I. 프로젝트 배경 및 장비 사양
본 사례 연구는 수직 단일 벨 자국 단일 스테이션 구조를 채택한 완전 자동 지능형 이온 질화로, 모델 WDL-IV-75A를 다룹니다. 이 장비는 합금강, 금형강, 스테인리스강의 이온 질화 및 연질 이온 질화를 수행할 수 있습니다.
로 본체의 유효 작업 영역은 직경 600mm, 높이 800mm이며, 최대 적재 용량은 400kg입니다. 일반적인 작동 온도 범위는 500~600°C이며, 최대 작동 온도는 650°C를 초과하지 않습니다. 최종 진공도는 6.7Pa 이하, 압력 상승 속도는 5Pa/h 이하이며, 대기압에서 최종 진공까지 배기하는 데 걸리는 시간은 30분을 초과하지 않습니다. 로 쉘 표면 온도 상승은 55°C를 초과하지 않습니다.
모델 명칭에서 IV는 4세대 디지털 제어 시스템을, 75는 펄스 전원 공급 장치의 최대 평균 전류를 75암페어로, A는 완전 자동 지능형 유형을 나타냅니다.
II. 대용량 챔버와 전원 공급 용량 간의 일치 관계
30A 모델부터 75A 모델까지 펄스 전원 공급 장치의 최대 평균 전류는 1.5배 증가하는 반면, 유효 챔버 부피는 약 28리터에서 약 226리터로 약 8배 확장됩니다. 이 비례적이지 않은 변화는 이온 질화 장비의 설계 원리를 보여줍니다. 즉, 챔버 부피 확장은 전원 공급 전류가 부피에 비례하여 증가할 필요가 없다는 것입니다. 왜냐하면 이온 질화의 가열 전력은 챔버 공간 부피보다는 주로 공작물 표면적과 필요한 전류 밀도에 의존하기 때문입니다.
제안서에 명시된 이상 글로우 방전 전류 밀도 범위는 0.1~5mA/cm²입니다. 이 범위에 따르면, 400kg의 적재 용량과 상대적으로 큰 표면적을 가진 공작물 조합의 경우, 75A의 최대 평균 전류는 지지 가능한 공작물 표면적의 상한선에 대한 명확한 설계 여유를 제공합니다. 한편, 펄스 전원 공급 장치 출력 전압은 0~800V까지 연속적으로 조절 가능하며 200V 이상에서는 급격한 점프가 없고, 듀티 사이클은 10%~85% 범위 내에서 연속적으로 조절 가능합니다.
III. 펄스 전원 공급 장치의 듀티 사이클 조정 로직
전원으로서의 가스 방전은 음성 저항 특성을 가진 부하를 제시합니다. 음극 역할을 하는 공작물은 표면 형상과 적층 방식 모두 표면 전류 밀도에 영향을 미칩니다. 이온 질화에는 최소 임계 조건이 있습니다. 균일한 글로우 커버리지에 필요한 전류 밀도를 만족시키기 위해 가열 전력이 공작물 온도를 유지하는 데 필요한 전력을 초과할 수 있습니다. 이 모순은 특히 얇은 벽의 가벼운 공작물에서 두드러집니다.
펄스 전원 공급 장치가 조절 가능한 듀티 사이클을 도입한 후, 평균 가열 전력은 피크 전압에 전류를 곱한 다음 듀티 사이클을 곱한 값과 같습니다. 듀티 사이클을 줄임으로써, 글로우 커버리지를 유지하기에 충분한 피크 전압을 유지하면서 평균 가열 전력을 낮출 수 있으며, 따라서 앞서 언급한 모순을 해결할 수 있습니다. 이 메커니즘은 이 시리즈 장비가 무거운 공작물과 얇고 가벼운 공작물을 동시에 처리할 수 있는 핵심 이유입니다.
고속 아크 소호 구현 경로는 다음과 같습니다. 방전 회로의 전자기 유도 원리를 이용하여 아킹 신호를 신속하게 감지한 다음, 고속 디지털 로직 장치를 통해 주 전류 회로의 고속 전자 스위치를 즉시 제어하여 2μs 이내에 아크를 소호합니다.
