PL210958B1

PL210958B1 - Sposób i układ kontrolno-pomiarowy do kontroli aktywnej powierzchni wsadu w procesie nawęglania w podciśnieniu

Info

Publication number: PL210958B1
Application number: PL382118A
Authority: PL
Inventors: Piotr Kula; Józef Olejnik
Original assignee: Seco Warwick Społka Akcyjna; Seco/Warwick Społka Akcyjna
Priority date: 2007-04-02
Filing date: 2007-04-02
Publication date: 2012-03-30
Also published as: EP1980641B1; US7967920B2; EP1980641A2; US20080277029A1; PL382118A1; ES2392595T3; EP1980641A3; EP1980641B8

Description

(12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) 210958 (13) B1 (21) Numer zgłoszenia: 382118 ^{(51) Int.Cl.}

C23C 8/22 (2006.01) (22) Data zgłoszenia: 02.04.2007

Sposób i układ kontrolno-pomiarowy do kontroli aktywnej powierzchni wsadu w procesie nawęglania w podciśnieniu

	(73) Uprawniony z patentu: SECO/WARWICK SPÓŁKA AKCYJNA, Świebodzin, PL
(43) Zgłoszenie ogłoszono:
13.10.2008 BUP 21/08	(72) Twórca(y) wynalazku: PIOTR KULA, Łódź, PL JÓZEF OLEJNIK, Świebodzin, PL
(45) O udzieleniu patentu ogłoszono:
30.03.2012 WUP 03/12	(74) Pełnomocnik:
	rzecz. pat. Marek Passowicz

PL 210 958 B1

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób i układ do kontroli aktywnej powierzchni wsadu w procesie nawęglania w podciśnieniu, korzystnie w atmosferze trójskładnikowej mieszaniny nawęglającej, zawierającej etylen, acetylen i wodór.

Z japoń skiego opisu patentowego nr JP 2002 173 759 znany jest system kontroli atmosfery gazowej oraz współpracujące z nim urządzenie do nawęglania próżniowego, w którym potencjał węglowy (PC) atmosfery wytwarzanej na bazie węglowodorów jest mierzony i regulowany w czasie rzeczywistym poprzez system obliczeniowy - na podstawie sygnałów z czujników ciśnienia procesu oraz ciśnienia cząstkowego wodoru w komorze procesowej lub przewodzie odlotowym.

Z kolei, z niemieckiego opisu patentowego nr DE 10 359 554 znany jest zestaw do nawęglania detali w piecu próżniowym dopasowujący zasilanie węglem do aktualnego zapotrzebowania przez detale. W zestawie tym, w komorze roboczej pieca lub na przewodzie odlotowym przed pompą próżniową zainstalowane zostały czujniki stężenia wodoru i/lub acetylenu, i/lub łącznej zawartości węgla, np. spektrometr masowy, z których sygnałów, po przetworzeniu w systemie obliczeniowym, przekazywany jest impuls do zaworu dozującego o potrzebnej wielkości dozowania, np. acetylenu, stosownie do chwilowego zapotrzebowania przez wsad zależnego od aktualnej zawartości węgla w stali.

Inne rozwiązanie zostało przedstawione w amerykańskim opisie patentowym nr US 6 846 366, w którym opisano urządzenie i metodę nawęglania przy ciśnieniu od 13 do 1000 Pa, w atmosferze zawierającej mniej niż 20% obj. tlenku węgla, której skład jest kontrolowany przez pomiar przewodnictwa cieplnego miernikiem próżni Piraniego w celu regulacji parametrów procesu temperatury, ciśnienia i składu atmosfery gazowej.

