熱處理爐溫場均勻性測試及測量不確定度評定

姜永元

中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司 山東青島 266111

焊接結(jié)構(gòu)的金屬材料零部件普遍存在焊接應(yīng)力，因此在組裝使用前，必須將其放置在溫場均勻的熱處理爐中進(jìn)行工藝熱處理，消除零部件內(nèi)部存在的焊接殘余應(yīng)力，通過適當(dāng)?shù)臒崽幚砜梢詼p小零部件的結(jié)構(gòu)變形，消除裂紋傾向[1]。熱處理工藝還能夠消除金屬材料的組織缺陷，均勻金屬材料的組織成分, 由此可見，提高熱處理爐的溫場均勻性，是提高金屬材料零部件熱處理質(zhì)量的保障。

1 影響熱處理爐溫場均勻性的因素及預(yù)防措施

（1）熱處理爐的密封性能對溫場均勻性影響很大，如果不能保證熱處理爐的密封性，爐內(nèi)溫場和環(huán)境溫場兩個(gè)冷熱程度不同的溫場就會產(chǎn)生熱量交換，使熱處理爐內(nèi)的熱平衡狀態(tài)不斷受到破壞，影響金屬材料零部件的熱處理質(zhì)量。

（2）熱處理爐應(yīng)安裝自動變頻熱風(fēng)循環(huán)系統(tǒng)，通過風(fēng)機(jī)循環(huán)，使熱處理爐內(nèi)的溫度分布均勻，從而起到有效的均溫效果，對提高熱處理爐溫場均勻性有很大的幫助。

（3）熱處理爐加熱元件材質(zhì)對溫場均勻性也存在一定的影響，例如某金屬材料零部件的熱處理過程從室溫升至600℃，再經(jīng)過保溫、冷卻至低于400℃出爐。加熱元件在熱處理過程中，由于反復(fù)的熱脹冷縮作用，材料內(nèi)部會頻繁出現(xiàn)交變熱應(yīng)力。普通加熱元件材料中有金屬夾雜物及晶界等缺陷，當(dāng)頻繁的交變熱應(yīng)力大于其疲勞極限后，缺陷處就會形成滑移帶，滑移帶中的缺陷會形成裂紋源，最終會導(dǎo)致加熱元件斷裂，影響熱處理爐的溫場均勻性。采用優(yōu)質(zhì)高電阻合金材料Cr20Ni80 作為加熱元件，Cr20Ni80 具有電阻率均勻穩(wěn)定、熔點(diǎn)高、熱膨脹系數(shù)小、抗氧化性能及高溫性能好的優(yōu)點(diǎn)，可以有效提高熱處理爐的溫場均勻性。

合理分配熱處理爐的加熱區(qū)，加熱元件的布置與加熱區(qū)段的設(shè)置相對應(yīng)，每個(gè)加熱區(qū)內(nèi)布置一個(gè)獨(dú)立的加熱組，不能有跨區(qū)布置的現(xiàn)象。

（4）減小干擾對爐溫控制系統(tǒng)的影響。爐溫控制系統(tǒng)在工作過程中受到的干擾因素很多，在高溫情況下，干擾主要來源于縱向干擾（溫度傳感器對地間的干擾）和橫向干擾（溫度傳感器間的干擾）?？v向干擾信號一般可達(dá)到幾伏甚至一百伏，橫向干擾一般可達(dá)幾毫伏甚至幾十毫伏。干擾信號能夠通過信號線進(jìn)入爐溫控制系統(tǒng)，使?fàn)t溫采集儀產(chǎn)生幾度、幾十度的測溫誤差，甚至使?fàn)t溫控制系統(tǒng)不能正常工作，為了防止干擾信號對爐溫控制系統(tǒng)的影響，應(yīng)采取一定的抗干擾措施[2]。

①縱向干擾主要是由高溫漏電引起的。應(yīng)切斷漏電流的途徑或者使其降低到最小值。采用三線制熱電偶或?qū)犭娕急Ｗo(hù)管接地，可以將干擾電壓短接或干擾電流沿著保護(hù)管通地，這樣干擾信號就不會引入到溫度傳感器，對溫度測量不會產(chǎn)生影響。②橫向干擾主要由爐溫采集儀信號輸入端子間引入的交流信號所造成的干擾。信號線應(yīng)遠(yuǎn)離干擾源并采用相互絞合的敷設(shè)方式，這樣可以有效減小磁通穿過信號線以及靜電感應(yīng)引入的干擾；絞合后的信號線使用金屬套管安裝，同時(shí)將金屬套管接地，這樣可以有效屏蔽磁通量，減弱干擾對信號輸入端子的干擾。

2 溫場均勻性測試

溫均勻性測試的目的是確定熱處理爐爐膛內(nèi)溫度的空間分布特性和時(shí)間分布特性，這樣可以確定熱處理爐有效工作區(qū)域的大小和位置，確保熱處理工件在有效工作區(qū)間內(nèi)受熱，使金屬材料零部件的微觀組織盡可能處于同一種狀態(tài)，防止零部件比容差異所造成的結(jié)構(gòu)變形。

2.1 溫場均勻性測試裝置

溫場均勻性測試裝置由溫度傳感器（組）、信號采集系統(tǒng)、信號及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)組成，工作原理如圖1。

