熱處理過程中溫度測量技術(shù)及儀表的選用

李曉仲

(天津市計量監(jiān)督監(jiān)測科學(xué)研究院 天津300192)

熱處理過程中溫度測量技術(shù)及儀表的選用

李曉仲

(天津市計量監(jiān)督監(jiān)測科學(xué)研究院 天津300192)

就溫度參數(shù)來說，測量的準確與否，直接影響到經(jīng)過熱處理工件的質(zhì)量和工藝規(guī)范的實施。結(jié)合熱處理工藝，對幾種熱處理設(shè)備的溫度測量方法進行了探討，提出了可以采用儀表的要求，對保證熱處理工件的溫度參數(shù)進行了分析和研究。

熱處理 溫度測量 儀表

0 引 言

金屬材料及熱處理加工行業(yè)研制新材料、制定新工藝、開發(fā)新產(chǎn)品(包括航空航天、冶金機械、汽車制造等)，必須借助于成分分析、參數(shù)測量等許多儀器儀表，以獲取必要的數(shù)據(jù)。熱處理的所有過程則必須依靠計量儀表來全面了解工藝的狀況并加以控制，以保證最佳工藝過程的實施，獲得盡可能高的質(zhì)量參數(shù)和經(jīng)濟指標(biāo)。用最先進的自動化儀表與設(shè)備組成自動化系統(tǒng)，對工藝參數(shù)(首選是溫度)實行準確的、自動的測量是不斷提高熱處理工藝水平的不可缺少的條件。因此對熱處理過程中溫度測量技術(shù)及儀表的選用進行研究和分析是非常必要的。

1 常用熱處理爐溫度測量方法

工件在熱處理爐中加熱時，加熱元件、爐內(nèi)介質(zhì)、爐壁、工件以及一般的感溫元件之間進行著復(fù)雜的熱交換過程。只有上述各部分之間達到熱平衡狀態(tài)，傳感器所反映的溫度參數(shù)才能認為是爐內(nèi)或工件的溫度。事實上，要使?fàn)t內(nèi)各部分達到絕對的熱平衡是不可能的，它們之間總是存在著某些溫度上的差別。爐膛溫度分布的均勻性以及感溫元件在爐膛中安裝的位置是否正確，就成為傳感器能否正確反映爐溫或者說工件溫度的重要條件。

1.1 溫度測量基本結(jié)構(gòu)

熱處理過程中的溫度測量和控制、調(diào)節(jié)是分不開的，因而與其他環(huán)節(jié)一起組成了溫度測量控制系統(tǒng)。熱處理爐溫度測量的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 鹽浴爐溫度的測量方法

鹽浴爐的加熱介質(zhì)為熔融液體，主要靠對流傳熱，因而爐膛溫度均勻性較好(大型爐膛遠離電極處的溫度比電極附近溫度稍低)。爐膛溫度即可代表工件的溫度。中溫鹽浴爐測溫一般采用熱電式溫度計，高溫鹽浴爐則采用輻射式溫度計。

圖1 爐溫自動測量系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of automatic measuring system of furnace temperature

采用熱電式溫度計測量中溫鹽浴爐溫度時，應(yīng)使用的溫度傳感器是直角式熱電偶，安裝位置如圖2所示。熱電偶的外套還必須采用不銹鋼或其他耐腐蝕、不透鹽液的材料作為保護套管。在使用過程中應(yīng)注意外力的碰撞并應(yīng)嚴格禁止急冷急熱，以防保護套管炸裂。

圖2 熱電偶安裝位置示意圖Fig.2 Schematic diagram of installation position of the thermocouple

1.3 氣體滲碳爐以及井式氮化爐溫度的測量方法

此類熱處理爐體都有耐熱鋼爐罐，罐內(nèi)放置工件，電加熱元件在爐罐外圍。爐膛的深度不同，所使用熱電偶的數(shù)目也不同，爐膛較深的爐體常用兩支或者更多支熱電偶分區(qū)測量，以提高測量結(jié)果的準確性。

