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氮化炉技术比较

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氮化炉技术比较

发布日期:2018-03-17 作者:江苏益科热处理设备太阳城娱乐APP下载 点击:

从布置方式、装炉方式、冷却方式、温控方案、氮化工艺方案及环保节能特点等方面对氮化炉技术做了分析比较,指出了各种方案的优缺点。

    氮化是指在一定温度下一定介质中使氮原子渗入工件表层的热处理工艺。该工艺可以显著提高钢工件的表面硬度、耐磨损性、耐疲劳性和耐腐蚀性,在动力、机床、石化、机械、模具等行业应用十分广泛。国内氮化炉目前主要有井式炉、罩式炉和卧式炉三种,本文针对不同炉型在布置方式、冷却方式、氮化工艺及控制策略,进行了分析比较。


一、布置方式比较

国内氮化炉目前普遍应用的是井式炉。井式炉主要结构部件由炉壳、炉衬、加热元件、波纹马弗、波纹导风筒、炉盖及其它辅助设施组成,炉体布置在地下,节约空间,但后期维护成本高。罩式炉主要结构件部分由加热罩、内罩及导流筒、炉台及底座、冷却罩及其它辅助设施组成,布置于地面以上,炉体承重能力强。卧式炉采用抽屉式装炉方式,装炉量最大不超过2.5吨,但容易实现装出炉的自动化操作。由此看,不同炉型的优缺点都比较明显,具体炉型选择需要根据使用要求具体确定。

二、装炉方式比较

井式炉要先将模具在地面上装到料架上,再将料架整体吊装到井内。罩式炉装炉在地面操作,只需要利用吊车或叉车将模具一件一件吊装到料架上,然后加盖氮化炉罩即可,装炉比井式炉简单方便一些。卧式炉可以通过机械化手段实现自动装出炉,仅需将工件装入或吊出工作台即可,操作最简便,但辅助设施占地面积稍大。

三、冷却方式比较

国内的井式炉主要采用随炉冷却方式,工作在完成氮化后停止加热和保温,随同炉体进行自然降温,并且在冷却过程没有氮气保护措施,冷却效率低,且在冷却过程中易发生氧化现象,影响模具表面的硬度及耐磨性,降低氮化后的模具寿命。罩式炉在冷却过程中首先往内罩充入氮气进行保护,然后冷却风机沿切线冷却内罩,当温度降低到200℃,再以冷却水采用喷淋等方式冷却内罩到指定温度,冷却效率较高。相同工件相同重量的情况下,井式炉需48小时冷却,罩式炉需10小时冷却。卧式炉由于装炉量偏小,因此多采用充氮气直接冷却方式,冷却效率最高,对工件保护最好。

四、温控方案分析比较

(一)采用经典控制理论

该方案需要对整个氮化系统的状态方程进行辨识,用适当的数学方法分别对不同的加热区域进行状态方程的解析。对于炉体为多输入多输出的系统,各输入量的相互耦合影响很大,要针对每段温度区域得出状态方程,还要对各段之间的耦合影响进行解耦才能找出各段温度区域的控制决策。目前比较成功的仅有两段解耦,因此该方案的具体实现困难很大。

(二)采用传统PID控制

现有的多种氮化炉都是采用这种控制策略进行分段控制,实际运行证明这种控制方案无论是超调量还是稳态误差均不能满足要求,而且由于多段温度区域的相互耦合作用给PID参数的整定带来很大困难。

(三)采用智能温度控制器

这类氮化炉的温度控制器采用微处理器数字控制,采用二自由度PID控制规律,它能在线自动辨识系统我,自动进行最佳PID参数整定,提供两段目标值迁移功能,可满足两个目标值的自动调整,并具有多种自诊断和报警功能,可根据需要将输入信号调节成多种输入形式。

