CN105369190B - 一种气体碳氮共渗自动化控制方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种气体碳氮共渗自动化控制方法及装置，该设备包括氮化炉1和PLC控制器，压力传感器、氢探头、热电偶、叶片、风机、加热温控装置、排气装置9等装置，零件通过脱脂、清洗、表面处理后在炉内通过真空泵、氮气、氨气、乙醇以及温度、压力的闭环反馈控制完成对高速钢、不锈钢等各类常用氮化钢材的软氮化，本发明节能高效、易维护，无污染，产品质量性能高，采用PLC控制系统针对相应零件的数量与材料的工艺参数快速确立，控制零件的白亮层、网状层深度稳定，不锈钢批量生产均匀性稳定，氨气消耗量小耗能低，氮化时间少效率高。
Description
技术领域
本发明的一种气体碳氮共渗自动化控制方法及装置，属于气体碳氮共渗技术领域。
背景技术
氮碳共渗是以渗氮为主同时渗入碳的化学热处理工艺，也称为软氮化，主要目的是提高钢的耐磨性和抗咬合性以满足产品质量的要求。在软氮化行业，企业不断追求具有更优的生产工艺、更高质量的氮化产品及自动化程度更加完善的生产控制方法和装置以减少人工成本、减少人为误差以及增加工艺稳定性，增加产品质量和提高生产效率等。
现有氮碳共渗技术主要分为液体法和气体法即盐浴软氮化和气体软氮化，因目前液体法的盐浴氮化具有氮化过程繁琐，反应产物有毒、企业对废液处理成本高、废料环境污染大、氮化效率低等缺点所以行业正逐步淘汰液体法盐浴氮化，气体软氮化实质上就是在低温条件下，以渗氮为主的低温氮碳共渗，使碳和氮同时渗入钢表面的一种化学热处理。其中渗氮使用氨气提供氮原子，渗碳使用CO或者乙醇等提供碳元素，渗氮过程中利用氯离子破坏不锈钢钝化膜，它的特点是处理温度低、不受钢种的限制及处理时间短，工件变形小，质量稳定，能显著提高零件的耐磨性、疲劳强度、抗咬合、抗擦伤等性能。
目前在气体软氮化方面，国内主要用于高速钢的软氮化，不锈钢气体软氮化尚未普及，主要由于技术不成熟、氮化稳定性差以及常规气体软氮化时间久、效率低和大批量不锈钢气体软氮化不均匀、合格率低等缺点。综合行业情况，气体软氮化在国内外主要分有高中低三层次。分别为低层次：采用人工全程手动控制，根据时间控制及经验来完成气体氮碳共渗，造成氮化效率低、氨气消耗量大、产品质量稳定性不足，只针对高速钢的软氮化，无法实现对不锈钢的软氮化,废品率高，操作麻烦工人培养难等缺点；中层次：国内较普遍采用的低自动化或半自动化控制方案，以炉外传感器检测取样气达到对乙醇及氨气的半闭环控制，缺点是控制精度低，实时信号滞后较难得出稳定氮化工艺参数和氨气消耗量大，可实现高速钢软氮化难以实现大批量不锈钢的均匀软氮化。其中如：中国专利公开号CN102517541A所使用的即为手动或半自动控制系统的工艺设备，该工艺设备人工控制稳定性差，劳动强度大，手动控制效率低且氮化时间长，氮化氨气用量大。高层次：即全自动控制软氮化，分国内和国外两种，采用国外高精检测传感器及全套控制体系的设备，缺点是成本太高，系统繁琐，维护难、维护成本高，目前国内厂家对这一层次为刚起步阶段，技术不大成熟，有生产出以一氧化碳为提供碳原子的卧式炉完整闭环控制软氮化，但采用进口氢氧探头，成本高，且氨气消耗量大，氮化时间久和无法解决多层密集小零件（如空调压缩机零件滑片）的氮化渗层均匀性问题，所以现有气体软氮化自动化控制方法及装置还是不够完善。
发明内容
