I. Achtergrond van het project en specificaties van de apparatuur
Deze casestudy betreft een volledig automatische intelligente ionennitreeroven, model WDL-IV-75A, met een verticale enkele bel-jar enkele stationstructuur. De apparatuur is in staat tot ionennitreren en zacht ionennitreren van gelegeerd staal, matrijsstaal en roestvrij staal.
De effectieve werkzone van het ovenlichaam meet 600 mm in diameter en 800 mm in hoogte, met een maximale laadcapaciteit van 400 kg. Het gebruikelijke bedrijfstemperatuurbereik is 500 tot 600°C, met een maximale bedrijfstemperatuur van niet meer dan 650°C. De ultieme vacuümgraad is niet hoger dan 6,7 Pa, de drukverhogingssnelheid is niet hoger dan 5 Pa/h, en de tijd die nodig is om van atmosferische druk naar ultiem vacuüm te evacueren, bedraagt niet meer dan 30 minuten. De temperatuurstijging van het oppervlak van de ovenmantel bedraagt niet meer dan 55°C.
In de modelaanduiding staat IV voor het vierde generatie digitale controlesysteem, 75 staat voor de maximale gemiddelde stroom van de pulsvoeding van 75 ampère, en A staat voor het volledig automatische intelligente type.
II. Overeenkomstige relatie tussen grote kamer en voedingscapaciteit
Van het 30A-model tot het 75A-model neemt de maximale gemiddelde stroom van de pulsvoeding toe met een factor 1,5, terwijl het effectieve kamervolume toeneemt van ongeveer 28 liter tot ongeveer 226 liter, een factor van ongeveer 8. Deze niet-proportionele verandering onthult een ontwerpprincipe van ionennitreerapparatuur: de uitbreiding van het kamervolume vereist niet dat de voedingsstroom proportioneel met het volume toeneemt, omdat het verwarmingsvermogen voor ionennitreren voornamelijk afhankelijk is van het werkstukoppervlak en de vereiste stroomdichtheid, in plaats van het ruimtelijke kamervolume.
Het abnormale gloeiontladingsstroomdichtheidsbereik dat in het voorstel wordt gegeven, is 0,1 tot 5 mA/cm². Op basis van dit bereik, voor een werkstukcombinatie met een laadcapaciteit van 400 kg en een relatief groot oppervlak, biedt de maximale gemiddelde stroom van 75 A een duidelijke ontwerpmarge voor de bovengrens van het ondersteunbare werkstukoppervlak. Ondertussen is de uitgangsspanning van de pulsvoeding continu instelbaar van 0 tot 800 V zonder plotselinge sprongen boven 200 V, en de cyclische verhouding is continu instelbaar binnen het bereik van 10% tot 85%.
III. Aanpassingslogica van de cyclische verhouding van de pulsvoeding
Gasontlading, als energiebron, presenteert een belasting met negatieve weerstandskenmerken. Het werkstuk, dat als kathode fungeert, heeft zijn oppervlaktevorm en stapelmethode die beide de oppervlaktestroomdichtheid beïnvloeden. Ionennitreren heeft een minimale drempelvoorwaarde: om te voldoen aan de stroomdichtheid die nodig is voor uniforme gloeddekking, kan het verwarmingsvermogen het vermogen overschrijden dat nodig is om de werkstuktemperatuur te handhaven. Deze tegenstrijdigheid is met name prominent bij dunwandige, lichtgewicht werkstukken.
Nadat de pulsvoeding een instelbare cyclische verhouding introduceert, is het gemiddelde verwarmingsvermogen gelijk aan de piekspanning vermenigvuldigd met de stroom, vervolgens vermenigvuldigd met de cyclische verhouding. Door de cyclische verhouding te verlagen, kan het gemiddelde verwarmingsvermogen worden verlaagd met behoud van voldoende piekspanning om de gloeddekking te ondersteunen, waardoor de bovengenoemde tegenstrijdigheid wordt opgelost. Dit mechanisme is de kernreden waarom deze serie apparatuur tegelijkertijd zware werkstukken en dunne, lichtgewicht werkstukken kan verwerken.
Het implementatiepad voor snelle boogonderdrukking is als volgt: gebruikmakend van het principe van elektromagnetische inductie in het ontladingscircuit om het boogsignaal snel te detecteren, vervolgens onmiddellijk de hogesnelheidselektronische schakelaar van het hoofdcircuit te besturen via hogesnelheids digitale logische apparaten, waardoor de boog binnen 2 μs wordt gedoofd.
