Suojakaasu- ja vakuumiuunin kaasunvaihtoautomatiikka

Abstract

Opinnäytetyössä suunniteltiin ja toteutettiin automaattinen kaasunvaihtojärjestelmä Entech ETF 100/16-V putkiuuniin. Työn taustana oli tarve parantaa uunin kaasuatmosfäärin hallintaa ennen lämpökäsittelyä sekä vähentää manuaalista työtä. Työn tavoitteena oli toteuttaa prototyyppitasoinen ratkaisu, jolla kaasunvaihto voidaan automatisoida ja prosessin toistettavuutta parantaa. Suunnittelua ohjasivat vaatimusmäärittelyssä tunnistetut toiminnalliset ja ei-toiminnalliset vaatimukset sekä reunaehdot, joihin sisältyi hienojakoisen metallijauheen pölyämisriskin huomioiminen. Työ toteutettiin toiminnallisena kehitystyönä, jossa järjestelmä mitoitettiin, suunniteltiin ja liitettiin olemassa olevaan uunilaitteistoon.

Työn tuloksena laadittiin kaasunvaihtojärjestelmän PI-kaavio, putkistojen ja venttiililinjojen mitoitus sekä ohjauskeskuksen rakenne. Ohjauskeskuksesta toteutettiin sähköpiirikaaviot ja layout-kuvat. Järjestelmän toiminnasta laadittiin toiminnankuvaus käyttöliittymineen sekä hälytys- ja lukitustoimintoineen. Järjestelmä rakennettiin ja liitettiin putkiuuniin. Käyttöönotossa tehtiin sähköturvallisuus- ja I/O-testit, tarkastettiin vakuumijärjestelmän tiiveys ja varmistettiin mittaus- ja lokitoimintojen toiminta toiminnallisilla koeajoilla.

Koetulokset osoittivat, että automaattinen kaasunvaihtosekvenssi eteni suunnitellussa järjestyksessä ja uuni voitiin evakuoida ja täyttää suojakaasulla toistettavasti kahden–kolmen syklin prosessina. Mitatut paine- ja lämpötila-arvot tallennettiin myöhempää tarkastelua varten, ja hälytys- ja lukitustoiminnot toimivat käyttöönoton aikana odotetulla tavalla. Paineenmittauksessa havaittiin painelähettimen ja vakuumimittarin välinen poikkeama, joka huomioitiin säätötyössä vertailumittausten avulla. Pölyämisriskiä arvioitiin erillisellä koesarjalla, jossa mitattiin massahäviötä ja arvioitiin mahdollista pölyämistä visuaalisesti.

Johtopäätöksenä todettiin, että prototyyppitasoinen automaattinen kaasunvaihtojärjestelmä toteutti asetetut toiminnalliset tavoitteet ja paransi prosessin hallittavuutta ja toistettavuutta käyttöönoton koeajoissa. Tulokset osoittivat, että erityisesti hienojakoisten materiaalien kohdalla pölyämisen hallinta edellyttää käytännön koesarjoihin perustuvaa säätötyötä. Kehittämiskohteiksi tunnistettiin painealueen mittaustarkkuuden parantaminen, vakuumipuolen virtausohjauksen jatkokehitys sekä lisäkoesarjat pölyämisen hallintaan erityisesti herkästi pölyävillä jauheilla.

An automatic gas exchange system was designed and implemented for an Entech ETF 100/16-V tube furnace. The purpose of the work was to improve the control of the furnace atmosphere before heat treatment, reduce manual work and increase process repeatability. The system was implemented as a prototype, and the risk of fine metal powder entrainment during vacuum pump-down and protective gas filling was considered as a design constraint.

The work was carried out as a functional development project. A requirements specification was prepared and the system was dimensioned and designed accordingly. As outputs, a P&ID, piping and valve line dimensioning, and the control cabinet design were produced. Electrical circuit diagrams and layout drawings were created, and a functional description was prepared, including the HMI as well as alarm and interlock functions.

During commissioning, electrical safety checks, I/O testing, vacuum leak testing and functional trial runs were carried out. The results showed that the automatic sequence proceeded in the intended order and that the furnace could be evacuated and refilled with protective gas repeatably in a two to three cycle process. The measured pressure and temperature values were recorded for a later review. Powder entrainment was evaluated by measuring mass loss and visually inspecting possible dusting. The results showed that, especially for fine powders, dust control still requires practical tuning. Further development should focus on improving low-pressure measurement accuracy, vacuum-side flow control and experimental validation for powders that are especially prone to dusting.