工業(yè)熱處理爐爐溫均勻性測(cè)試新技術(shù)的應(yīng)用研究*

張永良， 李大為，張富余，岳永天，汪剛文，雍海玉，雒家玲，袁國(guó)忠

(1.蘭州蘭石檢測(cè)技術(shù)有限公司，甘肅 蘭州 730314； 2.甘肅省高端鑄鍛件工程技術(shù)研究中心，甘肅 蘭州 730314)

0 引 言

對(duì)工件進(jìn)行熱處理時(shí)，溫度儀表可指示和控制溫度，但控溫儀表只能顯示及控制某一點(diǎn)處的溫度，對(duì)于除此點(diǎn)之外的爐膛其它空間溫度則無法顯示并控制，而熱處理工藝要求的卻是某一工作空間的溫度，而且要求在工作空間內(nèi)的溫度分布均勻，并能長(zhǎng)時(shí)間保持穩(wěn)定。

當(dāng)控制設(shè)備完好，操作完全按照工藝技術(shù)條件時(shí)，被處理的產(chǎn)品質(zhì)量直接取決于熱處理爐有效工作區(qū)內(nèi)均勻性的好壞，在進(jìn)行熱處理產(chǎn)品加工過程中，爐溫均勻性是熱處理爐的重要性能指標(biāo)，是確保熱處理產(chǎn)品質(zhì)量的重要工藝技術(shù)參數(shù)。因此，產(chǎn)品質(zhì)量要求較高的生產(chǎn)企業(yè)必須進(jìn)行爐溫均勻性測(cè)試。爐溫均勻性測(cè)試不但可以確定爐子有效使用面積，也可以及時(shí)了解熱處理爐爐膛內(nèi)保溫層的不均勻或加熱絲、燒嘴、閥門等存在的問題，為熱處理爐的維護(hù)和維修提供科學(xué)的技術(shù)支持[1]。

目前國(guó)內(nèi)熱處理爐爐溫均勻性的測(cè)試主要依據(jù)GB/T 9452-2012《熱處理爐有效加熱區(qū)測(cè)定方法》[2]和GB/T 30824-2014《燃?xì)鉄崽幚頎t溫度均勻性測(cè)試方法》[3]。針對(duì)熱處理爐爐溫均勻性測(cè)試中經(jīng)常出現(xiàn)的不同檢測(cè)人員、不同方法測(cè)得的結(jié)果差異較大、測(cè)量效率低下的問題，通過對(duì)熱處理爐的檢測(cè)過程和方法的控制以及減少人員對(duì)檢測(cè)的影響方面進(jìn)行分析，提出一套通用適宜的測(cè)溫方法，設(shè)計(jì)一種簡(jiǎn)單、方便、快捷的測(cè)溫支架作為輔助工具，達(dá)到解決在測(cè)量過程中出現(xiàn)的測(cè)量準(zhǔn)確性差、測(cè)量效率低等的目的。

1 熱處理爐爐溫均勻性測(cè)試新技術(shù)的研究

1.1 測(cè)量主要設(shè)備介紹

熱處理爐爐溫均勻性測(cè)量使用一體化、多通道數(shù)據(jù)采集器，如圖1，其等級(jí)為0.02級(jí)，分辨率為六位半，測(cè)量范圍為-50～1 300 ℃。采集器對(duì)熱處理爐和溫、濕環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備的控溫偏差、溫度場(chǎng)、濕度場(chǎng)、均勻度、波動(dòng)度等進(jìn)行自動(dòng)測(cè)試與分析。而傳統(tǒng)的熱處理爐測(cè)溫設(shè)備采用控溫儀表和記錄儀表，如圖2，這種儀表精度低、穩(wěn)定性差、容易受環(huán)境因素干擾。

圖1 一體化多通道數(shù)據(jù)采集器 圖2 記錄儀表

1.2 熱處理爐爐溫均勻性測(cè)試新方法

(1) 在測(cè)量一臺(tái)熱處理爐前，首先要看熱處理爐說明書和相關(guān)技術(shù)資料，確定熱處理爐的有效加熱區(qū)的范圍、類型等，同時(shí)還要和客戶的技術(shù)人員確認(rèn)。根據(jù)這些資料，計(jì)算出熱處理爐有效加熱區(qū)體積。

