井式爐廠家從布置方式、裝爐方式、冷卻方式、溫控方案、氮化工藝方案及環(huán)保節(jié)能特點等方面對氮化爐技術做了分析比較，指出了各種方案的優(yōu)缺點。

氮化是指在一定溫度下一定介質中使氮原子滲入工件表層的熱處理工藝。該工藝可以顯著提高鋼鐵工件的表面硬度、耐磨損性、耐疲勞性和耐腐蝕性，在動力、機床、石化、機械、模具等行業(yè)應用十分廣泛。國內氮化爐目前主要有井式爐、罩式爐和臥式爐三種，本文針對不同爐型在布置方式、冷卻方式、氮化工藝及控制策略，進行了分析比較。

一、布置方式比較

國內井式滲氮爐目前普遍應用的是井式爐。井式爐主要結構部件由爐殼、爐襯、加熱元件、波紋馬弗、波紋導風筒、爐蓋及其它輔助設施組成，爐體布置在地下，節(jié)約空間，但后期維護成本高。罩式爐主要結構件部分由加熱罩、內罩及導流筒、爐臺及底座、冷卻罩及其它輔助設施組成，布置于地面以上，爐體承重能力強。臥式爐采用抽屜式裝爐方式，裝爐量大不超過2.5噸，但容易實現(xiàn)裝出爐的自動化操作。由此看，不同爐型的優(yōu)缺點都比較明顯，具體爐型選擇需要根據(jù)使用要求具體確定。

二、裝爐方式比較

井式爐要先將模具在地面上裝到料架上，再將料架整體吊裝到井內。罩式爐裝爐在地面操作，只需要利用吊車或叉車將模具一件一件吊裝到料架上，然后加蓋氮化爐罩即可，裝爐比井式爐簡單方便一些。臥式爐可以通過機械化手段實現(xiàn)自動裝出爐，僅需將工件裝入或吊出工作臺即可，操作簡便，但輔助設施占地面積稍大。

三、冷卻方式比較

國內的井式爐主要采用隨爐冷卻方式，工作在完成氮化后停止加熱和保溫，隨同爐體進行自然降溫，并且在冷卻過程沒有氮氣保護措施，冷卻效率低，且在冷卻過程中易發(fā)生氧化現(xiàn)象，影響模具表面的硬度及耐磨性，降低氮化后的模具壽命。罩式爐在冷卻過程中首先往內罩充入氮氣進行保護，然后冷卻風機沿切線冷卻內罩，當溫度降低到200℃，再以冷卻水采用噴淋等方式冷卻內罩到指定溫度，冷卻效率較高。相同工件相同重量的情況下，井式爐需48小時冷卻，罩式爐需10小時冷卻。臥式爐由于裝爐量偏小，因此井式滲碳爐廠家多采用充氮氣直接冷卻方式，冷卻效率高，對工件保護好。

四、溫控方案分析比較

（一）采用經(jīng)典控制理論

該方案需要對整個氮化系統(tǒng)的狀態(tài)方程進行辨識，用適當?shù)臄?shù)學方法分別對不同的加熱區(qū)域進行狀態(tài)方程的解析。對于爐體為多輸入多輸出的系統(tǒng)，各輸入量的相互耦合影響很大，要針對每段溫度區(qū)域得出狀態(tài)方程，還要對各段之間的耦合影響進行解耦才能找出各段溫度區(qū)域的控制決策。目前比較成功的僅有兩段解耦，因此該方案的具體實現(xiàn)困難很大。

（二）采用傳統(tǒng)PID控制

現(xiàn)有的多種氮化爐都是采用這種控制策略進行分段控制，實際運行證明這種控制方案無論是超調量還是穩(wěn)態(tài)誤差均不能滿足要求，而且由于多段溫度區(qū)域的相互耦合作用給PID參數(shù)的整定帶來很大困難。

（三）采用智能溫度控制器

這類氮化爐的溫度控制器采用微處理器數(shù)字控制，采用二自由度PID控制規(guī)律，它能在線自動辨識系統(tǒng)我，自動進行PID參數(shù)整定，提供兩段目標值遷移功能，可滿足兩個目標值的自動調整，并具有多種自診斷和報警功能，可根據(jù)需要將輸入信號調節(jié)成多種輸入形式。

