渗碳炉控制方案

控制方案

一 主要技术参数 1.0 设备用途：

用途：主要是为轧制、冶金、锻压、矿山等机械设备配套中的不同种类的大型齿轮和齿轮轴的渗碳、淬火热处理设备提供先进的计算机化的渗碳专家控制系统。

2.0 气体渗碳炉控制系统主要技术指标 2.1 工作温度：使用温度：≤950℃。 2.2 气氛控制： 载气：甲醇滴注；

富化气：煤油滴注； 平衡气：空气。

2.3炉气分析：主传感器采用氧探头。

氧探头碳势测定范围：0.25℅Cp～1.70℅Cp; 相应时间：＜1s

氧势输出精度：±1mv 适用温度：≤1100℃。

2.4 碳势控制范围：0.2～1.5％ Cp。 2.5 碳势控制精度：±0.05％C。 2.6 碳化物级别控制精度：±1级。

2.7 有效硬化层深度控制范围：0.3～7.5 mm。

2.8 有效硬化层深度控制精度：当渗层深度≤2.0mm 时, ±0.1 mm; 渗层深度≥2.0mm 时, ±8%。 注：项2.4-2.8技术指标是在炉温均匀性及炉气循环均匀保证下的指标数据。 3.0 设备整体构成特点 3.1 设备的整体构成特点

主要由一套上位机控制系统；炉温控制系统；碳势控制系统；供液和供气系统等组成。 3.2 控制系统的整体设计要点

整体控制系统采用上下位的计算机与智能控制仪表组成的集散控制系统。下位控制仪表包括

智能温度控制、碳势控制仪表，上位机采用高可靠的计算机担任，上下位控制之间采用通信协议方式通信，由上位机完成渗碳的工艺设定、动态跟踪和工艺管理，下位智能控制仪表执行具体的测量和调节，从而实现整体设备控制系统运行的自动化和柔性化。 3.3 温度控制系统（按用户现有控制系统功能为准） 3.3.1 温度控制采用多区段分区控制。渗碳炉的温度控制以马弗内温度为准。温度控制采用先进的

用于大时间常数控制对象的串级控制技术，以炉膛温度为主被控对象，由主控回路的PID来控制，主回路的控制输出决定各区从回路的控制设定值。采用改变控制设定值的方法，能够尽快响应过程中的干扰，得到最小的系统过冲。并且保证工件渗碳温度与工艺设定温度保持一致，尽可能减小由于温度偏差造成工件碳浓度和渗层的偏差。

3.3.2炉温采用PID调节模拟量输出，与该区可控硅调功器相连接。可控硅调功器进行功率调节是

通过调整单位时间的波形的分布进而达到调功的目的，调功器内采用单向反并联可控硅模块控制加热元件。各加热区温度分别由各区热电偶测量控制。当炉膛或某一加热区显示温度与实际温度不相符、或因热电偶质量问题存在偏差时，可根据偏差值进行温度补偿修正，保证控温精度和升温速度。采用大功率升温，小功率保温方式且功率可调以节约能源。各区主控仪表与上位机进行双向通信。

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3.3.3 每区除主控热电偶外,还设有一块日本岛电公司SR系列(0.3级)高精度数字显示仪表作为监

视仪表使用。 3.4 碳势控制系统

3.4.1 渗碳炉气氛采用滴注甲醇、煤油和稀释空气来获得。控制系统能根据要求自动调整富化介

质和稀释空气的加入量，获得最佳的渗碳气氛。

3.4.2 气体渗碳炉的碳势控制采用高可靠、高精度、不易裂损的氧探头进行探测，测量炉内的化学

成份，其关键部件碳控仪采用用户现有的调节性能正常，功能完备的仪表。碳控仪根据氧势、一氧化碳、温度三个变量计算渗碳气氛的碳势。并按上位机给出的设定值进行闭环自动控制，自动控制富化气的滴入量和平衡气的通气量。 3.4.3所有的工艺参数设定全部由上位机来完成；作为直接控制装置――碳控仪自身具备同时对温

度和碳式统一编程度功能，具备独立的氧势、碳势、温度、时间的测量、显示、设定和控制功能，以便在上位机发生故障时，可以继续完成上位机未完成的工艺过程控制。 4.0 上位机控制系统 4.1 系统硬件

上位机主机选用具备高可靠性和抗干扰性能的台湾研华工业控制计算机，配备激光A4打印机和UPS不间断电源。 4.2 操作系统软件

操作系统采用中文WindowsXP版本。 4.3 应用软件功能

高精度智能化的渗碳专家控制软件可根据不同材质不仅能自动生成优化的渗碳工艺，还能通过计算机辅助模拟碳浓度分布曲线及渗碳过程 ，对热处理工艺过程进行在线控制，并能通过工艺重建结合实际进一步优化工艺。同时参与工艺程序编制，过程动态控制，变量存储等内容的全过程管理。