IV. 대용량 로 본체의 단열 및 온도 균일성 설계
벨 실린더는 수냉식 이중벽 구조와 다중 채널 수냉 시스템을 채택하여 로 온도 균일성을 보장합니다. 실린더의 내부 단열 라이너는 스테인리스강으로 만들어졌으며, 내부 및 외부 실린더 벽은 고품질 탄소강판으로 만들어졌습니다.
로 본체에는 각각 두께 2mm인 304 스테인리스강 열 차폐층이 두 개 장착되어 있으며, 로 바닥판 상부에도 304 스테인리스강 열 차폐층이 두 개 설치되어 있습니다. 이전 사례의 6층 열 차폐 구성과 비교하면 이 모델은 열 차폐층이 적습니다. 이 차이는 챔버 부피 대 표면적 비율의 변화에서 비롯됩니다. 대용량 챔버는 상대적으로 작은 열 방출 면적을 가지며, 열 손실 비율이 이에 따라 감소하므로 장기간 고온 작동을 보장하면서 단열층 수를 적절하게 줄일 수 있습니다.
음극판은 로 베이스에 3세트의 고품질 주조 운모로 지지되며 높이 조절이 가능합니다. 음극판은 두께 30mm 이상의 탄소강판으로 만들어졌으며, 공작물과 접촉하는 재료 트레이 고정 프레임도 고품질 탄소강으로 만들어졌습니다. 음극 연결 장치는 느슨한 퀵 커넥터로 인한 과열 문제를 피하기 위해 단단한 연결로 설계되었습니다. 음극 구조는 음극 PTFE 절연, 음극 절연 운모, 음극 도체 연결 소켓, 음극 연결 피팅 및 M10 스터드 볼트 고정 연결 케이블 러그를 포함합니다.
두 개의 열전대가 로 바닥판에서 도입되어 음극판 중앙에 위치하여 온도 측정 헤드를 시뮬레이션합니다. 하나는 이온 가열 펄스 전원 공급 장치의 온도 제어에 사용되고, 다른 하나는 다방향 온도 모니터링을 위해 경보 장치에 연결됩니다. 로 쉘의 외부 둘레에 세 개의 관찰 창이 배치되어 로 내부 상태를 다방향으로 관찰할 수 있습니다.
V. 진공 시스템 및 압력 폐쇄 루프 제어
진공 시스템은 로 본체의 사전 진공화 및 질화 공정 중 대기 교체 및 배기 가스 배출에 사용됩니다. 펌프 세트는 2X-15 로터리 베인 펌프 1개, 인플레이션 밸브가 있는 전자 진공 펌프 1개, 고진공 버터플라이 밸브 1개로 구성됩니다. 로터리 베인 펌프는 광동 순다 2X 시리즈 장치로, 공정 가스 부식에 강하며, 주 제어 밸브로 GI-50 고진공 버터플라이 밸브가 장착된 주파수 변환기로 제어됩니다.
압력 폐쇄 루프 제어 원리는 다음과 같습니다. 압력 송신기가 로 압력을 측정하고 디지털 컨트롤러에 표준 전류 신호를 출력합니다. 컨트롤러는 설정 압력 값과 실시간 샘플링 값을 기반으로 PID 계산을 수행한 다음, 주파수 변환기에 표준 전류 신호를 출력합니다. 진공 펌프 모터 속도를 조정하여 펌핑 속도를 조정함으로써 로 압력을 공정 설정 값으로 일정하게 유지합니다. 이 제어 방법은 ±1 Pa의 압력 제어 정확도를 달성합니다. 진공 펌프와 주파수 변환기의 조합 사용은 시동 중 펌프 본체의 기계적 마모를 크게 줄이며, 장기간 저속 작동은 서비스 수명을 크게 연장할 수 있습니다.
진공 측정은 ZJ-1C 유형의 용량성 다이어프램 절대 압력 송신기를 사용하며, 범위는 0~1000 Pa, 출력은 4~20 mA, 전원 공급 장치는 15~30 VDC입니다. 이 진공 게이지는 측정 매체의 유형 및 구성에 영향을 받지 않으며, 측정값은 디지털 디스플레이 장치에 표시되고 로 압력 제어에 참여합니다.
