I. Projekthintergrund und Ausstattungsspezifikationen
Bei dieser Fallstudie handelt es sich um einen vollautomatischen intelligenten Ionennitrierungsofen, Modell WDL-IV-30A, der eine vertikale Struktur mit einer einzigen Glocke und einer Station verwendet. Die Ausrüstung eignet sich zum Ionennitrieren und Weichionennitrieren von Titanlegierungen, legierten Stählen, Formstählen und rostfreien Stählen.
Der effektive Arbeitsbereich des Ofenkörpers misst 300 mm im Durchmesser und 400 mm in der Höhe, bei einer maximalen Beladungskapazität von 100 kg. Der übliche Betriebstemperaturbereich liegt zwischen 500 und 600 °C, die maximale Betriebstemperatur liegt bei 650 °C. Das Endvakuum beträgt nicht mehr als 6,7 Pa, die Druckanstiegsgeschwindigkeit beträgt nicht mehr als 5 Pa/h und die zum Pumpen von Atmosphärendruck auf Endvakuum erforderliche Zeit beträgt nicht mehr als 30 Minuten. Der Anstieg der Oberflächentemperatur des Ofenmantels überschreitet nicht 55 °C.
In der Modellbezeichnung steht IV für das digitale Steuerungssystem der vierten Generation, 30 für den maximalen Durchschnittsstrom der Impulsstromversorgung bei 30 Ampere und A für den vollautomatischen intelligenten Typ.
II. Physikalische Einschränkungen des Ionennitrierungsprozesses
Die Ionennitrierung wird in einer Gasentladungsumgebung mit niedrigem Druck durchgeführt und ihre Volt-Ampere-Kennlinie ist nichtlinear. Die Ionennitrierung metallischer Werkstoffe erfolgt im Allgemeinen im Abschnitt „abnormale Entladung“ der Volt-Ampere-Kennlinie, und der obere Grenzpunkt G dieses Abschnitts ist ein gefährlicher Wendepunkt. Die Gasentladung stellt als Stromquelle eine Last mit negativen Widerstandseigenschaften dar. Die Oberflächenform des Werkstücks, das als Kathode fungiert, und seine Umgebung (Werkstückstapelung) beeinflussen beide die Oberflächenstromdichte.
Diese physikalischen Eigenschaften bestimmen, dass die Ionenstromversorgung drei technische Schwierigkeiten überwinden muss. Die erste ist die Lichtbogenentladung: Wenn die Werkstückoberfläche nicht sauber ist, kann sich leicht ein nicht leitender Ölfilm bilden. Wenn sich auf der Oberfläche bis zu einem gewissen Grad Ladung ansammelt, bricht sie zusammen und bildet eine kurzzeitige Hochstromentladung, die hochenergetische Funken erzeugt. Wenn es nicht schnell abgeschaltet wird, führt dies zu einem Stromausfall und einer Beschädigung des Werkstücks. Der zweite ist der Hohlkathodeneffekt: Wenn Werkstücke Löcher oder Schlitze, Lücken zwischen Werkstücken oder unebene Biegungen aufweisen, kommt es bei bestimmten Gasdrücken zu einem kritischen Zustand der Glimmentladungsüberlappung. Dies äußert sich in einer ungleichmäßigen Helligkeit der Glimmentladung über die Werkstückoberfläche, entsprechend einer ungleichmäßigen Oberflächenstromdichte, was zu einer ungleichmäßigen Temperaturverteilung führt. Das dritte ist die Kopplungsbeziehung zwischen Stromdichte und Gasdruck: Der Gasdruck beeinflusst die Glühdicke, die sich wiederum auf die Stromdichte auswirkt – höherer Druck erzeugt ein dünneres Glühen, was sich positiv auf die Temperaturgleichmäßigkeit auswirkt; Wenn der Druck jedoch hoch genug ist, um alle Nut- und Lochoberflächen gleichmäßig zu bedecken, übersteigt der Strom die für die Werkstückisolierung erforderliche Leistung bei weitem.
