CN101988180A - 智能化控制气体多元共渗炉及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种智能化控制气体多元共渗炉，主要由炉体、以及固定在炉体顶部的炉盖组成，其特征在于，在炉盖上端设有上风机，同时在炉体的底部和侧面还分别设有下风机和降温风机，所述的上风机、下风机和降温风机均与设置在炉体外部的控制系统相连。本发明还公开了一种智能化控制气体多元共渗炉的控制方法。本发明不仅在炉体的上端设置有上风机，同时在炉体的下端还设置有下风机，因此能够有效的促使炉体内部的风进行循环。同时，本发明的上下风机均采用变频器控制，可以无极进行风速的调整。通过上下风机不同风速的调整，达到最佳配合，使炉体内部各个部位的风速基本一致，保证了温度与气氛的均匀性。
Description
技术领域
本发明涉及一种低温化学热处理设备，具体是指一种可用于温度、气体、循环风量智能化控制气体多元共渗炉及其控制方法。
背景技术
在低温化学热处理过程中，炉体内部的气体必须有效进行循环，如果炉体内部的气体不能有效的进行循环，则将极大的影响处理工件的质量，因此炉体内部气体循环量的大小便成了影响工件质量的关键因素。特别是在目前的井式炉中，由于该炉体内需要经常装不同种类的工件，且不同种类的工件的装炉量也不尽相同，因此就需要针对不同种类的工件和不同装炉量采取不同大小的循环风量，则会严重的影响这些工件的成品质量，导致废品率提高。
但是目前的这些井式炉体均是在其炉盖上采用一个风机来进行气体风量循环，且该风机的转数也为固定值，因此目前这些井式炉体的循环风量非常固定，不能针对不同形状工件、不同装炉量对循环风量进行有效调节。
同时，对于炉子的控制系统，目前国内外对温度及时间的控制已经达到智能化控制的水平，但是对气体的控制、及炉内风量的控制仍存在问题，对于气体流量控制目前一般采用三种方式进行。第一种：手动方式控制气氛，即采用液体介质(煤油或丙酮)或者气体介质(如氨气等)作为渗剂，通过滴注器将液体滴入炉内形成渗入的气氛，控制气氛是根据滴注器滴入炉内的介质滴数进行控制；第二种：仪表控制气氛，即60年代国外先进国家除了用液体滴注方式产生气氛外，并用丙烷(C3H8)气或天然气通过气体流量计通向炉内产生渗碳气氛，出现用CO2气体红外分析仪分析炉内的CO2含量，从而计算炉内碳势相继出现了碳势显示仪，并将此信号转变为电信号，推动电磁阀动作使气体流量计通断。并出现了类似测温用热电偶的传感器氧探头。对于渗氮气氛的控制一般采用氢分析仪作为传感器，通过发出电信号控制电磁阀动作达到自动控制的要求，但是这类控制取决于：传感器的灵敏度与寿命(至今以氧探头作为传感器寿命还相当低)。第三种：计算机控制气氛，即计算机控制渗碳气氛在70年代国际上就有人研究，大规模产业化始于70年代末，我国约有30％厂家使用，几乎在同一时间国际上模仿渗碳气氛控制办法来控制渗氮过程中的氮势，采用的传感器是气体成分红外分析仪，以及以后的导氢仪，执行器是伺服电机或电磁阀。采出的信号一般是与单板机或计算机连接再转换，实现“微机控制氮势”的目的。这种方式在我国一般采用单片机来控制，存在的问题是储存功能记录功能都较差并且界面也不友好。国外一般采用计算机来控制，但价格极高，单控制系统一般要在100～200万元左右，(加上整机要达到700～1000万元)使我国的厂家难于接受。另一个问题是控制系统一旦发生问题难于及时修理，如果过了保修期维修费也难于承受。
发明内容
本发明的目的在于克服现有井式炉体循环风量固定的缺陷，提供一种能够根据不同种类的工件和装炉量来调节其循环风量的智能化控制气体多元共渗炉。
本发明的另一目的是提供一种上述智能化控制气体多元渗炉的控制方法。
本发明的目的通过下述技术方案实现：智能化控制气体多元共渗炉，主要由炉体、以及固定在炉体顶部的炉盖组成。同时，在炉盖上端设有上风机，同时在炉体的底部和侧面还分别设有下风机和降温风机，所述的上风机、下风机和降温风机均与设置在炉体外部的控制系统相连。
