I. Projektübersicht und Ausrüstungsspezifikationen
Diese Fallstudie befasst sich mit einem vollautomatischen intelligenten Ionen-Nitrierofen, Modell WDL-IV-75A, mit einer vertikalen Einzelglocken-Einzelstation-Struktur. Die Ausrüstung ist in der Lage, legierte Stähle, Werkzeugstähle und Edelstähle durch Ionen-Nitrieren und Weich-Ionen-Nitrieren zu behandeln.
Die effektive Arbeitszone des Ofenkörpers misst 600 mm im Durchmesser und 800 mm in der Höhe, mit einer maximalen Ladekapazität von 400 kg. Der übliche Betriebstemperaturbereich liegt zwischen 500 und 600°C, wobei die maximale Betriebstemperatur 650°C nicht überschreitet. Der erreichte Endvakuumgrad beträgt nicht mehr als 6,7 Pa, die Druckanstiegsrate nicht mehr als 5 Pa/h, und die Zeit für die Evakuierung vom Atmosphärendruck bis zum Endvakuum überschreitet nicht 30 Minuten. Der Temperaturanstieg der Ofenmantelfläche überschreitet nicht 55°C.
In der Modellbezeichnung steht IV für das digitale Steuerungssystem der vierten Generation, 75 für den maximalen Durchschnittsstrom der Pulsstromversorgung von 75 Ampere und A für den vollautomatischen intelligenten Typ.
II. Passendes Verhältnis zwischen großvolumiger Kammer und Stromversorgungsleistung
Vom Modell 30A bis zum Modell 75A erhöht sich der maximale Durchschnittsstrom der Pulsstromversorgung um den Faktor 1,5, während sich das effektive Kammervolumen von etwa 28 Litern auf etwa 226 Liter erweitert, ein Faktor von etwa 8. Diese nicht-proportionale Änderung offenbart ein Designprinzip von Ionen-Nitriergeräten: Die Erweiterung des Kammervolumens erfordert keine proportionale Erhöhung des Stromversorgungsstroms mit dem Volumen, da die Heizleistung für das Ionen-Nitrieren hauptsächlich von der Oberfläche des Werkstücks und der erforderlichen Stromdichte abhängt und nicht vom räumlichen Kammervolumen.
Der im Angebot angegebene Bereich der Stromdichte der anomale Glimmentladung liegt zwischen 0,1 und 5 mA/cm². Basierend auf diesem Bereich bietet der maximale Durchschnittsstrom von 75 A für eine Werkstückkombination mit einer Ladekapazität von 400 kg und einer relativ großen Oberfläche eine klare Designreserve für die Obergrenze der unterstützbaren Werkstückoberfläche. In der Zwischenzeit ist die Ausgangsspannung der Pulsstromversorgung kontinuierlich von 0 bis 800 V einstellbar, ohne Sprünge über 200 V, und der Tastgrad ist kontinuierlich im Bereich von 10 % bis 85 % einstellbar.
III. Anpassungslogik des Tastgrads der Pulsstromversorgung
Die Gasentladung als Stromquelle weist eine Last mit negativem Widerstand auf. Das Werkstück, das als Kathode fungiert, wird sowohl durch seine Oberflächenform als auch durch seine Stapelmethode von der Oberflächenstromdichte beeinflusst. Das Ionen-Nitrieren hat eine minimale Schwellenbedingung: Um die für eine gleichmäßige Glühungsabdeckung erforderliche Stromdichte zu erfüllen, kann die Heizleistung die zur Aufrechterhaltung der Werkstücktemperatur erforderliche Leistung überschreiten. Dieser Widerspruch ist besonders ausgeprägt bei dünnwandigen, leichten Werkstücken.
Nachdem die Pulsstromversorgung einen einstellbaren Tastgrad eingeführt hat, entspricht die durchschnittliche Heizleistung der Spitzenleistung multipliziert mit dem Strom, multipliziert mit dem Tastgrad. Durch Reduzierung des Tastgrads kann die durchschnittliche Heizleistung gesenkt werden, während eine ausreichende Spitzenleistung zur Aufrechterhaltung der Glühungsabdeckung beibehalten wird, wodurch der oben genannte Widerspruch gelöst wird. Dieser Mechanismus ist der Hauptgrund, warum diese Geräteserie gleichzeitig schwere Werkstücke und dünne, leichte Werkstücke verarbeiten kann.
Der Implementierungspfad für die schnelle Lichtbogenlöschung sieht wie folgt aus: Nutzung des Prinzips der elektromagnetischen Induktion im Entladungskreis zur schnellen Erkennung des Lichtsignal, dann sofortige Steuerung des Hochgeschwindigkeits-Elektronikschalters des Hauptstromkreises durch Hochgeschwindigkeits-Digital-Logikgeräte, wodurch der Lichtbogen innerhalb von 2 μs gelöscht wird.
