專利名稱：智能化控制氣體多元共滲爐及其控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種低溫化學(xué)熱處理設(shè)備，具體是指一種可用于溫度、氣體、循環(huán)風(fēng)量 智能化控制氣體多元共滲爐及其控制方法。
背景技術(shù)：
在低溫化學(xué)熱處理過程中，爐體內(nèi)部的氣體必須有效進行循環(huán)，如果爐體內(nèi)部的 氣體不能有效的進行循環(huán)，則將極大的影響處理工件的質(zhì)量，因此爐體內(nèi)部氣體循環(huán)量的 大小便成了影響工件質(zhì)量的關(guān)鍵因素。特別是在目前的井式爐中，由于該爐體內(nèi)需要經(jīng)常 裝不同種類的工件，且不同種類的工件的裝爐量也不盡相同，因此就需要針對不同種類的 工件和不同裝爐量采取不同大小的循環(huán)風(fēng)量，則會嚴(yán)重的影響這些工件的成品質(zhì)量，導(dǎo)致 廢品率提高。但是目前的這些井式爐體均是在其爐蓋上采用一個風(fēng)機來進行氣體風(fēng)量循環(huán)，且 該風(fēng)機的轉(zhuǎn)數(shù)也為固定值，因此目前這些井式爐體的循環(huán)風(fēng)量非常固定，不能針對不同形 狀工件、不同裝爐量對循環(huán)風(fēng)量進行有效調(diào)節(jié)。同時，對于爐子的控制系統(tǒng)，目前國內(nèi)外對溫度及時間的控制已經(jīng)達到智能化控 制的水平，但是對氣體的控制、及爐內(nèi)風(fēng)量的控制仍存在問題，對于氣體流量控制目前一般 采用三種方式進行。第一種手動方式控制氣氛，即采用液體介質(zhì)(煤油或丙酮)或者氣體 介質(zhì)(如氨氣等)作為滲劑，通過滴注器將液體滴入爐內(nèi)形成滲入的氣氛，控制氣氛是根據(jù) 滴注器滴入爐內(nèi)的介質(zhì)滴數(shù)進行控制；第二種儀表控制氣氛，即60年代國外先進國家除 了用液體滴注方式產(chǎn)生氣氛外，并用丙烷(C3H8)氣或天然氣通過氣體流量計通向爐內(nèi)產(chǎn)生 滲碳氣氛，出現(xiàn)用CO2氣體紅外分析儀分析爐內(nèi)的CO2含量，從而計算爐內(nèi)碳勢相繼出現(xiàn)了 碳勢顯示儀，并將此信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枺苿与姶砰y動作使氣體流量計通斷。并出現(xiàn)了類似 測溫用熱電偶的傳感器氧探頭。對于滲氮氣氛的控制一般采用氫分析儀作為傳感器，通過 發(fā)出電信號控制電磁閥動作達到自動控制的要求，但是這類控制取決于傳感器的靈敏度 與壽命(至今以氧探頭作為傳感器壽命還相當(dāng)?shù)?。第三種計算機控制氣氛，即計算機控 制滲碳氣氛在70年代國際上就有人研究，大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化始于70年代末，我國約有30 %廠家 使用，幾乎在同一時間國際上模仿滲碳氣氛控制辦法來控制滲氮過程中的氮勢，采用的傳 感器是氣體成分紅外分析儀，以及以后的導(dǎo)氫儀，執(zhí)行器是伺服電機或電磁閥。采出的信號 一般是與單板機或計算機連接再轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)“微機控制氮勢”的目的。這種方式在我國一般 采用單片機來控制，存在的問題是儲存功能記錄功能都較差并且界面也不友好。國外一般 采用計算機來控制，但價格極高，單控制系統(tǒng)一般要在100 200萬元左右，(加上整機要 達到700 1000萬元)使我國的廠家難于接受。