全部功能均以菜单显示，并具有较强的人机友好对话界面。操作者仅需确认工件材质、渗碳温度、表面碳浓度和渗碳深度，即可自动生成热处理工艺。在热处理过程中，通过高精度智能化仪表连续传送测得的温度和碳势以及炉子运行状况等工艺变量，能实时计算出工件表面碳浓度、硬化层深度和碳浓度分布，随时检查某一时刻工件热处理情况，实现技术和生产管理全自动,半自动,手动控制。

该控制软件具备专家在线决策，自动优化工艺参数的功能。对渗碳过程中的碳势、温度、强渗时间、扩散时间和出炉时间等都不需要事先确定，也不由渗碳过程中查看中间试棒决定，而是直接以工件的技术要求（包括工件的材料、表面碳浓度和硬化层深度等）为闭环控制目标，在整个渗碳工艺执行过程中，全部由计算机控制自动进行，无需人工干预，计算机根据实时计算的工件表面碳浓度和硬化层深度自动动态调整碳势和炉温，直至达到工艺要求。为确保精度控制工件的表面碳浓度和硬化层深度，软件具有对炉温和炉气的各种异常工况自动补偿的功能。具有工艺模拟运行功能以便分析和调整工艺参数。 4.4 实现多种渗碳控制方法

用该控制软件可实现三种渗碳控制：

4.41普通分段法渗碳（各段按设定时间到结束）

目前大多数厂家采用强渗-扩散两段渗碳法。基本思想是在渗碳初期，采用尽可能高的温度和碳势（温度受到炉子耐受能力和钢材晶粒长大倾向的限制，碳势受到钢材奥氏体碳最大溶解度的限制），以最快的速度将碳渗入钢内。在后期要将气氛碳势和温度降低，以获得工件最终要求的表面含碳量、渗碳层深度和要求的出炉温度（如直接淬火温度）。

目前大多数厂家在周期炉（井式炉和多用炉）大都采用强渗和扩散两段法或多段法，在连续炉（如推杆炉）则分为3-4段。

分段法的各段工艺参数（时间，温度和碳势）基本由工艺人员根据经验制定。

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目前各厂家的单回路或多回路碳势控制仪表均按此方法控制碳势。

这种方法缺点是：它是以控制气氛的碳势为目标，而不是工件的表面碳浓度作为控制目标，因此如果将炉气碳势设定过高或碳势设定不高但保持时间过长，工件表面碳浓度随着渗碳时间的延长会不断增加，直至达到甚至超过炉气碳势设定值（取决于材料的合金系数），尤其在深层渗碳时表现最为明显。当工件表面碳浓度超过该温度下奥氏体的溶解度，在工件内就会产生块状甚至角状碳化物；如果将炉气碳势设定过低或在高碳势时间过短，又会使工件表面达不到所允许的最高碳浓度，使渗碳的时间过长。此外，当发生炉子漏气、渗碳过程中渗碳介质储罐补充不及时、阀门失灵等原因造成渗碳介质供应中断或过多，使久久达不到设定的碳势，或碳势大幅波动偏离设定值，即使经过试验已经设定出最好的分段法工艺，由于这种分段法没有工艺自动补偿功能，也不能保证工艺有良好的重现性。

考虑到某些厂的习惯和特殊情况的需要，本系统亦配有传统的阶段法渗碳工艺。分段法工艺程序每个程序可编14段，也可少于14段。对编制修改的工艺也可以进行仿真模拟，预测工艺执行的结果。如对仿真结果不满意，可反复修改工艺参数和进行仿真，直至获得满意的结果，再将此工艺保存并投入运行。这样做可以大大降低做工艺试验的成本，节约大量的人力物力。本系统可存分段法渗碳程序、碳氮共渗程序共100套。

4.42改进的分段法渗碳（各段按设定渗碳层深百分比到结束）

这种方法是在各段按设定时间到结束的普通分段法渗碳方法的基础上，在渗碳控制软件中具备根据碳原子在气体-工件表面-工件内部的传递规律建立的渗碳过程碳原子在钢中传递的数学模型，实时在线采集炉温和炉气碳势，并可计算得知当前时刻沿渗碳层深度的碳浓度分布、表面碳浓度和硬化层深度的功能，既可实现各渗碳阶段按设定时间到作为段结束条件来设定渗碳工艺，又可实现各渗碳阶段按设定渗碳层深百分比到作为段结束条件来设定渗碳工艺。

在各渗碳阶段按设定渗碳层深百分比到作为段结束条件来设定渗碳工艺时，可避免编制渗碳工艺时完全凭经验的缺点，对编制的工艺可以进行仿真模拟，预测工艺执行的结果。如对仿真结果不满意，可反复修改工艺参数和进行仿真，直至获得满意的结果，再将此工艺保存并投入运行。这样做可以大大降低做工艺试验的成本和对经验的依赖，节约大量的人力物力；在分段法渗碳工艺执行过程中，又可随时获知当前时刻沿渗碳层深度的碳浓度分布、表面碳浓度和硬化层深度。