进一步地，所述的控制系统包括电气控制柜、计算机控制柜、第一气体控制柜、第二气体控制柜以及变频单元。所述的电气控制柜主要由温度表，以及与该温度表相连接的固态继电器组成；计算机控制柜主要由显示器，以及与该显示器相连接的工控机组成；第一气体控制柜主要由气氛表，以及与该气氛表相连接的气体传感器组成，而第二气体控制柜也由气氛表，以及与该气氛表相连接的气体传感器组成；变频单元由分别与上风机相连接的变频器1、与下风机相连接的变频器2，以及与降温风机相连接的变频器3组成，同时，该变频器1、变频器2及变频器3还均与电源相连接。
其中，计算机控制柜中的工控机分别与电气控制柜中的温度表、第一气体控制柜中的气氛表以及第二气体控制柜中的气氛表相连接，且第一气体控制柜中的气体传感器还直接与位于炉体顶部的进气管相连接，而第二气体控制柜中的气体传感器经多元供渗气体装置后也与位于炉体顶部的进气管相连接；所述电气控制柜中的温度表还与位于炉罐周围的热电偶相连接，而固态继电器则与炉罐周围的加热炉丝相连接。
同时，所述的第一气体控制柜中的气体传感器还连接有气瓶，而第二气体控制柜中的气体传感器则与气泵相连接；在所述炉体的内部还设有炉罐，且在该炉罐的内部还设有导风筒。
为了延长使用寿命和防止腐蚀性气体的腐蚀，在所述炉罐及导风筒的表面上均设有热浸铝涂层。
为了更好的实现本发明，所述的上风机的功率为2.5KW，下风机的功率为0.5KW；且在炉盖上还设有安全阀。
一种智能化控制气体多元共渗炉的控制方法，主要包括同时执行的气体流量控制步骤和温度控制步骤。所述的气体流量控制主要包括以下步骤：
(1)针对特定的工件，求出其理论需要气体流量值；
(2)由气体传感器获取实际气体流量值；
(3)对获取的实际气体流量值进行数学模型分析，并判断其与理论气体流量值的关系；
(4)如果实际气体流量值高于理论气体流量值，则减小气体流量；如果实际气体流量值低于理论气体流量值，则增加气体流量。
所述的温度控制步骤具体步骤如下：
(1)针对特定的工件，求出其理论需要温度值；
(2)由温度传感器获取炉体内部实际温度值；
(3)对获得的实际温度值进行数学模型分析，并判断其与理论温度值的关系；
(4)如果实际温度值高于理论温度值，则停止加热以降低温度；如果实际温度值低于理论温度值，则继续加热以升高温度。
本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：
(1)本发明不仅在炉体的上端设置有上风机，同时在炉体的下端还设置有辅助上风机，因此能够有效的促使炉体内部的风进行循环。
(2)本发明上下风机均采用变频器控制，可以无极进行风速的调整。通过上下风机不同风速的调整，达到最佳配合，使炉体内部各个部位的风速基本一致，保证了温度与气氛的均匀性。
(3)本发明内部的炉罐体与导风桶，均采用热浸铝涂层保护。保证在共渗温度下炉罐体与导风桶不被元素渗入，即延长了炉罐的使用寿命，又保证了炉内部的清洁，确保工艺实施的可靠性。
(4)本发明的炉盖采用斜型凸轮锁紧装置，可以方便是实现炉盖的压紧。
(5)本发明的炉盖上装有安全阀，一旦炉内气体压力过高，安全阀打开保证生产安全。
附图说明
图1为本发明的炉体结构示意图。
图2为本发明的控制系统结构示意图。
图3为本发明气体流量控制流程图。
图4为本发明温度控制流程图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例
如图1、2所示，本发明由炉体、以及固定在炉体顶部的炉盖组成。为了克服传统炉体内部的风量不能有效循环的缺陷，本发明在炉盖上端设有功率为2.5KW的上风机，在炉体的底部设有功率为0.5KW的下风机，同时在炉体的侧面还设有降温风机。同时，在炉体的内部还固定有一个炉罐，且在该炉罐的内部则通过支座还固定有导风筒，而需要加工的工件则放置在该导风筒的内部。
当系统运行时，炉盖上端的上风机运行，将进入炉体内部的气体经导风筒的外部流向导风筒的内部，然后从排气口排除。底部下风机转动实现将进入导风筒内部的气体加速循环运动，以达到从排气口排除的目的。同时，为了到达防止导风筒和炉罐被具有腐蚀性的元素渗入缩短其使用寿命的目的，在该导风筒的表面上还设有热浸铝涂层。同时，为了确保炉体内部的压力恒定，在炉盖上还设有安全阀，只要炉体内部的压力大于规定压力时，该安全阀就能自动打开。
