Устройство для регулирования углеродного потенциала печной атмосферы Советский патент 1992 года по МПК C21D1/76 

Изобретение относится к неорганической химии, в частности к устройствам для термической обработки изделий в контролируемой атмосфере, а более конкретно к устройствам для химико-термической обработки изделий (например, цементации или нитроцементации), применяемых, например, в машиностроении.

Известно устройство для регулирования углеродного потенциала, содержащее твердоэлектролитный датчик, регулятор состава газа, исполнительный механизм с регулирующим органом. Устройство также снабжено термопарой и блоком деления, к входам которого подключены электроды термопары и датчика, а выход подключен к входу регулятора состава газа, при этом термопара установлена в трубке датчика и один из ее электродов использован в качестве электрода датчика.

Известно устройство для регулирования углеродного потенциала печной атмосферы, выбранное в качестве прототипа, содержащее датчик температуры печи, выносной твердоэлектролитный датчик углеродного потенциала, соединенный с вычислителем углеродного потенциала, за- датчик углеродного потенциала, регулятор углеродного потенциала, соединенный с регулирующим органом через исполнительный механизм.

Недостатком известного устройства является низкий срок службы выносного твер- доэлектролитного датчика.

Целью изобретения является повышение срока службы выносного твердоэлект- ролитного датчика.

Поставленная цель достигается тем, что устройство для регулирования углеродного потенциала печной атмосферы, содержаю

щее датчик температуры печи, выносной твердоэлектролитный датчик углеродного потенциала, соединенный с вычислителем углеродного потенциала, задатчик углеродного потенциала, регулятор углеродного по- 5 тенциала, соединенный с регулирующим органом через исполнительный механизм,, снабжено блоком сравнения и сигнализации, регулятором температуры, сумматором, задатчиком легирования, первым 10 усилителем, вторым усилителем, источником напряжения, а твердоэлектролитный датчик снабжен нагревателем и термопа- рой, причем датчик температуры соединен с первым входом блока сравнения и сигна- 15 лизации, второй вход которого соединен с выходом сумматора, первый вход сумматора соединен с задатчиком углеродного потенциала через первый усилитель, второй вход сумматора соединен с задатчиком ле- 20 гирования через второй усилитель, третий вход сумматора соединен с источником напряжения, регулятор температуры соединен первым входом с сумматором, вторым входом - с термопарой, первым выходом - с нагревателем, а вторым выходом - с вы- 25 числителем углеродного потенциала, выход которого соединен с первым входом регулятора углеродного потенциала, второй выход которого соединен с задатчиком углеродного потенциала.30

На чертеже представлена блок-схема устройства для регулирования углеродного потенциала печной атмосферы.

Устройство для регулирования углеродного потенциала печной атмосферы содер- 35 жит датчик 1 температуры печи 2, выносной твердоэлектролитный датчик 3 углеродного потенциала, соединенный с вычислителем А углеродного потенциала, задатчик 5 углеродного потенциала, регулятор 6 углерод- 40 ного потенциала, соединенный с регулирующим органом 7, 8 через исполнительный механизм.

Устройство для регулирования углеродного потенциала печной атмосферы снаб- 45 жено блоком 9 сравнения и сигнализации, сумматором 10, задатчиком легирования 11, первым 12 и вторым 13 усилителем, источником напряжения 14. Твердоэлектролитный датчик 3 содержит нагреватель 15 и 50 термопару 16, а также чувствительную ячейку 17 и два электрода 18, 19. Кроме того, устройство содержит регулятор температуры датчика 20.

Устройство для регулирования углерод- 55 ного потенциала печной атмосферы работает следующим образом,

Процесс химико-термической обработки стальных деталей (например, цементация, нитроцементация, закалка и спекание) проводят в печи 2 при 800-1250°С, при этом используют атмосферы на базе эндогаза с углеводородной добавкой, состав которой 0-1,0% СОа; 15-20% СО суглеродным потенциалом от 0,5 до предела растворимости углерода в легированном аустените.

Углеродный потенциал в печи 2 измеряется с помощью выносного твердоэлектро- литного кислородного датчика 3, принцип действия которого основан на изменении температуры и ЭДС, возникающей между двумя электродами 18, 19 вследствие диффузии ионов кислорода.

Регулятор температуры 20 предназначен для поддержания температуры выносного твердоэлектролитного кислородного датчика 3 на уровне, определяемом сигналом ТПр. Этот сигнал поступает на входе регулятора температуры 20 от сумматора 10. Сигнал термопары 16, пропорциональный температуре выносного твердоэлектро- литного кислородного датчика 3 (Тд), поступает на вход регулятора температуры 20 и преобразуется им в информативный. Сигнал с сумматора 10 (ТПр) сравнивается с сигналом температуры выносного твердоэлектролитного кислородного датчика 3 (Тд). В случае неравенства этих двух сигналов с первого управляющего выхода регулятора температуры 20 производится коррекция мощности нагревателя 15 по одному из известных способов, в частности позиционным или ПИ-регулированием,

Информативный сигнал, пропорциональный температуре выносного твердоэлектролитного кислородного датчика 3, поступает на второй вход вычислителя 4 углеродного потенциала, на первый вход которого поступает ЭДС с выносного твердоэлектролитного кислородного датчика 3. Сигнал вычислителя 4 углеродного потенциала пропорционален значению углеродного потенциала печи 2.

