熱處理加熱爐溫度檢測控制分析

楊魏

摘 要：熱處理加熱爐主要用于均勻鋼材組織并控制其冷卻過程，以保證材料有良好的力學性能，為鋼材軋制做好生產準備。本文主要介紹用于鋼管加熱熱處理加熱爐在實際生產中的應用，通過對加熱的熱處理加熱爐溫度檢測的檢測設備和方法介紹，結合現場生產中加熱過程幾種問題類型，發現熱處理過程中加熱爐爐內熱電偶檢測、爐外紅外線溫度檢測設備測量溫度和工藝需要加熱溫度之間的關系，找出在實際生產過程中的容易產生的誤區和提高鋼管加熱質量的方法。

關鍵字：加熱爐；溫度；檢測；生產；加熱質量；方法

中圖分類號：TF33 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）06（a）-0000-00

Analysis of the detection and control of temperature for heat treatment furnace

Yang Wei

（Pangang Group ChengDu Steel&Vanadium Co.，LTD. ChengDu 610300，P.R.China）

Abstract：Heat treatment furnace is mainly used for controling cooling process of uniform steel organization ， which can ensure the material has good mechanical properties to get production ready for steel rolling.This article mainly introduces the application of steel tubes for heat treatment furnace in practical production. Through the introduction of detection equipment and detection methods to heat treating furnace temperature， and several problems of heating process in production site， to find the relationships that detection of thermocouple inside the heating furnace， detection of infrared temperature outside the heating furnace and heating temperature needed by technology in the process of heat treatment. Finally， we find the errors which is prone to produce and the methods which can improve the heating quality of the steel pipes in the actual production process.

Keywords： heating furnace；temperature；detection；production；heating quality； method

隨著我國國民經濟的快速發展，熱處理加熱爐的運用越來越廣泛，對溫度的測量和控制水平都不斷提高。對于熱處理加熱爐的金屬加熱質量，因為加熱過程處于高溫等惡劣環境，目前在加熱過程中還沒有用檢測設備來直接測量的客觀方法。國內外通用的判斷熱處理加熱質量的方法是通過檢測爐膛溫度和出爐溫度來反應加熱質量的。溫度的檢測和控制都直接影響安全生產和產品質量。

1溫度測量系統介紹

加熱爐溫度檢測系統主要由PLC（可編程控制器）和傳感器構成。溫度檢測系統實現的過程主要是傳感器將溫度轉換為電信號，電信號通過PLC輸入模塊進入PLC，PLC的中央處理器（CPU）通過A/D轉換將送進來的電信號轉換為PLC可識別的數值，然后PLC通過系統設定溫度（SP）和實際溫度（PV）的差別通過PID運算進行自動控制，溫度檢測的數據可以通過歷史曲線記錄下來作為加熱爐產品合格的依據。

2檢測設備的選用

我們用于鋼管加熱的熱處理爐一般采用熱電偶檢測加熱爐爐膛溫度，實時監測加熱爐的加熱效果，按金屬加熱需要的溫度升溫曲線對加熱爐進行控制；加熱爐外采用紅外線溫度測溫儀測量被測物的溫度，及時反映金屬在加熱爐內的加熱程度和及時反映加熱過程中的異常情況。熱電偶產生的電勢差信號和紅外測溫儀產生的模擬量信號可以被PLC采集，這些信號通過PLC的運算處理后作為控制信號對加熱爐溫度進行控制、記錄并保存。

2.1 爐內測量主要選用測溫設備

目前國內外在線爐內測溫使用的傳感器普遍采用熱電偶測溫方式。電偶測溫原理：兩種不同成份的導體兩端接合成回路，當接合點的溫度不同時，在回路中就會產生電動勢，這種現象稱為熱電效應，而這種電動勢稱為熱電勢。熱處理過程中加熱爐采用的熱電偶主要有K分度和S分度熱電偶。K偶，材質鎳鉻--鎳硅，長時間測溫范圍0--900 ℃，一般金屬材料價格低；S偶，材質鉑銠10--鉑，長時間測溫范圍0--1300℃，貴重金屬材料價格高。基于熱電偶測溫范圍、精度等級、性價比綜合考慮，建議熱處理過程中的淬火爐采用Ⅱ級S偶，測量誤差為?? 2.25-2.75 ℃；回火爐爐溫采用Ⅰ級K偶，測量誤差為2.4-3.2 ℃。

