Wuxi Wondery Industry Equipment Co., Ltd

I. Project Background and Equipment Specifications This case study involves a fully automatic intelligent ion nitriding furnace, model WDL-IV-30A, employing a vertical single-bell-jar single-station structure. The equipment is capable of ion nitriding and soft ion nitriding of titanium alloys, alloy steels, mold steels, and stainless steels. The effective working zone of the furnace body measures 300 mm in diameter and 400 mm in height, with a maximum loading capacity of 100 kg. The common operating temperature range is 500 to 600°C, with a maximum operating temperature of 650°C. The ultimate vacuum degree is no greater than 6.7 Pa, the pressure rise rate is no greater than 5 Pa/h, and the time required to pump from atmospheric pressure to ultimate vacuum does not exceed 30 minutes. The furnace shell surface temperature rise does not exceed 55°C. In the model designation, IV represents the fourth-generation digital control system, 30 represents the maximum average current of the pulse power supply at 30 amperes, and A represents the fully automatic intelligent type. II. Physical Constraints of the Ion Nitriding Process Ion nitriding is conducted in a low-pressure gas discharge environment, and its volt-ampere characteristic curve is non-linear. Ion nitriding of metallic materials generally operates in the "abnormal discharge" segment of the volt-ampere characteristic curve, and the upper limit point G of this segment is a dangerous inflection point. Gas discharge, as a power source, presents a load with negative resistance characteristics. The workpiece, acting as the cathode, has its surface shape and surrounding environment (workpiece stacking) both affecting the surface current density. These physical characteristics determine that the ion power supply must overcome three technical difficulties. The first is arc discharge: when the workpiece surface is not clean, a non-conductive oil film can easily form. When charge accumulates on the surface to a certain extent, it breaks down and forms a momentary high-current discharge, producing high-energy sparks. If not cut off quickly, this will cause power failure and workpiece damage. The second is the hollow cathode effect: when workpieces have holes or slots, gaps between workpieces, or uneven bends, a critical state of glow discharge overlap occurs at certain gas pressures. This manifests as uneven glow discharge brightness across the workpiece surface, corresponding to uneven surface current density, causing uneven temperature distribution. The third is the coupling relationship between current density and gas pressure: gas pressure affects glow thickness, which in turn affects current density – higher pressure produces a thinner glow, beneficial for temperature uniformity; however, when pressure is high enough to uniformly cover all groove and hole surfaces, the current will greatly exceed the power required for workpiece insulation. III. Technical Response Logic of the Pulse Power Supply The pulse power supply configured for this equipment has an output frequency of 20,000 Hz, a square wave output waveform, an output voltage continuously adjustable from 0 to 900 V with no sudden jump above 200 V, a duty cycle continuously adjustable within the range of 10% to 85%, a maximum pulse output average current of 30 A, and an arc extinguishing time of no more than 2 μs. The duty cycle is defined as the ratio of on-time to pulse period. The average heating power equals the peak voltage multiplied by current, then multiplied by the duty cycle. The introduction of an adjustable duty cycle in the pulse power supply effectively resolves the contradiction between the average heating power and the threshold conditions required for workpiece processing – the essence of this contradiction being that, to satisfy the current density required for uniform glow coverage, the heating power may exceed the power required to maintain workpiece temperature, and duty cycle adjustment allows these two to be decoupled. Fast arc extinguishing is achieved by utilizing the principle of electromagnetic induction in the discharge circuit to rapidly detect the arcing signal (with almost no delay), then immediately controlling the high-speed electronic switch of the main current circuit through high-speed digital logic devices, extinguishing the arc within 2 μs. The application of the pulse power supply also yields several process effects: the absolute off-time of the pulse is relatively short, and after power is turned off, the concentration of charged particles does not immediately drop to zero but decreases slowly. Before it has decreased significantly, the next pulse arrives, resulting in a higher average electron concentration and increased ionization rate; the hollow cathode effect is effectively suppressed; and because the pulse power supply widens the adjustment range of nitriding process parameters, with each parameter independently adjustable, it can improve the uniformity of glow coverage on workpieces with complex surface shapes, thereby enhancing infiltration layer quality and surface smoothness. IV. Three-Parameter Closed-Loop Control System The control system uses a programmable