I. Projectachtergrond en apparatuurspecificaties

Deze casestudy betreft een volautomatische intelligente ionennitreeroven, model WDL-IV-30A, die gebruik maakt van een verticale structuur met één stolp en één station. De apparatuur kan ionennitreren en zacht ionennitreren van titaniumlegeringen, gelegeerd staal, vormstaal en roestvrij staal.

De effectieve werkzone van het ovenlichaam heeft een diameter van 300 mm en een hoogte van 400 mm, met een maximaal laadvermogen van 100 kg. Het gebruikelijke bedrijfstemperatuurbereik is 500 tot 600 °C, met een maximale bedrijfstemperatuur van 650 °C. De graad van het ultieme vacuüm is niet groter dan 6,7 Pa, de snelheid van de drukstijging is niet groter dan 5 Pa/u, en de tijd die nodig is om van atmosferische druk naar het ultieme vacuüm te pompen, bedraagt ​​niet meer dan 30 minuten. De stijging van de oppervlaktetemperatuur van de ovenmantel overschrijdt niet de 55°C.

In de modelaanduiding vertegenwoordigt IV het digitale besturingssysteem van de vierde generatie, vertegenwoordigt 30 de maximale gemiddelde stroom van de pulsvoeding bij 30 ampère, en vertegenwoordigt A het volautomatische intelligente type.

II. Fysische beperkingen van het ionennitreerproces

Ionennitreren wordt uitgevoerd in een gasontladingsomgeving onder lage druk, en de volt-ampère-karakteristiek is niet-lineair. Ionennitreren van metalen materialen werkt doorgaans in het "abnormale ontladings"-segment van de volt-ampère-karakteristiek, en het bovengrenspunt G van dit segment is een gevaarlijk buigpunt. Gasontlading, als stroombron, presenteert een belasting met negatieve weerstandseigenschappen. Het werkstuk, dat als kathode fungeert, heeft door zijn oppervlaktevorm en de omringende omgeving (stapeling van het werkstuk) beide invloed op de oppervlaktestroomdichtheid.

Deze fysieke kenmerken bepalen dat de ionenvoeding drie technische problemen moet overwinnen. De eerste is boogontlading: wanneer het werkstukoppervlak niet schoon is, kan zich gemakkelijk een niet-geleidende oliefilm vormen. Wanneer lading zich tot op zekere hoogte ophoopt op het oppervlak, wordt deze afgebroken en vormt een kortstondige ontlading met hoge stroomsterkte, waardoor hoogenergetische vonken ontstaan. Als het niet snel wordt afgesneden, kan dit stroomuitval en schade aan het werkstuk veroorzaken. Het tweede is het holle kathode-effect: wanneer werkstukken gaten of sleuven, openingen tussen werkstukken of ongelijkmatige bochten hebben, treedt er bij bepaalde gasdrukken een kritische toestand van glimontladingsoverlap op. Dit manifesteert zich als een ongelijkmatige helderheid van de glimontlading over het werkstukoppervlak, wat overeenkomt met een ongelijkmatige oppervlaktestroomdichtheid, waardoor een ongelijkmatige temperatuurverdeling ontstaat. De derde is de koppelingsrelatie tussen stroomdichtheid en gasdruk: gasdruk beïnvloedt de dikte van de gloei, wat op zijn beurt de stroomdichtheid beïnvloedt - hogere druk produceert een dunnere gloed, wat gunstig is voor de temperatuuruniformiteit; Wanneer de druk echter hoog genoeg is om alle groef- en gatoppervlakken gelijkmatig te bedekken, zal de stroom aanzienlijk groter zijn dan het vermogen dat nodig is voor de isolatie van het werkstuk.

III. Technische responslogica van de pulsvoeding

De pulsvoeding die voor deze apparatuur is geconfigureerd, heeft een uitgangsfrequentie van 20.000 Hz, een blokgolfuitgangsgolfvorm, een uitgangsspanning die continu instelbaar is van 0 tot 900 V zonder plotselinge sprong boven 200 V, een werkcyclus die continu instelbaar is binnen het bereik van 10% tot 85%, een maximale gemiddelde pulsuitgangsstroom van 30 A en een boogdooftijd van niet meer dan 2 μs.

De duty-cycle wordt gedefinieerd als de verhouding tussen de aan-tijd en de pulsperiode. Het gemiddelde verwarmingsvermogen is gelijk aan de piekspanning vermenigvuldigd met stroom en vervolgens vermenigvuldigd met de inschakelduur. De introductie van een instelbare duty-cycle in de pulsvoeding lost effectief de tegenstelling op tussen het gemiddelde verwarmingsvermogen en de drempelvoorwaarden die nodig zijn voor de verwerking van werkstukken. De essentie van deze tegenstrijdigheid is dat, om te voldoen aan de stroomdichtheid die nodig is voor een uniforme gloeidekking, het verwarmingsvermogen groter kan zijn dan het vermogen dat nodig is om de temperatuur van het werkstuk op peil te houden, en door aanpassing van de duty-cycle kunnen deze twee worden ontkoppeld.