IV. Wärmeisolations- und Temperaturgleichmäßigkeitsdesign des großvolumigen Ofenkörpers
Der Glockenzylinder nimmt eine wassergekühlte Doppelwandstruktur und ein Mehrkanal-Wasserkühlsystem an, um die Temperaturgleichmäßigkeit des Ofens zu gewährleisten. Die innere Isolationsauskleidung des Zylinders besteht aus Edelstahl, während die inneren und äußeren Zylinderwände aus hochwertigen Kohlenstoffstahlplatten gefertigt sind.
Der Ofenkörper ist mit zwei Schichten 304er Edelstahl-Hitzeschilden ausgestattet, jede Schicht 2 mm dick, und zwei Schichten 304er Edelstahl-Hitzeschilde sind auch am oberen Teil der Ofenbodenplatte angebracht. Im Vergleich zur Sechs-Schicht-Hitzeschildkonfiguration des vorherigen Falls hat dieses Modell weniger Hitzeschildschichten. Dieser Unterschied ergibt sich aus der Änderung des Verhältnisses von Kammervolumen zu Oberfläche – eine großvolumige Kammer hat eine relativ kleinere Wärmeableitungsfläche, und der Wärme-Verlustanteil nimmt entsprechend ab, sodass die Anzahl der Isolationsschichten angemessen reduziert werden kann, während ein langfristiger Hochtemperaturbetrieb gewährleistet wird.
Die Kathodenplatte wird auf dem Ofensockel von drei Sätzen hochwertiger Gussglimmer getragen, mit einstellbarer Höhe. Die Kathodenplatte besteht aus Kohlenstoffstahlplatten mit einer Dicke von nicht weniger als 30 mm; der Materialträger-Befestigungsrahmen, der mit dem Werkstück in Kontakt kommt, ist ebenfalls aus hochwertigem Kohlenstoffstahl gefertigt. Die Kathodenverbindungsvorrichtung ist als starre Verbindung ausgelegt, um Überhitzungsprobleme durch lose Schnellkupplungen zu vermeiden. Die Kathodenstruktur umfasst Kathoden-PTFE-Isolierung, Kathoden-Isolierglimmer, Kathoden-Leiteranschlussbuchse, Kathoden-Anschlussstück und M10-Gewindebolzen-fixierten Kabelstecker.
Zwei Thermoelemente werden von der Ofenbodenplatte eingeführt und in der Mitte der Kathodenplatte positioniert, um den Temperaturmesskopf zu simulieren. Eines wird für die Temperaturregelung durch die Ionenheiz-Pulsstromversorgung verwendet, und das andere ist mit dem Alarmgerät für die multidirektionale Temperaturüberwachung verbunden. Drei Beobachtungsfenster sind am äußeren Umfang des Ofenmantels angeordnet, um die Bedingungen im Inneren des Ofens multidirektional zu beobachten.
V. Vakuumsystem und Druck-Regelkreissteuerung
Das Vakuumsystem wird für die Vorvakuumierung des Ofenkörpers sowie für den Atmosphärenwechsel und die Abgasableitung während des Nitrierprozesses verwendet. Die Pumpeneinheit besteht aus einer Drehschieberpumpe vom Typ 2X-15, einer elektromagnetischen Vakuumpumpe mit Inflationsventil und einem Hochvakuum-Schmetterlingsventil. Die Drehschieberpumpe ist eine Einheit der Guangdong Xunda 2X-Serie, beständig gegen Prozessgas-Korrosion, gesteuert durch einen Frequenzumrichter und ausgestattet mit einem Hochvakuum-Schmetterlingsventil vom Typ GI-50 als Hauptsteuerventil.
Das Prinzip der Druck-Regelkreissteuerung ist wie folgt: Der Drucktransmitter misst den Ofendruck und gibt ein Standard-Stromsignal an den digitalen Regler aus. Der Regler führt PID-Berechnungen basierend auf dem eingestellten Druckwert und den in Echtzeit abgetasteten Werten durch und gibt dann ein Standard-Stromsignal an den Frequenzumrichter aus. Durch Anpassung der Drehzahl des Vakuumpumpenmotors wird die Sauggeschwindigkeit angepasst, wodurch der Ofendruck konstant auf dem eingestellten Prozesswert gehalten wird. Diese Steuermethode erreicht eine Druckregelgenauigkeit von ±1 Pa. Die kombinierte Nutzung der Vakuumpumpe und des Frequenzumrichters reduziert den mechanischen Verschleiß des Pumpenkörpers beim Start erheblich, und der langfristige Betrieb bei niedriger Drehzahl kann die Lebensdauer erheblich verlängern.
Die Vakuummessung erfolgt mit einem kapazitiven Membran-Absolutdrucktransmitter vom Typ ZJ-1C, mit einem Bereich von 0 bis 1000 Pa, einem Ausgang von 4 bis 20 mA und einer Stromversorgung von 15 bis 30 VDC. Dieses Vakuummeter wird nicht durch die Art und Zusammensetzung des gemessenen Mediums beeinflusst, und der gemessene Wert wird von einem digitalen Anzeigegerät angezeigt und nimmt an der Ofendruckregelung teil.