IV. Ontwerp van thermische isolatie en temperatuurgelijkmatigheid van het grote ovenlichaam
De belcilinder heeft een watergekoelde dubbelwandige structuur en een meerkanalig waterkoelsysteem om de temperatuurgelijkmatigheid van de oven te garanderen. De binnenste isolerende voering van de cilinder is gemaakt van roestvrij staal, terwijl de binnenste en buitenste cilindermuren zijn gemaakt van hoogwaardige koolstofstaalplaten.
Het ovenlichaam is uitgerust met twee lagen 304 roestvrijstalen hitteschilden, elk met een dikte van 2 mm, en twee lagen 304 roestvrijstalen hitteschilden zijn ook geïnstalleerd aan de bovenzijde van de ovenbodemplaat. Vergeleken met de configuratie met zes hitteschilden van de vorige casestudy, heeft dit model minder hitteschildlagen. Dit verschil is te wijten aan de verandering in de verhouding van kamervolume tot oppervlakte – een groot kamervolume heeft een relatief kleiner warmteafvoergebied, en het warmteverliespercentage neemt dienovereenkomstig af, dus het aantal isolatielagen kan passend worden verminderd met behoud van langdurige bedrijfstemperatuur op hoge temperatuur.
De kathodeplaat wordt op de ovenbasis ondersteund door drie sets hoogwaardige gegoten mica, met verstelbare hoogte. De kathodeplaat is gemaakt van koolstofstaalplaat met een dikte van niet minder dan 30 mm; het materiaalrekframe dat in contact staat met het werkstuk is ook gemaakt van hoogwaardig koolstofstaal. Het kathodeverbindingsapparaat is ontworpen als een stijve verbinding om oververhittingproblemen als gevolg van losse snelkoppelingen te voorkomen. De kathodestructuur omvat kathode PTFE-isolatie, kathode-isolerende mica, kathodegeleiderverbindingsbus, kathodeverbindingsfitting en M10-studbout vaste verbindingskabelklem.
Twee thermocouples worden geïntroduceerd vanaf de ovenbodemplaat en gepositioneerd in het midden van de kathodeplaat om de temperatuurmeetkop te simuleren. Eén wordt gebruikt voor temperatuurregeling door de ionenverwarmingspulsvoeding, en de andere is aangesloten op het alarminstrument voor multidirectionele temperatuurbewaking. Drie observatievensters zijn aangebracht aan de buitenomtrek van de ovenmantel voor multidirectionele observatie van de omstandigheden in de oven.
V. Vacuümsysteem en drukgesloten lusregeling
Het vacuümsysteem wordt gebruikt voor voorvacuüm van het ovenlichaam en voor atmosfeervervanging en uitlaatgasafvoer tijdens het nitreerproces. De pompset bestaat uit één 2X-15 rotatiepomp, één elektromagnetische vacuümpomp met een inflatieklep en één hogevacuüm vlinderklep. De rotatiepomp is een Guangdong Xunda 2X-serie unit, bestand tegen corrosie door procesgassen, geregeld door een frequentieomvormer, en uitgerust met een GI-50 hogevacuüm vlinderklep als hoofdregelklep.
Het principe van drukgesloten lusregeling is als volgt: de druksensor meet de oventemperatuur en geeft een standaard stroomsignaal af aan de digitale controller. De controller voert PID-berekeningen uit op basis van de ingestelde drujwaarde en realtime bemonsterde waarden, en geeft vervolgens een standaard stroomsignaal af aan de frequentieomvormer. Door de pompsnelheid van de vacuümpomp aan te passen, wordt de pompsnelheid aangepast, waardoor de oventemperatuur constant blijft op de ingestelde proceswaarde. Deze regelmethode bereikt een drukregelingsnauwkeurigheid van ±1 Pa. Het gecombineerde gebruik van de vacuümpomp en de frequentieomvormer vermindert de mechanische slijtage van het pomphuis aanzienlijk tijdens het opstarten, en langdurige werking op lage snelheid kan de levensduur aanzienlijk verlengen.
Vacuümmeting maakt gebruik van een ZJ-1C type capacitieve membraan absolute druksensor, met een bereik van 0 tot 1000 Pa, output van 4 tot 20 mA, en voeding van 15 tot 30 VDC. Deze vacuümmeter wordt niet beïnvloed door het type en de samenstelling van het gemeten medium, en de gemeten waarde wordt weergegeven door een digitaal display-instrument en neemt deel aan de oventemperatuurregeling.
