一种用于真空渗碳过程的变频调速装置及其调速方法与流程

本发明涉及真空渗碳技术领域，尤其涉及一种用于真空渗碳过程的变频调速装置及其调速方法。

背景技术：

真空渗碳过程是一个脉冲式的工艺过程，即以强渗脉冲阶段和扩散阶段交替进行的过程。在强渗阶段向淬火炉内充入渗碳剂，在扩散阶段停止通入渗碳剂，并且通过真空泵系统把淬火炉内碳原子含量变低的残余气体抽出，使炉内达到工作真空度，在下一个脉冲到来时充入新的渗碳剂，以进行均匀地渗碳。

现有的真空渗碳淬火炉炉内一般都装有搅拌风扇，其目的是为了在炉膛内产生对流，均匀炉内气氛和温度。但现有装设在炉内的风扇不具有调速功能，工件的温度控制模式是通过工作区的热电偶测出的温度信号进行控制的，这种控温方式存在的问题是热电偶插入的位置和炉内气体的流动变化对测量的温度信号和气氛组成有很大的影响，造成工件各表面温度和气氛的波动、不准确和滞后等，严重影响了工件表面渗碳(渗氮)的均匀和渗碳层的深度。此外，这种控制方式因风扇转速调节是有限的，炉内各个部分的温度和气氛流动时的不均匀性无法通过风扇的转速来精确控制，造成工件在渗碳或碳氮共渗过程中表面碳的不均匀性、渗层均匀性和渗碳碳黑等。

因此，开发一种温度和气氛分布控制响应快、控制精度高的真空渗碳炉的变频调速装置是十分必要的。

技术实现要素：

本发明为解决现有技术中的上述问题，提出一种用于真空渗碳过程的变频调速装置及其调速方法。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明的第一个方面是提供一种用于真空渗碳过程的变频调速装置，包括真空渗碳炉和若干自炉外伸入炉内且均布在炉内工作区四周的辐射管，还包括：

一设置于所述真空渗碳炉顶部的变频调速风扇；

一一设置于所述工作区上方、侧方以及下方中心位置用于检测所述工作区相应位置温度的第一热电偶、第二热电偶和第三热电偶；

一一设置于所述工作区上表面、侧表面以及下表面中心位置用于检测所述工作区相应位置炉气气氛的第一热传导探头、第二热传导探头和第三热传导探头；以及

一一设置于所述工作区内工件的上表面、侧表面以及下表面中心位置用于检测所述工件相应位置表面温度的第四热电偶、第五热电偶和第六热电偶；

其中，各热电偶和热传导探头均连接计算机控制系统，所述计算机控制系统根据各热电偶实测各部位的温度以及不同部位的温差和各热传导探头实测各部位的气氛组成以及不同部位的气氛浓度差，调节所述真空渗碳炉内渗碳气体的流量和压力以及调节所述变频调速风扇的转速，以控制工件在深冷过程中的升温、扩散和/或冷却的速度。

进一步地，在所述的用于真空渗碳过程的变频调速装置上，所述变频调速风扇的电机连接变频器，通过所述变频器对所述电机进行无级调速。

进一步地，在所述的用于真空渗碳过程的变频调速装置上，所述辐射管通过总输送管分别与所述氮气管道和渗碳介质管道连接。

进一步地，在所述的用于真空渗碳过程的变频调速装置上，所述辐射管为空心状的电热合金管，且垂直分布于所述真空渗碳炉内。

进一步优选地，在所述的用于真空渗碳过程的变频调速装置上，所述辐射管上开设有若干射流孔，且若干所述射流孔等距间隔分布。

进一步地，在所述的用于真空渗碳过程的变频调速装置上，所述真空渗碳炉顶部设置有冷却气体管道。

进一步地，在所述的用于真空渗碳过程的变频调速装置上，所述真空渗碳炉底部通过抽气管道与真空泵连通，所述抽气管道上装设有电磁阀，所述电磁阀和所述真空泵与所述计算机控制系统连接。

进一步地，在所述的用于真空渗碳过程的变频调速装置上，所述真空渗碳炉侧壁和底部分别铰接设置有若干可调节挡板，所述可调节挡板与设置于所述真空渗碳炉外壁的伸缩电机连接。

