技术领域
[0001] 本
发明属于金属(
钢)制品
热处理设备领域,具体为一种金属(钢)制品热处理工艺的
碳氮共渗自动控制方法与装置。
背景技术
[0002] 碳势是气氛的热
力学特性，在金属(钢)热处理工艺中，在一定的加热
温度下，气氛的气相中提供的
活性炭碳
原子与钢表面奥氏体中的含碳量相平衡的能力；各种钢制品的生产中，为保证产品的硬度和韧性，必须使钢制品从表到里保持一定的碳原子
密度。这就是碳势控制所要达到的目标。例如钢
铁材料、炉气、炉渣中碳势取决于的碳含量(浓度)和温度。浓度和温度越高，碳势越高。比如
渗碳炉气氛的碳势高于
工件的碳势时，工件就会增碳，否则就会
脱碳。
[0003] 将厚度小于0.1mm的低
碳钢箔片置于某一温度的渗碳介质中，进行穿透渗碳，测定箔片的含碳量，即为该渗碳介质在该温度下的碳势。碳势即纯铁在一定温度下于加热炉气中加热时达到既不增碳也不脱碳并与炉气保持平衡时表面的含碳量。它表示炉气对纯铁的饱和能力，炉气碳势越高，饱和碳的能力越强。
[0004] 碳氮共渗：以渗碳为主同时渗入氮的化学热处理工艺。它在一定程度上克服了渗氮层硬度虽高但渗层较浅，而渗碳层虽硬化深度大，但表面硬度较低的缺点。
[0005] 目前市面上的碳氮共渗自动控制方法与装置存在的问题：
[0006] 输入
信号大部分只有温度(
热电偶)和
氧势(氧
探头)，碳势计算仅是温度和氧势的函数公式(碳势1)，
一氧化碳分压值做为固定值由工艺人员根据经验设定，这样会存在由于一氧化碳分压值由于人为设定的不准确而导致碳势计算的误差；
[0007] 氧探头兼容性不好；价格昂贵；
[0008] 没有渗氮控制回路,不能做到一台表实现碳氮共渗；
[0009] 操作和设定极其复杂，
人机界面也不友好。
发明内容
[0010] 本发明目的是，为了解决了以上问题，提出一种碳氮共渗自动控制系统，采用市面上常用的可编程模拟量
控制器(如山武的DMC50)，用程序的方法植入碳势计算公式，公式或程序
修改/增加灵活，适应市面上所有的氧探头，随时可以增加不同的碳势计算公式。
[0011] 本发明是通过以下技术方案实现的：一种碳氮共渗自动控制系统，包括一台分体式碳氮共渗自动控制装置
主控制器(3)和人机界面控制屏(4)，碳氮共渗自动控制装置的主控制器(3)的输入端与设置在炉体(1)内的温度
传感器即热电偶(7)、氧含量传感器(8)、一氧化碳传感器(5)和二氧化碳传感器(6)相连接；其输出端则与加热用电力调整器(10)、渗碳控制
阀(11)及
氨气流量控制器(9)连接；电力调整器(10)通过电力线连接到炉体(1)内的加热器(2)，渗碳
控制阀(11)、氨气流量控制器(9)通过管道和炉体(1)内的加热空间连通；所述的主控制器包含两个碳势计算单元即第一碳势计算单元和第二碳势计算单元、温度PID控制单元和碳势PID控制单元及氨气流量控制单元；所述的第一碳势计算单元1的三个输入端分别与氧含量传感器、温度传感器和一氧化碳传感器的信号输出端相连，第二碳势计算单元2的三个输入端分别与二氧化碳传感器、温度传感器和一氧化碳传感器的信号输出端相连，第一碳势计算单元1和第二碳势计算单元2的输出端(计算出的碳势实时值)与主控制器(3)内碳势选择器的输入端相连，碳势选择器的输出端一路与碳势PID控制单元的输入端相连，碳势选择器的输出端另一路用于碳势报警输出，碳势PID控制单元的输出端与渗碳
电磁阀的
控制信号输入端相连；所述的温度PID控制单元的信号输入端与温度传感器的信号输出端相连，温度PID控制单元的输出端与电力调整器的控制信号输入端相连；氨气流量控制单元的输出端与氨器流量控制器的控制信号输入端相连；增加氨气控制功能，控制氨气流量计的流量向炉腔内注入设定流量的氨气，实现控制碳势的同时实现碳氮共渗。
[0012] 所述的主控制器(3)中包括程序