logic controller and touch screen as the main control center. The PLC is an FX3G series unit with a program memory capacity of 32K steps, a basic instruction processing speed of 0.21 μs, and two high-speed communication interfaces (RS422 and USB). The touch screen is a 12-inch TFT LCD with a resolution of 1920×1080, four-wire resistive touch, a main frequency of 1 GHz, and pre-installed McgsPro configuration software. The system adopts a multi-task centralized management and distributed control fully digital architecture, capable of simultaneously achieving closed-loop control of three key parameters in ion nitriding: temperature control accuracy of ±1°C, pressure control accuracy of ±1 Pa, and flow control accuracy of ±0.5%. Temperature control employs Japanese Shimaden SRS13 series digital controllers with PID regulation, forming a temperature closed-loop regulation system with the temperature control circuit and thermocouple. Pressure control also employs Shimaden SRS13 digital controllers, forming a pressure closed-loop regulation system with a frequency converter and pressure sensor. Flow control is configured with one dedicated mass flow meter to control gas flow. The pressure closed-loop implementation path is as follows: the pressure transmitter measures furnace pressure and outputs a standard current signal to the digital controller. The controller performs PID calculations based on the set pressure value and real-time sampled values, then outputs a standard current signal to the frequency converter. By adjusting the vacuum pump motor speed, the pumping speed is adjusted, thereby keeping the furnace pressure constant at the process set value. This control method achieves a precision of ±1 Pa, while the combined use of the vacuum pump and frequency converter greatly reduces mechanical wear of the pump body during startup, and long-term low-speed operation can significantly extend service life. Flow control employs Japanese HORIBA S500 series mass flow meters, with a response time of less than 0.3 ±2% seconds from fully closed state to reaching the setpoint when control begins and when the setpoint is changed during control. The control range covers 1 to 100% full scale, operating from a single universal DC24V power supply, with the internal power circuit isolated from input and output circuits. V. Furnace Body System Structural Features The furnace body adopts a vertical bell-jar structure, consisting of two parts: the bell and the base. The bell cylinder adopts a water-cooled double-wall structure and multi-channel water cooling system to ensure furnace temperature uniformity. Six layers of 310S stainless steel heat shields are installed inside the cylinder, and two layers of stainless steel heat shields are installed on the upper part of the furnace base, enabling long-term high-temperature operation and significant energy savings. A layer of aluminum silicate insulation cotton with a thickness of 20 mm is added inside the insulation layer near the furnace wall. The cathode plate is supported on the furnace base by three sets of high-quality cast mica, with adjustable height. The cathode plate is made of 310S stainless steel plate with a thickness of no less than 30 mm; the material tray fixture frame that contacts the workpiece is also made of 310S stainless steel. The cathode connection device is designed as a rigid connection to avoid overheating problems caused by loose quick-connect couplings. Two thermocouples are introduced from the furnace bottom plate and positioned in the middle of the cathode plate to simulate the temperature measuring head. One is used for temperature control by the ion heating pulse power supply, and the other is connected to the alarm instrument for multi-directional temperature monitoring. The base center has a vacuum extraction port and a cathode inlet, connected by flanges, thick-walled stainless steel pipe, and stainless steel bellows, with sealing provided by high-temperature-resistant fluororubber sealing rings. VI. Vacuum and Gas Systems The vacuum system is used for pre-vacuuming of the furnace body and for atmosphere replacement and exhaust gas discharge during the nitriding process. The system is equipped with one 2X15 rotary vane pump as the vacuum unit. The pump set includes one electromagnetic vacuum pump with an inflation valve and one high-vacuum butterfly valve. The rotary vane pump is a Guangdong Xunda 2X series unit, resistant to process gas corrosion, controlled by a frequency converter, and equipped with a GI-50 high-vacuum butterfly valve as the main control valve. Vacuum measurement employs a ZJ-1C type capacitive diaphragm absolute pressure transmitter. This vacuum gauge is not affected by the type and composition of the measured medium, providing accurate and reliable measurement, with the measured value displayed by a digital display instrument and participating in furnace pressure control. The gas distribution system is used to control the introduction of process gas into the furnace, consisting of a gas source, flow meter, and corresponding pipelines. Process gases (such as ammonia) are provided by the user, passing through a mass flow meter and then introduced into the furnace body