CN1174241A - 包括h2、h2o炉区控制的热处理方法和装置 - Google Patents

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Abstract

闭合回路控制系统控制水或氢引入到炉区,在此炉区零件经受高温以完成热处理过程。该热处理过程使零件参与还原和/或氧化反应,只要维持一个氢/水比设定值此反应就在高温下保持平衡。该系统包括一个与炉区相通的氧探头,它用于提供(i)表示炉区中测定的氧浓度的氧输出,和(ii)表示炉区中温度的温度输出。控制器从氧输出和温度输出确定炉区中氢与水的测得比,将此测得比和氢/水比设定值比较,根据确定的测得量比与此设定值之间的差提供修正信号输出。流量控制器响应修正信号输出,以便提供氢和水中之至少一种的流量到此炉区,以使氢/水比移向上述比设定值。

Description

包括H2/H2O炉区控制的热处理方法和装置
本发明涉及热处理工艺，特别是通过H2/H2O比控制反应平衡的热处理工艺和保持该平衡的方法和装置。
在许多热处理工艺中，环境气氛的作用是获得合乎需要的表面条件和/或消除杂质或帮助调整要处理的材料。要达到这个目的，需要控制处理零件中存在的化学元素的氧化还原反应。
这种工艺包括钢的脱碳退火、钢带的光亮退火、铁粉还原、陶瓷和金属粉末的脱粘与烧结等。在这些应用中H2是最常用的活性气体，通过控制气氛的露点来控制其中的氧化-还原反应。
要完成炉中这种反应的闭合回路控制，常规的处理是保持炉中H2％的恒定，及通过，例如调湿该工艺中使用的N2，即通过使其经过起泡器或通过喷射蒸汽进入炉中来控制露点。在这种气氛中H2O含量闭合回路控制常常得到差的结果，并通常限制专业人员本身监控炉子气氛的露点及保证与H2含量的关系充分地恒定，从而达不到高质量的冶金处理。
现有技术在这种炉子气氛中提供的闭合回路控制的努力达不到有效的结果的原因如下：
—露点控制：一般来说，从炉子气氛中抽取试样，冷却到水饱和点以上温度，并测量露点。各种市售仪器的响应时间相当长，常为许多分钟。降低露点比升高露点响应时间常常还长得多。
—起泡器：在用H2/N2气氛操作的炉子中调整H2/H2O比的普通方(法是通过使N2通过被控温度下的水槽起泡而调湿。这种系统花费长时间达到平衡，而且露点不容易响应炉子条件变化而改变。
—在热处理炉中使用O2探头控制该炉中O2分压(PO2)在文献中已讨论过。大多数工业应用限于监控该气氛和少量地用热O2探头在渗碳应用中。在这种应用中遇到许多问题，例如：
—碳势取决于CO绝对含量以及O2势。CO含量的单独测量必须在炉中进行。
—添加CH4作为碳原。由于Pt电极所起的催化作用是使CH4变换成CO和H2，所以导致探头上的错误读数。并且探头的响应时间受影响。
—探头上碳黑的形成也导致错误的读数。
在许多退火应用中，O2探头特有的快速响应时间的优点丧失，这是因为，—般的退火气氛(含CO、CO2、H2和H2O)不与水的移动反应平衡。
下面列出在热处理炉中，特别是在退火炉中(与渗碳炉不同的)中与使用O2探头直接相关的现有技术。露点测量是目前最普通的监视和控制退火炉的方法。
(1)Armson，F.J.Barnett，J.H.；Davies，D.W.L.＂Electrochemical Sensors for Heat Treatment AtmosphereMonitoring＂；Met.-Slag-Gas React Processes，[Pap.Int.Symp.](1975)，905-18：这篇文章给出了使用O2探头监控热处理气氛的一般评述。讨论了光亮退火和渗碳。没有详细给出如何进行闭合回路控制。
(2)Poor R.P.，Huber M.J.和Barbee G.W.，＂Gas AnalysisSystem for furnaces and the like＂，U.S.专利5,211,820；该专利叙述了在控制退火炉时的使用O2探头：其权利要求的特殊优点是：
