潘少杰， 周夢飛， 楊家富， 王立杰

(南京林業(yè)大學(xué)機械電子工程學(xué)院，江蘇 南京 210037)

江蘇某林業(yè)機械廠在多用爐氣體滲碳時采用甲醇作為稀釋劑，丙酮作為富化劑，且均為常量，然后根據(jù)測氧傳感器(氧探頭)輸出電勢的大小，通過調(diào)節(jié)通入爐內(nèi)的平衡空氣流量來自動控制爐氣碳勢[1-2]。這種方法可以實現(xiàn)單因素精確控制碳勢[3]，滲碳零件質(zhì)量也符合圖紙要求。但是，由于整個滲碳過程中滲劑都是以所需的最大流量通入爐內(nèi)，且恒定不變，所以浪費了大量的滲劑，從經(jīng)濟角度看，這不是最佳工藝。為此，我們分析了氧探頭單因素精確控制碳勢的基本條件，并提出了改進工藝的辦法，保證既能精確控制爐內(nèi)碳勢，滲碳零件質(zhì)量穩(wěn)定可靠，又能節(jié)約大量滲劑，取得了較好的效果。

1 氧探頭單因素精確控制碳勢的基本條件

氣體滲碳時活性碳原子可以通過下面的反應(yīng)提供[4]：

(1)

這時，爐氣碳勢可用下式來表示[5-6]：

(2)

式中：PO2、PCO為爐內(nèi)O2和CO氣體的分壓；rc為滲碳溫度下奧氏體中的飽和碳濃度，K為(1)式的平衡常數(shù)。

氧探頭實質(zhì)就是氧化鋯固體電解質(zhì)濃差電池，一定溫度下，當(dāng)氧化鋯管的內(nèi)測通入?yún)⒈瓤諝?，外?cè)與爐內(nèi)滲碳?xì)怏w接觸時，氧探頭的輸出電勢E可以用能斯特方程表示：

(3)

式中：E為氧探頭的輸出電勢(mV)；T為氧探頭工作溫度(絕對溫度K)；PO2為爐內(nèi)氧分壓。

由(2)、(3)式可得：

(4)

從(4)式可以得出如下結(jié)論：氧探頭單因素控制碳勢要想達到較高的控制精度，不致發(fā)生失控現(xiàn)象，必須滿足以下兩個前提條件：

(1)爐氣中的CO含量必須保持恒定。

(2)T、K和rc必須為常數(shù)。而K和rc與溫度相關(guān)，所以爐溫T必須保持恒定。

一般情況下，我們都是假設(shè)爐溫T和爐內(nèi)CO含量是恒定不變的。這時爐氣碳勢xc是氧探頭輸出電勢E的函數(shù)，它們之間有嚴(yán)格的對應(yīng)關(guān)系(見表1)，這就是氧探頭單因素精確控制碳勢的基本條件。

表1 爐氣碳勢與氧電勢、溫度的關(guān)系(CO含量：28%)

2 工藝改進方法

目前爐溫儀表的控溫精度非常高，可達±1 ℃，這時可以認(rèn)為爐溫基本恒定不變。所以，要實現(xiàn)氧探頭單因素精確控制碳勢，必須使?fàn)t氣中的CO含量基本恒定不變。

由于原工藝稀釋劑甲醇、富化劑丙酮為常量，然后根據(jù)氧探頭輸出電勢的大小通過調(diào)節(jié)通入爐內(nèi)的平衡空氣流量來自動控制爐氣碳勢。這時滲劑高溫裂解后爐內(nèi)氣體成分基本不變，因此可以認(rèn)為爐氣中的CO含量是基本恒定的，而且溫度恒定，所以爐氣碳勢與氧探頭輸出電勢具有嚴(yán)格的對應(yīng)關(guān)系，能實現(xiàn)碳勢的精確控制，但是由于整個滲碳過程中滲劑都是以所需的最大流量通入爐內(nèi)，因此將浪費大量的滲劑。從經(jīng)濟性的角度看，這不是最佳的氣體滲碳工藝。

為此，我們決定改變滲碳工藝方法，仍然將甲醇作為稀釋劑，丙酮作為富化劑，但其滴入爐內(nèi)的流量根據(jù)氧探頭輸出電勢(即爐氣碳勢)設(shè)定值由碳勢控制儀自動控制電磁閥，實現(xiàn)同步增減。滲碳工藝曲線如圖1所示。

雖然甲醇和丙酮分解后的氣體中CO和H2的組分不相同，但由于是同步增減，兩者流量比例不變，所以滲碳過程中爐內(nèi)CO含量基本恒定不變，爐氣成分穩(wěn)定，碳勢可控[7]。

3 試驗結(jié)果

按照圖1的滲碳工藝曲線處理了30爐零件，其表面硬度、心部硬度、有效硬化層深度見表2。

圖1 滲碳工藝曲線

表2 30爐滲碳零件熱處理質(zhì)量檢測數(shù)據(jù)

滲層表面和心部金相組織見圖2，有效硬化層深度實測數(shù)據(jù)和曲線見圖3和表3。滲碳零件的技術(shù)要求為表面硬度58～64 HRC，心部硬度為30～46 HRC，有效硬化層深度為1.0～1.3 mm。

圖2 滲碳零件金相組織

圖3 有效硬化層深度曲線

表3 有效硬化層深度測量數(shù)據(jù)

4 結(jié)論

改進滲碳工藝后，由于滲碳過程中甲醇和丙酮根據(jù)氧探頭輸出電勢設(shè)定值同步增減，兩者流量比例不變，爐內(nèi)CO含量基本恒定不變，爐氣碳勢和氧探頭輸出電勢之間具有嚴(yán)格的對應(yīng)關(guān)系，能夠?qū)崿F(xiàn)碳勢的精確控制。

從30爐改進滲碳工藝后的零件質(zhì)量檢測數(shù)據(jù)可以看出，滲碳熱處理質(zhì)量穩(wěn)定可靠，符合圖紙技術(shù)要求。由于整個滲碳過程中滲劑流量是根據(jù)氧探頭電勢設(shè)定值同步增減，而且隨著滲碳時間延長滲劑需求量是逐步減少的，所以與原工藝相比可以節(jié)約28%的滲劑。按每臺多用爐每天使用50 kg滲劑，一個月1 300 kg滲劑計算，可節(jié)約364 kg滲劑，甲醇和丙酮的平均價格約為6 600元/噸，每月能節(jié)省2 402.4元，具有較好的經(jīng)濟效益，并能減少有害氣體的排放，節(jié)能環(huán)保效果明顯。