III. Technische Reaktionslogik des Impulsnetzteils
Das für dieses Gerät konfigurierte Impulsnetzteil verfügt über eine Ausgangsfrequenz von 20.000 Hz, eine Rechteckwellen-Ausgangswellenform, eine stufenlos einstellbare Ausgangsspannung von 0 bis 900 V ohne plötzlichen Sprung über 200 V, einen stufenlos einstellbaren Arbeitszyklus im Bereich von 10 % bis 85 %, einen maximalen durchschnittlichen Impulsausgangsstrom von 30 A und eine Lichtbogenlöschzeit von nicht mehr als 2 μs.
Das Tastverhältnis ist definiert als das Verhältnis von Einschaltzeit zu Pulsperiode. Die durchschnittliche Heizleistung entspricht der Spitzenspannung multipliziert mit dem Strom und dann multipliziert mit dem Arbeitszyklus. Durch die Einführung eines einstellbaren Arbeitszyklus in der Impulsstromversorgung wird der Widerspruch zwischen der durchschnittlichen Heizleistung und den für die Werkstückbearbeitung erforderlichen Schwellenbedingungen effektiv gelöst. Der Kern dieses Widerspruchs besteht darin, dass die Heizleistung die zur Aufrechterhaltung der Werkstücktemperatur erforderliche Leistung möglicherweise übersteigen kann, um die für eine gleichmäßige Glühabdeckung erforderliche Stromdichte zu erfüllen. Durch die Einstellung des Arbeitszyklus können diese beiden entkoppelt werden.
Eine schnelle Lichtbogenlöschung wird erreicht, indem das Prinzip der elektromagnetischen Induktion im Entladungskreis genutzt wird, um das Lichtbogensignal schnell (nahezu ohne Verzögerung) zu erkennen und dann sofort den elektronischen Hochgeschwindigkeitsschalter des Hauptstromkreises über digitale Hochgeschwindigkeitslogikgeräte zu steuern, wodurch der Lichtbogen innerhalb von 2 μs gelöscht wird.
Der Einsatz der Pulsstromversorgung führt auch zu mehreren Prozesseffekten: Die absolute Ausschaltzeit des Pulses ist relativ kurz und nach dem Abschalten der Stromversorgung sinkt die Konzentration geladener Teilchen nicht sofort auf Null, sondern nimmt langsam ab. Bevor sie deutlich abgenommen hat, kommt der nächste Impuls, was zu einer höheren durchschnittlichen Elektronenkonzentration und einer erhöhten Ionisierungsrate führt; der Hohlkathodeneffekt wird wirkungsvoll unterdrückt; Und da die Impulsstromversorgung den Einstellbereich der Nitrierprozessparameter erweitert, wobei jeder Parameter unabhängig einstellbar ist, kann sie die Gleichmäßigkeit der Glühabdeckung auf Werkstücken mit komplexen Oberflächenformen verbessern und dadurch die Qualität der Infiltrationsschicht und die Oberflächenglätte verbessern.
IV. Drei-Parameter-Regelsystem mit geschlossenem Regelkreis
Das Steuerungssystem nutzt eine speicherprogrammierbare Steuerung und einen Touchscreen als Hauptkontrollzentrum. Die SPS ist eine Einheit der FX3G-Serie mit einer Programmspeicherkapazität von 32.000 Schritten, einer grundlegenden 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 x 1080, Vierdraht-Resistiv-Touch, einer Hauptfrequenz von 1 GHz und vorinstallierter McgsPro-Konfigurationssoftware.
Das System verfügt über eine volldigitale Multitasking-Architektur mit zentralem Management und verteilter Steuerung, die in der Lage ist, gleichzeitig eine geschlossene Regelung von drei Schlüsselparametern beim Ionennitrieren zu erreichen: Temperaturregelungsgenauigkeit von ±1 °C, Druckregelungsgenauigkeit von ±1 Pa und Durchflussregelungsgenauigkeit von ±0,5 %.
