淺談滲碳爐碳勢(shì)的調(diào)試方法

蓋建棟

（南京高速齒輪制造有限公司，江蘇南京 211100）

0 引言

滲碳熱處理是指介質(zhì)在工件表面產(chǎn)生的活性碳原子，經(jīng)過表面吸收或擴(kuò)散，將碳滲入低碳鋼或低碳合金鋼表層，使其在淬火回火后表層硬度和強(qiáng)度顯著提高，而心部保持良好韌性的一種工藝[1]。滲碳零件質(zhì)量的好壞取決于表面的碳濃度和滲碳深度，而零件表面碳濃度取決于爐氣碳勢(shì)[2]。能夠完成滲碳工藝的熱處理設(shè)備有許多種，其中非常重要的一個(gè)是井式滲碳爐。目前井式滲碳爐的滲碳工藝多為氮—甲醇?xì)夥占痈换瘹獾募庸すに?，相?duì)于其他工藝而言，該工藝具有碳勢(shì)控制穩(wěn)定、產(chǎn)品質(zhì)量高、操作安全的特點(diǎn)[3]。想要得到理想的工藝狀態(tài)，設(shè)備的氣氛控制及調(diào)試十分重要。

1 滲碳爐碳勢(shì)的控制及PID 調(diào)節(jié)

滲碳爐在滲碳過程中首先要構(gòu)建滲碳?xì)夥窄h(huán)境。目前南京高速齒輪制造有限公司滲碳爐大多使用氮—甲醇構(gòu)建氣氛環(huán)境，滲碳爐爐內(nèi)主要?dú)怏w組成成分：20%CO、40%N2、40%H2[3]，在此環(huán)境下，不僅可以保證爐內(nèi)的正壓，同時(shí)可以形成一定的碳勢(shì)。在實(shí)際運(yùn)用中，主要是通過流量計(jì)調(diào)節(jié)氮?dú)夂图状嫉耐ㄈ肓?，其中甲醇要求爐溫高于750 ℃時(shí)才可通入，因?yàn)樵诖藴囟认录状疾拍芡耆纸鉃镃O 和H2，確保設(shè)備使用安全。氮?dú)饬髁恳话阋浴癿3/h”為單位，甲醇一般以“L/h”為單位，因此一般保證通入的氮?dú)馀c甲醇之間是1.1∶1 的關(guān)系，就可以滿足氮?dú)夂图状妓璧谋壤P(guān)系[3]，以此為基礎(chǔ)，構(gòu)建所需要的爐膛內(nèi)滲碳?xì)夥窄h(huán)境。

爐膛內(nèi)的氮—甲醇比例構(gòu)建完成后，溫度上升至800 ℃以上，通入富化氣改善爐內(nèi)氣氛，以達(dá)到所需要的碳勢(shì)。此時(shí)設(shè)備的智能控制儀表，如Demig 表、Stange 表等，通過PID 調(diào)節(jié)控制富化氣的通入量，使碳勢(shì)趨近于圖1 所示的理想碳勢(shì)曲線，即實(shí)際碳勢(shì)與設(shè)定值基本重合的狀態(tài)。

圖1 理想的碳勢(shì)曲線

滲碳用富化氣的種類有很多，使用比較多的是丙烷氣體，配合空氣以實(shí)現(xiàn)碳勢(shì)的控制，這種方式大多使用比例閥進(jìn)行控制，比較穩(wěn)定，而且控制簡(jiǎn)單，是目前使用比較廣泛的富華氣控制方法。除此以外，還可以使用異丙醇配合空氣改善氣氛控制碳勢(shì)，由于異丙醇是液體，可以通過計(jì)量泵控制通入量，從而達(dá)到控制碳勢(shì)的目的。無(wú)論是比例閥還是計(jì)量泵，都通過智能儀表根據(jù)PID 參數(shù)調(diào)節(jié)輸出的百分比信號(hào)進(jìn)行控制，調(diào)節(jié)氣氛的通入量，達(dá)到控制碳勢(shì)的目的。因此，作為碳勢(shì)控制調(diào)試的重點(diǎn)，智能儀表的碳控PID 是否合適，將決定實(shí)際碳勢(shì)是否能夠趨近于理想狀態(tài)。

智能控制儀表一般都有一個(gè)初始的PID 參數(shù)，因此設(shè)備碳勢(shì)調(diào)試過程是根據(jù)設(shè)備運(yùn)行的實(shí)際情況，在初始PID 參數(shù)上進(jìn)行修改的過程。

