专利名称：低压渗碳渗层碳浓度分布控制系统及其控制方法
技术领域：
本发明涉及的是一种金属热处理技术领域的控制装置及控制方法，具体是一种低 压渗碳渗层碳浓度分布控制系统及其控制方法。
背景技术：
低压渗碳亦称真空渗碳是低于大气压力下的渗碳气氛中进行的渗碳过程，是通过 碳氮化合物气体在钢表面分解和吸收而进行。当采用甲烷时发生的渗碳反应为CH4^^[C] + 2H2(1)当采用丙烷时发生的渗碳反应为C3Hs+3[C](2)当采用乙烷时发生的渗碳反应为C2H2^^H2+2[C](3)经过对现有技术的检索发现，文献[1]《易普森Avac乙炔低压渗碳工艺设备及 其工业应用上》易普森工业炉上海有限公司朱汗平刘晔东《机械工人》2003年第9期 P. 55)和文献[2](《乙炔真空渗碳Avac及其应用》王丽莲朱祖昌《热处理》2003，Vol. 18， No. 1 P. 9)所报道的Avac乙炔低压渗碳是易普森公司在20世纪90年代中期开发的一种 新的低压渗碳工艺，其目的在于克服丙烷低压渗碳所存在的缺点。目前这一技术已在世 界范围内申请了专利，如欧洲专利文献号EP0882811B1、EP0818555B1以及美国专利文献 号US5702540，它能在一定程度上，克服用丙烷进行低压渗碳时的一些难题。乙炔可以在 IO-IOOmbar压力下渗碳，可以明显地减少碳黑的形成，但并非无碳黑形成，按3式平衡条件 热力学计算结果表明，乙炔有强的渗碳能力，但存在低压渗碳炉内产生碳黑和焦油的热力 学条件。生产实践的经验也证明了这一结论。目前低压渗碳普遍采用间隙式通入渗碳气体的方法，也称为低压脉冲渗碳法，将 渗碳分为渗碳段和扩散段，二者交替进行。在渗碳段内向炉内通入渗碳气体，并使炉内压 力保持在低压渗碳工艺规定的压力ρ ，ρ 的值与所用的渗碳设备和渗碳气体有关，一般在 20 200mbar之间。渗碳气体的种类分别有甲烷、丙烷、乙炔、乙烯等碳氢化合物或它们与 氮的混合气体。在扩散段内用真空泵将炉内气体抽除，以减少炉膛中积存碳黑，扩散时间段 炉内压力为PpPf的数值视所用的设备而异，一般为10 lOOmbar。低压脉冲渗碳的难点 在于每个渗碳段时间和每个扩散段的时间如何正确设定，因为只有正确设定每一个渗碳段 和每一个扩散段的时间才能够正确控制碳浓度分布曲线，并最大限度减少碳黑。为此就需要在计算渗碳段和扩散段渗层浓度分布的变化的基础上确定每一个渗 碳段时间和每一个扩散段的时间，早年J. I.Goldstein and Α. Ε. Moren在文献[3](《渗碳的 扩散模型》METALLURGICAL TRANSA CTIONS A VOL. 9A 1978，1515-1525)所报道的计算真空 渗碳的渗层浓度分布方法是，设定Cs ε Cwn，采用第一类边界条件求解扩散偏微分方程，但 这就必须假定界面反应的物质传递系数为无限大，即认为表面碳流量是一个极大的数值。
然而文献[1]易普森工业炉上海有限公司朱汗平等在《机械工人》2003年第9 期发表的论文中列出的试验结果表明用不同气体进行低压渗碳表面碳流量都是有限值， 乙炔的碳流量近似150g · m-1 · h-1，甲烷碳流量为2g · m-1 · h—1，丙烷和乙烷碳流量分别为 120g · πΓ1 · r1和130g · πΓ1 · tT1，这样有关在渗碳段一开始工件表面含碳量就达到饱和的 观点就此被否定了。因此采用Goldstein的方法不可能正确控制低压脉冲渗碳的渗层碳浓 度分布曲线。易普森公司已投放市场的低压脉冲渗碳设备配置了计算机控制系统，其特点 是按照渗碳层浓度分布数值模拟所确定的各个渗碳时间和扩散段时间工艺参数自动进行 低压脉冲渗碳过程的控制。经过对现有技术的检索发现，文献[1]报道易普森公司是采用 平均表面碳流量来计算渗层浓度分布，作为确定低压脉冲渗碳工艺的依据，该文提出“碳氢 化合物气体在低压渗碳时，碳的传输特性可以通过采用经很短时间的强渗之后，即停止低 压渗碳并未经任何扩散过程的淬火试样而得到很好的研究”。