在各渗碳阶段按设定渗碳层深百分比到作为段结束条件来设定渗碳工艺时，既可避免各阶段按时间结束编制渗碳工艺时凭经验的缺点，又具有自适应控制方法的部分优点，无需设定阶段时间，并能对炉温和炉气碳势的各种异常工况具有自动补偿功能；对编制修改的工艺也可以进行仿真模拟，预测工艺执行的结果。

这种方法优点是：它是以工件的表面碳浓度作为控制目标，而不是以气氛的碳势作为控制目标。因此在长时间的渗碳过程中，当工件表面碳浓度达到工艺设定值后，系统会自动将炉气碳势设定值降低，以保证工件表面碳浓度不会随着渗碳时间的延长而不断增加，既保证零件表面以所允许的最大碳浓度梯度进行渗碳，又能保证在工件内不会产生块状甚至角状碳化物出现，以避免在后期扩散过程中无法消除该块状甚至角状碳化物，造成碳化物超标。此外，当发生炉子漏气、渗碳过程中渗碳介质储罐补充不及时、阀门失灵等原因造成渗碳介质供应中断或过多，实际碳势久久达不到设定的碳势，或碳势大幅波动偏离设定值时，由于这种分段法具有工艺自动补偿功能，也能保证工艺具有良好的重现性。 4.43自适应控制法渗碳

高精度智能化的渗碳专家控制软件的核心就是自适应控制法渗碳：可根据不同材质不仅能自动生成优化的渗碳工艺，还能通过计算机辅助模拟碳浓度分布曲线及渗碳过程，对热处理工艺过

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程进行在线控制。

渗碳过程的自适应控制就是：

1 对所渗碳工件预先设定表面碳浓度、硬化层深度的调节原则 2 实时计算渗碳每一瞬间工件内从表面到心部的碳浓度分布曲线，并计算出当前达到的硬化层深度

3 将当前的碳浓度分布曲线和预先设定的表面碳浓度、硬化层深度进行对比调节的原则，计算出当前应达到的炉气碳势和温度

4 实时计算检查是否达到渗碳结束条件，如达到，发出出炉信号。重复以上2-4条过程。 由上可知：

1 渗碳过程中每时刻的碳势和温度的设定值是根据工件当前碳浓度分布和设定的表面碳浓度、硬化层深度进行对比调节原则计算获得的，并不是一个常数，是一个不断变化的数值。所以国内也有称呼为“动态控制”。 2 因此，采用本方法能在最大程度上按照根据工件的技术要求预先设定的表面碳浓度、硬化层深度的调节原则，对渗碳全过程( 从入炉直至出炉)的炉温,炉气碳势和时间进行连续自适应调节, 并能对工艺过程中出现的意外情况，如炉子漏气，滴注系统阻塞或漏液等引起的炉气碳势偏离以及某些因素引起的炉温变化等进行综合自动补偿，最大限度消除人为误差，提高工艺的重现性。

应用软件中配备渗碳数据库，包括常用渗碳钢的扩散系数、不同炉气的气固反应物质传递系数及合金系数，且经过实践验证并符合实际情况。 4.5 计算机人机对话界面

计算机显示界面设有色彩美观的系统全貌、工艺设置、参数显示、碳浓度曲线、过程曲线、过程模拟、报警界面及报表定时打印等工作界面，所有界面采用中文显示。

4.4.1 系统全貌界面：利用不同色彩全面显示设备主要结构、上下位构成的集散控制系统、温度控制、碳势控制、液罐及滴注系统示意图，工件的大体形状可由工艺人员或操作者在其进行修改，显示在炉膛内。

4.4.2 参数设置界面：可输入班次、操作者工艺编号、材料牌号、有效渗层深度、工艺温度、表面碳浓度，并可借助过程模拟设计界面优选出各参数及碳浓度曲线目标值，运行中可人为进行修改。

4.4.3 过程模拟设计界面：对于将要进行的渗碳过程进行计算机模拟运行，按一定的时间步长计算显示各时刻碳浓度曲线变化及各阶段的主要参数，可随时暂停和继续，以便分析工艺过程度各个阶段。

4.4.4 参数显示界面：直观显示整个系统的实时运行状态和各主要参数的控制值。

4.4.5 碳浓度曲线界面：以曲线和文本模式实时显示渗碳过程中工件内的碳浓度曲线模拟值。 4.4.6 过程曲线界面：显示氧电势、碳势、温度、表面碳浓度，渗碳层深随时间的变化，作为历史记录随时调用、显示。

4.4.7 报警报表打印界面：显示温度控制、渗碳控制、气氛分析及上位机系统出现的超限和故障报警指示，对上述界面及工艺实测参数及曲线可随时打印。

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