一种自动控制炉内气氛的真空渗碳炉及控制方法
【专利摘要】本发明涉及一种自动控制炉内气氛的真空渗碳炉及控制方法，真空渗碳炉包括用于反应室(4)、真空泵组(1)、供气管道、气氛测量装置(2)、控制装置(3)和计量装置(7)，气氛测量装置(2)与反应室(4)连接内，计量装置(7)设置在供气管道上，计量装置(7)用于调节供气管道并计算气体通入时长和进气量，气氛测量装置(2)测量真空渗碳炉内的气体组分，将测量结果实时传送给控制装置(3)，控制装置(3)计算工件表面的实时富化率，并控制计量装置(7)以调节炉内气氛，直到工件表面富化率达到设定要求。与现有技术相比，本发明具有计算简单、实时调节、适用范围广的优点。
【专利说明】
一种自动控制炉内气氛的真空渗碳炉及控制方法
技术领域
[0001 ]本发明涉及一种真空渗碳炉，尤其是涉及一种自动控制炉内气氛的真空渗碳炉及 控制方法。
【背景技术】
[0002] 真空渗碳炉是对金属工件进行各种热处理工艺的工业炉，要求较严格地控制炉温 和炉内气氛组分。目前热处理行业市场上的真空渗碳炉炉内气氛是没办法自动控制的，只 能根据渗碳温度、被渗工件原始碳浓度、渗碳后表面碳浓度、扩散后表面碳浓度、最终表面 碳浓度、渗碳层深度和各类材质的表面吸碳量，计算出执行渗碳工艺所需要的渗碳时间、扩 散时间。这种方法是建立在经验基础上的"饱和值调整法"，即在渗碳期使奥氏体固溶碳并 饱和;在扩散期使固溶了的碳向内部扩散达到目标要求值。
[0003] 上述过程计算非常繁琐，装载量的变化或工件表面积的变化，都会影响渗层的深 度和热处理质量，也就是说每炉工件参数有变化，就需要重新计算渗碳时间、扩散时间，从 而产生不同渗碳工艺。利用时间和脉冲的方式控制被渗工件的渗碳过程，在这过程中如果 炉内的气体组分发生变化，控制装置是不能参与调整的，这样就造成了热处理品质的重复 性不稳定。虽然国外有开发出相应的计算软件，这个软件也只是代替计算过程，减少工艺人 员的劳动强度，不能对炉内的气氛实时控制。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种能精确调节炉 内气氛，以达到实时控制炉内的富化率的自动控制炉内气氛的真空渗碳炉及控制方法。
[0005] 本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
[0006] -种自动控制炉内气氛的真空渗碳炉，包括用于放置工件的反应室、分别与反应 室连接的真空栗组和供气管道，所述的真空渗碳炉还包括气氛测量装置、控制装置和计量 装置，所述的气氛测量装置与反应室连接，所述的计量装置设置在供气管道上，计量装置用 于调节并计算供气管道的气体通入时长和进气量，所述的控制装置分别与气氛测量装置和 计量装置连接，
[0007] 气氛测量装置测量反应室内的气体组分及相对含量，将测量结果实时传送给控制 装置，控制装置根据测量结果和计量装置的数据计算工件表面的实时富化率，并控制计量 装置以调节炉内气氛，直到工件表面富化率达到设定要求。
[0008] 所述的气氛测量装置包括多个设置在反应室与真空栗组之间的气氛测量探头。
[0009] 所述的反应室设有加热装置，所述的加热装置环绕工件设置。
[0010] 所述的控制装置分别与加热装置和真空栗组连接，自动控制加热和抽真空。
[0011] 所述的加热装置包括加热棒。
[0012] 所述的计量装置包括相互连接的管道阀门和质量流量计。
[0013] 所述的控制装置分别与气氛测量装置和计量装置通过通讯线连接。
[0014] 所述的控制装置包括相互连接的DSP控制芯片、PLC可编程逻辑控制器和工业电 脑。
[0015] -种真空渗碳炉的气氛自动控制方法，包括以下步骤：
[0016] S1，使用气氛测量装置测量反应室内的气体组分及相对含量，将测量结果实时传 送给控制装置；
[0017] S2,控制装置根据气氛测量装置的测量结果和计量装置的计量数据计算工件表面 的实时富化率，所述的计量装置设置在真空渗碳炉的供气管道上，计量数据包括反应室内 气体的通入时长和进气量；
[0018] S3,控制装置根据工件表面的实时富化率，控制供气管道的开闭以调节炉内气氛， 并返回步骤S1，直到工件表面富化率达到设定要求。
[0019] 所述的气氛测量装置以设定的测量周期对反应室内的气体组分及相对含量进行 测量。
[0020] 所述的步骤S3中，当实时富化率低于设定值，计量装置加大进气量，反之计量装置 减少进气量。
[0021 ]与现有技术相比，本发明具有以下优点：
[0022] (1)通过设置气氛测量装置和计量装置，获得炉内气体组分、含量以及气体通入时 长，从而利用控制系统计算工件表面的实时富化率，并根据实时富化率对供气管道进行调 节，实现控制炉内的富化率的实时调节。
