熱處理爐高溫測(cè)量解析

冷紹波，孔憲俊

1.中國人民解放軍第五七一九工廠 四川成都 611936

2.沈陽航空航天大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 遼寧沈陽 110136

1 序言

在熱處理質(zhì)量保證體系中，高溫測(cè)量是保證工藝穩(wěn)定性的關(guān)鍵工作。高溫測(cè)量可細(xì)分為兩大部分：一是爐溫均勻性測(cè)試（TUS）；二是系統(tǒng)精度測(cè)試（SAT）。高溫測(cè)量的主要目的是保證加熱爐溫度控制的準(zhǔn)確性和加熱爐膛內(nèi)各區(qū)域溫度均勻性。其本質(zhì)是對(duì)由控溫儀表、熱電偶、補(bǔ)償導(dǎo)線所形成的控溫系統(tǒng)通過儀表PID調(diào)節(jié)量控制設(shè)備功率輸出，使?fàn)t膛內(nèi)形成的溫度場(chǎng)恒定性的檢測(cè)手段；同時(shí)也考量了由記錄儀表、熱電偶、補(bǔ)償導(dǎo)線所構(gòu)成的溫度檢測(cè)記錄系統(tǒng)對(duì)溫度場(chǎng)檢測(cè)的有效性。

2 國內(nèi)高溫測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)采用情況

國內(nèi)企業(yè)高溫測(cè)量的主要依據(jù)性文件為G J B 509B—2008《熱處理工藝質(zhì)量控制》[1]、HB 5354—1994《熱處理工藝質(zhì)量控制》、HB 5425—2012《航空制件熱處理爐有效加熱區(qū)測(cè)定方法》[2]或G B/T 9452—2012《熱處理爐有效加熱區(qū)測(cè)定方法》[3]等行業(yè)或國家標(biāo)準(zhǔn)；部分企業(yè)因開展了國際轉(zhuǎn)包業(yè)務(wù)或民航適航業(yè)務(wù)，采用了AMS 2750《Pyrometry》[4]標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行高溫測(cè)量工作。

在這些主要使用的高溫測(cè)量或熱處理質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)中，AMS 2750《Pyrometry》標(biāo)準(zhǔn)最具代表性和參考意義。國內(nèi)主要標(biāo)準(zhǔn)均是參照該標(biāo)準(zhǔn)編制和修訂的。

AMS 2750《Pyrometry》為國際Nadcap認(rèn)證授信標(biāo)準(zhǔn)，由PRI?公司組織專業(yè)團(tuán)隊(duì)定期按照行業(yè)發(fā)展動(dòng)態(tài)和新技術(shù)應(yīng)用條件進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整更新，現(xiàn)已更新至AMS 2750F版。AMS 2750的編制維護(hù)團(tuán)隊(duì)是由國際權(quán)威機(jī)構(gòu)認(rèn)可的具有多年專業(yè)審核經(jīng)驗(yàn)和工程技術(shù)操作經(jīng)驗(yàn)的人員組成，其控制目標(biāo)直指高溫測(cè)量控制核心——在現(xiàn)有技術(shù)條件下，最大限度地保證加熱爐爐內(nèi)溫度均勻。

3 TUS測(cè)試

（1）TUS概念及目的 TUS（Temperature Uniformity Survey）即溫度均勻性測(cè)量，其目的是立體地還原爐膛內(nèi)實(shí)際溫度場(chǎng)分布情況。

加熱爐控溫?zé)犭娕己陀涗洘犭娕纪ǔ８鶕?jù)爐溫控制需求或爐膛大小，按區(qū)域進(jìn)行溫度控制，在每個(gè)控溫區(qū)域內(nèi)，為了降低設(shè)備制造成本及熱電偶損耗成本，在保證使用條件的前提下，都會(huì)盡量地減少儀表和熱電偶的數(shù)量。熱電偶安裝位置通常布置在單個(gè)控溫區(qū)的一個(gè)溫度點(diǎn)上，且不能伸入到實(shí)際工作區(qū)內(nèi)，以免干擾工件進(jìn)出爐。