用O2探头鉴定，炉子是否被清理及引入可燃物，例如H2是否安全的的可能性。
一为将净化气的量降到最小而改变净化气(H2)和惰性气体(N2)的量。
(3)Sastri P.and Abraham K.P.，＂Atmosphere Control inHeat Treatment Furnaces using Oxygen Probes＂，Tool andAlloy Steels，155-62，April-May 1986：这篇文章包含了对所研究问题的一般讨论。在使用O2探头控制发生器时，提到了脱碳退火。该文章没有讨论在退火炉中实现闭合回路控制。
(4)Chen Y.C.，＂Automatic Control of CarbonPotentialin Furnace Atmospbeves Withont Adding Enriched Gas，＂Metallurgical Transactions B，24B，881-8，Oct，1993：这篇文章讨论了通过使N2和H2O混合物通过热的活性炭而产生被控制的碳势的气氛。该所得到的气氛的碳势用O2探头来控制。讨论了开-关和PID闭合回路控制。
(5)Weissohn K.H.，＂Sauerstoffmesszellen Zum Regeln vonOfenatmospharen＂Gaswarme International，32，436-7，1983：这篇文章包含在放热气氛中，基于CO/CO2比，使用O2探头控制脱碳退火的简要叙述。
(6)Weissohn K.H.，＂Oxygen Partial PressureMeasurements  With a Zirconium Oxide Probe，＂Gas WarmeInternational，29，331-42，1980：这篇文章给出了用于热处理炉中的O2探头的原理的一般概述。并给出了一些金属的氧化还原曲线图。
(7)涉及退火使用的O2探头的日本专利公开如下：“Apparatusfor Oxygen  Analysis＂JP05-164727A2、
“Oxygen Sensor for Annealing＂、JP56-107155A2、
“Annealing of Steels＂JP56-102518A2、
“Annealing of Steels＂JP56-013430、
闭合回路控制系统控制将水或氢引入到炉区中，在这里零件经受高温而完成热处理过程。该热处理过程只要保持氢/水比固定值。使零件参与在高温保持平衡的还原和/或氧化反应。该系统包括与炉区相通的氧探头，以便提供(i)标志炉区中的表示氧浓度的氧输出值，和(ii)表示其中温度的温度输出值。控制器从氧输出值和温度输出值确定炉区中氢对水的测量比，并将该测量比与氢/水比设定点比较，并根据此测量比和该比设定点之间确定的差提供一个修正信号输出。流量控制器响应该修正的信号输出，从而使氢和水中的至少一种的流到炉区，以便使氢/水比向上述比的设定点移动。
图1是体现本发明的闭合回路控制系统的方框图。
图2是氢和水％浓度与退火炉中位置的关系图。
图3是当使用以露点为基础的控制系统时的H2/H2O比与时间关系的曲线图。
图4是当使用以氧探头为基础的控制系统时的H2/H2O比与时间关的系曲线图。
在600℃以上的H2/N2炉子气氛中，闭合回路控制系统使用O2探头。唯一的相应平衡是：
    (1)
在600℃以上反应(1)是很快的，并总是平衡的。这使得这种气氛中动态控制氧化/还原反应成为可能。
本发明应用于这样的热处理过程中：其中在炉中要控制的值是H2/H2O比。例如，在脱碳退火时，借助于氧化从钢中排出碳，但是该气氛必须维持使钢中存在的铁和可能的其它金属合金元素还原，即：
    (2)
       (3)
    (4)