本发明的第二个方面是提供一种如上述所述装置的用于真空渗碳过程的变频调速方法，包括如下步骤：

s1，在升温阶段，根据工作区各部分温度信号和辐射管温度对升温过程进行速度调控；通过调节变频调速风扇(1)的转速，减小工作区各部分升温过程的温差，实现热处理炉工作区均匀升温；

s2，进入渗碳阶段后，根据炉内的工作区各部分温度差，并参考工作区各个部分气氛浓度差来进行速度调控，通过调节变频调速风扇(1)的转速，减小工作区各部分升温过程的温差和浓度差，实现各部分均匀渗碳；

s3，进入扩散阶段，根据炉内的工作区各部分温度差，并参考工作区各个部分气氛浓度差来进行速度调控，通过调节变频调速风扇(1)的转速，减小工作区各部分升温过程的温差和浓度差，实现各部分均匀扩散；

s4，经过反复的渗碳-扩散阶段后，进入冷却阶段，根据工件的理想冷却曲线和热电偶实测的温度变化曲线的之间的误差，通过调节变频调速风扇(1)的转速，减小理想冷却曲线与实际冷却曲线之间的误差，实现工件的可控冷却。

进一步地，在所述的用于真空渗碳过程的变频调速方法中，在步骤s4中，在冷却阶段，通入一定压力和温度的冷却气体，通过控制变频调速风扇的转速来调节工件的冷却速率，实现工件的可控冷却。

进一步地，在所述的用于真空渗碳过程的变频调速方法中，在步骤s1-s4中，所述可调节挡板的安装位置和角度可以根据流体运动的需要改变，结合所述变频调速风扇的变频调速，保证工件表面渗碳的均匀性。

进一步地，在所述的用于真空渗碳过程的变频调速方法中，在步骤s4中，所述变频调速风扇的转速从零到最大转速可以无级调速。

本发明采用上述技术方案，与现有技术相比，具有如下技术效果：

(1)采用变频调速电机实现风扇的无级调速，使工件表面的气氛和温度更加均匀，减小工件因受热不均而产生的变形，使得渗碳(渗氮)更加均匀；

(2)采用新的变频调速控制模式，热电偶和热传导探头分别布置在渗碳淬火炉的工作区上中下三个位置，不同阶段采取不同的控速方式；

(3)利用计算机控制系统根据实时温度与设定温度的偏差以及实时气氛组成和设定气氛组成的偏差来输出控制量，从而实现对渗碳炉工作区温度和气氛的精确控制，能保证工件表面渗碳时均匀，稳定，提高渗碳质量；

(4)气体冷却时，根据理想冷却缺陷与在在线检测的工件表面温度值之间的误差值，通过计算机控制系统调节变频调速风扇的转速，以调节工件冷却速度，使冷却曲线与实际冷却缺陷之间的误差尽可能减小，实现工件的可控冷却；

(5)在炉内，结合变频调速风扇的变频调速，保证工件表面渗碳的均匀性。

附图说明

图1为本发明一种用于真空渗碳过程的变频调速装置的整体结构示意图；

图2为本发明一种用于真空渗碳过程的变频调速装置中辐射管的剖面结构示意图；

图3为本发明一种用于真空渗碳过程的变频调速装置具有可调节挡板的整体结构示意图；

图4为本发明一种用于真空渗碳过程的变频调速方法的控制原理示意图；

其中，各附图标记为：

1-变频调速风扇，2-工作区，3-辐射管，4-第一热电偶，5-第二热电偶，6-第三热电偶，7-第一热传导探头，8-第二热传导探头，9-第三热传导探头，10-第四热电偶，11-第五热电偶，12-第六热电偶，13-总输送管，14-氮气管道，15-渗碳介质管道，16-冷却气体管道，17-电磁阀，18-真空泵，19-射流孔，20-可调节挡板，21-伸缩气缸。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明进行详细和具体的介绍，以使更好的理解本发明，但是下述实施例并不限制本发明范围。

实施例1

参阅图1所示，提供一种用于真空渗碳过程的变频调速装置，包括真空渗碳炉和若干自炉外伸入炉内且均布在炉内工作区2四周的辐射管3，还包括：一设置于所述真空渗碳炉顶部的变频调速风扇1；一一设置于所述工作区2上方、侧方以及下方中心位置用于检测所述工作区2相应位置温度的第一热电偶4、第二热电偶5和第三热电偶6；一一设置于所述工作区2上表面、侧表面以及下表面中心位置用于检测所述工作区2相应位置炉气气氛的第一热传导探头7、第二热传导探头8和第三热传导探头9；以及一一设置于所述工作区2内工件的上表面、侧表面以及下表面中心位置用于检测所述工件相应位置表面温度的第四热电偶10、第五热电偶11和第六热电偶12。

