熱處理如何做好高溫測量

北京百慕航材高科技股份有限公司 （100094） 劉俊杰 周廣銀

熱處理審核是Nadcap特種工藝認證項目的重要內容，目前主要參考標準是宇航材料規范AMS2750D《高溫測量》，該規范規定了對用于熱處理的熱加工設備的高溫測量要求，其中包括溫度傳感器、儀表、熱加工設備、系統精度測試和溫度均勻度測試的要求。

一、溫度傳感器

在高溫測量中，溫度傳感器指的是各種熱電偶，它是由兩種不同成分的材質導體組成的閉合回路，當兩端存在溫度梯度時，回路中就會有電流通過，此時兩端之間就存在電動勢，即熱電動勢，這就是所謂的賽貝克效應，兩種不同成分的均質導體為熱電極，溫度較高的一端為工作端，溫度較低的一端為自由端，自由端通常處于某個恒定的溫度下。根據熱電動勢與溫度的函數關系，制成熱電偶分度表。分度表是自由端溫度在0℃時的條件下得到的，不同的熱電偶具有不同的分度表。

熱電偶根據導體材質不同分為貴金屬熱電偶和廉金屬熱電偶。貴金屬熱電偶是由鉑、銠等貴金屬組成，受到高溫、氧化和空氣減少影響而產生的電動勢偏移量少，其中包括S、R和B型熱電偶；廉金屬熱電偶是除了S、R和B型熱電偶之外的熱電偶，包括E、J、K、N和T型。

熱電偶根據保護材料不同又分為易耗型熱電偶和非易耗型熱電偶。易耗型熱電偶外面用纖維布或塑料包裹，它的絕緣材料包括玻璃纖維和由玻璃纖維包裹的陶瓷纖維棉等；非易耗型熱電偶在赤裸的熱電偶上覆蓋陶瓷絕緣體，有時為了穩定性和保護作用將導線插入到一根管子內。

熱電偶與儀表的連接主要通過補償導線，補償導線是不允許絞接的，同時不同型號熱電偶的補償導線是不同的，不同補償導線的顏色也是有規范的，且各個國家的規范不同，使用時統一即可。

1.溫度傳感器的種類

各種用途的熱電偶在AMS2750D中也有詳細的要求，但若測試熱電偶是第三方檢定的話，一般只需要關注用作溫度均勻度測試，系統精度測試，控制、記錄和監測的熱電偶，或載荷熱電偶。

（1）溫度均勻度測試熱電偶 對熱處理設備進行溫度均勻度測試過程中使用的熱電偶，其只允許使用B、R、S、J、K型熱電偶，其中B、R、S為6個月檢定一次，J、K為3個月檢定一次，最大允許誤差為±2.2℃或±0.75%。

（2）系統精度測試熱電偶 對熱處理設備進行系統精度測試過程中使用的熱電偶，同樣也只允許使用B、R、S、J、K型熱電偶，檢定方式同上，只是最大允許誤差分別為：J、K型熱電偶±1.1℃或±0.4%，R、S型熱電偶±0.6℃或±0.1%，B型熱電偶±0.25%。

（3）控制、記錄和監測熱電偶 用于控制、記錄和監測熱處理設備內部溫度的熱電偶，由于要進行系統精度測試，所以只需要進行初次檢定即可，系統精度測試可以定期監測熱電偶是否在合格的范圍內，它的最大允許誤差與設備類型有關，1類和2類設備最大允許誤差為±1.1℃或±0.4%，3～6類設備最大允許誤差為±2.2℃或±0.75%。

（4）載荷熱電偶 根據不同設備結構或特殊要求，對熱處理設備內部處理的材料實際溫度監測的熱電偶，對B、R、S型載荷熱電偶的檢定周期為6個月，而廉金屬熱電偶不允許重復檢定，但根據使用溫度的不同分別給出了使用時間和次數的限制。

2.溫度傳感器的檢定

溫度傳感器的檢定除了按照以上的周期要求外，所有熱電偶的檢定證書必須包含校準數據來源、名義測試溫度、實際測試溫度、校準技術，以及可跟蹤到NIST或其他制定國家標準的每個校準溫度的修正系數，同時溫度傳感器應在其使用范圍內進行校準，校準間隔應不大于140℃，對于高于260℃使用后的K和E型熱電偶，不允許重復校準。