through a dedicated mixing tank according to the process formula. Gas pipelines are made of stainless steel, with each gas line equipped with a pressure reducing valve, manual shut-off valve, filter, pressure gauge, and solenoid valve. VII. Cooling Water System The cooling water system adopts a circulating cooling method, with the water source provided by the cooling tower and water pump (buyer's responsibility). Cooling water requirements: inlet water temperature not exceeding 31°C, inlet water pressure of 0.15 to 0.25 MPa, and total flow rate of 20 m³/h. Each cooling water branch is equipped with separate inlet and outlet valves for individual flow adjustment. All cooling water pipes, valves, and fittings attached to the equipment are made of stainless steel. An electrical contact pressure gauge is installed on the main inlet pipe for alarms in case of abnormal inlet pressure, and the control system will take corresponding protective actions. A backup water inlet valve is installed at the main water inlet pipe, connected to the user's tap water pipe – in the event of an unexpected power outage or water outage, the furnace body can be cooled by tap water. VIII. Safety Interlock and Alarm Logic The system has alarm functions for over-temperature, over-pressure, thermocouple damage, water shortage, and phase loss, with both audible and visual alarms and control interface alarms, taking corresponding protective actions such as prohibiting power-on, prohibiting heating, cutting off or resuming heating according to specific problems. The control system can realize self-diagnosis of equipment faults, prompting users to check and repair the corresponding fault points. When a fault occurs, the system automatically shuts off all valves. The vacuum system has sequential start and stop functions, equipped with a complete interlocking and mutual interlocking mechanism, with all valves being power-off shut-off type.

I. Contexte du projet et positionnement de l'application de l'équipement Cette étude de cas concerne une station de chauffage de poche utilisée pour le préchauffage des revêtements de poche après réparation et avant la réception de métal en fusion. La fonction principale de l'équipement est de fournir un chauffage doux et contrôlable du revêtement avant la coulée, afin de stabiliser le régime de température de coulée, de réduire les pertes de métal et d'assurer la répétabilité du processus. L'environnement d'exploitation est un atelier industriel, nécessitant un fonctionnement stable sur plusieurs cycles de chauffage. La station est conçue pour accueillir une poche conique d'une capacité de 1 tonne d'acier en fusion. La poche a un diamètre supérieur interne de 500 mm, un diamètre inférieur interne de 410 mm et une profondeur de 900 mm ; le diamètre supérieur externe est de 770 mm et la hauteur totale est de 1 050 mm. Ces dimensions établissent les conditions limites géométriques pour la disposition des éléments chauffants et la conception structurelle de la station – la cavité interne conique signifie que l'espacement radial des éléments chauffants varie le long de la direction de la hauteur, excluant la disposition conventionnelle utilisée pour les chambres de four cylindriques de diamètre égal. II. Exigences techniques relatives aux paramètres du système de chauffage L'équipement nécessite un chauffage électrique avec une puissance installée totale d'au moins 30 kW. Les éléments chauffants sont de type résistif, devant résister à un fonctionnement à haute température à long terme et à des charges thermiques cycliques. La température de chauffage maximale doit être d'au moins 800 °C, et la température de l'élément chauffant doit dépasser la température de travail du revêtement pour assurer une intensité de transfert de chaleur suffisante sans surchauffe localisée. Il existe des contraintes inhérentes entre ces paramètres : une température cible de revêtement de 800 °C signifie que la température de surface de l'élément chauffant doit être maintenue à un niveau plus élevé pour établir un différentiel de transfert de chaleur radiatif efficace. Si la charge de surface de l'élément est réglée trop haut, l'intensité du transfert de chaleur augmente mais la durée de vie de l'élément sous charge thermique cyclique est raccourcie ; si elle est réglée trop bas, le temps de chauffage est prolongé. Par conséquent, la sélection du matériau de l'élément et la conception de la charge de surface constituent le compromis technique principal de ce projet. III. Exigences en matière d'uniformité de température et de précision de contrôle Les exigences techniques spécifient deux indicateurs de température : une précision de contrôle de la stabilité de la température du système d'au moins ±10 °C, et un différentiel de température interne de la poche ne dépassant pas 50 °C. Un chauffage uniforme de la surface interne de la poche est requis sur toute la hauteur, ce qui signifie que le type et la position de disposition des éléments chauffants doivent être spécifiquement sélectionnés en conjonction avec la géométrie conique de la poche pour minimiser les gradients de température. Le défi de conception présenté par la structure conique est que la section inférieure a un diamètre