渗碳/碳氮共渗计算机控制系统 简介：
渗碳/碳氮共渗计算机控制系统主要分简易型和高级型两种，简易型也可以作为高级型的下级机。
高级型是由上下级组成的分布式计算机控制系统。上级机是由PC总线工业控制机、彩色显示屏、喷墨打印机、不间断电源（UPS）等组成；下级机是由智能数显可编程碳控仪、智能数显温控仪、模块式大功率三相可控硅（固态继电器）以及炉机控制系统等组成，此外还有传感器氧碳头、热电偶以及电磁阀等执行机构等
高级型控制系统是以Windows2000为操作系统平台，采用美国组态软件，以及我公司开发的最先进的渗碳、碳氮共渗实时自适应控制软件（有全自适应和阶段自阶段自适应两种版本），可以实现渗碳/碳氮共渗渗碳/碳氮共渗工艺防真（优化工艺）及工艺参数、工艺过程的自动化控制。
该控制软件是直接以工件热处理的技术要求：表面碳浓度（碳化物等级等）、硬化层深度、硬化层深度的最佳碳浓度分布为控制目标，只要对每一种工件的技术参数（钢种、渗碳温度、淬火温度以及表面所要求的碳浓度、硬化层深度等）输入计算机内，通过防真优化工艺，工艺调试修改后，以工艺编号方式存储（可以内存100套工艺），操作者只要根据工件技术要求选择工艺编号并输入该炉次的工件数量、操作者名字等，再启动运行菜单整个工艺过程全部由计算机自动控制，工艺运行情况由显示屏上可以观察到，无需人工干预，每一炉的工况都存储在计算机内，随时可以查询可打印。
高级型控制系统的上级机可以实现一机多控，最多可以同时控制八台炉子，每台炉子可以实现六区控温 ，在显示屏上可以观察到八台炉子的工况。
为了更好的使用该系统，以下将将分三章简要阐述该系统的工艺原理及编程、调试指南。
可控气氛渗碳工艺控制的理论基础及计算机工艺过程的设计
- 渗碳过程的数学模型的建立
1，氧势法控制炉气碳势数学模型的建立
渗碳所用的原料气，无论是吸热式气氛（空气、丙烷等）还是滴注式气氛（甲醇、丙酮、煤油等）、氮基气氛（甲醇、氮气、丙酮、丙烷等），它们在高温下裂解并相互作用产生的主要气体为CO、H2、N2，根据原料气的不同此三种气体的比例也不同（例如：吸热式气氛约为CO20%、H240%、N240%，滴注式气氛约为CO30%、H260%），此外还有少量的CH4、CO2、H2O、02等，
它们在高温下在炉内与工件钢铁表面之间，有以下的化学反应：
2CO = CO2+[C] r-Fe ---------------（1）
CO+H2 = H2O+[C] r-Fe ----------------（2）
CH4 = 2H2+[C] r-Fe-----------------（3）
CO = 1/2O2+[C] r-Fe----------------（4）
[C]r-Fe表示在高温下奥氏体的碳浓度，上述反应如果向右进行就是渗碳反应，向左进行就是脱碳反应，当上述反应达到平衡时，[C]r-Fe被称之为炉气碳势，用CP来表示，因此可以通过控制炉气中含量较少的氧化性气体，例如：CO2、H2O、O2来控制[C] r-Fe（或CP），这就是碳势控制发展史上的露点法（控制H2O）、红外线分析法（控制CO2）及目前广泛使用的氧势法（控制O2）的理论基础。
现在简要阐述氧势法控制碳势的原理，上述第（4）式如下：
CO = 1/2O2+[C] r-Fe ----------------------------（4）
当上式反应达到平衡时，将服从质量作用定律，其平衡常数的表达式如下：
PO21/2 ac PCO
    KP4 = ac = KP4 ----(5)
PO21/2 PO21/2
上式中的各种符号代表如下:
 PCO，PO2 —— 分别代表炉气中CO、O2气体分压（当炉气压力为1个大气压时，各气体分压可用其百分含量来表示）。
KP4 —— 代表平衡常数，它是温度的函数，其表达式可用热力学第二定律推导，表达式如下：
- 5870
 ㏒KP3 = - 4.539 (T = 273℃ ＋ t℃) --------(6)
T
ac —— 代表在碳钢在奥氏体状态下碳的活度, 也可以称为碳在奥氏体钢中的有效碳浓度. 它和平衡碳浓度或碳势CP之间的关系,可近似由下式来表示:
ac = CP/ Csat ----------------------------------------------(7)；
 Csat 代表在一定温度下，碳钢在奥氏体状态下碳的饱和碳浓度，
它是温度的函数，可用下式表示：
Csat = 1.6667×10-10T3＋6.1345×10-7T2＋7.2110×10-4T－0.706
CP = 碳钢的平衡碳浓度，可以用低碳钢箔在渗碳温度下穿透渗碳，
然后在保护气氛下冷却，分析碳含量来量度。
将(7)式代入(5)式，炉气碳势CP可用下式表示:
PCO .Csat
 CP = KP4 ---------------------------(8)
PO21/2
由(8)式可见, 当温度一定时, KP3、 Csat 为一常数，当原料气选定时，PCO基本为一常数，此时炉气碳势CP就可以通过测量和调节炉气的氧含量PO2来控制，这就是利用氧势法控制碳势的理论基础。
但是从反应式（1）-（3）式可知，碳势CP不仅与使用原料气的种类（PCO、PH2不同）有关还与PCH4的渗碳反应有关，PCH4取决于原料气种类及滴量或流量的多少，因此为了准确的控制碳势而又不增加成分分析仪器的情况下，在建立数学模型时，设计了两个修正系数：工艺修正系数PF及反应平衡系数EF， 以综合除了温度T及氧分压PO2以外的各种因素的影响。
工艺修正系数PF：可以在线修正碳势，计算方法见后页。
反应平衡系数EF：该系数与原料气的种类、供给方法、传递速度有关，计算机已经设定好，当原料气选定EF为一常数。
氧分压PO2的测量，可以采用直接插入炉内的氧探头作为传感器，它可以将PO2变成电信号输出EO2，上述碳势可由下式表示:
CP = f (T、EO2、PF、) ------------------------------（9）
基于以上原理建立的碳势控制数学模型，对于每一台炉子只要简单地测量其PF值，在830 ℃~ 950℃的温度范围内，都可以将碳势CP控制精度在±0.05%C的范围内。就可以达到工件层深控制精度在±0.1mm，表面碳浓度的控制精度在±0.05%C和碳化物等级控制精度±1级的范围内。
对于合金钢渗碳，由于合金元素的种类和含量的不同，在同一碳势下，其表面的碳浓度势不同的，例如：Cr、Mn、Mo等元素对碳的亲和力大，很容易形成碳化物；而Ni、Si等元素对碳的亲和力不大，因此，在同一碳势控制下，含Cr、Mn、Mo元素的钢种比含Ni、Si元素的钢种表面碳浓度要高，因此 为了直接控制不同钢种的表面碳浓度，我们采用S.Gunnarson 导出的关于碳势CP与各种合金钢平衡碳浓度CL的近似方程式:
㏒（CL / CP） = 0.013% Mn＋0.040%% Cr＋0.013%Mo－0.055%Si－0.014%Ni
---------------（10）