M指的是此钢中的合金元素，例如Si、Cr等。该气氛应是相对于式(2)而言是氧化的，但相对于式(3)和(4)是还原的。通过H2/H2O比控制所有这些反应的平衡。此外还发现脱碳速度(式2)与此气氛的水的绝对含量成正比。为了最高的脱碳速度，应将此气氛控制到将式(3)和(4)保持与该还原范围的最低H2/H2O比一致。
在图1中，将各需要的H2/H2O比设定值输结到控制回路10。将一个在炉14中的现场O2探头12很接近地安置到要处理的零件16附近。O2探头12对控制器18产生EMF和温度信号。使用这些信号，控制器18利用热力学公式计算在炉14中监视位置的实时有效H2/H2O比。根据与设定值的任何观察到的偏差，控制器18将一个成比例的信号发到在N2/H2/H2O输送控制板20中的调节器，以改变注入炉14中的H2量或改变注入炉14中的H2O(蒸汽)量。
已发现的是：为了有效的运行，相对于该O2探头的位置、元件位置和气氛流向的控制气体(H2或H2O)的注入点位置是重要的。这些参数将在下面实施例中更详细地说明。
如图1中所示，将来自O2探头12的电池电压和温度信号，利用在控制器18中按实时进行的热力学计算转换成H2/H2O比。将此测得的H2/H2O比与控制器18中设定点值比较，控制器18将一个合适的修正信号送到H2/N2/H2O输出控制板20，以便调节注入的蒸汽或H2的量。
利用二个热处理实施例，将进一步叙述本发明：硅钢的脱碳退火和变压器铁心片的光亮退火，二者均在连续的辊式炉中进行。工艺原理
氧探头是通过将全部或部分稳定化的氧化锆材料放到二个气氛室(每个室都含铂电极)之间而构成的。
在(＞600℃)温度下，由于此二个室含不同氧浓度的气体，所以产生一种电池，而且此两个电极之间的电压(EMF)(由于氧离子导电性)可以测量。已表明该电池电压遵循电池的基本公式(Nernst公式)：
E＝0.0215×T×loge(PO2参比/PO2试样)        (5)式中：E＝电池输出EMF(mV)
  T＝电池温度(°K)
  PO2参比＝参比氧压(atm)
  PO2试样＝试样氧压(atm)
如果准确知道温度和PO2，那么电池输出是试样PO2对数的线性函数。探头不必校准，在公式中没有校准常数。
由于空气作为参比气体使用，所以PO2参比＝0.2095，用此常数和以log(以10为底)替代自然对数，则可重列Nernst式并求解：
Log10(PO2试样)＝-0.06788-20.20×E/T    (6)
PO2试样＝10(-0.06788-20.20*E/T)        (7)
该平衡PO2可与H2/H2O比相关，如上所述，高于600℃，H2、H2O和O2按照式(1)平衡。那么平衡常数K1为：
K1＝PH2O/(PH2*PO2 1/2)    (8)
这个平衡常数可由已知的水的生成热(FE)来计算：
K1＝exp[-FE/(1.987*T)]        (9)
式中：
FE＝a＝b*log10(T)+C*T2+d/T+e*T
                              (10)
式中：a＝-56930
      b＝+6.75
      c＝0.000064
      d＝-8000
      e＝-8.74
对于PO2，式(8)可解为：
PO2＝[1/(K1*R)]2               (11)
式中：R＝PH2/PH2O
由于K1仅是温度的函数，所以该探头的输出EMF值和在此探头位置处的温度唯一地确定H2/H2O比的值。脱碳退火
将磁用途的，例如电动机和变压器磁芯的硅钢板热处理，以便将残余碳降到很低的水平，以便提高导磁率和降低磁损。由于这些板以100-200fpm通过炉子，所以碳的排出只有有限的时间。因此可容许的最小脱碳速度的最佳气氛是严格的。如前所述，该脱碳速度与气氛中水的绝对量成正比；但，为了避免固有的氧化，所以H2/H2O比必须大于3。由于从钢中脱出的碳连续与来自此气氛中的H2O反应并增加了H2(见反应2)，所以沿炉子长度测量H2/H2O比和沿着脱碳区在多处喷射蒸汽是重要的。
