Spiekanie węgla nad Łabą

Spiekanie węgla
Powietrze i azot w centrum badawczym DLR w Stade
nad Łabą
Największy na świecie autoklaw badawczy od ubiegłego lata pracuje na obrzeżach powiatowego
miasta Stade na północy Niemiec. Sprężone powietrze i azot dostarczane są przez dwustopniową stację sprężarek firmy Kaeser Kompressoren.
Ze względu na zapewnienie stałego postępu w zakresie efektywnego wykorzystania energii zalecane są autoklawy o
niewielkiej masie. Kluczową rolę będzie
przy tym odgrywać przyszłościowy materiał – kompozyt wzmocniony włóknami
węglowymi (CFK). CFK jest materiałem
lekkim, bardzo odpornym i dającym się
dobrze formować. Centrum technologii
lekkich ZLP działające przy niemieckim
centrum badań lotniczych i kosmicznych
DLR w Stade prowadzi badania w celu
opracowania praktycznych metod seryjnej produkcji elementów CFK. Miałyby
one zapewnić możliwość ekonomicznego zastosowania tego materiału także w
innych dziedzinach. Największe wyzwanie w tym zakresie stanowi zapewnienie
ekonomicznej produkcji większej liczby
sztuk, kontroli procesu produkcji online
i wymaganej jakości, a także opracowanie właściwej konstrukcji elementów wykonanych z włókien węglowych.
Badania prowadzone w centrum technologii lekkich ZLP koncentrują się na
procesie produkcji elementów CFK. Celem tych badań jest odpowiednie przeniesienie informacji uzyskiwanych w
warunkach laboratoryjnych przez inne
uczestniczące w programie instytuty do
procesów przemysłowych oraz przetestowanie zjawisk stanów nieustalonych
na elementach konstrukcyjnych lub na
stanowiskach doświadczalnych w oryginalnej wielkości.
Prace badawcze przebiegają w trzech
obszarach:
Roboty do układania włókien
W celu opracowania technologii produkcji kompozytowych elementów konstrukcyjnych o dużej powierzchni polegającej na automatycznym układaniu
włókien) powstała instalacja umożliwiająca symultaniczne układanie włókien
przez odpowiednio skoordynowane
roboty, która może być elastycznie stosowana w procesie produkcji. Oprócz
platform robotów instalacja obejmuje
także nowej generacji głowice do układania włókien i taśm. Nowa technologia
umożliwia większą sprawność układania włókien, wychodząc naprzeciw
przyszłym oczekiwaniom dotyczącym
produkcji kompozytów wzmocnionych
włóknami.
Technologia autoklawów objęta
systemem zapewnienia jakości
Autoklawy także w dłuższej perspektywie stanowią integralną część całego
łańcucha produkcyjnego elementów
konstrukcyjnych z kompozytów wzmacnianych włóknem węglowym (CFK).
Procesy zachodzące w autoklawach
mają istotny wpływ na właściwości materiałów i na geometrię elementów konstrukcyjnych. Dlatego autoklaw zainstalowany w centrum badań lotniczych i
kosmicznych DLR w Stade jest wyposażony w liczne czujniki rejestrujące między innymi rozkład temperatur całego
elementu konstrukcyjnego i reakcję polimerową. Kluczowym elementem tego
układu jest jednostka „masterbox“ z dy-
Największy na świecie autoklaw badawczy może przyjąć elementy o długości 20 m.
Naukowcy z DLR „okablowują“ do badań element umieszczony w
autoklawie.
Rzut oka na stację sprężarek wysokiego
ciśnienia.
Automatyczną linię układania włókien węglowych obsługują roboty
namicznym systemem sterowania autoklawem dostosowanym do stanu danego elementu konstrukcyjnego. Moduł
symulacyjny „Autoklaw wirtualny“ jest
modelem odtwarzającym w realistyczny sposób przebieg procesu. Model ten
umożliwia równolegle do przebiegu procesu obliczenie skutków ewentualnego
odstępstwa od planowanego przebiegu
procesu, przeciwdziałając w ten sposób
inercji instalacji autoklawu. Pozwala to
na skrócenie czasu realizacji poszczególnych cykli i zmniejszenie zapotrzebowania na energię.
