井式滲碳爐工藝滲碳軟件的應用

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，實現了工藝滲碳軟件對化學滲碳過程的全過程控制和參數變化的記錄追溯，提供了產品返工的有用數據。在實際生產運行過程中，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品質量的影響。

1.井式氣體滲碳爐改造前

早期運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控制加熱通斷，實現溫度均勻平衡。熱電偶測量爐膛內的溫度，并將測量值反饋給自動平衡記錄儀，由自動平衡記錄儀設定和控制工藝溫度參數值，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整工藝溫度，另一方面記錄溫度運行曲線。

老式控制柜原始設計簡單，只對爐膛內的溫度參數進行檢測和控制調整，無法對整個滲碳過程中的其他變量進行閉環控制，因此產生的廢品率高，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）結構組成 電氣控制柜主要由加熱主回路、二次測量回路、通風機構控制回路和主回路、爐蓋升降機構的控制回路和主回路、加熱通斷、碳勢均衡調節控制回路組成。

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型固態繼電器等組成。

二次測量回路由6塊交流電流表及兩塊交流電壓表組成，用以檢測爐膛內電阻絲的運行狀態及三相電流的平衡性，為及時發現故障提供數據參照依據。

電動機控制回路主要用于通風機構、爐蓋升降電動機的起動和停止。

控制回路主要由滲碳工藝過程計算機控制系統、加熱控制回路及儀表計量回路和超溫報警回路組成。計算機控制系統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，在計算機內的滲碳軟件進行計算后，控制下位機工作，從而完成整個滲碳過程；控制回路主要由智能數顯儀表控溫和碳勢控制儀控制爐膛內的碳勢，協調穩定爐內碳勢的平衡，工藝溫度在控溫表上依據開爐前的測溫記錄進行設定。超溫報警回路用以檢測電阻爐出現超溫時，提醒操作工人到現場處理。

井式滲碳爐主要由通風機構、爐蓋升降機構、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算機控制系統可用于井式爐氣體滲碳、氣體碳氮共滲和保護加熱淬火工藝過程中的溫度、碳勢和滲層質量的控制。氣體滲碳/碳氮共滲時，工件的表面碳濃度、沿斷面的碳濃度分布特性和硬化層深度，由工件的溫度、周圍氣氛的反應、工件表面對碳原子的吸附與解吸以及碳原子在工件內部的擴散綜合決定。

本系統根據我公司最新獨創建立的通用數學模型，將先進的氣氛碳勢控制理論與先進的電子計算機的計算及控制技術相結合，分析滲碳/碳氮共滲全過程每一瞬間的碳分布與遷移狀態，對滲碳/碳氮共滲全工藝過程進行全自動控制，整個工藝過程全部由計算機控制自動進行，無需人工參與和觀察中間試棒。處理完畢后，由計算機自動鳴鈴通知操作工人出爐。

該控制系統主要進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、交流固態繼電器等組成基本控溫系統。首先按照工藝曲線在控制儀上進行溫度設定，控溫儀內部將設定溫度信號與熱電偶檢測到的信號進行PID自適應運算比較，輸出電壓脈沖信號，經過中間繼電器，控制固態繼電器的導通與斷開，來達到調節加熱功率、控制工藝溫度的目的?？販貎x表控制及顯示滲碳爐內部的工作溫度。碳勢控制由碳勢控制儀控制顯示爐膛內的碳勢值，并輸出信號，控制和調節煤油與甲醇的滴入量，穩定爐內的碳勢值。每隔10s向滲碳系統上傳一次上下區溫度值和碳勢值，由計算機系統模擬計算后，發出信號，對溫控儀和碳勢儀的測量值進行修正，始終與模擬顯示值保持一致，形成系統閉環控制調整，直至完成整個滲碳工藝過程，實現產品的質量要求。

（3）設備升級后的技術參數 額定功率75kW，兩區控溫，數顯溫度控制儀表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℃時間≤3h，溫度均勻度（950±5）℃，工作區尺寸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，為公司節約了成本。

投入調試運行后的滲碳軟件，能模擬顯示爐膛內滲碳的工藝過程，并隨時調整工藝參數，修正爐膛內的溫度控制值和碳勢值，縮小滲碳實際層深和工藝設定層深的誤差，并將每一階段的滲碳過程工藝參數值錄入系統，作為生產運行記錄和后期產品返工的數據參照。

4.改進后效果分析

經過多年高負荷的生產運行，不僅保證了工藝運行的穩定性，提高了生產效率，節能達到30%以上，同時消除了人為操作因素帶來的誤差，給工藝修正系數PF提供了平臺，加強了對產品加工的控制能力。凡是按滲碳軟件參數正常設置運行的爐次，每20min到現場看爐一次，出爐廢品率幾乎為零。

5.結語

工藝滲碳軟件的投入應用，提高了我廠滲碳+淬火工藝的技術水平，完成了大批量滲碳零件的加工，提高了產品的在線加工能力，穩定了產品質量。