大型壓力容器熱處理爐有效加熱區(qū)評(píng)定

趙濱江，劉文博，劉俊偉，顧曉明

工件的熱處理保溫溫度是影響工件組織和性能的重要工藝參數(shù)之一，有效的保溫溫度才能保證產(chǎn)品的質(zhì)量，而熱處理爐有效加熱區(qū)的保溫精度則直接關(guān)系到熱處理時(shí)的保溫溫度。

我們知道，熱處理爐有效加熱區(qū)內(nèi)的溫度分布與熱處理爐結(jié)構(gòu)、爐體密封性、控制熱電偶安裝位置，以及爐內(nèi)熱循環(huán)和燃料燒嘴等關(guān)系密切。當(dāng)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行熱處理時(shí)，通常要求在有效的工作區(qū)域內(nèi)使得溫度分布均勻，并長(zhǎng)時(shí)間保持穩(wěn)定，滿足工藝要求。因此，要想對(duì)產(chǎn)品的熱處理進(jìn)行精確的控制，首先應(yīng)對(duì)熱處理爐的有效加熱區(qū)進(jìn)行測(cè)定，找出熱處理爐合格的加熱區(qū)間，保證產(chǎn)品質(zhì)量。

筆者遇到某項(xiàng)目，設(shè)備要求熱處理溫度控制在（890±14）℃進(jìn)行保溫，工件最大尺寸為φ5000mm×8600mm，該公司有較大的壓力容器熱處理爐，爐膛區(qū)尺寸為9000mm×9600mm×28000mm。從經(jīng)濟(jì)角度考慮，該公司擬采用一爐多臺(tái)產(chǎn)品進(jìn)行熱處理，先假定熱處理爐有效加熱區(qū)為7500mm×8600mm×26000mm，因此需要對(duì)這個(gè)區(qū)域進(jìn)行評(píng)定。

1.檢測(cè)方法

熱處理爐的有效加熱區(qū)，就是經(jīng)溫度檢測(cè)而確定的滿足工藝規(guī)定溫度及溫度均勻性的工作空間，我們參照GB/T9452—2012。推薦的方式：一般情況下采用空載試驗(yàn)，有特殊要求也可以裝載試驗(yàn)（半載試驗(yàn)或滿載試驗(yàn)）。本文即是采用以空載試驗(yàn)?zāi)Ｊ竭M(jìn)行，通過(guò)分布的測(cè)試點(diǎn)對(duì)此加熱區(qū)進(jìn)行檢測(cè)。

2.熱電偶的選擇與試驗(yàn)

本試驗(yàn)選擇鎳鉻-鎳硅K型熱電偶，實(shí)際產(chǎn)品要通過(guò)脈沖高能熱電偶焊機(jī)將熱電偶焊接到產(chǎn)品上?？紤]到產(chǎn)品上需要連接大量熱電偶，選用直徑0.5mm熱電偶絲，因考慮到熱處理溫度較高，且熱處理爐使用天然氣加熱，熱電偶絲暴露在此環(huán)境條件下，天然氣中的SO2等氣氛對(duì)熱電偶絲也會(huì)產(chǎn)生一定的影響，導(dǎo)致熱電偶檢定時(shí)超出范圍而不能使用。因此，對(duì)于熱電偶絲的保護(hù)套，需要進(jìn)行試驗(yàn)后選擇，試驗(yàn)溫度890℃，保溫120min。

采用的是光絲加二氧化硅套，使用后發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)890℃加熱后，以及使用過(guò)程中的拉拔等動(dòng)作，導(dǎo)致保護(hù)層損壞嚴(yán)重，露出里面光絲，在高溫下氧化（見(jiàn)圖1a和圖1b）。

使用陶瓷管保護(hù)的熱電偶絲（見(jiàn)圖2）連接處有破損發(fā)生，且由陶瓷管保護(hù)的熱電偶絲連接處有氧化現(xiàn)象。采用金屬網(wǎng)保護(hù)，其中金屬網(wǎng)又分國(guó)內(nèi)生產(chǎn)和國(guó)外進(jìn)口，經(jīng)試驗(yàn)國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的金屬網(wǎng)發(fā)生碎裂，而國(guó)外進(jìn)口金屬網(wǎng)無(wú)明顯變形，如圖3所示。

圖1 二氧化硅保護(hù)套

圖2 陶瓷保護(hù)套

我們又對(duì)金屬網(wǎng)進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的金屬網(wǎng)屬于200系列不銹鋼，耐高溫性能差，而國(guó)外生產(chǎn)的保護(hù)網(wǎng)屬于304不銹鋼，耐高溫性能較好。通過(guò)上述的試驗(yàn)，選擇304不銹鋼金屬網(wǎng)作為熱電偶絲的保護(hù)套。

3.工作區(qū)及測(cè)溫點(diǎn)分布

根據(jù)假定的測(cè)試工作區(qū)7500mm×8600mm×26000mm，參照GB/T9452—2012 熱處理爐有效加熱區(qū)測(cè)定方法，采用304不銹鋼焊接矩形測(cè)溫框架（見(jiàn)圖4），共計(jì)46個(gè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)溫，即：首尾2個(gè)矩形框架各8個(gè)點(diǎn)，中間6個(gè)矩形框架四角及中心點(diǎn)位置各設(shè)1點(diǎn)。測(cè)溫點(diǎn)均對(duì)稱分布。

