر JUMO نیست.

۷. سیستم حرکت واگن
واگن کوره توسط یک موتور ۴ کیلووات به همراه گیربکس صنعتی حرکت می‌کند.
کنترل سرعت و راه‌اندازی موتور توسط درایو ABB ACS580 انجام می‌شود.
استفاده از این درایو علاوه بر کنترل سرعت، باعث راه‌اندازی و توقف نرم (Soft Start / Soft Stop) واگن شده و از وارد شدن ضربه‌های مکانیکی به مجموعه جلوگیری می‌کند.
فرمان حرکت توسط دو شستی فشاری لحظه‌ای (جلو و عقب) در اختیار اپراتور قرار دارد و حرکت واگن به‌صورت دستی انجام می‌شود.
برای افزایش ایمنی و دقت عملکرد، تجهیزات زیر در مسیر حرکت واگن نصب شده‌اند:
دو عدد لیمیت‌سوئیچ انتهایی
دو عدد لیمیت‌سوئیچ کاهش سرعت
لیمیت‌سوئیچ‌های کاهش سرعت، پیش از رسیدن واگن به انتهای مسیر، فرمان کاهش سرعت را صادر می‌کنند تا توقف واگن به‌آرامی انجام شود.
برای کابل تغذیه موتور متحرک نیز از زنجیر کابل (Cable Chain / Drag Chain) استفاده شده است.
در طراحی اولیه، مکانیزم جک پنوماتیک نیز برای تثبیت موقعیت واگن و بهبود آب‌بندی در محل اتصال واگن به بدنه کوره پیش‌بینی شده بود، اما این بخش در اجرای فعلی پروژه نصب نشده است.

۸. عایق‌کاری و ساختار کوره
برای کاهش تلفات حرارتی و افزایش بازده انرژی، از پشم سرامیکی نسوز (Ceramic Fiber Blanket) استفاده شده است.
ضخامت مجموع لایه‌های عایق حدود ۳۰۰ میلی‌متر است.
این ساختار باعث کاهش انتقال حرارت به محیط، کاهش مصرف انرژی، افزایش یکنواختی دما و افزایش عمر المنت‌ها می‌شود.
درب کوره روی واگن نصب شده است.
با حرکت واگن به داخل کوره، درب نیز هم‌زمان در موقعیت کاری قرار گرفته و دهانه کوره را می‌بندد. این طراحی موجب کاهش نشت حرارت و بهبود آب‌بندی می‌شود.

۹. نحوه حل مشکلات پروژه

مشکل اول: نبود کوره مناسب برای قطعات ۱۰ تنی
کوره‌های آماده پاسخگوی ابعاد و ظرفیت موردنیاز پروژه نبودند.
راهکار:
طراحی و ساخت یک کوره اختصاصی متناسب با ابعاد قطعات، ظرفیت ۱۰ تن و شرایط فرآیند.
نتیجه:
امکان انجام عملیات پیش‌گرم و تنش‌زدایی قطعات فولادی سنگین با دقت و ایمنی مناسب فراهم شد.

مشکل دوم: کنترل دقیق سیکل حرارتی
در این فرآیند، تنها رسیدن به دمای نهایی کافی نبود و رعایت نرخ افزایش دما، زمان ماند و نرخ کاهش دما اهمیت زیادی داشت.
راهکار:
استفاده از کنترلر JUMO DICON 500 و تعریف کامل سیکل حرارتی در حافظه کنترلر و استفاده از توابع PID کنترلر جهت حصول دقت در کنترل پروسه دما
نتیجه:
اپراتور تنها برنامه حرارتی را انتخاب می‌کند و اجرای کامل سیکل به‌صورت خودکار انجام می‌شود.

مشکل سوم: یکنواختی دما
به دلیل ابعاد بزرگ کوره، اختلاف دمای نقاط مختلف می‌توانست کیفیت عملیات حرارتی را تحت تأثیر قرار دهد.
راهکار:
تقسیم کوره به دو زون حرارتی
استفاده از دو ترموکوپل نوع K
کنترل بر اساس میانگین دما
استفاده از فن سیرکولاسیون ۴ کیلووات
نتیجه:
در آزمون انجام‌شده، اختلاف دمای اندازه‌گیری‌شده بین ابتدا و انتهای قطعه با استفاده از پیرومتر حدود ۱ درجه سلسیوس بود. این مقدار در شرایط تست پروژه اندازه‌گیری شده و می‌تواند با توجه به نوع بار، نحوه بارگذاری و کیفیت آب‌بندی کوره تغییر کند.

۱۰. نتیجه اجرای پروژه
پس از نصب، راه‌اندازی و انجام تست‌های عملکردی، کوره توانست الزامات طراحی را برآورده کند.
در این پروژه، عملکرد سیستم در زمینه‌های مختلف از جمله کنترل دما، یکنواختی توزیع حرارت، عملکرد سیستم گرمایش، حرکت واگن و تجهیزات کنترلی مورد ارزیابی قرار گرفت.
نتایج تست نشان داد:
اجرای خودکار سیکل حرارتی مطابق برنامه تنظیم‌شده
کنترل پایدار دما توسط کنترلر JUMO DICON 500
کنترل تدریجی توان المنت‌ها از طریق کنترل‌کننده‌های توان PARAENT
یکنواختی مناسب دما در حجم کوره
عملکرد مناسب سیستم گردش هوا
حرکت نرم و ایمن واگن توسط درایو ABB ACS580
اختلاف دمای حدود ۱ درجه سلسیوس بین ابتدا و انتهای قطعه در شرایط تست پروژه
نتایج این پروژه نشان داد که انتخاب صحیح توان حرارتی، طراحی مناسب عایق، جانمایی اصولی المنت‌ها، گردش مناسب هوای داخل کوره و تنظیم دقیق پارامترهای کنترل، نقش تعیین‌کننده‌ای در دستیابی به عملکرد پایدار و یکنواختی دمای کوره دارند.

11.جدول مشخصات پروژه