(2) 依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 9452-2012《熱處理爐有效加熱區(qū)測(cè)定方法》或GB/T 30824-2014《燃?xì)鉄崽幚頎t溫度均勻性測(cè)試方法》，根據(jù)熱處理爐規(guī)格、類型和體積大小計(jì)算出需要布點(diǎn)的數(shù)量。

根據(jù)GB/T 9452-2012《熱處理爐有效加熱區(qū)測(cè)定方法》，對(duì)大尺寸熱處理爐檢測(cè)點(diǎn)的數(shù)量進(jìn)行選擇，具體如表1所列。

表1 GB/T 9452-2012中檢測(cè)點(diǎn)數(shù)量選擇

根據(jù)GB/T 30824-2014《燃?xì)鉄崽幚頎t溫度均勻性測(cè)試方法》，利用體積法測(cè)試點(diǎn)的數(shù)量，結(jié)果表2所列。

表2 GB/T 30824-2014中檢測(cè)點(diǎn)數(shù)量選擇

(3) 對(duì)于燃?xì)鉄崽幚頎t和箱式電阻爐，每臺(tái)熱處理爐都是由幾個(gè)控溫區(qū)組成的，每個(gè)控溫區(qū)都有熱電偶來控制爐溫，使熱處理爐整個(gè)爐膛內(nèi)溫度達(dá)到平衡。根據(jù)被測(cè)熱處理爐規(guī)格確定熱處理爐控溫區(qū)數(shù)量，以每個(gè)控溫區(qū)為一個(gè)單元，在每個(gè)控溫區(qū)內(nèi)合理地布置熱電偶的位置。

(4) 熱處理爐[4]類型不同，控溫區(qū)也會(huì)不同，一般Ⅰ～Ⅱ類爐的控溫區(qū)相對(duì)多，而ⅢA～Ⅵ類爐的控溫區(qū)相對(duì)較少，但是等級(jí)越高的熱處理爐，需要的檢測(cè)點(diǎn)數(shù)量也會(huì)較多。因此，在布置熱電偶位置時(shí)要根據(jù)熱處理爐等級(jí)選擇不同的方法，但是布置的原則是一樣的。

如圖3～5，它們都是有兩個(gè)控溫區(qū)的熱處理爐，因?yàn)轭愋秃痛笮〔煌?，需要布置熱電偶的?shù)量不同，所布置的位置也不相同。而所布置的原則是一樣的，都是以控溫區(qū)為單元來布置的，每個(gè)控溫區(qū)中心都有一只熱電偶，再在控溫區(qū)的8個(gè)角取幾個(gè)點(diǎn)作為布置位置。這樣通過測(cè)量幾個(gè)點(diǎn)，就得出每個(gè)控溫區(qū)的溫度分布，從而得到熱處理爐的均勻性。并且對(duì)不太穩(wěn)定的熱處理爐，可以通過每個(gè)區(qū)溫度點(diǎn)測(cè)量的溫度，明確那個(gè)控溫區(qū)出現(xiàn)了問題，為熱處理爐的維修提供方便。

圖3 8點(diǎn)布置法

圖4 12點(diǎn)布置法

圖5 14點(diǎn)布置法

(5) 根據(jù)所布置的熱電偶位置點(diǎn)，畫出布點(diǎn)位置圖。依據(jù)位置圖，在每個(gè)位置放置測(cè)試支架并連接熱電偶。然后依據(jù)客戶要求選擇合適的測(cè)溫點(diǎn)，并根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求選擇相對(duì)應(yīng)的升溫時(shí)間、恒溫時(shí)間、采集次數(shù)等。

(6) 最后根據(jù)需要測(cè)量的溫度點(diǎn)從低到高依次測(cè)量。采集數(shù)據(jù)完成后，選取恒溫點(diǎn)的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算和數(shù)據(jù)分析，根據(jù)分析結(jié)果判斷熱處理爐爐溫均勻性和熱處理爐的性能。

1.3 支架設(shè)計(jì)

支架作為熱處理爐爐溫均勻性的輔助設(shè)備，對(duì)測(cè)量效率和測(cè)量的準(zhǔn)確性會(huì)產(chǎn)生影響，因此，設(shè)計(jì)一款合理的測(cè)試支架非常重要[5]。在該項(xiàng)目中設(shè)計(jì)了一種可伸縮、方便、快捷的測(cè)試支架，支架僅需一人即可搬動(dòng)，可以反復(fù)使用。測(cè)試時(shí)只需要將每個(gè)支架移動(dòng)到相應(yīng)的布點(diǎn)位置，將熱傳感器固定在支架相應(yīng)位置，就完成了準(zhǔn)備工作。如圖6、7所示。

