Установка управления термообработкой для научных исследований

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.

Рис. 1. Функциональная схема автоматизации электрической печи

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.

Рис. 2. График термообработки ферросилиция

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.

Рис. 3. SEM-изображение азотированного порошка Fe-Si