在本实施例中，真空渗碳淬火炉工作区的第一热电偶4、第二热电偶5、第三热电偶6、第四热电偶10、第五热电偶11和第六热电偶12用于升温阶段，渗碳渗氮和扩散，以及冷却阶段的工件表面均匀温度的控制。第一热电偶4、第二热电偶5、第三热电偶6用于实时测量工作区不同位置的温度误差大小，主要用于升温和渗碳阶段控制热处理炉温度均匀性。第四热电偶10、第五热电偶11和第六热电偶12用于测试工件表面温度，主要用于冷却阶段工件表面温度的变化，通过计算工件表面温度变化曲线与工件理想冷却曲线之间的误差，调节风扇标转速，使误差值趋于最小，实现工件的可控冷却。真空渗碳淬火炉工作区的第一热传导探头7、第二热传导探头8和第三热传导探头9，用于渗碳渗氮阶段工件表面均匀气氛的控制。通入一定压力和温度的冷却气体，通调节风扇转速，实现工件的可控冷却。

该用于真空渗碳过程的变频调速装置中，各热电偶和热传导探头均连接计算机控制系统，所述计算机控制系统根据各热电偶实测各部位的温度以及不同部位的温差和各热传导探头实测各部位的气氛组成以及不同部位的气氛浓度差，调节所述真空渗碳炉内渗碳气体的流量和压力以及调节所述变频调速风扇1的转速，以控制工件在深冷过程中的升温、扩散和/或冷却的速度。

参阅图1所示，本实施例中，该用于真空渗碳过程的变频调速装置实现新的变频调速控制模式，热电偶和热传导探头分别布置在渗碳淬火炉的工作区上中下三个位置，不同阶段采取不同的控速方式；升温阶段，根据工作区各部分温度信号和辐射管温度进行速度调控；进入渗碳阶段后，根据炉内的工作区各部分温度差，并参考工作区各个部分气氛浓度差来进行速度调控，实现各部分均匀渗碳；进入扩散阶段，根据炉内的工作区各部分温度差，并参考工作区各个部分气氛浓度差来进行速度调控，实现各部分均匀扩散；经过反复的渗碳-扩散阶段后，进入冷却阶段，根据工件的理想冷却曲线和热电偶实测的温度变化曲线的之间的误差，通过调节风扇的转速，尽可能减小理想冷却曲线与实际冷却曲线之间的误差，实现工件的可控冷却。

参阅图1所示，本实施例中，所述变频调速风扇1的电机连接变频器，通过所述变频器对所述电机进行无级调速，电机连接有变频电源，电机位于炉体外面与炉内的风扇相连。电机的转速从零到最大转速可以无级调速。该变频调速风扇1的电机的无级调速是由一个变频器所控制的，电机带动风扇转动时，通过变频器来改变交流电动机工作电压的频率和幅度，继而控制风扇的无级调速，使炉内工作区的温度和气氛更加均匀、准确。

在本实施例中，该用于真空渗碳过程的变频调速装置采用无级调速的形式，不同于传统的调速装置，变频调速风扇1的电机外部连接有变频电源，变频调速风扇1的电机位于炉体外面与炉内的风扇相连。将工件依次摆放在真空炉的工作区，关好炉门，开始抽真空，压力示数达到10pa以下，通入氮气到一定压力，输入控制参数。开始加热升温，适当调节变频调速风扇1转速，加速升温速率。到达渗碳温度时，抽出升温气体。采用脉冲式渗碳方式，通入渗碳气体，并保持渗碳压力在1000pa～2000pa之间。根据各部分热电偶测得的实际温度与控制温度比较，适当调节风扇转速，改变气体循环速率，使得工件各个表面温度差在合理范围之内，保证渗碳的均匀，准确。通过各处的热传导探头测得的各处实际气氛组成来辅助调节风扇转速。热电偶和热传导探头分别放置工作区的上部、侧面和下方。测量的数据实时传入计算机控制系统进行监控。

参阅图1和图2所示，在本实施例中，所述辐射管3通过总输送管13分别与所述氮气管道14和渗碳介质管道15连接，该总输送管13、氮气管道14、渗碳介质管道15上均设置于有流量计，通过氮气管道14提供氮气作为冷源；通过渗碳介质管道15提供渗碳介质。

参阅图1和图2所示，在本实施例中，所述辐射管3为空心状的电热合金管，且垂直分布于所述真空渗碳炉内；所述辐射管3上开设有若干射流孔19，且若干所述射流孔19等距间隔分布，根据处理工件的要求，可更换不同尺寸型号的辐射管3。

