AI a LPC

Od května 2024 je v běhu nový dotační program na úspory energií, a já jsem očekával, že se spustí investiční boom v kalírnách, směřovaný právě na tuto oblast. A protože převážná část tepelného zpracování se odehrává právě na pecích s velkou spotřebou energií, tak jsem se domníval, že přichází nové období s cíleným updatem pecí i technologií s cílem vyhovět EU politice FIT 55. Kupodivu, doposud se tak nestalo.

Protože ale zastupuji ECM, pomalu se už stávám expertem na ekonomiku cementace za sníženého tlaku včetně nutnosti odpovídat na související otázky.

• Má LPC nějaké výhody?
• Co vlastně ušetříme, když si koupíme pec s LPC, a přitom převážná část naší činnosti je v oblasti kalení a popouštění?
• Na stávajícím zařízení realizujeme velké množství technologií, nejenom cementaci, jsou tyto technologie převoditelné do vakuové pece vybavené LPC?
• A můžeme kalit v proudu dusíku a nebo musíme i nadále kalit do oleje?

A protože jsem si nechtěl vymýšlet, nebo taky že nevěřím už ani sám sobě, tak jsem se zeptal AI. Tady je odpověď. Kurzivou jsou návrhy AI, normálním písmem pak můj komentář. Občas si ale připadám jako v Saturninovi, kancelář na uvádění věcí na pravou míru.

Otázka byla: Cementace za sníženého tlaku, lze touto technologií nahradit klasické víceúčelové pece, a jak to vychází ekonomicky když porovnám zcela stejné velikosti pece?

Odpověď:

AI: Pokud porovnáme vakuovou cementaci a klasickou cementaci v atmosférické peci stejné velikosti, rozdíly se více zaměří na provozní charakteristiky, výkonnost, kvalitu povrchu a efektivitu než na samotnou kapacitu. Zde jsou klíčové faktory, které je třeba vzít v úvahu při srovnání pecí stejné velikosti:

1. Kvalita povrchu a přesnost:

• Vakuová pec: Díky vakuovému prostředí je proces cementace čistší a povrch dílů má méně oxidace či kontaminace. Tento proces je obzvláště vhodný pro díly, kde je důležitá povrchová úprava a přesnost. Riziko nehomogenit nebo nerovnoměrného uložení uhlíku je minimalizováno.
• Atmosférická pec: Při cementaci v atmosféře dochází k určité oxidaci povrchu a může vznikat uhlíková vrstva, která vyžaduje následné opracování (např. broušení nebo leštění), což není nutné u vakuové cementace.

[Zdroj ECM]

JST: Ano, tady se AI nemýlí. LPC pracuje bez přítomnosti kyslíku, a proto intergranulární oxidace v tomto procesu neexistuje nebo je zcela minimální. Údaj dle ISO 15787:2016, IOD (Internal Oxydation Depth) v případě LPC není nutno předepisovat. AI má pravdu i v čistotě povrchu. Ten je oproti klasické cementaci naprosto dokonalý.

2. Rychlost a efektivita procesu:

• Vakuová pec: Proces vakuové cementace může být rychlejší díky rovnoměrnějšímu přenosu tepla v nízkotlakém prostředí a efektivnější kontrole difuze uhlíku. Navíc dochází k minimalizaci deformací a pnutí, což zkracuje čas potřebný pro další opracování.
• Atmosférická pec: Proces cementace může být pomalejší, zejména kvůli nutnosti kontrolovat složení a proudění atmosféry. Doba cyklu může být delší, protože je třeba věnovat více času na následné procesy, jako je chlazení nebo opracování povrchu.

JST: Ano, rychlost přenosu uhlíku z atmosféry a jeho následná difuze do oceli probíhají u vakuové technologie podstatně rychleji než klasické cementace. Část tohoto příspěvku je dána tím, že pracujeme v čistém prostředí, část ale i tím, že můžeme jít na vyšší teploty, které difuzi významně urychlují. U klasických pecí jsme omezeni teplotou 950 °C, u LPC pak jsme obvykle omezení teplotou 1050 °C. To ale jen teoreticky. Musíme mít stále na paměti velikost austenitického zrna a jeho nepřiměřený růst.

[Zdroj ECM]

V tabulce je návrh proces pro vsázku o hmotnosti 1 500 kg, s požadavkem CHD 1,5 mm, a porovnání časů pro ohřev, cementaci, přichlazení pod A_c1, ohřev na kalící teplotu a kalení. Stávající proces cementace se provádí při teplotě 920 °C, nově navrhovaný na 960 °C. Jedná se o materiál 18CrNiMo7-6. Procesní čase lze zkrátit o více jak 30%. Důsledkem takto zkrácených časů procesů je pak i nižší investice, protože pro stejný objem výroby bude nižší nárok na kapacity, a tedy i počet pecí.

