LSX22輻射管式連續式滲碳爐自動生產線測量控制系統的改進
安陽樺煒齒輪有限責任公司
一.生產線簡介
1.自動生產線的用途
本自動生產線適用于汽車、拖拉機及其他機械零件的滲碳。零件在自動線上可以完成下列熱處理工序：
(1)前清洗 (2)預處理 (3)滲碳 (4)淬火
(5)后清洗 (6)低溫回火
2.自動生產線的組成
該自動生產線由：2.1、LSX輻射管加熱連續式滲碳自動線由(1)予處理爐;;(2)滲碳爐;(3)滴注系統;(4)淬火機構;(5)后清洗機(6)低溫回火爐(7)料盤輸送系統(8)前清洗機(9)程序控制屏幕(10)電氣控制系統(11)淬火油冷卻系統(12)液壓系統等部分組成。
3、主要技術規范及技術參數
(1)外型尺寸：16752(長)×8855(寬)×4815(高)
(2)占地面積：≌261.62㎡
(3)滲碳爐內料盤數22盤，自動線使用料盤數45盤，料盤尺寸：780×440×50。
(4)自動線允許通過工件高度，直接淬火600㎜;
(5)自動線總功率≈761.8KW;
(6)生產能力：280～300㎏/h(按層深0.9-1.3㎜算)
(7)零件表面滲碳層深度偏差：±0.1㎜(同盤試樣)
(8)爐氣碳勢控制精度±0.05%;零件表面含碳量偏差≤±0.05%。
(9)爐溫均勻性：滲碳爐±0.8℃;回火爐±3℃。
(10)滲碳齒輪金相組織，符合ZBT04001-88標準。
(11)表面硬度控制精度HRC±1.5℃ (同一盤);單件為HRC±1。
(12)表面非馬氏體組織層深≤0.015mm。
(13)主要消耗：
甲醇：12.61/h 丙酮：2.31/h
冷卻水耗量：8.5t/h 壓縮空氣：0.6M3/h
4.滲碳結構見圖
主體滲碳爐，爐內分五個區段，一區、二區為加熱區，三區為快速滲碳區，四區為擴散區，五區為保溫淬火區。
各區之間以雙拱墻隔開，以便于碳勢分區控制，爐墻內層由輕質抗滲碳磚構成，中間一層由高強度輕質保溫磚構成，外層由硅藻土磚、巖棉板、石棉板和耐火纖維組成。所有爐殼鋼板均采用連續焊縫焊接，形成一個剛性的氣密性結構，具有良好的氣密性。側進料爐門、主爐門與爐門柜保持5度傾斜角，采用爐門自重壓封，貼合面用刮研加工。在二區、三區、四區爐頂設有三個風扇。采用大直徑，低轉速大流量的離心風扇進行強制循環。爐子的前、后室均設有防爆蓋。爐內導軌全部采用研磨過的碳化硅導軌。爐子加熱采用輻射管。整個爐子共采用48根輻射管，全部立式安裝，便于維修。爐頂每個區都安有兩個熱電偶，一個接智能化儀表作控溫用，一個作超溫報警和監控用。在二區、三區、四區、五區分別安有氧探頭進行碳勢控制。
前室爐門及各排氣口設置了電點火裝置，并將電點火控制輸入到計算機程序中。
5、自動線的電控系統
LSX22輻射管加熱連續式滲碳自動線的電控制系統主要由三部分組。1、溫度控制系統;2、碳勢控制系統;3、程序控制系統。
(1)、溫度控制系統
滲碳爐五個區，回火爐兩個區，預處理爐設有控溫和超溫聲光報警兩套電路，對爐溫進行控制、記錄和監測，具有設定、顯示、報警和自整定PID功能。
(2).碳勢控制系統
整套生產線上在主滲碳爐的二區、三區、四區、五區，分別裝有四個氧探頭，其中二區作監控，三區、四區、五區進行爐內碳勢的調控。碳勢控制儀能根據各通道來自氧探頭的氧勢毫伏值，靈敏地算出各條件下的碳勢值與設定之差，通過執行機構調節通量來實現碳勢的自動控制。
滲碳劑：根據我們廠的實際情況。我們采用滴注方式，滲劑采用了甲醇和丙酮，丙酮CH3COCH3―――2[C]+3H2+CO碳氧比1：3。
(3)、程序控制PLC系統
程序控制系統，工藝程序在程序控制屏幕上顯示。程序電路具有自鎖、互鎖、安全保護、信號指示和自診斷功能，無論哪一步出現故障，屏幕上都會有故障顯示及判斷，便于維修。
