三區井式淬火爐溫度精度提升與分析

巢昺軒

摘 要：三區井式淬火爐由上、中、下三區分別控溫和記錄，三區的溫度容易相互影響，因此其精度很難掌控。本文對淬火爐進行整改，通過提高爐門密封性、更換熱電偶和消除儀表偏差等，將加熱爐的溫度精度提升至標準規定范圍內。并分析了精度偏差的原因，論述了精度維護的要求，對熱處理設備的保養和精度校準有一定指導意義。

關鍵詞：淬火爐；系統精度；設備維護

前言

熱處理工藝和產品質量是靠熱處理爐溫的準確測量與精密控制來保證的，有效執行工藝又是對產品質量的保證。由于每種熱處理爐的幾何尺寸、使用情況和控制設備的不同，使得儀表指示溫度與現場實測溫度存在差異[1]。為了確保熱處理爐溫在長期使用中的準確性，應對熱處理爐定期進行SAT（系統精度測試）和TUS（爐溫均勻性測試）。

TUS是通過感溫元件對熱處理設備的工作區溫度是否均勻一致所進行的測量，以確保待處理的零件或原材料是在規定的溫度范圍內受熱，使其微觀組織盡可能地處于同一階段，以防止由于溫度不均勻造成材料比容差異而導致零件變形[2]。

采用多種措施獲得的符合工藝要求的熱處理設備，往往在運行一段時間后，由于爐門變形、爐襯松動或微機零部件老化、靈敏度降低等原因，系統精度會下降，致使爐溫均勻性超差，其值可達到規定值的幾倍甚至十幾倍，這種變化是難以避免的[3]。

1.井式淬火爐的構造

爐內為三區控溫，使用溫度范圍700～950℃；每個加熱區分別布置兩支K型熱電偶，具有熱電勢效率高、靈敏度高和穩定性好等優點。為了減少測量誤差，熱電偶的插入爐膛深度一般不能太淺，大約80～100mm，以保證測溫的準確性；但也不能太深，以免與裝爐工件相干擾[4]。爐膛外面為耐熱鋼板，內部為耐火纖維保溫棉，由電阻絲加熱保溫。

2.溫度精度偏差分析與整改

在近期爐溫均勻性和系統精度測試中，發現加熱區的均勻性和系統精度均遠超出了標準規定的±10℃和±2.2℃（0.4%）。需立即對加熱爐進行故障排查，系統精度偏差與爐膛保溫效果、儀表誤差和熱電偶精度等有關。

2.1爐膛保溫效果的影響

當發熱件損壞、控溫系統失控、加熱爐自身故障或爐門密封不嚴時均會影響爐膛保溫效果。淬火爐的三相電流表在全功率升溫及保溫階段指針的擺動均一致，可以斷定發熱件是完好的；在更換精密控溫表歐陸3208后，可排除控溫的影響。淬火爐大修改造后，重新布置了爐膛內的加熱電阻絲，將耐火磚更換為輕質耐火保溫棉，其導熱系數小，具有良好的絕熱保溫性能[5]。井式爐在使用過程中，爐殼表面溫度≤50℃，可知其爐膛的保溫效果很好。

上、下區精度偏差較中區大，原因是爐子長期未使用底部潮氣重，可以通過適當延長保溫時間消除。由于裝出料原因，爐門和爐門框之間經常有相對運動，導致爐門處的密封保溫棉損壞掉落，降低密封性[6]。因此對爐門密封和傳動機構進行整改完善，使用耐火保溫棉進行包裹，提高保溫效果。

2.2儀表誤差的影響

為了確定儀表誤差，用標準儀表對控溫和記錄儀表進行校驗。三區儀表在不同溫度下的偏差，記錄儀表的偏差要大于控溫，原因是使用年限較長，精度下降。將控溫表更換為歐陸3208、記錄儀表消除偏差即可。

2.3熱電偶精度的影響

檢查中，發現熱電偶的接頭和補償導線有大量油污和銹蝕、局部彎曲變形，相同控溫區的兩支熱電偶插入深度不一長期在爐內隨爐膛升溫、冷卻，其內部的晶粒大小和組織也會隨之致；同時熱電偶變化，這些都會導致熱電偶精度下降[7]。

3.溫度精度測試與分析

在改造爐膛密封性、調整儀表偏差和更換熱電偶之后，采用N型標準偶對爐膛三區進行爐溫均勻性和系統精度檢測，測試溫度點分別為700℃、850℃和950℃。

3.1系統精度測試與分析

選用的標準測試偶誤差所示進行系統精度測試，測試偶與控溫偶距離保持在76mm以內。待爐內溫度穩定后，用巡檢儀每隔2min隨機讀取所有測試熱電偶的數據。將其與同時間點的控溫和記錄儀表讀數相比，選擇偏差值最大的一組數據做精度分析。

