航空工艺技术
AERONAUTICAL MANUFACTURING TECHNOLOGY
1999年 第2期 No.2 1999



气体渗碳过程中的计算机两级全过程动态控制

曾　杰
　　[摘要]　利用仿真数学模型推导出的渗层碳浓度分布与渗碳时间、渗碳温度、气氛碳势之间的关系式以及三点自调整控制原理，编制了气体渗碳的全过程动态控制软件，并且安装、调试了两级全过程动态控制系统的硬件，从而开发了气体渗碳过程的计算机两级全过程动态控制系统。
　　关键词： 气体渗碳　动态控制　两级系统
Two_Level Computer Dynamic Control in the Whole Process of the Gas Carburizing

　　[ABSTRACT]　By the aid of three_point control theory of automatic adjustment and the relationship between carbon concentration distribution of carburized layer and cycle of carburizing, carburizing temperature and carbon potential of furnace atmosphere, this paper composes the application software for the dynamic controlling in the whole of the gas carburizing. Meanwhile, the hardwares of the two_level dynamic control for the whole process of the gas controlling system is installed and tested, therefore, developing the two_level dynamic controlling system for the whole process of the gas carburizing.
　　Keywords: Gas carburizing　Dynamic control　Two_level system
　　航空发动机上齿轮等表面要求耐磨的零件需渗碳处理。传统的手工控制渗碳工艺已远远不能满足要求，为保证和提高军工产品质量，对渗碳工艺采用微机控制已是必然。目前，国内外对渗碳工艺的微机控制，基本上采用单级控制。
　　PC机的单机控制，尽管所使用的各种数学模型不同，所依据的理论各异，但现在国内所有基于计算碳扩散浓度分布控制渗碳过程的计算机程序都只用2个目标点：表面层含碳量和层深，在此2点间碳浓度分布形状是任意的，得不到最佳的S形分布。因此，基于本人的研究实践，本文针对单级控制的缺陷和2点动态控制的不足，着重阐明了气体渗碳的两级全过程动态控制。
　　所谓两级控制，就是利用上位机和前位机进行控制。从过程控制理论来看，它实质上属于随动控制系统。这类控制的任务是保证在各种条件下系统的输出(被控变量)以一定的精度跟随着给定信号的变化而变化。所以这类控制系统又称跟踪系统，此时给定信号又称参比信号。两级控制中上位机根据程序要求给出参比信号，送给前位机，前位机以此信号为设定信号与采集的实际信号进行比较，输出控制变量，从而实现控制。
　　采用两级控制，有以下优点：
　　(1)两级控制中，前位机可使用工业控制机STD，其抗干扰能力很强，且成本低，易于维修，而且上位机可以显示、打印等。一台上位机可以控制多台前位机，从而实现一机控多炉的目的。
　　(2)在两级控制中，由于上位机可根据实际工作情况智能化地给出参比信号，从而可随时改变前位机的设定信号，实现全过程动态控制，使控制具有通用性。
　　(3)在两级控制中，操作人员可根据现场实际状况，随时与上位机进行人机对话，修正控制程序，排除各种警报，达到较高的控制要求。
1　渗碳过程中碳浓度分布曲线的自动调整原理
　　西德Bernd Edenhofer等人提出了两段渗碳过程中碳浓度分布曲线的自动调整(即全过程动态控制)［1］。碳浓度自动调整的主要原理是给计算机一个指令以帮助它决定何时从强渗阶段转到扩散阶段；同时，该指令也可作为一个指示器，以判明是否有足够的碳进入表面。这样，如果在该点碳势应该提高的情况下，即使已进入扩散期，计算机仍会使过程重新回到强渗期的高碳势状态。
　　在讨论碳浓度分布曲线自动调整之前，他先研究了三点自调整系统。所谓三点是指除了表面点和层深点，再在所希望得到的最终的碳在表面层中分布曲线上设定一个点k，称之为转折点，见图1(a)。在计算的碳浓度曲线接触到k点以前，计算机使渗碳过程保持在强渗阶段，见图1(b)曲线1。在达到k点后，计算机将降低碳势，并进行扩散，一直到计算的碳浓度分布(曲线3)达到所要求的表面碳含量和层深。

(a)

