气体渗碳淬火的实现

　　大型重载齿轮在冶金、矿山、建材、起重、运输等从事热处理设备设计工作，曾获省、部级科技进步奖多项，发重型机械传动中占有重要的地位。硬齿面大型齿轮可以减小传动所需功率、增大承载能力、降低成本、提高使用寿命。气体渗碳淬火是实现齿面硬化的主要方法，大型井式渗碳炉是大型重载齿轮、盘类、筒状工件的渗碳及碳氮共渗的关键设备。

　　目前国内的井式渗碳炉结构及其控制技术大多处于先进国家20世纪80年代的水平，其*大有效工作直径为2800mm.随着我国经济的发展，现有的井式气体渗碳炉已满足不了特大型、高质量渗碳件的要求。研制高水平的超大型井式气体渗碳炉对我国重型机械制造业发展有着重要意义。它是国际上罕见的特大井式炉。为解决其炉内结构件的热畸变、炉温均匀性和碳势的高精度控制等问题，在设计和制造上进行了大量的试验研究，并取得了良好的效果。

　　大型井式炉的主要技术性能指标项目技术指标项目技术指标加热功率渗碳层深范围15mm65mm有效工作区尺寸渗碳层深偏差炉温均匀度淬火硬度（低温回火后）控温精度硬度偏差碳势控制范围空炉升温时间碳势控制精度*大装载量碳势均匀度

　　1研制重点及技术措施（1）炉内钢结构件的设计在长期高温下，井式气体渗碳炉炉内钢结构件的热变形是不可避免的，如何将热变形控制在不影响设备正常使用状态，是特大型井式炉设计的关键问题之一。我们对结构作用力、热应力变形等问题进行分析研究，并采用柔性联接和非刚性设计、悬浮吊挂安装等措施，较好地解决了这一难题。

　　（2）控制系统自动化渗碳工艺的正常运行和渗碳产品的质量，依赖于碳势控制的精确性、稳定性和可靠性。温度控制的精度和炉温均匀度的水平将严重影响碳势控制的水平。为此对炉内结构件和炉气循环系统进行了优化设计，对温度控制和碳势控制进行了高水平的系统配置，并采用高智能自动化控制技术，构成一套先进的计算机控制系统.

　　控制系统由PC机、高智能自动化仪表DEVR4008、PLC程序控制器等组成，通过通讯进行实时信息交换和控制。PC机作为上位主控制站，可进行渗碳工艺计算机模拟、工艺程序优化设计、渗碳工艺动态控制以及对DEVR4008表的指令和监控。DEVR4008表作为下位控制台，负责对各种温度、碳势、PLC的信号进行处理和对工艺过程的控制。PLC按DEVR4008表的指令，负责全部工艺程序的执行和过程信息的反馈。

　　（3）炉气的流动和循环在直径与高度之比大于1且直径>2m的大型井式炉中，为保证炉温均匀性，炉气流动和循环系统的优化设计尤为重要。首先，我们根据热流场动力学数值模拟结果，在4000mm2000mm渗碳炉上配置了三台高效、大风量循环风机，各台风机所循环的炉气顺序均匀交换，三台强循环风机均采取5档变频调速，马弗内的温度信号经DEVR4008温度碳势控制仪和PLC程序控制器发出指令，自动控制其换档调速。其次，使马弗和导风筒间流动的炉气在内外壁上呈紊流状态，以增强对流换热；优化的导风板布置使大容积的有效工作区内炉气呈等速流动。*后，根据炉内温度场的分布及计算，合理地进行了加热功率的匹配和布置。以上措施对改善炉温均匀性、碳势均匀性有着重要作用。为保证炉气碳势的均匀性，除了炉气的均匀流动外，还在大平面上均布了多通路供气口，并采取时序供气控制方式进行供气。

　　（4）炉温控制一般井式渗碳炉只对马弗外加热区进行控温，而马弗内工件与马弗外形成很大的温差。大型井式渗碳炉的这种温差更大，它将严重影响炉内实际碳势和马弗内炉温的均匀性、稳定性，并极易出现加热元件的超温。我们采用马弗内温度主控和马弗外加热辅控及监控等三种温度控制装置，组成一套完整可靠且互相联锁的控温系统。马弗内主控温度给工件加热控制和渗碳碳势计算及控制提供了准确的基本参数，马弗外加热辅控通过程序设定并与马弗内主控的温差范围建立联锁关系，监控装置对马弗内主控和马弗外各加热区实行监控联锁，以确保炉温的准确和稳定。炉温采用PID模拟量输出可控硅过零触发调节控制，配置合理的PID调节参数，以实现对超大型气体渗碳炉炉温的惯性抑制以及精确控制。实践证明：这种温度控制模式，对超大型气体渗碳炉的温度控制和改善炉温均匀性发挥了重要作用。

　　（5）炉气控制超大型井式渗碳炉装炉工件达数十吨、渗层深达65mm，渗碳时间长达100多个小时，炉子运行时必须确保工件质量和长周期渗碳过程中的万无一失。我们配置了氧探头、Lambda探头和CO、CO红外线分析仪三套碳势控制系统。通过切换，可方便的实现氧探头、氧探头 CO、Lambda探 CO六种控制方式。渗碳富化气的供给量通过比例阀、计量泵进行调节，采用高精度智能化仪表、合理的PID调节参数和碳势动态趋势跟踪控制技术。从而保证了大型深层渗碳工件在工艺全过程中碳势得到准确、稳定、可靠的控制。