本发明的发明目的是：提供一种结构简单、安全可靠、节能高效、易维护，无污染，产品质量性能高，采用PLC控制系统针对相应零件的数量与材料的工艺参数快速确立，控制零件的白亮层、网状层深度稳定，不锈钢批量生产均匀性稳定，氨气消耗量小耗能低，氮化时间少效率高的一种气体碳氮共渗自动化控制方法及装置，以克服现有技术的不足。
本发明是这样实现的：一种气体碳氮共渗自动化控制装置，包括氮化炉、PLC控制器、加热温控装置、氨气干燥设备和触摸屏，所述氮化炉上设置有压力传感器、氢探头、热电偶和电炉丝，在氮化炉顶部设置有叶片，叶片和风机相连接，所述加热温控装置与热电偶和电炉丝相连接，所述氮化炉通过真空管道与真空泵相连接，所述氮化炉通过排气管道与排气装置相连接，所述风机、压力传感器、氢探头、加热温控装置、排气装置以及真空泵分别与PLC控制器相连接；所述氮化炉底部分别连接有氮气管道、乙醇管道和氨气管道；所述排气装置与液化气管相连接。
所述氢探头与PLC控制器之间设置有氢分析仪；所述真空管道上设置有真空管道阀门，所述排气管道上设置有排气阀门和排气电磁阀。
所述氮气管道上设置有氮气电磁阀，所述乙醇管道上设置有乙醇电磁阀和三针滴度计，所述氨气管道上设置有常量调节阀和控制量调节阀和氨气流量计。
所述氨气管道上设置有氨气干燥设备，在氨气干燥设备上设置有露点仪。
所述排气装置上设置有点火装置。
在氨气管道上设置有氨气流量计。
在液化气管上设置有液化气电磁阀。
一种气体碳氮共渗自动化控制装置的控制方法，该控制方法按以下步骤进行：
1）预抽真空：打开氮化炉炉门，装进零件后关闭炉门，关闭排气阀门后，打开真空泵，开启风机以及加热温控装置，抽真空至设定的真空度20～35pa时真空泵关闭；
2）保护气填充：氮气电磁阀打开后通入氮气至炉内达到正压，压力值为5～20厘米水柱时打开排气电磁阀，调节排气电磁阀排气量持续通氮气至炉压为15～45厘米水柱，保持3 ～8分钟后逐步增大排气阀开度降低压力至0～15厘米水柱；
3）原料添加：启动旋转叶片的电机，氮化炉的炉温升至120℃～250℃时，打开乙醇电磁阀，通入除钝化膜乙醇溶液至三针滴度计后进入炉内，按氮化工艺要求调节三针滴度计控制滴速，保持通氮至炉温达250℃～400℃后关闭氮气电磁阀，停止通入氮气同时氨气干燥设备启动，露点仪检测氨气干燥值，提供干燥氨气，常量调节阀和控制量调节阀同时打开，调节排气电磁阀或排气阀门使炉压控制在设定值，氢分析仪监测氨分解率，当实际氨分解率达到PLC控制器设置的氨分解率设定值时，控制量调节阀自动进入高频通断控制，流量计监测氨气的总流量；
4）废气处理：氮化炉的炉温达到400℃～500℃时，打开液化气电磁阀，通入液化气至排气装置，点火装置点火，利用液化气持续燃烧助燃废气，至炉内达到15%～45%区间设定的氨分解率即废气燃烧稳定的氨分解率时液化气电磁阀关闭，停止助燃；
5）保温氮化：氮化炉继续升温，氮化炉的炉温达到560℃～580℃时进入氮化保温阶段，保温计时开始，保温时间180～300min，压力进入闭环控制，控制在10～28厘米水柱，设定单段或三段氨分解率，实现不锈钢滑片软氮化的总时间低于300min；
6）降温出炉：保温时间结束后，常量调节阀和控制量调节阀同时关闭，乙醇电磁阀关闭、风机关闭、加热关闭，氮气电磁阀打开使氮化炉的炉温冷却至280℃以下，炉门开启，产品出炉。
所述常量调节阀和控制量调节阀总流量为2～4 m³/h，PLC控制器记录氨分解率和氨流量时间曲线。
利用本一种气体碳氮共渗自动化控制方法及装置对11Cr17不锈钢（以11Cr17不锈钢为例）进行5个批次气体氮碳共渗处理，各实验批次零件数量为5040件，5次实验总共实验零件总数为25200件，以下为五批次零件的实施例测量结果。
