Procesy obróbki cieplnej i odlewnictwa z wykorzystaniem pieców przemysłowych

Najprościej ujmując, piec przemysłowy jest urządzeniem służącym podgrzewaniu różnych materiałów do wysokich temperatur. Urządzenia te mogą być wykorzystywane w różnego typu procesach, np. w: 

• hartowaniu,
• nawęglaniu,
• azotowaniu,
• wyżarzaniu,
• odpuszczaniu,
• grzaniu przed kuciem i tłoczeniem,
• starzeniu,
• spiekaniu.

Na tym jednak charakterystyka tych wydajnych urządzeń z pewnością się nie kończy.

Piece przemysłowe: rodzaje

Przede wszystkim warto pamiętać, że są różne rodzaje pieców. Dzieli się je m.in. ze względu na ich sposób ogrzewania, wyróżniając np. piece elektryczne, gazowe, indukcyjne oraz oporowe. Piece dzieli się także ze względu na ich konstrukcję, cykl pracy czy atmosferę. Z punktu widzenia naszych rozważań szczególnie interesuje nas klasyfikacja ze względu na ich przeznaczenie. Tutaj właśnie wyróżnia się piece grzewcze. Wśród nich znajdują się piece do obróbki cieplnej (np. hartownicze) oraz piece odlewnicze (np. tyglowe). W tej grupie istnieją także piece laboratoryjne (skala badań) i piece przemysłowe (skala produkcyjna). Mnogość rodzajów pieców przemysłowych sprawia, że dla każdego przemysłu i zastosowania może być zaproponowany inny typ, ściśle spełniający określone kryteria. Pierwszą więc rzeczą, którą należy zrobić przy wybieraniu pieca, jest określenie, który z dostępnych rodzajów będzie przydatny właśnie dla nas i dlaczego.

Procesy obróbki cieplnej

Na wstępie warto wyjaśnić, czym właściwie jest obróbka cieplna materiałów. Najprościej mówiąc, to proces polegający na odpowiednim nagrzewaniu do określonych temperatur, wygrzewaniu i chłodzeniu z określoną szybkością różnego typu materiałów. To powoduje w konsekwencji zmiany właściwości danego materiału w stanie stałym. Celem zabiegów obróbki cieplnej jest np. zmiana właściwości mechanicznych i plastycznych poprzez zmianę struktury. Operacje te przeprowadza się również z zastosowaniem dodatkowych czynników, np. obróbki mechanicznej lub chemicznej. Procesy takie pozwalają nie tylko na uzyskanie określonych cech materiału przewidzianych przez konstruktora. Prowadzą także do przedłużenia okresu eksploatacji danego elementu.

Piece przemysłowe do obróbki cieplnej

Wśród urządzeń tego typu znajdziemy m.in. modułowy piec dzwonowy Codere, służący do wieloetapowej obróbki cieplnej. System 250 Codere, oferowany przez firmę Galika, tworzą przemysłowe piece hartownicze do odpuszczania (2 piece z 1 wanną olejową lub 2 wanny hartownicze współpracujące z 1 piecem w tej samej linii) oraz myjki. Piec tego typu gwarantuje wysoką jakość hartowanych detali, a cały system może być w pełni automatyczny. Maksymalna temperatura pracy to 1100^oC, a masa wsadu mieści się w przedziale 6-5000 kg. System przenoszenia wsadu z pieca do zbiornika odbywa się przez ślizg ładunku bez mechanizmu zaczepowego. System 250 Codere szczególnie nadaje się do produkcji części w średnich i małych seriach produkcyjnych wymagających elastyczności parametrów obróbki cieplnej (temperatura, atmosfera, chłodzenie w soli, oleju lub polimerach) oraz cienkich i długich części, które mogłyby ulegać zniekształceniom.