(b)
图1　使用第3目标点实现自调整碳浓度分布控制
Fig.1　Automatic adjustment of carbon distribution
by using the third aim point
　　如果在达到所希望的层深或表面含碳量以前，计算的碳浓度分布曲线在扩散时降到转折点k以下，那么计算机将重新把碳势提高到以前强渗期的水平，并进行渗碳，直到重新达到k点。然后，再次降低碳势和扩散，直到达到所需求的层深。
　　这是第一个调节系统，它可以从扩散期碳势回到强渗期碳势，因此实现了自调节系统，并可以克服过程的失调。同时，它也百分之百地保证得到了一个S形的碳浓度分布。
　　第三个目标点，即曲线上的转折点k，定义是较容易的。大体上这个位置是在表面碳含量减少0.1%和层深的40%处。
　　从3个目标点方法很自然推论应该有4个或5个目标点甚至无数个目标点，但最终则规定碳浓度分布作为目标值。
　　图2表示规定的作为目标的碳浓度分布曲线，这种自调节系统的功能为：
　　(1)可计算在任何时候的实际碳浓度曲线。
　　(2)计算实际碳浓度曲线的面积，并且从目标碳浓度曲线面积中减去。
　　(3)渗碳过程一直持续到实际的和目标给定的碳浓度分布曲线轮廓之差为零。
　　本文研究的是动态控制工艺的自动调整系统，与上述两个阶段渗碳的自动调整不同。本文借鉴了其方法，也从三点自调整控制入手，但控制的具体方案不同。因此自行编制了适合动态控制的三点自动调整程序，为达到此目的，必须首先推导渗层碳浓度分布与渗碳时间、渗碳温度、气氛碳势之间的关系式(因为在全过程动态控制程序中要用到此关系式)。详见文献［2］，其过程是首先推导了气体渗碳物质传递的数学模型，并利用有限差分法解出其数值解，通过调整模型中的参数，来仿真计算碳浓度分布，与同样工艺条件下渗碳处理得到的剥层数据相比较，两者偏差≤±0.02%。然后利用调整过参数后的数学模型计算出不同温度、不同碳势、不同时间下渗碳得到的碳浓度分布。接着，利用计算机拟合出碳浓度分布上各点与时间、温度、气氛碳势的关系式。经试验得到对动态控制起主要作用的表面处、要求的层深处、要求层深的40%处的碳浓度与此3个参数的关系式：
　　表面处：y=-0.000 027x1+0.845 602x2+0.011 306x3
　　　　　　r=0.999781
　　层深处：y=-0.000 220x1+0.625 503x2+0.039 237x3
　　　　　　r=0.997 155
　　层深的40%处：y=-0.000 084x1+0.122 250x2+0.032 206x3
　　　　　　　　 r=0.958 502
式中：x1代表渗碳时间；x2代表渗碳温度；x3代表气氛碳势；y代表碳浓度；r代表相关系数。

图2　总的碳浓度分布曲线作为目标值
Fig.2　General carbon distribution
curve as an aim value
2　上位机中气体渗碳全过程动态控制具体方案的实现
　　目前，国内大多数厂家采用的气体渗碳工艺多为排气—强渗—扩散三段控制方法，按照经验确定各段的时间及在各段载气与富化剂的比例。在全过程动态控制系统中，利用建立的气体渗碳数学模型，充分发挥计算机快速计算控制功能，对上述传统强渗—扩散两段法进行改进。整个渗碳过程基本分为如下5个阶段：
　　(1)升温阶段。工件入炉后，若炉温达850 ℃以上，可滴入煤油排气，因为一般井式气体渗碳炉的热电偶在马弗炉外，在升温阶段仪表检测温度高于罐外的实际温度。因此煤油过早滴入而炉内温度偏低，会产生大量不完全分解的产物，不利于炉气碳势建立和控制。当炉温达设定温度后，开始通入空气，以在短时间内建立碳势。
　　(2)建立炉气碳势阶段。当工件均温完成后，微机根据对炉气中O2或CO2和各区炉温的实时采样值开始连续计算炉气碳势、工件渗碳层碳浓度分布、工件表面含碳量和硬化层深度。此后在保持炉气不出现碳黑的前提下，将炉气碳势控制在尽可能高的水平上，并保持这一炉气碳势，使工件表面碳浓度迅速提高，直到工件表面碳浓度达到将要发生碳化物转变值为止。对12CrNi3A而言，920 ℃下临界值可取1.3%。
　　(3)自适应控制阶段。此阶段炉气碳势的控制值不是预先设定的，而是在实时控制过程中，由微机系统根据工件的钢材成分和物质传递数学模型，随机确定每一时刻的炉气碳势控制值，并由前位机自动对炉气碳势进行调节，保证每一时刻从炉气转移到工件表面的碳流量恰好等于碳从工件表面向工件内部的扩散流量，即工件表面碳浓度始终保持在这一临界值。这样既能保证工件表面不出现碳化物，又能保证以最大的碳浓度梯度向内进行扩散，提高渗碳速度。
　　(4)扩散阶段。在此阶段逐渐降低碳势，使工件表面碳浓度逐渐接近最终要求的表面碳浓度Cs。在扩散阶段，若Ck(k点的碳浓度，下同)低于Cs-0.1，系统可自动又将碳势恢复到最大值，使Ck又大于Cs-0.1，实现自动调整。此阶段既能保持较大的渗入速度，在较短的时间内将表面碳浓度、碳浓度Ck、渗层深处浓度Cc调到所要求范围又不至于出现碳浓度分布“低头”现象，尤其是在渗碳层较深时，保证获得良好的碳浓度分布特性。出炉要同时满足下列4个条件：
　　. 表面碳浓度分布曲线无“低头”现象；
　　. 表面碳浓度符合设计要求；
　　. 渗碳浓度达到设计值；
　　. 第三控制点达到要求值。
　　在上述软件支持下，对炉气碳势采用自适应调节，从而实现全过程动态控制。
　　此控制系统软件主框图见图3。