plus petit tandis que la section supérieure a un diamètre plus grand. Si des éléments à tige droite suspendus verticalement étaient utilisés, l'espacement entre la section inférieure et le revêtement serait plus grand qu'en section supérieure, ce qui entraînerait une intensité de transfert de chaleur radiatif insuffisante au fond. Par conséquent, les éléments peuvent nécessiter une disposition segmentée ou une géométrie non standard pour compenser cette différence géométrique. Le système de contrôle doit être capable de fonctionner automatiquement selon une courbe de chauffage donnée, et permettre également un contrôle manuel des paramètres principaux. Le contrôle de la température est réalisé par une surveillance en temps réel des thermocouples, avec affichage des paramètres en temps réel sur le panneau d'exploitation. Le chauffage du revêtement doit être doux et contrôlable, éliminant les changements de température brusques – cette exigence pointe vers une fonction de limitation du taux de chauffage, ce qui signifie que le système de contrôle nécessite une capacité de contrôle de pente plutôt qu'une simple régulation de température marche/arrêt. IV. Exigences de conception structurelle et de sécurité L'unité de chauffage doit être insérable à l'intérieur de la poche et verrouillable en position de travail. Les éléments chauffants doivent avoir des structures de protection pour éviter les dommages mécaniques et le contact avec le revêtement, tels qu'une grille de protection en acier résistant à la chaleur ou des manchons de protection. Cette exigence découle des conditions d'exploitation réelles : lors du levage et du positionnement de la poche, il existe un écart de position, et sans protection, les éléments pourraient être endommagés par collision avec le revêtement ou la paroi de la poche. Le routage des câbles et les points de connexion doivent être construits à partir de matériaux résistants aux hautes températures adaptés au fonctionnement à haute température. La structure de l'équipement doit faciliter la maintenance, permettant le remplacement des éléments chauffants sans démontage complet – un indicateur de disponibilité important, car les éléments chauffants sont des consommables périodiques et la facilité de remplacement affecte directement le temps d'arrêt de l'équipement. Les exigences de sécurité comprennent des dispositifs de protection contre les courts-circuits, les surcharges et les fuites, ainsi que des fonctions de sécurité d'arrêt d'urgence, de protection contre les surchauffes et d'interverrouillage en cas de conditions anormales. Les zones dangereuses doivent être dotées de protections structurelles pour empêcher l'accès accidentel du personnel. L'équipement doit être mis à la terre conformément au code, sans pièces sous tension accessibles dans des conditions de fonctionnement normales. La portée de la protection couvre trois catégories de risques : blessures par courant électrique, blessures par haute température et blessures par des pièces d'équipement en mouvement et en rotation. V. Adaptabilité environnementale et conditions d'alimentation électrique L'équipement est alimenté par AC 380V, 50Hz. La plage de température de l'environnement d'exploitation est de +5°C à +40°C. La structure de l'équipement doit être résistante à la poussière, aux vibrations et à d'autres facteurs typiques des conditions de production métallurgique. Cette exigence environnementale impose des contraintes sur le degré de protection et la méthode de refroidissement de l'armoire de commande électrique – l'environnement poussiéreux et vibrant d'un atelier métallurgique ne convient pas aux structures de refroidissement ouvertes conventionnelles. VI. Portée de la fourniture et exigences en matière de documentation La portée de la fourniture comprend la station de chauffage complète, comprenant les éléments chauffants, l'armoire de commande, le système de mesure de température et les câbles de connexion. La complétude de la fourniture doit garantir que l'équipement peut être mis en service directement sans achat supplémentaire de composants majeurs. La documentation technique comprend le manuel d'utilisation, les schémas électriques, les dessins d'assemblage généraux et les instructions d'installation, suffisants pour assurer le fonctionnement sûr et la maintenance de l'équipement. VII. Durée de vie et exigences de support technique La période de garantie est d'au moins 12 mois à compter de la date de mise en service. Pendant la période de garantie, les défauts et vices imputables au fabricant seront rectifiés par le fournisseur. Dans des conditions d'exploitation conformes, la durée de vie de l'équipement est d'au moins 5 ans. L'équipement doit atteindre la température de chauffage définie dans un délai de processus raisonnable convenu avec le client, et assurer la stabilité des paramètres sur plusieurs cycles de chauffage pour un fonctionnement répétable du processus. Le système de contrôle doit avoir une fiabilité élevée et une résistance aux interférences industrielles. La portée du support technique comprend la consultation technique opérationnelle, les recommandations de configuration des modes de fusion et l'assistance technique en cas d'urgence.