[0023] (2)计算速度快，不受目标工件的外形、表面积的影响，多种工件可采用相同的控 制方法。
[0024] (3)采用控制装置向计量装置发送指令来控制进气量，调节精度高，具有良好的实 时性。
[0025] (4)多个气氛测量探头设置在真空渗碳炉与真空栗组之间，测量值准确可靠。
【附图说明】
[0026] 图1为本实施例真空渗碳炉的结构示意图；
[0027] 附图标记：
[0028] 1为真空栗组;2为气氛测量装置;3为控制装置;4为反应室;5为加热装置;6为目标 工件;7为计量装置。
【具体实施方式】
[0029]下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案 为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于 下述的实施例。
[0030] 实施例1
[0031 ]如图1所示，一种自动控制炉内气氛的真空渗碳炉，包括用于放置目标工件6的反 应室4、分别与反应室4连接的真空栗组1和供气管道，真空渗碳炉还包括气氛测量装置2、控 制装置3和计量装置7，气氛测量装置2与反应室4连接，计量装置7设置在供气管道上，计量 装置7用于调节并计算供气管道的气体通入时长和进气量，控制装置3分别与气氛测量装置 2和计量装置7连接，供气管道通入C2H2 (乙炔）；
[0032] 气氛测量装置2测量反应室4内的气体组分及相对含量，将测量结果实时传送给控 制装置3,控制装置3根据测量结果和计量装置7的数据计算工件表面的实时富化率，并控制 计量装置7以调节炉内气氛，直到工件表面富化率达到设定要求。
[0033] 气氛测量装置2可使用市场上已有的气氛测量仪，如激光测量系统，该系统利用光 谱分析的原理，将每种元素或物质经行鉴别并确定它的化学组成和相对含量，其包括多个 气氛测量探头，分别设置在真空渗碳炉的排气管道上，即真空栗组1与真空渗碳炉之间的管 道上，因此测出的气体组分是反应过后的气体组分，计算富化率准确可靠。
[0034] 反应室4设有加热装置5,加热装置5环绕工件设置。
[0035] 控制装置3分别与加热装置5和真空栗组1连接。
[0036] 加热装置5为石墨或钼制成的加热棒，或者电热丝等加热器。
[0037]计量装置7包括相互连接的管道阀门和质量流量计。
[0038] 控制装置3分别与气氛测量装置2和计量装置7通过通讯线连接。
[0039] 控制装置3包括相互连接的DSP控制芯片、PLC可编程逻辑控制器和工业电脑，也可 采用其他微控制器构成系统。
[0040] 实施例2
[0041 ] -种真空渗碳炉的气氛自动控制方法，包括以下步骤：
[0042] S1，使用气氛测量装置测量反应室4内的气体组分及相对含量，将测量结果实时传 送给控制装置3;
[0043] S2,控制装置3根据气氛测量装置2的测量结果和计量装置7的计量数据计算工件 表面的实时富化率，计量装置7设置在真空渗碳炉的供气管道上，计量数据包括反应室4内 气体的通入时长；
[0044] S3,控制装置3根据目标工件6表面的实时富化率，控制供气管道的开闭以调节炉 内气氛，并返回步骤S1，直到目标工件6表面富化率达到设定要求。
[0045] 气氛测量装置2每0.1秒进行一次测量，以实现实时测量和控制。
[0046] 气氛测量装置2实时采集真空渗碳工艺过程中的炉内气氛的组分，然后将参数送 到控制装置3,同时，控制装置3读取计量装置7的数据，获得理论上的气体的分解产物组成 成分含量，并根据预先设置好的气体分解方程式，计算出炉内的目标工件6表面的实时富化 率。将目标工件6的工艺要求，写入到控制装置3，控制装置3就会根据气氛测量装置2的实际 值来控制计量装置7，这样就能准确的控制炉内的目标工件6表面的实时富化率，最后达到 本专利的目的。
[0047] 整个系统进气量是由计量装置7控制的，排气量是通过炉内安装的压力计来控制 真空栗组1，而气氛测量装置2是安装真空栗组1前面。设定好需要的富化率的值，当低于设 定值，可以由控制装置3发出指令，让计量装置7加大进气量，与此同时真空栗组1的工作频 率增大，保证炉内的设定压力，同时也是保证炉内的工件表面的富化率。反之，当高于设定 值，可以由控制装置3发出指令，让计量装置7减小进气量，与此同时真空栗组1的工作频率 减小。
[0048]以C2H2(乙炔)为例进行说明：
[0049] C2H2(乙炔)在高温下分解方程式：
[0051] 注：[C]为碳原子
[0052] 在高温的环境下，上述方程式（1)、（2)、（3)是可逆的，即C2H2(乙炔)分解是不稳定 的。
[0053]在低压真空渗碳过程中，工件表面的富碳能力，公式如下：
