航空制件熱處理爐爐溫均勻性測(cè)量

黃麗芳

（西部超導(dǎo)材料科技股份有限公司 陜西西安 710018）

航空制件熱處理爐爐溫均勻性測(cè)量

黃麗芳

（西部超導(dǎo)材料科技股份有限公司 陜西西安 710018）

依據(jù)HB5425-2012及熱處理爐爐溫均溫性測(cè)試的實(shí)例，對(duì)航空制件熱處理爐爐溫均溫性檢測(cè)的目的、測(cè)試點(diǎn)的選擇、檢測(cè)方法及檢測(cè)結(jié)果數(shù)據(jù)分析和評(píng)定進(jìn)行了探討。

熱處理爐；爐溫；熱電偶；測(cè)量

航空產(chǎn)品制件的熱處理質(zhì)量關(guān)系到航空構(gòu)件的服役性能和使用壽命，繼而關(guān)系到航空武器裝備的整體性能和服役壽命，而熱處理過程的核心參數(shù)是溫度，核心技術(shù)是溫度測(cè)量和控制，因此熱處理爐的爐溫均勻性測(cè)試就是保證質(zhì)量的關(guān)鍵過程之一。

1 爐溫均勻性測(cè)量的目的

溫度均勻性是爐子有效加熱區(qū)在一定時(shí)間內(nèi)不同位置的溫度相對(duì)于工藝設(shè)定溫度的偏離程度，也稱為溫度偏差。在數(shù)值上表示為所有測(cè)試位置中的最高溫度和最低溫度與工藝神的溫度值的差值。

爐溫均勻性測(cè)量是通過感溫元件對(duì)熱處理設(shè)備的工作區(qū)溫度是否均衡一致所進(jìn)行的測(cè)量，以確保待處理的產(chǎn)品制件在規(guī)定溫度范圍內(nèi)受熱，使其微觀組織盡可能處于同一水平，避免造成差異，影響產(chǎn)品質(zhì)量。

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，而熱處理爐有效加熱區(qū)的保溫精度直接關(guān)系到工件熱處理時(shí)的保溫溫度，由于受爐子結(jié)構(gòu)、爐體密封性、控制熱電偶安裝位置、電加熱元件位置、控制方式和維護(hù)管理等因素影響，熱處理爐內(nèi)的實(shí)際溫度，特別是有效工作區(qū)內(nèi)的溫度場分布的均勻性將隨各種因素影響而發(fā)生變化。

爐溫均勻性通常用爐溫的空間分布特性和時(shí)間分布特性來表征。使用熱電偶配合二次儀表測(cè)爐溫時(shí)，測(cè)量和控制的僅是爐內(nèi)局部的溫度（熱電偶工作端附近的溫度），而熱處理工藝所需要的卻是某工作空間的溫度，而且要求在工作空間內(nèi)的溫度分布均勻，并能長時(shí)間保持穩(wěn)定，在控制和測(cè)量局部溫度的條件下，為了確定爐內(nèi)有效工作區(qū)的大小和位置，需要對(duì)熱處理爐整個(gè)爐膛的溫度進(jìn)行測(cè)試。通過熱處理爐的溫場測(cè)試，可以找出熱處理爐的有效加熱區(qū)，對(duì)提高熱處理產(chǎn)品的質(zhì)量，提高生產(chǎn)率都具有特別重要的意義。

2 測(cè)量系統(tǒng)及功能

熱處理爐有效加熱區(qū)測(cè)定用測(cè)量系統(tǒng)通常由測(cè)量傳感器（熱電偶）、補(bǔ)償導(dǎo)線、測(cè)量儀表（系統(tǒng)裝置）及測(cè)溫架等組成。測(cè)量系統(tǒng)及功能和技術(shù)要求如下：

測(cè)量傳感器：感溫元件，應(yīng)符合GB/T1598、GB/T2614、GB/T2903、GB/T4993、GB/T4994、GB/T5977、GB/T17615和GB/T16839.2的規(guī)定。

補(bǔ)償導(dǎo)線：用于連接熱電偶和測(cè)量儀表，應(yīng)符合GB/T4989、GB/T4990的規(guī)定，同時(shí)必須保證與熱電偶的配套性。

測(cè)量儀表：記錄顯示測(cè)量數(shù)據(jù)，應(yīng)具備檢定合格證并在有效期內(nèi)使用，精度等級(jí)應(yīng)不低于0.1級(jí)。