Automat hartowniczy

Kolejnym ciekawym urządzeniem do zabiegów w atmosferze ochronnej jest automat hartowniczy Bell systemu 280 z metalową muflą i ze zintegrowanym zbiornikiem do chłodzenia wodą. Ten kompaktowy piec o mocy grzewczej 15-36 kW gwarantuje bardzo szybki czas nagrzewania. Nadaje się do obróbki stopów miedzi, złota, platyny, aluminium i tytanu. Przeniesienie wsadu z komory grzewczej do zbiornika chłodzącego odbywa się pod ochroną gazu bez częściowego utleniania i bez spadku temperatury. Z kolei do obróbki stali nierdzewnej oraz stopów miedzi i złota (zwłaszcza części o długich odcinkach) nadaje się system 300 z transporterem taśmowym. Maks. długość wsadu wynosi w tym przypadku 2500-4000 mm, a zużycie gazów jest niższe do 50%.

Piece CAB

W zakresie obróbki cieplnej aluminium i lutowania aluminium w atmosferze ochronnej świetnie sprawdzą się piece CAB (ang. Controlled Atmosphere Brazing) produkcji SECO/WARWICK. Piece CAB wyposażone są w najnowocześniejsze systemy, takie jak: AccuBraze^® (komputerowy system kontroli procesu lutowania), Vortex^® (technologia nagrzewania dyszowego rulonów aluminiowych) czy SeCoil^® (system do projektowania, symulacji, optymalizacji oraz kontroli procesów nagrzewania zwojów blach aluminiowych). Szczególnie ciekawym rozwiązaniem jest piec do przesycania i starzenia aluminium VertiQuench^®. Jest to piec komorowy typu drop bottom z wannami do przesycania wsadów aluminiowych. Piece tego typu umożliwiają zabiegi takie jak: l

• utowanie,
• wyżarzanie,
• przesycanie,
• starzenie,
• homogenizacja,
• podgrzewanie,
• topienie,

przez co znajdują szerokie zastosowanie w wielu gałęziach przemysłu, np. w sektorze:

• motoryzacyjnym,
• maszynowym,
• energetycznym,
• lotniczym,
• morskim,
• chemicznym,
• zbrojeniowym,
• elektronicznym.

Obróbka cieplna próżniowa

Na rynku znajdziemy ponadto precyzyjne, energooszczędne i ekologiczne urządzenia do obróbki cieplnej w próżni. Są nimi np. piece próżniowe SECO/WARWICK HPGQ z wysokociśnieniowym chłodzeniem gazem typu VPT i VVPT (EH) lub piece wysokopróżniowe typu VP i VVP (EH). Oba urządzenia wyposażone są m.in. w pełni automatyczny system sterowania na bazie PLC (Programowalny Sterownik Logiczny) i IPC (Komputer Przenośny). Opcjonalnie urządzenia mogą być wyposażone w system nawęglania próżniowego (LPC) FineCarb^® i przedazotowania PreNitLPC.

Wysokowydajną obróbkę cieplną (w próżni lub wysokiej próżni) wykona urządzenie HT-S1 firmy Galika. Ten mały piec może wykonać wszystko to, co oferuje duży piec, przy zmniejszonym zapotrzebowaniu na energię, a łatwość obsługi systemu sterowania pozwala na użytkowanie już po kilku dniach szkolenia. HT-S1 jest kompaktowym urządzeniem zajmującym bardzo małą powierzchnię. Piec nie wymaga żadnych specyficznych akcesoriów i może pracować również w miejscach nieprzemysłowych, takich jak: laboratoria i działy badawczo-rozwojowe (BR) czy prototypownie związane z wytwarzaniem przyrostowym lub narzędziami diamentowymi PKD. Świetnie sprawdza się także w firmach z sektora strategicznego, takich jak: aerospace, energetyka, automotive czy mechanika precyzyjna.

Kształtowanie właściwości

Właściwości elementów wykonanych ze stali i z innych stopów metali, takie jak:

• twardość,
• wytrzymałość,
• sprężystość,
• odporność na zużycie,
• odporność na korozję,

mogą być w znacznej mierze kształtowane przez procesy obróbki cieplnej i cieplno-chemicznej. Procesy takie pozwalają nie tylko na uzyskanie określonych cech materiału przewidzianych przez konstruktora. Prowadzą do przedłużenia okresu eksploatacji danego elementu. Jedną z wiodących firm na świecie świadczących komercyjnie usługi w tym zakresie jest Bodycote. Firma w Polsce posiada 7 zakładów zlokalizowanych w: Chełmnie, Warszawie, Świebodzinie, Częstochowie, Siechnicach k. Wrocławia, Zaczerniu k. Rzeszowa i Zabrzu. Głównymi odbiorcami usług Bodycote są przedsiębiorstwa działające w przemyśle:

• motoryzacyjnym,
• narzędziowym,
• budowlanym,
• kolejowym,
• rolniczym i górniczym,
• w mniejszym stopniu przedsiębiorstwa z branży lotniczej, wojskowej i energetycznej.