参阅图1和图2所示，在本实施例中，所述真空渗碳炉顶部设置有冷却气体管道16，在对进行工件冷却时，通过冷却气体从渗碳炉顶部的冷却气体管道16通入，经过变频调速风扇1加速来冷却工件。气淬过程中，工件的热量主要靠冷却气体的强制对流带走的。

参阅图1和图2所示，在本实施例中，所述真空渗碳炉底部通过抽气管道与真空泵18连通，所述抽气管道上装设有电磁阀17，所述电磁阀17和所述真空泵18与所述计算机控制系统连接，通过真空泵18对真空渗碳炉抽真空，控制炉内气氛和压力的大小。

实施例2

与实施例1不同的是，参阅图3所示，在本实施例中，所述真空渗碳炉侧壁和底部分别铰接设置有若干可调节挡板20，所述可调节挡板20与设置于所述真空渗碳炉外壁的伸缩电机21连接。在炉内一定方位布置有可调节挡板20，通过可调节挡板20使炉内气氛流动时能够按照设定的通道流动，使炉内气氛均匀，避免死角的出现。可调节挡板20的安装位置和角度可以根据流体运动的需要改变，结合变频调速风扇1的变频调速，保证工件表面渗碳的均匀性。

实施例3

参阅图4所示，基于上述实施例1或实施例2提供的用于真空渗碳过程的变频调速装置，本实施例提供一种如上述所述装置的用于真空渗碳过程的变频调速方法，包括如下步骤：

s1，在升温阶段，根据工作区各部分温度信号和辐射管温度对升温过程进行速度调控；通过调节变频调速风扇1的转速，减小工作区各部分升温过程的温差，实现热处理炉工作区均匀升温；

s2，进入渗碳阶段后，根据炉内的工作区各部分温度差，并参考工作区各个部分气氛浓度差来进行速度调控，通过调节变频调速风扇1的转速，减小工作区各部分升温过程的温差和浓度差，实现各部分均匀渗碳；

s3，进入扩散阶段，根据炉内的工作区各部分温度差，并参考工作区各个部分气氛浓度差来进行速度调控，通过调节变频调速风扇1的转速，减小工作区各部分升温过程的温差和浓度差，实现各部分均匀扩散；

s4，经过反复的渗碳-扩散阶段后，进入冷却阶段，根据工件的理想冷却曲线和热电偶实测的温度变化曲线的之间的误差，通过调节变频调速风扇1的转速，减小理想冷却曲线与实际冷却曲线之间的误差，实现工件的可控冷却。

在本实施例中，在步骤s4中，在冷却阶段，通入一定压力和温度的冷却气体，通过控制变频调速风扇1的转速来调节工件的冷却速率，实现工件的可控冷却。具体地，本实施例通过通入一定压力和温度的冷却气体，冷却空气在风扇作用下沿设计风道流动，流过至工件表面时与工件发生对流换热，使工件温度降低。冷却气体吸收工件热量使自身温度上升到一定温度时排出炉外降温，同时从炉顶的冷却气体管道16补充冷却气体。

在本实施例中，在步骤s1-s4中，所述可调节挡板20的安装位置和角度可以根据流体运动的需要改变，结合所述变频调速风扇1的变频调速，保证工件表面渗碳的均匀性。

在本实施例中，在步骤s4中，所述变频调速风扇1的转速从零到最大转速可以无级调速。

在本实施例中，设工件的重量为w，工件的表面积f，工件的的比热c，工件的冷却时间可表述为：

式中，h为对流换热系数，t1和t2为工件冷却时的起始温度和经过冷却时间t后的温度，tf为气体进入炉膛的温度。

(1)式表明，在其他条件一定的情况下，对流换热系数越大，工件淬火的时间越短，冷却速率越快。对流换热系数h与淬火气体的性质和流过工件的气体质量流量等有关，可由一个方程表示：

式中，k1为常数，cp为冷却气体比热，p1和p2为指数,p1取0.6～0.8，d未冷却表面外径，g为冷却气体质量流量。在气体类型一定时，气体的密度可用压力表示，则气体的质量流量：

g＝ρ·q＝pq(3)

式中q为气体体积流量，ρ冷却气体密度。气体的体积流量与气体流速的关系可表示为

q＝υ·s(4)

式中，υ为气体流速，s冷却气体流过的横截面面积。

由(2)、(3)和(4)式，在其他条件不变时，可简化为：

(5)式表明，增大冷却气体压力和增加气体流速可有效加快传热速率，从而降低工件冷却时间。冷却气体的速率可由风扇转速进行调节，增大风扇的转速可提高工件气淬速度。

因此，利用变频调速风扇1进行无级调速，适当调节风扇转速，使工件表面的气氛和温度更加均匀，减小工件因受热不均而产生的变形，使得渗碳(渗氮)更加均匀，准确。气体冷却时，通过调节风扇的转速，加速工件冷却速度来抑制碳化物析出，提高工件的渗碳质量。

同时，本实施例提出的新的变频调速控制模式，热电偶和热传导探头分别布置在渗碳淬火炉的工作区上中下三个位置，不同阶段采取不同的控速方式，升温阶段根据工作区各部分温度信号和加热管温度进行控速。进入恒温阶段后，根据炉内的工作区各部分温度信号控速，并参考工作区各个部分气氛浓度差来进行速度调控。

由于热电偶和热传导探头的位置固定，根据各个部分温度和气氛组成，利用计算机算法计算实时温度与设定温度的偏差以及实时气氛组成和设定气氛组成来输出控制量，从而实现对渗碳炉工作区温度和气氛的精确控制。能保证工件表面渗碳时均匀，稳定，提高渗碳质量。

此外，请继续参阅图4所示，其为真空渗碳炉的变频调速装置的控制系统示意图，其主要控制参数包括工作区温度、工作区压力、工作区气氛、渗碳源源气体、冷却气体和风扇转速等，其中，工作区温度、工作区压力和工作区气氛是根据真空渗碳工艺要求设定的。渗碳源气体流量、冷却气体流量和风扇转速是根据实测的工作区温度、工作区压力和工作区气氛与设定的目标值之间的误差实时调节使其误差值处于计算机控制系统设定的误差之内。如图4所示，工作区压力通过设置于工作区的压力检测单元检测；工作区温度通过相应的热电偶组成的温度检测单元检测；以及工作区气氛通过各热传导探头检测。

真空渗碳不同阶段控制的工艺参数各不相同，在升温阶段，主要通过温度控制单元控制各辐射管的加热功率以控制工作区各部分均匀升温，从而控制淬火炉升温速率；计算机控制系统中工作区升温速率有一个设定的值及波动范围，工作区实测的升温速率与设定的升温速率存在误差δsi＝irs-rii，其中rs、ri分别为系统设定的升温速率和实测升温速率，i表示为对误差值取绝对值的运算符号。此外，工作区不同位置的升温速率也各不相同，也存在波动误差δi12＝iri1-ri2i、δi13＝iri1-ri3i及δi23＝iri2-ri3i，其中，ri1、ri2和ri3分别为第一热电偶4、第二热电偶5和第三热电偶6实测的工作区不同位置的升温速率。计算机控制系统实测的升温速率与系统设定的升温速率之间的误差，通过系统内部的控制算法，通过调节真空炉的输入功率和风扇转速实时控制δsi、δi12、δi13和δi23在系统设定误差范围之内，从而实现升温阶段对真空炉的温度控制。

在其它控制阶段，计算机控制系统的控制原理是一样的，不同的是控制的参数不一样。如在渗碳阶段和扩散阶段，主要控制工作区温度、工作区压力和工作区气氛三个参数，主要通过调节风扇转速、渗碳气体流量及真空炉输入功率实现对上述三个参数的控制，或还通过挡板驱动单元控制可调节挡板的倾斜度；又如在冷却阶段，控制的是工件表面的冷却速率，与升温过程相对应，系统内部有一个设定的工件表面冷却速率，不同部位工件表面的温度由第四热电偶10、第五热电偶11、第六热电偶12实时测量，这三个热电偶是固定在三个不同部位工件的表面上的。同样，实测的冷却速率与设定的冷却速率有一误差δcsi＝ircs-rcii，其中rcs、rci分别为系统设定的冷却速率和实测的冷却速率。此外，工作区不同位置的冷却速率也各不相同，也存在波动误差δci12＝irci1-rci2i、δci13＝irci1-rci3i及δci23＝irci2-rci3i，其中，rci1、rci2和rci3分别为第四热电偶10、第五热电偶11和第六热电偶12实测的工作区不同位置的冷却速率。

以上对本发明的具体实施例进行了详细描述，但其只是作为范例，本发明并不限制于以上描述的具体实施例。对于本领域技术人员而言，任何对本发明进行的等同修改和替代也都在本发明的范畴之中。因此，在不脱离本发明的精神和范围下所作的均等变换和修改，都应涵盖在本发明的范围内。