此時(shí)，加熱爐的控溫和記錄的溫度僅能反映熱電偶安裝位置的溫度情況，并不能實(shí)際反饋整個(gè)爐膛內(nèi)的溫度場(chǎng)情況。為了探究爐膛內(nèi)溫度場(chǎng)情況與爐內(nèi)熱電偶安裝點(diǎn)溫度間的關(guān)系，需按照爐膛有效加熱區(qū)尺寸，在爐膛最具代表性的位置上，增加安裝一定數(shù)量的熱電偶，測(cè)定控溫?zé)犭娕己陀涗洘犭娕急O(jiān)測(cè)不到位置上的溫度場(chǎng)，與其之間的溫度差異，從而出現(xiàn)了TUS。

（2）TUS的使用 TUS實(shí)際反映了在加熱過程中，工件擺放在不同區(qū)域時(shí)所承受的溫度。TUS允差的選用，則是根據(jù)材料相變溫度區(qū)間而進(jìn)行了適配選取。TUS測(cè)定的爐溫最大誤差見表1。

表1 加熱爐類別劃分

選擇所用爐類別的主要依據(jù)可分為兩部分：其一，材料相變溫度范圍的域度；其二，材料允許性能公差的范圍。只有選擇合適的加熱爐，才能保證熱處理后得到所需材料組織和性能的一致性，這也是高溫測(cè)量的意義所在。

國內(nèi)各熱加工工種在選擇加熱爐類別時(shí)，一般按表2進(jìn)行選用。

表2 加熱爐類別的選用

對(duì)于各類粉料、熔煉料等沒有性能和金相要求的材料烘干時(shí)，可任選爐類使用；鍛造、鑄造加熱爐一般選用不高于Ⅴ類爐；不銹鋼、結(jié)構(gòu)鋼、高溫合金鋼等黑色金屬基類鋼種與鈦及鈦合金，一般選用不高于Ⅲ類爐；而沉淀硬化型不銹鋼因沉淀硬化相析出溫度范圍較窄，一般常會(huì)選用不高于Ⅱ類爐；鋁合金、銅合金固溶階段一般選用不高于Ⅲ類爐，而低溫相變區(qū)溫度范圍較窄，其時(shí)效階段一般選用不高于Ⅱ類爐，甚至個(gè)別鋁合金材料應(yīng)選用Ⅰ類爐；橡膠類材料因硫化溫度范圍窄，一般選用Ⅰ類爐。本文歸納的加熱爐類別選用為普識(shí)性參考，對(duì)于具體材料，部分存在個(gè)性化需求。

（3）TUS測(cè)定方法概述 TUS測(cè)定方法無論哪個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，都大同小異。其基本原理為采用受控的高精度儀表和熱電偶（通常為1級(jí)或2級(jí)精度測(cè)試熱電偶，0.1級(jí)精度或更高精度的測(cè)試儀表[5]），以及對(duì)應(yīng)的補(bǔ)償導(dǎo)線組成一個(gè)更為精確和受控的溫度測(cè)量系統(tǒng)。使用這個(gè)溫度測(cè)量系統(tǒng)，按照加熱爐有效工作容積區(qū)域，分別將測(cè)試熱電偶布置在單個(gè)容積區(qū)域的各個(gè)角點(diǎn)位置。另外，還需至少一支測(cè)試熱電偶布置在有效容積區(qū)域的中心位置的方式，來代表性地反應(yīng)加熱區(qū)的真實(shí)溫度情況。

測(cè)試熱電偶典型分布形式如圖1所示。增大區(qū)域時(shí)，按照單位容積（通常為6.3m3）個(gè)數(shù)同等增加測(cè)量容積即可。

圖1 典型測(cè)試熱電偶分布點(diǎn)位[3-5]