Z polskiego zgł oszenia patentowego nr P-356 754 znana jest trójskł adnikowa, zawierająca etylen, acetylen i wodór lub amoniak, mieszanina, która w procesie nawęglania w podciśnieniu wykazuje synergiczny efekt wysokiego stopnia dekompozycji węglowodorów na powierzchni wsadu, co skutkuje sprawnym przekazywaniem węgla z mieszaniny do powierzchni wsadu, bez tworzenia uciążliwych produktów ubocznych w postaci smoły lub/i sadzy. W procesie tym przekazywanie węgla z atmosfery do powierzchni wsadu następuje poprzez fazę pośrednią tworząca się na całej powierzchni wsadu - uwodorniony depozyt wę glowy (Kula i inni 2006). Przekazywanie wę gla do powierzchni jest wysoce intensywne, a zatem proces technologiczny jest podzielony na krótkie, kilkuminutowe fazy nasycania węglem (ang. boost) oraz fazy wyłącznie dyfuzyjnego rozprowadzania węgla w głąb stali (ang. diffusion). Są to niestacjonarne i nierównowagowe warunki procesu, których przebieg zjawisk i narastania warstwy dyfuzyjnej może być zaprogramowany wyłącznie na podstawie symulacji komputerowej przez system ekspertowy zawierający bazę danych o obrabianych materiałach oraz fizyczno-matematyczny model procesu. W warunkach zmiennego asortymentu produkcyjnego system ekspertowy poprawnie programuje przebieg procesu pod warunkiem wprowadzenia do niego wymaganych parametrów warstwy, temperatury procesu, gatunku stali oraz aktywnej powierzchni wsadu, której oszacowanie w warunkach produkcyjnych moż e być obarczone pewnym błędem.

Istota sposobu według wynalazku polega na tym, że sygnały z przetwornika przepływu masowego, zebrane w przedziale czasowym pomiędzy 30-tą a 300-tną sekundą trwania pierwszej fazy nasycania węglem, przekazuje się do systemu ekspertowego celem porównania z wyznaczonymi doświadczalnie w funkcji aktywnej powierzchni wsadu z charakterystykami wzorcowymi dla ich wskazań oraz dokonania obliczenia poprawki korekcyjnej dla przyjętej w systemie, oszacowanej powierzchni wsadu.

Z kolei istota ukł adu wedł ug wynalazku polega na tym, ż e przyłączony do technologicznego zespołu pompy lub zestawu pomp próżniowych i pieca próżniowego zwrotny obwód bocznikowy, zawierający między innymi przetwornik sygnału przepływu masowego próbki gazów odlotowych i zawór kalibracyjny, jest połączony za pośrednictwem zaworu referencyjnego z systemem doprowadzającym przeznaczone do kalibracji układu gazy referencyjne.

Korzystnym jest, gdy obwód bocznikowy, zawierający w połączeniu szeregowym pierwszy zawór odcinający, filtr gazowy, drugi zawór odcinający, przetwornik sygnału przepływu masowego, zawór kalibracyjny oraz trzeci zawór odcinający, jest włączony pomiędzy wyjście i wejście zestawu pomp próżniowych, przy czym pomiędzy zawór odcinający a filtr gazowy jest włączone wyjście zaworu referencyjnego.

Korzystnym jest także, gdy obwód bocznikowy, zawierający w szeregowym połączeniu pierwszy zawór odcinający, filtr gazowy, drugi zawór odcinający, wspomagającą pompę próżniową, reduktor do

PL 210 958 B1 stabilizacji ciśnienia, przetwornik sygnału przepływu masowego, zawór kalibracyjny oraz trzeci zawór odcinający, jest włączony pomiędzy wejście zestawu pomp próżniowych a wyjście technologicznego zaworu odcinającego pieca próżniowego, przy czym pomiędzy wyjście wspomagającej pompy próżniowej a reduktor jest włączone wyjście zaworu referencyjnego.

Sposób i stanowiący kompaktowy system pomiarowy układ wg wynalazku eliminują ryzyko zniszczenia wsadu i/lub zanieczyszczenia instalacji, wynikające z możliwości wprowadzenia przez operatora do systemu symulacyjno-regulującego błędnych lub niedokładnych danych o powierzchni obrabianych elementów.