通过以上分析可知,智能温度控制器相对于其它两种控制方案具有更好的控制性能。

五、氮化工艺比较

国内厂家主要采用控制氨分解率来进行氮化,氨分解率一般控制在20%~41%,属于输入端控制,只能控制输入氨气的分解指标,无法控制工件具体的氮原子吸收量,因此其控制精度较低,氮化时容易出现氮化层深度不稳定或者氮化层硬度低等缺陷。不同的工件重量、表面积和材质对应的氨分解率不同,很难建立比较准确的数学模型,主要靠经验积累来确定各项工艺参数。

罩式炉和卧式炉多采用德国stange控制系统,采用专家系统确定工艺参数,采用氢探头精确控制氮势,利用各种质量流量计来控制各种工艺气体流量,可以精确控制氮化效果,属于消耗端控制。为了检测炉内的Kn、Ko,在渗氮炉上安装有双管路氢氧探头。在热处理工艺过程中,氢探头将直接检测到的氢氧气体体积浓度输送到智能控制仪上,通过SE607智能控制仪内的数学模型,计算当前的氮势和氧势,根据Kn和Ko设定值,质量流量控制系统按要求的比例向炉内输入(标准状态下的)氨气质量流量、氨分解后质量流量、空气质量流量。从而实现动态过程Kn、Ko值的自动控制。氮化层深度偏差能控制在≤610%,白亮层深度在0.02毫米以下,氮化质量稳定。

六、节能性比较

罩式炉分别配有加热罩和冷却罩,在完成氮化加热保温工艺后可以将高温的加热罩吊装到另外的罩式炉上利用伤势进行加热,能最大限度地利用余热,而井式炉受炉体结构限制无法回收利用这部分余热,因此罩式炉在节能方面大大优于井式炉和卧式炉。

七、环保性比较

氮化处理过程中加入的氨气无法完全消耗,因此对氮化废气的处理也非常重要,目前在废气处理方面各炉型无严格的区分,主要处理方式有裂解燃烧和水吸收两种方式。少量厂家采用高温裂解燃烧的方式来处理氮化过程中产生的废气,废气燃烧系统包括点燃管、截止阀、点火器、球阀等。点火器可通过选择开关实现自动、手动控制,点燃用气为民用液化气。通过燃烧炉内排出的废气所产生的高温将炉内排出残氨分解完全,确保排入大气中的气体为无害气体,能够保证车间内安全与环保要求。同时,炉内配有完善可行氮气保护系统:一旦发生电气故障时保护性气体不能及时供应,安全氮气可自动冲洗炉膛,以消除炉气爆炸的潜在危险并防止工件氧化。国内厂家多数用水来处理废气,即将废气通入到水中,利用水吸收废气形成氨水,氨水经稀释处理后外排,这种方式处理不彻底并容易形成二次污染,在车间内有时会闻到刺鼻的氨水味,对操作人员呼吸道造成损害。

八、产能比较

罩式氮化炉由于采用了罩式结构,在氮化处理结束后,调走加热罩,换上特殊设计的冷却罩,通氮气保护,采用强排风冷却至250℃以下,喷水系统喷水冷却,冷却时间可明显缩短,大大缩短了冷却工艺周期;同时高温加热罩可以立即在其它炉子上继续使用,提高了余热利用效率,节约了能源,缩短了加热工艺周期,因此设备整体生产效率大幅提高,产能较大。但若罩式炉数量较少,或为单炉配置,则该优势也不明显。

并式氮化炉虽然也采用了强制风冷,但由于采用随炉冷却方式,炉体蓄热量较大,冷却时间仍相对较长,生产效率较罩式炉低。

九、结论

通过以上比较,各类氮化炉在炉型 、运行方式、控制手段、环保节能方面存在较大差异,氮势控制方式和废气高温裂解燃烧方式具有较大的技术优势,在今后的技术应中会得到逐步推广。具体炉型选择方面,井式炉更适合于产能、氮化效果要求不高,炉子数量较少的情况,性价比优势明显;而罩式炉更适合大比量处理,炉子数量较大的情况,生产效率和节能优势明显;总之,具体炉型的选择要结合具体生产实际情况确定。


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