Установка управления термообработкой для научных исследований

Для повышения коррозионной и механической стойкости ферросилиция с формированием защитного покрытия методом азотирования требуется термообработка приблизительно при +1000 °С. Для точной регулировки процесса термообработки спроектирована автоматизированная система управления.

Российские академические институты проводят исследования для поиска технологических решений, применимых в различных производственных сферах. Автоматизация техпроцессов — инструмент создания инновационных перспективных разработок в ключевых областях промышленности, в частности, в алмазодобывающей отрасли существует множество сопутствующих задач, подлежащих автоматизации.

На обогатительных фабриках для обработки алмазосодержащих кимберлитов применяется гранулированный ферросилиций. При взаимодействии с коррозионно-активными элементами водно-воздушной среды происходит окисление и разрушение ферросилиция (Fe-Si), что приводит к увеличению его безвозвратных потерь.

Для достижения устойчивости к коррозионному разрушению и истиранию на поверхности гранул ферросилиция необходимо создать защитную оболочку, предупреждающую разрушение при контакте с активной коррозионной средой. Для этого проводится термообработка с азотированием, что обеспечивает создание на поверхности ферросилиция нитридного покрытия.

Автоматизация процесса термообработки

При создании автоматизированной системы управления был проведен анализ высокотемпературной обработки порошка ферросилиция. Термообработка проводилась в электрической печи сопротивления мощностью 5 кВт с двумя нагревателями, двумя термопарами и системой подачи азота. Нагреватели расположены на боковых стенах печи. Внутрь камеры устанавливается короб (50 л) с поддонами, на которые засыпается порошок Fe-Si. Высота бортов поддонов составляла 2 см, это позволяло варьировать высоту слоя порошка в пределах 0,5–2 см.

При разработке проекта АСУ проводились прицельные эксперименты для получения порошка ферросилиция с заданными свойствами. Систему управления образуют средства автоматизации ОВЕН:

• программный ПИД-регулятор ТРМ251;
• измеритель-регулятор 2ТРМ1;
• твердотельное реле ТТР;
• датчики температуры ДТПS в чехле с резьбовым соединением;
• датчик давления ПД100;
• преобразователь интерфейсов АС4-М.

Функциональная схема управления процессом термообработки показана на рис. 1. Выбор регулятора ТРМ251 обусловлен его функциональными возможностями: интуитивно понятным человеко-машинным интерфейсом, рассчитанным на управление многоступенчатыми температурными режимами в электропечах.

Регулятор ТРМ251 обеспечивает программное пошаговое пропорционально-интегрально-дифференциальное (ПИД) регулирование (три программы по пять шагов). Для термообработки ферросилиция (рис. 2) выбрана программа с тремя шагами. На первом — осуществлялся контролируемый нагрев со скоростью 10 °С/мин. Такая скорость обеспечивает равномерный нагрев с удалением влаги из порошка Fe-Si. Снимая показания с датчиков, ПИД-регулятор корректирует управляющие сигналы (4–20 мА) для тиристорного регулятора, который регулирует мощность каждого нагревательного элемента.

Для получения заданной толщины азотированного слоя необходимо выдерживать порошок при температуре в диапазоне +900…+1200 °С в зависимости от толщины слоя порошка и фракционного состава. Время выдержки определяется исходя из общего времени азотирования порошка ферросилиция, которое варьируется в пределах 1–3 ч. Общее время азотирования должно составлять около 3 ч.

ТРМ251 осуществляет одноканальное регулирование температуры по показаниям основного датчика, подключенного к входу 1. В случае отказа основного датчика автоматически подключается резервный датчик.

После анализа типов термопар были выбраны платинородий-платиновые датчики (ДТПS), которые отличаются стабильностью, высокой точностью и сопротивлением к коррозии в окислительных и нейтральных средах.

В коробе смонтирована система подачи и отвода газа. При достижении температуры +600 °С ТРМ251 замыкает контакты реле и открывает клапан подачи азота для создания внутри короба избыточного давления. Диапазон рабочего давления (1,1–1,3 атм.) определялся тем, что при меньших давлениях не удается заместить воздух азотом и может произойти недопустимое окисление частиц ферросилиция. При большем давлении замедляется скорость нагрева порошка, а также ввиду того, что система проточная, часть азота не успевает прореагировать, что приводит к его нерациональному использованию. После остывания системы ниже +600 °С азот продолжает поступать в камеру, чтобы не допустить возможности окисления порошка. При снижении до +300 °С срабатывает второе реле, и клапан перекрывает подачу азота.

К регулятору 2ТРМ1 подсоединен датчик давления ПД100, который контролирует величину давления азота, и при несоответствии срабатывает сигнализация. Это может произойти, например, когда закончился газ в баллоне.

Печь установлена в производственном корпусе. Для возможности мониторинга процесса термообработки в соседнем помещении размещен компьютер с установленной SCADA-системой OWEN Process Manager. На мнемосхемах отображаются технологические параметры: температура, давление, время протекания процесса. Таким образом реализуется локальная и удаленная система наблюдения.

Разработанный алгоритм управления печью позволяет эффективно контролировать процесс термообработки. В результате получен мелкогранулированный ферросилиций со стабильным нитридным покрытием (рис. 3). Установлено, что ферросилиций с защитным покрытием увеличивает срок его полезного использования на обогатительных производствах не менее чем в 2,2 раза.

Источник: https://controlengrussia.com/primeneniya-i-proekty/upravleniya-termoobrabotko/

🔗 Установка управления термообработкой для научных исследований