1.1 比例閥控制丙烷的通入

比例閥通過不同的百分比信號(hào)調(diào)節(jié)閥體開度，從而達(dá)到調(diào)節(jié)流量的目的，因此通過比例閥控制的丙烷和空氣的流量，始終處于相對(duì)穩(wěn)定的流動(dòng)狀態(tài)。觀察碳勢(shì)曲線，如果碳勢(shì)波動(dòng)較大且很頻繁，可以適當(dāng)將比例參數(shù)調(diào)大一些，便可以明顯改善曲線波動(dòng)的狀態(tài)；但不能設(shè)定的太大，否則碳勢(shì)曲線將會(huì)處于發(fā)散狀態(tài)，無(wú)法向碳勢(shì)設(shè)定值收斂。當(dāng)曲線趨于平緩時(shí)，可以通過對(duì)積分參數(shù)的調(diào)整，進(jìn)一步改善曲線的狀態(tài)。由于比例參數(shù)和積分參數(shù)的控制都有一定的滯后性，而微分參數(shù)具有一定的“超前”性質(zhì)，適當(dāng)調(diào)整微分參數(shù)，可以更好地使碳勢(shì)曲線穩(wěn)定，并最終達(dá)到所需的碳勢(shì)曲線。

1.2 計(jì)量泵控制異丙醇的通入

如果設(shè)備使用的不是比例閥控制的丙烷作為富華氣，而使用的是異丙醇，同時(shí)使用的是計(jì)量泵，PID 調(diào)節(jié)與比例閥控制不同。計(jì)量泵是將百分比信號(hào)轉(zhuǎn)化為脈沖信號(hào)，從而控制異丙醇的通入量，當(dāng)輸出的百分比較大時(shí)，計(jì)量泵單位時(shí)間內(nèi)輸出的脈沖信號(hào)就很多，通入的異丙醇量相對(duì)較多較平穩(wěn)；但當(dāng)輸出的百分比較少時(shí)，計(jì)量泵單位時(shí)間內(nèi)輸出的脈沖信號(hào)就很少，尤其是在碳勢(shì)趨于穩(wěn)定的狀態(tài)下，脈沖信號(hào)很長(zhǎng)時(shí)間才觸發(fā)一次，而在兩次脈沖信號(hào)之間的時(shí)間內(nèi)，沒有異丙醇的通入，碳勢(shì)會(huì)下降較多。這種情況下如果比例參數(shù)設(shè)的較大，會(huì)使儀表的響應(yīng)速度變慢，從而造成計(jì)量泵脈沖長(zhǎng)時(shí)間才發(fā)生，異丙醇的通入量便會(huì)斷斷續(xù)續(xù)很不穩(wěn)定，碳勢(shì)曲線也會(huì)隨之不穩(wěn)定。如此便會(huì)出現(xiàn)圖2所示的曲線規(guī)律，t1時(shí)間段里，由于儀表輸出百分比很少，因此在較長(zhǎng)時(shí)間里計(jì)量泵無(wú)輸出，異丙醇不會(huì)通入，碳勢(shì)會(huì)逐漸下降；當(dāng)碳勢(shì)很低時(shí)，儀表的輸出百分比變大，計(jì)量泵便會(huì)以較高的頻率工作，通入大量異丙醇，碳勢(shì)快速上升，如圖2 中t2時(shí)間段所示，如此反復(fù)，碳勢(shì)曲線與所希望的理想狀態(tài)差距較大，這樣的PID 參數(shù)便不合適。

圖2 用計(jì)量泵控制異丙醇時(shí)比例參數(shù)過大易出現(xiàn)的曲線

為了使計(jì)量泵運(yùn)行的脈沖信號(hào)相對(duì)穩(wěn)定合理，首先需要將比例參數(shù)設(shè)置調(diào)小，從而提高儀表對(duì)碳勢(shì)曲線變化的靈敏度，及時(shí)調(diào)整輸出的百分比信號(hào)。其次，需要對(duì)計(jì)量泵有比較明顯的超前控制，才能在碳勢(shì)控制中提前判斷碳勢(shì)的變化趨勢(shì)，提前發(fā)出控制信號(hào)，因此需要將微分參數(shù)設(shè)置的大些，使儀表具備較好的超前控制能力，從而穩(wěn)定碳勢(shì)，達(dá)到較好的碳控效果。

除此以外，在PID 調(diào)試過程中，還要不斷觀察設(shè)備氧探頭和紅外儀所檢測(cè)的mV、CO、CO2值的變化情況，以及碳勢(shì)曲線變化的狀態(tài)，緩慢調(diào)整，逐步使其達(dá)到所設(shè)定的碳勢(shì)狀態(tài)。根據(jù)需要，還可以通過鋼薄進(jìn)行驗(yàn)證。