该文是用短时间渗碳测定碳 流量作为“平均碳流量”。但应指出实际上在渗碳件的表面碳流量是时间的函数。所以该 文献采用平均碳流量求解扩散偏微分方程存在以下两个缺点①以平均碳流量为边界条件 不符合实际情况，所以用这种方法得出的工艺规程无法达到正确控制渗碳层浓度分布的目 的；②“平均碳流量”是钢的成分、渗碳温度和渗碳时间三个变量的函数。对于每一种待处 理的渗碳零件，需要用实验方法来求得平均碳流量的数据，工作量很大。文献W]日本发明专利JP2002-173759报道了一种真空渗碳的碳势控制系统，其 特点是在控制系统中配置了压力计和氢检测仪，计算机根据压力计测得的炉压与氢检测仪 测得的氢分压计算碳势并反馈控制渗碳气体的添加入量，该技术采用氢检测仪之主要结构 是利用一支陶瓷管，在端点焊接一片薄膜proton质子作为氢气探测头，陶瓷管中间通入标 准氢气，外面则接触炉气，利用二侧氢分压的不同，产生一个电位差，可以根据电位差的值 换算出氢气的分压。文献[5]陈明志杨景峰应用于低压渗碳热处理炉的动态控制，中国发明专利，申 请号200410016370. 0，授权公告号1302146C正确指出文献[4]的真空渗碳控制系统存在 的缺陷。在实际渗碳时，很容易在探头上形成一层煤灰，严重影响氢分压的测量精度，且在 真空渗碳时，并没有足够的炉气可以烧掉煤灰，所以该结构的设计并不适合。文献[5]提出 了一种同时配备派尼拉真空计和薄膜式真空计的低压脉冲渗碳的计算机控制系统。在渗碳 段刚开始通入渗碳气体时，派尼拉真空计的读数与薄膜式真空计的读数出现差值，并二者 的差值随着渗碳段时间的延长而逐步减少，该文认为当计算机读得的二种真空计的差值之 比为一定时，即可作为渗碳段的结束的判据，并发出指令停止渗碳气体的输入，自动实现由 渗碳段转入到扩散段。文献[5]所提出的低压脉冲渗碳控制系统存在以下明显的缺陷① 派尼拉真空计实质上是热导式测量仪，其本身有明显滞后现象，它与薄膜真空差值并非反 映渗碳过程变化；②派尼拉真空计与薄膜式真空计之差值只能反映C2H2与H2之比值，并未 能反映工件表面％ C。在真空渗碳炉内C2H2分解反应不断进行，且除工件表面之外，石墨纤 维表面都起到触媒作用，也会使C2H2分解，文献[5]以为二者差值之比为一定时作为渗碳段 结束的判据是错误的；③文献[5]只提及自动控制渗碳段时间的技术措施，但未披露扩散 时间是如何控制的。总之现有的低压脉冲渗碳技术难以实现渗碳层碳浓度分布的控制。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种低压渗碳渗层碳浓度分布控制系 统及其控制方法，具有易于实施、高度可靠、易维护、低成本等优点，控制系统配置简单，可 靠性高易于维护和准确实现脉冲低压渗碳层浓度分布控制的优点。本发明是通过以下技术方案实现本发明涉及一种低压渗碳渗层碳浓度分布控制系统，包括低压渗碳炉、控制器、 压力传感器、热电偶、氮气调节阀、氮气输入管、渗碳气体调节阀、渗碳气体输入管、真空系 统和抽气管，其中压力传感器与低压渗碳炉的炉膛相连，压力传感器的信号输出端与控制 器的数据采集单元相连接并传输低压渗碳炉炉内压力信息，热电偶的热端置于低压渗碳炉 炉膛内，热电偶的冷端与控制器的数据采集单元相连接并传输炉内温度的信息，氮气输入 管通向低压渗碳炉膛，氮气调节阀设置于氮气输入管上并与控制器的调节控制单元连接接 收控制指令，渗碳气体输入管通向低压渗碳炉的炉膛，渗碳气体调节阀设置于渗碳气体输 入管上并与控制器的调节控制单元连接接收控制指令，抽气管的两端分别与真空系统和低压 渗碳炉的炉膛相连，真空系统的信号接收端与控制器的调节控制单元连接并接收启动指令。