VI. 가스 분배 및 냉각수 시스템
가스 분배 시스템은 공정 가스를 로에 도입하는 것을 제어하는 데 사용됩니다. 가스 소스는 질소, 수소 및 기타 공정 가스로, 사용자가 제공합니다. 가스는 질량 유량계를 통과한 후 공정 공식에 따라 전용 혼합 탱크를 통해 로 본체에 도입됩니다. 이 모델에는 두 개의 전용 질량 유량계가 장착되어 질소와 수소 유량을 별도로 제어합니다. 이는 30A 모델의 단일 유량계 구성과 주요 차이점으로, 대용량 챔버에서 대기 조성 조정 정밀도에 대한 더 높은 요구 사항에 해당합니다.
질량 유량계는 일본 HORIBA S500 시리즈 장치로, 제어가 시작될 때와 제어 중 설정점 변경 시 완전 폐쇄 상태에서 설정점에 도달하는 데 걸리는 응답 시간은 0.3 ±2% 초 미만입니다. 제어 범위는 전체 스케일의 1~100%를 포함하며, 단일 범용 DC24V 전원 공급 장치에서 작동하고, 내부 전원 회로는 입력 및 출력 회로와 분리되어 있습니다.
냉각수 요구 사항: 입수 온도 31°C 이하, 입수 압력 0.15~0.25 MPa, 총 유량 20 m³/h. 각 냉각수 분기에는 별도의 입수 및 출수 밸브가 장착되어 있습니다. 장비에 부착된 모든 냉각수 파이프, 밸브 및 피팅은 스테인리스강으로 만들어졌습니다. 주 입수 파이프에는 전기 접점 압력 게이지가 설치되어 입수 압력 이상 시 경보를 울립니다. 주 수도 입수 파이프에는 백업 수도 입수 밸브가 설치되어 사용자의 수돗물 파이프에 연결되어 있어 예기치 않은 정전 또는 단수 시 수돗물로 로 본체를 냉각할 수 있습니다.
VII. 제어 시스템의 3가지 매개변수 폐쇄 루프 아키텍처
제어 시스템은 FX3G 시리즈 프로그래머블 로직 컨트롤러와 Kunlun Tongtai TPC1231Ni 터치 스크린을 주요 제어 센터로 사용합니다. PLC는 32K 스텝의 프로그램 메모리 용량, 0.21μs의 기본 명령어 처리 속도, 두 개의 고속 통신 인터페이스(RS422 및 USB)를 갖추고 있습니다. 터치 스크린은 12인치 TFT LCD로 해상도는 1920×1080, 4선식 저항막 터치, 주파수 1GHz이며 McgsPro 구성 소프트웨어가 사전 설치되어 있습니다.
시스템은 다중 작업 중앙 집중식 관리 및 분산 제어 완전 디지털 아키텍처를 채택하여 이온 질화의 세 가지 주요 매개변수(온도 제어 정확도 ±1°C, 압력 제어 정확도 ±1 Pa, 유량 제어 정확도 ±0.5%)의 폐쇄 루프 제어를 동시에 달성할 수 있습니다.
온도 제어는 PID 조절 기능을 갖춘 일본 Shimaden SRS13 시리즈 디지털 컨트롤러를 사용하여 온도 제어 회로 및 열전대와 함께 온도 폐쇄 루프 조절 시스템을 형성합니다. 압력 제어 또한 Shimaden SRS13 디지털 컨트롤러를 사용하여 주파수 변환기 및 압력 센서와 함께 압력 폐쇄 루프 조절 시스템을 형성합니다.
자동 작동 모드에서 시스템은 유지 펌프와 사전 배기 펌프를 자동으로 시작하고, 배플 밸브와 솔레노이드 밸브를 열어 진공을 추출합니다. 진공이 글로우 방전 활성화 작업 압력에 도달하면, 글로우 방전 전압과 저항 보조 가열이 자동으로 활성화되어 초기 공작물 아킹 및 세척 공정을 수행합니다. 아킹이 끝나면 시스템은 자동으로 가열 단계로 진입하여 공정 곡선 설계 단계에 따라 유량, 압력, 전압, 듀티 사이클 및 전류를 자동으로 조정합니다. 온도가 공정 온도에 도달하면 시스템은 온도 유지 단계로 진입하여 설정된 공정 유지 시간에 따라 유지합니다. 유지 기간이 끝나면 시스템은 진공 펌프와 추출 파이프라인의 모든 밸브를 차단합니다. 로 온도가 설정 온도까지 떨어지면 모든 스위치가 자동으로 꺼지고 시스템은 정지 상태로 진입합니다.