熱處理加熱爐溫度檢測(cè)控制分析

楊魏

摘 要：熱處理加熱爐主要用于均勻鋼材組織并控制其冷卻過程，以保證材料有良好的力學(xué)性能，為鋼材軋制做好生產(chǎn)準(zhǔn)備。本文主要介紹用于鋼管加熱熱處理加熱爐在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用，通過對(duì)加熱的熱處理加熱爐溫度檢測(cè)的檢測(cè)設(shè)備和方法介紹，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)中加熱過程幾種問題類型，發(fā)現(xiàn)熱處理過程中加熱爐爐內(nèi)熱電偶檢測(cè)、爐外紅外線溫度檢測(cè)設(shè)備測(cè)量溫度和工藝需要加熱溫度之間的關(guān)系，找出在實(shí)際生產(chǎn)過程中的容易產(chǎn)生的誤區(qū)和提高鋼管加熱質(zhì)量的方法。

關(guān)鍵字：加熱爐；溫度；檢測(cè)；生產(chǎn)；加熱質(zhì)量；方法

中圖分類號(hào)：TF33 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2015）06（a）-0000-00

Analysis of the detection and control of temperature for heat treatment furnace

Yang Wei

（Pangang Group ChengDu Steel&Vanadium Co.，LTD. ChengDu 610300，P.R.China）

Abstract：Heat treatment furnace is mainly used for controling cooling process of uniform steel organization ， which can ensure the material has good mechanical properties to get production ready for steel rolling.This article mainly introduces the application of steel tubes for heat treatment furnace in practical production. Through the introduction of detection equipment and detection methods to heat treating furnace temperature， and several problems of heating process in production site， to find the relationships that detection of thermocouple inside the heating furnace， detection of infrared temperature outside the heating furnace and heating temperature needed by technology in the process of heat treatment. Finally， we find the errors which is prone to produce and the methods which can improve the heating quality of the steel pipes in the actual production process.

Keywords： heating furnace；temperature；detection；production；heating quality； method

隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，熱處理加熱爐的運(yùn)用越來越廣泛，對(duì)溫度的測(cè)量和控制水平都不斷提高。對(duì)于熱處理加熱爐的金屬加熱質(zhì)量，因?yàn)榧訜徇^程處于高溫等惡劣環(huán)境，目前在加熱過程中還沒有用檢測(cè)設(shè)備來直接測(cè)量的客觀方法。國(guó)內(nèi)外通用的判斷熱處理加熱質(zhì)量的方法是通過檢測(cè)爐膛溫度和出爐溫度來反應(yīng)加熱質(zhì)量的。溫度的檢測(cè)和控制都直接影響安全生產(chǎn)和產(chǎn)品質(zhì)量。

1溫度測(cè)量系統(tǒng)介紹

加熱爐溫度檢測(cè)系統(tǒng)主要由PLC（可編程控制器）和傳感器構(gòu)成。溫度檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的過程主要是傳感器將溫度轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，電信號(hào)通過PLC輸入模塊進(jìn)入PLC，PLC的中央處理器（CPU）通過A/D轉(zhuǎn)換將送進(jìn)來的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為PLC可識(shí)別的數(shù)值，然后PLC通過系統(tǒng)設(shè)定溫度（SP）和實(shí)際溫度（PV）的差別通過PID運(yùn)算進(jìn)行自動(dòng)控制，溫度檢測(cè)的數(shù)據(jù)可以通過歷史曲線記錄下來作為加熱爐產(chǎn)品合格的依據(jù)。

2檢測(cè)設(shè)備的選用

我們用于鋼管加熱的熱處理爐一般采用熱電偶檢測(cè)加熱爐爐膛溫度，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)加熱爐的加熱效果，按金屬加熱需要的溫度升溫曲線對(duì)加熱爐進(jìn)行控制；加熱爐外采用紅外線溫度測(cè)溫儀測(cè)量被測(cè)物的溫度，及時(shí)反映金屬在加熱爐內(nèi)的加熱程度和及時(shí)反映加熱過程中的異常情況。熱電偶產(chǎn)生的電勢(shì)差信號(hào)和紅外測(cè)溫儀產(chǎn)生的模擬量信號(hào)可以被PLC采集，這些信號(hào)通過PLC的運(yùn)算處理后作為控制信號(hào)對(duì)加熱爐溫度進(jìn)行控制、記錄并保存。