而所述的控制系统则主要包括电气控制柜、计算机控制柜、第一气体控制柜、第二气体控制柜及变频单元，同时本发明还包括有气瓶和气泵。所述的电气控制柜则主要由温度表，以及与该温度表相连接的固态继电器组成；计算机控制柜主要由显示器，以及与该显示器相连接的工控机组成；第一气体控制柜主要由气氛表，以及与该气氛表相连接的气体传感器组成，第二气体控制柜也由气氛表，以及与该气氛表相连接的气体传感器组成。
连接时，计算机控制柜中的工控机分别与电气控制柜中的温度表、第一气体控制柜中的气氛表以及第二气体控制柜中的气氛表相连接，并通过显示器显示出来。第一气体控制柜中的气体传感器还直接与位于炉体顶部的进气管相连接，而第二气体控制柜中的气体传感器则经多元供渗气体装置(ZL95241793.6)后也与位于炉体顶部的进气管相连接。同时，在炉罐的罐壁四周还有若干条用于对炉罐进行加热的加热炉丝，以及用于获取该加热炉丝温度的热电偶。
所述的电气控制柜中的温度表则直接与该热电偶相连接，以便将给热电偶的温度在温度表上进行显示，而固态继电器则与加热炉丝相连接，并根据温度表上所显示的温度对该固态继电器进行导通或切断，从而确保炉罐内的温度处于一个需要的数值范围。
而变频单元则由三个变频器组成，分别为变频器1、变频器2及变频器3。所述的变频器1与位于炉体顶部的上风机相连接，变频器2与炉体底部的下风机相连接，而变频器3则与位于炉体侧面的降温风机相连接。同时，这三个变频器还均与380V的电源连接，以便为这三个变频器的正常工作提供工作电源。
运行时，热电偶将温度信号输送给温度表，再由温度表传给工控机。该工控机根据其内部的数学模型进行计算，并将计算结果再输送给温度表，此时，温度表根据工控机的信号控制固态继电器的通断时间。如果实际温度远低于要求的温度值，则固态继电器导通的时间长，电源给加热炉丝通电时间长，炉丝发热量大，使炉子快速升温。如果实际温度接近要求的温度值，则固态继电器导通的时间短，电源给加热炉丝通电时间短，炉丝发热量小，使炉子升温速度减慢。如果实际温度高于要求的温度值，则固态继电器处在断路状态，电源不给加热炉丝通电，炉丝不发热，炉子靠散热降温。本发明选用精度系数很高的温度表和热电偶，从而确保其控制精度可以达到正负1摄氏度。
由气瓶中输出的气体(如果进行氮化则输出氨气，如果渗碳或者碳氮共渗则输出煤气、甲烷、氨气等气体)经气体传感器后从进气管中进入炉体内部。而从气泵鼓入的气体则依次经第二气体控制柜中的气体传感器及多元共渗气体装置以后也从进气管进入炉体内部。同时，本发明还采用ZL95241793.6专利的技术方案来进行气体等原料的添加。
本发明的控制过程控制的主要参数是：温度、时间、添加气、氨气等。各气体在不同工艺中要保证确定的数值，计算机要实现智能化控制，其具体流程如图3、4所示。对气体流量的控制如下：
气瓶中的气体通过第一控制柜中的气体传感器(型号DBLU)进入炉体内，同时气体传感器把气体流量信号传递给气氛表，并利用A/D、D/A数据转换器将气体流量的数字信息转换为计算机可识别的二进制代码，存储到工控机的存储器中。同时，温度具体值也由热电偶(温度传感器)传递给温度表与工控机。
气体流量智能化控制过程如下：针对特定的工件，利用大量试验结果结合数学模型从理论上求出每个时间需要的气体流量具体数值。通过气体传感器，将实际流量采集到数据采集模块中，得到某一时间的氨气流量、添加气流量等各种气体的具体的数值。这些数值分别通过仪表、A/D、D/A数据转换器将实际数据反馈给工业计算机，数据采集模块一方面将采集到的实际流量保存到存储器中，另一方面，将采集到的实际流量传递给数据处理单元，数据处理单元将获得的数据通过建立好的数学模型中数据进行分析和计算，并判断是否达到规定要求。如果气体低于规定的值，则计算机通过软件，将信号输送给电动调节阀，将电动调节阀门开大，使气体进入量增加。如果气体高于规定的值，则计算机通过软件将信号输送给电动调节阀，指挥将阀门关闭，使气体进入量减少，从而达到自动调节的目的。