Bei der Temperaturregelung kommen japanische Digitalregler der Serie Shimaden SRS13 mit PID-Regelung zum Einsatz, die mit dem Temperaturregelkreis und dem Thermoelement ein Temperaturregelungssystem mit geschlossenem Regelkreis bilden. Bei der Druckregelung kommen auch digitale SRS13-Regler von Shimaden zum Einsatz, die mit einem Frequenzumrichter und einem Drucksensor ein Druckregelungssystem mit geschlossenem Regelkreis bilden. Die Durchflussregelung ist mit einem speziellen Massendurchflussmesser zur Steuerung des Gasdurchflusses konfiguriert.
Der Implementierungspfad für den Druck-geschlossenen Regelkreis ist wie folgt: Der Drucktransmitter misst den Ofendruck und gibt ein Standardstromsignal an den digitalen Controller aus. Der Regler führt PID-Berechnungen auf der Grundlage des eingestellten Druckwerts und der in Echtzeit erfassten Werte durch und gibt dann ein Standardstromsignal an den Frequenzumrichter aus. Durch Anpassen der Drehzahl des Vakuumpumpenmotors wird die Pumpgeschwindigkeit angepasst, wodurch der Ofendruck konstant auf dem Prozesssollwert gehalten wird. Mit dieser Steuermethode wird eine Genauigkeit von ±1 Pa erreicht, während der kombinierte Einsatz von Vakuumpumpe und Frequenzumrichter den mechanischen Verschleiß des Pumpenkörpers beim Anfahren erheblich reduziert und ein langfristiger Betrieb bei niedriger Drehzahl die Lebensdauer erheblich verlängern kann.
Bei der Durchflussregelung kommen japanische Massendurchflussmesser der Serie HORIBA S500 zum Einsatz, 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 reicht von 1 bis 100 % des Skalenendwerts und wird mit einer einzigen universellen 24-V-DC-Stromversorgung betrieben, wobei der interne Stromkreis von den Eingangs- und Ausgangskreisen isoliert ist.
V. Strukturmerkmale des Ofenkörpersystems
Der Ofenkörper weist eine vertikale Glockenstruktur auf und besteht aus zwei Teilen: der Glocke und dem Sockel. Der Glockenzylinder verfügt über eine wassergekühlte Doppelwandstruktur und ein Mehrkanal-Wasserkühlsystem, um eine gleichmäßige Ofentemperatur sicherzustellen. Im Inneren des Zylinders sind sechs Schichten Hitzeschilde aus Edelstahl 310S und im oberen Teil des Ofenbodens zwei Schichten Hitzeschilde aus Edelstahl installiert, was einen langfristigen Hochtemperaturbetrieb und erhebliche Energieeinsparungen ermöglicht. Innerhalb der Isolierschicht in der Nähe der Ofenwand wird eine Schicht Aluminiumsilikat-Isolierwatte mit einer Dicke von 20 mm angebracht.
Die Kathodenplatte wird auf dem Ofenboden durch drei Sätze hochwertiger Gussglimmer getragen und ist höhenverstellbar. Die Kathodenplatte besteht aus 310S-Edelstahlblech mit einer Dicke von mindestens 30 mm; Der Materialschalen-Befestigungsrahmen, der das Werkstück berührt, besteht ebenfalls aus Edelstahl 310S. Die Kathodenanschlussvorrichtung ist als starre Verbindung ausgeführt, um Überhitzungsprobleme durch lose Schnellkupplungen zu vermeiden.
Zwei Thermoelemente werden von der Ofenbodenplatte eingeführt und in der Mitte der Kathodenplatte positioniert, um den Temperaturmesskopf zu simulieren. Einer dient zur Temperaturregelung durch die Ionenheizimpuls-Stromversorgung, der andere ist zur multidirektionalen Temperaturüberwachung mit dem Alarminstrument verbunden. Das Basiszentrum verfügt über einen Vakuumabsauganschluss und einen Kathodeneinlass, verbunden durch Flansche, dickwandiges Edelstahlrohr und Edelstahlbalg, mit Abdichtung durch hochtemperaturbeständige Fluorkautschuk-Dichtungsringe.