這種分布和測(cè)試的方法，既有溫度最惡劣點(diǎn)位（各個(gè)角點(diǎn)），又有典型溫度點(diǎn)位（中心位置溫度點(diǎn)）。因此，在使用有限的資源條件下，做到了最大的立體溫度場(chǎng)的還原。

T U S過程中，對(duì)于升溫階段并不做均勻性要求，這是因?yàn)椴牧系臒崽幚硭璧玫降慕M織主要在最高保溫階段獲得。而有些設(shè)備由于加熱功率輸出邏輯不合理（PID參數(shù)調(diào)整不合理），由此在到溫階段存在短時(shí)間內(nèi)溫度超過爐溫均勻性允許公差上限的情況。此時(shí)，如果對(duì)材料進(jìn)行加熱，可能存在因加熱溫度過高而產(chǎn)生過熱、過燒情況。因此，在TUS過程中任何時(shí)候超過爐溫均勻性要求上限的情況是不被允許的。

國內(nèi)及國外標(biāo)準(zhǔn)針對(duì)TUS測(cè)試方法均有詳細(xì)的描述，在此不再贅述。

4 SAT測(cè)試

（1）S AT測(cè)試概念及目的 S AT（S y s t e m Accuracy Testing）即系統(tǒng)精度測(cè)試，其目的是為了標(biāo)定加熱爐溫度測(cè)量系統(tǒng)偏差。

要想了解SAT測(cè)試的真正目的，首先要了解溫度測(cè)量系統(tǒng)。

通常，溫度測(cè)量系統(tǒng)由一個(gè)溫度儀表、一條補(bǔ)償導(dǎo)線和一支溫度熱電偶組成一個(gè)閉合的溫度回路。溫度測(cè)量系統(tǒng)的工作原理為由兩種合金材料組成的溫度熱電偶，在不同溫度條件下，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)恒定的電壓值，或合金材料組成的溫度熱電偶在不同溫度下，電阻率發(fā)生變化的電物理特性形成一個(gè)電信號(hào)，通過一條不改變這一物理特性電信號(hào)的傳輸導(dǎo)線（即補(bǔ)償導(dǎo)線）傳輸給溫度儀表，溫度儀表再將這一模擬電信號(hào)輸入量，通過電子運(yùn)算，轉(zhuǎn)換成為數(shù)字溫度信號(hào)而被讀取。

在溫度測(cè)量系統(tǒng)中，補(bǔ)償導(dǎo)線因不直接接觸高溫，且自身不產(chǎn)生電信號(hào)，因此一般情況下，其對(duì)傳輸電信號(hào)的影響為一個(gè)常量，不會(huì)改變溫度系統(tǒng)精度。

由于儀表需要處理電信號(hào)，因此會(huì)受到其他電磁信號(hào)擾動(dòng)或內(nèi)部元器件變化的影響，出現(xiàn)儀表接收信號(hào)的準(zhǔn)確度或運(yùn)算準(zhǔn)確度的下降，使溫度測(cè)量系統(tǒng)精度衰減。

溫度熱電偶因長期在高溫條件下工作，所以會(huì)使感應(yīng)端材料元素成分發(fā)生變化，從而改變其實(shí)際發(fā)出的物理電信號(hào)特征（通常為電壓或電阻信號(hào)），從而使儀表接收到的信號(hào)出現(xiàn)偏差，影響溫度測(cè)量系統(tǒng)的精度。

儀表本身具有精度誤差，溫度熱電偶也存在精度誤差，這兩個(gè)誤差可能相互抵消減小溫度測(cè)量系統(tǒng)誤差，也可能相互疊加增大溫度測(cè)量系統(tǒng)誤差。

由于上述原因，因此需要補(bǔ)充測(cè)量加熱設(shè)備使用的溫度測(cè)量系統(tǒng)誤差應(yīng)在可控范圍以內(nèi)；同時(shí)，還需周期測(cè)量系統(tǒng)溫度誤差，以確定溫度系統(tǒng)精度衰減是否超出可控范圍。

