CN113215519B - 一种无马弗罐碳饱和控制工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及热处理技术领域，特别涉及一种无马弗罐碳饱和控制工艺，包括以下步骤：步骤1：炉膛升温，升温时氮气、甲醇和丙烷关闭；步骤2：主控温度升温至第一设定温度范围，炉盖向上开启，且炉盖开启行程小于全开行程，进行烧碳，烧碳期间氮气、甲烷和丙烷关闭；步骤3：主控温度保持第一设定温度范围继续加热，直至区温度到达峰值并开始下降，到达峰值后延长第一设定时间再关闭炉盖，压紧安全手轮；步骤4：通入氮气保持第二设定时间，并保证炉压处在设定压力数值范围内；步骤5：主控温度控制在第二设定温度范围内，通入甲醇、丙烷，碳势下降至目标值后，饱和渗碳保持第三设定时间，本发明通过极值温度平衡来精准把控碳饱和度效果。

Description

一种无马弗罐碳饱和控制工艺

技术领域

本发明涉及热处理技术领域，特别涉及一种无马弗罐碳饱和控制工艺。

背景技术

目前渗碳热处理行业，3m直径大型井式渗碳炉主流为有马弗罐设计，通过马弗罐屏蔽加热丝与炉膛气氛，但是有马弗炉的主要缺点为马弗罐寿命到期后更换费用高且起吊操作繁琐。基于此现实成本特性，行业产生一种无马弗设计，通过W型可渗碳快冷中空加热棒设计(炉体外冷空气，通过中空加热棒以实现炉膛内渗碳工件冷却)，取消马弗罐，通过导风筒强制气氛循环，无马弗罐设计的最大优势在于没有马弗罐的巨大成本问题，但是实际使用后发现其存在一个巨大弊端，即无马弗炉的炉衬直接与渗碳气氛接触，长时间渗碳后，炉衬的疏松耐火砖内特别渗入大量碳原子，导致炉衬表面碳过饱和，过饱和的结果就是形成大量碳黑，过量碳黑导致渗碳降碳势缓慢，渗碳件容易碳化物超标，同时无马弗设计容易因炉衬欠碳而产生严重内氧化问题。

大型无马弗罐井式渗碳炉，渗碳富化气介质用量大，长时间渗碳后主要缺点如下：

(1)炉衬参与渗碳反应，容易碳过饱和，炉膛降碳势时，炉衬不断释放过饱和碳原子，降碳势缓慢，导致扩散碳势精准控制困难。

(2)中空W型加热棒接触渗碳气氛，加热棒表面富集过饱和碳黑，加热棒塑性降低，容易脆断，此时可以实现渗碳快冷的中空设计将产生一个巨大安全问题，即渗碳气氛溢出炉壳外，容易产生气爆及CO超标问题。

(3)炉口保温棉与渗碳气氛直接接触，容易积聚大量过饱和碳黑，影响扩散碳势控制精准性。

(4)由于炉衬不断释放碳原子，炉膛内碳势居高不下，氧探头容易积碳，导致氧探头碳势控制失效，容易产生碳化物超标及硬化层超标问题，同时还将腐蚀路膛内结构件，降低导风筒、加热棒、导风筒盖等的使用寿命。

常规的无马弗罐渗碳炉烧碳工艺简单，常规工艺为860℃以上，开炉盖接触控制自然燃烧数小时，此工艺存在两个明显弊端：一是燃烧时间长，成本高；二是无法精准把控碳饱和度效果，对于碳过饱和极其严重态，燃烧效果可能实现不了碳饱和；对于碳过饱和轻微态，容易燃烧过度，导致欠碳。

发明内容

为了解决现有技术存在的现有的无马弗罐不能不能精准把控碳饱和度效果的问题，本发明提供一种精准把控碳饱和度效果的无马弗罐碳饱和控制工艺。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

无马弗罐包括炉壳和位于炉壳上方的炉盖，所述的炉壳内部具有炉衬，所述炉盖下方安装有氧探头和用于测量主控温度的主控热电偶，炉衬内安装有用于测量区温度的区热电偶；一种无马弗罐碳饱和控制工艺，