Wynalazek zostanie bliżej opisany na podstawie przykładowych wykonań pokazanych na rysunku, na którym poszczególne figury przedstawiają:

figura 1 - układ kontrolno-pomiarowy z przetwornikiem sygnału przepływu masowego umieszczonym w zwrotnym obwodzie bocznikowym głównej pompy próżniowej; oraz figura 2 - odmianę układu z przetwornikiem sygnału przepływu masowego umieszczonym w zwrotnym obwodzie bocznikowym głównego systemu pompowego, po stronie próżniowej.

Układ w pierwszej odmianie przedstawionej na fig. 1 jest zainstalowany jako zwrotny obwód bocznikowy pompy lub zestawu pomp próżniowych 8, którego wejście jest przyłączone, za pośrednictwem technologicznego zaworu odcinającego 9, do pieca próżniowego 10. Pomiędzy wyjście i wejście zestawu pomp próżniowych 8 jest włączona gałąź bocznikowa, składająca się z szeregowo połączonych urządzeń: pierwszego zaworu odcinającego 1, filtra gazowego 2, drugiego zaworu odcinającego 3, przetwornika sygnału przepływu masowego 5 próbki gazów odlotowych, zaworu kalibracyjnego 6 i trzeciego zaworu odcinającego 7, przy czym pomiędzy zawór odcinający 1 a filtr gazowy 2 jest włączone wyjście zaworu referencyjnego 4, poprzez który doprowadza się z zewnątrz przeznaczone do kalibracji układu gazy referencyjne.

Ustalenie referencyjnego przepływu objętościowego w układzie dokonuje się drogą gazową, w odniesieniu do wartości ustalonego przepływu masowego znanego gazu kalibracyjnego, np. azotu, helu lub powietrza, poprzez zawór referencyjny 4, przetwornik sygnału przepływu masowego 5, zawór kalibracyjny 6 oraz zawór odcinający 7.

W odmianie na fig. 2, obwód bocznikowy, zawierający w szeregowym połączeniu pierwszy zawór odcinający 1, filtr gazowy 2, drugi zawór odcinający 3, wspomagającą pompę próżniową 11, reduktor 12 do stabilizacji ciśnienia, przetwornik sygnału przepływu masowego 5, zawór kalibracyjny 6 oraz trzeci zawór odcinający 7, jest włączony pomiędzy wejście zestawu pomp próżniowych 8 a wyjście technologicznego zaworu odcinającego 9 pieca próżniowego 10, przy czym pomiędzy wyjście wspomagającej pompy próżniowej 11 a reduktor 12 jest włączone wyjście zaworu referencyjnego 4.

W trakcie procesu realizowanego w trójskładnikowej mieszaninie nawęglającej zawierającej etylen, acetylen i wodór, w zakresie ciśnień od 0,1 do 10 kPa oraz w zakresie temperatur od 800 do 1100°C, droga przez boczny bocznik pomiarowy zostaje otwarta w przedziale czasowym od 30-tej do 300-tnej sekundy trwania pierwszej fazy nasycania węglem, zaś sygnały elektryczne zebrane w tym okresie przekazywane zostają do systemu ekspertowego w celu porównania z charakterystykami wzorcowymi wyznaczonymi doświadczalnie w funkcji aktywnej powierzchni wsadu oraz dokonania obliczenia poprawki korekcyjnej dla przyjętej w systemie oszacowanej powierzchni wsadu. W wyniku tak przeprowadzanej korekty w trakcie procesu, uzyskuje się dobrze wykształcone i równomierne nawęglone warstwy o założonym profilu stężenia węgla i unika się przy tym tworzenia produktów ubocznych, takich jak smoła lub sadza.

