井式滲碳爐工藝滲碳軟件的應(yīng)用

王海成

我公司在原有的兩臺75kW井式氣體滲碳電阻爐的基礎(chǔ)上，改造電氣控制柜和爐蓋總成，增加工藝滲碳軟件，在改造后的爐蓋上新增氧探頭一支，實(shí)現(xiàn)了工藝滲碳軟件對化學(xué)滲碳過程的全過程控制和參數(shù)變化的記錄追溯，提供了產(chǎn)品返工的有用數(shù)據(jù)。在實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行過程中，完成了銷、滾輪軸等零件的滲碳＋淬火工序，提高了產(chǎn)品加工的在線控制能力，降低了廢品損失，減少了人為操作因素對產(chǎn)品質(zhì)量的影響。

1.井式氣體滲碳爐改造前

早期運(yùn)行使用的井式氣體滲碳爐電氣控制柜，主要由兩臺380V交流接觸器，分別對滲碳爐的上下區(qū)控制加熱通斷，實(shí)現(xiàn)溫度均勻平衡。熱電偶測量爐膛內(nèi)的溫度，并將測量值反饋給自動平衡記錄儀，由自動平衡記錄儀設(shè)定和控制工藝溫度參數(shù)值，確保工作溫度在（920±10）℃變化。自動平衡記錄儀一方面控制和調(diào)整工藝溫度，另一方面記錄溫度運(yùn)行曲線。

老式控制柜原始設(shè)計(jì)簡單，只對爐膛內(nèi)的溫度參數(shù)進(jìn)行檢測和控制調(diào)整，無法對整個(gè)滲碳過程中的其他變量進(jìn)行閉環(huán)控制，因此產(chǎn)生的廢品率高，對操作工人的技能水平依賴性大，工藝處理手段落后。

2.井式氣體滲碳爐改造后

（1）結(jié)構(gòu)組成 電氣控制柜主要由加熱主回路、二次測量回路、通風(fēng)機(jī)構(gòu)控制回路和主回路、爐蓋升降機(jī)構(gòu)的控制回路和主回路、加熱通斷、碳勢均衡調(diào)節(jié)控制回路組成。

加熱主回路由低壓斷路器、電流互感器、快速插式熔斷器及增強(qiáng)型固態(tài)繼電器等組成。

二次測量回路由6塊交流電流表及兩塊交流電壓表組成，用以檢測爐膛內(nèi)電阻絲的運(yùn)行狀態(tài)及三相電流的平衡性，為及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障提供數(shù)據(jù)參照依據(jù)。

電動機(jī)控制回路主要用于通風(fēng)機(jī)構(gòu)、爐蓋升降電動機(jī)的起動和停止。

控制回路主要由滲碳工藝過程計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、加熱控制回路及儀表計(jì)量回路和超溫報(bào)警回路組成。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)是滲碳爐的核心控制部分，它主要采集溫度控制儀和碳勢控制儀的信號，在計(jì)算機(jī)內(nèi)的滲碳軟件進(jìn)行計(jì)算后，控制下位機(jī)工作，從而完成整個(gè)滲碳過程；控制回路主要由智能數(shù)顯儀表控溫和碳勢控制儀控制爐膛內(nèi)的碳勢，協(xié)調(diào)穩(wěn)定爐內(nèi)碳勢的平衡，工藝溫度在控溫表上依據(jù)開爐前的測溫記錄進(jìn)行設(shè)定。超溫報(bào)警回路用以檢測電阻爐出現(xiàn)超溫時(shí)，提醒操作工人到現(xiàn)場處理。

井式滲碳爐主要由通風(fēng)機(jī)構(gòu)、爐蓋升降機(jī)構(gòu)、爐蓋、氧探頭、三孔滴量器、試樣孔、排氣孔、供（電）氣管路、爐罐、罐座、扇形板、爐膛、電阻絲、接線柱、熱電偶及輔助設(shè)施等部分組成。

（2）工作原理 井式爐滲碳/碳氮共滲工藝過程計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)可用于井式爐氣體滲碳、氣體碳氮共滲和保護(hù)加熱淬火工藝過程中的溫度、碳勢和滲層質(zhì)量的控制。氣體滲碳/碳氮共滲時(shí)，工件的表面碳濃度、沿?cái)嗝娴奶紳舛确植继匦院陀不瘜由疃龋晒ぜ臏囟取⒅車鷼夥盏姆磻?yīng)、工件表面對碳原子的吸附與解吸以及碳原子在工件內(nèi)部的擴(kuò)散綜合決定。

