Kruhová nebo čtvercová kalící komora?

Diskuse, co je výhodnější, jestli kruhová komora nebo komora čtvercová, probíhají odjakživa. Co je ale zajímavé, i když jsem 20 let byl odpovědný za nákup pecí, nikdy žádný dodavatel pecí mi nepředložil smysluplnou analýzu, která by ukazovala na rozdíly, výhody nebo nevýhody jednotlivých variant. Tak jsem se do toho pustil sám. Modelový případ je na vložce formy na tlakové lití o rozměru 442*521*1905 mm, o hmotnosti ~3 400 kg. Budeme vycházet z předpokladu, že obě pece, kruhová i čtvercová, mají srovnatelný:

• instalovaný topný výkon,
• 10–15 bar N₂ kalící schopnost
• stejně výkonný výměník tepla dusík/voda
• obdobný maximální výkon kalící turbíny
• příčný užitný rozměr 1200xx1200 mm.

Aby se stejný rozměr vešel do kruhové komory, musí být průměr horké zóny minimálně dia 1697 mm. Teplosměnná plocha kruhové pece bude o 22% větší jak u čtvercové. Pro konstrukci pece to znamená, že čtvercová komora bude mít

• méně izolace,
• nižší ztráty
• menší tepelnou kapacitu,
• méně N₂,
• menší množství horkého plynu, který při kalení musí cirkulovat

Objem čtvercové topné zóny při délce 2 000 mm bude 2,88 m3, kruhové 4,52 m3. Co bude ale problémem, bude vzdálenost od topných prvků. Přenos tepla se počítá dle této rovnice:

Q_rad ​= σ*ε _eff  *A * F₁₂*​(T_h⁴​−T_p⁴​)

Kde:

• σ je Stefanova–Boltzmannova konstanta = 5,67 * 10⁻⁸ Wm⁻²K⁻⁴
• ε_eff je efektivní emisivita
• A plocha v m²
• F₁₂ – view factor, poměr osálání
• T_h – teplota topných prvků
• T_p – teplota povrchu tělesa

View Factor F₁₂ bude tedy mít významný vliv na rovnoměrnost ohřevu – viz obrázek č. 1.

Obr. č. 1 – Závislost F₁₂ na vzdálenosti od topných elementů, kde H je kolmá vzdálenost mezi topnou plochou a povrchem dílu a L charakteristický rozměr plochy, v našem příkladu 2000 mm

Čím je H/L menší, tím větší část vyzářené energie z jedné plochy přímo „vidí“ druhou plochu, tedy tím vyšší je i View factor. Pro velmi malou mezeru dvou stejně velkých rovnoběžných ploch poměr H/L se bude blížit nule a View Factor F₁₂ se bude blížit 1.

Naopak při velké vzdálenosti od topení poměr H/L stoupá a View Factor F₁₂ klesá. Pokud máme třírozměrný prostor, pak máme i 3 různé View Factors, H_x/L_x, H_y/L_y a H_z/L_z, a ty nám ovlivní účinnost ohřevu. Z tabulky je vidět, že např. při vzdálenosti od topení 300 mm nám ubude 25% radiačního tepelného toku. Pokud tuto vzdálenost máme na všechny strany dílu přibližně stejně, ohřev bude rovnoměrný, pokud tyto vzdálenosti budou různé, ohřev bude nerovnoměrný.

U čtvercové komory se k tomuto ideálu můžeme přiblížit, u kruhové komory nikdy. U kruhové komory je tedy negativním efektem to, že máme různé vzdálenosti od topení, s různými View Factor F₁₂, a tedy i celková účinnost radiace bude automaticky nižší. To se samozřejmě promítne i do spotřeby energie pro vytápění. Výsledek výpočtu je na této infografice. Za stejný cyklus kruhová komora bude mít spotřebu o 0,315 MWh vyšší, a čas procesu bude o 9,8% delší.

Obr. č. 2 – Porovnání rozdílů v ohřevu dílu ve čtvercové a kruhové komoře

 O 9,8% kratší cyklus ve čtvercové komoře znamená, že za rok mohu udělat o 35 cyklů více, a na každý cyklus ušetřím 12,6% energie.

Obr. č. 3 – Grafické znázornění rozdílů kalícího cyklu mezi čtvercovou a kruhovou komorou
Tabulka 1 – KPI ukazatele pro oba typ komor

Při počáteční ceně elektřiny 4 Kč/kWh a 2% ročním inflačním nárůstu ceny energie činí kumulativní 20letá úspora elektřiny přibližně 11,1 milionu Kč, tj. asi 0,44 milionu EUR. To už tedy má smysl o tom přemýšlet.

A jak je to s chlazením a deformacemi? Tady nás už nezajímá radiace, ale především odvod tepla, podle rovnice Q = h * A *(T_part​−T_gas​).  Koeficient konvekčního přestupu tepla h mezi plynem a dílem bude záviset na množství parametrů, především však na rychlosti plynu, tlaku N₂, směru proudění vůči povrchu, turbulenci, geometrii dílu a jeho pozici vůči proudu plynu.

U čtvercové i kruhové topné zóny je problém, že plyn proudí cestou nejmenšího odporu, místo aby proudil tam, kde potřebujeme odvádět teplo. Výsledkem mohou být rozdílné chladící rychlosti jednotlivých stěn, rozdílná martenzitické transformace, vyšší deformace, vyšší teplotní gradienty, nerovnoměrná tvrdost u velkých průřezů. U GIGA forem bude právě toto mnohem důležitější než rozdíl v energetické účinnosti. Jak vyplývá z grafu, i tato fáze bude u čtvercové komory efektivnější a čas chlazení se nám zkrátí o více jak hodinu, v přepočtu o 17%.

TAV Vacuum Furnaces pro tyto účely navrhnul čtvercovou komoru se systémem adaptivních klapek, který umožňuje přizpůsobit kalení geometrii součásti v peci. Obzvlášť u takto velkých dílů je toto velmi významné. Při výšce topné zóny 1200 mm je zřejmé, že ne vždy lze součást umístit do středu pece. V případě, že kalený díl bude umístěn na roštu, položeném přímo na podpěrách v dolní části komory, za normálních okolností by plyn proudil mimo vložku, opět cestou nejmenšího odporu. U řešení TAV existuje ale možnost použití adaptivních klapek, kdy si mohu určit, kudy bude plyn do komory vstupovat s ohledem na tvar a polohu dílu. Dokonce je možno jejich otvírání a polohu řídit na základě snímání teploty dílu vsázkovými termočlánky. Pokud by se vsázkovými termočlánky sledoval rozdíl teploty ΔT_TB = T_top −T_bottom, nebo ΔT_LR = T_left −T_right, podle tohoto rozdílu by bylo možno klapky otevírat, zavírat, řídit otáčky ventilátoru, nebo měnit tlak N₂, a tak adaptovat chlazení dílů přímo podle jejich geometrie. To samozřejmě lze realizovat pouze u čtvercové komory, ne však u kruhové.

Obr. č. 4 – Porovnání standardních řešení čtvercové a kruhové komory bez adaptivních klapek

Tím, co jsem uvedl samozřejmě neříkám, že kruhová komora není dobré řešení. Naopak. Pokud pec kupuji pro zakázkovou kalírnu, kde je velice různorodý sortiment, pak je to řešení velmi dobré. Pokud ale dopředu vím, jaký typ dílů, s jakou geometrií budu zpracovávat, a udělám si obdobnou analýzu, jednoznačné rozhodnutí bude pro čtvercovou komoru.

U čtvercové pracovní komory poskytuje horká zóna geometricky rovnoměrnější vztah mezi topnými tělesy a kaleným dílem. U velkých obdélníkových dílů forem podepřených základovým roštem čtvercová horká zóna dává bližší shodu mezi geometrií topné zóny a geometrií vsázky, což zlepšuje potenciál pro rovnoměrné sálavé vytápění i chlazení, u kruhové komory tuto shodu nelze najít.

A jaký je rozdíl mezi teoretickou rovnoměrností teploty pece podle AMS 2750 a její geometrií? Standardní TUS se měří v kvalifikované pracovní zóně na prázdné peci bez zátěže. Neříká ale nic o chování pece při zpracování konkrétního 3,4t GIGA bloku. Kruhová pec bude mít rovněž TUS +/- 5 C, stejně jako pracovní komora čtvercová, přesto ohřev skutečného nástroje v ní může být výrazně méně rovnoměrný. Proč? Protože po vložení velkého bloku blok zastíní topné prvky, změní poměr osálání, rošt zastíní spodní plochu, některé stěny dílu vidí topné elementy přímo, jiné přes odrazy a re-radiation.

To je přesně důvod, proč bychom pro takto náročnou aplikaci měli rozlišoval TUS podle AMS 2750,  a Load thermal uniformity, tedy skutečný stav na T_surface,top​,T_{surface,bottom​},T_surface,left​,T_{surface,right}​,T_core​ u referenční vsázky během skutečného procesu.

Z analýzy vyplývá ještě jedno zjištění. Podle Nadca-207 pro ochlazování musí platit kritérium dostat se z teploty austenitizace na 540°C za 18 min. Ani v jednom případě u bloku o charakteristickém rozměru 442 mm toho nedocílíme. O čtvercové komory to bude 25 mim, u kruhové 29 min. Je v tom problém? Pokud budeme trvat na H11/H13, pak ano. Pokud změníme materiál dílu na oceli typu Divear, DAIDO-GIGA nebo MT1 od Kind@Co, pak sice předpisu Nadca 207 nevyhovíme, metalurgicky ale dostaneme to, co potřebujeme.

A jaký tedy závěr můžeme udělat? To je vidět na tomto posledním obrázku.

=======================================================================================================
Are you solving a similar problem? I will help you with the analysis…
 40+ years of experience in the field
 30+ years of experience… HT-PROGRES, Bodycote, Galvamet
 cooperation… VŠB, Czechimplant, ECM Technologies, TAV Vacuum Furnaces, GHC Invest
 12+ years of expert activity
Want to ask for a solution or want a non-binding consultation? Click on this link, I will usually respond within 24 hours. Contact email
========================================================================================================
Jiří Stanislav, Ing. CSc.
Consultant and forensic expert
========================================================================================================

25/8/2026