VI. Gasverteilungs- und Kühlwassersysteme
Das Gasverteilungssystem dient zur Steuerung der Einleitung von Prozessgas in den Ofen. Gasquellen sind Stickstoff, Wasserstoff und andere Prozessgase, die vom Benutzer bereitgestellt werden. Die Gase passieren Massendurchflussmesser und werden dann gemäß der Prozessformel über einen speziellen Mischbehälter in den Ofenkörper geleitet. Dieses Modell ist mit zwei speziellen Massendurchflussmessern ausgestattet, die den Stickstoff- und Wasserstofffluss separat steuern – dies ist der Hauptunterschied zur Konfiguration mit einem einzigen Durchflussmesser des 30A-Modells, was den höheren Anforderungen an die Präzision der Atmosphärenzusammensetzungsanpassung in einer großvolumigen Kammer entspricht.
Die Massendurchflussmesser sind japanische Einheiten der HORIBA S500-Serie mit einer Reaktionszeit von weniger als 0,3 ±2 % Sekunden vom vollständig geschlossenen Zustand bis zum Erreichen des Sollwerts, wenn die Regelung beginnt und wenn der Sollwert während der Regelung geändert wird. Der Regelbereich deckt 1 bis 100 % des vollen Maßstabs ab und arbeitet mit einer einzigen universellen DC24V-Stromversorgung, wobei die interne Stromschaltung von den Ein- und Ausgangsschaltungen isoliert ist.
Kühlwasseranforderungen: Einlasstemperatur nicht über 31°C, Einlasswasserdruck von 0,15 bis 0,25 MPa und Gesamtdurchflussrate von 20 m³/h. Jeder Kühlwasserkreis ist mit separaten Einlass- und Auslassventilen ausgestattet. Alle Kühlwasserrohre, Ventile und Armaturen, die an der Ausrüstung angebracht sind, bestehen aus Edelstahl. Ein elektrischer Kontaktdruckmesser ist am Hauptwassereinlassrohr installiert, um bei abnormalem Einlassdruck Alarme auszulösen. Ein Ersatz-Wassereinlassventil ist am Hauptwassereinlassrohr installiert, das an die Leitung des Leitungswassers des Benutzers angeschlossen ist, so dass der Ofenkörper im Falle eines unerwarteten Stromausfalls oder Wasserausfalls mit Leitungswasser gekühlt werden kann.
VII. Drei-Parameter-Regelkreisarchitektur des Steuerungssystems
Das Steuerungssystem verwendet eine speicherprogrammierbare Steuerung der FX3G-Serie und einen Kunlun Tongtai TPC1231Ni Touchscreen als Hauptsteuerzentrum. Die SPS hat eine Programmspeicher-Kapazität von 32K Schritten, eine grundlegende Befehlsverarbeitungsgeschwindigkeit von 0,21 μs und zwei Hochgeschwindigkeits-Kommunikationsschnittstellen (RS422 und USB). Der Touchscreen ist ein 12-Zoll-TFT-LCD mit einer Auflösung von 1920×1080, vieradrigem resistivem Touch, einer Hauptfrequenz von 1 GHz und vorinstallierter McgsPro-Konfigurationssoftware.
Das System verwendet eine Multi-Task-Zentralmanagement- und verteilte Steuerungs-Voll-Digitalarchitektur, die gleichzeitig eine Regelkreissteuerung von drei Schlüsselparametern beim Ionen-Nitrieren erreichen kann: Temperaturregelgenauigkeit von ±1°C, Druckregelgenauigkeit von ±1 Pa und Durchflussregelgenauigkeit von ±0,5 %.
Die Temperaturregelung verwendet japanische Shimaden SRS13-Serie Digitalregler mit PID-Regelung, die ein Temperatur-Regelkreis-Regelsystem mit dem Temperaturregelkreis und dem Thermoelement bilden. Die Druckregelung verwendet ebenfalls Shimaden SRS13 Digitalregler, die ein Druck-Regelkreis-Regelsystem mit einem Frequenzumrichter und einem Drucksensor bilden.
Im automatischen Betriebsmodus startet das System automatisch die Erhaltungspumpe und die Vorvakuumierpumpe, öffnet das Schieberventil und das Magnetventil, um ein Vakuum zu erzeugen. Sobald das Vakuum den Arbeitsdruck für die Aktivierung der Glimmentladung erreicht, werden die Glimmentladungsspannung und die Widerstandsunterstützte Heizung automatisch aktiviert, um den anfänglichen Lichtbogen und Reinigungsprozess des Werkstücks durchzuführen. Nach Beendigung des Lichtbogens tritt das System automatisch in die Heizphase ein und passt automatisch Durchflussrate, Druck, Spannung, Tastgrad und Strom gemäß den Prozesskurven-Designschritten an. Wenn die Temperatur die Prozesstemperatur erreicht, tritt das System in die Temperaturhaltephase ein und hält gemäß der eingestellten Prozesshaltezeit. Nach der Haltezeit schaltet das System die Vakuumpumpe und alle Ventile auf der Extraktionsleitung ab. Sobald die Ofentemperatur auf die eingestellte Temperatur abgefallen ist, schalten sich alle Schalter automatisch aus und das System geht in einen Stoppzustand über.
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