Un forno a focolare su carrello è un grande sistema termico. I gradienti di temperatura sono inevitabili, ma possono essere gestiti. Il test di uniformità della temperatura (TUS - Temperature Uniformity Survey) è il test che dimostra l'efficacia del sistema di gestione.
MONTE INTELLIGENCE esegue i test TUS nell'ambito della messa in servizio dei forni e raccomanda di ripetere i test periodicamente durante l'intero ciclo di vita del forno. Questo articolo illustra i requisiti TUS secondo la norma AMS 2750F, lo standard più diffuso per le apparecchiature di trattamento termico nei settori aerospaziale, automobilistico e del trattamento termico in generale.
La norma AMS 2750F classifica i forni in base alla tolleranza di uniformità della temperatura. La Classe 1 richiede un'uniformità di ±3 °C, la tolleranza più ristretta, utilizzata per componenti aerospaziali critici come dischi di turbine e forgiati strutturali. La Classe 2 richiede ±6 °C, lo standard per la maggior parte dei trattamenti termici aerospaziali. La Classe 3 richiede ±8 °C. La Classe 4 richiede ±10 °C. La Classe 5 richiede ±14 °C. La Classe 6 richiede ±28 °C, la tolleranza più ampia, utilizzata per la distensione e applicazioni non critiche.
Per una fornace a focolare su carrello, raggiungere la Classe 2 (±6 °C) è un obiettivo impegnativo ma realizzabile. La Classe 1 (±3 °C) è estremamente difficile da ottenere per una fornace di questo tipo a causa delle dimensioni fisiche: una camera di combustione lunga 10 metri presenta gradienti di temperatura intrinseci dovuti al posizionamento dei bruciatori, ai modelli di flusso dei fumi e alla dispersione di calore attraverso la porta. La Classe 1 di isolamento termico su una fornace a focolare su carrello richiede in genere elementi riscaldanti elettrici con un controllo di zona molto preciso, piuttosto che bruciatori a gas.
La procedura TUS secondo la norma AMS 2750F richiede il posizionamento di una serie di termocoppie in tutta la zona di lavoro del forno. La zona di lavoro è il volume all'interno del quale il carico di lavoro deve essere collocato per ricevere il trattamento termico specificato; sono escluse le aree vicino alle pareti, alla porta e alla parete posteriore, dove la temperatura potrebbe essere meno uniforme. Per un forno a carrelli con focolare, la zona di lavoro è tipicamente definita come il volume che si trova ad almeno 300 mm dalle pareti, dal soffitto e dalla porta, e ad almeno 150 mm dalla superficie del focolare.
Il numero di termocoppie TUS necessarie dipende dal volume della zona di lavoro. Per volumi fino a 0,085 metri cubi (3 piedi cubi), sono necessarie 9 termocoppie: una in ogni angolo di una griglia rettangolare più una al centro. Per volumi compresi tra 0,085 e 6,4 metri cubi, il numero aumenta a una griglia 4x4x4 o a 15-40 termocoppie a seconda del rapporto d'aspetto. Per un grande forno a focolare a carrello con una zona di lavoro di 30-50 metri cubi, la norma richiede una griglia con un numero sufficiente di termocoppie in modo che nessun punto di misurazione adiacente sia distante più di 0,6 metri.
La serie di termocoppie è montata su un telaio di prova, una struttura leggera, in genere realizzata in tubi di acciaio inossidabile, che posiziona le termocoppie nelle posizioni specificate senza influenzare in modo significativo il flusso d'aria o il trasferimento di calore nel forno. Il telaio di prova viene posizionato sul carrello, che viene poi spostato all'interno del forno per l'ispezione.
Il rilevamento viene effettuato alle temperature operative minima e massima del forno e, in genere, anche a una o più temperature intermedie. Per un forno con una temperatura nominale compresa tra 500 e 1100 °C, il rilevamento verrebbe effettuato a 500 °C, 800 °C e 1100 °C, per un totale di tre cicli completi. A ciascuna temperatura, una volta che il forno si è stabilizzato (tutte le termocoppie di rilevamento entro ±3 °C dal setpoint per 30 minuti), i dati vengono raccolti per un minimo di 30 minuti.
Il criterio di accettazione prevede che tutte le termocoppie utilizzate per il rilevamento rimangano entro la banda di tolleranza di uniformità specificata durante l'intero periodo di raccolta dati. Se una qualsiasi termocoppia esce dalla tolleranza, il rilevamento a quella temperatura non viene considerato valido. I rilevamenti non validi richiedono la regolazione dei controlli del forno, in genere degli offset di temperatura di zona nel regolatore, e una nuova prova.
La regolazione dell'offset di temperatura di zona è lo strumento principale per migliorare l'uniformità. Se il TUS (Test di Uniformità di Zona) mostra che la parte anteriore della caldaia (vicino alla porta) funziona a 8 °C in meno rispetto al setpoint, mentre la parte posteriore funziona al setpoint, il regolatore della zona anteriore può essere programmato con un offset di +8 °C. Dopo la regolazione, il TUS viene eseguito nuovamente per verificare il miglioramento. La maggior parte delle caldaie può raggiungere l'uniformità di Classe 2 con una corretta regolazione dell'offset di zona, anche se il test iniziale mostra un'uniformità di ±10 °C o peggiore.
L'intervallo tra le ispezioni dipende dalla classe del forno e dalla criticità del lavoro. Per i forni di Classe 2 utilizzati per la lavorazione di componenti aerospaziali, l'ispezione di conformità (TUS) deve essere ripetuta ogni 6 mesi secondo la norma AMS 2750F. Per i forni di Classe 4 utilizzati per trattamenti termici industriali, l'ispezione annuale è la norma di solito. Qualsiasi modifica sostanziale al forno, come la sostituzione del bruciatore, l'aggiornamento del sistema di controllo o il rifacimento del rivestimento refrattario, comporta l'esecuzione di un'ispezione di riqualificazione.
Spesso si fa confusione tra TUS e SAT (System Accuracy Test). Il TUS misura la distribuzione della temperatura nell'intera zona di lavoro. Il SAT misura la precisione delle termocoppie di controllo e registrazione del forno rispetto a un riferimento calibrato. Entrambi i test sono obbligatori per la conformità alla norma AMS 2750, ma hanno scopi diversi. Un forno può superare il SAT (la termocoppia di controllo fornisce una lettura accurata) ma non superare il TUS (alcune parti della zona di lavoro sono troppo calde o troppo fredde rispetto al punto di controllo).
La documentazione rappresenta il risultato finale di un'ispezione di conformità (TUS). Il rapporto di ispezione deve includere l'identificazione del forno, la data del test, le temperature di prova, uno schema che mostri la posizione delle termocoppie, i dati grezzi di temperatura di tutte le termocoppie per l'intero periodo di raccolta dati, l'uniformità di temperatura calcolata e una valutazione di conformità/non conformità. Questo rapporto entra a far parte della documentazione di qualità del forno e viene esaminato durante gli audit dei clienti e l'accreditamento NADCAP.
MONTE INTELLIGENCE include la TUS iniziale come parte della messa in servizio del forno e può fornire servizi di riispezione periodica. Forniamo anche l'hardware di montaggio delle termocoppie, i sistemi di acquisizione dati e il software di reportistica.
Per i servizi TUS o per l'assistenza alla messa in servizio della caldaia, contattare helenxu@cnlymonte.com.