温度控制回路、程序碳势控制回路和程序氨气流量控制回路程序，用于调节炉体内的温度值和碳势值；增加一氧化碳测量单元，实时测量一氧化碳分压值；增加二氧化碳含量测量单元；碳势值采用双碳势计算方法：由温度、氧含量和一氧化碳分压三个自变量计算得到第一碳势计算单元的碳势值1(简称碳势1)；由温度、二氧化碳含量和一氧化碳分压三个自变量计算得到第二碳势计算单元的碳势值2(简称碳势2)，碳势2和碳势1比较，如碳势1和碳势2偏差太大(可设定)则报警，避免由于氧探头测量误差造成碳势计算误差；如果偏差达到10％以上，则报警。
[0013] 当该碳氮共渗自动控制装置工作时，碳势值1和碳势值2经主控制器3内的碳势选择器(人工
选定)选择后得到最终的控制碳势值输入主控制器3内的碳势PID控制单元，碳势PID控制单元将此碳势值(选择碳势值1或碳势值2)与碳势目标值相比较，进行PID运算后，得到渗碳控制阀11的控制信号，控制渗碳气体(富化气：甲醇或一氧化碳气)的进气量，从而控制炉体内的碳势稳定在目标值；同时，温度信号输入主控制器3内的温度PID控制单元，温度PID控制单元将温度与设定的温度目标值进行比较，进行PID运算后，得到电力调整器10的控制信号，控制电力调整器10的热处理炉加热器的输出电力功率，从而控制炉体内的温度稳定在温度目标值。
[0014] 所述的人机界面控制屏(4)中包括碳势控制的工艺设定和工艺数据的历史保存，以便于生产工艺的设定和分析生产后和生产中的工艺数据，做到有据可查，能保存两年以上工艺历史数据，而且方便将历史数据转存到电脑中保存，实现工艺历史数据的永久保存。
[0015] 本发明的有益效果是：增加第2碳势计算(碳势2)，使碳势的表征更准确可靠，增加一氧化碳分压值测量，碳势计算更精确，控制
精度更高，使用国内的可编程模拟控制器更方便，成本也更低。由于探制器采用的是市面上常用的探制器(PLC都可以)，成本很低，扩展方便。人机界面采用
触摸屏，自制人机界面
软件，全中文界面，适合国内厂家的使用习惯。
附图说明
[0016] 图1、是本发明的一种碳氮共渗自动控制装置的整示意图。
[0017] 图2、是本发明的一种碳氮共渗自动控制装置的原理
框图。具体实施方式：
[0018] 如图1、2所示，一种碳氮共渗自动控制装置，所述的金属热处理炉包括炉体1和加热器2；所述的碳氮共渗自动控制装置包括：主控制器3、人机界面控制屏4、一氧化碳传感器5、二氧化碳传感器6、温度传感器7、氧含量传感器8、氨气流量控制器9、电力调整器10和渗碳控制阀11；所述的一氧化碳传感器5、二氧化碳传感器6、温度传感器7和氧含量传感器8安装在炉体1上并插入炉体1内，分别采集炉体1内的一氧化碳含量、二氧化碳含量、温度和氧含量；上述4个传感器的信号输出端分别与主控制器3的对应信号输入端相连，主控制器3的
3个信号输出端分别对应与氨气流量控制器、电力调整器和渗碳控制阀的控制信号输入端相连，人机界面控制屏4的通讯口与主控制器3的通讯口相连。
[0019] 碳氮共渗自动控制仪，所述金属材料加热炉包括炉体和加热器，所述的碳氮共渗自动控制仪包括主控制器、人机界面、温度传感器(热电偶)、氧含量传感器(氧探头)、一氧化碳传感器、二氧化碳传感、电力调整器、氨气流量控制器、渗碳电磁阀、烧碳电磁阀；所述的人机界面与主控制器的通讯口相连，所述的温度传感器(热电偶)、氧含量传感器(氧探头)、一氧化碳传感器、二氧化碳传感器安装在所述的炉体上，温度传感器(热电偶)、氧含量传感器(氧探头)、一氧化碳传感器和二氧化碳传感器的信号输出端与主控制器的对应信号输入端相连，主控制器的信号输出端分别与电力调整器、渗碳电磁阀、烧碳电磁阀和氨气流量控制器相连。增加氨气控制功能，控制氨气流量计的流量向炉腔内注入设定流量的氨气，可实现控制碳势的同时实现碳氮共渗；
[0020] 所述的主控制器包含两个碳势计算单元(1和2)、温度PID控制单元和碳势PID控制单元及氨气流量控制单元；所述的碳势第一计算单元1的三个输入端分别与氧含量传感器、温度传感器和一氧化碳传感器的信号输出端相连，第二碳势计算单元2的三个输入端分别与二氧化碳传感器、温度传感器和一氧化碳传感器的信号输出端相连，第一碳势计算单元1和第二碳势计算单元2的输出端(计算出的碳势实时值)与主控制器3内碳势选择器的输入端相连，碳势选择器的输出端一路与碳势PID控制单元的输入端相连，一路用于碳势报警输出，碳势PID控制单元的输出端与渗碳电磁阀的控制信号输入端相连；所述的温度PID控制单元的信号输入端与温度传感器的信号输出端相连，温度PID控制单元的输出端与电力调整器的控制信号输入端相连；氨气流量控制单元的输出端与氨器流量控制器的控制信号输入端相连。