2.1 爐內(nèi)測(cè)量主要選用測(cè)溫設(shè)備

目前國(guó)內(nèi)外在線爐內(nèi)測(cè)溫使用的傳感器普遍采用熱電偶測(cè)溫方式。電偶測(cè)溫原理：兩種不同成份的導(dǎo)體兩端接合成回路，當(dāng)接合點(diǎn)的溫度不同時(shí)，在回路中就會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)，而這種電動(dòng)勢(shì)稱為熱電勢(shì)。熱處理過程中加熱爐采用的熱電偶主要有K分度和S分度熱電偶。K偶，材質(zhì)鎳鉻--鎳硅，長(zhǎng)時(shí)間測(cè)溫范圍0--900 ℃，一般金屬材料價(jià)格低；S偶，材質(zhì)鉑銠10--鉑，長(zhǎng)時(shí)間測(cè)溫范圍0--1300℃，貴重金屬材料價(jià)格高?；跓犭娕紲y(cè)溫范圍、精度等級(jí)、性價(jià)比綜合考慮，建議熱處理過程中的淬火爐采用Ⅱ級(jí)S偶，測(cè)量誤差為?? 2.25-2.75 ℃；回火爐爐溫采用Ⅰ級(jí)K偶，測(cè)量誤差為2.4-3.2 ℃。

2.2 爐外測(cè)量主要選用測(cè)溫設(shè)備

紅外測(cè)溫原理：溫度在絕對(duì)零度以上的物體都會(huì)輻射出紅外線，通過紅外探測(cè)器將物體輻射的功率信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，進(jìn)而轉(zhuǎn)換為溫度信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)物體遠(yuǎn)距離測(cè)溫。如圖所示，在同一波長(zhǎng)范圍內(nèi)溫度越高物體所輻射出的能量也就越大，紅外測(cè)溫設(shè)備正是利用這一遠(yuǎn)離檢測(cè)出輻射能量的大小再通過計(jì)算得出物體的實(shí)際溫度。

圖1 黑體輻射出射度與波長(zhǎng)的關(guān)系

影響測(cè)量準(zhǔn)確的因素較多，主要有測(cè)量設(shè)備的測(cè)量精度等級(jí)、測(cè)量距離、波長(zhǎng)等。其中溫度不同的物體其輻射能量在不同波長(zhǎng)范圍內(nèi)的分布情況也不相同，溫度越高輻射能量高的區(qū)域就越偏向波長(zhǎng)較短處，因此測(cè)量溫度較低的物體應(yīng)選用波長(zhǎng)較長(zhǎng)的測(cè)溫設(shè)備，而測(cè)量高溫物體應(yīng)選用波長(zhǎng)較短的設(shè)備。

3對(duì)加熱爐溫控認(rèn)識(shí)上容易造成的誤區(qū)

對(duì)于連續(xù)生產(chǎn)的加熱爐，根據(jù)能量守恒定律，在穩(wěn)定狀態(tài)下，單位時(shí)間的熱輸入量與單位時(shí)間熱輸出量相等。輸入熱量來源于燃料燃燒產(chǎn)生的熱，輸出熱量包括加熱爐有效利用熱量及各種損失。 當(dāng)加熱爐處于穩(wěn)定（動(dòng)態(tài)熱交換）運(yùn)行時(shí)，加熱爐的動(dòng)態(tài)熱平衡就與有效利用熱量有關(guān)系。當(dāng)有效利用熱量的物體數(shù)量變化時(shí)，要維系熱平衡原則，若不及時(shí)做出工藝調(diào)整，加熱物體性能將得不到保證。

3.1 熱電偶插入深度與溫控均勻性的關(guān)系

熱電偶插入越深越接近加熱鋼管，測(cè)得的溫度越真實(shí)？

熱電偶控制的是爐膛各段溫度而不是鋼管溫度，熱電偶越接近加熱鋼管所反映的溫度與當(dāng)時(shí)鋼管狀態(tài)下的溫度接近，而不是爐膛各段控制溫度。冷鋼管進(jìn)爐后在各控制段加熱是一個(gè)升溫過程。在預(yù)熱段、加熱段接近鋼管處測(cè)得的溫度比預(yù)熱段、加熱段爐膛控制溫度低，在均熱的段部分品種可能會(huì)繼續(xù)加熱升溫，部分品種可能會(huì)降溫均熱，越接近鋼管測(cè)得的溫度受鋼管當(dāng)時(shí)狀態(tài)影響較大，不能真實(shí)反映爐膛控制溫度。