包括以下步骤：

步骤1：炉膛升温，升温时氮气、甲醇和丙烷关闭；

步骤2：主控温度升温至第一设定温度范围，炉盖向上开启，且炉盖开启行程小于全开行程，优选的，炉盖向上开启至全开行程的1/2，比如，炉盖全开行程大约500，这里只开250mm，保证炉膛内的氧探头、主控热电偶以及滴注口处于空气环境下，进行烧碳，烧碳期间氮气、甲烷和丙烷关闭；

步骤3：主控温度保持第一设定温度范围继续加热，直至区温度到达峰值并开始下降，到达峰值后延长第一设定时间再关闭炉盖，压紧安全手轮；

步骤4：通入氮气保持第二设定时间，并保证炉压处在设定压力数值范围内；

步骤5：主控温度控制在第二设定温度范围内，通入甲醇、丙烷，碳势下降至目标值后，饱和渗碳保持第三设定时间。

进一步的，第一设定温度范围为930～950℃。

进一步的，第一设定时间为8～12min。

进一步的，第二设定时间为1小时以上。

进一步的，设定压力数值范围为200-400pa。

进一步的，所述的第二设定温度范围为860～950℃。

进一步的，氮气流量至少为1倍炉膛体积。

进一步的，氮气和甲醇的流量比为1:1～1.2:1。优选的，氮气：甲醇＝1.1:1。

进一步的，第三设定时间为2h。

进一步的，步骤5中，碳势CP下降至0.75～0.85％。

有益效果：

(1)通过炉内极值温度平衡时间来精准把控碳饱和度效果；

(2)本发明的碳饱和控制工艺的降碳势时间由常规的1～3h减少1h内，大幅降低生产加热成本；

(3)通过快速饱和渗碳实现精确的炉衬碳库浓度值；

(4)解决大型无马弗渗碳炉碳势控制精准性差及易内氧化问题，内氧化满足ISO6336-5-2016ME级要求；

(5)提升渗碳件渗碳碳浓度分散度及可靠性，由常规的1-4级碳化物分散度提升至稳态1级，大幅提高产品质量及其分散度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为降碳势及其控制稳态过程示意图；

图2为烧碳炉内温度变化示意图；

图3为本发明的无马弗罐碳饱和控制工艺得到的产品表面组织分散度示意图；

图4为无马弗罐内部结构示意图。

其中，1、炉衬，2、加热棒，3、导风筒，41、主控热电偶，42、区热电偶，5、氧探头，6、炉壳，7、炉盖。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

大型有马弗罐井式渗碳炉，由于积碳少，不存在过饱和碳原子问题，所以其炉膛内实现碳饱和的工艺为渗碳后840-880℃出炉时接触空气自然燃烧过饱和碳黑。大型井式无马弗炉设计渗碳炉，世界上仅奥地利一家渗碳炉制造厂商有此专利，此结构设备国内数量较少，可以精准解决此结构易碳过饱和的技术匮乏，国内也未有相关厂家可以精准控制大型无马弗罐渗碳炉碳过饱和问题。

无马弗罐内部结构如图4，包括炉壳6和位于炉壳6上方的炉盖7，炉壳6内部具有炉衬1，炉盖7下方安装有氧探头5和用于测量主控温度的主控热电偶41，炉衬1内安装有用于测量区温度的区热电偶42，其内还具有加热棒2、导风筒3等，炉膛内炉衬1等表面碳浓度存在三种状态，一为碳饱和，即无过量碳黑积聚，同时不贫碳；二为碳过饱和，即过量碳黑积聚在炉衬1、加热棒2、导风筒3等表面，将影响降碳势控制；三为碳欠饱和，即炉衬1、加热棒2、导风筒3等表面碳浓度不足，即贫碳，碳欠饱和将产生另一个问题，那就是渗碳进炉后，碳势建立极其缓慢，富化气氛主要被炉衬1、导风筒3等部件吸收，无多余碳原子参与升温排气及空气燃烧，高温下空气将于工件金属表面合金元素反应，容易导致严重内氧化产生，同时建立碳势慢也意味着加热成本增加。