2 調(diào)試過程中常見的異常現(xiàn)象

在設(shè)備調(diào)試時(shí)，如果氮?dú)馔ㄈ肓空＃紕?shì)仍出現(xiàn)波動(dòng)現(xiàn)象，無(wú)法達(dá)到理想狀態(tài)，此時(shí)需要對(duì)其產(chǎn)生的原因進(jìn)行分析排查，找到原因并進(jìn)行處理。

2.1 比例閥故障

重新標(biāo)定比例閥。在標(biāo)定過程中，輸出量由0%逐漸增加，如果在增大輸出量過程中浮子一直不浮起，當(dāng)達(dá)到某一輸出值后突然浮起，并且浮起量明顯，則說明比例閥卡阻，需要清理或是更換比例閥。

如果輸出值無(wú)論怎么變化，比例閥閥體都無(wú)反應(yīng)，則需要排查儀表信號(hào)是否故障，或檢查比例閥控制器是否有問題。

除此以外，有時(shí)比例閥在標(biāo)定時(shí)故障并不明顯，但在運(yùn)行過程中，低輸出時(shí)閥體無(wú)法正常工作，致使碳勢(shì)持續(xù)走低，直至比例輸出高了以后才會(huì)打開，此種現(xiàn)象比較常見，但不易判斷，需要根據(jù)碳勢(shì)曲線，并觀察氣體通入量，綜合分析。

2.2 mV 波動(dòng)造成碳勢(shì)故障

mV 值波動(dòng)最可能的原因是氧探頭故障，對(duì)此更換氧探頭就可以解決。

除此以外，還可能是設(shè)備中的比例閥或是計(jì)量泵出現(xiàn)故障，或是設(shè)備的PID 不適合，造成氣氛通入異常，致使?fàn)t內(nèi)碳勢(shì)確實(shí)存在波動(dòng)現(xiàn)象，因此氧探頭所測(cè)的mV 值就會(huì)波動(dòng)。此時(shí)需檢查比例閥或計(jì)量泵是否工作正常，并且適當(dāng)調(diào)節(jié)PID，觀察mV值波動(dòng)是否有所改善。這種現(xiàn)象一般在設(shè)備大修后會(huì)出現(xiàn)，由于設(shè)備的結(jié)構(gòu)及爐況發(fā)生了改變，很可能會(huì)造成原始PID 不適合的情況，因此在設(shè)備大修后，需要對(duì)設(shè)備重新定碳調(diào)試，從而保證設(shè)備的正常運(yùn)行。

再有，設(shè)備中存在的各種干擾也會(huì)使氧探頭所測(cè)的mV 值信號(hào)產(chǎn)生波動(dòng)，從而造成碳勢(shì)的波動(dòng)。因此各種信號(hào)傳輸線的屏蔽層都需要可靠接地，盡可能減少干擾帶來(lái)的信號(hào)失真或是信號(hào)波動(dòng)現(xiàn)象。

2.3 CO 和CO2 測(cè)量值不準(zhǔn)

紅外儀測(cè)量的CO 和CO2值直接參與碳勢(shì)的計(jì)算，如果CO和CO2值測(cè)量不準(zhǔn)，則會(huì)使碳勢(shì)的顯示值失真。

一般情況下，紅外儀所測(cè)的CO 和CO2數(shù)值不準(zhǔn)確，只需要重新校準(zhǔn)紅外儀便可以解決。但確實(shí)是爐氣中含量數(shù)值不正確，則需要另外排查，例如設(shè)備漏氣、紅外儀取氣管積碳、甲醇管道漏、廢氣口積碳嚴(yán)重等，都會(huì)影響紅外儀對(duì)CO 和CO2的測(cè)量結(jié)果。

3 結(jié)語(yǔ)

滲碳爐在新安裝或大修后，都應(yīng)該對(duì)設(shè)備進(jìn)行定碳調(diào)試，保證設(shè)備碳勢(shì)的穩(wěn)定性，從而保證設(shè)備在加工過程中的可靠性。在設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間使用以后，各電氣元器件會(huì)出現(xiàn)老化現(xiàn)象，爐況也會(huì)有一些變化，因此應(yīng)該定期對(duì)設(shè)備進(jìn)行保養(yǎng)和定碳，必要時(shí)進(jìn)行二次調(diào)試，根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整必要的PID 參數(shù)，保證設(shè)備始終處于良好的工作狀態(tài)，保證產(chǎn)品的質(zhì)量。