本发明在执行气体流量控制的同时还进行温度智能化控制，即该气体流量控制步骤和温度智能化控制步骤同时进行。所述的温度智能化控制过程如下：针对特定的工件，利用大量试验结果，结合数学模型从理论上求出每个时间需要的温度具体数值。通过热电偶(温度传感器)，将实际温度采集到数据采集模块中，得到某一时间的温度的具体的数值。这些数值分别通过仪表、A/D、D/A数据转换器将实际数据反馈给工业计算机，数据采集模块一方面将采集到的温度值保存到存储器中，另一方面，将采集到的温度值传递给数据处理单元，数据处理单元将获得的数据，通过建立好的数学模型中数据进行分析和计算，并判断是否达到规定要求。如果温度低于规定的值，则计算机通过软件，将信号输送给固态继电器，延长供电时间，提供更多的能量实现温度的上升。如果温度高于规定的值，则计算机通过软件将信号输送固态继电器，将切断电源停止供电，由于炉子向外散热，所以会使温度下降，从而达到自动调节的目的。如上所述，便可较好的实现本发明。
Claims (9)
1.智能化控制气体多元共渗炉，主要由炉体、以及固定在炉体顶部的炉盖组成，其特征在于，在炉盖上端设有上风机，同时在炉体的底部和侧面还分别设有下风机和降温风机，所述的上风机、下风机和降温风机均与设置在炉体外部的控制系统相连。
2.根据权利要求1所述的智能化控制气体多元共渗炉，其特征在于，所述的控制系统包括电气控制柜、计算机控制柜、第一气体控制柜、第二气体控制柜以及变频单元；所述的电气控制柜主要由温度表，以及与该温度表相连接的固态继电器组成；计算机控制柜主要由显示器，以及与该显示器相连接的工控机组成；第一气体控制柜主要由气氛表，以及与该气氛表相连接的气体传感器组成，而第二气体控制柜也由气氛表，以及与该气氛表相连接的气体传感器组成；变频单元由分别与上风机相连接的变频器1、与下风机相连接的变频器2，以及与降温风机相连接的变频器3组成，同时，该变频器1、变频器2及变频器3还均与电源相连接；其中，计算机控制柜中的工控机分别与电气控制柜中的温度表、第一气体控制柜中的气氛表以及第二气体控制柜中的气氛表相连接，且第一气体控制柜中的气体传感器还直接与位于炉体顶部的进气管相连接，而第二气体控制柜中的气体传感器经多元供渗气体装置后也与位于炉体顶部的进气管相连接；所述电气控制柜中的温度表还与位于炉罐周围的热电偶相连接，而固态继电器则与炉罐周围的加热炉丝相连接。
3.根据权利要求2所述的智能化控制气体多元共渗炉，其特征在于，第一气体控制柜中的气体传感器还连接有气瓶，而第二气体控制柜中的气体传感器则与气泵相连接。
4.根据权利要求1所述的智能化控制气体多元共渗炉，其特征在于，在所述炉体的内部还设有炉罐，且在该炉罐的内部还设有导风筒。
5.根据权利要求4所述的智能化控制气体多元共渗炉，其特征在于，在所述炉罐及导风筒的表面上均设有热浸铝涂层。
6.根据权利要求1或2所述的智能化控制气体多元共渗炉，其特征在于，所述的上风机的功率为2.5KW，下风机的功率为0.5KW。
7.根据权利要求1所述的智能化控制气体多元共渗炉，其特征在于，在炉盖上还设有安全阀。
8.一种智能化控制气体多元共渗炉的控制方法，其特征在于，所述的气体流量控制主要包括以下步骤：
(1)针对特定的工件，求出其理论需要气体流量值；
(2)由气体传感器获取实际气体流量值；
(3)对获取的实际气体流量值进行数学模型分析，并判断其与理论气体流量值的关系；
(4)如果实际气体流量值高于理论气体流量值，则减小气体流量；如果实际气体流量值低于理论气体流量值，则增加气体流量。
9.根据权利要求7所述的智能化控制气体多元共渗炉的控制方法，其特征在于，在执行气体流量控制步骤的同时还执行温度控制步骤，其具体步骤如下：
(1)针对特定的工件，求出其理论需要温度值；
(2)由温度传感器获取炉体内部实际温度值；
(3)对获得的实际温度值进行数学模型分析，并判断其与理论温度值的关系；
(4)如果实际温度值高于理论温度值，则停止加热以降低温度；如果实际温度值低于理论温度值，则继续加热以升高温度。
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