淺談滲碳爐碳勢的調試方法

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在工件表面產生的活性碳原子，經過表面吸收或擴散，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[2]。能夠完成滲碳工藝的熱處理設備有許多種，其中非常重要的一個是井式滲碳爐。目前井式滲碳爐的滲碳工藝多為氮—甲醇氣氛加富化氣的加工工藝，相對于其他工藝而言，該工藝具有碳勢控制穩定、產品質量高、操作安全的特點[3]。想要得到理想的工藝狀態，設備的氣氛控制及調試十分重要。

1 滲碳爐碳勢的控制及PID 調節

滲碳爐在滲碳過程中首先要構建滲碳氣氛環境。目前南京高速齒輪制造有限公司滲碳爐大多使用氮—甲醇構建氣氛環境，滲碳爐爐內主要氣體組成成分：20%CO、40%N2、40%H2[3]，在此環境下，不僅可以保證爐內的正壓，同時可以形成一定的碳勢。在實際運用中，主要是通過流量計調節氮氣和甲醇的通入量，其中甲醇要求爐溫高于750 ℃時才可通入，因為在此溫度下甲醇才能完全分解為CO 和H2，確保設備使用安全。氮氣流量一般以“m3/h”為單位，甲醇一般以“L/h”為單位，因此一般保證通入的氮氣與甲醇之間是1.1∶1 的關系，就可以滿足氮氣和甲醇所需的比例關系[3]，以此為基礎，構建所需要的爐膛內滲碳氣氛環境。

爐膛內的氮—甲醇比例構建完成后，溫度上升至800 ℃以上，通入富化氣改善爐內氣氛，以達到所需要的碳勢。此時設備的智能控制儀表，如Demig 表、Stange 表等，通過PID 調節控制富化氣的通入量，使碳勢趨近于圖1 所示的理想碳勢曲線，即實際碳勢與設定值基本重合的狀態。

圖1 理想的碳勢曲線

滲碳用富化氣的種類有很多，使用比較多的是丙烷氣體，配合空氣以實現碳勢的控制，這種方式大多使用比例閥進行控制，比較穩定，而且控制簡單，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，由于異丙醇是液體，可以通過計量泵控制通入量，從而達到控制碳勢的目的。無論是比例閥還是計量泵，都通過智能儀表根據PID 參數調節輸出的百分比信號進行控制，調節氣氛的通入量，達到控制碳勢的目的。因此，作為碳勢控制調試的重點，智能儀表的碳控PID 是否合適，將決定實際碳勢是否能夠趨近于理想狀態。

智能控制儀表一般都有一個初始的PID 參數，因此設備碳勢調試過程是根據設備運行的實際情況，在初始PID 參數上進行修改的過程。

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調節閥體開度，從而達到調節流量的目的，因此通過比例閥控制的丙烷和空氣的流量，始終處于相對穩定的流動狀態。觀察碳勢曲線，如果碳勢波動較大且很頻繁，可以適當將比例參數調大一些，便可以明顯改善曲線波動的狀態；但不能設定的太大，否則碳勢曲線將會處于發散狀態，無法向碳勢設定值收斂。當曲線趨于平緩時，可以通過對積分參數的調整，進一步改善曲線的狀態。由于比例參數和積分參數的控制都有一定的滯后性，而微分參數具有一定的“超前”性質，適當調整微分參數，可以更好地使碳勢曲線穩定，并最終達到所需的碳勢曲線。