圖2 爐內(nèi)實(shí)體測(cè)溫趨勢(shì)圖

上圖是安裝在鋼管內(nèi)部的溫度檢測(cè)點(diǎn)和鋼管附近溫度對(duì)比的趨勢(shì)圖，我們可以發(fā)現(xiàn)：

1、鋼管在爐內(nèi)加熱是一個(gè)升溫過程，預(yù)熱段、加熱段升溫快，均熱段升溫慢。在加熱時(shí)間能夠保證的條件下，鋼管溫度無限接近爐溫。

2、安裝在實(shí)體鋼管旁邊的測(cè)爐內(nèi)溫度的熱電偶真實(shí)的反映了處于鋼管旁的空氣溫度變化情況，也是一個(gè)升溫過程，比同時(shí)段鋼管升溫要高，但又低于各段爐溫控制值。

結(jié)論：熱電偶離鋼管越近受被測(cè)物溫度影響，測(cè)溫的準(zhǔn)確性得不到保證。《冶金工業(yè)自動(dòng)化儀表通用安裝圖冊(cè)》中對(duì)熱電偶伸入爐膛內(nèi)部分長(zhǎng)度的要求為大約50mm-200mm，熱電偶安裝必須按規(guī)范進(jìn)行安裝。熱處理爐同一加熱段在使用合格電偶，且插入深度基本一致的情況下，應(yīng)檢查該加熱段燒嘴火焰是否一致，燃燒系統(tǒng)的空燃?xì)馀浔仁欠袂‘?dāng)。

3.2 同一規(guī)格品種熱處理均熱段爐溫和管溫之差是否應(yīng)該是定值

大多數(shù)操作工和部分技術(shù)人員認(rèn)為同一規(guī)格品種熱處理鋼管均熱段爐溫和管溫應(yīng)該有一個(gè)相對(duì)固定的差值。

均熱段爐溫和管溫的差值受多個(gè)參數(shù)影響，主要有加熱段溫度設(shè)定值、加熱周期的影響，這些參數(shù)的變化主要影響到鋼管在進(jìn)入均熱段之前熱量吸收的多少。也基于這個(gè)原因，空爐進(jìn)料的管坯出爐管溫較高。加熱段溫度設(shè)定值的高低可以影響鋼管出爐溫度接近均熱段溫度，甚至有可能高于均熱段溫度。

3.3 爐溫和管溫出現(xiàn)差異的工藝控制控制方式

熱處理鋼管許多規(guī)格品種均有爐溫控制要求管溫控制要求，一旦爐溫和管溫出現(xiàn)異常時(shí)（工藝設(shè)備、測(cè)量設(shè)備故障），操作人員往往不知怎樣調(diào)整和處理，或者進(jìn)行錯(cuò)誤處理，產(chǎn)生質(zhì)量事故。

當(dāng)爐溫和管溫出現(xiàn)差異時(shí)，我們認(rèn)為合理的處理步驟是：首先了解當(dāng)時(shí)的工藝狀態(tài)和設(shè)備狀態(tài)，沒有變化和問題時(shí)先以爐溫控制指導(dǎo)生產(chǎn)，然后再分析查找原因。理由是：一般的熱處理爐爐溫以均熱段控制為主，均熱段為均熱Ⅰ段、均熱Ⅱ、均熱Ⅲ，通常每小段有A、B兩個(gè)測(cè)溫點(diǎn)，熱電偶測(cè)量溫度和系統(tǒng)給定溫度之間溫差作為控制條件，若某一測(cè)溫點(diǎn)出現(xiàn)異常，相互之間溫度將受到影響，可以認(rèn)為爐溫控制有六支熱電偶做測(cè)量保證，多支熱電偶同時(shí)發(fā)生故障的概率較低。而管溫只有一支紅外測(cè)量設(shè)備，且容易受設(shè)備本身、周圍環(huán)境等因素影響，所以發(fā)生差異時(shí)爐溫檢測(cè)的準(zhǔn)確性更高。

