المعالجة الحرارية للمشغولات الكبيرة: كيف تتعامل أفران الموقد المتحرك مع مكونات الرياح والطاقة والضغط
لا تُوضع قطعة دوار مولد كهربائي وزنها 200 طن في فرن عادي، بل في فرن ذي قاعدة متحركة بطول 30 مترًا وعرض 6 أمتار، مزود بأنابيب إشعاعية تتحمل درجات حرارة تصل إلى 1050 درجة مئوية، ومراوح إعادة تدوير تُحرك 200,000 متر مكعب من الهواء في الساعة، مع تجانس حراري لا يتجاوز ±5 درجات مئوية بين الزوايا. تبقى القطعة على القاعدة المتحركة لمدة تتراوح بين 5 و10 أيام، حيث تخضع لعملية تسخين تدريجية، ثم تُنقع لساعات، وتُبرد بمعدل مضبوط. أي خطأ في هذه العملية يؤدي إلى تلف القطعة أثناء التشغيل. أما إذا تمت جميع الخطوات بنجاح، فستعمل القطعة لمدة 30 عامًا في محطة توليد الطاقة.
إليكم كيف تتم المعالجة الحرارية للمشغولات الكبيرة المطروقة.
نقطة البداية هي مواصفات التشكيل.
تتضمن مواصفات المعالجة الحرارية لكل من المحاور الرئيسية لتوربينات الرياح، ودوارات المولدات، ودوارات التوربينات، وأغلفة أوعية الضغط، ومكونات المفاعلات النووية، مواصفات مُدرجة في كود التصميم. وتُحدد معايير ASME القسم الأول، والقسم الثامن، وEN 10028، وEN 10222، بالإضافة إلى مواصفات خاصة بالعملاء (سيمنز، وجنرال إلكتريك، ومان، وميتسوبيشي) الخصائص الميكانيكية المطلوبة، ونطاق درجة الحرارة، ومدة التثبيت، ومعدل التبريد، ومتطلبات الاختبار.
تحدد المواصفات دورة المعالجة الحرارية. وتبدو دورة المعالجة الحرارية النموذجية لعمليات التشكيل الكبيرة كما يلي:
التسخين المسبق (رفع درجة الحرارة تدريجياً من درجة حرارة الغرفة إلى 400 إلى 600 درجة مئوية بمعدل 50 إلى 100 درجة مئوية في الساعة). يمنع هذا الرفع التدريجي حدوث صدمة حرارية في عملية التشكيل على البارد.
٢. التسخين إلى درجة حرارة الأوستنة (عادةً من ٨٥٠ إلى ٩٥٠ درجة مئوية للتطبيع، ومن ٩٥٠ إلى ١٠٥٠ درجة مئوية للتلدين أو التبريد السريع). معدل التسخين في هذه المرحلة من ١٠٠ إلى ١٥٠ درجة مئوية في الساعة.
3. النقع في درجة حرارة معينة (من ساعة إلى أربع ساعات لكل 100 مم من سمك المقطع، وأحيانًا لفترة أطول). يعمل النقع على توحيد درجة الحرارة في جميع أنحاء المشغولة.
٤. التبريد المُتحكم به. في عملية التطبيع، تُبرّد المشغولة في هواء ساكن. أما في عملية التلدين، فتُبرّد في الفرن إلى أقل من ٤٠٠ درجة مئوية بمعدل مُتحكم به. وفي عملية التبريد السريع، تُنقل إلى حمام مائي أو زيتي.
5. التصليد (إعادة التسخين إلى درجة حرارة تتراوح بين 550 و700 درجة مئوية، ثم النقع، ثم التبريد). تُكرر خطوة التصليد لبعض المواصفات.
تستغرق عملية تشكيل قطعة معدنية بسمك 500 مم في هذه الدورة من 3 إلى 5 أيام من التحميل إلى التفريغ. ويُخصص الفرن طوال الدورة بأكملها، فلا مجال لإضافة عملية تسخين أصغر.
يُعدّ توحيد درجة الحرارة المواصفة الأساسية التي لا تقبل الشك.
