熱處理爐溫場均勻性測試及測量不確定度評定

姜永元

中車青島四方機車車輛股份有限公司 山東青島 266111

焊接結構的金屬材料零部件普遍存在焊接應力，因此在組裝使用前，必須將其放置在溫場均勻的熱處理爐中進行工藝熱處理，消除零部件內部存在的焊接殘余應力，通過適當的熱處理可以減小零部件的結構變形，消除裂紋傾向[1]。熱處理工藝還能夠消除金屬材料的組織缺陷，均勻金屬材料的組織成分, 由此可見，提高熱處理爐的溫場均勻性，是提高金屬材料零部件熱處理質量的保障。

1 影響熱處理爐溫場均勻性的因素及預防措施

（1）熱處理爐的密封性能對溫場均勻性影響很大，如果不能保證熱處理爐的密封性，爐內溫場和環境溫場兩個冷熱程度不同的溫場就會產生熱量交換，使熱處理爐內的熱平衡狀態不斷受到破壞，影響金屬材料零部件的熱處理質量。

（2）熱處理爐應安裝自動變頻熱風循環系統，通過風機循環，使熱處理爐內的溫度分布均勻，從而起到有效的均溫效果，對提高熱處理爐溫場均勻性有很大的幫助。

（3）熱處理爐加熱元件材質對溫場均勻性也存在一定的影響，例如某金屬材料零部件的熱處理過程從室溫升至600℃，再經過保溫、冷卻至低于400℃出爐。加熱元件在熱處理過程中，由于反復的熱脹冷縮作用，材料內部會頻繁出現交變熱應力。普通加熱元件材料中有金屬夾雜物及晶界等缺陷，當頻繁的交變熱應力大于其疲勞極限后，缺陷處就會形成滑移帶，滑移帶中的缺陷會形成裂紋源，最終會導致加熱元件斷裂，影響熱處理爐的溫場均勻性。采用優質高電阻合金材料Cr20Ni80 作為加熱元件，Cr20Ni80 具有電阻率均勻穩定、熔點高、熱膨脹系數小、抗氧化性能及高溫性能好的優點，可以有效提高熱處理爐的溫場均勻性。

合理分配熱處理爐的加熱區，加熱元件的布置與加熱區段的設置相對應，每個加熱區內布置一個獨立的加熱組，不能有跨區布置的現象。

（4）減小干擾對爐溫控制系統的影響。爐溫控制系統在工作過程中受到的干擾因素很多，在高溫情況下，干擾主要來源于縱向干擾（溫度傳感器對地間的干擾）和橫向干擾（溫度傳感器間的干擾）。縱向干擾信號一般可達到幾伏甚至一百伏，橫向干擾一般可達幾毫伏甚至幾十毫伏。干擾信號能夠通過信號線進入爐溫控制系統，使爐溫采集儀產生幾度、幾十度的測溫誤差，甚至使爐溫控制系統不能正常工作，為了防止干擾信號對爐溫控制系統的影響，應采取一定的抗干擾措施[2]。

①縱向干擾主要是由高溫漏電引起的。應切斷漏電流的途徑或者使其降低到最小值。采用三線制熱電偶或將熱電偶保護管接地，可以將干擾電壓短接或干擾電流沿著保護管通地，這樣干擾信號就不會引入到溫度傳感器，對溫度測量不會產生影響。②橫向干擾主要由爐溫采集儀信號輸入端子間引入的交流信號所造成的干擾。信號線應遠離干擾源并采用相互絞合的敷設方式，這樣可以有效減小磁通穿過信號線以及靜電感應引入的干擾；絞合后的信號線使用金屬套管安裝，同時將金屬套管接地，這樣可以有效屏蔽磁通量，減弱干擾對信號輸入端子的干擾。

2 溫場均勻性測試

溫均勻性測試的目的是確定熱處理爐爐膛內溫度的空間分布特性和時間分布特性，這樣可以確定熱處理爐有效工作區域的大小和位置，確保熱處理工件在有效工作區間內受熱，使金屬材料零部件的微觀組織盡可能處于同一種狀態，防止零部件比容差異所造成的結構變形。

