LDMCF-75+35使用说明书.doc

LDMCF75/35全自动辅助加热型脉冲离子氮化炉使用说明书武汉安德热处理设备有限公司武 汉 安 德 热 处 理 设 备 有 限 公 司使用设备前请务必仔细阅读本说明书一 简介该设备主要用于机械零件的离子氮化、离子氮碳共渗(软氮化)等离子化学热处理工艺，使机械零件表面改性，获得所需要的机械性能和物理化学性能。离子氮化是一种可以显著提高钢铁零件表面硬度、耐磨损、耐疲劳和耐腐蚀的化学热处理工艺。它具有渗速快，渗层性能好，工艺变形小以及耗气，耗电少等特点，是无污染，无公害的理想工艺。在国内外得到了广泛的重视，离子氮化工艺应用范围在不断扩大，如机床和工具制造、机车车辆、模具、动力设备制造、塑料机械、轻纺机械及钛合金零件等均在不同程度上使用了该技术，离子氮化设备在我国已成为热处理工部的常规设备。将欲处理零件置于真空炉体内，往炉内充以稀薄的含氮气体。零件接离子电源阴极，炉体接阳极，阴阳极间接数百伏脉冲直流电压。在真空条件下，由于电场作用，炉内稀薄气体被电离，氮离子定向撞击阴极，零件表面产生辉光放电并被加热。在一定气氛和一定温度下，零件表面复合、吸收氮原子，形成高浓度的含氮层并向心部扩散，经过一段时间，得到所需要的氮化层。二 离子氮化工艺对设备的要求2.1.真空度设备的真空炉体必须具有良好的密封性能,通过真空获得系统，能够得到工艺所需要的真空度。2.2.电绝缘零件(阴极)对阳极必须有良好的电绝缘，以保证工艺正常进行和设备安全。2.3.良好的灭弧性能在得到稳定的辉光放电前，零件表面不可避免地要产生弧光放电，就是辉光稳定后，也有辉光向弧光转变的情况。而弧光放电的特点是低电压、大电流放电，这就要求设备具有良好的灭弧性能，不至损坏零件和设备。2.4水冷却循环冷却水由电动水阀+电接点水温表等完成自动通断。真空炉体必须有循环水冷却，以免温度过高橡胶密封件受热损坏。2.5隔热保温真空炉体必须安装有隔热屏，一是为了节约电能，二是减少零件因热量散发而造成的温度不均匀。三 辅助加热型脉冲离子氮化设备主要技术指标供电电源： 三相380V、50HZ辉光脉冲频率： 1KHz辉光占空比： 1085%辉光输出直流电压： 01000V连续可调辉光最大输出峰值电流： 150 A辉光最大输出平均电流： 75 A辅助加热电压： 0110V连续可调辅助加热电流： 0160A连续可调控温精度： 1（稳态）控压精度： 1Pa（稳态）极限真空度： 6.67Pa压升率： 0.133Pa/min最大氮化工件面积： 7.5 m2 最大氮化工件重量： 1000Kg最高使用温度: 650四 脉冲离子氮化设备组成离子渗氮设备(见图1)由真空炉体，真空获得系统，测温系统，供气系统，辅助加热电源和LDMC型离子电源组成(LDMC型离子电源另作介绍)。4.1.真空炉体设备的真空炉体分井式（零件吊挂）、罩式（零件堆放）和综合式三种供用户选购。真空炉体是进行渗氮工艺的重要部分。真空炉体由炉顶盖，炉体，炉底盘构成。为了保护密封件不因高温变形而影响密封性能，炉体均设计为夹层，夹层间充以流动的冷却水。各密封面(槽)经过机械加工加装密封圈密封。炉体内部设有辐射屏。根据处理工件的要求，炉顶盖，炉底盘和炉体上分别有阴极输电、热电偶、供气、抽气、测压、观察窗等装置。4.1.1.阴极输电装置阴极输电装置（见图2）的作用是将阴极导入炉内与阴极盘相接。阴极应与炉壳绝缘，采用聚四氟乙烯和电木与炉体隔离，同时保证阴极输电装置与炉体的真空密封性。吊挂阴极由用户选定。阴极输电装置是炉体关键部位，气隙要合理，绝缘要可靠。气隙的深度为1520mm，宽度为1mm左右。图1 离子氮化炉设备构成4.1.2.观察窗炉体上设置有2个观察窗，以便观察炉体内工作情况。4.2.