[0021] PID是一种回路控制数学模型，其含义：P—比例控制，I—积分控制，D—微分控制。当该碳氮共渗自动控制装置工作时，炉体1上的一氧化碳传感器5、二氧化碳传感器6、温度传感器7和氧含量传感器8所测得的一氧化碳含量、二氧化碳含量、温度和氧含量输入给主控制器3的对应输入口，其中一氧化碳含量、氧含量和温度组成一组数据进入主控制器3内的第一碳势计算单元1计算出碳势值1，一氧化碳含量、二氧化碳含量和温度组成一组数据进入主控制器3内的第二碳势计算单元2计算出碳势值2，碳势值1和碳势值2经主控制器3内的碳势选择器(人工选定)选择后得到最终的控制碳势值输入主控制器3内的碳势PID控制单元，碳势PID控制单元将此碳势值(选择碳势值1或碳势值2)与碳势目标值相比较，进行PID运算后，得到渗碳控制阀11的控制信号，控制渗碳气体(富化气：甲醇或一氧化碳气)的进气量，从而控制炉体内的碳势稳定在目标值；同时，温度信号输入主控制器3内的温茺度PID控制单元，温度PID控制单元将温度与设定的温度目标值进行比较，进行PID运算后，得到电力调整器10的控制信号，控制电力调整器10的热处理炉加热器的输出电力功率，从而控制炉体内的温度稳定在温度目标值；
[0022] 所述的渗碳电磁阀和氨气流量控制器通过管道与炉体相连，电力调整器通过
电路与加热器相连，温度传感器为热电偶，一氧化碳传感器采用红外一氧化碳测量仪，二氧化碳传感器采用红外二氧化碳测量仪。
[0023] 所述的主控制器(3)中包括程序温度控制回路、程序碳势控制回路和程序氨气流量控制回路，用于调节炉体内的温度值和碳势值。
[0024] 增加一氧化碳测量，实时测量一氧化碳分压值，避免人为设定误差；增加二氧化碳含量测量；碳势值采用双碳势计算方法：由温度、氧含量和一氧化碳分压三个自变量计算得到碳势值1(简称碳势1)；由温度、二氧化碳含量和一氧化碳分压三个自变量计算得到碳势值2(简称碳势2)，碳势2和碳势1比较，如碳势1和碳势2偏差太大(可设定，如超过10-25％的
阈值)则报警，避免由于氧探头测量误差造成碳势计算误差；
[0025] 当该碳氮共渗自动控制装置工作时，炉体1上的一氧化碳传感器5、二氧化碳传感器6、温度传感器7和氧含量传感器8所测得的一氧化碳含量、二氧化碳含量、温度和氧含量输入给主控制器3的对应输入口，其中一氧化碳含量、氧含量和温度组成一组数据进入主控制器3内的碳势计算单元1计算出碳势值1，一氧化碳含量、二氧化碳含量和温度组成一组数据进入主控制器3内的碳势计算单元2计算出碳势值2，碳势值1和碳势值2经主控制器3内的碳势选择器(人工选定)选择后得到最终的控制碳势值输入主控制器3内的碳势PID控制单元，主控制器3内碳势PID控制单元将此碳势值(选择碳势值1或碳势值2)与碳势目标值相比较，进行PID运算后，得到渗碳控制阀11的控制信号，控制渗碳气体(富化气-丙烷)的进气量，从而控制炉体内的碳势稳定在目标值；同时，温度信号输入主控制器3内的温度PID控制单元，温度PID控制单元将温度与设定的温度目标值进行比较，进行PID运算后，得到电力调整器10的控制信号，控制电力调整器10的属热处理炉加热器的输出电力功率，从而控制炉体内的温度稳定在温度目标值.
[0026] 当热处理工艺要求碳氮共渗时，设定一定的氨气流量，氨气流量控制单元根据此氨气流量设定得到氨气流量控制器的控制信号，控制氨气流量控制器9，从而使氨气流量稳定在所设定的目标值，使炉体内保持一定的氮原子浓度，达到碳氮共渗的目的。
[0027] 主要控制技术参数控制精度：
[0028] 碳势：≤±0.03CP；温度：≤±1℃；有效硬化深度：≤±1mm。
[0029] 人机界面控制屏4通过通讯口与主控制器3相连，用于采集、设定、显示和保存主控制器3内的数据。