Technologie stosowane przez zakłady Bodycote umożliwiają kształtowanie właściwości przedmiotów zarówno w całej ich objętości, jak i w obrębie samej warstwy wierzchniej. Do oferowanych przez Bodycote obróbek objętościowych zaliczają się procesy:

• hartowania (w gazie i w oleju),
• odpuszczania,
• wyżarzania (m.in.: normalizacyjnego, zmiękczającego, odprężającego, rekrystalizującego),
• wymrażania,
• starzenia.

Procesy obróbki powierzchniowej i cieplnej

Do obróbek powierzchniowych można zaliczyć procesy: nawęglania, węgloazotowania, azotowania, azotoutleniania, azotonawęglania oraz azotonawęglania z kontrolowanym utlenianiem. Procesy obróbki cieplnej wykonywane w Bodycote są realizowane w piecach z zastosowaniem atmosfer ochronnych lub w próżni. To eliminuje niekorzystne zjawiska takie jak odwęglenie czy utlenienie powierzchni przedmiotów.

Wszystkie zakłady Bodycote w Polsce posiadają wewnętrzne laboratoria metalograficzne, w których możliwe jest sprawdzenie jakości przeprowadzonych procesów. Wykonuje się tam m.in.: pomiary grubości warstw, oceny mikrostruktury czy też pomiary wielkości ziaren. Systemy zarządzania w zakładach Bodycote są certyfikowane pod kątem zgodności z ISO 9001, ISO 14001 oraz innymi normami branżowymi.

Piece: sposób ogrzewania

Ze względu na sposób ogrzewania możemy również wyróżnić piece ogrzewane elektrycznie lub gazowo. Są to np. piece solne wannowe typoszeregu TS (elektryczne ogrzewanie na całym obwodzie) oraz TSB (ogrzewanie gazowe) firmy Nabertherm GmbH. Piece solne charakteryzują się w szczególności doskonałą dokładnością temperatury i bardzo dobrym przenoszeniem ciepła na obrabiany przedmiot. Możliwa jest realizacja procesów takich jak np.:

• azotowanie po obróbce wg Tenifer do 600°C, 
• nawęglanie do 950°C,
• wyżarzanie beznalotowe do 1000°C. 

Surowe warunki użytkowania podczas obróbki cieplnej wymagają zastosowania pieców innego rodzaju. Świetnie nadają się do tego celu piece komorowe Nabertherm z ogrzewaniem promiennikowym (modele N7/H-N1491). Te piece znajdują zastosowanie w procesach związanych z produkcją narzędzi oraz w hartowniach. Elementy grzewcze na rurkach nośnych umożliwiają swobodne promieniowanie ciepła, a równoległe drzwi uchylne stanowią zabezpieczenie przed promieniowaniem cieplnym. Takie cechy jak ogrzewanie od spodu zabezpieczone odporną na ciepło płytą z SiC czy niewielkie zużycie energii dzięki wielowarstwowej izolacji to elementy składowe pieców hartowniczych.

Dodatkowe akcesoria

Urządzenia można wyposażyć w liczne akcesoria, takie jak:

• skrzynia do wyżarzania w atmosferze gazu ochronnego,
• prowadnice rolkowe,
• wanny chłodzące z kąpielą hartowniczą.

Umożliwia to realizację nawet bardzo wymagających procesów, np. wyżarzania zmiękczającego tytanu dla celów medycznych bez użycia drogich i skomplikowanych instalacji do wyżarzania. W obróbce cieplnej sprawdzają się modułowe systemy hartowania składające się :

• z pieca do hartowania,
• pieca do odpuszczania,
• stołu roboczego dla pieca do obróbki cieplnej,
• zbiorników kąpieli olejowej do hartowania,
• kąpieli wodnej do czyszczenia elementów,
• jak również z elementów grzewczych obu kąpieli.