通過以上分析可知，智能溫度控制器相對于其它兩種控制方案具有更好的控制性能。

五、氮化工藝比較

國內廠家主要采用控制氨分解率來進行氮化，氨分解率一般控制在20%～41%，屬于輸入端控制，只能控制輸入氨氣的分解指標，無法控制工件具體的氮原子吸收量，因此其控制精度較低，氮化時容易出現(xiàn)氮化層深度不穩(wěn)定或者氮化層硬度低等缺陷。不同的工件重量、表面積和材質對應的氨分解率不同，很難建立比較準確的數(shù)學模型，主要靠經(jīng)驗積累來確定各項工藝參數(shù)。

六、節(jié)能性比較

罩式爐分別配有加熱罩和冷卻罩，在完成氮化加熱保溫工藝后可以將高溫的加熱罩吊裝到另外的罩式爐上利用傷勢進行加熱，能大限度地利用余熱，而井式爐受爐體結構限制無法回收利用這部分余熱，因此罩式爐在節(jié)能方面大大優(yōu)于井式爐和臥式爐。

七、環(huán)保性比較

氮化處理過程中加入的氨氣無法完全消耗，因此對氮化廢氣的處理也非常重要，目前在廢氣處理方面各爐型無嚴格的區(qū)分，主要處理方式有裂解燃燒和水吸收兩種方式。少量廠家采用高溫裂解燃燒的方式來處理氮化過程中產(chǎn)生的廢氣，廢氣燃燒系統(tǒng)包括點燃管、截止閥、點火器、球閥等。點火器可通過選擇開關實現(xiàn)自動、手動控制，點燃用氣為民用液化氣。通過燃燒爐內排出的廢氣所產(chǎn)生的高溫將爐內排出殘氨分解完全，確保排入大氣中的氣體為無害氣體，能夠保證車間內安全與環(huán)保要求。同時，爐內配有完善可行氮氣保護系統(tǒng)：一旦發(fā)生電氣故障時保護性氣體不能及時供應，安全氮氣可自動沖洗爐膛，以消除爐氣爆炸的潛在危險并防止工件氧化。國內廠家多數(shù)用水來處理廢氣，即將廢氣通入到水中，利用水吸收廢氣形成氨水，氨水經(jīng)稀釋處理后外排，這種方式處理不徹底并容易形成二次污染，在車間內有時會聞到刺鼻的氨水味，對操作人員呼吸道造成損害。

八、產(chǎn)能比較

罩式氮化爐由于采用了罩式結構，在氮化處理結束后，調走加熱罩，換上特殊設計的冷卻罩，通氮氣保護，采用強排風冷卻至250℃以下，噴水系統(tǒng)噴水冷卻，冷卻時間可明顯縮短，大大縮短了冷卻工藝周期；同時高溫加熱罩可以立即在其它爐子上繼續(xù)使用，提高了余熱利用效率，節(jié)約了能源，縮短了加熱工藝周期，因此設備整體生產(chǎn)效率大幅提高，產(chǎn)能較大。但若罩式爐數(shù)量較少，或為單爐配置，則該優(yōu)勢也不明顯。

并式氮化爐雖然也采用了強制風冷，但由于采用隨爐冷卻方式，爐體蓄熱量較大，冷卻時間仍相對較長，生產(chǎn)效率較罩式爐低。

九、結論

通過以上比較，各類氮化爐在爐型 、運行方式、控制手段、環(huán)保節(jié)能方面存在較大差異，氮勢控制方式和廢氣高溫裂解燃燒方式具有較大的技術優(yōu)勢，在今后的技術應中會得到逐步推廣。具體爐型選擇方面，井式爐更適合于產(chǎn)能、氮化效果要求不高，爐子數(shù)量較少的情況，性價比優(yōu)勢明顯；而罩式爐更適合大比量處理，爐子數(shù)量較大的情況，生產(chǎn)效率和節(jié)能優(yōu)勢明顯；總之，具體爐型的選擇要結合具體生產(chǎn)實際情況確定。