I. Histórico do Projeto e Lógica de Correspondência de Capacidade

Este estudo de caso envolve uma linha de produção de aquecimento por indução de liga de alumínio, processando barras de liga de alumínio A6061 e 5083-H111 com diâmetro de Ø245 mm e comprimento de 500 mm, cada uma pesando 68,406 kg.

O caminho de derivação do projeto de capacidade é o seguinte: com um tempo de ciclo de 246 segundos por peça, dividindo 3600 segundos por 246 segundos, obtém-se 14,634 peças por hora; multiplicando 14,634 peças pelo peso de peça única de 68,406 kg, obtém-se uma capacidade de produção de aproximadamente 1.000 kg por hora. Esta cadeia de cálculo demonstra que o tempo de ciclo é o parâmetro base para a configuração de potência de toda a linha de produção, velocidade do mecanismo transportador e lógica de classificação – não um indicador que pode ser ajustado arbitrariamente.

O requisito de temperatura de aquecimento é de 480 a 495°C, com um desvio permissível de ±15°C. A faixa de temperatura de operação dada na proposta do equipamento é de 460 a 480°C, mostrando um leve desvio da faixa de requisito de processo do comprador. Essa diferença geralmente requer confirmação de calibração durante a fase de comissionamento com base no processo de forjamento real.

II. Configuração do Sistema de Alimentação de Energia

A fonte de alimentação de aquecimento emprega uma fonte de alimentação IGBT totalmente digital, modelo IGBT300/0,15, com potência nominal de 300 kW e frequência nominal de 0,15 kHz, ou seja, 150 Hz. O fator de potência do sistema excede 0,9.

O inversor combina tiristores rápidos com módulos IGBT, com tensão de entrada de 380V e tensão de saída de 1000V. O programa de controle apresenta regulação automática de tensão. Dispositivos de proteção cobrem condições de sobrecorrente, sobretensão, aterramento, fusível rápido, anomalia de frequência e anomalia de água de resfriamento.

A bobina de indução é feita de tubo de cobre com pureza não inferior a 99,9% e espessura de parede não inferior a 2,0 mm, utilizando tubo de cobre sem oxigênio trefilado a frio Luoyang Copper T2. Após a bobinagem, a bobina passa por lavagem ácida, impregnação com verniz isolante de alta temperatura e cozimento em forno de resistência para garantir bom isolamento, com tensão suportável (ao terra) não inferior a 5000V. A vida útil projetada da bobina é de no mínimo 8.000 horas. O revestimento do forno utiliza tubos de aço inoxidável austenítico.

III. Seleção de Frequência e Características de Carga

A frequência nominal deste equipamento é de 150 Hz, caindo na faixa de aquecimento por indução de frequência média. Em uma carga ressonante paralela, uma vez determinados os valores de indutância L e do capacitor de compensação, a frequência ressonante natural também é determinada. À medida que a impedância da carga (indutor) muda, a frequência natural também varia – a frequência é menor quando o forno está vazio ou com pouca carga, e maior quando o forno está totalmente carregado com material frio.

Essa característica de carga impõe requisitos na fase de partida: quanto mais próxima a frequência de partida estiver da frequência de carga real, maior será a taxa de sucesso da partida. O método de partida por varredura de frequência adotado na proposta envia um conjunto de frequências cobrindo a faixa de variação da frequência de carga para iniciar o equipamento, sem ser afetado por mudanças de carga, melhorando assim a confiabilidade da partida. O equipamento utiliza controle automático de rastreamento de frequência durante a operação, sem necessidade de ajuste manual; ao ser usado em diferentes bandas de frequência, basta conectar o banco de capacitores de compensação apropriado para ajustar o valor de impedância adequado.

IV. Parâmetros do Sistema de Água de Resfriamento

A temperatura de entrada da água de resfriamento exigida é de 5 a 35°C, a temperatura de saída abaixo de 55°C e a pressão de trabalho de 0,2 a 0,3 MPa. A vazão de água de resfriamento para a seção da fonte de alimentação é de 7,5 m³/h, e para a seção do corpo do forno é de 37,5 m³/h, com uma necessidade total de água de 45 m³/h. O método de resfriamento emprega uma torre de resfriamento de circuito fechado.

A lógica de layout do circuito de água interno do gabinete de energia merece explicação separada: todas as mangueiras são feitas de borracha sem carbono, e o comprimento do caminho da água entre os componentes é mantido em pelo menos 1,5 a 2 metros para evitar instabilidade do equipamento causada por contaminação cruzada entre os componentes através do caminho da água. Tubos vermelhos são usados para água de retorno (água quente) e tubos azuis para água de entrada (água fria), para distinção rápida da direção do fluxo. O tanque de água de metal interno usa aço inoxidável 304 para fornecimento centralizado de água. Sensores de temperatura são instalados em todos os tubos de derivação e numerados; quando a temperatura da água está anormal, o sistema de controle emite um alarme e exibe o número da linha de água defeituosa na tela sensível ao toque.

V. Mecanismo de Transporte e Classificação Mecânica

As barras são colocadas cuidadosamente na plataforma de armazenamento manualmente. O mecanismo de giro gira as barras para a calha de alimentação de acordo com o ritmo de aquecimento. O mecanismo de alimentação é um sistema de alimentação por cilindro que alimenta em velocidade uniforme de acordo com o ritmo.