另一個問題是控制系統(tǒng)一旦發(fā)生問題難 于及時修理，如果過了保修期維修費也難于承受。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有井式爐體循環(huán)風(fēng)量固定的缺陷，提供一種能夠根據(jù)不同種類的工件和裝爐量來調(diào)節(jié)其循環(huán)風(fēng)量的智能化控制氣體多元共滲爐。本發(fā)明的另一目的是提供一種上述智能化控制氣體多元滲爐的控制方法。本發(fā)明的目的通過下述技術(shù)方案實現(xiàn)智能化控制氣體多元共滲爐，主要由爐體、以及固定在爐體頂部的爐蓋組成。同時，在爐蓋上端設(shè)有上風(fēng)機，同時在爐體的底部和側(cè)面 還分別設(shè)有下風(fēng)機和降溫風(fēng)機，所述的上風(fēng)機、下風(fēng)機和降溫風(fēng)機均與設(shè)置在爐體外部的 控制系統(tǒng)相連。進一步地，所述的控制系統(tǒng)包括電氣控制柜、計算機控制柜、第一氣體控制柜、第 二氣體控制柜以及變頻單元。所述的電氣控制柜主要由溫度表，以及與該溫度表相連接的 固態(tài)繼電器組成；計算機控制柜主要由顯示器，以及與該顯示器相連接的工控機組成；第 一氣體控制柜主要由氣氛表，以及與該氣氛表相連接的氣體傳感器組成，而第二氣體控制 柜也由氣氛表，以及與該氣氛表相連接的氣體傳感器組成；變頻單元由分別與上風(fēng)機相連 接的變頻器1、與下風(fēng)機相連接的變頻器2，以及與降溫風(fēng)機相連接的變頻器3組成，同時， 該變頻器1、變頻器2及變頻器3還均與電源相連接。其中，計算機控制柜中的工控機分別與電氣控制柜中的溫度表、第一氣體控制柜 中的氣氛表以及第二氣體控制柜中的氣氛表相連接，且第一氣體控制柜中的氣體傳感器還 直接與位于爐體頂部的進氣管相連接，而第二氣體控制柜中的氣體傳感器經(jīng)多元供滲氣體 裝置后也與位于爐體頂部的進氣管相連接；所述電氣控制柜中的溫度表還與位于爐罐周圍 的熱電偶相連接，而固態(tài)繼電器則與爐罐周圍的加熱爐絲相連接。同時，所述的第一氣體控制柜中的氣體傳感器還連接有氣瓶，而第二氣體控制柜 中的氣體傳感器則與氣泵相連接；在所述爐體的內(nèi)部還設(shè)有爐罐，且在該爐罐的內(nèi)部還設(shè) 有導(dǎo)風(fēng)筒。為了延長使用壽命和防止腐蝕性氣體的腐蝕，在所述爐罐及導(dǎo)風(fēng)筒的表面上均設(shè) 有熱浸鋁涂層。為了更好的實現(xiàn)本發(fā)明，所述的上風(fēng)機的功率為2. 5KW，下風(fēng)機的功率為0. 5KW ；
且在爐蓋上還設(shè)有安全閥。一種智能化控制氣體多元共滲爐的控制方法，主要包括同時執(zhí)行的氣體流量控制 步驟和溫度控制步驟。所述的氣體流量控制主要包括以下步驟(1)針對特定的工件，求出其理論需要氣體流量值；(2)由氣體傳感器獲取實際氣體流量值；(3)對獲取的實際氣體流量值進行數(shù)學(xué)模型分析，并判斷其與理論氣體流量值的 關(guān)系；(4)如果實際氣體流量值高于理論氣體流量值，則減小氣體流量；如果實際氣體 流量值低于理論氣體流量值，則增加氣體流量。所述的溫度控制步驟具體步驟如下(1)針對特定的工件，求出其理論需要溫度值；(2)由溫度傳感器獲取爐體內(nèi)部實際溫度值；(3)對獲得的實際溫度值進行數(shù)學(xué)模型分析，并判斷其與理論溫度值的關(guān)系；(4)如果實際溫度值高于理論溫度值，則停止加熱以降低溫度；如果實際溫度值 低于理論溫度值，則繼續(xù)加熱以升高溫度。