由于采用了上述技术方案，本发明工作时，通过上述方法其可完成不锈钢滑片（以11Cr17不锈钢滑片为例）单次装炉量大于5000件，氨气流量小于4 m³/h，氮化用时小于300min，产品30um处硬度大于900HV， 60um处硬度大于600HV，白亮层大于5um，网状层大于80um，合格率大于99.5%，同国内外相比系统设备重点实现了多层密集不锈钢薄片零件的氮化渗层均匀，气体原料消耗量低，单次装炉量大氮化效率高，氮化用时少的四大问题。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的系统控制过程框图；
附图标记说明：1-氮化炉，2-PLC控制器，3-氢探头，4-热电偶，5-叶片，6-风机，7-加热温控装置，8-压力传感器，9-排气装置，10-真空泵，11-真空管道，12-氢分析仪，13-排气阀门，14-排气管道，15-真空管道阀门，16-氮气管道，17-乙醇管道，18-氨气管道，19-氮气电磁阀，20-乙醇电磁阀，21-常量调节阀，22-控制量调节阀，23-三针滴度计，24-氨气干燥设备，25-露点仪，26-液化气管,27-点火装置，28-氨气流量计，29-液化气电磁阀，30-排气电磁阀，31-电炉丝，32-触摸屏。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明，但不作为对本发明的限制。
本发明的实施例：一种气体碳氮共渗自动化控制装置，包括氮化炉1、PLC控制器2、加热温控装置7、氨气干燥设备24和触摸屏32，所述氮化炉1上设置有压力传感器8、氢探头3、热电偶4和电炉丝31，在氮化炉1顶部设置有叶片5，叶片5和风机6相连接，所述加热温控装置7与热电偶4和电炉丝31相连接，所述氮化炉1通过真空管道11与真空泵10相连接，所述氮化炉1通过排气管道14与排气装置9相连接，所述风机6、压力传感器8、氢探头3、加热温控装置7、排气装置9以及真空泵10分别与PLC控制器2相连接；所述氮化炉1底部分别连接有氮气管道16、乙醇管道17和氨气管道18；所述排气装置9与液化气管26相连接。
所述氢探头3与PLC控制器2之间设置有氢分析仪12；所述真空管道11上设置有真空管道阀门15，所述排气管道14上设置有排气阀门13和排气电磁阀30。
所述氮气管道16上设置有氮气电磁阀19，所述乙醇管道17上设置有乙醇电磁阀20和三针滴度计23，所述氨气管道18上设置有常量调节阀21和控制量调节阀22和氨气流量计28。
所述氨气管道18上设置有氨气干燥设备24，在氨气干燥设备24上设置有露点仪25。
所述排气装置9上设置有点火装置27。
在氨气管道18上设置有氨气流量计28。
在液化气管26上设置有液化气电磁阀29。
一种气体碳氮共渗自动化控制装置的控制方法，该控制方法按以下步骤进行：
1）预抽真空：打开氮化炉炉门，装进零件后关闭炉门，关闭排气阀门后，打开真空泵，开启风机以及加热温控装置，抽真空至设定的真空度20～35pa时真空泵关闭；
2）保护气填充：氮气电磁阀打开后通入氮气至炉内达到正压，压力值为5～20厘米水柱时打开排气电磁阀，调节排气电磁阀排气量持续通氮气至炉压为15～45厘米水柱，保持3 ～8分钟后逐步增大排气阀开度降低压力至0～15厘米水柱；