图3　控制系统软件主框图
Fig.3　Main frame chart of software for control system
　　整个控制过程由下列子程序构成：数据采集子程序，控制数据输出子程序，碳浓度分布计算子程序，图形打印子程序，三点动态控制子程序，输出的PID数值调节运算子程序。
3　气体渗碳的两级全过程控制系统的硬件实现
　　本系统的框图如图4所示，上位机为美国Apple公司的AppleⅡ/e型苹果机，并配有8位A/D，D/A转换板MS-0816，为了充分利用8位转换精度，对采集的反馈信号进行了信号调理，使温度θ的识别精度为1 ℃。另外，还配备了EPSON RX-80打印机，记录试验数据，打印图形。前位机采用北京远东仪表公司生产的EKD表。因经费有限，又由于温度的前位控制仪表较完善，所以在本系统中炉温并未采用两级控制，而由上位机直接控制，而炉气碳势是由上位机和前位机进行两级控制的。

图4　两级控制系统流程框图
Fig.4　Flow chart of two_level control system
　　从图4可看出，系统有2个闭环回路，一路是碳势控制：经D/A转换的0～5 V参比信号，由上位机送入EKD表(前位机)，再与EKD表采集的碳势信号相比较，给出控制信号。此控制信号再经V/I，I/f(电压/电流，电流/频率)两次转换，以控制电磁阀的滴油频率和时间来达到控制碳势的目的。
　　本试验中利用BH-92型隔离放大器来放大炉气氧势电压信号，利用BH-92型滴注控制仪来控制执行器(电磁阀)。在碳势信号采集中利用氧探头为传感器。
　　另一路是炉温控制：温度只采用单级控制，直接由上位机控制。经D/A转换成0～10 mA电流触发可控硅调控器，对炉温进行控制。控温执行器采用的是SMD-23型脉冲调节温度控制柜。炉温信号的采集采用热电偶来实现，经DDZ-Ⅱ型温度变送器放大后，通过A/D转换进入上位机。
　　在炉温控制时，需要一个U/I转换，本课题中自行设计了电路，并自制了电路板，其电路图见图5。

图5　U/I转换电路图
Fig.5　Switching circuit drawing of U/I
　　本试验是在25kW井式气体渗碳炉上进地的，炉膛容积为90 dm3，风扇轴采用水冷密封装置，炉盖上设有滴液孔、取气孔和氧探头安装孔，前两孔均有水冷却。进入炉内的空气由小型空气泵供给，是恒定的，经过滤器到减压阀，使压力稳定在4.9 kPa左右，再经流量计进入炉中。
4　试验
　　为验证本系统的控制情况，在进行的开炉试验中采用2种试验材料：12CrNi3A,18CrNiW。
　　开炉渗碳的工艺参数见表1。
表1　渗碳工艺参数

渗碳时间
/min碳势/%总 渗 碳
时间/min渗碳温度
/℃
350全 过 程
动态控制350920

　　　　注：空气+煤油(空气流量为120 L/h)。
　　试样在渗碳后空冷，然后进行退火，其处理规范为：退火温度，(860±10) ℃；保温3 h，随后炉冷；然后对试样进行剥层分析，得出的数值见表2。程序模拟计算值见表3。计算值与剥层值比较曲线见图6，图7。
表2　剥层试样的碳浓度化验结果(w/％)

材料距表面的距离/mm
0．100．200．300．400．500．600．700．800．901．001．101．20
10CrNi3A0．910．870．790．740．670．620．570．490．430．380．330．28
18CrNiW0．930．920．850．820．760．680．610．550．470．400．350．31

表3　碳浓度分布的计算模拟值(w/％)

材料距表面的距离/mm
0．100．200．300．400．500．600．700．800．901．001．101．20
12CrNi3A0．8430．8170．7840．7440．6970．6420．5800．5130．4440．3760．3130．259
18CrNiW0．8750．8530．8230．7850．7380．6830．6230．5590．4950．4350．3820．337


图6　12CrNi3A比较曲线
Fig.6　Comparison curve of 12CrNi3A

图7　18CrNiW比较曲线
Fig.7　Comparison curve of 18CrNiW
5　结论
　　(1)利用仿真碳浓度分布计算模型，得出碳浓度分布与渗碳时间、渗碳温度、气氛碳势的关系式在一般渗碳条件下误差很小，证明了4个参数之间存在多元线性关系，为下一步的动态控制提供了理论指导。为便于实际应用，建议建立不同材料的上述4参数的关系式数据库。
　　(2)采用三点动态控制方案进行的全过程动态两级微机控制渗碳是可行的，结果也是令人满意的。要使软件实用化，还必须对其完善。
　　(3)两级控制是工业控制的方向，它具有控制精度高，成本低，维修调试方便，外界干扰小等优点。

作者单位：曾　杰（沈阳黎明发动机制造公司军代表室）

参考文献
　[1] Edenhofer B等.渗碳过程中碳浓度分布曲线的自动调整.见：第六届国际材料热处理大会论文集.西德:1988
　[2] 张建华.井式炉微机控制精确渗碳.见：中国机械工程学会热处理学会第五届年会论文集.1991
(责编　朝　晖)