بالنسبة لفرن طوله 30 متراً ومصنع بوزن 200 طن، يجب ألا يتجاوز فرق درجة الحرارة بين أسخن وأبرد نقطة في الفرن 5 إلى 10 درجات مئوية أثناء عملية التشكيل. أي فرق أكبر من ذلك سيؤدي إلى عدم تجانس البنية المجهرية للقطعة المشكلة. ستخضع المناطق الباردة لعملية تطبيع أو تلدين غير مكتملة، بينما ستزداد خشونة حبيبات المناطق الساخنة، وستختلف الخواص الميكانيكية عبر القطعة المشكلة.
يتطلب تحقيق هذا التجانس نظام إعادة تدوير متطور. يحتوي الفرن على مراوح أو نفاثات عالية السرعة تسحب الغاز الساخن من الأعلى وتدفعه لأسفل عبر قطعة العمل. تتراوح قدرة محركات المراوح بين 30 و75 كيلوواط لكل منها، ويوجد من 4 إلى 8 مراوح موزعة في أنحاء الحجرة. صُممت قنوات إعادة التدوير لتحريك ما بين 150,000 و300,000 متر مكعب من الهواء في الساعة.
صُمم تخطيط أنابيب الإشعاع لضمان التجانس. تُرتّب الأنابيب في مناطق - عادةً من 4 إلى 6 مناطق على طول الفرن، ومن 2 إلى 3 مناطق من الأعلى إلى الأسفل. تحتوي كل منطقة على مجموعة شعلات خاصة بها، وحلقة تحكم مستقلة في درجة الحرارة. يقرأ نظام التحكم بيانات من عدة أزواج حرارية في كل منطقة، ويُعدّل معدل احتراق الشعلة للحفاظ على درجة الحرارة المطلوبة.
يُعدّ وضع المزدوجات الحرارية أمرًا بالغ الأهمية. عادةً ما تكون المزدوجات الحرارية المرجعية على بُعد 1.5 إلى 2 متر من سطح قطعة العمل، في حيز الغاز. أما المزدوجات الحرارية المرجعية (المزدوجات الحرارية للمراقبة أو المزدوجة الحرارية للحمل) فتُوضع في ثقوب محفورة في قطع الاختبار أو في مناطق الإجهاد المنخفض من المشغولة الفعلية. تُعتبر المزدوجات الحرارية المرجعية بمثابة السجل الرسمي للمعالجة الحرارية، إذ تُؤكد وصول المشغولة إلى درجة الحرارة المطلوبة للمدة الزمنية المطلوبة.
بالنسبة للمكونات الحساسة (مثل المفاعلات النووية والدوارات عالية الضغط)، قد تتطلب المواصفات استخدام عدة أزواج حرارية في عملية التشكيل، بما في ذلك في الجزء الأكثر سمكًا والجزء الأقل سمكًا. يسجل جهاز تسجيل البيانات جميع الأزواج الحرارية طوال دورة التشغيل، وتُصبح هذه البيانات جزءًا من حزمة ضمان الجودة الخاصة بعملية التشكيل.
يعتمد وقت النقع على سمك المقطع.
القاعدة العامة هي ساعة واحدة لكل 25 مم من سُمك المقطع لعملية الأوستنة، وأحيانًا ساعة واحدة لكل 20 مم للفولاذ عالي السبائك. يحتاج المشغول المطروق بسُمك 500 مم إلى فترة تسخين تتراوح بين 20 و25 ساعة بعد وصول الفرن إلى درجة الحرارة المطلوبة. هذا بالإضافة إلى وقت التسخين الأولي، الذي يستغرق من 8 إلى 12 ساعة بمعدل 100 درجة مئوية في الساعة.
تُهيمن عمليتا التسخين والتبريد على دورة التصنيع بأكملها. أما التبريد، فعادةً ما يكون أسرع، خاصةً في عملية التطبيع (التبريد بالهواء) أو التبريد بالزيت (يستغرق التبريد من 4 إلى 8 ساعات لقطعة حديدية وزنها 200 طن). ويستغرق تبريد الفرن إلى 400 درجة مئوية من 6 إلى 10 ساعات، حسب معدل التبريد المطلوب.
يُعد التحكم في الغلاف الجوي المتغير الذي يحدد حالة السطح.