2.2 爐外測量主要選用測溫設備

紅外測溫原理：溫度在絕對零度以上的物體都會輻射出紅外線，通過紅外探測器將物體輻射的功率信號轉換為電信號，進而轉換為溫度信號，實現對目標物體遠距離測溫。如圖所示，在同一波長范圍內溫度越高物體所輻射出的能量也就越大，紅外測溫設備正是利用這一遠離檢測出輻射能量的大小再通過計算得出物體的實際溫度。

圖1 黑體輻射出射度與波長的關系

影響測量準確的因素較多，主要有測量設備的測量精度等級、測量距離、波長等。其中溫度不同的物體其輻射能量在不同波長范圍內的分布情況也不相同，溫度越高輻射能量高的區域就越偏向波長較短處，因此測量溫度較低的物體應選用波長較長的測溫設備，而測量高溫物體應選用波長較短的設備。

3對加熱爐溫控認識上容易造成的誤區

對于連續生產的加熱爐，根據能量守恒定律，在穩定狀態下，單位時間的熱輸入量與單位時間熱輸出量相等。輸入熱量來源于燃料燃燒產生的熱，輸出熱量包括加熱爐有效利用熱量及各種損失。 當加熱爐處于穩定（動態熱交換）運行時，加熱爐的動態熱平衡就與有效利用熱量有關系。當有效利用熱量的物體數量變化時，要維系熱平衡原則，若不及時做出工藝調整，加熱物體性能將得不到保證。

3.1 熱電偶插入深度與溫控均勻性的關系

熱電偶插入越深越接近加熱鋼管，測得的溫度越真實？

熱電偶控制的是爐膛各段溫度而不是鋼管溫度，熱電偶越接近加熱鋼管所反映的溫度與當時鋼管狀態下的溫度接近，而不是爐膛各段控制溫度。冷鋼管進爐后在各控制段加熱是一個升溫過程。在預熱段、加熱段接近鋼管處測得的溫度比預熱段、加熱段爐膛控制溫度低，在均熱的段部分品種可能會繼續加熱升溫，部分品種可能會降溫均熱，越接近鋼管測得的溫度受鋼管當時狀態影響較大，不能真實反映爐膛控制溫度。

圖2 爐內實體測溫趨勢圖

上圖是安裝在鋼管內部的溫度檢測點和鋼管附近溫度對比的趨勢圖，我們可以發現：

1、鋼管在爐內加熱是一個升溫過程，預熱段、加熱段升溫快，均熱段升溫慢。在加熱時間能夠保證的條件下，鋼管溫度無限接近爐溫。

2、安裝在實體鋼管旁邊的測爐內溫度的熱電偶真實的反映了處于鋼管旁的空氣溫度變化情況，也是一個升溫過程，比同時段鋼管升溫要高，但又低于各段爐溫控制值。

結論：熱電偶離鋼管越近受被測物溫度影響，測溫的準確性得不到保證。《冶金工業自動化儀表通用安裝圖冊》中對熱電偶伸入爐膛內部分長度的要求為大約50mm-200mm，熱電偶安裝必須按規范進行安裝。熱處理爐同一加熱段在使用合格電偶，且插入深度基本一致的情況下，應檢查該加熱段燒嘴火焰是否一致，燃燒系統的空燃氣配比是否恰當。

3.2 同一規格品種熱處理均熱段爐溫和管溫之差是否應該是定值

大多數操作工和部分技術人員認為同一規格品種熱處理鋼管均熱段爐溫和管溫應該有一個相對固定的差值。

均熱段爐溫和管溫的差值受多個參數影響，主要有加熱段溫度設定值、加熱周期的影響，這些參數的變化主要影響到鋼管在進入均熱段之前熱量吸收的多少。也基于這個原因，空爐進料的管坯出爐管溫較高。加熱段溫度設定值的高低可以影響鋼管出爐溫度接近均熱段溫度，甚至有可能高于均熱段溫度。