1.4 箱式爐溫度的測量方法

箱式爐的電熱元件(硅碳棒或電熱絲)一般安裝在爐體側(cè)壁上，有時也安裝在爐體頂部或底板下面，根據(jù)熱處理爐設(shè)計原理，爐內(nèi)溫度一般在爐門附近最低，而在電加熱元件附近最高。爐溫的測量，一般采用接觸式方法，通常感溫元件是熱電偶傳感器。在決定傳感器安裝位置后，還要保證環(huán)境溫度的穩(wěn)定，使用熱電偶傳感器時，自由端環(huán)境溫度不應(yīng)超過100,℃。

1.5 高、中頻感應(yīng)加熱元件的溫度測量

高、中頻感應(yīng)加熱過程中，工件表面的溫度變化是十分迅速的，從環(huán)境溫度到淬火溫度所需時間為幾秒到幾十秒。為了滿足標(biāo)準要求，我們結(jié)合試驗，總結(jié)出用輻射式儀表測量，對提高熱處理質(zhì)量、保證測量準確度是頗有成效的。

2 影響測量熱處理爐溫度準確性的幾個因素

熱處理爐的溫度測量與其他工藝計量參數(shù)的測量一樣，都存在著測量誤差，我們應(yīng)該了解誤差產(chǎn)生的原因，盡量減小誤差數(shù)值，提高測溫的準確度，以保證使用熱處理爐加工的工件符合標(biāo)準規(guī)范要求。

2.1 測量溫度用儀表基本誤差的影響

基本誤差是儀表本身由于設(shè)計和制造等方面因素而必然存在的誤差。其大小由它的準確度等級來表示。測量爐溫時，測溫儀表(包括傳感器和顯示儀表)的準確度首先影響到測量的準確程度。準確度相同而測量范圍不同的儀表，產(chǎn)生的絕對誤差是不一樣的。因此，為了保證測量結(jié)果的準確，一方面要考慮儀表的準確度等級，還要盡可能選用測量范圍上限與被測溫度相近的儀表。

2.2 測量儀表環(huán)境溫度的影響

要盡可能保證測量儀表周圍環(huán)境溫度符合儀表標(biāo)準和計量檢定規(guī)程技術(shù)要求。

2.3 外界干擾的影響

這里應(yīng)充分考慮附近電磁場的干擾影響，做好防屏蔽措施，特別應(yīng)注意地線的連接。

2.4 其他影響

在爐溫測量過程中，還存在著影響測量準確性的其他因素，如傳感元件的熱惰性、試驗或連接方法不當(dāng)、外線電阻配接阻值錯誤、連接補償導(dǎo)線分度號不正確等。在考慮消除這些因素的影響時，首先應(yīng)該嚴格遵守測溫系統(tǒng)中各個環(huán)節(jié)的規(guī)范和使用技術(shù)要求；其次對具體情況要全面分析和考慮，及時找出問題癥結(jié)，根據(jù)基礎(chǔ)理論和應(yīng)用知識，通過數(shù)據(jù)計算得到正確的結(jié)論。

3 測量熱處理爐溫度選用儀表的一般原則

如前所述，爐溫儀表在滿足熱處理工藝規(guī)范要求、提高加工件質(zhì)量、節(jié)約能源、保護環(huán)境等方面，起著十分重要的作用。為此，合理選用儀表是做好熱處理工作的重要環(huán)節(jié)。爐溫儀表選用時應(yīng)考慮的因素很多，主要有：熱處理工藝規(guī)范的要求、自動化的能力、儀表的測量范圍、儀表的工作環(huán)境、節(jié)約能源和日常維護等。

4 結(jié) 語

本文結(jié)合溫度計量技術(shù)理論，對熱處理過程中測量溫度的方法進行了分析。通過對測溫儀表的選型和在測量過程中使用方法進行探討，為保證工藝參數(shù)和熱處理質(zhì)量提供了有效的方法，對其他試驗設(shè)備也有借鑒作用。

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Selection of Temperature Measurement Technology and Instrument in the Process of Heat Treatment

LI Xiaozhong
(Tianjin Institute of Metrological Supervision and Testing，Tianjin 300192，China)

The precision of temperature parameter measurement has a direct effect on the quality and the process specification of work pieces in the process of heating treatment. This paper discussed temperature measurement methods of some heat treatment equipments and presented that devices may be added. Besides，temperature parameters which guarantee the work pieces according to the requirements of certain instruments were studied.

heat treatment；temperature measurement；instrument

TH811

A

1006-8945(2014)07-0039-02

2014-06-07