Snelle boogdoving wordt bereikt door gebruik te maken van het principe van elektromagnetische inductie in het ontladingscircuit om het boogsignaal snel te detecteren (met vrijwel geen vertraging), en vervolgens onmiddellijk de snelle elektronische schakelaar van het hoofdstroomcircuit te regelen via snelle digitale logische apparaten, waardoor de boog binnen 2 μs wordt gedoofd.

De toepassing van de pulsvoeding levert ook verschillende proceseffecten op: de absolute uitschakeltijd van de puls is relatief kort, en nadat de stroom wordt uitgeschakeld, daalt de concentratie van geladen deeltjes niet onmiddellijk naar nul, maar neemt deze langzaam af. Voordat deze aanzienlijk is afgenomen, arriveert de volgende puls, wat resulteert in een hogere gemiddelde elektronenconcentratie en een hogere ionisatiesnelheid; het holle kathode-effect wordt effectief onderdrukt; en omdat de pulsvoeding het aanpassingsbereik van de nitreerprocesparameters vergroot, waarbij elke parameter onafhankelijk instelbaar is, kan deze de uniformiteit van de gloeidekking op werkstukken met complexe oppervlaktevormen verbeteren, waardoor de kwaliteit van de infiltratielaag en de gladheid van het oppervlak worden verbeterd.

IV. Gesloten regelsysteem met drie parameters

Het besturingssysteem maakt gebruik van een programmeerbare logische controller en een aanraakscherm als hoofdcontrolecentrum. De PLC is een eenheid uit de FX3G-serie met een programmageheugencapaciteit van 32K stappen, een basisinstructieverwerkingssnelheid van 0,21 μs en twee snelle communicatie-interfaces (RS422 en USB). Het aanraakscherm is een 12-inch TFT LCD-scherm met een resolutie van 1920×1080, vierdraads resistieve aanraking, een hoofdfrequentie van 1 GHz en vooraf geïnstalleerde McgsPro-configuratiesoftware.

Het systeem maakt gebruik van een volledig digitale architectuur voor multi-task, gecentraliseerd beheer en gedistribueerde controle, die in staat is om gelijktijdig een gesloten lusregeling van drie belangrijke parameters bij ionennitreren te bereiken: een nauwkeurigheid van de temperatuurregeling van ±1°C, een nauwkeurigheid van de drukregeling van ±1 Pa en een nauwkeurigheid van de stroomregeling van ±0,5%.

De temperatuurregeling maakt gebruik van Japanse Shimaden SRS13-serie digitale controllers met PID-regeling, die een temperatuurregelingssysteem met gesloten lus vormen met het temperatuurregelcircuit en een thermokoppel. Bij de drukregeling wordt ook gebruik gemaakt van Shimaden SRS13 digitale controllers, die een druk-gesloten regelsysteem vormen met een frequentieomvormer en druksensor. De stroomregeling is geconfigureerd met één speciale massastroommeter om de gasstroom te regelen.

Het druk-gesloten-lusimplementatiepad is als volgt: de druktransmitter meet de ovendruk en stuurt een standaard stroomsignaal naar de digitale controller. De controller voert PID-berekeningen uit op basis van de ingestelde drukwaarde en real-time bemonsterde waarden, en stuurt vervolgens een standaard stroomsignaal naar de frequentieomvormer. Door het motortoerental van de vacuümpomp aan te passen, wordt de pompsnelheid aangepast, waardoor de ovendruk constant blijft op de ingestelde proceswaarde. Deze regelmethode bereikt een nauwkeurigheid van ±1 Pa, terwijl het gecombineerde gebruik van de vacuümpomp en frequentieomvormer de mechanische slijtage van het pomplichaam tijdens het opstarten aanzienlijk vermindert, en langdurig werken op lage snelheid de levensduur aanzienlijk kan verlengen.

De stroomregeling maakt gebruik van Japanse massastroommeters uit de HORIBA S500-serie, met een responstijd van minder dan 0,3 ±2% seconde van volledig gesloten toestand tot het bereiken van het instelpunt wanneer de regeling begint en wanneer het instelpunt tijdens de regeling wordt gewijzigd. Het regelbereik beslaat 1 tot 100% van de volledige schaal en werkt vanuit een enkele universele DC24V-voeding, waarbij het interne stroomcircuit geïsoleerd is van de ingangs- en uitgangscircuits.

V. Structurele kenmerken van het ovenlichaamsysteem

Het ovenlichaam heeft een verticale stolpstructuur, bestaande uit twee delen: de bel en de basis. De belcilinder heeft een watergekoelde dubbelwandige structuur en een meerkanaals waterkoelsysteem om de uniformiteit van de oventemperatuur te garanderen. Er zijn zes lagen roestvrijstalen 310S-hitteschilden in de cilinder geïnstalleerd, en twee lagen roestvrijstalen hitteschilden zijn op het bovenste deel van de ovenbasis geïnstalleerd, waardoor langdurige werking bij hoge temperaturen en aanzienlijke energiebesparingen mogelijk zijn. In de isolatielaag nabij de ovenwand wordt een laag aluminiumsilicaat-isolatiekatoen met een dikte van 20 mm toegevoegd.