3）原料添加：启动旋转叶片的电机，氮化炉的炉温升至120℃～250℃时，打开乙醇电磁阀，通入除钝化膜乙醇溶液至三针滴度计后进入炉内，按氮化工艺要求调节三针滴度计控制滴速，保持通氮至炉温达250℃～400℃后关闭氮气电磁阀，停止通入氮气同时氨气干燥设备启动，露点仪检测氨气干燥值，提供干燥氨气，常量调节阀和控制量调节阀同时打开，调节排气电磁阀或排气阀门使炉压控制在设定值，氢分析仪监测氨分解率，当实际氨分解率达到PLC控制器设置的氨分解率设定值时，控制量调节阀自动进入高频通断控制，流量计监测氨气的总流量；
4）废气处理：氮化炉的炉温达到400℃～500℃时，打开液化气电磁阀，通入液化气至排气装置，点火装置点火，利用液化气持续燃烧助燃废气，至炉内达到15%～45%区间设定的氨分解率即废气燃烧稳定的氨分解率时液化气电磁阀关闭，停止助燃；
5）保温氮化：氮化炉继续升温，氮化炉的炉温达到560℃～580℃时进入氮化保温阶段，保温计时开始，保温时间180～300min，压力进入闭环控制，控制在10～28厘米水柱，设定单段或三段氨分解率，实现不锈钢滑片软氮化的总时间低于300min；
6）降温出炉：保温时间结束后，常量调节阀和控制量调节阀同时关闭，乙醇电磁阀关闭、风机关闭、加热关闭，氮气电磁阀打开使氮化炉的炉温冷却至280℃以下，炉门开启，产品出炉。
所述常量调节阀和控制量调节阀总流量为2～4 m³/h，PLC控制器记录氨分解率和氨流量时间曲线。
所述热电偶4分为上部热电偶和下部热电偶，分别用于检测炉体上部和下部的温度情况，当检测的温度及时传给加热温控装置7，在由加热温控装置7控制电炉丝31进行炉体加热,加热温控装置同时受PLC控制和把信号反馈回PLC。
本发明解决传统软氮化的污染大、能耗大、效率低、手动或半自动控制的气体氮化不均匀性及解决传统气体软氮化装炉量低等情况,完成单次装炉大于5000件空调压缩机滑片的多层密集不锈钢批量气体软氮化，实现不锈钢零件批量高效软氮化。该设备包括氮化炉1和PLC控制器2，压力传感器8、氢探头3、热电偶4、叶片5、风机6、加热温控装置7、排气装置9等装置，零件通过脱脂、清洗、表面处理后在炉内通过真空泵10、氮气、氨气、乙醇以及温度、压力的闭环反馈控制完成对高速钢、不锈钢等各类常用氮化钢材的软氮化。
本发明各控制参数可实时在触摸屏上显示及监控，参数历史记录可以查看及保存和调用参数，可对新材料的软氮化实现数据对比、调整，快速确定工艺参数，对已经确定工艺的氮化材料可直接调用PLC控制器2保存的工艺参数，保存工艺参数数量可达1000条以上，其氮化产品总渗层深度、白亮层、网状层和零件氮化均匀性均达到理想状态；通过对氮化前零件表面预处理和对炉内气流流体力学有限元分析，使多层密集小零件氮化不均匀和氮化效率低等情况得以解决，设备重点实现了多层密集不锈钢薄片零件的氮化渗层均匀，气体原料消耗量低，单次装炉量大氮化效率高，氮化用时少的四大问题。
Claims (9)
1.一种气体碳氮共渗自动化控制装置，包括氮化炉（1）、PLC控制器（2）、加热温控装置（7）、氨气干燥设备（24）和触摸屏（32），其特征在于：所述氮化炉（1）上设置有压力传感器（8）、氢探头（3）、热电偶（4）和电炉丝（31），在氮化炉（1）顶部设置有叶片（5），叶片（5）和风机（6）相连接，所述加热温控装置（7）与热电偶（4）和电炉丝（31）相连接，所述氮化炉（1）通过真空管道（11）与真空泵（10）相连接，所述氮化炉（1）通过排气管道（14）与排气装置（9）相连接，所述风机（6）、压力传感器（8）、氢探头（3）、加热温控装置（7）、排气装置（9）以及真空泵（10）分别与PLC控制器（2）相连接；所述氮化炉（1）底部分别连接有氮气管道（16）、乙醇管道（17）和氨气管道（18）；所述排气装置（9）与液化气管（26）相连接。