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點及有益效果(1)本發(fā)明不僅在爐體的上端設(shè)置有上風(fēng)機，同時在爐體的下端還設(shè)置有輔助上 風(fēng)機，因此能夠有效的促使?fàn)t體內(nèi)部的風(fēng)進行循環(huán)。(2)本發(fā)明上下風(fēng)機均采用變頻器控制，可以無極進行風(fēng)速的調(diào)整。通過上下風(fēng)機 不同風(fēng)速的調(diào)整，達到最佳配合，使?fàn)t體內(nèi)部各個部位的風(fēng)速基本一致，保證了溫度與氣氛 的均勻性。(3)本發(fā)明內(nèi)部的爐罐體與導(dǎo)風(fēng)桶，均采用熱浸鋁涂層保護。保證在共滲溫度下爐 罐體與導(dǎo)風(fēng)桶不被元素滲入，即延長了爐罐的使用壽命，又保證了爐內(nèi)部的清潔，確保工藝 實施的可靠性。(4)本發(fā)明的爐蓋采用斜型凸輪鎖緊裝置，可以方便是實現(xiàn)爐蓋的壓緊。(5)本發(fā)明的爐蓋上裝有安全閥，一旦爐內(nèi)氣體壓力過高，安全閥打開保證生產(chǎn)安全。


圖1為本發(fā)明的爐體結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為本發(fā)明氣體流量控制流程圖。圖4為本發(fā)明溫度控制流程圖。
具體實施例方式下面結(jié)合實施例及附圖，對本發(fā)明作進一步地詳細說明，但本發(fā)明的實施方式不 限于此。實施例如圖1、2所示，本發(fā)明由爐體、以及固定在爐體頂部的爐蓋組成。為了克服傳統(tǒng)爐 體內(nèi)部的風(fēng)量不能有效循環(huán)的缺陷，本發(fā)明在爐蓋上端設(shè)有功率為2. 5KW的上風(fēng)機，在爐 體的底部設(shè)有功率為0. 5KW的下風(fēng)機，同時在爐體的側(cè)面還設(shè)有降溫風(fēng)機。同時，在爐體的 內(nèi)部還固定有一個爐罐，且在該爐罐的內(nèi)部則通過支座還固定有導(dǎo)風(fēng)筒，而需要加工的工 件則放置在該導(dǎo)風(fēng)筒的內(nèi)部。當(dāng)系統(tǒng)運行時，爐蓋上端的上風(fēng)機運行，將進入爐體內(nèi)部的氣體經(jīng)導(dǎo)風(fēng)筒的外部 流向?qū)эL(fēng)筒的內(nèi)部，然后從排氣口排除。底部下風(fēng)機轉(zhuǎn)動實現(xiàn)將進入導(dǎo)風(fēng)筒內(nèi)部的氣體加 速循環(huán)運動，以達到從排氣口排除的目的。同時，為了到達防止導(dǎo)風(fēng)筒和爐罐被具有腐蝕性 的元素滲入縮短其使用壽命的目的，在該導(dǎo)風(fēng)筒的表面上還設(shè)有熱浸鋁涂層。同時，為了確 保爐體內(nèi)部的壓力恒定，在爐蓋上還設(shè)有安全閥，只要爐體內(nèi)部的壓力大于規(guī)定壓力時，該 安全閥就能自動打開。而所述的控制系統(tǒng)則主要包括電氣控制柜、計算機控制柜、第一氣體控制柜、第二 氣體控制柜及變頻單元，同時本發(fā)明還包括有氣瓶和氣泵。所述的電氣控制柜則主要由溫 度表，以及與該溫度表相連接的固態(tài)繼電器組成；計算機控制柜主要由顯示器，以及與該顯 示器相連接的工控機組成；第一氣體控制柜主要由氣氛表，以及與該氣氛表相連接的氣體 傳感器組成，第二氣體控制柜也由氣氛表，以及與該氣氛表相連接的氣體傳感器組成。
