I. Antecedentes del Proyecto y Especificaciones del Equipo
Este estudio de caso involucra un horno de nitruración iónica inteligente totalmente automático, modelo WDL-IV-75A, que emplea una estructura vertical de campana simple y estación única. El equipo es capaz de nitruración iónica y nitruración iónica suave de aceros aleados, aceros para moldes y aceros inoxidables.
La zona de trabajo efectiva del cuerpo del horno mide 600 mm de diámetro y 800 mm de altura, con una capacidad de carga máxima de 400 kg. El rango de temperatura de operación común es de 500 a 600°C, con una temperatura máxima de operación que no excede los 650°C. El grado de vacío final es no mayor de 6.7 Pa, la tasa de aumento de presión es no mayor de 5 Pa/h, y el tiempo requerido para evacuar desde la presión atmosférica hasta el vacío final no excede los 30 minutos. El aumento de temperatura de la superficie de la carcasa del horno no excede los 55°C.
En la designación del modelo, IV representa el sistema de control digital de cuarta generación, 75 representa la corriente promedio máxima de la fuente de alimentación de pulso a 75 amperios, y A representa el tipo inteligente totalmente automático.
II. Relación de Concordancia Entre la Cámara de Gran Volumen y la Capacidad de la Fuente de Alimentación
Desde el modelo de 30A hasta el modelo de 75A, la corriente promedio máxima de la fuente de alimentación de pulso aumenta 1.5 veces, mientras que el volumen efectivo de la cámara se expande de aproximadamente 28 litros a aproximadamente 226 litros, un factor de aproximadamente 8. Este cambio no proporcional revela un principio de diseño del equipo de nitruración iónica: la expansión del volumen de la cámara no requiere que la corriente de la fuente de alimentación aumente proporcionalmente con el volumen, porque la potencia de calentamiento para la nitruración iónica depende principalmente del área de la superficie de la pieza de trabajo y la densidad de corriente requerida, en lugar del volumen espacial de la cámara.
El rango de densidad de corriente de descarga de brillo anormal dado en la propuesta es de 0.1 a 5 mA/cm². Basado en este rango, para una combinación de piezas de trabajo con una capacidad de carga de 400 kg y un área de superficie relativamente grande, la corriente promedio máxima de 75 A proporciona un margen de diseño claro para el límite superior del área de superficie de la pieza de trabajo soportable. Mientras tanto, el voltaje de salida de la fuente de alimentación de pulso es continuamente ajustable de 0 a 800 V sin saltos bruscos por encima de 200 V, y el ciclo de trabajo es continuamente ajustable dentro del rango de 10% a 85%.
III. Lógica de Ajuste del Ciclo de Trabajo de la Fuente de Alimentación de Pulso
La descarga de gas, como fuente de energía, presenta una carga con características de resistencia negativa. La pieza de trabajo, actuando como cátodo, tiene su forma superficial y método de apilamiento afectando la densidad de corriente superficial. La nitruración iónica tiene una condición de umbral mínimo: para satisfacer la densidad de corriente requerida para una cobertura de brillo uniforme, la potencia de calentamiento puede exceder la potencia requerida para mantener la temperatura de la pieza de trabajo. Esta contradicción es particularmente prominente para piezas de trabajo de pared delgada y peso ligero.
Después de que la fuente de alimentación de pulso introduce un ciclo de trabajo ajustable, la potencia de calentamiento promedio es igual al voltaje pico multiplicado por la corriente, luego multiplicado por el ciclo de trabajo. Al reducir el ciclo de trabajo, la potencia de calentamiento promedio se puede reducir manteniendo un voltaje pico suficiente para sostener la cobertura de brillo, resolviendo así la contradicción mencionada anteriormente. Este mecanismo es la razón principal por la que esta serie de equipos puede procesar simultáneamente piezas de trabajo pesadas y piezas de trabajo delgadas y ligeras.
La ruta de implementación para la extinción rápida de arcos es la siguiente: utilizando el principio de inducción electromagnética en el circuito de descarga para detectar rápidamente la señal de arco, luego controlando inmediatamente el interruptor electrónico de alta velocidad del circuito de corriente principal a través de dispositivos lógicos digitales de alta velocidad, extinguiendo el arco en 2 μs.