Wszystkie elementy można zamówić oddzielnie, dzięki czemu system hartowania można dostosować lub też rozbudować indywidualnie, odpowiednio do obrabianej stali.

Piece wannowe

Z uwagi na cykl pracy podczas obróbki cieplnej rozróżnia się także piece wannowe do kąpieli gorącej z zastosowaniem soli neutralnych – typoszereg WB10-WB400 Nabertherm. W temperaturach roboczych pomiędzy 180°C a 500°C piece te nadają się do:

• ochładzania w kąpieli gorącej przy możliwie najmniejszym zniekształceniu przedmiotu,
• odpuszczania,
• hartowania izotermicznego,
• wyżarzania pośredniego po obróbce elektroiskrowej,
• wyżarzania z niebieskim nalotem.

Piec typu IRF

Jednym z najnowszych modeli pieców do uniwersalnej obróbki cieplnej jest piec typu IRF oferowany przez firmę INDUSTRY 2.0. Przez branżystów nazywany „piecem z dwojgiem drzwi”. Służy do procesów odpuszczania z wymuszonym obiegiem powietrza, ale również do hartowania nawet do 1300°C.

Najważniejsze cechy konstrukcji pieca typu IRF „z dwojgiem drzwi” to:

• zastosowanie spiral grzewczych na rurach ceramicznych,
• wlot pieca wykonany z cegieł żaroodpornych,
• elementy grzewcze zamontowane na dwóch ścianach i trzonie (co zapewnia nagrzewanie z trzech stron).

Piec zawiera w standardzie ceramiczną płytę na spodzie, możliwość otwierania drzwi przeciwwagą na łożyskach kulowych, wytrzymałe włókniste uszczelnienie oraz wentylowaną komorę. Nadto w każdym modelu występuje niezależne zabezpieczenie przeciwko przegrzaniu. Sterowanie procesem obróbki odbywa się poprzez przekaźniki półprzewodnikowe SSR, zaś nad całością czuwa kontroler sterujący PID. Co ważne – na górnej powierzchni drzwi oraz w okolicach otworu wlotowego znajduje się stal nierdzewna. Materiał ten jest odporny na wysokie temperatury i zapewnia wytrzymałość na długie lata pracy w produkcji.

Nowe rozwiązania

Nowością w zakresie obróbki cieplnej jest obecnie piec Super IQ będący produktem SECO/WARWICK. To piec komorowy ze zintegrowaną wanną hartowniczą, który oferuje wszystkie zalety pieca konwencjonalnego i próżniowego w jednym. Urządzenie przeznaczone jest do procesów nawęglania w podwyższonych temperaturach hartowania bez ponoszenia dodatkowych kosztów. System Super IQ łączy w sobie czyste hartowanie z wyjątkową wydajnością hartowania w oleju. Innym z nowatorskich urządzeń dostępnych obecnie na rynku jest piec UCM^® 4D Quench^®. Piec umożliwia klientom pracującym z materiałami hartowanymi w gazie zastąpienie hartowania w oleju technologią, która jest zarazem przyjazna dla środowiska i ekonomiczna. Jest to rozwiązanie, które eliminuje potrzebę stosowania systemów hartowania w prasie oraz problemy związane z ich działaniem. O jakich problemach mowa?

Przede wszystkim nie ma już konieczności obróbki końcowej w celu usunięcia warstwy utlenionej. Po drugie, technologia ta zapewnia otrzymanie części o wyższej jakości powierzchni. Gwarantuje oszczędności dzięki wyeliminowaniu konieczności stosowania urządzeń do obróbki cieplnej i logistyki materiałowej. Po trzecie, eliminuje zanieczyszczenie olejem i oparami oleju. Piece produkcji SECO/WARWICK są wyposażone w narzędzia, jak SECO/PREDICTIVE (system sterowania urządzeniami, który wykrywa potencjalne usterki przed ich wystąpieniem) oraz SECO/LENS (aplikacja, która zapewnia rozszerzone możliwości do monitorowania, diagnostyki, utrzymania ruchu procesów produkcyjnych, napraw zdalnych i planowania najbardziej optymalnego układu linii produkcyjnej w hali). Tego typu oprogramowanie usprawnia procesy produkcyjne dzięki wykorzystaniu rozszerzonej rzeczywistości, sztucznej inteligencji, Internetu Rzeczy i najnowszych koncepcji nurtu Przemysłu 4.0.