真空获得系统真空获得系统由机械真空泵、真空电磁阀、蝶阀、真空管道等组成，通过真空管道与炉体相接。机械真空泵使用前，需水冷的先应通冷却水。机械泵油应加至视窗的油标线位置。电动机皮带轮应按正确的方向旋转。真空电磁阀安装在机械真空泵上，同接一个电源，泵的开启和停止直接控制电磁阀的开通和关闭。泵开启时，阀门打开，接通抽气管道；泵停止时，不仅阀门关闭，同时电磁阀充气口打开向泵内充气，防止真空泵返油污染真空系统。设备真空管路上配有蝶阀，可调节气体抽量。设备配有电容薄膜式真空计，用以测量炉内气压，在进氨工作时，数显压力指示值。图2 阴极输电装置图3 测温系统4.3.测温系统测温系统由测温仪表和铠装热电偶组成。铠装热电偶与离子电源阴阳极绝缘，铠装热电偶顶端与零件距离一般为1520mm左右，放置位置应根据实际零件，经试验后确定。具体结构见图3所示。4.4.供气系统供气系统由氨瓶、减压器、质量流量计、输气管道等组成。氨瓶的液氨必须经过减压阀减压后方可使用。流量计是调节气源流量和气压的重要部件，要求密封性能好，调节灵活，输送气源管道尽量短为好。设备配有两只5L质量流量流量计，一只为氨气流量计，一只为渗碳气流量计，两种气体经过流量计按比例混合后通入炉内，可实现氮碳共渗(软氮化)工艺。 4.5.辅助加热系统辅助加热系统由辅助加热电源，电阻带，绝缘瓷片，电极杆等组成。辅助加热电源采用电流负反馈型三相交流控压（双向可控硅原边交流调压），具有可靠的短路，过流保护功能。加热电阻带采用三角形连结。五 LDMC型脉冲离子电源的组成LDMC型脉冲离子电源主要由整流电路、滤波电路、斩波电路、动作控制电路等组成。51整流电路整流电路包括整流变压器、三型全控整流电路、阻容吸收、续流二极管、LD4A型集成控制触发器等部分。5.1.1.整流变压器整流变压器B1容量为90KVA，原边为380V，付边两组365V，按Y0Y6、Y12接法。该变压器对交流供电和直流脉冲输出有隔离作用，同时能减小电网与整流电路的干扰，阻止高频谐波电流流入电网。5.1.2.三相全控整流电路为了降低可控硅的耐压要求，改善整流电路的纹波，减小对电网的影响，采用两组三相全控桥式整流电路的串联。它其有利用率高、功率因素好、脉动小、控制比较灵活等优点。5.1.3.阻容吸收在整流变压器原边突然接通或切断时，变压器付边由电阻R1R6及电容C1C6组成的吸收电路能抑制此时产生的振荡电压。在可控硅阴阳极两端由电阻R7R12、R14R19电容C7C12、C14C19组成保护电路。能保证可控硅换向和抑制可控硅积蓄效应产生的电压。5.1.4.续流二极管整流输出电路有电抗负载，续流二极管ZP1、ZP2能保证可控硅不受较大的反向电压和可控硅在电压过零时能关断。5.1.5.LD4B型集成触发控制器“LD4B型集成触发控制器”完成对三相全控整电路的触发和电压反馈控制，确保输出电压的稳定。该控制器面板中的“电源A、B、C”为工作电源指示灯，绿灯亮时表示三相电源正常。“触发A+、B+、C+、A-、B-、C-”为触发脉冲指示灯，红灯亮时表示A+、B+、C+、A-、B-、C-各相可控硅的触发脉冲正常。正常工作时，这六个触发指示灯应同时点亮或同时点熄灭。 “移相指示”指示可控硅的导通角的大小，“移相指示”全熄灭时可控硅不触发，触发指示灯熄灭，此时输出电压为零，“移相指示”全点亮时可控硅的导通角最大，触发指示灯点亮，此时输出电压最大（约1000V左右，具体大小与三相电源电压有关）。“触发给定”电位器用来调整输出电压的大小，逆时针旋到底时输出电压为零，此时该电位器左侧的“回零”指示灯点亮，顺时针旋到底时输出电压最大。“暂停/正常”开关处于“正常”位置时输出电压由“触发给定”电位器调整，处于“暂停”位置时输出电压为零，辉光熄灭，该开关主要用于目测工件温度。