يُعد فرن الموقد ذو العربات نظامًا حراريًا كبيرًا. وتُعتبر تدرجات درجة الحرارة أمرًا لا مفر منه، ولكن يمكن التحكم بها. ويُعتبر مسح توحيد درجة الحرارة (TUS) الاختبار الذي يُثبت فعالية هذا التحكم.
تُجري شركة مونتي إنتليجنس اختبارات TUS كجزء من عملية تشغيل الأفران، وتوصي بإعادة الاختبار دوريًا طوال عمر الفرن. تشرح هذه المقالة متطلبات TUS بموجب معيار AMS 2750F، وهو المعيار الأكثر استخدامًا على نطاق واسع لمعدات المعالجة الحرارية في صناعات الطيران والفضاء والسيارات والمعالجة الحرارية العامة.
يصنف معيار AMS 2750F الأفران حسب دقة تجانس درجة الحرارة. تتطلب الفئة 1 تجانسًا بمقدار ±3 درجات مئوية، وهي أعلى دقة، وتُستخدم للمكونات الحساسة في صناعة الطيران والفضاء، مثل أقراص التوربينات والمشغولات الهيكلية المطروقة. تتطلب الفئة 2 تجانسًا بمقدار ±6 درجات مئوية، وهو المعيار لمعظم عمليات المعالجة الحرارية في صناعة الطيران والفضاء. تتطلب الفئة 3 تجانسًا بمقدار ±8 درجات مئوية. تتطلب الفئة 4 تجانسًا بمقدار ±10 درجات مئوية. تتطلب الفئة 5 تجانسًا بمقدار ±14 درجة مئوية. تتطلب الفئة 6 تجانسًا بمقدار ±28 درجة مئوية، وهي أقل دقة، وتُستخدم لتخفيف الإجهاد والتطبيقات غير الحساسة.
بالنسبة لفرن ذي موقد متحرك، يُعدّ تحقيق الفئة 2 (±6 درجات مئوية) هدفًا صعبًا ولكنه قابل للتحقيق. أما الفئة 1 (±3 درجات مئوية) فهي بالغة الصعوبة بالنسبة لهذا النوع من الأفران نظرًا لحجمها الكبير؛ إذ تحتوي حجرة الفرن التي يبلغ طولها 10 أمتار على تدرجات حرارية متأصلة ناتجة عن موضع الموقد، وأنماط تدفق غازات الاحتراق، وفقدان الحرارة من الباب. يتطلب تحقيق الفئة 1 في فرن ذي موقد متحرك عادةً استخدام عناصر تسخين كهربائية مع تحكم دقيق جدًا في المناطق، بدلًا من مواقد الغاز.
يتطلب إجراء TUS بموجب معيار AMS 2750F وضع مجموعة من المزدوجات الحرارية في جميع أنحاء منطقة عمل الفرن. منطقة العمل هي الحجم الذي يجب وضع حمولة العمل داخله لتلقي المعالجة الحرارية المحددة، وهي تستثني المناطق القريبة من الجدران والباب والجدار الخلفي حيث من المحتمل أن تكون درجة الحرارة أقل تجانسًا. بالنسبة لفرن الموقد ذي العربات، تُعرَّف منطقة العمل عادةً بأنها الحجم الذي يبعد 300 مم على الأقل عن الجدران والسقف والباب، و150 مم على الأقل عن سطح الموقد.
يعتمد عدد أزواج الحرارة المطلوبة في نظام TUS على حجم منطقة العمل. بالنسبة للأحجام التي تصل إلى 0.085 متر مكعب (3 أقدام مكعبة)، يلزم 9 أزواج حرارة - زوج واحد في كل زاوية من شبكة مستطيلة بالإضافة إلى زوج واحد في المنتصف. أما بالنسبة للأحجام التي تتراوح بين 0.085 و6.4 متر مكعب، فيزداد العدد إلى شبكة 4×4×4 أو ما بين 15 و40 زوج حرارة حسب نسبة الأبعاد. بالنسبة لفرن ذي قاعدة كبيرة بعربة نقل، بحجم منطقة عمل يتراوح بين 30 و50 مترًا مكعبًا، يشترط المعيار وجود شبكة تحتوي على عدد كافٍ من أزواج الحرارة بحيث لا تتجاوز المسافة بين أي نقطتي قياس متجاورتين 0.6 متر.
تُثبّت مجموعة المزدوجات الحرارية على إطار اختبار - وهو هيكل خفيف الوزن، مصنوع عادةً من أنابيب الفولاذ المقاوم للصدأ، يُثبّت المزدوجات الحرارية في مواقعها المحددة دون التأثير بشكل ملحوظ على تدفق الهواء أو انتقال الحرارة في الفرن. يُوضع إطار الاختبار على عربة النقل، ثم تُنقل العربة إلى داخل الفرن لإجراء الفحص.