而出爐管溫的作用主要是通過出爐管溫溫度記錄趨勢(shì)圖，檢查均熱段和加熱段的加熱質(zhì)量，有異常時(shí)可以根據(jù)加熱工藝卡進(jìn)行微調(diào)，這樣可以得到出爐管溫更加均勻的加熱效果。這一條實(shí)際生產(chǎn)中往往容易忽略，這一被測(cè)參數(shù)在生產(chǎn)中未得到有效利用并指導(dǎo)生產(chǎn)。

3.4 非正常生產(chǎn)節(jié)奏處理辦法

熱處理生產(chǎn)經(jīng)常會(huì)遇到設(shè)備故障導(dǎo)致出現(xiàn)悶爐或空齒情況，從大多數(shù)記錄曲線分析來看，操作人員認(rèn)為可以通過溫度自動(dòng)控制正?？刂茽t溫，仍按照原有的加熱工藝生產(chǎn)，爐內(nèi)各段溫控曲線和管溫測(cè)量曲線容易超過工藝控制要求，鋼管性能被破壞。

設(shè)備偶發(fā)故障不能避免，但發(fā)生故障時(shí)我們應(yīng)該有應(yīng)急預(yù)案進(jìn)行調(diào)整和干預(yù)，才能保證加熱鋼管性能不遭受破壞。

上述兩種情況：悶爐和空齒均打破了正常狀態(tài)下的動(dòng)態(tài)熱平衡，悶爐時(shí)鋼管未按預(yù)設(shè)周期加熱，加熱時(shí)間過長(zhǎng)?？正X時(shí)爐內(nèi)吸熱物少，鋼管溫度上升加快，這兩種情況若工藝未及時(shí)調(diào)整，均會(huì)破壞鋼管性能，產(chǎn)生批量質(zhì)量事故。

建議制定非正常情況下的應(yīng)急預(yù)案，質(zhì)量事故只可能在非正常情況下生產(chǎn)，要控制廢品就必須進(jìn)行調(diào)整和干預(yù)。

3.5 其它方面

制定工藝制度應(yīng)是一個(gè)非常嚴(yán)謹(jǐn)?shù)倪^程，在實(shí)驗(yàn)室獲得相關(guān)數(shù)據(jù)后，在向大生產(chǎn)轉(zhuǎn)換之初，技術(shù)人員應(yīng)該進(jìn)行跟蹤，并通過質(zhì)量檢測(cè)進(jìn)行驗(yàn)證，最終轉(zhuǎn)化成可執(zhí)行的工藝制度，沿襲使用，組織連續(xù)生產(chǎn)。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，工廠為了追求產(chǎn)品產(chǎn)量，提高產(chǎn)品生產(chǎn)節(jié)奏。提高節(jié)奏最有效的辦法是提高加熱溫度，實(shí)際操作中經(jīng)常采用提高設(shè)定溫度，盡量按工藝控制溫度上限的辦法，但實(shí)際上，不管是減少加熱時(shí)間還是提高溫度均不利于加熱過程中的質(zhì)量控制，同時(shí)也容易誤導(dǎo)完成工藝制定的科技人員。

最后還可以從 “人、機(jī)、料、法、環(huán)”等幾個(gè)方面對(duì)測(cè)量過程進(jìn)行分析：比如測(cè)量和校檢人員的資質(zhì)；測(cè)量設(shè)備的準(zhǔn)確，標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一，制定新工藝和實(shí)際生產(chǎn)中的測(cè)量設(shè)備（包括實(shí)驗(yàn)室）進(jìn)行檢、校，以保證測(cè)量的準(zhǔn)確性；標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)設(shè)備和測(cè)量設(shè)備合理量程范圍；測(cè)量環(huán)境的影響等因素。

4結(jié)束語(yǔ)

在實(shí)際工作中，對(duì)涉及生產(chǎn)的各種因素實(shí)施全過程、無縫隙的管理，形成一環(huán)扣一環(huán)的管理鏈，嚴(yán)格遵守技術(shù)規(guī)范和操作規(guī)程，重視各個(gè)可能產(chǎn)生質(zhì)量缺陷的環(huán)節(jié)，做好設(shè)備保障工作，優(yōu)化各工序生產(chǎn)工藝，提高產(chǎn)品質(zhì)量。由管理精細(xì)化到產(chǎn)品精細(xì)化，實(shí)施精細(xì)化管理必然成為實(shí)現(xiàn)質(zhì)量、安全等目標(biāo)的必由之路。

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