IV. Diseño de Aislamiento Térmico y Uniformidad de Temperatura del Cuerpo del Horno de Gran Volumen
El cilindro de campana adopta una estructura de doble pared enfriada por agua y un sistema de enfriamiento por agua multicanal para garantizar la uniformidad de la temperatura del horno. El revestimiento aislante interior del cilindro está hecho de acero inoxidable, mientras que las paredes interior y exterior del cilindro están hechas de placas de acero al carbono de alta calidad.
El cuerpo del horno está equipado con dos capas de escudos térmicos de acero inoxidable 304, cada capa de 2 mm de espesor, y dos capas de escudos térmicos de acero inoxidable 304 también se instalan en la parte superior de la placa base del horno. En comparación con la configuración de seis capas de escudos térmicos del caso anterior, este modelo tiene menos capas de escudos térmicos. Esta diferencia proviene del cambio en la relación de volumen de la cámara a área de superficie: una cámara de gran volumen tiene un área de disipación de calor relativamente menor, y la proporción de pérdida de calor disminuye en consecuencia, por lo que el número de capas aislantes se puede reducir apropiadamente mientras se garantiza la operación a alta temperatura a largo plazo.
La placa cátodo está soportada en la base del horno por tres juegos de mica fundida de alta calidad, con altura ajustable. La placa cátodo está hecha de placa de acero al carbono con un espesor de no menos de 30 mm; el marco del accesorio de la bandeja de material en contacto con la pieza de trabajo también está hecho de acero al carbono de alta calidad. El dispositivo de conexión del cátodo está diseñado como una conexión rígida para evitar problemas de sobrecalentamiento causados por acoplamientos de conexión rápida sueltos. La estructura del cátodo incluye aislamiento de PTFE del cátodo, mica aislante del cátodo, enchufe de conexión del conductor del cátodo, accesorio de conexión del cátodo y terminal de cable fijo con perno prisionero M10.
Se introducen dos termopares desde la placa base del horno y se posicionan en el medio de la placa cátodo para simular la cabeza de medición de temperatura. Uno se utiliza para el control de temperatura por la fuente de alimentación de pulso de calentamiento iónico, y el otro está conectado al instrumento de alarma para monitoreo de temperatura multidireccional. Se disponen tres ventanas de observación en la circunferencia exterior de la carcasa del horno para la observación multidireccional de las condiciones dentro del horno.
V. Sistema de Vacío y Control de Bucle Cerrado de Presión
El sistema de vacío se utiliza para el pre-vacío del cuerpo del horno y para el reemplazo de atmósfera y la descarga de gases de escape durante el proceso de nitruración. El conjunto de bombas consta de una bomba de paletas rotativas 2X-15, una bomba de vacío electromagnética con válvula de inflado y una válvula de mariposa de alto vacío. La bomba de paletas rotativas es una unidad de la serie Guangdong Xunda 2X, resistente a la corrosión por gases de proceso, controlada por un convertidor de frecuencia y equipada con una válvula de mariposa de alto vacío GI-50 como válvula de control principal.
El principio de control de bucle cerrado de presión es el siguiente: el transmisor de presión mide la presión del horno y emite una señal de corriente estándar al controlador digital. El controlador realiza cálculos PID basándose en el valor de presión establecido y los valores muestreados en tiempo real, luego emite una señal de corriente estándar al convertidor de frecuencia. Al ajustar la velocidad del motor de la bomba de vacío, se ajusta la velocidad de bombeo, manteniendo así la presión del horno constante en el valor establecido del proceso. Este método de control logra una precisión de control de presión de ±1 Pa. El uso combinado de la bomba de vacío y el convertidor de frecuencia reduce en gran medida el desgaste mecánico del cuerpo de la bomba durante el arranque, y la operación a baja velocidad a largo plazo puede extender significativamente la vida útil.
La medición de vacío emplea un transmisor de presión absoluta de diafragma capacitivo tipo ZJ-1C, con un rango de 0 a 1000 Pa, salida de 4 a 20 mA y fuente de alimentación de 15 a 30 VCC. Este medidor de vacío no se ve afectado por el tipo y la composición del medio medido, y el valor medido se muestra en un instrumento de visualización digital y participa en el control de la presión del horno.