“内控/外控”开关无作用。5.2.滤波电路滤波电路由电抗器L1、L2和蓄能电容C21、C22组成，该电路能确保对斩波电路的供电纹波小、电压平滑。5.3.斩波电路斩波电路是LDMC型脉冲离子电源的核心，主要由斩波器和“LDMC3型脉冲电源控制器”构成。5.3.1斩波器斩波器由两只大功率、高反压的IGBT串联而成，每只IGBT都有由电阻、电容及快速二极管构成的保护电路，此电路通过抑制IGBT的电流变化率完成对IGBT的保护。斩波器电路上配置了二极管放电电路，可减小IGBT关断时因回路电感而产生的反向电压，实现对IGBT的保护。市场上IGBT器件的耐压不够高，一般采用两只IGBT串联方式。我公司生产斩波器电路采用独特的IGBT串联方式，从根本上避免了由于两只IGBT不同时导通而造成的IGBT过压击穿。5.3.2LDMC3型脉冲电源控制器“LDMC3型脉冲电源控制器”完成对斩波电路的控制，包括过电流检测保护、平均电流控制和炉内弧光保护和IGBT门极控制信号的控制。该触发控制器面板中的“电源指示”为工作电源指示灯，绿灯亮时表示工作电源正常。“峰值电流”表指示一个周期中IGBT导通期间的电流。“占空比”表指示占空比的大小（占空比的定义为：一个周期中高电平的持续时间与周期时间的比例）。“占空比给定”电位器调节占空比的大小，正常工作时占空比应在10%-85%之间变化。“内控/外控”选择开关选择占空比的控制方式，当该开关处于“内控”位置时占空比由“占空比给定”电位器调节，当该开关处于“外控”位置时占空比由温度控制仪表根据温度的偏差自动控制（但此时占空比的最大值由“占空比给定”电位器给定）。 “过流”指示灯亮时表示设备存在瞬间的过流，此时电源处于自动保护状态。“弧源”指示灯亮时表示设备存在打弧的现象，此时电源处于自动保护状态。“超温”指示灯亮时表示炉内工件的温度高于设定温度于允许范围之外，此时电源自动将占空比减小，以减小辉光电流，工件的温度会降低，以此实现超温控制。“过压降” 指示灯亮时表示出现IGBT导通时其饱和压降超过正常只值，此时电源处于自动保护状态。一般IGBT导通时其饱和压降比较低，约3V左右（与器件有关系），在导通电流比较大时，其饱和压降会升高。“保护”指示灯亮时，表示某些元件或线路的故障造成两只IGBT工作不平衡，电源处于自动保护状态，此保护不能自动退出，需按下”复位”键才能退出。“LDMC3型脉冲电源控制器”能在炉内出现弧光放电时有效灭弧，很好地保护工件和电器元件；即使出现阴阳短路时也能有效保护。为了限制辉光电流不超过额定允许值，该控制器中的平均电流控制电路能将最大输出电流限制在额定允许值。为了较好地控制氮化过程中工件的温度，“LDMC3型脉冲电源控制器”内设计了双重温控电路。当控制器面板上的“仪表/手动”开关置于“仪表”位时，由温度控制仪表经PID调节输出的420mA信号控制占空比大小（但此时占空比的最大值由“占空比给定”电位器给定），改变辉光电流大小，从而实现温度的闭环自动控制。当控制器面板上的“仪表/手动”开关置于“手动”位时，面板上的“占空比给定”旋钮控制占空比大小，改变辉光电流大小，从而实现温度的人工控制。无论控制器面板上的“仪表/手动”开关置于何位，温度控制仪表输出的超温报警开关信号（超温时信号接通），能启动“LDMC3型脉冲电源控制器”中的超温控制电路，此时“超温”指示灯点亮，占空比在原基础上下降约80%，辉光电流也同步下降，迫使工件温度下降；计算机输出的超温报警开关信号消失后，占空比又恢复到原来的大小，辉光电流也恢复到原来的大小，迫使工件温度上升，由此实现温度的另一种控制。5.4.限流电路为了限制IGBT导通后电流的上升率和出现弧光、阴阳极短路时有充分的检测时间，在回路中设计了限流空芯电感。