（2）SAT對(duì)加熱爐溫度的影響 溫度測(cè)量系統(tǒng)在加熱爐內(nèi)主要用于控溫系統(tǒng)、記錄系統(tǒng)和負(fù)載系統(tǒng)等的溫度數(shù)據(jù)的獲取，以便對(duì)爐內(nèi)實(shí)際溫度進(jìn)行控制或讀取。其對(duì)爐內(nèi)溫度的影響主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

1）控制溫度系統(tǒng)是加熱爐溫度調(diào)節(jié)的指揮系統(tǒng)。其溫度系統(tǒng)精度的衰減，將使控溫系統(tǒng)接收到的溫度信號(hào)出現(xiàn)偏離，致使控溫系統(tǒng)對(duì)加熱功率的調(diào)節(jié)出現(xiàn)偏差，使?fàn)t內(nèi)實(shí)際溫度整體向上或向下偏移。

例如：控溫系統(tǒng)精度誤差為+2℃，設(shè)定加熱溫度為500℃時(shí)，當(dāng)實(shí)際溫度達(dá)到498℃時(shí)，控溫系統(tǒng)接收到的溫度信號(hào)為已經(jīng)達(dá)到了500℃，此時(shí)，爐內(nèi)實(shí)際溫度向下偏移了2℃。

2）記錄溫度測(cè)量系統(tǒng)是加熱爐內(nèi)實(shí)際溫度的記錄者。其溫度測(cè)量系統(tǒng)精度的衰減，將使記錄的溫度與實(shí)際溫度出現(xiàn)偏差，從而導(dǎo)致記錄溫度與實(shí)際溫度不符，造成記錄結(jié)果失真甚至超差，影響對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的判斷。

例如：記錄溫度測(cè)量系統(tǒng)精度誤差為+2℃，當(dāng)實(shí)際溫度達(dá)到500℃時(shí)，記錄系統(tǒng)接收到的溫度信號(hào)為502℃，此時(shí)，記錄的爐內(nèi)溫度向上偏移了2℃。

3）負(fù)載系統(tǒng)因其與工件位置最為接近，故其常被用作控溫系統(tǒng)或記錄系統(tǒng)的直接替代，以更加直接地反映工件的實(shí)際溫度情況。因此，其精度對(duì)加熱爐溫度場(chǎng)的影響與其所需實(shí)現(xiàn)的功能直接相關(guān)。

SAT測(cè)試允差見表3。

表3 加熱爐類別及系統(tǒng)精度要求[1]

因此，爐內(nèi)實(shí)際溫度場(chǎng)變化是由TUS所測(cè)定的加熱爐因加熱元件、保溫情況等加熱條件所形成的溫度場(chǎng)內(nèi)溫度分布情況，以及SAT所測(cè)定的儀表系統(tǒng)精度導(dǎo)致的爐內(nèi)溫度場(chǎng)的整體上下偏移形成的綜合溫差系統(tǒng)。SAT對(duì)爐內(nèi)溫度場(chǎng)所起的作用，實(shí)際占據(jù)了50%的影響力。

例如，最為常用的Ⅲ類爐，爐溫均勻性為±10℃，儀表系統(tǒng)精度為±2.2℃或0.4%的最大值，當(dāng)設(shè)定溫度為1000℃時(shí)，爐內(nèi)某一點(diǎn)的實(shí)際溫度處于爐溫均勻性上極限即1010℃。此時(shí)記錄溫度系統(tǒng)的系統(tǒng)精度處于下極限為-4℃，使記錄溫度顯示為1000℃，但記錄點(diǎn)實(shí)際溫度為996℃，而控制溫度系統(tǒng)的系統(tǒng)精度為上極限+4℃，則使得控制溫度系統(tǒng)感知到的溫度為1000℃，控溫條件成立。

