I. Antecedentes do Projeto e Especificações do Equipamento
Este estudo de caso envolve um forno de nitretação iônica inteligente totalmente automático, modelo WDL-IV-30A, empregando uma estrutura vertical de estação única e campânula única. O equipamento é capaz de nitretação iônica e nitretação iônica macia de ligas de titânio, aços-liga, aços para moldes e aços inoxidáveis.
A zona efetiva de trabalho do corpo do forno mede 300 mm de diâmetro e 400 mm de altura, com capacidade de carga máxima de 100 kg. A faixa de temperatura operacional comum é de 500 a 600°C, com temperatura operacional máxima de 650°C. O grau de vácuo final não é superior a 6,7 Pa, a taxa de aumento de pressão não é superior a 5 Pa/h e o tempo necessário para bombear da pressão atmosférica até o vácuo final não excede 30 minutos. O aumento da temperatura da superfície do forno não excede 55°C.
Na designação do modelo, IV representa o sistema de controle digital de quarta geração, 30 representa a corrente média máxima da fonte de alimentação de pulso a 30 amperes e A representa o tipo inteligente totalmente automático.
II. Restrições físicas do processo de nitretação iônica
A nitretação iônica é conduzida em um ambiente de descarga de gás de baixa pressão e sua curva característica volt-ampere não é linear. A nitretação iônica de materiais metálicos geralmente opera no segmento de "descarga anormal" da curva característica volt-ampere, e o ponto limite superior G deste segmento é um ponto de inflexão perigoso. A descarga de gás, como fonte de energia, apresenta uma carga com características de resistência negativa. A peça de trabalho, atuando como cátodo, tem seu formato de superfície e o ambiente circundante (empilhamento da peça), ambos afetando a densidade de corrente superficial.
Estas características físicas determinam que a fonte de alimentação iônica deve superar três dificuldades técnicas. A primeira é a descarga do arco: quando a superfície da peça não está limpa, uma película de óleo não condutora pode facilmente se formar. Quando a carga se acumula na superfície até certo ponto, ela se decompõe e forma uma descarga momentânea de alta corrente, produzindo faíscas de alta energia. Se não for cortado rapidamente, isso causará falha de energia e danos à peça de trabalho. O segundo é o efeito de cátodo oco: quando as peças de trabalho têm furos ou ranhuras, lacunas entre as peças de trabalho ou curvas irregulares, ocorre um estado crítico de sobreposição de descarga luminosa em certas pressões de gás. Isso se manifesta como brilho desigual de descarga luminosa em toda a superfície da peça, correspondendo à densidade irregular da corrente superficial, causando distribuição desigual de temperatura. A terceira é a relação de acoplamento entre a densidade da corrente e a pressão do gás: a pressão do gás afecta a espessura do brilho, que por sua vez afecta a densidade da corrente – uma pressão mais elevada produz um brilho mais fino, benéfico para a uniformidade da temperatura; entretanto, quando a pressão é alta o suficiente para cobrir uniformemente todas as superfícies de ranhuras e furos, a corrente excederá em muito a potência necessária para o isolamento da peça.
III. Lógica de Resposta Técnica da Fonte de Alimentação Pulsada
A fonte de alimentação de pulso configurada para este equipamento possui frequência de saída de 20.000 Hz, forma de onda de saída de onda quadrada, tensão de saída continuamente ajustável de 0 a 900 V sem salto repentino acima de 200 V, ciclo de trabalho continuamente ajustável na faixa de 10% a 85%, corrente média máxima de saída de pulso de 30 A e tempo de extinção de arco não superior a 2 μs.
O ciclo de trabalho é definido como a relação entre o tempo de ativação e o período de pulso. A potência média de aquecimento é igual à tensão de pico multiplicada pela corrente e depois multiplicada pelo ciclo de trabalho. A introdução de um ciclo de trabalho ajustável na fonte de alimentação de pulso resolve efetivamente a contradição entre a potência média de aquecimento e as condições limite necessárias para o processamento da peça - a essência desta contradição é que, para satisfazer a densidade de corrente necessária para uma cobertura de brilho uniforme, a potência de aquecimento pode exceder a potência necessária para manter a temperatura da peça, e o ajuste do ciclo de trabalho permite que estes dois sejam dissociados.
A extinção rápida do arco é obtida utilizando o princípio da indução eletromagnética no circuito de descarga para detectar rapidamente o sinal de arco (quase sem atraso) e, em seguida, controlando imediatamente o interruptor eletrônico de alta velocidade do circuito de corrente principal através de dispositivos lógicos digitais de alta velocidade, extinguindo o arco dentro de 2 μs.