为了减少因出现弧光时的过流保护，在回路中设计了电阻值很小的限流电阻。因其阻值很小，因此就更节能。5.5.动作控制该设备中的高压启、停，辅助加热启、停，真空泵启、停，斩波启、停，电动蝶阀通断，声光报警等动作的操作及控制由专用的PLC动作控制程序完成。该动作控制程序能实现各动作的自锁、互锁。具体操作见全自动脉冲离子电源计算机操作说明5.7.脉冲离子电源的配线脉冲离子氮化设备配置LDMC-75脉冲离子电源，供电电源使用25mm2铜芯线，地线使用6mm2铜芯线，整流变压器初级使用25mm2铜芯线，整流变压器次级使用16mm2铜芯线，炉体A和炉体B阴阳极使用16mm2铜芯线。六 辅助加热电源的组成辅助加热电源主要由交流调压电路、隔离变压器、控制电路等组成。6.1.电路说明可控硅KP31KP36构成交流调压电路，R50C50- R53C53回路用于可控硅的过电压保护。霍尔电流传感器La、Lb、Lc检测电流，送控制电路板完成恒流控制。隔离变压器完成隔离、降压、升流的作用。控制电路板是辅助加热电源的控制核心。电流通过霍尔传感器反馈到控制电路板，确保加热电流恒定在目标值上。6.2.操作说明当“加热控制方式”开关处于“手动”位置时，加热电流由面板上“加热电流给定”旋钮控制，调节旋钮加热电流可从0160A平滑可调（具体最大电流受电网电压和加热元件电阻偏差的影响）。当“加热控制方式”开关处于“自动”位置时，加热电流由计算机输出的信号控制，但最大电流由面板上“加热电流给定”旋钮控制。由于控制电路有加热停止时自动停止可控硅工作的保护电路和缓启动电路，按“加热启动”按钮启动加热电源时，“加热电流给定”旋钮不在最小位也不会产生启动冲击电流，不会出现冲击电流造成的过电流跳闸的现象。出现加热元件局部短路时，由于恒流控制的作用，电压加热会下降，加热电流出现某相上升、另两相下降但总电流不会上升的现象，此加热电源不会产生过流保护，加热电源能继续工作。因为出现严重的短路和器件故障时，会出现过电流现象，会出现过电流保护，此时“加热过流指示”灯点亮，加热电源停止工作，报警器会启动。此后即使过电流现象现象消失，“加热过流指示”仍继续点亮，直到人工按“加热过流复位”按钮后“加热过流指示”才熄灭，此时才能重新启动加热电源。6.3. 辅助加热电源的配线加热变压器初级使用16mm2铜芯线，加热变压器次级使用50mm2铜芯线，炉体加热电极连线使用50mm2铜芯线。七 可编程序控制器（PLC）及计算机系统7.1. 可编程序控制器包括三菱FX1N-40MR型可编程序控制器、模拟量输入单元FX2N-2AD、模拟量输出单元FX2N-2DA，模拟量输出单元FX2N-4DA。模拟量输入单元FX2N-2AD用于将温度、压力等模拟量输入到可编程序控制器，再通过串口送到计算机，由计算机完成运算控制。模拟量输出单元FX2N-4DA，FX2N-2DA，将计算机运算后的控制量变成流量、电压、占空比，辅助加热等模拟量，实现对现场物理量的控制。可编程序控制器是控制核心。7.2. 计算机系统计算机系统由研祥工控机，MCGS组态软件等组成。具体操作见全自动脉冲离子电源计算机操作说明八 脉冲离子氮化设备的操作8.1. 控制方式该控制系统共有两种控制方式：手动控制方式，半自动控制方式、计算机控制方式（全自动）。8.2.手动控制方式将“LD4B型集成触发控制器”的“内控/外控”开关处于“内控”位置，此时输出电压由“触发给定”电位器调整，输出电压01000V任意可调，操作人员可根据升温速度和保温工艺不同选择不同的电压。将辅助加热电源的 “加热控制方式”置于“手动”位置，此时加热电流由面板上“加热电流给定”旋钮控制，调节旋钮加热电流可从0160A平滑可调，操作人员可根据升温速度和保温工艺不同选择不同的加热电流。