Сигнал с датчика 1 температуры печи 2 при Т$Тпр формирует логический сигнал для оператора (например, световой или звуковой), указывающий на уменьшение заданного значения углеродного потенциала в печи. При сигнал отсутствует.

С этой целью на первый вход блока 9 сравнения и сигнализации поступает сигнал, пропорциональный температуре печи от датчика 1 температуры печи, а на второй вход блока 9 сравнения и сигнализации поступает сигнал., пропорциональный ТПр, от сумматора 10, который соответствует границе у-области на диаграмме железо - углерод в легированном аустените.

Значение Тпр в данном устройстве определяется в соответствии с формулой

Тпр а1+Сзад 32+аз(М ,0), (1) , ( /) где ,2 К;

,4 К/мае. %; ,7К;

f - коэффициент легирования, б/р;

Сзад - заданное значение углеродного потенциала, мас.%.

Вычисление сигнала ТПр осуществляется следующим образом. На первый вход сумматора 10 поступает постоянный сигнал источника напряжения 14, пропорциональный величине ai. Сигнал задатчика 5 углеродного потенциала Сзад поступает на вход первого усилителя 12, откуда в виде С3ад«а2 поступает на второй вход сумматора 10. На третий вход сумматора 10 от задатчика легирования 11 через второй усилитель 13 поступает сигнал, пропорциональный величине аз-(М,0). Сумматор 10 производит сложение трех сигналов в соответствии с формулой (1).

Регулятор углеродного потенциала 6 осуществляет сравнение двух сигналов: поступающего на первый вход регулятора углеродного потенциала б сигнала с вычислителя 4 углеродного потенциала, пропорционального углеродному потенциалу печи (Спечи), и поступающего на второй вход регулятора углеродного потенциала 6 сигнала, пропорционального заданному значению углеродного потенциала, с зада- тика углеродного потенциала 5. В случае отклонения сигнала углеродного потенциала печи (Спечи) от заданного значения углеродного потенциала Сзад регулятор углеродного потенциала 6 изменяет добавку углеродного газа, например метана, следующим образом: при Спечи С3ад добавка уменьшается, а при Спечи Сзад добавка увеличивается, наконец при СПечи Сзад добавка не изменяется.

Исследования проводились на печи СНЗ-4.8.2,5/10, температура печи достигала 950 ±10°С. В результате исследования

было выявлено, что благодаря снижению вероятности образования карбидной сетки в изделиях повышается долговечность обрабатываемых изделий. Углеродный потенциал достигает предела растворимости

углерода в легированном аустените процесс массообмена интенсифицируется, за счет чего увеличивается производительность печи. Также увеличивается срок службы выносноготвердоэлектролитного

кислородного датчика.

Формула изобретения Устройство для регулирования углеродного потенциала печной атмосферы, содержащее датчик температуры печи, выносной

твердоэлектролитный датчик углеродного потенциала, соединенный с вычислителем углеродного потенциала, задатчик углеродного потенциала, регулятор углеродного потенциала, соединенный с регулирующим

органом через исполнительный механизм, отличающееся тем, что, с целью повышения срока службы выносного твердоэлектролитного датчика углеродного потенциала, оно снабжено блоком сравнения

и сигнализации, регулятором температуры, сумматором, задзтчиком легирования, первым усглителем, вторым усилителем, источником напряжения, а твердоэлектролитный датч ик снабжен нагревателем и термопарой, причем датчик температуры соединен с первым входом блока сравнения и сигнализации, второй вход которого соединен с выходом сумматора, первый вход сумматора соединен с задатчиком углеродного потенциала через первый усилитель, второй вход сумматора соединен с задатчиком легирования через второй усилитель, третий вход сумматора соединен с источником напряжения, регулятор температуры соединен первым входом с сумматором, вторым входом - с термопарой, первым выходом - с нагревателем, а вторым выходом - с вычислителем углеродного потенциала, выход которого соединен с первым бходом регулятора углеродного потенциала, второй вход которого соединен с задатчиком углеродного потенциала.

Изобретение относится к неорганической химии, в частности к устройствам для термической обработки изделий в контролируемой атмосфере, а более конкретно к устройствам для химико-термической обработки изделий (например, цементации или нитроцементации), применяемым, например, в машиностроении. Сущность изобретения: твердоэлектролитный датчик углеродного потенциала предварительно нагревают до температуры, которая опреде- ляется следующим соотношением: Т,|р-а1+Сзал«а2+аз(М,0), где ,2 К; ,4 К/мае. %; ,7 К; f - коэффициент легирования, б/р; измеряют его температуру и ЭДС, по величине которых определяют величину углеродного потенциала печи, и в случае отклонения этой величины от заданной изменяют состав атмосферы. 1 ил.

QO