يُجرى المسح عند أدنى وأعلى درجات حرارة تشغيل الفرن، وعادةً عند درجة حرارة متوسطة واحدة أو أكثر. بالنسبة لفرن تتراوح درجة حرارته بين 500 و1100 درجة مئوية، يُجرى المسح عند 500 و800 و1100 درجة مئوية - أي ثلاث دورات مسح كاملة. عند كل درجة حرارة، وبعد استقرار الفرن (أي عندما تكون جميع أجهزة قياس الحرارة ضمن نطاق ±3 درجات مئوية من القيمة المحددة لمدة 30 دقيقة)، تُجمع البيانات لمدة لا تقل عن 30 دقيقة.
يشترط لقبول نتائج المسح أن تبقى جميع أجهزة قياس الحرارة ضمن نطاق التفاوت المسموح به طوال فترة جمع البيانات. في حال انحراف أي جهاز قياس حرارة عن هذا النطاق، يُعتبر المسح فاشلاً عند درجة الحرارة تلك. تتطلب عمليات المسح الفاشلة تعديل إعدادات الفرن - عادةً ما تكون تعديلات درجة حرارة المناطق في وحدة التحكم - ثم إعادة الاختبار.
يُعدّ ضبط فرق درجة حرارة المنطقة الأداة الأساسية لتحسين تجانس الحرارة. فإذا أظهر نظام مراقبة درجة الحرارة (TUS) أن الجزء الأمامي من الفرن (بالقرب من الباب) يعمل بدرجة حرارة أقل بـ 8 درجات مئوية من القيمة المضبوطة، بينما يعمل الجزء الخلفي عند القيمة المضبوطة، يُمكن برمجة وحدة التحكم في المنطقة الأمامية بزيادة قدرها 8 درجات مئوية. بعد الضبط، يُعاد تشغيل نظام مراقبة درجة الحرارة للتحقق من التحسن. تستطيع معظم الأفران تحقيق تجانس من الفئة الثانية مع ضبط دقيق لفرق درجة حرارة المنطقة، حتى لو أظهر المسح الأولي فرقًا قدره ±10 درجات مئوية أو أسوأ.
تعتمد فترة الفحص على فئة الفرن وأهمية العمل. بالنسبة لأفران الفئة الثانية التي تُعالج مكونات صناعة الطيران، يجب تكرار فحص TUS كل ستة أشهر وفقًا لمعيار AMS 2750F. أما بالنسبة لأفران الفئة الرابعة التي تُعالج حراريًا لأغراض تجارية، فيُجرى فحص سنوي عادةً. أي تعديل جوهري على الفرن - كاستبدال الموقد، أو ترقية نظام التحكم، أو إعادة تبطين المواد المقاومة للحرارة - يستدعي إجراء فحص إعادة التأهيل.
كثيرًا ما يُساء فهم العلاقة بين اختبار TUS واختبار دقة النظام (SAT). يقيس اختبار TUS توزيع درجة الحرارة في منطقة العمل، بينما يقيس اختبار SAT دقة أجهزة قياس الحرارة في الفرن، سواءً للتحكم أو التسجيل، مقارنةً بنقطة مرجعية مُعايرة. كلا الاختبارين مطلوبان للامتثال لمعيار AMS 2750، لكنهما يخدمان أغراضًا مختلفة. قد يجتاز الفرن اختبار SAT (حيث تُشير قراءة جهاز قياس الحرارة إلى دقة عالية) ولكنه قد يفشل في اختبار TUS (حيث تكون بعض أجزاء منطقة العمل ساخنة جدًا أو باردة جدًا مقارنةً بنقطة التحكم).
تُعدّ الوثائق المُخرَجة من تقييم جودة الفرن. يجب أن يتضمن تقرير التقييم تعريف الفرن، وتاريخ الاختبار، ودرجات حرارة الاختبار، ومخططًا يوضح مواقع أجهزة قياس الحرارة، وبيانات درجة الحرارة الأولية لجميع أجهزة قياس الحرارة طوال فترة جمع البيانات، ونسبة تجانس درجة الحرارة المحسوبة، وتحديد ما إذا كان الفرن قد اجتاز الاختبار أم لا. يُصبح هذا التقرير جزءًا من سجل جودة الفرن، ويتم مراجعته خلال عمليات تدقيق العملاء واعتماد NADCAP.
تُقدم شركة مونتي إنتليجنس خدمات فحص درجة الحرارة الأولي كجزء من عملية تشغيل الفرن، كما تُوفر خدمات إعادة الفحص الدورية. ونُوفر أيضًا أجهزة تركيب المزدوجات الحرارية، وأنظمة جمع البيانات، وبرامج إعداد التقارير.
للحصول على خدمات TUS أو دعم تشغيل الأفران، يرجى الاتصال بـ helenxu@cnlymonte.com.
