I. Contexte du projet et logique de correspondance de capacité

Cette étude de cas concerne une ligne de production de chauffage par induction d'alliage d'aluminium, traitant des barres d'alliage d'aluminium A6061 et 5083-H111 d'un diamètre de Ø245 mm et d'une longueur de 500 mm, pesant chacune 68,406 kg.

Le chemin de dérivation de la conception de la capacité est le suivant : avec un temps de cycle de 246 secondes par pièce, la division de 3600 secondes par 246 secondes donne 14,634 pièces par heure ; la multiplication de 14,634 pièces par le poids unitaire de 68,406 kg donne une capacité de production d'environ 1 000 kg par heure. Cette chaîne de calcul démontre que le temps de cycle est le paramètre de base pour la configuration de puissance de l'ensemble de la ligne de production, la vitesse du mécanisme de convoyage et la logique de tri – et non un indicateur qui peut être ajusté arbitrairement.

L'exigence de température de chauffage est de 480 à 495°C, avec une déviation admissible de ±15°C. La plage de température de fonctionnement indiquée dans la proposition d'équipement est de 460 à 480°C, montrant un léger décalage par rapport à la plage d'exigences du processus de l'acheteur. Cette différence nécessite généralement une confirmation de calibration lors de la phase de mise en service en fonction du processus de forgeage réel.

II. Configuration du système d'alimentation électrique

L'alimentation électrique de chauffage utilise une alimentation IGBT entièrement numérique, modèle IGBT300/0.15, avec une puissance nominale de 300 kW et une fréquence nominale de 0,15 kHz, soit 150 Hz. Le facteur de puissance du système dépasse 0,9.

L'onduleur combine des thyristors rapides avec des modules IGBT, avec une tension d'entrée de 380V et une tension de sortie de 1000V. Le programme de contrôle dispose d'une régulation automatique de la tension. Les dispositifs de protection couvrent les conditions de surintensité, de surtension, de mise à la terre, de fusible rapide, d'anomalie de fréquence et d'anomalie de l'eau de refroidissement.

La bobine d'induction est fabriquée en tube de cuivre d'une pureté d'au moins 99,9 % et d'une épaisseur de paroi d'au moins 2,0 mm, en utilisant un tube de cuivre sans oxygène étiré à froid T2 de Luoyang. Après bobinage, la bobine subit un lavage acide, une imprégnation de vernis isolant à haute température et un séchage au four à résistance pour assurer une bonne isolation, avec une tenue en tension (à la terre) d'au moins 5000V. La durée de vie de conception de la bobine est d'au moins 8 000 heures. Le revêtement du four utilise des tubes en acier inoxydable austénitique.

III. Sélection de la fréquence et caractéristiques de charge

La fréquence nominale de cet équipement est de 150 Hz, tombant dans la plage de chauffage par induction à moyenne fréquence. Dans une charge résonante parallèle, une fois les valeurs de l'inductance L et du condensateur de compensation déterminées, la fréquence de résonance naturelle est également déterminée. À mesure que l'impédance de la charge (inducteur) change, la fréquence naturelle dérive également – la fréquence est plus basse lorsque le four est vide ou légèrement chargé, et plus élevée lorsque le four est entièrement chargé de matériau froid.

Cette caractéristique de charge impose des exigences pour la phase de démarrage : plus la fréquence de démarrage est proche de la fréquence de charge réelle, plus le taux de réussite du démarrage est élevé. La méthode de démarrage par balayage de fréquence adoptée dans la proposition envoie un ensemble de fréquences couvrant la plage de variation de la fréquence de charge pour démarrer l'équipement, sans être affectée par les changements de charge, améliorant ainsi la fiabilité du démarrage. L'équipement utilise un contrôle automatique de suivi de fréquence pendant le fonctionnement, ne nécessitant aucun réglage manuel ; lorsqu'il est utilisé dans différentes bandes de fréquences, il suffit de connecter le banc de condensateurs de compensation approprié pour s'adapter à la valeur d'impédance appropriée.

IV. Paramètres du système d'eau de refroidissement

La température d'entrée de l'eau de refroidissement requise est de 5 à 35°C, la température de sortie inférieure à 55°C, et la pression de travail de 0,2 à 0,3 MPa. Le débit d'eau de refroidissement pour la section d'alimentation électrique est de 7,5 m³/h, et pour la section du corps du four est de 37,5 m³/h, avec un besoin total en eau de 45 m³/h. La méthode de refroidissement utilise une tour de refroidissement en circuit fermé.

La logique d'agencement du circuit d'eau interne de l'armoire électrique mérite une explication séparée : tous les tuyaux sont en caoutchouc sans carbone, et la longueur du trajet de l'eau entre les composants est maintenue à au moins 1,5 à 2 mètres pour éviter l'instabilité de l'équipement causée par la contamination croisée entre les composants via le trajet de l'eau. Les tuyaux rouges sont utilisés pour l'eau de retour (eau chaude) et les tuyaux bleus pour l'eau d'admission (eau froide), pour une distinction rapide du sens d'écoulement. Le réservoir d'eau métallique interne utilise de l'acier inoxydable 304 pour l'alimentation centralisée en eau. Des capteurs de température sont installés sur tous les tuyaux de dérivation et numérotés ; lorsque la température de l'eau est anormale, le système de contrôle alarme et affiche le numéro de la ligne d'eau défectueuse sur l'écran tactile.