VI. Gasdistributie en koelwatersystemen
Het gasdistributiesysteem wordt gebruikt om de introductie van procesgas in de oven te regelen. Gasbronnen omvatten stikstof, waterstof en andere procesgassen, geleverd door de gebruiker. De gassen passeren massadebietmeters en worden vervolgens via een speciale mengtank in het ovenlichaam geïntroduceerd volgens de procesformule. Dit model is uitgerust met twee speciale massadebietmeters, die de stikstof- en waterstofstroom afzonderlijk regelen – dit is het belangrijkste verschil met de configuratie met één debietmeter van het 30A-model, wat overeenkomt met de hogere eisen aan de precisie van de aanpassing van de atmosfeersamenstelling in een groot kamervolume.
De massadebietmeters zijn Japanse HORIBA S500-serie units, met een responstijd van minder dan 0,3 ±2% seconden van volledig gesloten toestand tot het bereiken van de ingestelde waarde wanneer de regeling begint en wanneer de ingestelde waarde wordt gewijzigd tijdens de regeling. Het regelbereik beslaat 1 tot 100% van de volledige schaal, werkend vanaf een enkele universele DC24V-voeding, met het interne voedingscircuit geïsoleerd van ingangs- en uitgangscircuits.
Vereisten voor koelwater: inlaattemperatuur niet hoger dan 31°C, inlaatwaterdruk van 0,15 tot 0,25 MPa, en totale doorstroming van 20 m³/h. Elke koelwateraftakking is voorzien van aparte inlaat- en uitlaatkleppen. Alle koelwaterleidingen, kleppen en fittingen die aan de apparatuur zijn bevestigd, zijn gemaakt van roestvrij staal. Een elektrische contactdrukmanometer is geïnstalleerd op de hoofd inlaatleiding voor alarmen bij abnormale inlaatdruk. Een reserve waterinlaatklep is geïnstalleerd op de hoofd waterinlaatleiding, aangesloten op de kraanwaterleiding van de gebruiker, zodat het ovenlichaam kan worden gekoeld met kraanwater in geval van een onverwachte stroomuitval of wateruitval.
VII. Drie-parameter gesloten lus architectuur van het controlesysteem
Het controlesysteem maakt gebruik van een FX3G-serie programmeerbare logische controller en een Kunlun Tongtai TPC1231Ni touchscreen als het centrale controlecentrum. De PLC heeft een programmageheugencapaciteit van 32K stappen, een basale instructieverwerkingssnelheid van 0,21 μs, en twee hogesnelheids communicatie-interfaces (RS422 en USB). Het touchscreen is een 12-inch TFT LCD met een resolutie van 1920×1080, vier-draads resistief touchscreen, een hoofd frequentie van 1 GHz, en vooraf geïnstalleerde McgsPro configuratiesoftware.
Het systeem maakt gebruik van een multi-task gecentraliseerd beheer en gedistribueerde controle volledig digitale architectuur, in staat om tegelijkertijd gesloten lusregeling van drie belangrijke parameters in ionennitreren te bereiken: temperatuurregelingsnauwkeurigheid van ±1°C, drukregelingsnauwkeurigheid van ±1 Pa, en flowregelingsnauwkeurigheid van ±0,5%.
Temperatuurregeling maakt gebruik van Japanse Shimaden SRS13-serie digitale controllers met PID-regeling, die een temperatuurgesloten lusregelsysteem vormen met het temperatuurregelcircuit en de thermocouple. Drukregeling maakt ook gebruik van Shimaden SRS13 digitale controllers, die een drukgesloten lusregelsysteem vormen met een frequentieomvormer en druksensor.
In de automatische bedrijfsmodus start het systeem automatisch de onderhoudspomp en de voorvacuümpomp, opent de baffleklep en de magneetklep om een vacuüm te trekken. Zodra het vacuüm de werkdruk voor gloeiontladingsactivering bereikt, worden de gloeiontladingsspanning en weerstandsondersteunde verwarming automatisch geactiveerd om het initiële werkstukboogvormings- en reinigingsproces uit te voeren. Na het einde van de boogvorming gaat het systeem automatisch naar de verwarmingsfase, waarbij automatisch de flow, druk, spanning, cyclische verhouding en stroom worden aangepast volgens de ontwerpstappen van de procescurve. Wanneer de temperatuur de procestemperatuur bereikt, gaat het systeem naar de temperatuuronderhoudsfase, waarbij het wordt gehandhaafd volgens de ingestelde procestijd. Na de houdperiode schakelt het systeem de vacuümpomp en alle kleppen op de extractieleiding uit. Zodra de oventemperatuur daalt tot de ingestelde temperatuur, worden alle schakelaars automatisch uitgeschakeld en gaat het systeem naar een stoptoestand.