熱處理爐溫度均勻性分析與研究

江智軒，邵 錦

(昌河飛機工業(yè)(集團)有限責任公司，江西 景德鎮(zhèn) 333002)

溫度均勻性測量是指在熱處理設(shè)備熱穩(wěn)定前后，用校準合格的現(xiàn)場測試儀表和傳感器對熱處理爐工作區(qū)進行測量，如圖1所示，來確定熱處理設(shè)備中的有效工作區(qū)，以及確認合格的工作溫度范圍[1]。熱穩(wěn)定則是指所有控制和記錄熱電偶在允許的TUS容差范圍內(nèi)，在控制儀循環(huán)能夠保證區(qū)域內(nèi)的溫度符合要求時，熱處理爐均能保持穩(wěn)定。TUS穩(wěn)定是指當所有溫度均勻性測試偶達到了要求的溫度均勻性范圍，且未出現(xiàn)任意溫度偏離設(shè)定點，而出現(xiàn)持續(xù)上升或下降的趨勢[2]。AMS 2750F高溫測量標準里對溫度均勻性及其測量有明確的規(guī)定，還包含熱處理爐等級對應(yīng)溫度均勻性要求的范圍、TUS測試熱電偶的使用要求和TUS的測量間隔等規(guī)定。

圖1 溫度均勻性測量示意圖Fig.1 Schematic diagram of temperature uniformity measure

1 鋁合金空氣循環(huán)爐TUS測試超溫分析

1.1 故障現(xiàn)象

某臺6000 mm×1200 mm×3000 mm三區(qū)控溫大型鋁合金空氣循環(huán)爐在定期進行19點TUS測試時，如圖2所示，測得其中一區(qū)有幾點(16、17)超溫15 ℃以上，且長時間保溫后沒有下降趨勢，不符合TUS要求在±5 ℃允差范圍，故無法進行生產(chǎn)。

圖2 TUS-19點測溫Fig.2 TUS-temperature maesure at nineteen points

1.2 故障分析

由于空氣循環(huán)爐是三區(qū)控溫爐，每個區(qū)都具有溫控儀表與循環(huán)風機，相互影響。在升溫過程中發(fā)現(xiàn)超溫區(qū)對應(yīng)的溫控儀表并沒有出現(xiàn)明顯的超溫現(xiàn)象，而出現(xiàn)這種單個區(qū)域的測試點超溫情況的原因可能有以下幾點：1)爐內(nèi)導(dǎo)流板出現(xiàn)問題，形成循環(huán)死角，導(dǎo)致超溫[3]；2)儀表/補償導(dǎo)線精度超差；3)循環(huán)風機轉(zhuǎn)速不一致，導(dǎo)致內(nèi)部風場循環(huán)出現(xiàn)問題；4)爐膛在密封性上出現(xiàn)較大的漏點；5)控溫熱電偶故障；6)儀表控制參數(shù)不合理。

1.3 故障處理

1)使用轉(zhuǎn)速表對三個風機的轉(zhuǎn)速進行測量，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)速差值在5 rpm/min以內(nèi)，基本一致，可以排除。

2)對爐膛密封性進行檢查，爐門口無異常、熱電偶插入通道中進行保溫棉填充，發(fā)現(xiàn)此故障現(xiàn)象仍存在。

3)使用標定儀器對溫控儀表及補償導(dǎo)線進行檢查，發(fā)現(xiàn)整體精度誤差只有0.3 ℃，滿足使用要求。

4)調(diào)節(jié)溫控儀表參數(shù)，PID自整定，降低儀表輸出功率，經(jīng)過多次調(diào)試后發(fā)現(xiàn)測試超溫現(xiàn)象并沒有好轉(zhuǎn)。

5)對控溫熱電偶及其位置進行檢查，發(fā)現(xiàn)超溫區(qū)的控溫熱電偶并沒有插入爐膛內(nèi)部，而是在爐膛與外殼之間的保溫層中，從而導(dǎo)致該區(qū)的控制溫度低于爐膛內(nèi)部實際溫度，是導(dǎo)致溫度均勻性超溫的原因。對熱電偶的位置進行調(diào)節(jié)，插入爐膛內(nèi)部至合適的位置后再次進行測試，測試效果良好，無超溫現(xiàn)象。

經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)該故障的根本原因在于設(shè)備使用的金屬鎧裝控溫熱電偶直徑較細(僅2 mm)，且在插入爐膛時沒有導(dǎo)向管，如圖3所示。設(shè)備保溫層較寬且部分區(qū)域充滿了保溫棉，熱電偶在插入時容易在保溫層區(qū)域彎曲變形，不易直接插入到爐膛有效工作區(qū)，而熱處理設(shè)備又需要定期進行系統(tǒng)精度測試，需拔插控溫熱電偶進行系統(tǒng)精度測試偶綁定。因設(shè)備結(jié)構(gòu)原因，測試人員在插入熱電偶過程中無法直接觀察到熱電偶在爐膛內(nèi)的位置，且以熱電偶后端作為插入到位標記，極容易出現(xiàn)熱電偶在保溫層區(qū)域彎曲變形、測溫點不在有效區(qū)的情況。所以針對此問題設(shè)計制作了一套熱電偶定位工裝，如圖4所示，方便測試人員插入熱電偶進行相關(guān)測試，控溫熱電偶不用定期拔插，同時起到一個熱電偶空間定位的作用。