A aplicação da fonte de alimentação de pulso também produz vários efeitos de processo: o tempo absoluto de desligamento do pulso é relativamente curto e, depois que a energia é desligada, a concentração de partículas carregadas não cai imediatamente para zero, mas diminui lentamente. Antes de diminuir significativamente, chega o próximo pulso, resultando em uma concentração média de elétrons mais alta e em uma taxa de ionização aumentada; o efeito do cátodo oco é efetivamente suprimido; e como a fonte de alimentação de pulso amplia a faixa de ajuste dos parâmetros do processo de nitretação, com cada parâmetro ajustável de forma independente, ela pode melhorar a uniformidade da cobertura de brilho em peças de trabalho com formatos de superfície complexos, melhorando assim a qualidade da camada de infiltração e a suavidade da superfície.
4. Sistema de controle de malha fechada de três parâmetros
O sistema de controle usa um controlador lógico programável e tela sensível ao toque como centro de controle principal. O PLC é uma unidade da série FX3G com capacidade de memória de programa de 32K passos, velocidade de processamento de instruções básicas de 0,21 μs e duas interfaces de comunicação de alta velocidade (RS422 e USB). A tela sensível ao toque é um LCD TFT de 12 polegadas com resolução de 1920 × 1080, toque resistivo de quatro fios, frequência principal de 1 GHz e software de configuração McgsPro pré-instalado.
O sistema adota um gerenciamento centralizado multitarefa e uma arquitetura totalmente digital de controle distribuído, capaz de alcançar simultaneamente o controle de circuito fechado de três parâmetros-chave na nitretação iônica: precisão de controle de temperatura de ±1°C, precisão de controle de pressão de ±1 Pa e precisão de controle de fluxo de ±0,5%.
O controle de temperatura emprega controladores digitais japoneses da série Shimaden SRS13 com regulação PID, formando um sistema de regulação de circuito fechado de temperatura com o circuito de controle de temperatura e o termopar. O controle de pressão também emprega controladores digitais Shimaden SRS13, formando um sistema de regulação de pressão em circuito fechado com conversor de frequência e sensor de pressão. O controle de fluxo é configurado com um medidor de fluxo de massa dedicado para controlar o fluxo de gás.
O caminho de implementação do circuito fechado de pressão é o seguinte: o transmissor de pressão mede a pressão do forno e emite um sinal de corrente padrão para o controlador digital. O controlador executa cálculos PID com base no valor de pressão definido e nos valores amostrados em tempo real e, em seguida, emite um sinal de corrente padrão para o conversor de frequência. Ao ajustar a velocidade do motor da bomba de vácuo, a velocidade de bombeamento é ajustada, mantendo assim a pressão do forno constante no valor definido pelo processo. Este método de controle atinge uma precisão de ± 1 Pa, enquanto o uso combinado da bomba de vácuo e do conversor de frequência reduz bastante o desgaste mecânico do corpo da bomba durante a inicialização, e a operação em baixa velocidade a longo prazo pode prolongar significativamente a vida útil.
O controle de fluxo emprega medidores de fluxo de massa japoneses da série HORIBA S500, com um tempo de resposta inferior a 0,3 ±2% segundos desde o estado totalmente fechado até atingir o ponto de ajuste quando o controle começa e quando o ponto de ajuste é alterado durante o controle. A faixa de controle cobre 1 a 100% da escala completa, operando a partir de uma única fonte de alimentação universal DC24V, com o circuito de alimentação interno isolado dos circuitos de entrada e saída.
V. Características estruturais do sistema do corpo do forno
O corpo do forno adota uma estrutura vertical em forma de campânula, composta por duas partes: a campânula e a base. O cilindro de sino adota uma estrutura de parede dupla resfriada a água e um sistema de resfriamento de água multicanal para garantir a uniformidade da temperatura do forno. Seis camadas de proteção térmica de aço inoxidável 310S são instaladas dentro do cilindro, e duas camadas de proteção térmica de aço inoxidável são instaladas na parte superior da base do forno, permitindo operação em alta temperatura a longo prazo e economia significativa de energia. Uma camada de algodão isolante de silicato de alumínio com espessura de 20 mm é adicionada dentro da camada isolante próxima à parede do forno.
A placa catódica é apoiada na base do forno por três conjuntos de mica fundida de alta qualidade, com altura ajustável. A placa catódica é feita de placa de aço inoxidável 310S com espessura não inferior a 30 mm; a estrutura de fixação da bandeja de material que entra em contato com a peça de trabalho também é feita de aço inoxidável 310S. O dispositivo de conexão catódica é projetado como uma conexão rígida para evitar problemas de superaquecimento causados por acoplamentos de conexão rápida soltos.
Dois termopares são introduzidos na placa inferior do forno e posicionados no meio da placa catódica para simular a cabeça de medição de temperatura. Um é usado para controle de temperatura pela fonte de alimentação de pulso de aquecimento iônico e o outro é conectado ao instrumento de alarme para monitoramento multidirecional de temperatura. O centro da base possui uma porta de extração a vácuo e uma entrada de cátodo, conectadas por flanges, tubo de aço inoxidável de parede espessa e fole de aço inoxidável, com vedação fornecida por anéis de vedação de borracha fluorada resistentes a altas temperaturas.
VI. Sistemas de Vácuo e Gás
O sistema de vácuo é utilizado para pré-aspiração do corpo do forno e para reposição de atmosfera e descarga de gases de exaustão durante o processo de nitretação. O sistema está equipado com uma bomba de palhetas rotativas 2X15 como unidade de vácuo. O conjunto de bombas inclui uma bomba de vácuo eletromagnética com uma válvula de enchimento e uma válvula borboleta de alto vácuo. A bomba de palhetas rotativas é uma unidade da série Guangdong Xunda 2X, resistente à corrosão de gases de processo, controlada por um conversor de frequência e equipada com uma válvula borboleta de alto vácuo GI-50 como válvula de controle principal.
A medição de vácuo emprega um transmissor de pressão absoluta de diafragma capacitivo tipo ZJ-1C. Este medidor de vácuo não é afetado pelo tipo e composição do meio medido, proporcionando medição precisa e confiável, com o valor medido exibido por um instrumento de exibição digital e participando do controle de pressão do forno.
O sistema de distribuição de gás é utilizado para controlar a introdução do gás de processo no forno, composto por uma fonte de gás, medidor de vazão e tubulações correspondentes. Gases de processo (como amônia) são fornecidos pelo usuário, passando por um medidor de vazão mássica e depois introduzidos no corpo do forno através de um tanque de mistura dedicado de acordo com a fórmula do processo. Os gasodutos são feitos de aço inoxidável, sendo cada linha de gás equipada com válvula redutora de pressão, válvula de corte manual, filtro, manômetro e válvula solenóide.
VII. Sistema de água de resfriamento
O sistema de água de resfriamento adota um método de resfriamento circulante, sendo a fonte de água fornecida pela torre de resfriamento e bomba d'água (responsabilidade do comprador). Requisitos de água de resfriamento: temperatura da água de entrada não superior a 31°C, pressão da água de entrada de 0,15 a 0,25 MPa e vazão total de 20 m³/h. Cada ramo de água de resfriamento é equipado com válvulas de entrada e saída separadas para ajuste individual do fluxo. Todas as tubulações, válvulas e conexões de água de resfriamento fixadas ao equipamento são feitas de aço inoxidável.
Um manômetro de contato elétrico é instalado no tubo de entrada principal para alarmes em caso de pressão de entrada anormal, e o sistema de controle tomará as ações de proteção correspondentes. Uma válvula de entrada de água de reserva é instalada na tubulação principal de entrada de água, conectada à tubulação de água encanada do usuário - no caso de uma queda inesperada de energia ou falta de água, o corpo do forno pode ser resfriado com água da torneira.
VIII. Intertravamento de segurança e lógica de alarme
O sistema possui funções de alarme para sobretemperatura, sobrepressão, danos ao termopar, falta de água e perda de fase, com alarmes sonoros e visuais e alarmes de interface de controle, tomando ações de proteção correspondentes, como proibir ligar, proibir aquecimento, desligar ou retomar o aquecimento de acordo com problemas específicos.
O sistema de controle pode realizar o autodiagnóstico de falhas do equipamento, solicitando aos usuários que verifiquem e reparem os pontos de falha correspondentes. Quando ocorre uma falha, o sistema desliga automaticamente todas as válvulas. O sistema de vácuo possui funções de partida e parada sequenciais, equipado com um mecanismo completo de intertravamento e intertravamento mútuo, sendo todas as válvulas do tipo desligamento e desligamento.