3.3 爐溫和管溫出現差異的工藝控制控制方式

熱處理鋼管許多規格品種均有爐溫控制要求管溫控制要求，一旦爐溫和管溫出現異常時（工藝設備、測量設備故障），操作人員往往不知怎樣調整和處理，或者進行錯誤處理，產生質量事故。

當爐溫和管溫出現差異時，我們認為合理的處理步驟是：首先了解當時的工藝狀態和設備狀態，沒有變化和問題時先以爐溫控制指導生產，然后再分析查找原因。理由是：一般的熱處理爐爐溫以均熱段控制為主，均熱段為均熱Ⅰ段、均熱Ⅱ、均熱Ⅲ，通常每小段有A、B兩個測溫點，熱電偶測量溫度和系統給定溫度之間溫差作為控制條件，若某一測溫點出現異常，相互之間溫度將受到影響，可以認為爐溫控制有六支熱電偶做測量保證，多支熱電偶同時發生故障的概率較低。而管溫只有一支紅外測量設備，且容易受設備本身、周圍環境等因素影響，所以發生差異時爐溫檢測的準確性更高。

而出爐管溫的作用主要是通過出爐管溫溫度記錄趨勢圖，檢查均熱段和加熱段的加熱質量，有異常時可以根據加熱工藝卡進行微調，這樣可以得到出爐管溫更加均勻的加熱效果。這一條實際生產中往往容易忽略，這一被測參數在生產中未得到有效利用并指導生產。

3.4 非正常生產節奏處理辦法

熱處理生產經常會遇到設備故障導致出現悶爐或空齒情況，從大多數記錄曲線分析來看，操作人員認為可以通過溫度自動控制正常控制爐溫，仍按照原有的加熱工藝生產，爐內各段溫控曲線和管溫測量曲線容易超過工藝控制要求，鋼管性能被破壞。

設備偶發故障不能避免，但發生故障時我們應該有應急預案進行調整和干預，才能保證加熱鋼管性能不遭受破壞。

上述兩種情況：悶爐和空齒均打破了正常狀態下的動態熱平衡，悶爐時鋼管未按預設周期加熱，加熱時間過長。空齒時爐內吸熱物少，鋼管溫度上升加快，這兩種情況若工藝未及時調整，均會破壞鋼管性能，產生批量質量事故。

建議制定非正常情況下的應急預案，質量事故只可能在非正常情況下生產，要控制廢品就必須進行調整和干預。

3.5 其它方面

制定工藝制度應是一個非常嚴謹的過程，在實驗室獲得相關數據后，在向大生產轉換之初，技術人員應該進行跟蹤，并通過質量檢測進行驗證，最終轉化成可執行的工藝制度，沿襲使用，組織連續生產。在實際生產過程中，工廠為了追求產品產量，提高產品生產節奏。提高節奏最有效的辦法是提高加熱溫度，實際操作中經常采用提高設定溫度，盡量按工藝控制溫度上限的辦法，但實際上，不管是減少加熱時間還是提高溫度均不利于加熱過程中的質量控制，同時也容易誤導完成工藝制定的科技人員。

最后還可以從 “人、機、料、法、環”等幾個方面對測量過程進行分析：比如測量和校檢人員的資質；測量設備的準確，標準統一，制定新工藝和實際生產中的測量設備（包括實驗室）進行檢、校，以保證測量的準確性；標準檢測設備和測量設備合理量程范圍；測量環境的影響等因素。

4結束語

在實際工作中，對涉及生產的各種因素實施全過程、無縫隙的管理，形成一環扣一環的管理鏈，嚴格遵守技術規范和操作規程，重視各個可能產生質量缺陷的環節，做好設備保障工作，優化各工序生產工藝，提高產品質量。由管理精細化到產品精細化，實施精細化管理必然成為實現質量、安全等目標的必由之路。

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