Kontrola końcowa
objętościowych elementów
konstrukcyjnych
Roczna produkcja elementów konstrukcyjnych z kompozytów wzmacnianych
włóknem węglowym (CFK) na poziomie
do 100.000 sztuk wymaga krótkiego
czasu realizacji procesu, automatycznej
obróbki podzespołów, zaprojektowania
właściwego materiału i odpowiedniej
technologii. W tym celu przy pomocy
wielofunkcyjnej platformy technologicz-
nej symulowane są praktyczne aplikacje w zakresie automatyzacji i skalowania elementów konstrukcyjnych. Celem
jest uzyskanie w pełni automatycznego
łańcucha produkcji kompleksowych
kompozytowych elementów konstrukcyjnych oraz obniżenie kosztów produkcji poprzez automatyzację i skrócenie
czasu realizacji procesu. Elastyczna
platforma produkcji umożliwia przeprowadzenie badania różnych typów elementów konstrukcyjnych, na przykład
płaskich elementów konstrukcyjnych 3D
o kompleksowej strukturze lub zakrzywionych i profilowanych dźwigarów prętowych, wymaganych między innymi w
branży samochodowej.
Sprężone powietrze i azot dla
„szybkowara“
Nowy autoklaw doświadczalny o długości 20 m i średnicy 5,80 m (długość
zewnętrzna 27 m, średnica zewnętrzna
6,50 m) jest naprawdę imponujący. Rura
waży 165 ton a szczelna „pokrywa” dodatkowo 16 ton. Autoklaw jest piecem,
w którym pod wpływem działania wyso-
Po długiej drodze wodą i lądem autoklaw dotarł na miejsce.
8
Report 1/13 – www.kaeser.com
kiej temperatury i dużego ciśnienia następuje połączenie materiałów, a więc
rzeczywiście przypomina szybkowar.
Można w nim wykonać i przeanalizować
elementy konstrukcyjne kadłuba samolotu, skrzydła lub usterzenia pionowe.
Autoklaw badawczy pracuje w temperaturze 420°C, a maksymalne ciśnienie robocze gazu ochronnego wynosi
10 bar. Jako gaz ochronny stosowany
jest azot w celu uniknięcia zapalenia
się przedmiotów w gorącym autoklawie. Wytwarzanie azotu jest jednym z
głównych zadań dwustopniowej stacji
sprężarek zainstalowanej przez firmę
Kaeser Kompressoren. Dwie sprężarki
śrubowe typu CSD 125 SFC (75 kW,
o regulowanej liczbie obrotów) zasilają
naprzemiennie sieć sprężonego powietrza pod ciśnieniem 9,5 bar lub trzy
dodatkowe sprężarki tłokowe (N 502-G
9,5/35 bar). Powietrze sprężone pod ciśnieniem 9,5 bar po osuszeniu w energooszczędnym osuszaczu chłodniczym
(TF 251) i oczyszczeniu w układzie łączącym mikrofiltr z węglem aktywnym
służy do obsługi używanych do transportu poduszek powietrznych wykorzystywanych do doprowadzania materiału
do „pieca”. Transportują one ładunki o
masie do 70 ton i są sterowane falami
radiowymi z dokładnością do jednego
milimetra.
Płynące „do góry” sprężone powietrze
zostaje najpierw osuszone w osuszaczu
adsorpcyjnym (DC 169 E) a następnie
doprężone do 35 bar. Dwa kolejne osuszacze chłodnicze (THP 142-45) i dwa
układy oczyszczające łączące mikrofiltr
z węglem aktywnym zapewniają, że do
generatora azotu dopływa tylko osuszone i bardzo czyste sprężone powietrze,
gdzie jest ono rozkładane na azot i tlen.
Azot gromadzony jest następnie pod
ciśnieniem ponad 30 bar w dwóch stojących na zewnątrz dużych zbiornikach
ciśnieniowych, każdy o pojemności 200
metrów sześciennych.
Podróż statkiem i ciężkim
transporterem
Przed montażem w Stade autoklaw musiał jeszcze odbyć „małą podróż”. Z zakładu w miejscowości Coesfeld w rejencji Münster przewieziono go nocą do
portu śródlądowego w Coesfeld, gdzie
wraz z pokrywą został załadowany na
statek. Na pokładzie statku autoklaw
odbył podróż kanałem Dortmund-Ems i
Renem do zatoki Ijsselmeer w Holandii,
a następnie rzeką Ems, Wezerą, Kanałem Śródlądowym i Łabą do Stade. Po
przeładowaniu na ciężki transporter dyrekcja dróg musiała jeszcze odpowiednio przestawić sygnalizację świetlną i
zdemontować niektóre znaki drogowe.
Ostatnia przeszkoda – specjalnie w tym
celu wyłączona z ruchu autostrada A26
– została pokonana pewnej letniej niedzieli.
Autor: Klaus Dieter Bätz
Kontakt: [email protected]
Report 1/13 – www.kaeser.com
9