（1）溫度傳感器采用1 級、N 型熱電偶，N 型熱電偶的高溫抗氧化性能好、熱電特性穩(wěn)定、耐輻射性能好的優(yōu)點(diǎn)，在（375-1000）℃溫度測量范圍內(nèi)的允許偏差為：±0.004t，能夠?qū)崿F(xiàn)精確測溫。

（2）由于熱處理爐的工作環(huán)境溫度波動變化較大，在溫場均勻性測試過程中，溫度傳感器無法對爐溫進(jìn)行測量。應(yīng)將溫度傳感器的參考端使用補(bǔ)償導(dǎo)線延伸至溫度穩(wěn)定的環(huán)境中，使參考端處于穩(wěn)定的環(huán)境溫度，再利用參考端溫度補(bǔ)償器自動補(bǔ)償考端溫度變化造成的影響，提高測溫精度。

表1 溫度測試點(diǎn)數(shù)量

（3）使用專用捆扎絲將溫度傳感器的測量端牢固地綁扎在溫場測溫架的測試點(diǎn)上，避免在高溫環(huán)境下不同材質(zhì)的金屬對溫度傳感器造成污染。

（4）溫場均勻性測試裝置可同時(shí)連接多路溫度傳感器，能夠同時(shí)讀取并顯示各通道的實(shí)時(shí)溫度值及升溫、保溫曲線，不同通道曲線采用不同顏色的曲線表示，直觀反映被測對象的溫度波動情況，記錄并存儲實(shí)測數(shù)據(jù)。將溫度傳感器修正值輸入采集系統(tǒng)，對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行自動修正，提高測溫精度。

（5）空載或裝載的情況下，均不能在高于測試溫度后，再降溫至測試溫度進(jìn)行溫場均勻性測試。當(dāng)爐溫控制系統(tǒng)或溫場均勻性測試裝置中的第一通道測試溫度到達(dá)溫場均勻性允差下限時(shí)開始采集數(shù)據(jù)，測試過程中，溫度測試值不得大于溫場均勻性的允差上限，測試時(shí)間間隔和測量次數(shù)根據(jù)熱處理爐的工藝保溫時(shí)間確定。經(jīng)數(shù)據(jù)處理后，溫度偏差的最大值、最小值均不得大于溫場均勻性的允差要求[3]。

2.2 溫場均勻性測試點(diǎn)的選擇

根據(jù)GB/T9452《熱處理爐有效加熱區(qū)測定方法》規(guī)定，首先要明確熱處理爐的爐膛尺寸，根據(jù)爐膛尺寸計(jì)算出熱處理爐工作區(qū)域的容積，通過表1 確定熱處理爐溫場均勻性測試點(diǎn)的數(shù)量。

3 熱處理爐溫場均勻性測試的測量不確定度評定

3.1 測試方法

以容積為90m3的熱處理爐為實(shí)例，類型為Ⅴ，由表1 確定該熱處理爐的溫度測試點(diǎn)數(shù)量為25 個(gè)。將溫度傳感器的測量端捆扎在置于熱處理中的金屬測溫架上，在保溫狀態(tài)下進(jìn)行溫場均勻性測試。

3.2 測量模型

△θ+=tpmax-tp

式中：

△θ+——爐溫均勻度，℃；

tpmax——各測溫點(diǎn)實(shí)際溫度的最大值，℃；

tp——中心點(diǎn)的實(shí)際溫度值，℃。

3.3 輸入量tpmax 重復(fù)性測量引入的不確定度分量u1

熱處理爐測試溫度590℃時(shí)，溫場均勻性測試裝置進(jìn)行了10次獨(dú)立重復(fù)測量，所測得數(shù)據(jù)：596.12℃、595.07℃、595.62℃、596.04℃、596.17℃、595.77℃、595.80℃、596.05℃、595.66℃、595.70℃，則：

3.4 溫場均勻性測試裝置修正值引入的不確定度分量u2

由校準(zhǔn)證書可知，溫場均勻性測試裝置在600℃的測量不確定度U=0.20℃，k=2，則：

u2=0.20/2=0.10℃

3.5 溫均勻性測試裝置分辨力引入的不確定度分量u3

溫場均勻性測試裝置的分辨力為0.01℃，按均勻分布處理，取k=，則：

3.6 溫均勻性測試裝置年穩(wěn)定性引入的不確定度分量u4

溫場均勻性測試裝置的年穩(wěn)定性為0.20℃，按均勻分布處理，取k=，則：

3.7 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度

由于各不確定度分量之間互不相干且相互獨(dú)立，因此不確定度合成為：

3.8 熱處理爐溫場均勻性測量結(jié)果的擴(kuò)展不確定度

4 結(jié)語

熱處理爐是金屬熱處理工藝的關(guān)鍵設(shè)備，提高熱處理爐的溫場均勻性，是消除金屬材料零部件殘余應(yīng)力及組織缺陷的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，本文系統(tǒng)性分析了影響熱處理爐溫場均勻性的因素及預(yù)防措施，同時(shí)對溫場均勻性測試進(jìn)行了闡述，對于制造業(yè)熱處理工藝有一定的借鑒和參考作用。