4.檢測(cè)過(guò)程

（1）熱電偶 選擇K型Ⅱ級(jí)工業(yè)用熱電偶，外加304不銹鋼金屬網(wǎng)絲；檢測(cè)儀表選用某自動(dòng)化系統(tǒng)有限公司生產(chǎn)的256點(diǎn)溫度采集系統(tǒng)。檢測(cè)所用的熱電偶、溫度采集系統(tǒng)在使用前均經(jīng)過(guò)校驗(yàn)，經(jīng)檢定合格，并取得相應(yīng)的修正值。

將矩形測(cè)溫框架放入熱處理爐內(nèi)，按照上述設(shè)定的測(cè)溫點(diǎn)將熱電偶采用脈沖高能熱電偶焊機(jī)焊接到框架上，將熱電偶從測(cè)溫孔引出連接到溫度采集系統(tǒng)，測(cè)溫孔采用耐火纖維密封，由于熱處理爐通過(guò)燃料燒嘴噴火加熱，為了防止火焰直接噴射到熱電偶上，在距離噴嘴300mm處用一塊600mm×600mm的不銹鋼板擋住。準(zhǔn)備就緒后，點(diǎn)火加熱。按圖5熱處理工藝進(jìn)行試驗(yàn)。

（2）升溫階段 第一階段，從環(huán)境溫度開(kāi)始升溫，加熱速率≤80℃/h，爐內(nèi)所有熱電偶溫度差值不得大于150℃。當(dāng)最高溫度的熱電偶顯示到達(dá)500℃后，持續(xù)保溫直到所有熱電偶溫度在（500±25）℃，不允許任何熱電偶溫度加熱超過(guò)525℃、低于475℃，保溫30min。

圖3

圖4 不銹鋼測(cè)溫框架

第二階段，從500℃開(kāi)始升溫，加熱速率≤50℃/h，爐內(nèi)所有熱電偶溫度差值不得大于50℃。當(dāng)最高溫度的熱電偶顯示到達(dá)890℃后，持續(xù)保溫直到所有熱電偶溫度在（890±14）℃，不允許任何熱電偶溫度超過(guò)904℃、低于876℃。

（3）保溫階段 當(dāng)所有熱電偶溫度達(dá)到（890±14）℃時(shí)，開(kāi)始計(jì)算保溫時(shí)間，保溫時(shí)間為2h。

（4）降溫階段 第一階段，從890℃開(kāi)始冷卻到500℃，冷卻速率≤50℃/h，爐內(nèi)所有熱電偶溫度差值不得大于50℃。

第二階段，從500℃開(kāi)始冷卻，冷卻速率≤80℃/h，爐內(nèi)所有熱電偶溫度差值不得大于150℃。

（5）出爐 當(dāng)溫度≤175℃時(shí)出爐空冷。

熱處理過(guò)程中，溫度采集系統(tǒng)每分鐘5次的頻率掃描數(shù)據(jù)并記錄。時(shí)刻觀察數(shù)據(jù)，并實(shí)時(shí)分析數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)有某數(shù)值偏離較大時(shí)，及時(shí)通過(guò)手動(dòng)調(diào)節(jié)噴嘴火量大小來(lái)控制溫度值。

5.結(jié)果評(píng)定及實(shí)際應(yīng)用

圖5 熱處理工藝

熱處理過(guò)程中，需要隨時(shí)對(duì)各檢測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行觀察修正，當(dāng)熱處理自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)不能滿足工藝要求時(shí)，需要手動(dòng)進(jìn)行控制，以保證各支熱電偶溫度顯示值不要出現(xiàn)過(guò)高或過(guò)低的溫度值。熱處理進(jìn)行后，導(dǎo)出所有測(cè)試點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。繪制成曲線后，實(shí)測(cè)溫度曲線見(jiàn)圖6。

本次試驗(yàn)主要通過(guò)2個(gè)保溫點(diǎn)來(lái)檢驗(yàn)工作區(qū)的溫度均勻性，第一階段為500℃，第二階段為890℃。為了對(duì)有效加熱區(qū)進(jìn)行評(píng)定，我們對(duì)所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析統(tǒng)計(jì)，通過(guò)以下指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)：偏離度ΔT1（指保溫階段，有效區(qū)工作區(qū)內(nèi)同一時(shí)刻橫向各點(diǎn)測(cè)量值中最大值與最小值之差，ΔT1max表示最大橫向偏離），波動(dòng)度ΔT2（保溫階段，有效區(qū)工作內(nèi)同一支熱電偶不同時(shí)刻測(cè)量值中最大值與最小值之差，ΔT2max表示最大縱向波動(dòng)），均溫度Δtmax[最大均溫性，保溫階段，各點(diǎn)測(cè)量值中的最大值與最小值之差（最大值與最小值不能取自同一支熱電偶）]，其值見(jiàn)附表。

通過(guò)對(duì)比上述的試驗(yàn)結(jié)果，測(cè)試結(jié)果在工藝要求范圍內(nèi)，初步達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。在該熱處理爐通過(guò)有效加熱區(qū)的評(píng)定后，工廠重新對(duì)熱處理爐進(jìn)行了維護(hù)，改善了密封及空氣循環(huán)的條件。在對(duì)實(shí)際的產(chǎn)品進(jìn)行熱處理時(shí)，總計(jì)接了108支熱電偶，通過(guò)對(duì)熱處理過(guò)程的跟蹤及數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)在890℃保溫時(shí)，均溫度Δtmax為±11℃，熱處理結(jié)果經(jīng)驗(yàn)證完全符合工藝要求，不僅滿足了客戶的要求，而且保證了產(chǎn)品熱處理質(zhì)量，同時(shí)也提高了生產(chǎn)效率。

圖6 熱處理溫度曲線

試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表 （℃）