LSX22辐射管式连续式渗碳炉自动生产线测量控制系统的改进
安阳桦炜齿轮有限责任公司
一.生产线简介
1.自动生产线的用途
本自动生产线适用于汽车、拖拉机及其他机械零件的渗碳。零件在自动线上可以完成下列热处理工序：
(1)前清洗 (2)预处理 (3)渗碳 (4)淬火
(5)后清洗 (6)低温回火
2.自动生产线的组成
该自动生产线由：2.1、LSX辐射管加热连续式渗碳自动线由(1)予处理炉;;(2)渗碳炉;(3)滴注系统;(4)淬火机构;(5)后清洗机(6)低温回火炉(7)料盘输送系统(8)前清洗机(9)程序控制屏幕(10)电气控制系统(11)淬火油冷却系统(12)液压系统等部分组成。
3、主要技术规范及技术参数
(1)外型尺寸：16752(长)×8855(宽)×4815(高)
(2)占地面积：≌261.62㎡
(3)渗碳炉内料盘数22盘，自动线使用料盘数45盘，料盘尺寸：780×440×50。
(4)自动线允许通过工件高度，直接淬火600㎜;
(5)自动线总功率≈761.8KW;
(6)生产能力：280～300㎏/h(按层深0.9-1.3㎜算)
(7)零件表面渗碳层深度偏差：±0.1㎜(同盘试样)
(8)炉气碳势控制精度±0.05%;零件表面含碳量偏差≤±0.05%。
(9)炉温均匀性：渗碳炉±0.8℃;回火炉±3℃。
(10)渗碳齿轮金相组织，符合ZBT04001-88标准。
(11)表面硬度控制精度HRC±1.5℃ (同一盘);单件为HRC±1。
(12)表面非马氏体组织层深≤0.015mm。
(13)主要消耗：
甲醇：12.61/h 丙酮：2.31/h
冷却水耗量：8.5t/h 压缩空气：0.6M3/h
4.渗碳结构见图
主体渗碳炉，炉内分五个区段，一区、二区为加热区，三区为快速渗碳区，四区为扩散区，五区为保温淬火区。
各区之间以双拱墙隔开，以便于碳势分区控制，炉墙内层由轻质抗渗碳砖构成，中间一层由高强度轻质保温砖构成，外层由硅藻土砖、岩棉板、石棉板和耐火纤维组成。所有炉壳钢板均采用连续焊缝焊接，形成一个刚性的气密性结构，具有良好的气密性。侧进料炉门、主炉门与炉门柜保持5度倾斜角，采用炉门自重压封，贴合面用刮研加工。在二区、三区、四区炉顶设有三个风扇。采用大直径，低转速大流量的离心风扇进行强制循环。炉子的前、后室均设有防爆盖。炉内导轨全部采用研磨过的碳化硅导轨。炉子加热采用辐射管。整个炉子共采用48根辐射管，全部立式安装，便于维修。炉顶每个区都安有两个热电偶，一个接智能化仪表作控温用，一个作超温报警和监控用。在二区、三区、四区、五区分别安有氧探头进行碳势控制。
前室炉门及各排气口设置了电点火装置，并将电点火控制输入到计算机程序中。
5、自动线的电控系统
LSX22辐射管加热连续式渗碳自动线的电控制系统主要由三部分组。1、温度控制系统;2、碳势控制系统;3、程序控制系统。
(1)、温度控制系统
渗碳炉五个区，回火炉两个区，预处理炉设有控温和超温声光报警两套电路，对炉温进行控制、记录和监测，具有设定、显示、报警和自整定PID功能。
(2).碳势控制系统
整套生产线上在主渗碳炉的二区、三区、四区、五区，分别装有四个氧探头，其中二区作监控，三区、四区、五区进行炉内碳势的调控。碳势控制仪能根据各通道来自氧探头的氧势毫伏值，灵敏地算出各条件下的碳势值与设定之差，通过执行机构调节通量来实现碳势的自动控制。
渗碳剂：根据我们厂的实际情况。我们采用滴注方式，渗剂采用了甲醇和丙酮，丙酮CH3COCH3―――2[C]+3H2+CO碳氧比1：3。
(3)、程序控制PLC系统
程序控制系统，工艺程序在程序控制屏幕上显示。程序电路具有自锁、互锁、安全保护、信号指示和自诊断功能，无论哪一步出现故障，屏幕上都会有故障显示及判断，便于维修。