所述的压力传感器、控制模块、真空系统与氮气调节阀构成低压渗碳炉炉膛压力 调节控制回路。所述的控制器包括数据输入与存贮单元、数据采集单元、数值模拟单元和调节控 制单元，其中数据采集单元与调节控制单元连接传递低压渗碳炉炉膛内压力变化信息和 温度变化信息，数据输入及存贮单元与数值模拟单元相连接传递材料特性数据和渗碳工件 的设计指标，数据模拟单元与调节控制单元连接传输优化控制参数，调节控制单元分别与 低压脉冲渗碳炉、渗碳气体调节阀、氮气调节阀以及真空系统相连接并传输控制指令信息。所述的数据输入与存贮单元中设有低压脉冲渗碳的物质传递系数β、渗碳钢的扩 散系数D、饱和碳浓度Cte、允许的表面碳浓度最高值Csmax的上、下限、工件最终表面含碳量 Csd的上、下限、渗碳层总深度δ s的上、下限、δ s所对应的碳浓度Cs、渗碳段最短时间ti# min、渗碳段最长时间ti#max以及扩散段最短时间t“in，其中D、β、Cte与渗碳钢钢种有关且 为温度的函数，Csmax的上、下限，Csd的上、下限，δ s的上、下限，C5由工件的技术条件所规 定，t ifflin, t.渗max，trmin是由所使用的低压渗碳炉的特性所限定，上述各系数的具体数据由 首先输到数据输入与存贮单元中。本发明涉及上述控制系统的控制方法，包括以下步骤第一步、首先向数据存贮单元输入材料特性数据和渗碳炉的特性数据，并在工件 装炉后输入本系统的启动指令，具体步骤包括1. 1)低压渗碳炉装炉后，由控制器发出指令，启动真空系统使低压渗碳炉炉膛压 力降至1. 33mbar以下，待炉温升至渗碳温度并保温使工件温度均勻之后开始进行低压脉 冲渗碳的控制；1. 2)在每一个脉冲周期内分为渗碳段和扩散段，第i个脉冲周期的渗碳段时间用 tm表示，扩散段时间用t”表示，在每一个渗碳段由控制器发出指令至渗碳气体调节阀向 低压渗碳炉通入渗碳气体或者同时由控制模块发出指令至氮气调节阀并同时向低压渗碳 炉通入氮气，低压渗碳炉的压力在渗碳段控制在50mbar至300mbar之间。所述的特性数据包括钢的扩散系数D，饱和碳浓度Cwn，低压脉冲渗碳的物质传递系数、渗碳段最短时间ti#min，渗碳段最长时间ti#max，扩散最短t^in，允许的表面碳浓度 最高设定值Cmax的上、下限、工件最终表面含碳量Csd的上、下限，渗碳层深度ο s的上、下限 等数据。所述的扩散段具体通过控制模块发出指令至渗碳气体调节阀以停止向低压渗碳 炉通入渗碳气体通入量为零得以实现，在各个扩散阶段中低压渗碳炉的炉压降低至IOmbar 至IOOmbar之间。第二步、数据模拟单元用特性数据进行渗碳层的瞬态碳浓度场的数值模拟，所述 的渗碳段时间t渗i和扩散段时间t扩i最优化的判据是每一个脉冲周期的渗碳段结束时
刻工件的表面碳浓度Cs落在Csmax范围之内，并应符合
权利要求
1.一种低压渗碳渗层碳浓度分布控制系统，其特征在于，包括低压渗碳炉、控制器、 压力传感器、热电偶、氮气调节阀、氮气输入管、渗碳气体调节阀、渗碳气体输入管、真空系 统和抽气管，其中压力传感器与低压渗碳炉的炉膛相连，压力传感器的信号输出端与控制 器的数据采集单元相连接并传输低压渗碳炉炉内压力信息，热电偶的热端置于低压渗碳炉 炉膛内，热电偶的冷端与控制器的数据采集单元相连接并传输炉内温度的信息，氮气输入 管通向低压渗碳炉膛，氮气调节阀设置于氮气输入管上并与控制器的调节控制单元连接接 收控制指令，渗碳气体输入管通向低压渗碳炉的炉膛，渗碳气体调节阀设置于渗碳气体输 入管上并与控制器的调节控制单元连接接收控制指令，抽气管的两端分别与真空系统和低 压渗碳炉的炉膛相连，真空系统的信号接收端与控制器的调节控制单元连接并接收启动指 令。