Piece odlewnicze

Klasyfikacja pieców przemysłowych, ze względu na przeznaczenie tych urządzeń, wyróżnia także piece odlewnicze. Piece te służą do topienia lub przetrzymywania ciekłych metali nieżelaznych i ich stopów (aluminium, miedzi, srebra, cynku, cyny, ołowiu, magnezu
i innych).

Na rynku urządzeń odlewniczych spotyka się m.in. piece Nabertherm. Są to:

• przechylne piece tyglowe,
• gazowe piece tyglowe wyposażone w palnik z rekuperacją, do topienia i przetrzymywania,
• urządzenia cyrkulacyjne, komorowe i z wysuwnym trzonem,
• następnie elektryczne lub gazowe piece topialne i podgrzewające.

Nabertherm to także piece do odlewania metodą wosku traconego, piece do suszenia rdzeni, aż do automatycznych instalacji do ulepszania cieplnego aluminium lub stali czy wreszcie systemy do dopalania katalitycznego i termicznego oraz piece ciągłego działania.

Piece indukcyjne

W procesach odlewniczych mogą z powodzeniem służyć także piece indukcyjne. Piece indukcyjne wykorzystują zjawisko indukcji, gdzie prąd płynący przez cewkę wytwarza pole magnetyczne, a przewodzący materiał w środku jest w ten sposób bardzo szybko nagrzewany do wysokich temperatur. Przykład mogą stanowić zbudowane w oparciu o nowoczesne podzespoły elektroniczne i elektryczne piece indukcyjne sieciowej i średniej częstotliwości ZAM Kęty. Służą do topienia, przegrzewania i przetrzymywania żeliwa, staliwa i metali kolorowych. Zakres produkcji obejmuje piece o pojemnościach od 10 kg do 10 ton. Typowym piecem jest piec średniej częstotliwości składający się z: 

• generatora tyrystorowego,
• szafy sterowniczej,
• baterii kondensatorów,
• zespołu tyglowego wraz z zapleczem elektroenergetycznym,
• wychylany siłownikami hydraulicznymi.

Zespół piecowy połączony jest kablami wodno-prądowymi z baterią kondensatorów. Moc pieca regulowana jest płynnie.

Piece średniej częstotliwości charakteryzują się dużą szybkością topienia i możliwością całkowitego opróżniania pieca. Warte odnotowania są piece sieciowej częstotliwości zapewniające bardzo dobre mieszanie i jednorodność uzyskiwanych stopów. Dobrym przykładem są tu piece indukcyjne sieciowej częstotliwości o pojemności 6 ton i mocy 1,5 MW do topienia aluminium. Ciekawym przykładem są również piece odlewnicze o pojemności 1,5 t do podgrzewania, przetrzymywania i rozlewania metalu na liniach odlewniczych. Ciekawym rozwiązaniem jest również indukcyjna pompa elektromagnetyczna do przepompowania ciekłego aluminium w piecach gazowych.

Co dla mniejszych zakładów odlewniczych?

Do małych i średnich odlewni czy zakładów przeróbki surowców wtórnych, szczególnie metali nieżelaznych, służą także piece indukcyjne tyglowe Elkon (o mocach do 500 kW
i masie topionego metalu do 1 t). Np. piec tyglowy DUO wyposażony jest w dwa zestawy topielne służące do równoczesnego topienia metali żelaznych i nieżelaznych lub do topienia dwóch rodzajów metali nieżelaznych. Piece te mogą być wyposażone w mechanizmy wychylania w celu wylania roztopionego metalu lub jeden zestaw może być wychylany, a drugi zawierać podnoszony wzbudnik w celu wyjęcia tygla z metalem.