2.根据权利要求1所述的气体碳氮共渗自动化控制装置，其特征在于：所述氢探头（3）与PLC控制器（2）之间设置有氢分析仪（12）；所述真空管道（11）上设置有真空管道阀门（15），所述排气管道（14）上设置有排气阀门（13）和排气电磁阀（30）。
3.根据权利要求1所述的气体碳氮共渗自动化控制装置，其特征在于：所述氮气管道（16）上设置有氮气电磁阀（19），所述乙醇管道（17）上设置有乙醇电磁阀（20）和三针滴度计（23），所述氨气管道（18）上设置有常量调节阀（21）和控制量调节阀（22）和氨气流量计（28）。
4.根据权利要求3所述的气体碳氮共渗自动化控制装置，其特征在于：所述氨气管道（18）上设置有氨气干燥设备（24），在氨气干燥设备（24）上设置有露点仪（25）。
5.根据权利要求1所述的气体碳氮共渗自动化控制装置，其特征在于：所述排气装置（9）上设置有点火装置（27）。
6.根据权利要求1所述的气体碳氮共渗自动化控制装置，其特征在于：在氨气管道（18）上设置有氨气流量计（28）。
7.根据权利要求1所述的气体碳氮共渗自动化控制装置，其特征在于：在液化气管（26）上设置有液化气电磁阀（29）。
8.一种如权利要求1～7任一权利要求所述的气体碳氮共渗自动化控制装置的控制方法，其特征在于：该控制方法按以下步骤进行：
1）预抽真空：打开氮化炉炉门，装进零件后关闭炉门，关闭排气阀门后，打开真空泵，开启风机以及加热温控装置，抽真空至设定的真空度20～35pa时真空泵关闭；
2）保护气填充：氮气电磁阀打开后通入氮气至炉内达到正压，压力值为5～20厘米水柱时打开排气电磁阀，调节排气电磁阀排气量持续通氮气至炉压为15～45厘米水柱，保持3～8分钟后逐步增大排气阀开度降低压力至0～15厘米水柱；
3）原料添加：启动旋转叶片的电机，氮化炉的炉温升至120℃～250℃时，打开乙醇电磁阀，通入除钝化膜乙醇溶液至三针滴度计后进入炉内，按氮化工艺要求调节三针滴度计控制滴速，保持通氮至炉温达250℃～400℃后关闭氮气电磁阀，停止通入氮气同时氨气干燥设备启动，露点仪检测氨气干燥值，提供干燥氨气，常量调节阀和控制量调节阀同时打开，调节排气电磁阀或排气阀门使炉压控制在设定值，氢分析仪监测氨分解率，当实际氨分解率达到PLC控制器设置的氨分解率设定值时，控制量调节阀自动进入高频通断控制，流量计监测氨气的总流量；
4）废气处理：氮化炉的炉温达到400℃～500℃时，打开液化气电磁阀，通入液化气至排气装置，点火装置点火，利用液化气持续燃烧助燃废气，至炉内达到15%～45%区间设定的氨分解率即废气燃烧稳定的氨分解率时液化气电磁阀关闭，停止助燃；
5）保温氮化：氮化炉继续升温，氮化炉的炉温达到560℃～580℃时进入氮化保温阶段，保温计时开始，保温时间180～300min，压力进入闭环控制，控制在10～28厘米水柱，设定单段或三段氨分解率，实现不锈钢滑片软氮化的总时间低于300min；
6）降温出炉：保温时间结束后，常量调节阀和控制量调节阀同时关闭，乙醇电磁阀关闭、风机关闭、加热关闭，氮气电磁阀打开使氮化炉的炉温冷却至280℃以下，炉门开启，产品出炉。
9.根据权利要求8所述的气体碳氮共渗自动化控制装置的控制方法，其特征在于：所述常量调节阀和控制量调节阀总流量为2～4 m³/h，PLC控制器记录氨分解率和氨流量时间曲线。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |