浅谈渗碳炉碳势的调试方法

盖建栋

（南京高速齿轮制造有限公司，江苏南京 211100）

0 引言

渗碳热处理是指介质在工件表面产生的活性碳原子，经过表面吸收或扩散，将碳渗入低碳钢或低碳合金钢表层，使其在淬火回火后表层硬度和强度显著提高，而心部保持良好韧性的一种工艺[1]。渗碳零件质量的好坏取决于表面的碳浓度和渗碳深度，而零件表面碳浓度取决于炉气碳势[2]。能够完成渗碳工艺的热处理设备有许多种，其中非常重要的一个是井式渗碳炉。目前井式渗碳炉的渗碳工艺多为氮—甲醇气氛加富化气的加工工艺，相对于其他工艺而言，该工艺具有碳势控制稳定、产品质量高、操作安全的特点[3]。想要得到理想的工艺状态，设备的气氛控制及调试十分重要。

1 渗碳炉碳势的控制及PID 调节

渗碳炉在渗碳过程中首先要构建渗碳气氛环境。目前南京高速齿轮制造有限公司渗碳炉大多使用氮—甲醇构建气氛环境，渗碳炉炉内主要气体组成成分：20%CO、40%N2、40%H2[3]，在此环境下，不仅可以保证炉内的正压，同时可以形成一定的碳势。在实际运用中，主要是通过流量计调节氮气和甲醇的通入量，其中甲醇要求炉温高于750 ℃时才可通入，因为在此温度下甲醇才能完全分解为CO 和H2，确保设备使用安全。氮气流量一般以“m3/h”为单位，甲醇一般以“L/h”为单位，因此一般保证通入的氮气与甲醇之间是1.1∶1 的关系，就可以满足氮气和甲醇所需的比例关系[3]，以此为基础，构建所需要的炉膛内渗碳气氛环境。

炉膛内的氮—甲醇比例构建完成后，温度上升至800 ℃以上，通入富化气改善炉内气氛，以达到所需要的碳势。此时设备的智能控制仪表，如Demig 表、Stange 表等，通过PID 调节控制富化气的通入量，使碳势趋近于图1 所示的理想碳势曲线，即实际碳势与设定值基本重合的状态。

图1 理想的碳势曲线

渗碳用富化气的种类有很多，使用比较多的是丙烷气体，配合空气以实现碳势的控制，这种方式大多使用比例阀进行控制，比较稳定，而且控制简单，是目前使用比较广泛的富华气控制方法。除此以外，还可以使用异丙醇配合空气改善气氛控制碳势，由于异丙醇是液体，可以通过计量泵控制通入量，从而达到控制碳势的目的。无论是比例阀还是计量泵，都通过智能仪表根据PID 参数调节输出的百分比信号进行控制，调节气氛的通入量，达到控制碳势的目的。因此，作为碳势控制调试的重点，智能仪表的碳控PID 是否合适，将决定实际碳势是否能够趋近于理想状态。

智能控制仪表一般都有一个初始的PID 参数，因此设备碳势调试过程是根据设备运行的实际情况，在初始PID 参数上进行修改的过程。

1.1 比例阀控制丙烷的通入

比例阀通过不同的百分比信号调节阀体开度，从而达到调节流量的目的，因此通过比例阀控制的丙烷和空气的流量，始终处于相对稳定的流动状态。观察碳势曲线，如果碳势波动较大且很频繁，可以适当将比例参数调大一些，便可以明显改善曲线波动的状态；但不能设定的太大，否则碳势曲线将会处于发散状态，无法向碳势设定值收敛。当曲线趋于平缓时，可以通过对积分参数的调整，进一步改善曲线的状态。由于比例参数和积分参数的控制都有一定的滞后性，而微分参数具有一定的“超前”性质，适当调整微分参数，可以更好地使碳势曲线稳定，并最终达到所需的碳势曲线。

1.2 计量泵控制异丙醇的通入

如果设备使用的不是比例阀控制的丙烷作为富华气，而使用的是异丙醇，同时使用的是计量泵，PID 调节与比例阀控制不同。计量泵是将百分比信号转化为脉冲信号，从而控制异丙醇的通入量，当输出的百分比较大时，计量泵单位时间内输出的脉冲信号就很多，通入的异丙醇量相对较多较平稳；但当输出的百分比较少时，计量泵单位时间内输出的脉冲信号就很少，尤其是在碳势趋于稳定的状态下，脉冲信号很长时间才触发一次，而在两次脉冲信号之间的时间内，没有异丙醇的通入，碳势会下降较多。这种情况下如果比例参数设的较大，会使仪表的响应速度变慢，从而造成计量泵脉冲长时间才发生，异丙醇的通入量便会断断续续很不稳定，碳势曲线也会随之不稳定。如此便会出现图2所示的曲线规律，t1时间段里，由于仪表输出百分比很少，因此在较长时间里计量泵无输出，异丙醇不会通入，碳势会逐渐下降；当碳势很低时，仪表的输出百分比变大，计量泵便会以较高的频率工作，通入大量异丙醇，碳势快速上升，如图2 中t2时间段所示，如此反复，碳势曲线与所希望的理想状态差距较大，这样的PID 参数便不合适。

图2 用计量泵控制异丙醇时比例参数过大易出现的曲线

为了使计量泵运行的脉冲信号相对稳定合理，首先需要将比例参数设置调小，从而提高仪表对碳势曲线变化的灵敏度，及时调整输出的百分比信号。其次，需要对计量泵有比较明显的超前控制，才能在碳势控制中提前判断碳势的变化趋势，提前发出控制信号，因此需要将微分参数设置的大些，使仪表具备较好的超前控制能力，从而稳定碳势，达到较好的碳控效果。

除此以外，在PID 调试过程中，还要不断观察设备氧探头和红外仪所检测的mV、CO、CO2值的变化情况，以及碳势曲线变化的状态，缓慢调整，逐步使其达到所设定的碳势状态。根据需要，还可以通过钢薄进行验证。

2 调试过程中常见的异常现象

在设备调试时，如果氮气通入量正常，但碳势仍出现波动现象，无法达到理想状态，此时需要对其产生的原因进行分析排查，找到原因并进行处理。

2.1 比例阀故障

重新标定比例阀。在标定过程中，输出量由0%逐渐增加，如果在增大输出量过程中浮子一直不浮起，当达到某一输出值后突然浮起，并且浮起量明显，则说明比例阀卡阻，需要清理或是更换比例阀。

如果输出值无论怎么变化，比例阀阀体都无反应，则需要排查仪表信号是否故障，或检查比例阀控制器是否有问题。

除此以外，有时比例阀在标定时故障并不明显，但在运行过程中，低输出时阀体无法正常工作，致使碳势持续走低，直至比例输出高了以后才会打开，此种现象比较常见，但不易判断，需要根据碳势曲线，并观察气体通入量，综合分析。

2.2 mV 波动造成碳势故障

mV 值波动最可能的原因是氧探头故障，对此更换氧探头就可以解决。

除此以外，还可能是设备中的比例阀或是计量泵出现故障，或是设备的PID 不适合，造成气氛通入异常，致使炉内碳势确实存在波动现象，因此氧探头所测的mV 值就会波动。此时需检查比例阀或计量泵是否工作正常，并且适当调节PID，观察mV值波动是否有所改善。这种现象一般在设备大修后会出现，由于设备的结构及炉况发生了改变，很可能会造成原始PID 不适合的情况，因此在设备大修后，需要对设备重新定碳调试，从而保证设备的正常运行。

再有，设备中存在的各种干扰也会使氧探头所测的mV 值信号产生波动，从而造成碳势的波动。因此各种信号传输线的屏蔽层都需要可靠接地，尽可能减少干扰带来的信号失真或是信号波动现象。

2.3 CO 和CO2 测量值不准

红外仪测量的CO 和CO2值直接参与碳势的计算，如果CO和CO2值测量不准，则会使碳势的显示值失真。

一般情况下，红外仪所测的CO 和CO2数值不准确，只需要重新校准红外仪便可以解决。但确实是炉气中含量数值不正确，则需要另外排查，例如设备漏气、红外仪取气管积碳、甲醇管道漏、废气口积碳严重等，都会影响红外仪对CO 和CO2的测量结果。

3 结语

渗碳炉在新安装或大修后，都应该对设备进行定碳调试，保证设备碳势的稳定性，从而保证设备在加工过程中的可靠性。在设备长时间使用以后，各电气元器件会出现老化现象，炉况也会有一些变化，因此应该定期对设备进行保养和定碳，必要时进行二次调试，根据实际情况调整必要的PID 参数，保证设备始终处于良好的工作状态，保证产品的质量。