VI. Sistemas de Distribución de Gas y Agua de Refrigeración
El sistema de distribución de gas se utiliza para controlar la introducción de gas de proceso en el horno. Las fuentes de gas incluyen nitrógeno, hidrógeno y otros gases de proceso, proporcionados por el usuario. Los gases pasan a través de medidores de flujo másico y luego se introducen en el cuerpo del horno a través de un tanque de mezcla dedicado de acuerdo con la fórmula del proceso. Este modelo está equipado con dos medidores de flujo másico dedicados, que controlan el flujo de nitrógeno e hidrógeno por separado; esta es la principal diferencia con la configuración de un solo medidor de flujo del modelo 30A, lo que corresponde a los mayores requisitos de precisión de ajuste de la composición de la atmósfera en una cámara de gran volumen.
Los medidores de flujo másico son unidades japonesas de la serie HORIBA S500, con un tiempo de respuesta de menos de 0.3 ±2% segundos desde el estado completamente cerrado hasta alcanzar el punto de ajuste cuando comienza el control y cuando se cambia el punto de ajuste durante el control. El rango de control cubre del 1 al 100% de la escala completa, operando desde una única fuente de alimentación universal de 24 VCC, con el circuito de alimentación interno aislado de los circuitos de entrada y salida.
Requisitos de agua de refrigeración: temperatura del agua de entrada no superior a 31°C, presión del agua de entrada de 0.15 a 0.25 MPa y caudal total de 20 m³/h. Cada rama de agua de refrigeración está equipada con válvulas de entrada y salida separadas. Todas las tuberías de agua de refrigeración, válvulas y accesorios unidos al equipo están hechos de acero inoxidable. Se instala un manómetro de contacto eléctrico en la tubería de entrada principal para alarmas en caso de presión de entrada anormal. Se instala una válvula de entrada de agua de respaldo en la tubería de entrada de agua principal, conectada a la tubería de agua del grifo del usuario, de modo que el cuerpo del horno pueda ser enfriado por agua del grifo en caso de un corte de energía o de agua inesperado.
VII. Arquitectura de Bucle Cerrado de Tres Parámetros del Sistema de Control
El sistema de control utiliza un controlador lógico programable de la serie FX3G y una pantalla táctil Kunlun Tongtai TPC1231Ni como centro de control principal. El PLC tiene una capacidad de memoria de programa de 32K pasos, una velocidad de procesamiento de instrucciones básicas de 0.21 μs y dos interfaces de comunicación de alta velocidad (RS422 y USB). La pantalla táctil es una LCD TFT de 12 pulgadas con una resolución de 1920×1080, táctil resistiva de cuatro hilos, una frecuencia principal de 1 GHz y software de configuración McgsPro preinstalado.
El sistema adopta una arquitectura totalmente digital de gestión centralizada multitarea y control distribuido, capaz de lograr simultáneamente el control de bucle cerrado de tres parámetros clave en la nitruración iónica: precisión de control de temperatura de ±1°C, precisión de control de presión de ±1 Pa y precisión de control de flujo de ±0.5%.
El control de temperatura emplea controladores digitales japoneses de la serie Shimaden SRS13 con regulación PID, formando un sistema de regulación de bucle cerrado de temperatura con el circuito de control de temperatura y el termopar. El control de presión también emplea controladores digitales Shimaden SRS13, formando un sistema de regulación de bucle cerrado de presión con un convertidor de frecuencia y un sensor de presión.
En el modo de operación automática, el sistema inicia automáticamente la bomba de mantenimiento y la bomba de pre-evacuación, abre la válvula de deflector y la válvula solenoide para extraer un vacío. Una vez que el vacío alcanza la presión de trabajo para la activación de la descarga de brillo, el voltaje de descarga de brillo y el calentamiento asistido por resistencia se activan automáticamente para realizar el proceso inicial de arqueo y limpieza de la pieza de trabajo. Después de que termina el arqueo, el sistema entra automáticamente en la etapa de calentamiento, ajustando automáticamente el caudal, la presión, el voltaje, el ciclo de trabajo y la corriente de acuerdo con los pasos de diseño de la curva del proceso. Cuando la temperatura alcanza la temperatura del proceso, el sistema entra en la etapa de mantenimiento de temperatura, manteniendo de acuerdo con el tiempo de mantenimiento del proceso establecido. Después del período de mantenimiento, el sistema apaga la bomba de vacío y todas las válvulas en la tubería de extracción. Una vez que la temperatura del horno desciende a la temperatura establecida, todos los interruptores se apagan automáticamente y el sistema entra en estado de parada.