VI. Vakuum- und Gassysteme
Das Vakuumsystem dient der Vorvakuumierung des Ofenkörpers sowie dem Atmosphärenaustausch und der Abgasabführung während des Nitrierprozesses. Das System ist mit einer 2X15 Drehschieberpumpe als Vakuumeinheit ausgestattet. Das Pumpenset umfasst eine elektromagnetische Vakuumpumpe mit Aufblasventil und eine Hochvakuum-Absperrklappe. Die Drehschieberpumpe ist ein Gerät der Guangdong Xunda 2X-Serie, beständig gegen Prozessgaskorrosion, gesteuert durch einen Frequenzumrichter und ausgestattet mit einer GI-50-Hochvakuum-Absperrklappe als Hauptsteuerventil.
Bei der Vakuummessung kommt ein Absolutdrucktransmitter mit kapazitiver Membran vom Typ ZJ-1C zum Einsatz. Dieses Vakuummessgerät wird nicht von der Art und Zusammensetzung des Messmediums beeinflusst und bietet genaue und zuverlässige Messungen, wobei der Messwert auf einem digitalen Anzeigeinstrument angezeigt wird und an der Ofendruckregelung beteiligt ist.
Das Gasverteilungssystem dient zur Steuerung der Prozessgaseinleitung in den Ofen und besteht aus einer Gasquelle, einem Durchflussmesser und entsprechenden Rohrleitungen. Prozessgase (z. B. Ammoniak) werden vom Benutzer bereitgestellt, durch einen Massendurchflussmesser geleitet und dann gemäß der Prozessformel über einen speziellen Mischtank in den Ofenkörper eingeleitet. Gasleitungen bestehen aus Edelstahl, wobei jede Gasleitung mit einem Druckminderventil, einem manuellen Absperrventil, einem Filter, einem Manometer und einem Magnetventil ausgestattet ist.
VII. Kühlwassersystem
Das Kühlwassersystem verwendet eine zirkulierende Kühlmethode, wobei die Wasserquelle vom Kühlturm und der Wasserpumpe bereitgestellt wird (Verantwortung des Käufers). Kühlwasseranforderungen: Einlasswassertemperatur nicht über 31 °C, Einlasswasserdruck von 0,15 bis 0,25 MPa und Gesamtdurchfluss von 20 m³/h. Jeder Kühlwasserzweig ist mit separaten Einlass- und Auslassventilen zur individuellen Durchflussanpassung ausgestattet. Alle an der Anlage angebrachten Kühlwasserleitungen, Ventile und Armaturen bestehen aus Edelstahl.
Am Haupteinlassrohr ist ein elektrischer Kontaktdruckmesser installiert, der bei abnormalem Einlassdruck Alarm auslöst und das Steuerungssystem entsprechende Schutzmaßnahmen ergreift. Am Hauptwassereinlassrohr ist ein Ersatzwassereinlassventil installiert, das an die Leitungswasserleitung des Benutzers angeschlossen ist – im Falle eines unerwarteten Stromausfalls oder Wasserausfalls kann der Ofenkörper mit Leitungswasser gekühlt werden.
VIII. Sicherheitsverriegelung und Alarmlogik
Das System verfügt über Alarmfunktionen für Übertemperatur, Überdruck, Thermoelementschäden, Wassermangel und Phasenverlust, mit akustischen und visuellen Alarmen sowie Alarmen der Steuerschnittstelle, und ergreift entsprechende Schutzmaßnahmen, wie z.
Das Steuerungssystem kann eine Selbstdiagnose von Gerätefehlern durchführen und Benutzer dazu auffordern, die entsprechenden Fehlerpunkte zu überprüfen und zu reparieren. Bei Auftreten einer Störung schaltet das System automatisch alle Ventile ab. Das Vakuumsystem verfügt über sequentielle Start- und Stoppfunktionen und ist mit einem vollständigen Verriegelungs- und gegenseitigen Verriegelungsmechanismus ausgestattet, wobei alle Ventile stromlos abgeschaltet sind.