I. Предыстория проекта и характеристики оборудования

В данном тематическом исследовании используется полностью автоматическая интеллектуальная печь ионного азотирования модели WDL-IV-30A, в которой используется вертикальная конструкция с одним колпаком и одной станцией. Оборудование предназначено для ионного и мягкого ионного азотирования титановых сплавов, легированных сталей, литейных сталей и нержавеющих сталей.

Эффективная рабочая зона корпуса печи имеет диаметр 300 мм и высоту 400 мм, максимальная загрузка 100 кг. Общий диапазон рабочих температур составляет от 500 до 600°C, максимальная рабочая температура составляет 650°C. Степень предельного вакуума не более 6,7 Па, скорость нарастания давления не более 5 Па/ч, время откачки от атмосферного давления до предельного вакуума не превышает 30 минут. Повышение температуры поверхности корпуса печи не превышает 55°С.

В обозначении модели IV обозначает цифровую систему управления четвертого поколения, 30 — максимальный средний ток импульсного источника питания при 30 амперах, а А — полностью автоматический интеллектуальный тип.

II. Физические ограничения процесса ионного азотирования

Ионное азотирование проводится в среде газового разряда низкого давления, его вольт-амперная характеристика имеет нелинейный характер. Ионное азотирование металлических материалов обычно происходит на участке «аномального разряда» вольт-амперной характеристики, и верхняя предельная точка G этого участка является опасной точкой перегиба. Газовый разряд как источник питания представляет собой нагрузку с отрицательными характеристиками сопротивления. Заготовка, действующая как катод, имеет форму поверхности и окружающую среду (укладку деталей), которые влияют на плотность поверхностного тока.

Эти физические характеристики определяют, что источник ионного питания должен преодолеть три технические трудности. Во-первых, это дуговой разряд: если поверхность детали грязная, может легко образоваться непроводящая масляная пленка. Когда заряд накапливается на поверхности в определенной степени, он разрушается и образует мгновенный сильноточный разряд, образуя искры высокой энергии. Если не отрезать быстро, это приведет к отключению электроэнергии и повреждению заготовки. Второй — эффект полого катода: когда в заготовках имеются отверстия или прорези, зазоры между заготовками или неровные изгибы, критическое состояние перекрытия тлеющего разряда возникает при определенных давлениях газа. Это проявляется в неравномерной яркости тлеющего разряда по поверхности детали, что соответствует неравномерной плотности поверхностного тока, что приводит к неравномерному распределению температуры. Третий — это взаимосвязь между плотностью тока и давлением газа: давление газа влияет на толщину свечения, что, в свою очередь, влияет на плотность тока — более высокое давление приводит к более тонкому свечению, что полезно для однородности температуры; однако, когда давление достаточно велико, чтобы равномерно покрыть все поверхности канавок и отверстий, ток значительно превысит мощность, необходимую для изоляции заготовки.

III. Логика технического реагирования импульсного источника питания

Импульсный источник питания, настроенный для данного оборудования, имеет выходную частоту 20 000 Гц, выходной сигнал прямоугольной формы, выходное напряжение плавно регулируется от 0 до 900 В без резких скачков выше 200 В, рабочий цикл плавно регулируется в диапазоне от 10 до 85 %, максимальный средний импульсный выходной ток 30 А и время гашения дуги не более 2 мкс.

Рабочий цикл определяется как отношение времени включения к периоду импульса. Средняя мощность нагрева равна пиковому напряжению, умноженному на ток, а затем умноженному на рабочий цикл. Введение регулируемой скважности в импульсном источнике питания эффективно разрешает противоречие между средней мощностью нагрева и пороговыми условиями, необходимыми для обработки детали, суть этого противоречия состоит в том, что для удовлетворения плотности тока, необходимой для равномерного покрытия свечения, мощность нагрева может превышать мощность, необходимую для поддержания температуры заготовки, а регулировка скважности позволяет разъединить эти два параметра.

Быстрое гашение дуги достигается за счет использования принципа электромагнитной индукции в цепи разряда для быстрого обнаружения сигнала дуги (практически без задержки), а затем немедленного управления высокоскоростным электронным переключателем основной цепи тока через высокоскоростные цифровые логические устройства, гасящие дугу в течение 2 мкс.

