I. Antecedentes del Proyecto y Especificaciones del Equipo

Este estudio de caso involucra un horno de nitruración iónica inteligente totalmente automático, modelo WDL-IV-30A, que emplea una estructura vertical de campana simple y estación única. El equipo es capaz de nitruración iónica y nitruración iónica suave de aleaciones de titanio, aceros aleados, aceros para moldes y aceros inoxidables.

La zona de trabajo efectiva del cuerpo del horno mide 300 mm de diámetro y 400 mm de altura, con una capacidad de carga máxima de 100 kg. El rango de temperatura de operación común es de 500 a 600 °C, con una temperatura máxima de operación de 650 °C. El grado de vacío final no es superior a 6.7 Pa, la tasa de aumento de presión no es superior a 5 Pa/h, y el tiempo requerido para bombear desde la presión atmosférica hasta el vacío final no excede los 30 minutos. El aumento de la 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, 30 representa la corriente promedio máxima de la fuente de alimentación pulsada a 30 amperios, y A representa el tipo inteligente totalmente automático.

II. Restricciones Físicas del Proceso de Nitruración Iónica

La nitruración iónica se realiza en un entorno de descarga de gas a baja presión, y su curva característica voltaje-amperio es no lineal. La nitruración iónica de materiales metálicos generalmente opera en el segmento de "descarga anómala" de la curva característica voltaje-amperio, y el punto límite superior G de este segmento es un punto de inflexión peligroso. 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 el entorno circundante (apilamiento de piezas de trabajo) afectando la densidad de corriente superficial.

Estas características físicas determinan que la fuente de alimentación iónica debe superar tres dificultades técnicas. La primera es la descarga de arco: cuando la superficie de la pieza de trabajo no está limpia, se puede formar fácilmente una película de aceite no conductora. Cuando la carga se acumula en la superficie hasta cierto punto, se descompone y forma una descarga momentánea de alta corriente, produciendo chispas de alta energía. Si no se interrumpe rápidamente, esto causará un fallo de energía y daños en la pieza de trabajo. La segunda es el efecto de cátodo hueco: cuando las piezas de trabajo tienen agujeros o ranuras, huecos entre piezas de trabajo o curvas irregulares, se produce un estado crítico de superposición de descarga luminiscente a ciertas presiones de gas. Esto se manifiesta como un brillo de descarga luminiscente desigual en la superficie de la pieza de trabajo, correspondiente a una densidad de corriente superficial desigual, causando una distribución de temperatura desigual. La tercera es la relación de acoplamiento entre la densidad de corriente y la presión del gas: la presión del gas afecta el grosor del brillo, lo que a su vez afecta la densidad de corriente; una presión más alta produce un brillo más delgado, lo que es beneficioso para la uniformidad de la temperatura; sin embargo, cuando la presión es lo suficientemente alta como para cubrir uniformemente todas las superficies de ranuras y agujeros, la corriente excederá en gran medida la potencia requerida para el aislamiento de la pieza de trabajo.

III. Lógica de Respuesta Técnica de la Fuente de Alimentación Pulsada

La fuente de alimentación pulsada configurada para este equipo tiene una frecuencia de salida de 20.000 Hz, una forma de onda de salida de onda cuadrada, un voltaje de salida continuamente ajustable de 0 a 900 V sin saltos bruscos por encima de 200 V, un ciclo de trabajo continuamente ajustable dentro del rango de 10% a 85%, una corriente promedio de salida de pulso máxima de 30 A y un tiempo de extinción de arco de no más de 2 μs.

El ciclo de trabajo se define como la relación entre el tiempo de encendido y el período del pulso. La potencia de calentamiento promedio es igual al voltaje pico multiplicado por la corriente, luego multiplicado por el ciclo de trabajo. La introducción de un ciclo de trabajo ajustable en la fuente de alimentación pulsada resuelve eficazmente la contradicción entre la potencia de calentamiento promedio y las condiciones umbral requeridas para el procesamiento de la pieza de trabajo; la esencia de esta contradicción es que, 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, y el ajuste del ciclo de trabajo permite desacoplar estas dos.

La rápida extinción de arco se logra utilizando el principio de inducción electromagnética en el circuito de descarga para detectar rápidamente la señal de arco (con casi ningún retraso), luego controlando inmediatamente el interruptor electrónico de alta velocidad del circuito de corriente principal a través de dispositivos de lógica digital de alta velocidad, extinguiendo el arco en 2 μs.

La aplicación de la fuente de alimentación pulsada también produce varios efectos de proceso: el tiempo de apagado absoluto del pulso es relativamente corto, y después de apagar la alimentación, la concentración de partículas cargadas no cae inmediatamente a cero sino que disminuye lentamente. Antes de que haya disminuido significativamente, llega el siguiente pulso, lo que resulta en una mayor concentración promedio de electrones y una mayor tasa de ionización; el efecto de cátodo hueco se suprime eficazmente; y debido a que la fuente de alimentación pulsada amplía el rango de ajuste de los parámetros del proceso de nitruración, con cada parámetro ajustable de forma independiente, puede mejorar la uniformidad de la cobertura de brillo en piezas de trabajo con formas superficiales complejas, mejorando así la calidad de la capa de infiltración y la suavidad de la superficie.

