可控气氛渗碳炉碳势波动故障分析

董国节

(中车戚墅堰机车车辆工艺研究所有限公司 江苏 常州 213011)

可控气氛渗碳炉碳势波动故障分析

董国节

(中车戚墅堰机车车辆工艺研究所有限公司 江苏 常州 213011)

碳势值的波动直接影响到炉内含碳量的高低，导致产品质量受到影响。碳控仪表显示的碳势值，由炉温、CO值、氧探头mV值与相应的系数计算生成，查找碳势波动可以从这三点入手检修。

可控气氛渗碳炉；碳势；波动；氧探头

Ipsen多用炉生产线由多用炉、清洗机、回火炉、料车、装料平台等组成，适用于小批量、多品种、多工艺联合生产，可以完成各种齿轮的无氧化淬火、渗碳、碳氮共渗、退火、回火等工艺。操作时可通过上位机carb-o-profⅢ软件编辑工艺参数，工艺参数主要有温度、时间、气氛、流量、压力等。

1 设备渗碳工艺

多用炉气氛以氮+甲醇为载气，调节进入炉内的富化气丙烷和空气来控制炉气氛的碳势，用于有气氛循环的温度在800～1 100 ℃范围内的周期作业炉中进行渗碳、碳氮共渗。

在炉室上方垂直安装了1只特殊的氧探头，以测定该处炉气氧势的变化，探头表面含有的物质其特性与工件表面上的物质类似，保证了探头上氧势的变化能够反映出工件表面吸收碳后出现的变化，此对应关系不受原来是否从CO或CH4气体中分解出的碳的影响。根据氧探头的测定，炉气的CO浓度和炉温，计算机计算出反应气体与空气混合后的碳势，预先调好工艺氮气和甲醇的流量并保持。当炉内碳势低于工艺要求，富化气管路电磁阀打开，使富化气进入炉内提高碳势；当碳势高于工艺要求时，则空气管路电磁阀打开，使空气进入炉内，降低炉内碳势直到满足工艺对碳势的要求。

2 故障现象

多用炉加热到安全温度(750 ℃以上)后启动保护气氛，当到达设定的温度及碳势1 h后，操作工用钢薄片定碳w(C)=0.78%时，发现高于碳控仪表显示数值w(C)=0.70%±0.05%且碳势曲线波动大。操作工首先调整校正系数，再次定碳w(C)=0.78%没有改变，且工件在炉内执行完工艺后，出炉发现工件表面有积碳，表面碳含量超标，操作工随之报修。

3 现场诊断

(1)维修人员到现场后确认各供气流量稳定且数值正确：甲醇4 L/h、氮气4 m3/h、氧探头参比气20 mL/min固定值，确认碳势的控制没有问题，低于设定碳势时通入富化气丙烷0.3～0.5 m3/h，反之通入空气0.6～0.8 m3/h。

(2)碳势值由炉温、CO分析仪数值、氧探头氧电势mV值3个参数计算得出，只要其中1个参数出现波动，就会引起最终碳势值的波动。

(3)如炉温存在波动，应检查热电偶偶芯、接线端是否牢固可靠。炉温可以通过温控仪显示，也可用万用表测量热电偶输出的热电势值，多用炉使用K型热电偶，每100 ℃电势值为4.095 mV，如果是860 ℃热电偶，输出的电势值为35.217 ×(1±0.0075 )mV，电势值波动很大时可以考虑更换热电偶，经维修人员检查，炉温不存在波动。

(4)CO分析仪用来分析炉内气体CO的含量，按照一定的比例通入各气氛，炉内的CO含量应在20%，如果波动太大或数值偏低，应检查CO分析仪取气的流量是否正常(1.2～2.0 L/min)，保证供气管路密封不泄漏。经维修人员检查以上均正常。

(5)氧探头(见图1)是测量气氛中氧气浓度的检测传感器。由于可控气氛的碳势与微量组分氧气浓度存在对应关系，氧含量越低碳势值越高，因此用氧探头测量碳势。氧探头mV值波动大，先排除信号转换器和线路问题，断开与氧探头连接的线路，使用万用表直接测量氧探头的输出端，经检查mV值存在波动，可判定信号转换器和线路正常。关闭参比气30 s，检查氧探头mV值是否下降超过5 mV，如果mV值骤降可判定氧探头内部氧化锆管破裂，关闭参比气，mV值下降没有超过5 mV仍存在波动，可以判定氧化锆管没有破裂。到这一步能用的测试方法基本用完，问题仍未解决。检查氧探头烧碳/参比气控制装置(见图2)，参比气流量稳定，数值正常(20 mL/min)，由于不在烧碳时间，烧碳流量为零，属于正常。氧探头烧碳/参比气控制装置显示一切都正常，但结合以上诊断排除了温度、CO分析仪、氧探头的故障，问题应该就出在烧碳/参比气控制装置。

图1 氧探头

图2 烧碳/参比气控制装置

(6)明确目标后继续深入查找，烧碳/参比气控制装置作为氧探头的附件起到2个作用：一是给氧探头内部氧化锆管提供空气作为参比气，与炉气进行比较；二是作为氧探头的维护工具完成间隔烧碳任务，每隔4 h就会执行1～1.5 min的烧碳工作，气体按一定的流量通入氧探头的外金属与氧化锆管间的夹层中，去除氧探头电极处的积碳，使整个氧探头电势值下降，一般认为电势值下降至800 mV以下才算完成一次成功的烧碳。

通过供气阻断法，查找出了氧探头电势值波动的根源，烧碳供气通断是用电磁阀控制的，电磁阀没有关闭到位导致极小的气体渗入氧探头的外金属与氧化锆管间的夹层中，使得电势值忽上忽下，同时因为气体流量过小，烧碳流量计也反映不出流量，造成了表面完好的假象。

4 故障的解决

拆下损坏的电磁阀，发现电磁阀闭合时是采用活塞式推力密封的，前段采用橡胶材质制作的推头封住出气口。检查发现出气口堆积了较多的灰尘，导致气体泄漏。清理出气口灰尘再组装电磁阀安装至设备，并在供气管路中添加过滤器。建立气氛观察氧探头电势值及碳势值均稳定，之后空炉做钢薄片定碳设定w(C)=0.70%，定碳数值为w(C)=0.71%，设备恢复正常使用。□

(编辑：林素珍)

2095-5251(2016)05-0041-02

2015-06-01

董国节(1988-)，男， 大专学历,高级技师,从事设备维修工作。

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