P r z y k ł a d 1

W komorze uniwersalnego pieca próżniowego 10, o wymiarach komory roboczej 400 x 400 x 600 mm, umieszczono elementy wykonane ze stali 16CrMn5, których powierzchnię wstępnie oszacowano na 2,1 m², a następnie uzyskaną z szacunku wartość wprowadzono do systemu symulacyjnosterującego pieca, łącznie z pozostałymi parametrami warstwy, a mianowicie: stężeniem powierzchniowym węgla - 0,75% wag., umowną grubością warstwy nawęglonej 0,6 mm przy stężeniu granicznym 0,4% wag. C oraz parametrami procesu - temperaturą 950°C i ciśnieniem dozowania gazów węglonośnych w fazach nasycania boost z pulsacją w przedziale od 0,5 do 0,8 kPa. Za pośrednictwem systemu symulacyjnego system symulacyjny, po zaprogramowaniu organizacji procesu nawęglania wg następującej sekwencji faz:

• nagrzewanie konwekcyjne w azocie do temperatury 700°C, • nagrzewanie w próżni do temperatury 950°C, • nasycanie węglem boost - 5 min 41 s,

PL 210 958 B1 • dyfuzja diffusion - 11 min 22 s, • nasycanie węglem boost - 3 min 24 s, • dyfuzja diffusion - 18 min 53 s, • nasycanie węglem boost - 3 min 24 s, • dyfuzja diffusion - 37 min, • nasycanie węglem boost - 3 min 24 s, • dyfuzja diffusion - 23 min 33 s, • schłodzenie do temperatury hartowania 840°C z szybkością 5°C/min, • hartowanie w azocie pod ciśnieniem 10³ kPa, dobrał optymalne wielkości dozowania mieszaniny nawęglającej o składzie etylen 26%, acetylen 26% oraz wodór 46%. Po upływie 30-tu sekund od rozpoczęcia pierwszej fazy nasycania węglem, system otworzył zwrotny obwód bocznikowy pompy próżniowej 8 wywołując przepływ próbki gazów odlotowych przez przetwornik sygnału przepływu masowego 5, po czym zamknął tę drogę po upływie kolejnych 270-ciu sekund. Na podstawie otrzymanych w tym czasie sygnałów system wyznaczył średnią gęstość gazów odlotowych 0,156 g/dm i porównując ją z charakterystyką wzorcową skorygował aktywną powierzchnię wsadu w górę, do wartości 2,6 m. W kolejnych fazach nasycania węglem system przyjął skorygowane wielkości dozowania mieszaniny nawęglającej. W wyniku procesu uzyskano dobrze wykształcone i równomierne warstwy nawęglone o założonym profilu stężenia węgla (CR 0,75% C, AHT 0,59 mm), a przy tym uniknięto powstawania produktów ubocznych, takich jak smoła lub sadza.

P r z y k ł a d 2

W komorze uniwersalnego pieca próżniowego 10, o wymiarach komory roboczej 400 x 400 x 600 mm, umieszczono elementy wykonane ze stali 16CrMn5. Po wstępnym oszacowaniu powierzchni na 2,3 m² wartość tę wprowadzono do systemu symulacyjno-sterującego pieca łącznie z pozostałymi parametrami warstwy: stężeniem powierzchniowym węgla granicznym 0,4% wag. C oraz parametrami procesu: temperaturą 1000°C, ciśnieniem dozowania gazów węglonośnych w fazach nasycania boost z pulsacją w przedziale od 0,5 do 0,8 kPa. W celu ograniczenia rozrostu ziarna austenitu zastosowano opcję wstępnego nasycenia warstwy wierzchniej azotem ang. prenitriding. System symulacyjny, po zaprogramowaniu organizacji procesu nawęglania wg następującej sekwencji faz:

• nagrzewanie konwekcyjne w azocie do temperatury 400°C, • nagrzewanie od temperatury 400°C do 700°C pod ciśnieniem 0,25 kPa przy dozowaniu do komory amoniaku, • nagrzewanie w próżni do temperatury 1000°C, • nasycanie węglem boost - 6 min 12 s, • dyfuzja diffusion - 29 min 33 s, • nasycanie węglem boost - 4 min 47 s, • dyfuzja diffusion - 17 min 7 s, • hartowanie w azocie pod ciśnieniem 10³ Pa, dobrał optymalne wielkości dozowania mieszaniny nawęglającej o składzie etylen 26%, acetylen 26% oraz wodór 46%. Po upływie 60 sekund od rozpoczęciu pierwszej fazy nasycania węglem, system otworzył zwrotny obwód bocznikowy pompy próżniowej 8 wywołując przepływ próbki gazów odlotowych przez przetwornik sygnału przepływu masowego 5 i zamknął tę drogę po upływie kolejnych 180 sekund. Na podstawie otrzymanych w tym czasie sygnałów system wyznaczył średnią gęstość gazów odlotowych 0,125 g/dm³ i porównując ją z charakterystyką wzorcową zdecydował, że wartość ta mieści się w granicach tolerancji, a następnie zaakceptował przyjętą powierzchnię wsadu do realizacji drugiej fazy nasycania węglem. W wyniku procesu uzyskano dobrze wykształcone i równomierne warstwy nawęglone o założonym profilu stężenia węgla CR 0,74% C, AHT 0,66 mm, a także i w tym przypadku uniknięto tworzenia się produktów ubocznych, takich jak smoła lub sadza.

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Sposób kontroli aktywnej powierzchni wsadu w procesie nawęglania w podciśnieniu, w zakresie ciśnień od 0,1 do 10 kPa oraz w zakresie temperatur od 800 do 1100°C, znamienny tym, że sygnały odzwierciedlające przepływ masowy próbki gazów odlotowych, zebrane w przedziale czasowym pomiędzy 30-tą a 300-tną sekundą trwania pierwszej fazy nasycania węglem, przekazuje się do systemu ekspertowego celem porównania z wyznaczonymi doświadczalnie w funkcji aktywnej poPL 210 958 B1 wierzchni wsadu z charakterystykami wzorcowymi dla ich wskazań oraz dokonania obliczenia poprawki korekcyjnej dla przyjętej w systemie, oszacowanej powierzchni wsadu.

2. Układ kontrolno-pomiarowy do kontroli aktywnej powierzchni wsadu w procesie nawęglania w podciś nieniu, w zakresie ciś nień od 0,1 do 10 kPa oraz w zakresie temperatur od 800 do 1100°C, znamienny tym, że stanowi przyłączony do zespołu technologicznego pompy lub zestawu pomp próżniowych (8) i pieca próżniowego (10) zwrotny obwód bocznikowy z przetwornikiem sygnału przepływu masowego (5) próbki gazów odlotowych i zaworem kalibracyjnym (6), połączony za pośrednictwem zaworu referencyjnego (4) z systemem doprowadzającym przeznaczone do kalibracji układu gazy referencyjne.

3. Układ według zastrz. 2, znamienny tym, że obwód bocznikowy, zawierający w połączeniu szeregowym pierwszy zawór odcinający (1), filtr gazowy (2), drugi zawór odcinający (3), przetwornik sygnału przepływu masowego (5), zawór kalibracyjny (6) oraz trzeci zawór odcinający (7), jest włączony pomiędzy wyjście i wejście zestawu pomp próżniowych (8), przy czym pomiędzy zawór odcinający (1) a filtr gazowy (2) jest włączone wyjście zaworu referencyjnego (4).

4. Układ według zastrz. 2, znamienny tym, że obwód bocznikowy, zawierający w szeregowym połączeniu pierwszy zawór odcinający (1), filtr gazowy (2), drugi zawór odcinający (3), wspomagającą pompę próżniową (11), reduktor (12) do stabilizacji ciśnienia, przetwornik sygnału przepływu masowego (5), zawór kalibracyjny (6) oraz trzeci zawór odcinający (7), jest włączony pomiędzy wejście zestawu pomp próżniowych (8) a wyjście technologicznego zaworu odcinającego (9) pieca próżniowego (10), przy czym pomiędzy wyjście wspomagającej pompy próżniowej (11) a reduktor (12) jest włączone wyjście zaworu referencyjnego (4).