1.2 計量泵控制異丙醇的通入

如果設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，同時使用的是計量泵，PID 調節與比例閥控制不同。計量泵是將百分比信號轉化為脈沖信號，從而控制異丙醇的通入量，當輸出的百分比較大時，計量泵單位時間內輸出的脈沖信號就很多，通入的異丙醇量相對較多較平穩；但當輸出的百分比較少時，計量泵單位時間內輸出的脈沖信號就很少，尤其是在碳勢趨于穩定的狀態下，脈沖信號很長時間才觸發一次，而在兩次脈沖信號之間的時間內，沒有異丙醇的通入，碳勢會下降較多。這種情況下如果比例參數設的較大，會使儀表的響應速度變慢，從而造成計量泵脈沖長時間才發生，異丙醇的通入量便會斷斷續續很不穩定，碳勢曲線也會隨之不穩定。如此便會出現圖2所示的曲線規律，t1時間段里，由于儀表輸出百分比很少，因此在較長時間里計量泵無輸出，異丙醇不會通入，碳勢會逐漸下降；當碳勢很低時，儀表的輸出百分比變大，計量泵便會以較高的頻率工作，通入大量異丙醇，碳勢快速上升，如圖2 中t2時間段所示，如此反復，碳勢曲線與所希望的理想狀態差距較大，這樣的PID 參數便不合適。

圖2 用計量泵控制異丙醇時比例參數過大易出現的曲線

為了使計量泵運行的脈沖信號相對穩定合理，首先需要將比例參數設置調小，從而提高儀表對碳勢曲線變化的靈敏度，及時調整輸出的百分比信號。其次，需要對計量泵有比較明顯的超前控制，才能在碳勢控制中提前判斷碳勢的變化趨勢，提前發出控制信號，因此需要將微分參數設置的大些，使儀表具備較好的超前控制能力，從而穩定碳勢，達到較好的碳控效果。

除此以外，在PID 調試過程中，還要不斷觀察設備氧探頭和紅外儀所檢測的mV、CO、CO2值的變化情況，以及碳勢曲線變化的狀態，緩慢調整，逐步使其達到所設定的碳勢狀態。根據需要，還可以通過鋼薄進行驗證。

2 調試過程中常見的異常現象

在設備調試時，如果氮氣通入量正常，但碳勢仍出現波動現象，無法達到理想狀態，此時需要對其產生的原因進行分析排查，找到原因并進行處理。

2.1 比例閥故障

重新標定比例閥。在標定過程中，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，當達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。

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

除此以外，有時比例閥在標定時故障并不明顯，但在運行過程中，低輸出時閥體無法正常工作，致使碳勢持續走低，直至比例輸出高了以后才會打開，此種現象比較常見，但不易判斷，需要根據碳勢曲線，并觀察氣體通入量，綜合分析。

2.2 mV 波動造成碳勢故障

mV 值波動最可能的原因是氧探頭故障，對此更換氧探頭就可以解決。

除此以外，還可能是設備中的比例閥或是計量泵出現故障，或是設備的PID 不適合，造成氣氛通入異常，致使爐內碳勢確實存在波動現象，因此氧探頭所測的mV 值就會波動。此時需檢查比例閥或計量泵是否工作正常，并且適當調節PID，觀察mV值波動是否有所改善。這種現象一般在設備大修后會出現，由于設備的結構及爐況發生了改變，很可能會造成原始PID 不適合的情況，因此在設備大修后，需要對設備重新定碳調試，從而保證設備的正常運行。

再有，設備中存在的各種干擾也會使氧探頭所測的mV 值信號產生波動，從而造成碳勢的波動。因此各種信號傳輸線的屏蔽層都需要可靠接地，盡可能減少干擾帶來的信號失真或是信號波動現象。

2.3 CO 和CO2 測量值不準

紅外儀測量的CO 和CO2值直接參與碳勢的計算，如果CO和CO2值測量不準，則會使碳勢的顯示值失真。

一般情況下，紅外儀所測的CO 和CO2數值不準確，只需要重新校準紅外儀便可以解決。但確實是爐氣中含量數值不正確，則需要另外排查，例如設備漏氣、紅外儀取氣管積碳、甲醇管道漏、廢氣口積碳嚴重等，都會影響紅外儀對CO 和CO2的測量結果。

3 結語

滲碳爐在新安裝或大修后，都應該對設備進行定碳調試，保證設備碳勢的穩定性，從而保證設備在加工過程中的可靠性。在設備長時間使用以后，各電氣元器件會出現老化現象，爐況也會有一些變化，因此應該定期對設備進行保養和定碳，必要時進行二次調試，根據實際情況調整必要的PID 參數，保證設備始終處于良好的工作狀態，保證產品的質量。