将“LDMC3型脉冲电源控制器”的“内控/外控”选择开关处于“内控”位置，占空比由“占空比给定”电位器调节，正常工作时占空比应在1085%之间变化。将“流量显示仪”的开关处于“阀控”位置，此时质量流量控制器的NH3和含C气流量由面板上的电位器调整，正常工作时在05L/Min可调。8.2.1.清洗零件氮化零件上不可避免带有油污、泥土、铁锈等脏物，必须清洗干净。清洗方法有两种：一是汽油清洗，零件清洗后自然晾干；二是用金属清洗剂清洗，清洗后用清水冲洗掉金属清洗剂残液，然后将零件烘干或自然晾干，不要将水带入炉内，以免影响炉内真空。零件清洗干净与否影响打弧时间长短和工艺能否正常进行，请一定注意。8.2.2.装炉打开手动放气阀，往炉内充入大气，待炉内外压力一致后将炉筒吊起，将零件摆放在阴极盘上。请事先根据零件的几何形状及技术要求设计零件在阴极上放置的方式，注意零件间隙及均匀性。用钢件屏蔽好零件上的小孔和狭缝，必要时采用合适的工装。对零件不需要氮化的部位用钢件屏蔽。认真选择热电偶测温位置。装炉完毕后，关闭手动放气阀，使真空炉体处于良好的密封状态。装炉时要切断电源，千万不要带电工作。8.2.3.抽真空将炉筒盖好，接通供电电源，开启“总控”开关，此时真空仪表、温度仪表、“LD4B型集成触发控制器”、“LDMC3型脉冲电源控制器”应有电源指示，“高压停止”、“真空泵停”、“真空泵停”、“斩波停止”按钮的红色指示灯点亮。按下“真空泵启”按钮和“真空泵启” 按钮，启动真空泵和真空泵，打开碟阀，对炉体抽真空。8.2.4.打弧升温在此阶段可根据需要选择辅助加热电源的电流。1.当真空度达到100 Pa左右时，将“LD4B型集成触发控制器”的“触发给定”旋钮左旋到零，此时其左边的小红色发光二极管被点亮。按“高压启动”按钮接通高压，缓慢右旋“触发给定”旋钮，电压应01000 V 平滑可调（此时应确定其“暂停/正常”开关处于“正常”位）。再次将“LD4B型集成触发控制器”的“触发给定”旋钮左旋到零。将“LDMC3型脉冲电源控制器”的“占空比给定”旋钮左旋到最小使占空比为10 %（此时应确定其“仪表/手动”开关处于“手动”位） ，按“斩波启动” 按钮，此时“斩波启动”按钮的绿色指示灯点亮，电源开始工作。缓慢右旋“LD4B型集成触发控制器”的“触发给定”旋钮，当“电压表”指示值达600V左右时，“LDMC3型脉冲电源控制器”的“峰值电流”仪表指示值加大，此时炉内零件会出现闪烁的弧光，“电流表”有相应指示。注：“LD4A型集成触发控制器”的“触发给定”旋钮回零时，其左边的小红色发光二极管被点亮，此时方可按“高压启动”、“斩波启动”、“斩波停止”按钮完成相应的操作，否则操作无效。2根据炉内弧光情况可慢慢加大输出电压，当输出电压达700V左右时，可慢慢加大“LDMC3型脉冲电源控制器”的“占空比给定”，增加斩波器的占空比，此时“电流表”的指示会慢慢加大。当炉内弧光很少，辉光比较稳定，可加大整流输出电压和斩波器的占空比，此时“电流表”指示加大，辉光电流加大。3适当地向炉体中加入氨气，此时应先将氨气减压阀低压侧压力调整为 0.10.2 MPa， 缓慢调整质量流量控制器面板上的电位器调整的NH3和含C气流量，正常工作时在05L/Min可调。视辉光稳定情况，调整整流输出电压或斩波器的占空比，调整氨气流量，以调整辉光电流，控制升温速度。炉体温度高于35，必须开通炉体的冷却水。8.2.5.保温在此阶段可根据需要选择辅助加热电源的电流。零件快到温时，要注意监视测温仪表，并用目测方法观察零件温度，防止零件超温。目测观察工件温度时将“LD4B型集成触发控制器”面板上的“暂停/正常”开关置于“暂停”位，此时整流电压自动回零，辉光熄灭。