測(cè)溫架：用于固定測(cè)量傳感器，一般應(yīng)用耐熱合金、不銹鋼管（棒）或其他合適材料制成，保證測(cè)量過程不變形或燒塌。

3 測(cè)量方法

3.1 通則

通常熱處理爐有效加熱區(qū)的測(cè)定只進(jìn)行空載檢測(cè)。當(dāng)要求進(jìn)行裝載檢測(cè)時(shí)，裝爐量可采用額定裝爐量或額定裝爐量的50%，也可采用工藝常用裝爐量，但一般不少于額定裝爐量的50%。如果沒有特別規(guī)定，則默認(rèn)采用空載檢測(cè)。一旦初始測(cè)定時(shí)確定了檢測(cè)方式，隨后的周期測(cè)定中應(yīng)采用相同的檢測(cè)方式；當(dāng)檢測(cè)方式發(fā)生改變時(shí)應(yīng)進(jìn)行有效加熱區(qū)的初始測(cè)定，并在隨后的周期測(cè)定中按更改后的檢測(cè)方式進(jìn)行。

無論在空載或裝載條件下進(jìn)行檢測(cè)，均不允許將熱處理爐加熱到超過測(cè)試溫度然后再降到測(cè)試溫度進(jìn)行有效加熱區(qū)測(cè)定。對(duì)于新爐和大修后的爐子允許按設(shè)計(jì)給定的烘爐加熱程序進(jìn)行烘爐然后再進(jìn)行有效加熱區(qū)測(cè)定。

3.2 測(cè)量傳感器的數(shù)量和位置布置

在測(cè)量熱處理爐有效加熱區(qū)時(shí)多采用體積法測(cè)量，測(cè)溫架的形狀和大小隨熱處理爐加熱區(qū)形狀和體積大小而定。測(cè)量傳感器的數(shù)量按HB5425中規(guī)定進(jìn)行。

測(cè)量傳感器位置布置應(yīng)遵循對(duì)稱、均勻和最佳代表位置的原則，對(duì)于制件熱處理過程重要的裝載位置、有效加熱區(qū)靠近爐口、爐底以及具有拐角的位置測(cè)量傳感器的位置布置應(yīng)盡量接近這些位置，對(duì)于其他可能影響有效加熱區(qū)溫度均勻性以及有要求的位置應(yīng)布置相應(yīng)的測(cè)量傳感器。

隨著有效加熱區(qū)體積的增大應(yīng)增加測(cè)量傳感器的數(shù)量，增加的測(cè)量傳感器的位置布置同樣遵循對(duì)稱、均勻和最佳代表位置的原則。以有效加熱區(qū)體積不大于0.085m3的爐子為例，測(cè)量傳感器位置布置如下：圖1圓柱體有效加熱區(qū)；圖2長方體有效加熱區(qū)。

圖1 圓柱體有效加熱區(qū)

圖2 長方體有效加熱區(qū)

4 數(shù)據(jù)采集和記錄

（1）有效加熱區(qū)測(cè)定過程中，任何時(shí)間、任何測(cè)量、控制或記錄傳感器讀數(shù)均不應(yīng)超過爐子的類別及測(cè)試溫度點(diǎn)要求的溫度均勻性允許的偏差溫度的上限。

（2）為完整、清晰地記錄整個(gè)有效加熱區(qū)測(cè)定過程，數(shù)據(jù)采集和記錄應(yīng)在爐內(nèi)第一支傳感器溫度到達(dá)每一個(gè)測(cè)試溫度點(diǎn)要求的無奈的均勻性允許的偏差溫度下限之前開始。例如：測(cè)試溫度點(diǎn)為900℃，要求的溫度均勻性為±5℃，即允許的偏差溫度下限為-5℃，則在爐內(nèi)溫度最高的一支傳感器溫度到達(dá)895℃之前就應(yīng)該開始進(jìn)行全套數(shù)據(jù)的采集和記錄。

（3）對(duì)于周期爐，一旦數(shù)據(jù)采集開始，在整個(gè)溫度均勻性測(cè)量期間應(yīng)每2min至少記錄一組全部測(cè)量傳感器溫度數(shù)據(jù)。同時(shí)應(yīng)由爐子所配置的相應(yīng)儀表記錄工藝溫度傳感器（但不包括超溫報(bào)警傳感器）的溫度數(shù)據(jù)。記錄間隔時(shí)間要求如下：

①當(dāng)生產(chǎn)中工藝溫度數(shù)據(jù)記錄的正常間隔時(shí)間不大于2min或以模擬儀表連續(xù)記錄時(shí)，每間隔2min記錄一次工藝溫度傳感器數(shù)據(jù)；

②當(dāng)生產(chǎn)中工藝溫度數(shù)據(jù)記錄的正常間隔時(shí)間大于2min但不超過6min時(shí)，則按實(shí)際的間隔時(shí)間記錄工藝溫度傳感器數(shù)據(jù)；