連接時，計算機控制柜中的工控機分別與電氣控制柜中的溫度表、第一氣體控制 柜中的氣氛表以及第二氣體控制柜中的氣氛表相連接，并通過顯示器顯示出來。第一氣體 控制柜中的氣體傳感器還直接與位于爐體頂部的進氣管相連接，而第二氣體控制柜中的氣 體傳感器則經(jīng)多元供滲氣體裝置(ZL95241793. 6)后也與位于爐體頂部的進氣管相連接。 同時，在爐罐的罐壁四周還有若干條用于對爐罐進行加熱的加熱爐絲，以及用于獲取該加 熱爐絲溫度的熱電偶。所述的電氣控制柜中的溫度表則直接與該熱電偶相連接，以便將給熱電偶的溫度 在溫度表上進行顯示，而固態(tài)繼電器則與加熱爐絲相連接，并根據(jù)溫度表上所顯示的溫度 對該固態(tài)繼電器進行導(dǎo)通或切斷，從而確保爐罐內(nèi)的溫度處于一個需要的數(shù)值范圍。而變頻單元則由三個變頻器組成，分別為變頻器1、變頻器2及變頻器3。所述的 變頻器1與位于爐體頂部的上風(fēng)機相連接，變頻器2與爐體底部的下風(fēng)機相連接，而變頻器 3則與位于爐體側(cè)面的降溫風(fēng)機相連接。同時，這三個變頻器還均與380V的電源連接，以便 為這三個變頻器的正常工作提供工作電源。運行時，熱電偶將溫度信號輸送給溫度表，再由溫度表傳給工控機。該工控機根據(jù) 其內(nèi)部的數(shù)學(xué)模型進行計算，并將計算結(jié)果再輸送給溫度表，此時，溫度表根據(jù)工控機的信 號控制固態(tài)繼電器的通斷時間。如果實際溫度遠低于要求的溫度值，則固態(tài)繼電器導(dǎo)通的 時間長，電源給加熱爐絲通電時間長，爐絲發(fā)熱量大，使?fàn)t子快速升溫。如果實際溫度接近 要求的溫度值，則固態(tài)繼電器導(dǎo)通的時間短，電源給加熱爐絲通電時間短，爐絲發(fā)熱量小， 使?fàn)t子升溫速度減慢。如果實際溫度高于要求的溫度值，則固態(tài)繼電器處在斷路狀態(tài)，電源 不給加熱爐絲通電，爐絲不發(fā)熱，爐子靠散熱降溫。本發(fā)明選用精度系數(shù)很高的溫度表和熱 電偶，從而確保其控制精度可以達到正負1攝氏度。由氣瓶中輸出的氣體(如果進行氮化則輸出氨氣，如果滲碳或者碳氮共滲則輸出 煤氣、甲烷、氨氣等氣體)經(jīng)氣體傳感器后從進氣管中進入爐體內(nèi)部。而從氣泵鼓入的氣體 則依次經(jīng)第二氣體控制柜中的氣體傳感器及多元共滲氣體裝置以后也從進氣管進入爐體 內(nèi)部。同時，本發(fā)明還采用ZL95241793. 6專利的技術(shù)方案來進行氣體等原料的添加。本發(fā)明的控制過程控制的主要參數(shù)是溫度、時間、添加氣、氨氣等。各氣體在不同 工藝中要保證確定的數(shù)值，計算機要實現(xiàn)智能化控制，其具體流程如圖3、4所示。對氣體流 量的控制如下氣瓶中的氣體通過第一控制柜中的氣體傳感器(型號DBLU)進入爐體內(nèi)，同時氣 體傳感器把氣體流量信號傳遞給氣氛表，并利用A/D、D/A數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器將氣體流量的數(shù)字信 息轉(zhuǎn)換為計算機可識別的二進制代碼，存儲到工控機的存儲器中。同時，溫度具體值也由熱 電偶(溫度傳感器)傳遞給溫度表與工控機。氣體流量智能化控制過程如下針對特定的工件，利用大量試驗結(jié)果結(jié)合數(shù)學(xué)模 型從理論上求出每個時間需要的氣體流量具體數(shù)值。通過氣體傳感器，將實際流量采集到 數(shù)據(jù)采集模塊中，得到某一時間的氨氣流量、添加氣流量等各種氣體的具體的數(shù)值。這些數(shù) 值分別通過儀表、A/D、D/A數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器將實際數(shù)據(jù)反饋給工業(yè)計算機，數(shù)據(jù)采集模塊一方面 將采集到的實際流量保存到存儲器中，另一方面，將采集到的實際流量傳遞給數(shù)據(jù)處理單 元，數(shù)據(jù)處理單元將獲得的數(shù)據(jù)通過建立好的數(shù)學(xué)模型中數(shù)據(jù)進行分析和計算，并判斷是 否達到規(guī)定要求。如果氣體低于規(guī)定的值，則計算機通過軟件，將信號輸送給電動調(diào)節(jié)閥，將電動調(diào)節(jié)閥門開大，使氣體進入量增加。如果氣體高于規(guī)定的值，則計算機通過軟件將信號輸送給電動調(diào)節(jié)閥，指揮將閥門關(guān)閉，使氣體進入量減少，從而達到自動調(diào)節(jié)的目的。