隨著加熱爐的使用，記錄和控溫系統(tǒng)精度均出現(xiàn)了極限變化，此時(shí)設(shè)定溫度仍為1000℃，但因控制溫度系統(tǒng)精度變?yōu)?4℃，此時(shí)控溫系統(tǒng)感知到1000℃時(shí)，實(shí)際爐內(nèi)溫度從996℃變?yōu)?004℃，此時(shí)，爐內(nèi)溫度場(chǎng)整體向上偏移8℃，則最高溫度點(diǎn)溫度變，為了1018℃。同時(shí)，記錄溫度系統(tǒng)精度也發(fā)生了改變，為+4℃，則記錄顯示溫度為1008℃。此時(shí)，再進(jìn)行TUS測(cè)試時(shí)，爐溫均勻性仍然合格，但爐內(nèi)整體溫度向上偏移了8℃。

根據(jù)上述分析可知，控溫和記錄溫度系統(tǒng)精度對(duì)爐溫的影響，既可相互疊加，增大記錄溫度與實(shí)際溫度的偏差，也可相互抵消，減小記錄溫度與實(shí)際溫度的偏差。但總體來說，溫度測(cè)量系統(tǒng)必須受控，才能使加熱爐內(nèi)溫度場(chǎng)的變化受控。如果溫度測(cè)量系統(tǒng)不受控，雖然TUS測(cè)試合格，但隨著溫度測(cè)量系統(tǒng)精度的變化，則加熱爐內(nèi)溫度場(chǎng)將會(huì)出現(xiàn)不受控制的溫度偏移。隨著加熱爐的使用，溫度測(cè)量系統(tǒng)精度還會(huì)進(jìn)一步衰減，溫度場(chǎng)偏移將無法預(yù)估和控制。由此可見，SAT測(cè)試對(duì)保證爐溫的穩(wěn)定是至關(guān)重要的，也是必要的。當(dāng)然，當(dāng)對(duì)溫度測(cè)量系統(tǒng)的控制要求足夠嚴(yán)格，使其能夠用其他手段受控，從而滿足周期性精度要求時(shí)，也可采用相應(yīng)手段替代SAT。但在國內(nèi)各標(biāo)準(zhǔn)中，均未提及替代SAT的方法；在AMS 2570中有替代SAT的相關(guān)方法說明，但在一般情況下，其成品代價(jià)均遠(yuǎn)高于正常

SAT。

（3）SAT測(cè)試方法概述 SAT測(cè)試方法就是使用一個(gè)精度嚴(yán)格受控的溫度測(cè)量系統(tǒng)與設(shè)備使用的溫度測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行比對(duì)，從而標(biāo)定設(shè)備所用溫度測(cè)量系統(tǒng)所顯示的溫度與實(shí)際溫度之間的誤差衰減在可控范圍內(nèi)。

通常，SAT測(cè)試需要使用校準(zhǔn)更加嚴(yán)格的測(cè)溫儀表和測(cè)試溫度熱電偶對(duì)設(shè)備溫度系統(tǒng)進(jìn)行比對(duì)測(cè)定。GJB 509B—2008中規(guī)定，測(cè)試儀表精度為0.05級(jí)，采用標(biāo)準(zhǔn)分度補(bǔ)償導(dǎo)線和檢定周期為3個(gè)月的1級(jí)精度的測(cè)試熱電偶。

加熱爐用溫度測(cè)量系統(tǒng)所用儀表精度要求詳見表4，標(biāo)準(zhǔn)分度補(bǔ)償導(dǎo)線，現(xiàn)場(chǎng)用溫度熱電偶要求見表5。

從表4、表5看出，SAT所用測(cè)試儀表的精度較現(xiàn)場(chǎng)用儀表精度更高，測(cè)試用熱電偶的精度和校驗(yàn)周期較現(xiàn)場(chǎng)用熱電偶的要求更加嚴(yán)格。