Inny interesujący przykład stanowi linia Elkon do odlewania ciągłego wyrobów z żeliwa i metali nieżelaznych. Składa się z indukcyjnego pieca topielnego i odlewniczego, układu wyciągania odlewu i krystalizatora. Piec topielny tyglowy przeznaczony jest do topienia wsadu i przygotowania ciekłego metalu, w szczególności jego składu chemicznego i temperatury. Z kolei piec odlewniczy składa się z zasilacza tyrystorowego, zestawu grzewczo-odlewniczego z krystalizatorami i układem automatyki odlewania. Regulator temperatury reguluje moc zasilacza tyrystorowego pieca tak, aby po osiągnięciu zadanej temperatury utrzymywać ją na zadanym poziomie. Za krystalizatorem znajduje się układ dodatkowego chłodzenia wodnego odlewu oraz układ cięcia odlewu.

Wyposażenie do laboratorium

Do procesów odlewnictwa w laboratoriach z kolei mogą posłużyć piece indukcyjne próżniowo-argonowe​ Elkon (najczęściej o mocach do 50 kW i masie topionego metalu do 100 kg). Są przeznaczone do topienia żeliwa oraz metali nieżelaznych z możliwością topienia w próżni lub w argonie. Zestaw topielny umieszczony jest w komorze, w której wytwarzana jest próżnia 10 (-3) bar. Komora może być napełniana gazem obojętnym, np. argonem. Wylewanie stopu odbywa się metodą spustu przez otwór w dnie tygla, zatykany ruchomą zatyczką. 

Zaawansowane technologie

Na koniec warto wspomnieć o zaawansowanych piecach komorowych Thermika firmy Nobos ogrzewanych promiennikami podczerwieni. Piece te są przeznaczone do wygrzewania matryc w procesie tłoczenia profili aluminiowych. W przypadku procesów odlewnictwa piece te będą przydatne przy wygrzewaniu form do rdzeni odlewniczych. Zapewnią energooszczędność sięgającą nawet 80% – jak twierdzi producent. Jak to możliwe?

Promienniki podczerwieni ogrzewają wsad bezpośrednio, emitując fale podczerwieni. Fale te przenoszą ciepło do wsadu na takiej samej zasadzie jak promienie słoneczne ogrzewają przedmioty na ziemi. W efekcie komora pochłania jedynie tyle energii, ile jest niezbędne do podgrzania wsadu do zadanej temperatury. Ponadto ściany pieca są izolowane wełną ceramiczną odporną na temperaturę do 1280°C. Izolacja ta jest najbardziej efektywna w połowie swojej maks. temperatury roboczej, czyli w temperaturze około 600°C.. To czyni piec jeszcze bardziej energooszczędnym. Grubość izolacji w ścianie pieca to 203 mm. W ścianie wbudowane są również specjalne przegrody termiczne jeszcze bardziej ograniczające wydostawanie się ciepła na zewnątrz. Drzwi natomiast uszczelnia sznur ceramiczny. Dodatkowo tradycyjny, pneumatyczny system otwierania pokrywy zastąpiono silnikiem elektrycznym z falownikiem. Dzięki temu tempo otwierania i zamykania się drzwi możemy regulować wg potrzeb.

Czytaj też >> Modelowanie kół zębatych w oparciu o równanie parametryczne ewolwenty w Systemie Autodesk Inventor

Podsumowanie

W każdej działalności przemysłowej jedną z najważniejszych rzeczy będzie wybór odpowiedniej jakości sprzętu. Sądzę, że ten krótki przegląd dowodzi, że dzisiejsze piece przemysłowe to systemy, które coraz częściej podnoszą wydajność produkcji dzięki wykorzystaniu najnowszych dostępnych technologii w tworzeniu inteligentnych narzędzi. Producentom tych urządzeń stawia się coraz wyższe wymagania dotyczące precyzji tworzonych form, dokładnego zdefiniowania parametrów mechanicznych wyrobów oraz ich powtarzalności w produkcji masowej, a także kontroli i archiwizacji parametrów produkcyjnych. To wszystko pociąga za sobą konieczność stosowania systemów zautomatyzowanych, a takie coraz częściej znajdują się we współczesnych piecach.

Rafał Harańczyk