观察工件温度结束后，将此开关置到“正常”位，自动回到原工艺参数。当零件的温度接近工艺所需的温度时，调整流量计的流量(如氮碳共渗等工艺要调整好进气比例)，调整真空蝶阀开度，控制炉内真空度为工艺所需的真空度,调整整流输出电压和斩波器的占空比，控制炉内温度为工艺所需的温度。根据零件工艺要求在保温温度保温一定时间。8.2.6.停炉降温工件保温结束后，请关闭氨气罐和流量计，将“LD4B型集成触发控制器”的“触发给定”旋钮和“LDMC3型脉冲电源控制器”的“占空比给定”旋钮左旋到最小位置，按“斩波停止”按钮，按“高压停止”按钮，断开高压。按“辅助加热停止”按钮，断辅助加热电源。打开真空蝶阀，将炉内气压抽至极限真空，关碟阀，停真空泵。关闭总控开关。工件温度降至200左右，可以关冷却水。8.2.7出炉炉温降至150以下时，可起吊炉体取出工件。此时务必先手动打开放气阀，给炉体充入空气，待炉内外压力一致时方可起吊起炉体，否则会出现严重问题。8.3.计算机控制方式（全自动）将“自动控制方式”的开关处于“全自动”位置，此时全部工艺参数由计算机控制。将“LD4B型集成触发控制器”的“内控/外控”开关处于“外控”位置，此时输出电压由计算机控制。将“LDMC3型脉冲电源控制器”的“内控/外控”选择开关处于“外控”位置，此时占空比由计算机输出的420mA信号控制，但此时占空比的最大值由“占空比给定”电位器控制。将“流量控制方式”的开关处于“自动”位置，此时“质量流量控制器”的NH3和含C气流量由计算机控制，正常工作时在05L/Min可调。将“辅助加热控制方式”的开关处于“自动”位置，将“电动阀控制方式”的开关处于“自动”位置， 具体操作见全自动脉冲离子电源计算机操作说明8.4.半自动控制方式将“自动控制方式”的开关处于“半自动”位置，此时升温，保温，升压，保压由仪表控制。将“LD4B型集成触发控制器”的“内控/外控”开关处于“内控”位置，此时输出电压由“触发给定”旋钮控制。将“LDMC3型脉冲电源控制器”的“内控/外控”选择开关处于“外控”位置，此时占空比由温控表输出的420mA信号控制，但此时占空比的最大值由“占空比给定”电位器控制。将“流量控制方式”的开关处于“自动”位置，并将“流量显示仪”的开关处于“阀控”位置，此时“质量流量控制器”的NH3和含C气流量由压力仪表控制，正常工作时在05L/Min可调。九 注意事项1.操作前务必使电柜、炉体、真空泵、变压器可靠接地。2.务请阅读所配仪表说明书，按操作程序操作。3.不允许带电拔下或插入印刷电路板或插件。4.炉体的冷却水压力不得小于2/2，冷却水出水温度应低于50。5.供电电源电压不能高于额定电压110%。6.氨气减压阀低压侧压力不得大于 0.2 Mpa。7.在该设备使用过程中，尽可能使用低电压、大占空比的模式，这更有利于设备的稳定工作。8.起吊炉体时，务必先手动打开放气阀，给炉体充入空气，使炉内外压力一致。9.真空炉体在不继续工作时，请保持炉内真空，以减少锈蚀。10.炉体在使用一段时间后，应全面清洁一次隔热屏内侧和底盘，这有利于延长真空泵油的使用时间。真空泵油应定期更换。11计算机全自动控制时不能将开关拨至手动或内控，也不要转换到半自动控制。12质量流量显示仪上三档开关，工作时一定要处于阀控档。十 报警动作控制系统有多种提示及动作，报警类型可在计算机特定的窗口中查寻每种报警的过程、结果和解除方法见下表。报警的过程、结果及解除方法报警类型动 作解除方法缺错相来自LD-6A触发控制器的信号使继电器ZJ6动作：动作控制电路板、辅助加热控制电路停止工作。所有动作停止，按钮指示灯熄灭。查进电源相序及错相情况。查LD6A触发控制器的交流侧保险管是否损坏。辅助加热过流来自辅助加热控制电路