圖6 支架結(jié)構(gòu)示意圖

圖7 夾持卡的結(jié)構(gòu)示意圖

該支架體積小巧，方便搬運(yùn)，可重復(fù)應(yīng)用，不受熱處理爐體積大小的限制，無需在大型庫房中進(jìn)行存放。其支撐桿和伸長(zhǎng)桿上設(shè)置溫度傳感器安裝座，便于溫度傳感器或熱電阻的安裝、布置，支撐桿的內(nèi)腔中插接伸長(zhǎng)桿，高度可靈活調(diào)節(jié)，適用于不同型號(hào)熱處理爐，應(yīng)用廣泛。溫度傳感器安裝座的外端設(shè)置擋火板，可防止?fàn)t火直接噴射到溫度傳感器上，提高了檢測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

2 新技術(shù)在工作中的應(yīng)用

為驗(yàn)證方法的準(zhǔn)確性，對(duì)一臺(tái)臺(tái)車式燃?xì)鉄崽幚頎t進(jìn)行爐溫均勻性測(cè)量，該爐型號(hào)為RT3-2700,控溫溫區(qū)為兩個(gè)。根據(jù)相關(guān)參數(shù)計(jì)算得出該熱處理爐需要測(cè)溫點(diǎn)14個(gè)，所布點(diǎn)如圖8所示。

圖8 熱傳感器布點(diǎn)位置圖

布點(diǎn)的分布是以爐膛內(nèi)每個(gè)控溫區(qū)為單元來分布的，通過這種方法測(cè)量熱處理爐爐膛內(nèi)的溫度變化，既能快速計(jì)算出爐溫均勻性是否符合要求，也能根據(jù)各溫區(qū)的溫度變化，快速分析出爐膛口、爐膛內(nèi)各位置的溫度變化特征。

表2是對(duì)該熱處理爐在恒溫800 ℃時(shí)的測(cè)量數(shù)據(jù)。

表2 800 ℃的測(cè)量數(shù)據(jù)

續(xù)表2 800 ℃的測(cè)量數(shù)據(jù)

從測(cè)量結(jié)果可以看出，爐溫溫區(qū)分布特性為：離爐門或爐底越近，溫度較低，主要原因是爐門和爐底散熱及密封性差。遠(yuǎn)離爐門或爐頂?shù)臏囟认鄬?duì)較高，這是因?yàn)槊芊庑院茫⑶覡t內(nèi)熱氣往上走，所以溫度高。09、14點(diǎn)溫度較高，主要是燒嘴噴出的火焰從下往上走，而這兩點(diǎn)靠近燒嘴。整體分析看，該熱處理爐的均勻性和性能相對(duì)較好。

3 結(jié) 語

從上述可以看出，利用這種新方法既能快速計(jì)算出爐溫均勻性是否符合要求，也能根據(jù)各溫區(qū)的溫度變化，快速分析出爐膛口、爐膛內(nèi)各位置的溫度變化特征。從數(shù)據(jù)分析的結(jié)果，就能知道爐膛內(nèi)各位置及控溫區(qū)的性能，進(jìn)而分析出爐膛內(nèi)哪些部位出現(xiàn)問題，為熱處理爐的維護(hù)和維修工作提供更加科學(xué)準(zhǔn)確的技術(shù)支持。這種方法彌補(bǔ)了GB/T 9452-2012《熱處理爐有效加熱區(qū)測(cè)定方法》、GB/T 30824-2014《燃?xì)鉄崽幚頎t溫度均勻性測(cè)試方法》中對(duì)于大型熱處理爐溫均勻性測(cè)試布點(diǎn)方法沒有具體說明的缺陷。

熱處理爐均勻性已成為熱處理爐性能指標(biāo)的重要考查標(biāo)準(zhǔn)，其對(duì)產(chǎn)品熱處理的結(jié)果影響很大，企業(yè)要想提高產(chǎn)品質(zhì)量，必須按要求定期對(duì)熱處理爐爐溫均勻性進(jìn)行測(cè)試。而該項(xiàng)目的目的是在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，為客戶提供快速、科學(xué)、準(zhǔn)確的熱處理爐爐溫均勻性測(cè)量服務(wù)。