本系統(tǒng)根據(jù)我公司最新獨(dú)創(chuàng)建立的通用數(shù)學(xué)模型，將先進(jìn)的氣氛碳勢控制理論與先進(jìn)的電子計(jì)算機(jī)的計(jì)算及控制技術(shù)相結(jié)合，分析滲碳/碳氮共滲全過程每一瞬間的碳分布與遷移狀態(tài)，對滲碳/碳氮共滲全工藝過程進(jìn)行全自動控制，整個(gè)工藝過程全部由計(jì)算機(jī)控制自動進(jìn)行，無需人工參與和觀察中間試棒。處理完畢后，由計(jì)算機(jī)自動鳴鈴?fù)ㄖ僮鞴と顺鰻t。

該控制系統(tǒng)主要進(jìn)行爐溫控制和碳勢控制，爐溫控制由溫度控制儀、中間繼電器、交流固態(tài)繼電器等組成基本控溫系統(tǒng)。首先按照工藝曲線在控制儀上進(jìn)行溫度設(shè)定，控溫儀內(nèi)部將設(shè)定溫度信號與熱電偶檢測到的信號進(jìn)行PID自適應(yīng)運(yùn)算比較，輸出電壓脈沖信號，經(jīng)過中間繼電器，控制固態(tài)繼電器的導(dǎo)通與斷開，來達(dá)到調(diào)節(jié)加熱功率、控制工藝溫度的目的。控溫儀表控制及顯示滲碳爐內(nèi)部的工作溫度。碳勢控制由碳勢控制儀控制顯示爐膛內(nèi)的碳勢值，并輸出信號，控制和調(diào)節(jié)煤油與甲醇的滴入量，穩(wěn)定爐內(nèi)的碳勢值。每隔10s向滲碳系統(tǒng)上傳一次上下區(qū)溫度值和碳勢值，由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)模擬計(jì)算后，發(fā)出信號，對溫控儀和碳勢儀的測量值進(jìn)行修正，始終與模擬顯示值保持一致，形成系統(tǒng)閉環(huán)控制調(diào)整，直至完成整個(gè)滲碳工藝過程，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的質(zhì)量要求。

（3）設(shè)備升級后的技術(shù)參數(shù) 額定功率75kW，兩區(qū)控溫，數(shù)顯溫度控制儀表0.3級，碳勢控制儀表0.3級，最高工作溫度950℃，380V三相電源，頻率50Hz，空爐升溫至900℃時(shí)間≤3h，溫度均勻度（950±5）℃，工作區(qū)尺寸φ600mm×1200mm（料架尺寸），最大裝載量500kg，爐體外壁表面溫升≤40℃，爐蓋表面溫升≤70℃，碳勢控制精度±0.05%C，碳勢均勻度±0.05%。

3.采取的可行性措施

用滲碳軟件的電氣控制系統(tǒng)改造落后的電氣控制柜，使井式氣體滲碳爐整體工藝控制水平提高，廢品率降低，為公司節(jié)約了成本。

投入調(diào)試運(yùn)行后的滲碳軟件，能模擬顯示爐膛內(nèi)滲碳的工藝過程，并隨時(shí)調(diào)整工藝參數(shù)，修正爐膛內(nèi)的溫度控制值和碳勢值，縮小滲碳實(shí)際層深和工藝設(shè)定層深的誤差，并將每一階段的滲碳過程工藝參數(shù)值錄入系統(tǒng)，作為生產(chǎn)運(yùn)行記錄和后期產(chǎn)品返工的數(shù)據(jù)參照。

4.改進(jìn)后效果分析

經(jīng)過多年高負(fù)荷的生產(chǎn)運(yùn)行，不僅保證了工藝運(yùn)行的穩(wěn)定性，提高了生產(chǎn)效率，節(jié)能達(dá)到30%以上，同時(shí)消除了人為操作因素帶來的誤差，給工藝修正系數(shù)PF提供了平臺，加強(qiáng)了對產(chǎn)品加工的控制能力。凡是按滲碳軟件參數(shù)正常設(shè)置運(yùn)行的爐次，每20min到現(xiàn)場看爐一次，出爐廢品率幾乎為零。

5.結(jié)語

工藝滲碳軟件的投入應(yīng)用，提高了我廠滲碳+淬火工藝的技術(shù)水平，完成了大批量滲碳零件的加工，提高了產(chǎn)品的在線加工能力，穩(wěn)定了產(chǎn)品質(zhì)量。