本發(fā)明在執(zhí)行氣體流量控制的同時還進行溫度智能化控制，即該氣體流量控制步 驟和溫度智能化控制步驟同時進行。所述的溫度智能化控制過程如下針對特定的工件，利 用大量試驗結(jié)果，結(jié)合數(shù)學(xué)模型從理論上求出每個時間需要的溫度具體數(shù)值。通過熱電偶 (溫度傳感器)，將實際溫度采集到數(shù)據(jù)采集模塊中，得到某一時間的溫度的具體的數(shù)值。 這些數(shù)值分別通過儀表、A/D、D/A數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器將實際數(shù)據(jù)反饋給工業(yè)計算機，數(shù)據(jù)采集模塊 一方面將采集到的溫度值保存到存儲器中，另一方面，將采集到的溫度值傳遞給數(shù)據(jù)處理 單元，數(shù)據(jù)處理單元將獲得的數(shù)據(jù)，通過建立好的數(shù)學(xué)模型中數(shù)據(jù)進行分析和計算，并判斷 是否達到規(guī)定要求。如果溫度低于規(guī)定的值，則計算機通過軟件，將信號輸送給固態(tài)繼電 器，延長供電時間，提供更多的能量實現(xiàn)溫度的上升。如果溫度高于規(guī)定的值，則計算機通 過軟件將信號輸送固態(tài)繼電器，將切斷電源停止供電，由于爐子向外散熱，所以會使溫度下 降，從而達到自動調(diào)節(jié)的目的。如上所述，便可較好的實現(xiàn)本發(fā)明。
權(quán)利要求
智能化控制氣體多元共滲爐，主要由爐體、以及固定在爐體頂部的爐蓋組成，其特征在于，在爐蓋上端設(shè)有上風(fēng)機，同時在爐體的底部和側(cè)面還分別設(shè)有下風(fēng)機和降溫風(fēng)機，所述的上風(fēng)機、下風(fēng)機和降溫風(fēng)機均與設(shè)置在爐體外部的控制系統(tǒng)相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的智能化控制氣體多元共滲爐，其特征在于，所述的控制系統(tǒng) 包括電氣控制柜、計算機控制柜、第一氣體控制柜、第二氣體控制柜以及變頻單元；所述的 電氣控制柜主要由溫度表，以及與該溫度表相連接的固態(tài)繼電器組成；計算機控制柜主要 由顯示器，以及與該顯示器相連接的工控機組成；第一氣體控制柜主要由氣氛表，以及與該 氣氛表相連接的氣體傳感器組成，而第二氣體控制柜也由氣氛表，以及與該氣氛表相連接 的氣體傳感器組成；變頻單元由分別與上風(fēng)機相連接的變頻器1、與下風(fēng)機相連接的變頻 器2，以及與降溫風(fēng)機相連接的變頻器3組成，同時，該變頻器1、變頻器2及變頻器3還均 與電源相連接；其中，計算機控制柜中的工控機分別與電氣控制柜中的溫度表、第一氣體控 制柜中的氣氛表以及第二氣體控制柜中的氣氛表相連接，且第一氣體控制柜中的氣體傳感 器還直接與位于爐體頂部的進氣管相連接，而第二氣體控制柜中的氣體傳感器經(jīng)多元供滲 氣體裝置后也與位于爐體頂部的進氣管相連接；所述電氣控制柜中的溫度表還與位于爐罐 周圍的熱電偶相連接，而固態(tài)繼電器則與爐罐周圍的加熱爐絲相連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的智能化控制氣體多元共滲爐，其特征在于，第一氣體控制柜 中的氣體傳感器還連接有氣瓶，而第二氣體控制柜中的氣體傳感器則與氣泵相連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的智能化控制氣體多元共滲爐，其特征在于，在所述爐體的內(nèi) 部還設(shè)有爐罐，且在該爐罐的內(nèi)部還設(shè)有導(dǎo)風(fēng)筒。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的智能化控制氣體多元共滲爐，其特征在于，在所述爐罐及導(dǎo) 風(fēng)筒的表面上均設(shè)有熱浸鋁涂層。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的智能化控制氣體多元共滲爐，其特征在于，所述的上風(fēng)機 的功率為2. 5KW，下風(fēng)機的功率為0. 5KW。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的智能化控制氣體多元共滲爐，其特征在于，在爐蓋上還設(shè)有 安全閥。
8.一種智能化控制氣體多元共滲爐的控制方法，其特征在于，所述的氣體流量控制主 要包括以下步驟(1)針對特定的工件，求出其理論需要氣體流量值；(2)由氣體傳感器獲取實際氣體流量值；(3)對獲取的實際氣體流量值進行數(shù)學(xué)模型分析，并判斷其與理論氣體流量值的關(guān)系；(4)如果實際氣體流量值高于理論氣體流量值，則減小氣體流量；如果實際氣體流量 值低于理論氣體流量值，則增加氣體流量。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的智能化控制氣體多元共滲爐的控制方法，其特征在于，在執(zhí) 行氣體流量控制步驟的同時還執(zhí)行溫度控制步驟，其具體步驟如下(1)針對特定的工件，求出其理論需要溫度值；(2)由溫度傳感器獲取爐體內(nèi)部實際溫度值；(3)對獲得的實際溫度值進行數(shù)學(xué)模型分析，并判斷其與理論溫度值的關(guān)系；(4)如果實際溫度值高于理論溫度值，則停止加熱以降低溫度；如果實際溫度值低于理論溫度值，則繼續(xù)加熱以升高溫度。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種智能化控制氣體多元共滲爐，主要由爐體、以及固定在爐體頂部的爐蓋組成，其特征在于，在爐蓋上端設(shè)有上風(fēng)機，同時在爐體的底部和側(cè)面還分別設(shè)有下風(fēng)機和降溫風(fēng)機，所述的上風(fēng)機、下風(fēng)機和降溫風(fēng)機均與設(shè)置在爐體外部的控制系統(tǒng)相連。本發(fā)明還公開了一種智能化控制氣體多元共滲爐的控制方法。本發(fā)明不僅在爐體的上端設(shè)置有上風(fēng)機，同時在爐體的下端還設(shè)置有下風(fēng)機，因此能夠有效的促使?fàn)t體內(nèi)部的風(fēng)進行循環(huán)。同時，本發(fā)明的上下風(fēng)機均采用變頻器控制，可以無極進行風(fēng)速的調(diào)整。通過上下風(fēng)機不同風(fēng)速的調(diào)整，達到最佳配合，使?fàn)t體內(nèi)部各個部位的風(fēng)速基本一致，保證了溫度與氣氛的均勻性。
文檔編號C23C8/28GK101988180SQ20091006022
公開日2011年3月23日 申請日期2009年8月3日 優(yōu)先權(quán)日2009年8月3日
發(fā)明者何倫根, 吳大興, 蘆笛, 高國慶 申請人:四川中力偉業(yè)多元合金科技有限公司