IV. Sistema de Control de Bucle Cerrado de Tres Parámetros

El sistema de control utiliza un controlador lógico programable y una pantalla táctil como centro de control principal. El PLC es una unidad de la serie FX3G con una capacidad de memoria de programa de 32K pasos, una velocidad de procesamiento de instrucciones básica 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. El control de flujo está configurado con un medidor de flujo másico dedicado para controlar el flujo de gas.

La ruta de implementación del bucle cerrado de presión es la 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 basados 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 ±1 Pa, mientras que 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.

El control de flujo emplea medidores de flujo másico japoneses 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 24V CC, con el circuito de alimentación interno aislado de los circuitos de entrada y salida.

V. Características Estructurales del Sistema del Cuerpo del Horno

El cuerpo del horno adopta una estructura vertical de campana, que consta de dos partes: la campana y la base. El cilindro de la campana adopta una estructura de doble pared refrigerada por agua y un sistema de refrigeración por agua multicanal para garantizar la uniformidad de la temperatura del horno. Se instalan seis capas de escudos térmicos de acero inoxidable 310S dentro del cilindro, y dos capas de escudos térmicos de acero inoxidable se instalan en la parte superior de la base del horno, lo que permite la operación a alta temperatura a largo plazo y un ahorro de energía significativo. Se agrega una capa de algodón aislante de silicato de aluminio con un espesor de 20 mm dentro de la capa aislante cerca de la pared del horno.

La placa del cátodo se apoya en la base del horno mediante tres juegos de mica fundida de alta calidad, con altura ajustable. La placa del cátodo está hecha de placa de acero inoxidable 310S con un espesor de no menos de 30 mm; el marco del accesorio de la bandeja de material que entra en contacto con la pieza de trabajo también está hecho de acero inoxidable 310S. El dispositivo de conexión del cátodo está diseñado como una conexión rígida para evitar problemas de sobrecalentamiento causados por acoplamientos rápidos sueltos.

Se introducen dos termopares desde la placa inferior del horno y se posicionan en el medio de la placa del 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. El centro de la base tiene un puerto de extracción de vacío y una entrada de cátodo, conectados por bridas, tubería de acero inoxidable de pared gruesa y fuelles de acero inoxidable, con sellado proporcionado por anillos de sellado de fluororrubero resistentes a altas temperaturas.

VI. Sistemas de Vacío y Gas

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 sistema está equipado con una bomba de paletas rotativas 2X15 como unidad de vacío. El conjunto de bomba incluye 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 Guangdong Xunda serie 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.

La medición de vacío emplea un transmisor de presión absoluta de diafragma capacitivo tipo ZJ-1C. Este medidor de vacío no se ve afectado por el tipo y la composición del medio medido, proporcionando una medición precisa y confiable, con el valor medido mostrado por un instrumento de visualización digital y participando en el control de presión del horno.

El sistema de distribución de gas se utiliza para controlar la introducción de gas de proceso en el horno, que consta de una fuente de gas, un medidor de flujo y las tuberías correspondientes. Los gases de proceso (como amoníaco) son proporcionados por el usuario, pasando a través de un medidor de flujo másico y luego introducidos en el cuerpo del horno a través de un tanque de mezcla dedicado de acuerdo con la fórmula del proceso. Las tuberías de gas están hechas de acero inoxidable, con cada línea de gas equipada con una válvula reductora de presión, una válvula de cierre manual, un filtro, un manómetro y una válvula solenoide.

VII. Sistema de Agua de Refrigeración

El sistema de agua de refrigeración adopta un método de refrigeración por circulación, con la fuente de agua proporcionada por la torre de refrigeración y la bomba de agua (responsabilidad del comprador). 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 para el ajuste de flujo individual. Todas las tuberías de agua de refrigeración, válvulas y accesorios adjuntos 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, y el sistema de control tomará las acciones de protección correspondientes. 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; en caso de un corte de energía o un corte de agua inesperado, el cuerpo del horno puede enfriarse con agua del grifo.

VIII. Lógica de Interbloqueo y Alarma de Seguridad

El sistema tiene funciones de alarma para sobretemperatura, sobrepresión, daño del termopar, falta de agua y pérdida de fase, con alarmas audibles y visuales y alarmas de interfaz de control, tomando acciones de protección correspondientes como prohibir el encendido, prohibir el calentamiento, cortar o reanudar el calentamiento según problemas específicos.

El sistema de control puede realizar autodiagnóstico de fallos del equipo, indicando a los usuarios que revisen y reparen los puntos de fallo correspondientes. Cuando ocurre un fallo, el sistema apaga automáticamente todas las válvulas. El sistema de vacío tiene funciones de arranque y parada secuenciales, equipado con un mecanismo de interbloqueo y enclavamiento mutuo completo, con todas las válvulas de tipo de cierre por corte de energía.