二、儀表

這里所指的儀表是將傳感器的電動勢轉變成溫度值用于過程控制、記錄和監測，進而建立、記錄和維護過程參數的儀器。

1.儀表的種類

（1）現場測試儀表 在系統精度測試和溫度均勻度測試過程中采集測試偶溫度的儀表及現場對控制、記錄和監測儀表檢定的儀表，檢定周期為3個月，最大允許誤差為±0.6℃或讀數的±0.1%，以大者為準。

（2）控制、記錄和監測儀表 設備上安裝的用以控制、記錄和監測設備內部溫度的儀表，根據設備類型和儀表種類不同檢定周期也不盡相同。如果超溫報警儀表僅用于設備的超溫保護，不需要檢定，這里指的超溫是超過設備使用的最高溫度，用于保護設備，所以報警表的報警溫度是一定的，不需要調整。但很多地方要求報警表溫度是工藝溫度上限再加10℃，報警表溫度隨工藝溫度不同而改變，在這里報警儀表就不只是保護設備，而是保護設備處理的工件，此種情況下報警表需一年一檢。

同時，記錄儀表記錄的頻率不一定必須在整個范圍內都得到實現，只要在對工藝要求比較重要的部分達到或大于這個要求就可以了，這一點一般的記錄儀表都可以實現。

2.儀表的檢定

所有的儀表都需要按照以上要求進行檢定，但是控制、記錄和監測儀表的檢定溫度點沒有細致的要求，只要根據制造商的說明書進行就可以了，如果沒有制造商的說明書，可以在設備合格操作溫度范圍的低、中、高三點進行測試。

儀表檢定合格后，粘貼在儀表上的標簽至少應包括檢定實施日期、下次檢定日期、檢定人員和檢定時所受到的任何限制，在檢定的合格報告中應包含的內容AMS2750D也作出了詳細的要求。

三、熱加工設備

AMS2750D要求所有的熱處理設備都應標明爐子級別和儀表類型。其中爐子的級別根據溫度均勻度范圍而定，而爐子儀表類型由爐內溫度傳感器的數量、位置和功能決定。

1.爐子的級別

爐子級別與溫度均勻度的關系見附表。

爐子級別表

2.爐子儀表類型

爐子儀表類型共分為六種，分別為A、B、C、D、E型和冷凍設備及淬火系統，分類主要由控制、監控爐溫的儀表和傳感器的分布而定。

需要注意，只有確定了爐子級別和儀表類型才可以確定各種測試和檢定的周期，有時根據需要在儀表類型之間會有偏差，如何界定儀表類型十分關鍵，因此在實際操作過程中有時也需要對儀表類型的確定和儀表、傳感器的分布之間進行一定的說明，以方便實際操作。

四、系統精度測試

系統精度測試是指將儀器、補償導線、傳感器讀數與已經過檢定的測試儀器、補償導線和傳感器的讀數進行現場比較，以判斷測量的溫度偏差是否在允許的范圍之內。其目的是為了保證熱處理爐每個控制區域的控制和記錄系統是有效的。

對于生產中所用的熱處理設備，應該對每個控制區的每一個溫度控制、監測及記錄系統做系統精度測試。

1.系統精度測試的程序

在任何工作溫度下，被測傳感器顯示或記錄的未加修正的讀數都必須與測試儀傳感器已修正的讀數進行比較，測試熱電偶的末端必須盡可能地與被測試熱電偶的末端靠近，兩點之間的距離不能超過76mm，接下來的系統精度測試所使用的熱電偶必須與初次測試時的定位相同，測試熱電偶可以是臨時插入也可以是固定的，如果固定使用也必須符合AMS2750D中的規定要求。

2.系統精度測試的結果

對于系統精度的結果，在AMS2750D中有要求，在這里以4類D型爐子為例，SAT的正常周期為兩周，如果內部有預防性維護措施，那么SAT的周期最長可以變為每月。當然，在進行了可能影響系統精度測試結果的任何改變后也應重新進行系統精度測試，最大誤差為±2.2℃或讀數的0.4%，以大者為準，在這里要重點指出的是最大允許調整量，即最大允許調整的偏置。

偏置分為手動偏置和電子偏置，調整偏置的目的就是在已知控溫和記錄系統存在誤差，為使設備狀態更好，進而對控制系統進行手動或電子偏置。對于控溫精度要求高的設備，進行偏置設定是有意義的，能夠更好地控制和了解設備工作情況，因為誤差是難免的，比如試驗爐。但對于生產型企業用的大設備，對系統精度要求不是特別高，建議不使用偏置，或是不長期使用偏置，因為小的誤差對設備要求沒有影響，不需要調整偏置，而如果有大的誤差（范圍內），說明控溫或記錄鏈已出現問題，調整偏置不能規避問題。

