三區(qū)井式淬火爐溫度精度提升與分析

巢昺軒

摘 要：三區(qū)井式淬火爐由上、中、下三區(qū)分別控溫和記錄，三區(qū)的溫度容易相互影響，因此其精度很難掌控。本文對淬火爐進(jìn)行整改，通過提高爐門密封性、更換熱電偶和消除儀表偏差等，將加熱爐的溫度精度提升至標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定范圍內(nèi)。并分析了精度偏差的原因，論述了精度維護(hù)的要求，對熱處理設(shè)備的保養(yǎng)和精度校準(zhǔn)有一定指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：淬火爐；系統(tǒng)精度；設(shè)備維護(hù)

前言

熱處理工藝和產(chǎn)品質(zhì)量是靠熱處理爐溫的準(zhǔn)確測量與精密控制來保證的，有效執(zhí)行工藝又是對產(chǎn)品質(zhì)量的保證。由于每種熱處理爐的幾何尺寸、使用情況和控制設(shè)備的不同，使得儀表指示溫度與現(xiàn)場實(shí)測溫度存在差異[1]。為了確保熱處理爐溫在長期使用中的準(zhǔn)確性，應(yīng)對熱處理爐定期進(jìn)行SAT（系統(tǒng)精度測試）和TUS（爐溫均勻性測試）。

TUS是通過感溫元件對熱處理設(shè)備的工作區(qū)溫度是否均勻一致所進(jìn)行的測量，以確保待處理的零件或原材料是在規(guī)定的溫度范圍內(nèi)受熱，使其微觀組織盡可能地處于同一階段，以防止由于溫度不均勻造成材料比容差異而導(dǎo)致零件變形[2]。

采用多種措施獲得的符合工藝要求的熱處理設(shè)備，往往在運(yùn)行一段時間后，由于爐門變形、爐襯松動或微機(jī)零部件老化、靈敏度降低等原因，系統(tǒng)精度會下降，致使?fàn)t溫均勻性超差，其值可達(dá)到規(guī)定值的幾倍甚至十幾倍，這種變化是難以避免的[3]。

1.井式淬火爐的構(gòu)造

爐內(nèi)為三區(qū)控溫，使用溫度范圍700～950℃；每個加熱區(qū)分別布置兩支K型熱電偶，具有熱電勢效率高、靈敏度高和穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。為了減少測量誤差，熱電偶的插入爐膛深度一般不能太淺，大約80～100mm，以保證測溫的準(zhǔn)確性；但也不能太深，以免與裝爐工件相干擾[4]。爐膛外面為耐熱鋼板，內(nèi)部為耐火纖維保溫棉，由電阻絲加熱保溫。

2.溫度精度偏差分析與整改

在近期爐溫均勻性和系統(tǒng)精度測試中，發(fā)現(xiàn)加熱區(qū)的均勻性和系統(tǒng)精度均遠(yuǎn)超出了標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的±10℃和±2.2℃（0.4%）。需立即對加熱爐進(jìn)行故障排查，系統(tǒng)精度偏差與爐膛保溫效果、儀表誤差和熱電偶精度等有關(guān)。

2.1爐膛保溫效果的影響

當(dāng)發(fā)熱件損壞、控溫系統(tǒng)失控、加熱爐自身故障或爐門密封不嚴(yán)時均會影響爐膛保溫效果。淬火爐的三相電流表在全功率升溫及保溫階段指針的擺動均一致，可以斷定發(fā)熱件是完好的；在更換精密控溫表歐陸3208后，可排除控溫的影響。淬火爐大修改造后，重新布置了爐膛內(nèi)的加熱電阻絲，將耐火磚更換為輕質(zhì)耐火保溫棉，其導(dǎo)熱系數(shù)小，具有良好的絕熱保溫性能[5]。井式爐在使用過程中，爐殼表面溫度≤50℃，可知其爐膛的保溫效果很好。

上、下區(qū)精度偏差較中區(qū)大，原因是爐子長期未使用底部潮氣重，可以通過適當(dāng)延長保溫時間消除。由于裝出料原因，爐門和爐門框之間經(jīng)常有相對運(yùn)動，導(dǎo)致爐門處的密封保溫棉損壞掉落，降低密封性[6]。因此對爐門密封和傳動機(jī)構(gòu)進(jìn)行整改完善，使用耐火保溫棉進(jìn)行包裹，提高保溫效果。

2.2儀表誤差的影響

為了確定儀表誤差，用標(biāo)準(zhǔn)儀表對控溫和記錄儀表進(jìn)行校驗(yàn)。三區(qū)儀表在不同溫度下的偏差，記錄儀表的偏差要大于控溫，原因是使用年限較長，精度下降。將控溫表更換為歐陸3208、記錄儀表消除偏差即可。

2.3熱電偶精度的影響

檢查中，發(fā)現(xiàn)熱電偶的接頭和補(bǔ)償導(dǎo)線有大量油污和銹蝕、局部彎曲變形，相同控溫區(qū)的兩支熱電偶插入深度不一長期在爐內(nèi)隨爐膛升溫、冷卻，其內(nèi)部的晶粒大小和組織也會隨之致；同時熱電偶變化，這些都會導(dǎo)致熱電偶精度下降[7]。

3.溫度精度測試與分析

在改造爐膛密封性、調(diào)整儀表偏差和更換熱電偶之后，采用N型標(biāo)準(zhǔn)偶對爐膛三區(qū)進(jìn)行爐溫均勻性和系統(tǒng)精度檢測，測試溫度點(diǎn)分別為700℃、850℃和950℃。