2.根据权利要求1所述的低压渗碳渗层碳浓度分布控制系统，其特征是，所述的控制 器包括数据输入与存贮单元、数据采集单元、数值模拟单元和调节控制单元，其中数据 采集单元与调节控制单元连接传递低压渗碳炉炉膛内压力变化信息和温度变化信息，数据 输入及存贮单元与数值模拟单元相连接传递材料特性数据和渗碳工件的设计指标，数据模 拟单元与调节控制单元连接传输优化控制参数，调节控制单元分别与低压脉冲渗碳炉、渗 碳气体调节阀、氮气调节阀以及真空系统相连接并传输控制指令信息。
3.根据权利要求2所述的低压渗碳渗层碳浓度分布控制系统，其特征是，所述的数据 输入与存贮单元中设有低压脉冲渗碳的物质传递系数β、渗碳钢的扩散系数D、饱和碳浓 度Cte、允许的表面碳浓度最高值Csmax的上、下限、工件最终表面含碳量Csd的上、下限、渗碳 层总深度δ s的上、下限、δ s所对应的碳浓度Cs、渗碳段最短时间Titmin、渗碳段最长时间 t.渗_以及扩散段最短时间t扩 min0
4. 一种根据上述任一权利要求所述系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤第一步、首先向数据存贮单元输入材料特性数据和渗碳炉的特性数据，并在工件装炉后输入本系统的启动指令；第二步、数据模拟单元用特性数据进行渗碳层的瞬态碳浓度场的数值模拟，并根据数 值模拟结果设定优化低压脉冲渗碳工艺参数，并传输到调节控制单元；第三步、数据采集单元采集压力传感器的讯号和热电偶的讯号，转换为炉压和温度化 的信息，将其传输到调节控制单元；第四步、调节控制单元将炉内压力和温度的数据与设定的工艺参数对比，从而作出调 节决策，将控制指令传输到真空系统，渗碳气体调节阀和氮气调节阀。
5.根据权利要求4所述的控制方法，其特征是，所述的第一步具体包括以下步骤1. 1)低压渗碳炉装炉后，由控制器发出指令，启动真空系统使低压渗碳炉炉膛压力降 至1. 33mbar以下，待炉温升至渗碳温度并保温使工件温度均勻之后开始进行低压脉冲渗 碳的控制；1. 2)在每一个脉冲周期内分为渗碳段和扩散段，第i个脉冲周期的渗碳段时间用t, i表示，扩散段时间用t。表示，在每一个渗碳段由控制器发出指令至渗碳气体调节阀向低 压渗碳炉通入渗碳气体或者同时由控制模块发出指令至氮气调节阀并同时向低压渗碳炉 通入氮气，低压渗碳炉的压力在渗碳段控制在50mbar至300mbar之间。
6.根据权利要求4所述的控制方法，其特征是，所述的特性数据包括钢的扩散系数D，饱和碳浓度Cwn，低压脉冲渗碳的物质传递系数、渗碳段最短时间Iitmin，渗碳段最长时间t ，扩散最短t“in，允许的表面碳浓度最高设定值Cmax的上、下限、工件最终表面含碳量Csd 的上、下限，渗碳层深度σ s的上、下限等数据。
7.根据权利要求4所述的控制方法，其特征是，所述的扩散段具体通过控制模块发出 指令至渗碳气体调节阀以停止向低压渗碳炉通入渗碳气体通入量为零得以实现，在各个扩 散阶段中低压渗碳炉的炉压降低至IOmbar至IOOmbar之间。
全文摘要
一种金属热处理技术领域的低压渗碳渗层碳浓度分布控制系统及其控制方法，该系统包括低压渗碳炉、控制器、压力传感器、热电偶、氮气调节阀、氮气输入管、渗碳气体调节阀、渗碳气体输入管、真空系统和抽气管，本发明具有用渗层浓度分布数值模拟自动优化低压脉冲工艺参数并实现控制的功能，渗碳气体调节阀根据控制器的指令执行通/断动作控制渗碳段时间和扩散段时间，实现渗层浓度分布的正确控制。能在保持高的渗碳速度的同时，避免表层碳化物超差，准确控制表面碳浓度，渗层深度和浓度分布，减少炉内积聚碳黑。并摆脱了对气体成分传感器的依赖，具有配置简化、易于实施、可靠性高、易于维护的优点。
文档编号G05B19/418GK102063110SQ20101057151
公开日2011年5月18日 申请日期2010年12月3日 优先权日2010年12月3日
发明者孔铭, 沈玉明, 潘健生, 钱初钧, 顾剑锋 申请人:上海交通大学, 上海旗春热处理有限公司