圖3 熱電偶饋入口Fig.3 Thermocouple feed inlet

圖4 熱電偶定位工裝Fig.4 Thermocouple positioning tool

2 立式淬火爐中區(qū)超溫分析

2.1 故障現(xiàn)象

某臺三區(qū)控溫的立式淬火爐在測試溫度均勻性時出現(xiàn)中區(qū)9號測試點嚴重超溫現(xiàn)象，溫度均勻性測溫示意圖如圖5所示?？刂苾x表端在升溫過程中，中區(qū)溫度最先到達設(shè)定溫度，見表1；而在上、下區(qū)到達設(shè)定溫度后，中區(qū)溫度始終無法降下來，高于設(shè)定溫度點，見表2，設(shè)定850 ℃時中區(qū)實際溫度為858.9 ℃。

圖5 TUS-9點測溫Fig.5 TUS-temperature measure at nine points

表1 中區(qū)到溫

表2 上、下區(qū)到溫

2.2 故障分析

TUS測試不合格的原因是中區(qū)控溫超溫導(dǎo)致中區(qū)測溫點超溫。中區(qū)超溫表現(xiàn)在升溫時中區(qū)最先到達設(shè)定溫度，上區(qū)未到溫，上區(qū)繼續(xù)加熱，熱量導(dǎo)流至中區(qū)使其溫度升高，且中區(qū)在后續(xù)無法降至設(shè)定溫度點，原因可能有以下幾點：1)控制參數(shù)不合理，導(dǎo)致中區(qū)最先到溫；2)加熱帶阻值不一致，分布不合理；3)熱電偶位置分布不合理。

2.3 故障處理

1)進行儀表自整定，中區(qū)溫度始終高于設(shè)定溫度點，儀表無法完成自整定，與原故障一樣。

2)手動調(diào)節(jié)參數(shù)，降低中區(qū)的輸出功率，嘗試后發(fā)現(xiàn)結(jié)果一樣，中區(qū)儀表顯示實際溫度始終高于設(shè)定溫度；嘗試將中區(qū)不加熱，由上、下區(qū)加熱，上、下區(qū)到達設(shè)定溫度點后中區(qū)溫度仍然高于設(shè)定溫度。

3)測量加熱帶阻值，三區(qū)基本一致，且從外觀上觀察到加熱帶的分布與原正常狀態(tài)時保持一致，無變動，無損壞。

4)調(diào)整熱電偶位置，將上區(qū)熱電偶偏向高溫區(qū)域，中區(qū)熱電偶位置偏離高溫區(qū)域，如圖6所示。調(diào)整控溫熱電偶位置后，控溫效果理想，三區(qū)基本同時到溫。再次進行TUS測試數(shù)據(jù)合格無異常。

3 時效爐TUS測試不合格分析

3.1 故障現(xiàn)象

某臺單區(qū)小型1000 mm×1000 mm×300 mm時效爐進行9點溫度均勻性測試時發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)不合格，測試工藝溫度點為100 ℃和200℃。在測試200 ℃時靠爐門上方有兩點(5號、6號)偏低，如圖6所示，5號、6號測試點在穩(wěn)定后數(shù)據(jù)測試顯示193 ℃左右，無法達到工藝要求±5 ℃允差范圍。

圖6 熱電偶位置更改示意圖Fig.6 Schematic diagram of thermocouple position change

圖7 TUS-9點測溫Fig.7 TUS-temperature measure at nine points

3.2 故障分析與處理

靠爐門處溫度偏低在時效爐、淬火爐和烘箱等空氣爐測溫過程中是比較常見的問題，多因爐門處保溫棉老化[4]、盤根密封條破損下降導(dǎo)致保溫性能不佳[5]。出現(xiàn)該問題后，在保溫200 ℃時檢查爐門密封情況，發(fā)現(xiàn)爐門外殼溫度較高，有輕微漏風情況，嘗試使用保溫棉進行封堵，測試點溫度逐漸上升至合格范圍區(qū)間。因此，爐門側(cè)溫度點偏低是因為密封不佳，更換爐門盤根密封條后再次進行TUS測試無異常，數(shù)據(jù)均在有效區(qū)間。

4 總結(jié)

在熱處理爐使用過程中，溫度均勻性指標性能的影響因素較多，原因可能有：熱電偶位置變化導(dǎo)致的超溫或不到溫；爐膛保溫性能不佳導(dǎo)致的不到溫；控溫參數(shù)不合理或控溫熱電偶饋入處保溫密封不好導(dǎo)致的控溫不穩(wěn)定；超溫、控溫熱電偶本身精度超差或補償導(dǎo)線及儀表精度超差導(dǎo)致的溫度均勻性測試異常；爐膛及風場結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理形成死角導(dǎo)致均勻性超差；溫度均勻性測試偶異常導(dǎo)致測試數(shù)據(jù)不真實等。熱處理爐的溫度均勻性異常是一個復(fù)雜問題，在處理此類問題時，需要根據(jù)TUS的數(shù)據(jù)，結(jié)合設(shè)備狀態(tài)具體分析，對設(shè)備保障人員要求較高；同時，由于熱處理設(shè)備的特殊性，設(shè)備保障人員還應(yīng)熟悉AMS2750、CPS8100、HB5354等行業(yè)相關(guān)標準，以便合理、合規(guī)的對熱處理設(shè)備進行維修調(diào)試。