I. Caractéristiques du projet et spécifications des équipements Cette étude de cas concerne un four à séchage rapide vertical en alliage d'aluminium avec une zone de travail efficace de 1200 × 1200 × 1100 mm (diamètre × hauteur).Il s'agit d'un four de chauffage à résistance à cycle utilisé principalement pour le traitement des solutions et l'éteinte rapide des pièces moulées et des plaques en alliage d'aluminiumL'équipement a une puissance nominale de 135 kW, une tension nominale de 380 V à trois phases de 50 Hz et une température nominale de 650 °C avec température de fonctionnement réglable. Le positionnement structurel de cet équipement diffère des fours d'extinction classiques de type boîte: les pièces sont suspendues à l'intérieur du four.et le réservoir d'extinction est situé directement sous le corps du fourAprès l'ouverture de la porte du four, la pièce peut tomber directement dans l'eau. Cette disposition verticale est la base physique pour un transfert rapide. II. Contrôle de la température et conception des zones Le système de contrôle de la température utilise une architecture à deux niveaux. Le niveau supérieur est un écran tactile de 10 pouces responsable du réglage, du contrôle, de la surveillance, de l'enregistrement,et stockage des courbes du processus de traitement thermiqueLe niveau inférieur utilise des régulateurs de température PID industriels Eurotherm 3504 avec une précision de contrôle de ±1°C et une uniformité de température du four à ±3°C pendant la phase de rétention. Les zones de chauffage sont configurées en 2 zones reliées en configuration étoile.alarme sonore et visuelle de surchauffeLe régulateur de température dispose d'une fonction d'auto-ajustement en ligne qui calcule les paramètres PID optimaux en fonction des caractéristiques thermiques réelles du four,taux de chauffage de compensation contre les dépassements. III. Configuration du revêtement du four et de l'élément chauffant La doublure du four utilise du coton à fibres réfractaires standard, les murs et le toit étant construits en structures entièrement en fibres avec une épaisseur d'isolation totale d'au moins 240 mm.Les blocs pliés en fibres subissent une précompression secondaire avant l'installation, atteignant une densité de compression d'au moins 230 kg/m3, et sont fixés à la coque du toit du four avec des barres rondes en acier inoxydable.,Les composants de fixation sont estampillés à partir de tôles d'acier inoxydable 1Cr18Ni9Ti. Les éléments de chauffage sont des bandes de résistance en alliage 0Cr25Al5, pressées avec des moules dédiés pour éviter les dommages du traitement.permettant une maintenance et un remplacement pratiques et rapides- lors de l'installation, des éclaboussures en céramique sont placées entre la paroi de fibre et la bande de résistance pour éviter tout contact direct entre la surface de fibre et la bande,augmentant ainsi la dissipation de chaleur de la bandeLes vis en céramique et les rondelles sont toutes deux fabriquées à partir d'un matériau à haute teneur en alumine et frottées à haute température pour assurer une résistance et une durée de vie suffisantes.Les bandes de résistance sont suspendues autour de la chambre du fourLes éléments de chauffage utilisent une connexion étoilée, avec une charge de surface contrôlée inférieure à 1.6 W/cm2 ¢ une valeur inférieure à la limite de conception conventionnelle pour les bandes de résistance, destinés à prolonger la durée de vie des éléments en fonction de cycles de chauffage et de refroidissement fréquents. IV. Système de circulation de l'air chaud et de guidage de l'air Un ventilateur de circulation résistant aux hautes températures de 7,5 kW est installé sur le toit du four.avec roulements refroidis par air pour accueillir l'environnement de toit à haute températureLe capot de guidage de l'air maximise