3.1系統(tǒng)精度測試與分析

選用的標(biāo)準(zhǔn)測試偶誤差所示進(jìn)行系統(tǒng)精度測試，測試偶與控溫偶距離保持在76mm以內(nèi)。待爐內(nèi)溫度穩(wěn)定后，用巡檢儀每隔2min隨機(jī)讀取所有測試熱電偶的數(shù)據(jù)。將其與同時間點(diǎn)的控溫和記錄儀表讀數(shù)相比，選擇偏差值最大的一組數(shù)據(jù)做精度分析。

將修正后的控溫和記錄儀表讀數(shù)與修正后的測試儀表讀數(shù)進(jìn)行對比，可以對加熱爐的系統(tǒng)精度進(jìn)行分析。系統(tǒng)精度分別滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的±2.8℃、±3.4℃和±3.8℃要求；隨著加熱溫度的升高和保溫時間的延長，精度偏差值均有所減小，以下區(qū)最為明顯；這可能是爐膛長期未使用底部吸潮，隨著加熱的進(jìn)行潮氣逐漸消除，精度恢復(fù)。在三區(qū)中，下區(qū)精度最佳，上區(qū)其次，而中區(qū)偏差最大，這與三區(qū)熱處理爐的結(jié)構(gòu)和加熱特性有關(guān)。爐內(nèi)不帶有熱循環(huán)風(fēng)扇裝置，加熱時下區(qū)的熱量會向上擴(kuò)散；上區(qū)密封性較好時，熱量達(dá)到飽和后會趨于穩(wěn)定；而中區(qū)熱量的對流、傳導(dǎo)和輻射最為強(qiáng)烈，進(jìn)而導(dǎo)致精度偏差較大[6]。熱處理淬火爐的實(shí)際加熱區(qū)的溫度，從時間上講具有動態(tài)特性，容積越大滯后越大，溫度上升和下降具有嚴(yán)重的不對稱性，低溫時尤其如此，因此700℃時精度偏差最大；在高溫階段，純滯后顯著降低，因此950℃時精度偏差最小。

3.2爐溫均勻性測試與分析

采用符合標(biāo)準(zhǔn)并校驗(yàn)合格的N型測溫?zé)犭娕?，分別在700℃、850℃、950℃對加熱爐進(jìn)行爐溫均勻性測試。一般來說，爐膛的尺寸越小，密封保溫性能越好；爐內(nèi)傳熱越好、使用溫度越高，爐溫均勻性就越好。對于井式電阻爐，一般中部溫度較上部和下部高，無循環(huán)的情況下，使用溫度越高，均勻性越好[1]。整改后的加熱爐能滿足標(biāo)準(zhǔn)中Ⅲ類爐的要求。

4.熱處理爐的精度維護(hù)

熱處理爐的爐膛密封性、傳熱故障、控溫表和熱電偶的精度等均會影響熱處理爐的精度。因此如何維護(hù)顯得尤為重要。

4.1爐膛密封性

爐膛尺寸較大會導(dǎo)致局部區(qū)域溫度偏低，可以通過添加熱循環(huán)裝置，加快爐膛內(nèi)部熱量的流動。熱處理爐爐門密封不嚴(yán)時，可以調(diào)整爐門密封壓板。如果確認(rèn)是由于爐門框和爐膛內(nèi)部耐火材料損壞造成的溫度不合格，應(yīng)對爐膛進(jìn)行大修，增強(qiáng)爐襯的保溫性能。

4.2爐內(nèi)傳熱故障

熱處理爐使用年限過長會導(dǎo)致爐內(nèi)傳熱故障，要想徹底解決此類故障，只有通過大修改造，即重新設(shè)計(jì)爐膛內(nèi)加熱器的分布形式、合理布置功率，更換新的保溫材料等。三相電流表在全功率升溫和保溫階段指針的擺角應(yīng)相同，否則爐膛內(nèi)的加熱器有斷損或線路故障所致，必須停爐進(jìn)行整修。

4.3控溫表和熱電偶的精度，

控溫表長期使用會導(dǎo)致精度下降。熱電偶保護(hù)管過長、空隙過大會增加熱量散失，造成工作端溫場降低產(chǎn)生誤差；保護(hù)管長時間高溫?zé)g底部會產(chǎn)生粉狀氧化物，熱接點(diǎn)絞合過長；同時熱電偶長期使用，內(nèi)部晶粒大小和組織也會發(fā)生變化，這些都會降低精度，對于不合格的熱電偶需及時更換。同時要善于利用熱電偶的誤差來調(diào)整加熱爐精度；通過移動熱電偶插入爐膛的位置來調(diào)整誤差，這對調(diào)節(jié)多區(qū)控溫設(shè)備的爐溫均勻性切實(shí)可行。

5.結(jié)論

通過提高密封性、更換熱電偶、消除儀表偏差等一系列措施，將加熱爐溫度精度提升至標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。得到如下結(jié)論：

（1）熱處理爐應(yīng)定期進(jìn)行巡檢，仔細(xì)觀察各種儀表指示及爐體的異常變化，如爐門密封、爐體表面溫度、異響、接線頭狀況等。

（2）熱處理爐應(yīng)制訂嚴(yán)格的操作規(guī)范。爐子改造時，應(yīng)盡量采用耐火保溫棉材料，即提高爐子的氣密性，又提高了使用性能；對于爐內(nèi)溫度偏差大的爐子，可以添加熱循環(huán)裝置。

（3）熱處理爐應(yīng)選用精度高、性能穩(wěn)定的儀表和熱電偶，并定期檢定。

（4）熱處理爐應(yīng)定期進(jìn)行系統(tǒng)精度和爐溫均勻性測試，及時發(fā)現(xiàn)問題并解決。

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