لتخفيف الإجهاد والتطبيع، يُعدّ وجود جو مؤكسد قليلاً مقبولاً، حيث تتكون طبقة رقيقة من الأكسيد على سطح المشغولة المطروقة، وتُزال هذه الطبقة بالرشّ بالخردق بعد المعالجة الحرارية. أما بالنسبة للتلدين أو للمكونات التي تتطلب سطحاً مصقولاً، فيلزم وجود جو مُتحكّم به لتقليل تكوّن القشور وإزالة الكربون.
يتم التحكم في جو الفرن عن طريق الحفاظ على ضغط إيجابي طفيف (عادةً من 1 إلى 5 ملي بار فوق الضغط الجوي) وضخ كمية صغيرة من الهواء أو الغاز الخامل. بعض أفران البوجي الكبيرة مزودة بتصميم عازل كامل - وهو عبارة عن حجرة داخلية محكمة الإغلاق تعزل قطعة العمل عن غازات الاحتراق. يُعد هذا العازل مكلفًا، ولكنه يوفر تحكمًا دقيقًا في جو الفرن.
بالنسبة للمكونات التي تتطلب سطحًا خاليًا من إزالة الكربون (مثل مقاعد المحامل في الدوارات الكبيرة)، تنص المواصفات على استخدام جو واقٍ - عادةً ما يكون نيتروجينًا مع نسبة قليلة من غاز مُختزل (الهيدروجين أو الأمونيا المتفككة). يُغلق الفرن، ويُفرغ الهواء، ويُحافظ على الجو الواقي طوال الدورة. عادةً ما يكون عمق إزالة الكربون محدودًا إلى 0.5 مم أو أقل في هذا الوضع.
تُعد عملية تحميل وتفريغ المشغولات المعدنية الكبيرة عملية رئيسية.
يتطلب تركيب قطعة حديدية وزنها 200 طن على العربة رافعة ثقيلة - عادةً ما تتراوح سعتها بين 300 و500 طن مع ذراع رفع. تستغرق عملية التحميل من 30 إلى 60 دقيقة مع طاقم كامل. تصل قطعة الحديد إلى مكانها، ترفعها الرافعة، ثم توضع العربة، وتُنزل قطعة الحديد على الموقد، وتُزال معدات الرفع. بعد ذلك، تدخل العربة إلى الفرن، ويُغلق الباب، وتبدأ دورة التسخين.
عادةً ما تكون قاعدة التثبيت المستخدمة في تشكيل المشغولات الكبيرة مصنوعة من الفولاذ الثقيل أو المصبوب، ومزودة بميزات تحديد المواقع. بالنسبة لعمود الدوار، قد تكون قاعدة التثبيت عبارة عن مجموعة طويلة من كتل على شكل حرف V موزعة على طول العمود، تدعمه في نقاط متعددة. أما بالنسبة للحلقة أو الغلاف، فتكون قاعدة التثبيت مسطحة، ويوضع الجزء عليها بشكل عمودي.
تتم عملية التفريغ بشكل عكسي؛ حيث تتحرك العربة للخارج، وتلتقط الرافعة القطعة المشكلة، ثم تُنقل إلى العملية التالية (التشغيل الآلي، أو الاختبار، أو المعالجة الحرارية الإضافية). يعمل مشغل الرافعة من داخل كابينة مكيفة الهواء نظرًا لشدة الحرارة المنبعثة من القطعة المشكلة، والتي تتراوح بين 200 و500 درجة مئوية على السطح، حتى بعد انتهاء دورة التفريغ.
خلاصة القول. المعالجة الحرارية للتشكيلات الكبيرة هي عملية متخصصة تتطلب ما يلي:
- فرن كبير ذو موقد متحرك ومجهز بأجهزة قياس جيدة
- التحكم الدقيق في الغلاف الجوي
- مشغلون مهرة يفهمون المواصفات
- رافعات وتجهيزات رفع الأحمال الثقيلة
- توثيق مفصل لدورة كل عملية تسخين
المؤلف: فريق المعالجة الحرارية للتشكيل الكبير في شركة مونتي إنتليجنس. لإجراء دراسات حول المعالجة الحرارية للتشكيل وعمليات تدقيق الأفران، يرجى التواصل عبر البريد الإلكتروني helenxu@cnlymonte.com.