將修正后的控溫和記錄儀表讀數與修正后的測試儀表讀數進行對比，可以對加熱爐的系統精度進行分析。系統精度分別滿足標準規定的±2.8℃、±3.4℃和±3.8℃要求；隨著加熱溫度的升高和保溫時間的延長，精度偏差值均有所減小，以下區最為明顯；這可能是爐膛長期未使用底部吸潮，隨著加熱的進行潮氣逐漸消除，精度恢復。在三區中，下區精度最佳，上區其次，而中區偏差最大，這與三區熱處理爐的結構和加熱特性有關。爐內不帶有熱循環風扇裝置，加熱時下區的熱量會向上擴散；上區密封性較好時，熱量達到飽和后會趨于穩定；而中區熱量的對流、傳導和輻射最為強烈，進而導致精度偏差較大[6]。熱處理淬火爐的實際加熱區的溫度，從時間上講具有動態特性，容積越大滯后越大，溫度上升和下降具有嚴重的不對稱性，低溫時尤其如此，因此700℃時精度偏差最大；在高溫階段，純滯后顯著降低，因此950℃時精度偏差最小。

3.2爐溫均勻性測試與分析

采用符合標準并校驗合格的N型測溫熱電偶，分別在700℃、850℃、950℃對加熱爐進行爐溫均勻性測試。一般來說，爐膛的尺寸越小，密封保溫性能越好；爐內傳熱越好、使用溫度越高，爐溫均勻性就越好。對于井式電阻爐，一般中部溫度較上部和下部高，無循環的情況下，使用溫度越高，均勻性越好[1]。整改后的加熱爐能滿足標準中Ⅲ類爐的要求。

4.熱處理爐的精度維護

熱處理爐的爐膛密封性、傳熱故障、控溫表和熱電偶的精度等均會影響熱處理爐的精度。因此如何維護顯得尤為重要。

4.1爐膛密封性

爐膛尺寸較大會導致局部區域溫度偏低，可以通過添加熱循環裝置，加快爐膛內部熱量的流動。熱處理爐爐門密封不嚴時，可以調整爐門密封壓板。如果確認是由于爐門框和爐膛內部耐火材料損壞造成的溫度不合格，應對爐膛進行大修，增強爐襯的保溫性能。

4.2爐內傳熱故障

熱處理爐使用年限過長會導致爐內傳熱故障，要想徹底解決此類故障，只有通過大修改造，即重新設計爐膛內加熱器的分布形式、合理布置功率，更換新的保溫材料等。三相電流表在全功率升溫和保溫階段指針的擺角應相同，否則爐膛內的加熱器有斷損或線路故障所致，必須停爐進行整修。

4.3控溫表和熱電偶的精度，

控溫表長期使用會導致精度下降。熱電偶保護管過長、空隙過大會增加熱量散失，造成工作端溫場降低產生誤差；保護管長時間高溫燒蝕底部會產生粉狀氧化物，熱接點絞合過長；同時熱電偶長期使用，內部晶粒大小和組織也會發生變化，這些都會降低精度，對于不合格的熱電偶需及時更換。同時要善于利用熱電偶的誤差來調整加熱爐精度；通過移動熱電偶插入爐膛的位置來調整誤差，這對調節多區控溫設備的爐溫均勻性切實可行。

5.結論

通過提高密封性、更換熱電偶、消除儀表偏差等一系列措施，將加熱爐溫度精度提升至標準范圍內。得到如下結論：

（1）熱處理爐應定期進行巡檢，仔細觀察各種儀表指示及爐體的異常變化，如爐門密封、爐體表面溫度、異響、接線頭狀況等。

（2）熱處理爐應制訂嚴格的操作規范。爐子改造時，應盡量采用耐火保溫棉材料，即提高爐子的氣密性，又提高了使用性能；對于爐內溫度偏差大的爐子，可以添加熱循環裝置。

（3）熱處理爐應選用精度高、性能穩定的儀表和熱電偶，并定期檢定。

（4）熱處理爐應定期進行系統精度和爐溫均勻性測試，及時發現問題并解決。

參考文獻：

[1]王延龍，武鳳杰.熱處理電阻爐溫度現場檢測與控制研究[J].金屬熱處理，2006. 27（1）：41-46

[2]周德旭.爐溫均勻性測量[J].國外金屬熱處理，2002.23（2）：33-34

[3]李治岷.熱處理爐爐溫均勻性的黑體調控技術[J].熱處理技術與裝備，2006.27（1）： 37-40

[4]趙嵐.井式爐溫度控制系統[J].自動化技術與應用，2007.26（7）：114-115

[5]陳光宇.改進箱式電阻爐結構[J].科技論壇，2011.12（5）：25-27

[6]張西軍.電阻加熱爐爐溫均勻性查的原因及解決辦法[J].金屬熱處理，2011.36（9）： 112-113

[7]王世英.爐溫均勻性測試用熱電偶的防護[J].航空計測技術，1994.14（1）：23-26