二.測量控制系統的改進
1.碳勢測量控制系統
(1)爐氣的測量
氧探頭是一種可直接測出氣體中微量氧濃差固體電池，其構造見圖
+ E -
電極
氧化鋯 被測氣體
氧探頭示意圖
PO2
E=0.0496Tlg (MU)
P(參比)
PO2、P參比，兩電極介質的氧分壓(參比氣為空氣時 P =0.209)
氧化鋯是一種金屬氧化物，在高溫下具有傳導氧離子特性，在氧化鋯內摻入一定量的氧化釔和氧化鈣雜質，可使其內部形成“氧空穴”成為傳導氧離子的通道。在氧化鋯封閉內外兩側涂一層多孔鉑做電極在高臨下，當氧化鋯管兩側的氧濃度不同時，高濃度側的氧分子即奪取鉑電極上的自由電子，以離子形式通過“氧空穴”到達低濃度側經鉑電極釋放多余電子，從而形成氧離子流在氧化鋯兩側產生氧濃度差電勢在兩極上的反應物陰極O2+4e-—2O2- 陽極 2O2-+4e - O2
可以把常規方法測量的爐氣中CO2、CO/CO2含量和露點等因素與氧勢的關系(亦即氧勢與碳勢的關系)建立起來。這就是目前我們這套設備上所用的碳勢控制系統的基礎。
所用的碳勢控制系統的基礎多孔鉑電極探頭具有微缺陷多孔，多界面特點，因而活性大，但易于催化積碳和堵孔，從而降低氧的吸附解附過程，如果不及時清理，將降低反應速度，影響測量精度。
5.2氣氛控制系統
1、氣氛控制系統由傳感器，顯示調節調制儀和執行機構組成。
2、氣氛控制系統，爐內氣氛控制是為了滿足被處理件的技術要求，它不但包括氣氛碳勢控制，而且包括了工藝過程控制。
機械控制 溫度控制 碳勢控制
探
加 熱 爐 頭
熱處理爐碳勢控制系統示意圖
如圖所示爐內氣氛以氧探頭作為傳感元件，通過測定爐內氣氛的氧勢來推知氣氛的碳勢，輔助檢測CO量來修正氣氛碳勢，氣氛碳勢的信號輸給以計算機為核心的調節器，根據技術要求進行數學模型運算，輸出控制量調整空氣的輸入量。
六、改進措施
1、將碳勢控制系統由多通道控制改為單通道控制，提高了系統的控制精度,從而保證爐內滲碳氣氛的均勻性和一致性。
DTK多通道控制系統能根據各通道來自氧探頭的氧勢毫伏值分別計算出各種條件下的碳勢值，然后與該通道的設定值進行比較，將其差值信號轉換成角位移信號傳遞調節閥，通過調節閥張開角度的大小實現對輸送管內介質參數的調節和控制。UDC單通道控制系統由三組相對獨立的系統組成。每個系統控制一個通道。來自氧探頭的信號直接輸送到本組碳控系統，通過換算后將調節信號直接傳遞到靈敏度極高的電磁閥，通過電磁閥的通斷來實現對各區碳勢的調節和控制。
改進系統的特點：
(1)、控制精度高。因該系統為單通道控制，所以不會存在各通道之間的干擾，從而提高了系統的控制精度。
(2)、反應速度快。電磁閥不用進行角度換算，可直接接收信號進行控制。
(3)、靈敏度高。可以根據設備不同的狀態和要求調整電磁閥的開啟周期。電磁閥的調整周期可以秒計時。
(4)、維修方便。設備的某區出現故障時只需暫時關閉本通道的控制系統或將本通道控制改為手動，而不用關閉整個系統。
2、增加自動燒碳黑系統，提高氧探頭的測量精度，從而提高整個系統測量和控制的準確性。
氧探頭作為測量爐內氣氛的的傳感元件，整個控制系統的各個程序都 是通過接收來自氧探頭的信號進行調整的。所以氧探頭的測量精度是整個系統的關鍵。原來的氧探頭表面包裹的碳黑因不能及時清理而嚴重影響其測量的精度，當爐內的碳勢產生波動時，系統不能得到及時和準確的信息，從而影響了整個系統不能準確和及時的對爐內氣氛進行調整。為此，我們在改進的系統中加入了自動燒碳黑系統，每隔4小時自動通氣清除一次。通過這項改進保證了氧探頭的測量精度，使整個碳控系統能根據精確的信息對爐內氣氛進行及時準確的調整，大大提高了系統的測量和控制精度，從而保證了爐內氣氛的穩定性。