從表3與表4、表5的對(duì)比可以看出，SAT測(cè)試周期較儀表和熱電偶的測(cè)試周期更短，從而能夠彌補(bǔ)在使用過程中儀表和熱電偶精度衰減的監(jiān)測(cè)。

表4 加熱爐用儀表精度等級(jí)[1，5]

表5 現(xiàn)場(chǎng)使用的熱電偶技術(shù)要求[2，5]

因此，在行業(yè)的通常認(rèn)知中，都把SAT作為對(duì)儀表和熱電偶周期校準(zhǔn)的補(bǔ)充。

在AMS 2750中，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)用熱電偶并未規(guī)定需要周期檢定。該標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)為，在溫度測(cè)量系統(tǒng)中，儀表進(jìn)行了周期檢定，補(bǔ)償導(dǎo)線為常量不會(huì)改變，SAT所用溫度測(cè)量系統(tǒng)受控嚴(yán)格、精度更高。在SAT過程中，其實(shí)已經(jīng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)用熱電偶進(jìn)行了變相校準(zhǔn)，因此，現(xiàn)場(chǎng)用熱電偶可不再周期校準(zhǔn)，以免浪費(fèi)成本。

AMS 2750中的這一規(guī)定，是建立在對(duì)企業(yè)和個(gè)人完全誠信和受控的基礎(chǔ)上所作出的規(guī)定。而在實(shí)際操作過程中，由于企業(yè)或個(gè)人均不可避免地存在疏忽情況，所以在實(shí)際操作中，還是需要對(duì)現(xiàn)場(chǎng)用熱電偶進(jìn)行周期檢定，以減小失控風(fēng)險(xiǎn)。

具體的SAT測(cè)試方法，國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)僅對(duì)SAT用儀表及熱電偶的要求做出說明，但并未對(duì)具體測(cè)試方法進(jìn)行說明；AMS 2750中對(duì)SAT測(cè)試的具體操作細(xì)節(jié)作出了詳細(xì)表述。國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)的SAT本身來源于AMS 2750，因此操作方法也可參照AMS 2750執(zhí)行，現(xiàn)將國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)未明確的部分要求詳述如下。

1）測(cè)試溫度選擇：測(cè)試溫度應(yīng)選擇設(shè)備常用的一個(gè)或多個(gè)溫度，也可隨設(shè)備常加工的零件在熱處理過程中的加熱保溫階段進(jìn)行測(cè)量。

2）測(cè)試時(shí)長：由于SAT測(cè)試受爐內(nèi)本身溫度場(chǎng)變化影響不大，因此其測(cè)試時(shí)長以能夠清晰地獲得比對(duì)結(jié)果為宜。通常測(cè)試時(shí)長超過10min即可。

3）測(cè)試數(shù)據(jù)的采集：在SAT測(cè)試中，記錄系統(tǒng)的溫度數(shù)據(jù)可以直接打印，而控溫系統(tǒng)或其他溫度系統(tǒng)則只能采用測(cè)試人員手寫記錄的方式，然后進(jìn)行比對(duì)保存。因此，SAT測(cè)試的數(shù)據(jù)采集，應(yīng)采用測(cè)試人員手寫記錄為主、打印記錄為輔的方式。

5 結(jié)束語

高溫測(cè)量是保證熱處理質(zhì)量的關(guān)鍵所在。在追求零件質(zhì)量高穩(wěn)定性的行業(yè)中，高溫測(cè)量手段是熱處理質(zhì)量保證的必要條件。由于維持周期高溫測(cè)量，其高昂的校驗(yàn)成本不容忽視，因此需要人們更多地關(guān)注高溫測(cè)量、研究高溫測(cè)量、推進(jìn)高溫測(cè)量手段的發(fā)展，以期采用更加經(jīng)濟(jì)的方式，達(dá)到更加精準(zhǔn)的溫度場(chǎng)長期控制的目的，從而提升產(chǎn)品質(zhì)量，推動(dòng)行業(yè)高速發(fā)展。