二.测量控制系统的改进
1.碳势测量控制系统
(1)炉气的测量
氧探头是一种可直接测出气体中微量氧浓差固体电池，其构造见图
+ E -
电极
氧化锆 被测气体
氧探头示意图
PO2
E=0.0496Tlg (MU)
P(参比)
PO2、P参比，两电极介质的氧分压(参比气为空气时 P =0.209)
氧化锆是一种金属氧化物，在高温下具有传导氧离子特性，在氧化锆内掺入一定量的氧化钇和氧化钙杂质，可使其内部形成“氧空穴”成为传导氧离子的通道。在氧化锆封闭内外两侧涂一层多孔铂做电极在高临下，当氧化锆管两侧的氧浓度不同时，高浓度侧的氧分子即夺取铂电极上的自由电子，以离子形式通过“氧空穴”到达低浓度侧经铂电极释放多余电子，从而形成氧离子流在氧化锆两侧产生氧浓度差电势在两极上的反应物阴极O2+4e-—2O2- 阳极 2O2-+4e - O2
可以把常规方法测量的炉气中CO2、CO/CO2含量和露点等因素与氧势的关系(亦即氧势与碳势的关系)建立起来。这就是目前我们这套设备上所用的碳势控制系统的基础。
所用的碳势控制系统的基础多孔铂电极探头具有微缺陷多孔，多界面特点，因而活性大，但易于催化积碳和堵孔，从而降低氧的吸附解附过程，如果不及时清理，将降低反应速度，影响测量精度。
5.2气氛控制系统
1、气氛控制系统由传感器，显示调节调制仪和执行机构组成。
2、气氛控制系统，炉内气氛控制是为了满足被处理件的技术要求，它不但包括气氛碳势控制，而且包括了工艺过程控制。
机械控制 温度控制 碳势控制
探
加 热 炉 头
热处理炉碳势控制系统示意图
如图所示炉内气氛以氧探头作为传感元件，通过测定炉内气氛的氧势来推知气氛的碳势，辅助检测CO量来修正气氛碳势，气氛碳势的信号输给以计算机为核心的调节器，根据技术要求进行数学模型运算，输出控制量调整空气的输入量。
六、改进措施
1、将碳势控制系统由多通道控制改为单通道控制，提高了系统的控制精度,从而保证炉内渗碳气氛的均匀性和一致性。
DTK多通道控制系统能根据各通道来自氧探头的氧势毫伏值分别计算出各种条件下的碳势值，然后与该通道的设定值进行比较，将其差值信号转换成角位移信号传递调节阀，通过调节阀张开角度的大小实现对输送管内介质参数的调节和控制。UDC单通道控制系统由三组相对独立的系统组成。每个系统控制一个通道。来自氧探头的信号直接输送到本组碳控系统，通过换算后将调节信号直接传递到灵敏度极高的电磁阀，通过电磁阀的通断来实现对各区碳势的调节和控制。
改进系统的特点：
(1)、控制精度高。因该系统为单通道控制，所以不会存在各通道之间的干扰，从而提高了系统的控制精度。
(2)、反应速度快。电磁阀不用进行角度换算，可直接接收信号进行控制。
(3)、灵敏度高。可以根据设备不同的状态和要求调整电磁阀的开启周期。电磁阀的调整周期可以秒计时。
(4)、维修方便。设备的某区出现故障时只需暂时关闭本通道的控制系统或将本通道控制改为手动，而不用关闭整个系统。
2、增加自动烧碳黑系统，提高氧探头的测量精度，从而提高整个系统测量和控制的准确性。
氧探头作为测量炉内气氛的的传感元件，整个控制系统的各个程序都 是通过接收来自氧探头的信号进行调整的。所以氧探头的测量精度是整个系统的关键。原来的氧探头表面包裹的碳黑因不能及时清理而严重影响其测量的精度，当炉内的碳势产生波动时，系统不能得到及时和准确的信息，从而影响了整个系统不能准确和及时的对炉内气氛进行调整。为此，我们在改进的系统中加入了自动烧碳黑系统，每隔4小时自动通气清除一次。通过这项改进保证了氧探头的测量精度，使整个碳控系统能根据精确的信息对炉内气氛进行及时准确的调整，大大提高了系统的测量和控制精度，从而保证了炉内气氛的稳定性。