使用或不使用偏置，不會對系統精度測試的結果產生任何影響。

五、溫度均勻度測試

1.定義

溫度均勻度是指熱處理爐合格工作區內的溫度相對于設定溫度的變化。對于通過使用傳感器來控制溫度的蒸餾爐而言，是指工作區溫度與傳感器溫度，而不是與設定溫度之差。而溫度均勻度測試（TUS）指的是在熱平衡前后，用校驗過的現場測試儀器和傳感器對爐子工作區溫度變化量進行的一個或一系列測試。這里的熱平衡前后，是指在這個加熱過程中溫度差都應在要求范圍之內。

同時應注意，工作區是指爐子中溫度變化符合均勻度容差要求的一部分界定的體積。控制區指熱處理設備工作區的一部分，這一區域有獨立的傳感器、儀表，能夠控制溫度的熱輸入和輸出裝置。爐子的這一區域是獨立控制的。

2.測試溫度均勻度的程序

（1）TUS的要求 在熱處理爐開始熱處理生產前必須進行TUS，此后需要進行定期的TUS，同時一臺爐子可以有多個合格的工作溫度范圍。

（2）TUS傳感器的數量和位置 TUS傳感器的數量和工作區的體積有關，對于工作體積小于0.085m3的爐子，應在4個角及中心位置各放置一個傳感器；如果爐子工作區是圓柱形的，應在圓周面呈90°的4個點及中心位置放置傳感器，以上兩種情況，所有的傳感器都應被放在最能代表合格工作區的點上。對于工作區體積大于0.085m3的爐子，應在8個角各放置一個TUS傳感器，并在中心放置一個傳感器；如果工作區是圓柱形的，則要在兩個底面沿圓周呈120°各放置3個TUS傳感器，再在圓柱體中心放置一個，另外兩個傳感器均勻分布在最能代表合格工作區的位置。當工作區體積大于6.4m3時，將其余的TUS傳感器均勻分布在最能代表合格工作區的點上。

（3）測試的參數 所有的參數必須反映生產中設備的實際工作情況，包括工作區氣氛、升溫速度及真空度等，如果正常生產過程中是將材料放入已加熱的設備中，那么測試傳感器可以放入冷卻的設備或預熱過的設備，但是如果正常生產過程中是將材料放入冷卻的設備中，那么在做TUS時就不能對熱處理爐進行預熱。

（4）測試數據的采集 測試數據的采集應該從TUS傳感器達到測試溫度容差下限之前開始，這樣在爐子或任何一個TUS傳感器超過溫度均勻度容差上限時都能記錄。如果熱處理爐經過了預熱穩定，就應該在爐內加載測試爐料或測溫架時立刻開始采集數據，所以，需要進行采集的傳感器包括測試傳感器和控溫傳感器。

一旦開始采集，就應在測試持續時間內每2min記錄一組所有TUS傳感器的讀數，測試、控制和記錄傳感器都不能超過溫度均勻度容差上限，爐子應保持在測試溫度直至所有測試傳感器都達到穩定，傳感器穩定后數據采集還應持續進行至少30min。

（5）測試結果 用TUS測試儀器記錄爐子傳感器溫度數據不能取代以人工或通過爐子上的過程記錄儀來記錄的爐子傳感器溫度數據，即采集的數據同時要包括控溫偶的溫度，這樣可保證爐子溫度均勻度整體偏高或偏低時，使用者通過改變測試溫度達到測試合格的目的，保證測試的可信性。TUS測試結果如果連續合格，測試間隔可相應延長。

（6）進行TUS測試的溫度情況 初始使用時必須進行TUS測試，測試點包括設備的最高點和最低點，同時如果相鄰的兩個測試溫度點之差大于335℃，還應增加測試溫度點。定期測試溫度應是合格的操作溫度范圍內的任一溫度，也可以適當增加測試點溫度，同時保證溫度點之差大于335℃，每年還需要進行一次包括最高、最低點的TUS測試。測試結束后，需要出具合格的TUS報告。

最后，現場必須懸掛各種測試的合格標識，同時還應該有控制儀器的調整參數，控制記錄傳感器、負載及TUS傳感器三維定位圖。