CN107723652A - 一种稳压气体氮化自动控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种稳压气体氮化自动控制方法，1）采用氢探头或其它测量手段，获得气氛中的氨气，氢气的分压，稳定等工艺参数；2）将氢气，氨气分压传输给PLC；3）PLC根据设定好的公式，计算氮势值Kn值，得到Kn‑real；4）将测量得到氮势值Kn‑real与工艺设定的值Kn‑set进行比较，得到偏差值；5）根据偏差值的大小，根据PLC的控制单元，输出指令给质量流量计MFC，进行流量控制；6）流量改变后，将导致炉内气氛Kn值的不断变化，再被氢探头测量，完成闭环控制；7）增加压力传感器或探头P，来直接测量压力变化。并通过新变量来优化流量控制。
Description
技术领域
本发明将广泛应用于气体化学热处理领域，主要应用于利用氨气及氮气与氢气的混合气氛来进行渗氮的工业应用中。如金属零部件的表面渗氮工艺，不锈钢板材，线材，零部件的光亮退火工艺，保护气氛的钎焊工艺等等，尤其涉及一种稳压气体氮化自动控制方法。
背景技术
气体氮化工艺是金属材料表面热处理中的重要工艺，在金属零部件如齿轮，轴承，连杆中的应用十分广泛。通过气体氮化工艺，金属零部件的表面能够获得很高的硬度和耐磨性，耐腐蚀性等等优良的性能。
气体氮化的工艺过程有多种控制方法，有传统的流量控制方法，有气氛比例控制方法，有氨分解率控制方法，有氮势值控制方法。
随着科学技术的快速发展，客户对气体氮化产品的质量要求越来越高，对氮化工艺过程控制的要求也越来越高，原有的气体氮化控制方式逐渐暴露出许多问题。比如流量控制法，是通过增大和减少通入热处理炉内的气体流量来控制氮化的质量，这就导致炉内的气体压力波动很大，气体的消耗量也不稳定，最终的产品质量也不稳定，同时，这种方法由于不涉及到氮势气氛的测量，操作人员无法得知炉内的真实气氛比例情况，整个工艺没法精确控制，主要靠操作人员的日常经验来保证质量，这不符合现代热处理技术的要求。
而气氛比例法和氮势值控制方法，只关注气氛中某些特殊组分的比例变化，忽视了由于比例变化而导致的总流量变化而引起炉压波动的问题。在现实生产中会导致设备超压，超流量，产生安全隐患。
因此本方法提出一种新的思路，在检测氮势值并控制的基础上，精确地控制进出炉的气体流量，保证炉内的压力稳定，确保设备安全，产品质量稳定。
发明内容
本发明为解决上述技术问题而采用的技术方案是提供一种稳压气体氮化自动控制方法，其中，具体技术方案为：
1）采用氢探头或其它测量手段，获得气氛中的氨气，氢气的分压，稳定等工艺参数；
2）将氢气，氨气分压传输给PLC；
3）PLC根据设定好的公式，计算氮势值Kn值，得到Kn-real；
4）将测量得到氮势值Kn-real 与工艺设定的值Kn-set进行比较，得到偏差值；
5）根据偏差值的大小，根据PLC的控制单元，输出指令给质量流量计MFC，进行流量控制；
6）流量改变后，将导致炉内气氛Kn值的不断变化，再被氢探头测量，完成闭环控制；
7）增加压力传感器或探头P，来直接测量压力变化。并通过新变量来优化流量控制。
NH3 指的是直接进入炉内的那部分氨气；DNH3指的是先进行裂解再通往炉内的那部分氨气。
氮势值Kn的计算及测量原理：
氮势值Kn表征了热处理炉内气氛中进行氮化工艺的一种能力，它的表达式如下：
Kn= PNH3/P(H2)^1.5
其中，Kn为氮势值， PNH3为气氛中氨气的分压，P（H2）为气氛中氢气的分压；
由表达式可知， 氮势值Kn是由气氛中的氨气及氢气的含量（或气体分压）通过特定的公式来表达的。
氮势值Kn的测量方法：