本发明的碳饱和工艺：炉膛高温下，通过对外界环境空气的引入，使炉膛及氧探头5内的碳黑与空气发生反应形成碳渣等，将碳黑烧除以实现可控碳势，后立即对烧碳后炉膛进行饱和渗碳，饱和浓度值等于常规渗碳件扩散碳势值，饱和渗碳将提供炉衬1碳库基础，使后续渗碳工件碳势控制实现快速、均匀、稳定。具体步骤如下：

一种无马弗罐碳饱和控制工艺，包括以下步骤：

步骤1：炉膛升温，升温时氮气、甲醇和丙烷关闭；

步骤2：主控温度升温至第一设定温度范围，第一设定温度范围为930～950℃。炉盖7向上开启，且炉盖7开启行程小于全开行程，保证炉膛内的氧探头5、主控热电偶41以及滴注口等处于空气环境下，进行烧碳，烧碳期间氮气、甲烷和丙烷关闭；

一般加热时，要求炉盖7下降到一定位置，自动压到限位装置，此时程序获知炉盖7关闭，此时方可通电。而步骤2中炉盖7处于部分开启状态，无法压到限位装置，需要通过人工压限位限位装置，使程序感知到可以通电流加热的指示。

步骤3：主控温度保持第一设定温度范围继续加热，直至区温度到达峰值并开始下降，作为一种实施例，区温度包括三区温度，即加热棒2在炉体内上中下三区布置，就是上中下分布三圈，通过图3中的区热电偶42测量上中下三区的温度，如图2，三区温度一般会在同一时间到达峰值。到达峰值后延长第一设定时间再关闭炉盖7，第一设定时间为8～12min。

步骤4：通入氮气保持第二设定时间，氮气流量至少为1倍炉膛体积。第二设定时间为1小时以上。并保证炉压处在设定压力数值范围内；设定压力数值范围为200-400pa。

步骤5：主控温度控制在第二设定温度范围内，所述的第二设定温度范围为860～950℃。通入甲醇、丙烷，碳势CP下降至0.75～0.85％，饱和渗碳保持第三设定时间。氮气和甲醇的流量比为1:1～1.2:1。第三设定时间为2h。

本发明的无马弗罐碳饱和控制工艺降碳势时间由常规的1-3h减少至如图1的1h内，大幅降低生产加热成本；提升渗碳件渗碳碳浓度分散度及可靠性，由常规的1-4级碳化物分散度提升至如图3的稳态1级，大幅提高产品质量及其分散度。

以上，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种无马弗罐碳饱和控制工艺，其特征在于:

无马弗罐包括炉壳和位于炉壳上方的炉盖，所述的炉壳内部具有炉衬；炉盖下方安装有氧探头和用于测量主控温度的主控热电偶，炉衬内安装有用于测量区温度的区热电偶，炉衬内还具有加热棒和导风筒；

包括以下步骤：

步骤1：炉膛升温，升温时氮气、甲醇和丙烷关闭；

步骤2：炉盖下方区域的主控温度升温至第一设定温度范围，第一设定温度范围为930~950℃，炉盖向上开启，且炉盖开启行程小于全开行程，保证炉膛内的氧探头、主控热电偶以及滴注口处于空气环境下，进行烧碳，烧碳期间氮气、甲烷和丙烷关闭；

步骤3：主控温度保持第一设定温度范围继续加热，直至炉衬内部的区温度到达峰值并开始下降，到达峰值后延长第一设定时间再关闭炉盖，第一设定时间为8~12min；

步骤4：通入氮气保持第二设定时间，氮气流量至少为1倍炉膛体积，第二设定时间为1小时以上，并保证炉压处在设定压力数值范围内，设定压力数值范围为200~400pa；

步骤5：主控温度控制在第二设定温度范围内，所述的第二设定温度范围为860~950℃，通入甲醇、丙烷，氮气和甲醇的流量比为1:1~1.2:1，碳势CP下降至0.75~0.85%后，饱和渗碳保持第三设定时间，第三设定时间为2h。