现在将CL / CP = fe 称之为合金系数, 因此只要已知钢种的合金含量,就可以计算出fe, 然后通过CL = fe ×CP，就可以计算出表面碳浓度。达到通过控制炉气碳势来控制不同钢种的表面碳浓度的目的。另外由于上述是近似方程式，而且在工件渗碳时，不可能达到平衡状态，因此上述计算可能有偏差，我们在计算机内加了一个合金系数的修正系数
2，自适应控制渗层碳浓度分布数学模型的建立
本公司的控制软件除了控制炉气碳势及表面碳浓度外，还可以控制渗层深度及沿层深的碳浓度分布。该数学模型的建立的理论基础是可以用热力学的扩散第二定律来描述。也就是气相 — 气相；气相—固相（工件表面）；固相—固相三者之间碳原子传递的数学模型如下：
Эc/ Эt = DЭ2c/Эx2 扩散方程
 β（CP－C0，t）= - DЭc/Эx X=0 （外边界条件）
C（∞，t）= C0 （内边界条件）
C（x，0）= C0 （起始条件）
对上述方程求解（为了提高渗碳速度，采用强渗、扩散两段渗碳工艺），得出任何时间、任何深度的碳浓度由下式表示：
 C（x，t）= C0 ＋（CP1－C0）{erfc（x/2√Dt1 ）－exp[（βx＋β2t1）/D]
   erfc（x/2√Dt1＋K√t1/√D ）}
 ＋（CP2－C P1）{erfc（x/2√Dt2 ）－exp[（βx＋β2t2）/D]
   erfc（x/2√Dt2＋K√t2/√D ）} 上述符号代表如下：
C（x，t）— 时间t，距离x处得碳浓度
C0 — 钢种的原始含碳量
CP1 、CP2— 分别为强渗及扩散期的碳势
t1 、t2 — 分别代表强渗及扩散期的时间
x — 离表面的距离（渗碳表面在任意时间t的深度）
β — 气相与工件表面之间碳的传递系数
D — 碳在奥氏体钢中的扩散系数
erfc — 共轭误差函数
以上联合方程组，用计算机求解。系统采集炉温热电偶电势和炉气氧电势信号，得知炉温和炉气碳势，再求解以上方程，就可以得到当前时刻沿深度的碳浓度分布、表面碳浓度及渗层深度。
- 氧探头作为传感器通过测量炉气氧气分压的原理
氧探头主要是由氧化锆固态电解质、内外电极、瓷管等组成的氧浓差电池，它在高温下，氧浓差电池的输出信号（mv）与炉气中氧分压有一定的函数关系，而炉气中氧分压与碳势又有一定的数学关系，因此可以通过测量炉气氧气分压，来间接测量炉气碳势。以下简要说明氧探头测量炉气氧气分压原理
氧探头实际上是一种高温电化学电池，也称之为氧电池。它主要是由固态电解质及内外电极所组成，固态电解质采用氧化锆（ZrO2）为基本材料，再加入少量的氧化钙等稳定剂，成型后，在高温烧结而成。其形状有管状、片状、柱状、球状等。固态电解质要求不漏气，而具有氧离子的导电功能，也就是在高温下只允许氧离子通过，不允许氧气（分子）通过。氧探头的内电极充以空气作为参比气。现以固态电解质为球状为例,其结构示意图如下:
当氧探头插入高温渗碳炉时，由于内外电极氧气的浓度不同而产生了电动势，
在内电极（充以空气，含21%O2）一侧，将得到电子形成氧离子，通过固态电解质进入外电极（炉气，氧分压很低），氧离子再放出电子变成氧分子：
内电极（阴极）：1/2 O2 + 2e → O2- （得电子）
外电极（阳极）： O2- - 2e → O2 （放电子）
上述反应氧电池的电动势，可以由Nernst方程来计算：
RT PO2 RT PO2
E（氧势） = —— In —— = 2.303 —— Ig ——
nF Pref nF Pref
式中 n — 1克分子(mol)氧参加反应的电子数目（n = 4）
R — 气体常数8.314J/(mol.K)
T — 绝对温度K
PO2—— 炉气的氧分压
Pref —参比气（空气）的氧分压（0.21）