Применение импульсного источника питания также дает ряд технологических эффектов: абсолютное время покоя импульса относительно невелико, а после отключения питания концентрация заряженных частиц не сразу падает до нуля, а снижается медленно. Прежде чем она значительно уменьшится, приходит следующий импульс, что приводит к более высокой средней концентрации электронов и увеличению скорости ионизации; эффект полого катода эффективно подавляется; а поскольку импульсный источник питания расширяет диапазон регулировки параметров процесса азотирования, при этом каждый параметр регулируется независимо, он может улучшить равномерность свечения на заготовках со сложной формой поверхности, тем самым улучшая качество инфильтрационного слоя и гладкость поверхности.

IV. Трехпараметрическая система управления с обратной связью

Система управления использует программируемый логический контроллер и сенсорный экран в качестве главного центра управления. ПЛК представляет собой блок серии FX3G с объемом памяти программ 32 тыс. шагов, базовой скоростью обработки инструкций 0,21 мкс и двумя высокоскоростными интерфейсами связи (RS422 и USB). Сенсорный экран представляет собой 12-дюймовый TFT LCD с разрешением 1920×1080, четырехпроводной резистивный сенсорный, основная частота 1 ГГц и предустановленное конфигурационное программное обеспечение McgsPro.

Система использует многозадачное централизованное управление и полностью цифровую архитектуру распределенного управления, способную одновременно обеспечивать управление с обратной связью тремя ключевыми параметрами ионного азотирования: точность контроля температуры ± 1 ° C, точность контроля давления ± 1 Па и точность управления потоком ± 0,5%.

Для контроля температуры используются японские цифровые контроллеры серии Shimaden SRS13 с ПИД-регулированием, образующие систему регулирования температуры с замкнутым контуром со схемой контроля температуры и термопарой. В регулировании давления также используются цифровые контроллеры Shimaden SRS13, образующие систему регулирования давления с замкнутым контуром с преобразователем частоты и датчиком давления. Управление потоком оснащено одним специальным массовым расходомером для контроля расхода газа.

Схема реализации замкнутого контура давления следующая: датчик давления измеряет давление в печи и выдает стандартный токовый сигнал на цифровой контроллер. Контроллер выполняет ПИД-расчеты на основе заданного значения давления и значений, измеренных в реальном времени, а затем выводит стандартный токовый сигнал на преобразователь частоты. Регулируя скорость двигателя вакуумного насоса, регулируется скорость откачки, тем самым поддерживая постоянное давление в печи на заданном значении процесса. При таком методе управления достигается точность ±1 Па, при этом совместное использование вакуумного насоса и преобразователя частоты значительно снижает механический износ корпуса насоса при запуске, а длительная работа на малых оборотах позволяет значительно продлить срок службы.

В регулировании расхода используются японские массовые расходомеры серии HORIBA S500 со временем отклика менее 0,3 ± 2% секунд от полностью закрытого состояния до достижения заданного значения в начале управления и при изменении заданного значения во время управления. Диапазон управления охватывает от 1 до 100% полной шкалы, работает от одного универсального источника питания 24 В постоянного тока, при этом внутренняя силовая цепь изолирована от входных и выходных цепей.

V. Конструктивные особенности системы корпуса печи

Корпус печи представляет собой вертикальный колпак, состоящий из двух частей: колпака и основания. Колпаковый цилиндр имеет двухстенную конструкцию с водяным охлаждением и многоканальную систему водяного охлаждения для обеспечения однородности температуры печи. Внутри цилиндра установлены шесть слоев теплозащитных экранов из нержавеющей стали 310S, а в верхней части основания печи установлены два слоя теплозащитных экранов из нержавеющей стали, что обеспечивает длительную работу при высоких температурах и значительную экономию энергии. Внутри слоя изоляции у стенки печи укладывается слой алюмосиликатной ваты толщиной 20 мм.

