渗碳炉控制方案

大型井式气体渗碳电炉渗碳工艺过程计算机集散控制系统

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。

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。