De kathodeplaat wordt op de ovenbasis ondersteund door drie sets hoogwaardig gegoten mica, met verstelbare hoogte. De kathodeplaat is gemaakt van 310S roestvast stalen plaat met een dikte van maar liefst 30 mm; Het materiaalbakbevestigingsframe dat contact maakt met het werkstuk is ook gemaakt van 310S roestvrij staal. Het kathodeverbindingsapparaat is ontworpen als een starre verbinding om oververhittingsproblemen veroorzaakt door losse snelkoppelingen te voorkomen.

Twee thermokoppels worden vanuit de bodemplaat van de oven ingebracht en in het midden van de kathodeplaat geplaatst om de temperatuurmeetkop te simuleren. Eén wordt gebruikt voor temperatuurregeling door de ionenverwarmingspulsvoeding, en de andere is aangesloten op het alarminstrument voor multidirectionele temperatuurbewaking. Het midden van de basis heeft een vacuümextractiepoort en een kathode-inlaat, verbonden door flenzen, dikwandige roestvrijstalen buizen en roestvrijstalen balgen, met afdichting door hittebestendige fluorrubberafdichtringen.

VI. Vacuüm- en gassystemen

Het vacuümsysteem wordt gebruikt voor het voorzuigen van het ovenlichaam en voor het vervangen van de atmosfeer en het afvoeren van uitlaatgassen tijdens het nitreren. Het systeem is uitgerust met één 2X15 draaischuifpomp als vacuümunit. De pompset bestaat uit een elektromagnetische vacuümpomp met opblaasventiel en een hoogvacuüm vlinderklep. De roterende schottenpomp is een eenheid uit de Guangdong Xunda 2X-serie, bestand tegen procesgascorrosie, bestuurd door een frequentieomvormer en uitgerust met een GI-50 hoogvacuüm vlinderklep als hoofdregelklep.

Vacuümmetingen maken gebruik van een capacitieve membraan-absolutedruktransmitter van het type ZJ-1C. Deze vacuümmeter wordt niet beïnvloed door het type en de samenstelling van het gemeten medium en zorgt voor nauwkeurige en betrouwbare metingen, waarbij de gemeten waarde wordt weergegeven door een digitaal display-instrument en deelneemt aan de ovendrukregeling.

Het gasdistributiesysteem wordt gebruikt om de introductie van procesgas in de oven te regelen, bestaande uit een gasbron, debietmeter en bijbehorende pijpleidingen. Procesgassen (zoals ammoniak) worden door de gebruiker geleverd, passeren een massastroommeter en worden vervolgens in het ovenlichaam geïntroduceerd via een speciale mengtank volgens de procesformule. Gasleidingen zijn gemaakt van roestvrij staal, waarbij elke gasleiding is uitgerust met een drukreduceerventiel, handmatige afsluiter, filter, manometer en magneetventiel.

VII. Koelwatersysteem

Het koelwatersysteem maakt gebruik van een circulerende koelmethode, waarbij de waterbron wordt geleverd door de koeltoren en de waterpomp (verantwoordelijkheid van de koper). Koelwatervereisten: inlaatwatertemperatuur niet hoger dan 31°C, inlaatwaterdruk van 0,15 tot 0,25 MPa en totaal debiet van 20 m³/u. Elke koelwatertak is uitgerust met aparte inlaat- en uitlaatkleppen voor individuele aanpassing van het debiet. Alle koelwaterleidingen, kleppen en fittingen die aan de apparatuur zijn bevestigd, zijn gemaakt van roestvrij staal.

Er is een elektrische contactmanometer op de hoofdinlaatleiding geïnstalleerd voor alarmering in geval van abnormale inlaatdruk, en het besturingssysteem zal overeenkomstige beschermende maatregelen nemen. Er is een back-up waterinlaatklep geïnstalleerd bij de hoofdwaterinlaatleiding, aangesloten op de kraanwaterleiding van de gebruiker. In het geval van een onverwachte stroomstoring of waterstoring kan het ovenlichaam worden gekoeld met leidingwater.

VIII. Veiligheidsvergrendeling en alarmlogica

Het systeem beschikt over alarmfuncties voor te hoge temperatuur, overdruk, schade aan thermokoppels, watertekort en faseverlies, met zowel hoorbare als visuele alarmen en besturingsinterface-alarmen, waarbij overeenkomstige beschermende maatregelen worden genomen, zoals het verbieden van inschakelen, het verbieden van verwarming, het uitschakelen of hervatten van de verwarming afhankelijk van specifieke problemen.

Het besturingssysteem kan een zelfdiagnose van apparatuurfouten uitvoeren, waardoor gebruikers de overeenkomstige foutpunten moeten controleren en repareren. Wanneer er een storing optreedt, sluit het systeem automatisch alle kranen. Het vacuümsysteem heeft sequentiële start- en stopfuncties, uitgerust met een compleet vergrendelings- en wederzijds vergrendelingsmechanisme, waarbij alle kleppen van het uitschakel-type zijn.