当钢板进入炉子时，在接着的预热区此钢板被加热到脱碳温度(1650°F)。然后此钢板进入脱碳区，在干燥的H2/N2气氛中均热，而后并在两个接着的冷却区(慢的和快的)中冷却。通用的气氛流动要安置得使其从此炉子出口流回到炉子入口。这种流动模式是必要的，以便沿炉子长度在蒸汽喷射和测得的H2/H2O比之间建立紧密地配合。这种流动规范还使得炉子中建立起H2和H2O浓度分布。
现有技术系统采用10个露点测量装置。为了测量露点，从炉中抽取气氛试样并冷却到要遇到的最大露点稍高一点的温度。在四个位置喷射蒸汽。图2是显示仕现有技术炉中不同点测得的水％(露点)和氢的关系图。
现有技术系统中闭合回路控制利用露点测量来建立。发现控制不稳定，生产线路常需慢下来以满足所要求的磁性。图3是达到的H2/H2O比的曲线图。
现有技术露点传感器被4个在不同位置的O2探头取代。该探头的尾被放在钢带表面上面约1ft处。在脱碳区之后安置的O2探头控制监测在均热区H2/H2O比是否足够高(＞20)。
使用O2探头作为监控装置完成一系列试验，而同时此炉子通过此露点装置控制，露点控制器用90°F±5°F露点表示满意的控制。但是，如图3所示，当用O2探头测量时，此H2/H2O比显示出明显的变化。最关键的O2探头3#，由于它监控第一喷射蒸汽的位置，显示了很大的波动(比率在3和10之间，这表明由于在测量装置中时间滞后控制很差。
然后将此炉子转换到用O2探头控制，仅保持三个蒸汽喷口起作用。调节控制回路后，所达到的H2/H2O比(作为时间的函数)被示于图4中。对于探头3#和4#的H2/H2O设定点被定为4。该控制是很好的。该控制点很好的。但是，观察到的探头3#的读数比其它探头受到大的多的干扰。由于这个探头控制仅在此探头上游约60’处的第一蒸汽喷射点，所以推测信号波动是由于H2O与H2/N2气氛的不完全混合所致。设计一种新的蒸汽喷射器(高压)以促进混合，从而导致探头3#中波动完全消除。这个实施例说明通过使用最佳位置的O2探头和控制气体喷射的方法达到优良的控制。
该O2探头是由Barber-Colman出售的工业装置。除了使用控制回路技术的优良气氛控制能力之外，可用微处理机处理的能力可以小的额外成本建立如下性能：
—炉子启动：为可用此O2探头测定此炉何时为惰性的。按照NFPA指南，除非炉子在1400°F以上或如果确定O2含量低于1％则不能引入可燃物。使用O2探头可使用第二种方法，从而导致快的起动，这是由于合乎需要的气氛组成可更快地达到。
—通过测量此探头的内电阻可监控其性能。如果此内电阻降到其开始值的一半以下，则此探头需要更换。可以装入一个报警器对需要更换探头报警。
—对H2/H2O比的高/低的报警器。
—可将所有得到的信号传递到数据获得系统。光亮退火
改进H2/H2O比控制的另一个优点是喷入炉中的H2量可更精确地控制，从而导致H2显著的节约。例如，如果避免了Fe氧化，就可能以比先前的可能性更好地控制，使操作更接近Fe的氧化还原线。例如，对于在800℃的光亮退火而言，为避免氧化的最小H2/H2O比约为2；但是，因为不可避免的空气泄漏到炉中和不良的控制，通常需要将该比增加到8或更大。
当空气泄漏或其它干扰发生时，使用闭合回路通过立刻喷H2来保持设定比值，以显著地减少H2消耗常常是可能的。
在变压器铁芯光亮退火使用的辊式炉中设立这样一个系统是可能的。在此炉热区的顶部安装O2探头(Barber Colman)。使用类似于脱碳退火使用的控制器(仅用一个探头控制回路)。将H2/H2O比设定值与在炉中测得的比值比较。当该比值降到设定值之下时在热区喷射另外的H2。
从上面的试验数据可清楚看出：本发明的控制系统可用于所有这样一些使用H2/N2气氛的热处理工艺：其中必须在窄的限度内控制H2/H2O比。使用原地O2探头控制炉子气氛的主要优点在于这样的事实：它们可以在要处理的零件附近直接和用很短时间滞后测量有关的工艺参数(O2势或H2/H2O比)。这可使得控制气体(H2或H2O)喷射的位置和方法被安排得达到对工件/气氛干扰的有效动态控制。它基本的特点是：