A extremidade de descarga está equipada com um dispositivo de descarga rápida composto por um rolo de eixo hexagonal resfriado a água e uma corrente transportadora, com força suficiente para evitar que o material tombe, e resistência estrutural e resistência a altas temperaturas atendendo às necessidades de várias especificações de material neste projeto.

O mecanismo de classificação é um projeto de três partes que pode separar rápida, precisa e prontamente materiais de baixa e alta temperatura, transportando-os para seus respectivos depósitos através de calhas. A temperatura inicial de forjamento das peças forjadas deve ser controlada entre 480 e 495°C (a configuração pode ser ajustada de acordo com o processo do cliente). As peças forjadas dentro desta faixa de temperatura prosseguem para a próxima etapa de processamento; as peças forjadas abaixo ou acima da temperatura de forjamento são classificadas em depósitos diferentes, com uma taxa de classificação de 100%.

VI. Medição de Temperatura e Controle de Temperatura

Um instrumento dedicado de medição de temperatura de liga de alumínio é instalado na saída do forno do indutor. Um orifício é feito na lateral do forno a uma certa distância da saída, e um instrumento dedicado de medição de temperatura de liga de alumínio é instalado para atender às necessidades de medição de temperatura de diferentes condições de trabalho. Quando a diferença de temperatura do instrumento de medição for muito grande ou a temperatura estiver anormal, um alarme sonoro e visual é acionado.

A temperatura inicial de forjamento pode ser exibida em tempo real na interface homem-máquina e no display de tela grande. A medição de temperatura usa um termômetro infravermelho, equipado com funções de exibição e armazenamento de temperatura (período de armazenamento de 180 dias), e dispositivos de alarme de limite superior e inferior. O dispositivo de medição de temperatura não é afetado por escamas de óxido de superfície, poeira, fumaça ou vapor d'água. A precisão e durabilidade do dispositivo de medição de temperatura são garantidas por 12 meses.

VII. Controle Elétrico e Interface Homem-Máquina

O gabinete de controle adota uma caixa de controle integrada eletromecânica, feita de placa de alta resistência com revestimento em pó para evitar oxidação. O gabinete de controle externo é fabricado de acordo com um nível de proteção de no mínimo IP54. Os principais componentes elétricos de baixa tensão no gabinete são da marca Schneider Electric, os disjuntores são Chint, os cabos são cabos de núcleo de cobre de alta qualidade e as linhas de sinal são cabos blindados.

O PLC é uma unidade da série Siemens S7 com um módulo de interface de comunicação Profinet, e o projeto do programa inclui um sistema de feedback de informações de falha e autodiagnóstico.

A interface homem-máquina adota uma tela sensível ao toque colorida de 15 polegadas (TPC1571) da Beijing Kunlun Tongtai. Configurações relacionadas ao programa podem ser inseridas via teclado sensível ao toque, e parâmetros de produto verificados e armazenados (capazes de carregar e ler mais de 50 tipos de parâmetros de processo) podem ser consultados e impressos a qualquer momento. O tempo de ciclo (tempo inserido diretamente) e o comprimento do material podem ser definidos nesta tela, e a tela pode registrar automaticamente a quantidade de material de baixa temperatura, material qualificado e material de alta temperatura.

A operação é dividida em dois modos: automático e manual, alternados por meio de um interruptor seletor de duas posições. No modo automático, todo o dispositivo pode ser iniciado e parado usando apenas os botões de início e parada; no modo manual, várias funções podem ser iniciadas individualmente usando botões, com todas as operações realizadas na tela sensível ao toque.

A função inteligente de identificação de falhas exibe o conteúdo da falha e fornece soluções correspondentes quando ocorrem alarmes de operação incorreta ou condição de trabalho especial, permitindo que os operadores resolvam rapidamente mais de 90% das falhas comuns. O gabinete de fonte de alimentação de frequência média está equipado com um painel de diagnóstico de falhas. Quando o sistema apresenta falhas como sobretensão, sobrecorrente, falta de água ou falha de fusível, ele para imediatamente a máquina e desconecta automaticamente o interruptor de alimentação principal.

VIII. Modos de Operação Especiais para Empresas de Forjamento

Modo de trabalho inicial: Quando cada turno começa, o sistema de aquecimento por indução acabou de ser iniciado e a temperatura dentro do forno indutor é a temperatura inicial. Para reduzir a geração de material de baixa temperatura, este modo aumenta ou mantém a potência de acordo com o ritmo ou velocidade quando o material aquecido é alimentado em um ritmo ou velocidade, garantindo que cada barra atinja a temperatura de forjamento.

Modo de menu: Quando o usuário reaquece o tarugo, ele só precisa inserir o número do pedido no menu, e o sistema de aquecimento por indução executa automaticamente de acordo com os dados de aquecimento no menu sem ajuste manual, garantindo consistência na qualidade de aquecimento do produto.

Modo de limpeza do forno: Quando a limpeza do forno é necessária após o trabalho do dia, basta ativar o modo de limpeza do forno para que o mecanismo de alimentação empurre material fictício vazio para a câmara do forno de acordo com o ritmo definido, com a potência diminuindo gradualmente, maximizando a economia de energia durante o processo de limpeza do forno.