V. Mécanisme de convoyage et de tri mécanique

Les barres sont soigneusement placées sur la plateforme de stockage à la main. Le mécanisme de rotation tourne les barres dans la goulotte d'alimentation selon le rythme de chauffage. Le mécanisme d'alimentation est un système d'alimentation par cylindre qui alimente à une vitesse uniforme selon le rythme.

L'extrémité de décharge est équipée d'un dispositif de décharge rapide composé d'un rouleau à arbre hexagonal refroidi par eau et d'une chaîne de convoyage, avec une force suffisante pour empêcher le basculement du matériau, et une résistance structurelle et une résistance aux hautes températures répondant aux besoins des différentes spécifications de matériaux de ce projet.

Le mécanisme de tri est une conception en trois parties qui peut séparer rapidement, avec précision et promptement les matériaux à basse et haute température, les transportant vers leurs bacs respectifs via des goulottes. La température initiale de forgeage des pièces forgées doit être contrôlée entre 480 et 495°C (le réglage peut être ajusté selon le processus du client). Les pièces forgées dans cette plage de température passent à l'étape de traitement suivante ; les pièces forgées inférieures ou supérieures à la température de forgeage sont triées dans des bacs différents, avec un taux de tri de 100%.

VI. Mesure de température et contrôle de température

Un instrument de mesure de température dédié pour alliage d'aluminium est installé à la sortie du four de l'inducteur. Un trou est pratiqué sur le côté du four à une certaine distance de la sortie, et un instrument de mesure de température dédié pour alliage d'aluminium est installé pour répondre aux besoins de mesure de température dans différentes conditions de travail. Lorsque la différence de température de l'instrument de mesure est trop importante ou que la température est anormale, une alarme sonore et visuelle est déclenchée.

La température initiale de forgeage peut être affichée en temps réel sur l'interface homme-machine et l'écran grand format. La mesure de température utilise un thermomètre infrarouge, équipé de fonctions d'affichage et de stockage de température (période de stockage de 180 jours), et de dispositifs d'alarme de limites supérieure et inférieure. Le dispositif de mesure de température n'est pas affecté par la calamine de surface, la poussière, la fumée ou la vapeur d'eau. La précision et la durabilité du dispositif de mesure de température sont garanties pendant 12 mois.

VII. Contrôle électrique et interface homme-machine

L'armoire de commande adopte une boîte de commande électromécanique intégrée, fabriquée en panneau haute résistance avec revêtement en poudre pour éviter l'oxydation. L'armoire de commande externe est fabriquée selon un niveau de protection d'au moins IP54. Les principaux composants électriques basse tension de l'armoire sont de marque Schneider Electric, les disjoncteurs sont Chint, les câbles sont des câbles à âme de cuivre de haute qualité, et les câbles de signal sont des câbles blindés.

L'automate est une unité Siemens série S7 avec un module d'interface de communication Profinet, et la conception du programme comprend un système de retour d'informations sur les défauts et d'autodiagnostic.

L'interface homme-machine adopte un écran tactile couleur de 15 pouces (TPC1571) de Beijing Kunlun Tongtai. Les réglages liés au programme peuvent être saisis via le clavier tactile, et les paramètres de produit vérifiés et stockés (capables de charger et de lire plus de 50 types de paramètres de processus) peuvent être interrogés et imprimés à tout moment. Le temps de cycle (temps saisi directement) et la longueur du matériau peuvent être réglés sur cet écran, et l'écran peut enregistrer automatiquement la quantité de matériau à basse température, de matériau qualifié et de matériau à haute température.

Le fonctionnement est divisé en deux modes : automatique et manuel, commutés via un sélecteur à deux positions. En mode automatique, l'ensemble de l'appareil peut être démarré et arrêté en utilisant uniquement les boutons de démarrage et d'arrêt ; en mode manuel, diverses fonctions peuvent être démarrées individuellement à l'aide de boutons, toutes les opérations étant effectuées sur l'écran tactile.

La fonction d'identification intelligente des défauts affiche le contenu du défaut et fournit des solutions correspondantes en cas de mauvaise manipulation ou d'alarmes de conditions de travail spéciales, permettant aux opérateurs de gérer rapidement plus de 90 % des défauts courants. L'armoire d'alimentation moyenne fréquence est équipée d'un panneau de diagnostic de défauts. Lorsque le système rencontre des défauts tels que surtension, surintensité, coupure d'eau ou défaillance du fusible, il arrête immédiatement la machine et déconnecte automatiquement l'interrupteur d'alimentation principal.

VIII. Modes de fonctionnement spéciaux pour les entreprises de forgeage

Mode de fonctionnement initial : Lorsque chaque quart de travail commence, le système de chauffage par induction vient de démarrer et la température à l'intérieur du four inducteur est la température initiale. Pour réduire la génération de matériau à basse température, ce mode augmente ou maintient la puissance en conséquence en rythme ou en vitesse lorsque le matériau chauffé est introduit en rythme ou en vitesse, garantissant que chaque barre atteint la température de forgeage.

Mode menu : Lorsque l'utilisateur réchauffe la billette, il lui suffit d'entrer le numéro de commande dans le menu, et le système de chauffage par induction fonctionne automatiquement selon les données de chauffage du menu sans réglage manuel, garantissant la cohérence de la qualité du chauffage du produit.

Mode de nettoyage du four : Lorsque le nettoyage du four est nécessaire après le travail de la journée, il suffit d'activer le mode de nettoyage du four pour que le mécanisme d'alimentation pousse un matériau factice vide dans la chambre du four selon le rythme défini, avec une puissance diminuant progressivement, maximisant les économies d'énergie pendant le processus de nettoyage du four.