③不論是手動(dòng)還是自動(dòng)記錄，工藝溫度傳感器數(shù)據(jù)的記錄間隔時(shí)間均不應(yīng)超過6min。

（4）爐子應(yīng)在測(cè)試溫度點(diǎn)保溫，直至所有測(cè)量傳感器數(shù)據(jù)穩(wěn)定。當(dāng)所有測(cè)量傳感器數(shù)據(jù)溫度后應(yīng)再連續(xù)至少30min記錄所有測(cè)量傳感器的溫度數(shù)據(jù)，所有數(shù)據(jù)都應(yīng)保持在測(cè)量溫度點(diǎn)所要求的溫度均勻性允許的偏差溫度范圍內(nèi)。某些爐子由于其溫度特性所決定，其保溫過程中溫度曲線呈規(guī)律性的波動(dòng)狀態(tài)，但是所有傳感器的溫度數(shù)據(jù)波動(dòng)均不超過所測(cè)溫度點(diǎn)要求的溫度均勻性所允許的偏差范圍，則這種狀態(tài)也是一種溫度狀態(tài)。

（5）空載檢測(cè)時(shí)，一般應(yīng)在2h內(nèi)完成一個(gè)規(guī)定的測(cè)試溫度點(diǎn)的有效加熱區(qū)測(cè)定，應(yīng)盡量在較短時(shí)間內(nèi)完成測(cè)定，允許根據(jù)爐子通常熱處理生產(chǎn)的實(shí)際工藝保溫時(shí)間適當(dāng)延長測(cè)定實(shí)際?？偟臏y(cè)定時(shí)間計(jì)算是從第一支測(cè)量傳感器到達(dá)測(cè)量溫度點(diǎn)要求的溫度均勻性允許偏差下限時(shí)開始算起。

裝載檢測(cè)時(shí)，完成一個(gè)規(guī)定的測(cè)試溫度點(diǎn)的有效加熱區(qū)測(cè)定時(shí)間應(yīng)不超過爐子所使用的熱處理工藝規(guī)范中該溫度下允許的工藝時(shí)間極限?？偟臏y(cè)定時(shí)間是從所有測(cè)量傳感器均到達(dá)規(guī)定的測(cè)試溫度點(diǎn)要求的均勻性范圍后開始計(jì)算。

（6）有效加熱區(qū)測(cè)量數(shù)據(jù)的取用和整理按下列要求進(jìn)行：

①對(duì)每個(gè)測(cè)試溫度點(diǎn)，取測(cè)量傳感器穩(wěn)定后連續(xù)記錄時(shí)間不少于30min的全部數(shù)據(jù)作為有效測(cè)試數(shù)據(jù)；同時(shí)取每個(gè)測(cè)試溫度點(diǎn)的工藝傳感器溫度記錄數(shù)據(jù)作為過程監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)。

②將所取的測(cè)量傳感器有效數(shù)據(jù)按每支測(cè)量傳感器、補(bǔ)償導(dǎo)線和測(cè)量儀表（系統(tǒng)裝置）對(duì)應(yīng)溫度點(diǎn)的修正值進(jìn)行修正，得出每個(gè)測(cè)試溫度點(diǎn)各個(gè)測(cè)量位置的實(shí)際溫度測(cè)量值。

③對(duì)每個(gè)測(cè)試溫度點(diǎn)，用每個(gè)測(cè)量位置的實(shí)際溫度測(cè)量值與測(cè)試溫度設(shè)定值的差值作為各個(gè)測(cè)量位置的溫度偏差值，并從中確定每個(gè)測(cè)試溫度下的最大溫度偏差值和最小溫度偏差值。

5 測(cè)定結(jié)果評(píng)定及處理

將經(jīng)數(shù)據(jù)處理后所得的每個(gè)測(cè)試溫度點(diǎn)最大溫度偏差值與表1各熱處理爐類別所要求的溫度均勻性最大允許偏差值進(jìn)行對(duì)照評(píng)定。

表1 熱處理爐溫度均勻性要求

6 以箱式電阻爐RX-48-12為例，對(duì)900℃測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行測(cè)定結(jié)果評(píng)定

RX-48-12為Ⅱ類爐，有效加熱區(qū)尺寸為500mm×500mm×300mm= 0.075m3＜0.085m3，所以用5點(diǎn)測(cè)溫，圖3為測(cè)試點(diǎn)分布圖，溫度均勻性要求為≤±5℃。

圖3 測(cè)試點(diǎn)分布圖

900 ℃測(cè)試5只熱電偶和控溫?zé)犭娕己銣厍昂秃銣貢r(shí)溫度見表2。

表2

檢測(cè)結(jié)論：該爐在900℃進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果符合技術(shù)要求。

[1]《航空制件熱處理爐有效加熱區(qū)測(cè)定方法》（HB5425-2012）[S].

[2]《環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備溫度校準(zhǔn)規(guī)范》（JJF1101-2003）[S].

TH811

A

1004-7344（2016）05-0232-02

2016-2-1

黃麗芳（1982-），女，助理工程師，本科，主要從事研究方向?yàn)橘|(zhì)量檢驗(yàn)及熱處理。