—控制中的反应是H2-H2O反应(式1)，它在600℃以上快速平衡。
—被喷射的控制气体(H2或蒸汽)一定立刻改变H2/H2O比。
与探头位置相关的喷射控制气体位置和方法是重要的，以便使探头附近的气氛很好混合和表达控制气体混合的作用。
—接近工件来安置探头。
可实施本发明的其它工艺的例子是：
—铁粉还原
陶瓷和金属粉末在H2/N2气氛中的脱粘和烧结。
应被理解的是：上面的叙述仅用于说明本发明。本技术领域的普通技术人员不违背本发明可导出各种变化和变型，所以，本发明旨在包括落在所附的权利要求范围中的所有这些改变、修改和变化。

Claims (10)

1、用于控制将水或氢引入炉区的装置，在上述炉区中，零件经受高温以完成热处理过程，该热处理过程中使该零件发生还原和/或氧化反应，只要维持一个氢/水比的设定值，该反应就在所述的高温下保持平衡，所述装置包括：
与所述炉区信息相通的氧探头装置，该装置用于提供表示所述炉区中测定的氧浓度的氧输出和表示其中温度的温度输出；
用于测定上述氧输出和温度输出，测量此炉区中的氢/水比，以便将测量的该比与氢/水比设定值比较，及根据确定的上述测得的比和所述比设定值之间的差提供修正信号输出的控制器装置；和
响应上述修正信号输出的流量控制装置，该装置用于提供氢和水中至少之一的流量到炉区，以使所述氢/水比移向所述比设定值。
2、权利要求1所述装置，其中，所述氧探头装置单独从靠近部件的炉区的区域测定氧和温度。
3、权利要求1所述装置，其中，所述流量控制装置于一部位中喷水到所述炉区，该区域是靠近所述氧探头装置的。
4、权利要求1所述的装置，其中，所述的流量控制装置于一部位中喷氢到所述炉区，该区域是靠近所述氧探头装置的。
5、权利要求1所述的装置，其中，所述的零件是钢件，而所述的热处理过程是脱碳退火过程。
6、权利要求1所述的装置，其中，所述的零件是钢的变压器铁心片，而所述的热处理过程是光亮退火过程。
7、权利要求1所述的装置，其中，所述的控制器装置利用下述式子确定测得的氢/水比：
K1＝PH2O/(PH2·PO2 0.5)
K1＝exp(-FE/(1.987·T)
FE＝a+b·log10(T)+C.T2+d/T+e·T
    式中：a＝-56930
b＝+6.75
c＝-0.00064
d＝-8000
e＝-8.74
PO2＝(1/(K1·R))2
式中R＝PH2/PH2O
8、控制将水或氢引入炉区的方法，在上述炉区中零件经受高温以完成热处理过程，该热处理过程使所述零件发生还原和/或氧化反应，只要维持一个氢/水比设定值该反应就在高温保持平衡，所述炉区具有插入其中的氧探头，所述方法包括步骤：
从氧探头获得表示在此炉区中测定的氧浓度的氧输出和表示炉区中温度的温度输出；
从上述氧输出和温度输出确定炉区中测得的氢/水的比；
将所述的测得的比与所述氢/水比设定值比较，并根据确定的所述的测得比与所述比设定值之间的差提供修正信号；和
通过提供氢和水中之至少一种的流量到此炉区中，以响应上述修正信号输出，从而使所述氢/水比移向所述比设定值。
9、权利要求8所述方法，它还包括的步骤为：安置所述的氧探头以单独从所述炉区中的靠近所述零件的部位测定氧和温度。
10、权利要求9所述的方法，其中，所述确定步骤通过利用下述式子导出所述的测定的氢/水比：
K1＝PH2O(PH2·PO2 0.5)
K1＝exp(-FE/(1.987·T)
式中：
FE＝a+b·log10(T)+C·T2+d/T+e·T
式中：a＝-56930
      b＝+6.75
c＝-0.00064
d＝-8000
e＝-8.74
PO2＝(1/(K1·R))2式中：R＝PH2/PH2。
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