Kn的测量值由 H2探头的测量值来提供，根据氨气和氨裂解气混合后的氮势公式得到；Kn=（1-4/3P（H2））/P(H2)^1.5；
其中，Kn为氮势值， P（H2）为气氛中氢气的分压
氮化工作原理：
在某一温度保温并保持足够长的时间，向炉内通入氨气和氨裂解气，气氛会达到一个动态稳定值，及特定的总进气量F对应于特定的Kn，此时炉内压力变化⊿P=0。整个系统达到一个热力学稳定状态，但实际的生产过程中，所谓的热力学稳定状态是很难达到的，而且产品所需的氮势值往往并不是稳定状态下的Kn值。这就需要系统进行自动调节，不断改变气体的流量来获得所要的Kn值；
Kn值的控制原理：
根据Kn的表达式， 当我们需要提高气氛的Kn值时，我们可以增加NH3的含量，或者减少H2的含量，反之，当我们需要降低气氛的Kn值时，我们可以减少NH3的含量，或者增加H2的含量。
以往的控制手段中，往往单一的增加或减少某一个气体的含量，主要原因是大多是手动控制阀或者简单的浮子流量计，没法精确控制流量，更不能连锁行动。因此，工艺上都选择简单的做法。
本发明在应用高精度的质量流量计之后，可以设计出新的控制方法。当Kn值的测量值与设定值有偏离时，比如，需要增加一路气体（如NH3）的流量⊿F， 同时相应减少另外一路气体（如DNH3）的流量⊿F。
这样可以保证进入炉内的气体总量不变，虽然短时间内，增加的裂解氨DNH3（N2+3H2）流量 ⊿F，由于产生2⊿F的（N2+3H2）流量，会使得炉内压力上升，⊿P>0, 但这种变化会被炉内氨分解率的变化而抵消，系统自动回复到⊿P=0的状态。这样炉内的压力就维持在一个很小的波动范围内。
更加进一步的设计是增加一个压力传感器P，能够实时测量炉内压力的变化。 同时，我们容许总进气流量F可以在一个范围内a微调，即F’=F±a， 其中a的流量大小应该为一个相对较小的量，比如0~10%*F。
变量a与压力保持逆向关系，目的是进一步将压力波动限制在更小的区间内。
⊿F’ =⊿F+ a。
本发明相对于现有技术具有如下有益效果：
1）本发明基于氮势值Kn的概念来进行氮化工艺过程的控制，而非传统的仅仅依靠流量来控制的方式，本发明的压力稳定控制是在氮势值Kn自动控制的前提下进行的，当系统在向设定的Kn调整时，保证压力稳定。
2）本发明有2个控制系统，一个是氮势值Kn的闭环控制系统， 系统测量的Kn值需要向设定的Kn值不断逼近，第二个是压力的控制系统，在改变一路气体流量的同时，需要相应改变另外一路气体的流量。
3）该方法的实现，采用了高精度的探头，高性能的PLC系统，灵活的计算软件，精确控制流量的质量流量计等一系列高科技产品。可以说，精确的测量氮势值，精确的控制气体流量是保证了该技术的稳定可靠的基础。
附图说明
图1为稳压氮势值控制方法的示意图。
图2为的示意图。
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描述。
某合金成分的材料需要进行气体氮化时，根据技术要求，在不同的工艺段需要应用不同的氮势值Kn值，如从Kn=2，切换到Kn=1。
系统在Kn=2时，NH3=3Nm3/h, DNH3=1Nm3/h, 炉压为P1=1020mbar，氢探头实测并计算出的Kn-real=2.0；
经过一段时间后，Kn设定值自动切换到Kn=1后，此时系统内的实际Kn-real=2.0 ，远远> 1，根据PID参数计算出需增加2Nm3/h的DNH3，
按照传统的方法，则总流量F=3+3=6Nm3/h。会比原来的流量4Nm3/h一下增加50%，炉压会在短期内上升较大，影响工艺的平稳进行，一般做法是设备增加额外的泄压阀，来降低压力。既增加成本，又存在安全隐患。