[Zdroj ECM]

V druhé tabulce je stejné zadání, ale pro CHD 3,0 mm. Úspora času je již 46%.

Argumentace AI u klasické cementace (“ pomalejší, zejména kvůli nutnosti kontrolovat složení a proudění atmosféry”, “je třeba věnovat více času na následné procesy” ) je mírně zavádějící. Tady asi AI někdo něco chybně naučil.

Pokud se týká deformací, ano u LPC mohou být nižší, ale pouze pokud kalíme v proudu plynu. Pokud budeme kalit do oleje, podmínky jsou podobné jako u klasické cementace a v tom případě i deformace budou podobné

3. Kontrola procesu:

• Vakuová pec: Vakuové pece umožňují velmi přesné řízení množství uhlíku, tlaku a teploty. To vede k homogennějším výsledkům a vyšší kvalitě zpracování materiálu. Proces je méně náchylný k poruchám způsobeným změnami v atmosférickém složení.
• Atmosférická pec: Klasické víceúčelové pece  používají kontrolované atmosféry, ale přesnost řízení uhlíku a dalších prvků je méně dokonalá než ve vakuu. Navíc může být atmosféra ovlivněna únikem plynů nebo fluktuacemi v přívodu plynu.

JST: Ani tady se AI nevytáhnula. U LPC se dnes, až na výjimky, používá jako nauhličující plyn jen acetylen. Dřívější snahy o použití jiných plynů nebo směsí byly vázány na platné patenty. Použitím acetylénu se problém zjednodušil v tom, že máme na peci jen dva hmotové průtokoměry, jeden pro C2H2 a druhý pro dusík,  s povinností kalibrace 1x za rok. Pro vlastní cementaci se doporučuje se acetylen rozpuštěný v DMF. (DiMethylFormamid je organická sloučenina se vzorcem HCON(CH₃)₂ dobře rozpouštějící acetylen).

Protože ale cementujeme za velmi nízkých tlaků, do 10 mbar, lze obtížně ve vakuové peci měřit jeho výsledný efekt ve formě Cp. Tedy uhlíkový potenciál, respektive parciální tlaku uhlíku. I když to měřit lze, např. s quadrupolovým hmotovým spektrometrem, nebo s měrkou OPTIX od firmy GENCOA, v obou případech se jedná o velmi drahé vybavení.

Proto v případě LPC se používá metoda výpočtové simulace, kdy nepočítáme Cp,  ale proud uhlíku vztažený na plochu dílů v mg/cm2. Aby to v praxi správně fungovalo, musíme znát plochu vsázky. Pokud tok uhlíku přeženeme, v peci se nám budou tvořit saze. Pokud uhlíkový tok bude nižší než potřebný tok pro danou plochu vsázky, nedocílíme dostatečného nasycení povrchu. Každý dodavatel pecí s LPC má proto simulační software, kde si proces nasimulujeme na základě svých parametrů a plochy vsázky, a on nám vypočítá velikost průtoku acetylénu na hmotovém průtokoměru.

[Zdroj ECM]

U klasické cementace existují 4 metody, jak řídit Cp. Kyslíková sonda, měření rosného bodu, infra analyzátor plynů a fóliová metoda. Podle CQI-9 je povinnost mít supervizní měření Cp. Optimální řešení je s duplicitní sondou, kdy každá sonda se kalibruje v intervalu 6 měsíců, s tříměsíčním překryvem. ISO 20431 nám říká, že potenciál musíme ověřovat 2x týdně, CQI-9 pak denně. Proto u klasické cementace budou nároky na validaci Cp násobně vyšší jak u LPC. U LPC k tomu navíc nepotřebujeme kvalifikované osoby.

4. Provozní náklady:

• Vakuová pec: Vyšší investiční náklady mohou být kompenzovány nižšími provozními náklady v dlouhodobém horizontu (nižší spotřeba plynů, menší nutnost čištění dílů po procesu).
• Atmosférická pec: Nižší pořizovací cena, ale vyšší provozní náklady kvůli nákladům na atmosféru (např. plynné uhlovodíky, dusík) a na údržbu pece, například na čištění od uhlíkových usazenin nebo oxidů.

JST: V této otázce AI se sice nemýlí, ale s výkladem souhlasit úplně nemohu. Vyšší investiční náklady budou platné jen tehdy, pokud nevezmu v úvahu ekonomickou výhodnost LPC. Tedy rychlejší difuze, vyšší teploty. Pokud pro klasickou cementaci budu potřebovat pece 3, při instalaci LPC se to může smrsknout jen na dvě. Je tedy potřeba detailní ekonomická analýza. Příklad na následujícím obrázku. Pro sortiment výroby s převažující cementací jsou potřeba 3 nové pece Ipsen Atlas M, ale jen dvě pecce typu ECM Eco966 nebo Flex se dvěma topnými komorami. Výsledek je zřejmý, klasická cementace bude nejdražší investiční řešení.

U vyšších provozních i udržovacích nákladů je situace ještě jasnější. Jednoznačně lépe vychází LPC a vakuum oproti klasické technologii. Jeden z příkladů jsou např. náklady na validaci pecí ve výše uvedené sestavě. Tedy 2 nebo 3 cementační pece či komory, 4 pece popouštěcí a 1 pračka. Nejdražší je sice stávající stav, ale to je pochopitelné, jedná se o pece 30 let staré. Pokud ale vezmu Ipsen Atlas M jako základ, pak jen tento udržovací úkon mi dokáže ušetřit 40% nákladů.

5. Spotřeba energie:

• Vakuová pec: Vyšší počáteční energetické náklady: Vakuové pece vyžadují energii na vytvoření a udržení vakua, což může být energeticky náročné, zejména při zapínání a stabilizaci vakuového systému. Nižší provozní spotřeba energie: Jakmile je vakuum dosaženo, pec spotřebovává méně energie díky absenci plynných atmosfér a efektivnějšímu přenosu tepla. Tepelný přenos ve vakuu je řízen s větší účinností, což znamená, že menší část energie se ztrácí do okolí. Vakuové pece také využívají řízené chlazení (např. inertní plyn), které je energeticky úspornější než tradiční atmosférické metody.  Menší nároky na chlazení: Proces chlazení v inertním plynu je účinnější a méně energeticky náročný než chlazení v kapalných prostředích používané v atmosférických pecích.

• Atmosférická pec: Vyšší celková energetická spotřeba: Pro udržení kontrolované atmosféry (uhlík, dusík, případně další plyny) je potřeba kontinuálně přidávat plyny a udržovat jejich přesné složení. To znamená, že atmosférické pece mají často vyšší průběžnou energetickou spotřebu. Vyšší ztráty tepla: V atmosférických pecích dochází k vyššímu úniku tepla, protože je třeba udržovat stabilní atmosféru a pec není tak dobře izolována od okolního prostředí jako vakuová pec. To zvyšuje energetickou spotřebu potřebnou k udržení teploty a atmosféry.

JST:  AI si to opět vykládá po svém. Netuším, co má na mysli vyjádřením o počátečních vyšších energetických nákladech. Ty budou v podstatě konstantní po celou dobu provozu pece, pokud bude správně udržovaná. V ostatních tvrzeních se ale k AI mohu přiklonit. Kalení v plynu bude asi méně energeticky náročné než kalení do oleje. Ne proto, že by kalící turbína nepotřebovala energii, ale protože olejovou lázeň musím trvale vytápět pro operační disponibilitu, a bude mít tedy velké udržovací náklady. Spotřeba plynů je samozřejmě rovněž neporovnatelná. Pokud ENDO plyn potřebujeme řádově v m3, u LPC se budeme pohybovat jak s C2H2, tak i N2 podstatně níže.

A takto bychom mohli pokračovat dále. AI má tedy své limity a mezery ve vzdělání. Je rovněž důležité, jak klademe otázky. Nabyl jsem ale dojmu, že jde spíše o to, že naší otázkou AI navádíme co má říkat, než aby nám skutečně sdělila svůj názor.

V letošním roce byla uvedena do život legislativa k AI, nařízení evropského parlamentu 2024/1689. Tady je potřeba vidět AI ve dvou rovinách. První rovinou jsou programy typu ChatGBT, softwarový produkt s charakterem znalostní databáze, mající svého majitele i zdroj informací. Tento systém je uzavřený. Poskytovatel musí zajistit, že ve smyslu směrnice není rizikový, nemusí již ale zajistit, že je inteligentní. Protože je uzavřený, poskytovatel ručí i za všechny budoucí změny, vedoucí ke zlepšování úrovně inteligence. Je to tedy takový velký Ottův naučný slovník.

Oproti tomu leží otevřené AI, kde lze uplatnit samoučící funkce, tyto typy AI ale nejsou veřejnosti přístupné. Důvodem je to, že nemohou zajistit, že samoučící schopnost nezavede systém mimo rámec rizik. Mohlo by se totiž stát, že se z AI stane agresivní jedinec, nebo jedinec, u které jeho lež je základním nástrojem.

To, co je nám tedy k dispozici, je tedy jen komerčně aplikovatelná, plně kontrolovatelná databáze vědomostí. A tak jediná jistota z mého pokusu komunikovat s AI je to, že obecně já i AI si myslíme, že LPC je dobrá věc. Já ale na rozdíl od AI, k tomu nepotřebuji nic víc než selský rozum.

Jiří Stanislav

21. září 2024