2.1 溫場均勻性測試裝置

溫場均勻性測試裝置由溫度傳感器（組）、信號采集系統、信號及數據處理系統組成，工作原理如圖1。

（1）溫度傳感器采用1 級、N 型熱電偶，N 型熱電偶的高溫抗氧化性能好、熱電特性穩定、耐輻射性能好的優點，在（375-1000）℃溫度測量范圍內的允許偏差為：±0.004t，能夠實現精確測溫。

（2）由于熱處理爐的工作環境溫度波動變化較大，在溫場均勻性測試過程中，溫度傳感器無法對爐溫進行測量。應將溫度傳感器的參考端使用補償導線延伸至溫度穩定的環境中，使參考端處于穩定的環境溫度，再利用參考端溫度補償器自動補償考端溫度變化造成的影響，提高測溫精度。

表1 溫度測試點數量

（3）使用專用捆扎絲將溫度傳感器的測量端牢固地綁扎在溫場測溫架的測試點上，避免在高溫環境下不同材質的金屬對溫度傳感器造成污染。

（4）溫場均勻性測試裝置可同時連接多路溫度傳感器，能夠同時讀取并顯示各通道的實時溫度值及升溫、保溫曲線，不同通道曲線采用不同顏色的曲線表示，直觀反映被測對象的溫度波動情況，記錄并存儲實測數據。將溫度傳感器修正值輸入采集系統，對測試數據進行自動修正，提高測溫精度。

（5）空載或裝載的情況下，均不能在高于測試溫度后，再降溫至測試溫度進行溫場均勻性測試。當爐溫控制系統或溫場均勻性測試裝置中的第一通道測試溫度到達溫場均勻性允差下限時開始采集數據，測試過程中，溫度測試值不得大于溫場均勻性的允差上限，測試時間間隔和測量次數根據熱處理爐的工藝保溫時間確定。經數據處理后，溫度偏差的最大值、最小值均不得大于溫場均勻性的允差要求[3]。

2.2 溫場均勻性測試點的選擇

根據GB/T9452《熱處理爐有效加熱區測定方法》規定，首先要明確熱處理爐的爐膛尺寸，根據爐膛尺寸計算出熱處理爐工作區域的容積，通過表1 確定熱處理爐溫場均勻性測試點的數量。

3 熱處理爐溫場均勻性測試的測量不確定度評定

3.1 測試方法

以容積為90m3的熱處理爐為實例，類型為Ⅴ，由表1 確定該熱處理爐的溫度測試點數量為25 個。將溫度傳感器的測量端捆扎在置于熱處理中的金屬測溫架上，在保溫狀態下進行溫場均勻性測試。

3.2 測量模型

△θ+=tpmax-tp

式中：

△θ+——爐溫均勻度，℃；

tpmax——各測溫點實際溫度的最大值，℃；

tp——中心點的實際溫度值，℃。

3.3 輸入量tpmax 重復性測量引入的不確定度分量u1

熱處理爐測試溫度590℃時，溫場均勻性測試裝置進行了10次獨立重復測量，所測得數據：596.12℃、595.07℃、595.62℃、596.04℃、596.17℃、595.77℃、595.80℃、596.05℃、595.66℃、595.70℃，則：

3.4 溫場均勻性測試裝置修正值引入的不確定度分量u2

由校準證書可知，溫場均勻性測試裝置在600℃的測量不確定度U=0.20℃，k=2，則：

u2=0.20/2=0.10℃

3.5 溫均勻性測試裝置分辨力引入的不確定度分量u3

溫場均勻性測試裝置的分辨力為0.01℃，按均勻分布處理，取k=，則：

3.6 溫均勻性測試裝置年穩定性引入的不確定度分量u4

溫場均勻性測試裝置的年穩定性為0.20℃，按均勻分布處理，取k=，則：

3.7 合成標準不確定度

由于各不確定度分量之間互不相干且相互獨立，因此不確定度合成為：

3.8 熱處理爐溫場均勻性測量結果的擴展不確定度

4 結語

熱處理爐是金屬熱處理工藝的關鍵設備，提高熱處理爐的溫場均勻性，是消除金屬材料零部件殘余應力及組織缺陷的關鍵環節，本文系統性分析了影響熱處理爐溫場均勻性的因素及預防措施，同時對溫場均勻性測試進行了闡述，對于制造業熱處理工藝有一定的借鑒和參考作用。