按照本发明的方法，系统计算出增加2Nm3/h的DNH3，会自动把差值分成两部分，一部分增加1Nm3/h的DNH3 ，另一部分减少1Nm3/h的NH3。这样总流量还是4Nm3/h，炉压不变。这就保证了工艺的稳定性。
本发明是热处理氮化工艺自动化控制领域的前沿技术，基于先进的氮势值控制理论，并进一步发展优化。传统的氮势控制方式，气氛压力容易失控，超压导致安全隐患，本发明的优势是压力控制稳定，产品质量有保证。
虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的修改和完善，因此本发明的保护范围当以权利要求书所界定的为准。
Claims (4)
1.一种稳压气体氮化自动控制方法，其特征在于：
1）采用氢探头或其它测量手段，获得气氛中的氨气，氢气的分压，稳定等工艺参数；
2）将氢气，氨气分压传输给PLC；
3）PLC根据设定好的公式，计算氮势值Kn值，得到Kn-real；
4）将测量得到氮势值Kn-real 与工艺设定的值Kn-set进行比较，得到偏差值；
5）根据偏差值的大小，根据PLC的控制单元，输出指令给质量流量计MFC，进行流量控制；
6）流量改变后，将导致炉内气氛Kn值的不断变化，再被氢探头测量，完成闭环控制；
7）增加压力传感器或探头P，来直接测量压力变化，
并通过新变量来优化流量控制。
2.如权利要求1所述的稳压气体氮化自动控制方法，其特征在于：NH3 指的是直接进入炉内的那部分氨气；DNH3指的是先进行裂解再通往炉内的那部分氨气。
3.如权利要求2所述的稳压气体氮化自动控制方法，其特征在于：
氮势值Kn的计算及测量原理：
氮势值Kn表征了热处理炉内气氛中进行氮化工艺的一种能力，它的表达式如下：
Kn= PNH3/P(H2)^1.5
其中，Kn为氮势值， PNH3为气氛中氨气的分压，P（H2）为气氛中氢气的分压；
由表达式可知， 氮势值Kn是由气氛中的氨气及氢气的含量（或气体分压）通过特定的公式来表达的。
4.如权利要求3所述的稳压气体氮化自动控制方法，其特征在于：
氮势值Kn的测量方法：
Kn的测量值由 H2探头的测量值来提供，根据氨气和氨裂解气混合后的氮势公式得到；Kn=（1-4/3P（H2））/P(H2)^1.5；
其中，Kn为氮势值， P（H2）为气氛中氢气的分压；
Kn值的控制原理：
根据Kn的表达式， 当需要提高气氛的Kn值时，增加NH3的含量，或者减少H2的含量，反之，当需要降低气氛的Kn值时，减少NH3的含量，或者增加H2的含量；
更加进一步的设计是增加一个压力传感器P，能够实时测量炉内压力的变化； 同时，总进气流量F在一个范围内a微调，即F’=F±a， 其中a的流量大小应该为一个相对较小的量，比如0~10%*F；变量a与压力保持逆向关系，目的是进一步将压力波动限制在更小的区间内，
⊿F’ =⊿F+ a。
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|---|---|---|---|---|
| CN110760786A (zh) * | 2019-11-30 | 2020-02-07 | 重庆望江工业有限公司 | 一种控制氮势的渗氮热处理方法 |
| CN113376055A (zh) * | 2021-06-08 | 2021-09-10 | 青岛丰东热处理有限公司 | 一种氮势计算方法及系统 |
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| CN1563462A (zh) * | 2004-03-18 | 2005-01-12 | 上海交通大学 | 高氮钢冶炼方法 |
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