[0054] F = 3600XDP/(tXS) (4)
[0055] 其中，F为工件表面的碳传递系数或称表面富化率;DP为工件渗碳前后质量变化;t 是C2H2 (乙炔)通入的时间；S为被处理工件的总表面积。
[0056] 本专利的实现过程
[0057] 1)在真空渗碳过程中，测量出炉内气氛的组分，再根据C2H2 (乙炔)进气量，就能算 出被处理工件表面的附着的[C](碳原子），也就是公式(4)中的DP，因为被处理工件进入真 空炉后，工件的质量不会发生改变，只有当工件表面附着碳原子的时候，质量才会发生改 变。
[0058] 2) C2H2 (乙炔)通入的时间t是可以通过控制装置控制的，
[0059] 3)同一炉工件的总表面积S是恒定的。
[0060] 由上面的三步就完全实现实时控制炉内的富化率。
[0061] 为完成真空渗碳工艺，首先将目标工件6装入到反应室4里面，工艺人员根据目标 工件6的工艺要求，在控制装置3里面设定各种工艺参数。
[0062] 控制装置3会自动控制真空栗组1，对反应室4进抽真空，达到设定的真空度后，控 制装置3又控制加热装置5,将目标工件6加热到设定的温度。达到温度后，控制装置3控制计 量装置7向反应室4输送C2H2(乙炔），C2H2(乙炔)在高温环境下分解，气氛测量系统2会测量 反应室4气氛组成成分，并将数据结果送到控制装置3,控制装置3通过计算得到炉内实际富 化率。
[0063] 控制装置3根据工艺人员设定的工艺参数和炉内实际富化率，通过计量系统7调整 C2H2 (乙炔)的进气量，精确控制炉内气氛，达到本专利的目的。
【主权项】
1. 一种自动控制炉内气氛的真空渗碳炉，包括用于放置工件的反应室(4)、分别与反应 室(4)连接的真空栗组（1)和供气管道，其特征在于，所述的真空渗碳炉还包括气氛测量装 置(2)、控制装置(3)和计量装置(7)，所述的气氛测量装置(2)与反应室(4)连接，所述的计 量装置(7)设置在供气管道上，计量装置(7)用于调节并计算供气管道的气体通入时长和进 气量，所述的控制装置(3)分别与气氛测量装置(2)和计量装置(7)连接， 气氛测量装置(2)测量反应室(4)内的气体组分及相对含量，将测量结果实时传送给控 制装置(3)，控制装置(3)根据测量结果和计量装置(7)的数据计算工件表面的实时富化率， 并控制计量装置(7)以调节炉内气氛，直到工件表面富化率达到设定要求。2. 根据权利要求1所述的一种自动控制炉内气氛的真空渗碳炉，其特征在于，所述的气 氛测量装置(2)包括多个设置在反应室(4)与真空栗组(1)之间的气氛测量探头。3. 根据权利要求1所述的一种自动控制炉内气氛的真空渗碳炉，其特征在于，所述的反 应室(4)设有加热装置(5)。4. 根据权利要求3所述的一种自动控制炉内气氛的真空渗碳炉，其特征在于，所述的控 制装置(3)分别与加热装置(5)和真空栗组(1)连接。5. 根据权利要求3所述的一种自动控制炉内气氛的真空渗碳炉，其特征在于，所述的加 热装置(5)包括加热棒。6. 根据权利要求1所述的一种自动控制炉内气氛的真空渗碳炉，其特征在于，所述的计 量装置(7)包括相互连接的管道阀门和质量流量计。7. 根据权利要求1所述的一种自动控制炉内气氛的真空渗碳炉，其特征在于，所述的控 制装置(3)包括相互连接的DSP控制芯片、PLC可编程逻辑控制器和工业电脑。8. -种真空渗碳炉的气氛自动控制方法，其特征在于，包括以下步骤： Sl，使用气氛测量装置(2)测量反应室(4)内的气体组分及相对含量，将测量结果实时 传送给控制装置(3); 52, 控制装置(3)根据气氛测量装置(2)的测量结果和计量装置(7)的计量数据计算工 件表面的实时富化率，所述的计量装置(7)设置在真空渗碳炉的供气管道上，用于调节和计 算反应室(4)内气体的通入时长和进气量； 53, 控制装置(3)根据工件表面的实时富化率，向计量装置(7)发送控制指令以调节炉 内气氛，并返回步骤Sl，直到工件表面富化率达到设定要求。9. 根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述的气氛测量装置(2)每0.1秒对反应室 (4)内的气体组分进行一次测量。10. 根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述的步骤S3中，当实时富化率低于设定 值，计量装置(7)加大进气量，反之计量装置(7)减少进气量。
【文档编号】C23C8/20GK105951032SQ201610353425
【公开日】2016年9月21日
【申请日】2016年5月25日
【发明人】杨景峰, 沈鹏
【申请人】上海颐柏热处理设备有限公司