将上述数值代入上式得下式:
E（氧势）= 4.96×10-2T Ig PO2/ 0.21
由上式可见: 通过氧探头测量炉气中的氧势(E),就可以测量炉气中的氧分压
三，计算机工艺过程控制的设计
机械零件渗碳/碳氮共渗热处理的最终目的是要达到：在零件表面获得所要求的表面碳浓度（或碳化物等级）；硬化层深度以及沿硬化层深度最佳的碳浓度分布。因此工艺过程控制的设计包括渗碳温度、淬火温度、均温时间等。在整个渗碳过程中对温度及碳势的调整必须服从上述目的，并使整个过程自动化。
本系统利用计算机系统的快速计算和控制的功能，采用自适应控制法，按照零件的技术要求（表面碳浓度、渗层深度、碳浓度分布等）对渗碳/碳氮共渗的工艺全过程（从入炉到出炉）的炉温、炉气碳势、时间进行连续自适应调节，最大限度的消除人为误差，提高工艺的重现性。
为了达到上述目的，本控制软件有全自适应和阶段自自适应控制两种版本
以下分别简要说明：
- 全自适应控制的设计
温度调节设计了升温—到温后零件均温—保温进行渗碳/碳氮共渗—淬火前降温—淬火前保温—保温结束等阶段。
碳势调节设计了排气—高碳势阶段，使零件表面碳浓度升高—自适应调节阶段，使工件表面碳浓度保持在允许最高值—工件表面碳浓度予调整（予扩散）—工件表面碳浓度最终调整（最终扩散）到表面所要求的碳浓度。现简要说明如下：
（1）排气阶段（以滴注式甲醇、煤油为例）
当工件装入炉内后，炉子开始升温，就进入了排气阶段（打开大排气孔），当炉温升到750℃时，甲醇电磁阀自动打开滴入甲醇（滴量根据炉体容量而定，原则是炉气为正压），当炉温升到800℃时，煤油电磁阀自动开始打开滴入煤油，在此期间要尽可能缩短排气时间，排尽炉内空气，建立较高的炉气碳势。当炉温达到渗碳温度并且均温时间到，系统鸣铃并在显示屏上提示关大排气孔。关孔后炉气碳势迅速上升，直到炉气碳势达到允许的最高值，（Cgman）系统进入第2阶段。
（2）高碳势、工件表面碳浓度提升阶段
在本阶段，炉气碳势保持在允许的最高值，工件表面的碳浓度迅速升高，直到工件表面的碳浓度达到允许的最高值（Csmax），系统进入第3阶段。
（3）自适控制强渗阶段
在本阶段，计算机不断的调整炉气碳势，将工件表面碳浓度保持在允许的最高值，在强渗阶段，既能保证工件表面不发生碳化物析出，又能以最大的浓度剃度向内部扩散，提高渗碳速度。当达到以下条件时，系统将自动转入第4阶段—予扩散阶段：
Dp（SV） – Dp（PV）≤ ΔA
上式中：
Dp（SV）：设定的渗碳层深度；
Dp（PV）：当前渗碳层深度（计算机显示值）
ΔA：进入扩散阶段的层深提前量。
（4）予扩散阶段
此阶段逐渐降低炉气碳势，使工件表面碳含量逐渐接近并稍高于最终要求的数值，为下一阶段调节最终要求的表面碳浓度创造条件。在此阶段计算机增加对工件硬化层内的碳浓度分布曲线的形状的控制，适时调节炉气碳势。当达到以下条件时，系统将自动转入第5阶段—最终扩散阶段：
Dp（SV） – Dp（PV）≤ ΔB
上式中：
Dp（SV）：设定的渗碳层深度；
Dp（PV）：当前渗碳层深度（计算机显示值）
ΔB：进入最终扩散阶段的层深提前量。
（5）最终扩散阶段
在此阶段，系统以工件表面碳含量最终要求为目标调节炉气碳势，直至满足以下四个条件，可以出炉：
[1]，工件表面碳浓度达到设定值；
[2]，工件硬化层深度达到设定值；
[3]，工件硬化层内的碳浓度分布曲线达到要求的“S”形状；
[4]，工件淬火前均温时间到。
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