la composante longitudinale de la force centrifuge générée par le ventilateur, pressant l'air chaud vers le bas.L'air passe ensuite par la pièce à usiner et est ramené dans l'entrée du ventilateur par le bas, formant une boucle de circulation fermée.Cette trajectoire de flux d'air assure l'uniformité du champ de température à l'intérieur de la chambre du four et est une conception de support pour la méthode de chargement par suspension , permettant le passage de l'air. V. Mecanisme de levage du panier et de verrouillage de la porte du four Le mécanisme de levage du panier est constitué d'un treuil électrique, d'une chaîne de levage à anneaux et de blocs de poulies.Le treuil est une unité électriquement contrôlée à double vitesse avec une vitesse de câble allant jusqu'à 18 mètres par minute, répondant à l'exigence d'une descente rapide dans l'eau; la phase de montée utilise une vitesse lente pour réduire l'impact d'inertie lorsque la pièce et le panier entrent dans le four.Le treuil est équipé d'un système de commande de l'inclinaison et d'un dispositif d'auto-verrouillage.Le système de poulie est installé sur la partie supérieure du corps du four.composé de 4 poulies et de 4 ensembles de roulements, assurant un levage et un abaissement fluides du panier. La porte du four est située au bas du corps du four et se déplace latéralement, avec des rails de guidage sur le côté pour maintenir le mouvement horizontal.Lors de la fermeture, le cylindre pousse la porte à la position fermée et continue à exercer la pression, en soulevant la porte vers le haut via un mécanisme de levier sur le côté pour la pousser fermement contre le corps du four.Le mécanisme de levage et le mécanisme de la porte du four sont verrouillés: le mécanisme de levage ne peut être alimenté et utilisé qu'après ouverture complète de la porte du four (à ce moment-là, l'alimentation de l'élément chauffant a été coupée).Cette logique de verrouillage empêche les dommages de l'équipement de dysfonctionnement lorsque la porte n'est pas ouverte. VI. Temps de transfert d'extinction et réservoir d'extinction Le temps de transfert d'extinction est défini comme le temps entre l'ouverture de la porte du four et l'immersion complète de la pièce en eau, avec une exigence de conception ne dépassant pas 10 secondes.Ce paramètre est essentiel pour le processus de traitement de la solution d'alliage d'aluminium, plus la vitesse de refroidissement est élevée dans la plage sensible à l'éteinte, et plus l'effet de renforcement du vieillissement est bon. Le réservoir d'extinction est de construction mobile, entraîné par un moteur de 2,2 kW. Deux pompes de circulation de 3 kW sont installées dans le réservoir pour agiter continuellement l'eau pendant l'extinction,maintenir une température d'eau uniforme et accélérer le transfert de chaleur de la surface de la pièceLe réservoir est soudé à partir d'une plaque d'acier d'une épaisseur de 5 mm et testé pour l'étanchéité.avec la section avant servant de zone de table de travail du cadre de matériau et la section arrière servant de réservoir d'eau, avec trois ensembles de roues (un ensemble étant des roues motrices). VII. Séquence d'action du processus La séquence d'action complète de l'équipement est la suivante: manual loading → quenching cart moves to below the furnace body → furnace door opens → material frame lifting mechanism descends → manual hooking → material frame rises → furnace door closes → heating and holding according to process time → solution treatment ends → stirring water pump starts → furnace door opens → material frame descends → material frame rapidly enters water for quenching → material frame rises → quenching cart exits → material frame descends → manual unhooking followed by return to furnace opening → furnace door closes → manual unloading → next cycle begins.