　　采用德国Mesa公司新推出的Lambda探头，其传感器安装在炉外，通过恒温测量室对炉气进行氧分压测定。这种探头的优点是使用寿命长、不需参比气和吹扫气、运行稳定可靠。

　　（6）其它系统控制供气、水系统包括：安全氮气、吹扫氮气、工艺氮气、甲醇、异丙醇、氧探头参比和吹扫气、碳势调节用空气、冷却水等的流量和压力调节、控制和联锁报警装置。机电系统包括：循环风机、快冷供风和排风风机、炉盖升降和平移机构等的控制调节和联锁报警装置。为保证设备的安全可靠运行，全部机电、炉温、碳势、供气、供水、压力系统的控制互相联锁，各项功能及动作均设有监控、超越控制、安全控制和报警。

　　（7）其它配有对热处理工艺过程控制的程序控制器、可靠的PLC程序自始至终协调炉子、供气、炉温、碳势控制及其它设备的正常运行。配置德国Demig公司生产的DEVR4008温度碳势控制仪作二次仪表，该仪表集温度控制和碳势控制于一体，具有很高的控制精度和强大的功能。

　　包括：渗碳等工艺程序的编制、渗碳气氛的选择和供给的设定、循环风机变频调速换档温度的设定、各类PID参数的设置、温度和碳势补偿修正、炉温和碳势动态趋势的跟踪、多种碳势控制方式的配置和选择、各种输入和输出状态显示、全部信号和数据的数字或曲线图表显示、短期的记录和查询、窗口和菜单的人机对话界面等，对渗碳等工艺提供较高的控制精度、迅速的时间响应、高度的可靠性和方便的可操作性。

　　计算机和渗碳专家系统组成强大的多功能上位控制系统，它包括DEVR4008的全部功能，可进行各类工艺程序的编制、渗碳工艺仿真设计、工艺过程的动态控制、工艺过程的实时记录和长期存贮、打印等。

　　2试验结果21炉温、碳势、渗层深度的均匀性为了测试炉子的均匀性，在炉子的上、中、下三层分别设置15个点，将测温热电偶、氧探头及渗碳试样布置在这15个位置上，用来检测炉温及碳势的均匀度，并进一步检测炉中各处实际试样的渗碳层深和碳浓度梯度偏差。

　　炉温的检测方法参照了标准GB10066.41988，温度数据为升温到580保温90min时、升温到830保温120min时、升温到930保温120min时测得的。测试结果表明，炉温均匀度在580时为930时为 5-6.在超大型炉子上炉温均匀度达到如此高的水平，说明炉子结构设计合理，控制系统配置得当。

　　碳势均匀度的检测方法参照了标准JB/T89291999.测量结果表明，在有效工作区内碳势4000mm2000mm大型井式炉的均匀度检测结果位置上层中层下层偏差温度主控温度/渗碳层深/mm表面硬度（HRC）均匀度为003%，这一结果进一步说明炉子结构和碳势控制系统的设计是合理的。

　　为检测炉中不同位置处试样的渗碳层深度，分别做了要求不同渗层深度的两组试验，检测方法参照标准GB/T94501988.的试验结果表明，层深为50mm时，各处试样的层深偏差为将渗碳层深度为50mm的试样经淬火和低温回火后进行表面硬度检测，检测方法依照标准JB/T60521992，检测结果表明，炉中不同位置处的渗碳试样的表面硬度偏差仅为10HRC.

　　22炉温及碳势的稳定性在工业生产条件下。**条为马弗外六个加热区的温度记录曲线，六线聚合。第二条为马弗内炉温的设定曲线和运行记录曲线，运行记录曲线与设定曲线基本重叠，工艺运行控温精度和炉温稳定度.第三条为碳势的设定曲线和运行记录曲线，运行记录曲线与设定曲线基本重合，工艺运行碳势稳定度002%.等距离的节线为氧探头吹扫记录。记录曲线进一步验证了我们的试验研究工作的成效。

　　23试样的硬度分布炉号为030115中的某一试样，其渗碳层深55mm，由表面向心部打维氏硬度，检测结果表明：有效层深范围内硬度*大偏差为HV12/01mm，有效层深与控制层深偏差为 0112mm.由于采用了合理的炉子结构和先进的控制技术，从而可靠的保证了大型工件的渗碳产品质量。

　　24生产应用采用氮甲醇作载气，异丙醇作富化气，换气和安全用氮气*大耗量为80m/h，甲醇消耗量为8L/h，建立强渗碳势时异丙醇*大耗量为7L/h.设备自2002年3月13日投入运行至2002年12月26日，运行总炉次为66次，工件渗碳 高温回火总重量达8336t，工件淬火总重量达4477t.在运行初期有两炉渗碳工件碳化物组织超标，经球化退火处理后合格，以后的全部渗碳淬火工件均符合各产品质量要求，其中包括武钢二热轧3216mm焊接齿轮，鞍钢、唐钢、太钢、宝钢大型轧机齿轮、大型水泥磨齿轮等的渗碳淬火，*大渗碳有效硬化层深达75mm，单件*重齿轮达30t，*大一次渗碳装炉量达65t，产品质量达到了德国SMS、英国VAI、日本三菱等的标准要求。

　　3结论本试验成功地解决了超大型井式渗碳炉的炉温均匀性、碳势均匀性、炉温、碳势自动控制和超大型炉内结构件的热变形等问题。