Катодная пластина поддерживается на основании печи тремя комплектами высококачественной литой слюды с регулируемой высотой. Катодная пластина изготовлена ​​из пластины нержавеющей стали марки 310S толщиной не менее 30 мм; Рама крепления лотка для материала, контактирующая с заготовкой, также изготовлена ​​из нержавеющей стали 310S. Устройство подключения катода спроектировано как жесткое соединение, чтобы избежать проблем с перегревом, вызванных ослаблением быстроразъемных соединений.

Две термопары выводятся из нижней плиты печи и располагаются посередине катодной пластины, имитируя головку измерения температуры. Один используется для контроля температуры с помощью импульсного источника питания ионного нагрева, а другой подключается к сигнальному прибору для многонаправленного мониторинга температуры. В центре основания имеется порт вакуум-экстракции и катодный вход, соединенные между собой фланцами, толстостенной трубой из нержавеющей стали и сильфоном из нержавеющей стали, с уплотнением, обеспечиваемым жаростойкими уплотнительными кольцами из фторкаучука.

VI. Вакуумные и газовые системы

Вакуумная система используется для предварительного вакуумирования корпуса печи, а также для замены атмосферы и отвода отходящих газов в процессе азотирования. Система оснащена одним пластинчато-роторным насосом 2X15 в качестве вакуумного агрегата. В состав насосного агрегата входят один электромагнитный вакуумный насос с накачивающим клапаном и один высоковакуумный дроссельный клапан. Пластинчато-роторный насос представляет собой установку серии Guangdong Xunda 2X, устойчивую к коррозии технологических газов, управляемую преобразователем частоты и оснащенную высоковакуумным дроссельным клапаном GI-50 в качестве главного регулирующего клапана.

Для измерения вакуума используется емкостный диафрагменный преобразователь абсолютного давления типа ZJ-1C. На этот вакуумметр не влияет тип и состав измеряемой среды, он обеспечивает точные и надежные измерения, при этом измеренное значение отображается на цифровом дисплее и участвует в контроле давления в печи.

Для управления подачей технологического газа в печь служит газораспределительная система, состоящая из источника газа, расходомера и соответствующих трубопроводов. Технологические газы (например, аммиак) подаются пользователем, проходят через массовый расходомер, а затем вводятся в корпус печи через специальный смесительный бак в соответствии с технологической формулой. Газопроводы выполнены из нержавеющей стали, каждая газопроводка оснащена редукционным клапаном, ручным запорным клапаном, фильтром, манометром и электромагнитным клапаном.

VII. Система охлаждающей воды

В системе охлаждающей воды используется циркуляционный метод охлаждения, при этом источником воды являются градирня и водяной насос (ответственность покупателя). Требования к охлаждающей воде: температура воды на входе не более 31°С, давление воды на входе от 0,15 до 0,25 МПа, общий расход 20 м³/ч. Каждая ветка охлаждающей воды оснащена отдельными впускными и выпускными клапанами для индивидуальной регулировки расхода. Все трубы охлаждающей воды, клапаны и фитинги, прикрепленные к оборудованию, изготовлены из нержавеющей стали.

На главном впускном трубопроводе установлен электрический контактный манометр для сигнализации в случае аномального давления на входе, и система управления предпримет соответствующие защитные меры. На основной водозаборной трубе установлен резервный водозаборный клапан, соединенный с водопроводной трубой пользователя – в случае неожиданного отключения электроэнергии или отключения воды корпус печи можно охладить водопроводной водой.

VIII. Защитная блокировка и логика сигнализации

Система имеет функции сигнализации о перегреве, избыточном давлении, повреждении термопары, нехватке воды и потере фазы, как со звуковыми, так и визуальными сигналами, а также с сигналами интерфейса управления, предпринимая соответствующие защитные действия, такие как запрет включения питания, запрет нагрева, отключение или возобновление нагрева в зависимости от конкретных проблем.

Система управления может осуществлять самодиагностику неисправностей оборудования, предлагая пользователям проверить и устранить соответствующие точки неисправности. При возникновении неисправности система автоматически закрывает все клапаны. Вакуумная система имеет функции последовательного запуска и остановки, оснащена механизмом полной и взаимной блокировки, при этом все клапаны имеют запорный тип при отключении питания.