高精度熱處理爐系統精度影響因素分析

劉 越

(天津工程機械研究院，天津 300409)

熱處理是提高機械零件質量和延長使用壽命的關鍵工序，也是充分發揮金屬材料潛力、節約材料的有效途徑。而任何一種熱處理工藝均需要相應的熱處理設備才能實現。熱處理爐是實現金屬熱處理工藝的主要設備，沒有高精度，高性能的熱處理爐就很難實現先進的熱處理工藝。熱處理爐的精度和性能是決定熱處理工藝的重要因素。本文將以航天企業所用比較廣泛的電阻爐為例，分析影響設備系統精度的各項因素以及解決辦法。

1 溫度顯示系統

熱處理爐的溫度顯示系統主要由溫度傳感器、補償導線和溫度儀表組成，同時增加溫度記錄儀用來記錄和監測爐溫，其中溫度傳感器、補償導線和控溫儀表參與溫度控制，每個環節出問題都將直接影響系統精度。

1.1 溫度儀表

溫度儀表分為控溫儀表和溫度記錄儀。控溫儀表現在多數選用智能控溫儀表或PLC加觸摸屏用來進行溫度控制和顯示，是熱處理爐的核心元件。在控溫系統設計報警時，推薦用控溫儀表或者PLC做偏差報警，用記錄儀或者其他監控儀表做上限報警。這樣分開做兩個報警能形成雙保險，不僅能保證系統能精準控溫，還能避免控溫儀表或者PLC死機時，設備溫度過高后無法報警的現象。控溫儀表的精度選擇可根據設備類別去選擇不同精度。一類設備應盡量選擇0.1級精度的儀表，二類以下設備選用0.3級精度儀表均可滿足。控溫儀表也需要定期檢驗，所得到的誤差數據可以通過溫度補償功能進行修正。

控溫儀表均帶有溫度補償功能，用以修正系統中其他元件和自身所帶來的誤差。此功能對于爐溫均勻性的調整能起到至關重要的作用。溫度補償功能可以直接影響爐內溫度，所補償的溫度會直接作用到儀表上，從而影響爐內溫度。要注意的是，使用溫度補償功能時爐內的溫度變化與儀表上顯示的溫度是相反的，例如在儀表設定爐溫為600 ℃，且儀表顯示爐溫600 ℃時，在溫度補償參數中設置為+2 ℃，儀表此時顯示為602 ℃，由于顯示溫度超過設定爐溫600 ℃，所以儀表會控制爐內溫度下降2 ℃，直到儀表顯示為600 ℃，此時爐內溫度降為598 ℃。簡單地說就是想讓爐內溫度升高2 ℃，則在溫度補償參數中設定-2 ℃，想讓爐內溫度下降2 ℃，則在溫度補償參數中設定+2 ℃。控溫儀表的溫度補償功能基本上都是設定后所有溫度都起作用，不能分溫度段進行補償，但是如果選用PLC控溫，在設計溫度補償程序時一定要做成分段補償。分段補償至少需要做到每間隔100 ℃能夠補償一次，或者根據實際情況能夠靈活配置。分段補償能在做爐溫均勻性時起到事半功倍的效果。

1.2 溫度傳感器

電阻爐的溫度傳感器主要為熱電偶和熱電阻。常用的熱電偶主要有S、R、B、N、K、E、J、T等幾種。在使用中需要根據設備的工作溫度范圍相應分度號的熱電偶，如果設備工作溫度與熱電偶分度號不匹配將產生很大誤差。熱電偶使用在溫度較高的環境，一般用于500 ℃以上的較高溫度，低溫區時輸出熱電勢很小，當電勢小時，對抗干擾措施和二次表要求很高，否則測量不準。在中低溫度時，一般使用熱電阻測溫范圍為-200～500 ℃。選擇熱電偶時不僅需要考慮工作溫度還要考慮爐內特殊氣氛，如強氧化、強還原和真空環境。

熱處理設備溫度傳感器需要定期送到具檢測資質的第三方檢測機構校驗，并出具檢測報告，如果檢測結果誤差較大請及時更換，誤差較小時可以通過控溫儀表進行補償。在檢測時需要拆卸傳感器外殼，容易造成固定螺絲松動，使用時可能對系統精度產生影響，檢測完畢后要及時檢查固定螺絲。在設備中插拔溫度傳感器時需要做好位置標記，如果插拔前后位置變化很大會對爐溫均勻性造成很大影響。同時還需要定期檢測傳感器外殼是否出現破損，外殼破損后熱電偶絲容易氧化腐蝕降低使用壽命和精度。

1.3 補償導線

補償導線是在一定溫度范圍內(包括常溫)具有與所匹配熱電偶熱電動勢相同標稱值的一對帶有絕緣層的導線，用它們連接熱電偶與測量裝置，以補償它們與熱電偶連接處的溫度變化所產生的誤差。

補償導線是用于將熱電偶冷端延長至遠離高溫且溫度比較穩定的地方的一種專用導線。在一定溫度范圍內，它的熱電特性與主熱電偶的熱電性質基本相同。用補償導線與熱電偶的冷端連結，就可以將熱電偶輸出的溫度信號傳輸給儀表。

補償導線分延長型和補償型，而常用的是補償型補償導線，它用字母“C”附加在熱電偶分度號之后表示，例如“KC”。熱電偶需要匹配相應型號的補償導線，如果用普通導線替代補償導線則起不到補償作用，如果選錯補償導線型號則可能造成更大誤差。如果傳感器是熱電阻則不需要補償導線。補償導線和熱電偶均分正負，在接線時正負切不可接反，否則會產生較大誤差，一般補償導線的紅色線接熱電偶和顯示儀表的正端，另一顏色接負端。補償導線的線徑則需要根據顯示儀表要求的線路阻值選擇。如果使用環境溫度較高時還需選擇帶高溫補償導線。補償導線分普通級和精密級，兩者的誤差還是比較大的。比如常用的K型熱電偶的補償導線KC普通級在200 ℃時的允許誤差是±2.5 ℃，而精密級則是±1.5 ℃。在系統精度要求較高時盡量選擇精密級的補償導線。如果現場干擾源比較多，比如變頻器驅動的電機動力電纜，大功率整流裝置等，則需要選擇帶屏蔽層的補償導線。在接線時屏蔽層須一端接地，兩端同時接地時容易產生電勢差反而會產生干擾。

航天企業的熱處理設備的顯示儀表和溫度傳感器均會定時送檢，但是補償導線這個環節卻很容易被遺忘。一是補償導線鋪設安裝，一般固定無法移動；二是補償導線不屬于儀器儀表不在檢測范圍。而恰恰是這個容易被忽略的地方會造成系統誤差，而且非常不容易被發現。曾遇到一個時效爐系統精度不正常，而熱電偶和控溫儀表均正常，在做爐溫均勻性實驗時做了三次都不合格，爐內實際溫度與儀表顯示差別很大，更換補償導線后問題解決。補償導線的使用環境一般都比較惡劣，比如高溫、潮濕、強氧化性氣體，時間長了以后會發生氧化、老化的現象，傳遞信號時會造成較大誤差，且每個階段的溫度誤差都不相同，一般測量溫度越高誤差越大，這種情況下儀表無法進行補償，只能更換補償導線。檢測人員和設備維護人員需要特別注意，在系統精度有問題且找到不到原因時應檢測補償導線是否正常。同時在做均勻性檢測前應檢測補償導線，在保證顯示儀表正常的情況下，用信號發生器在熱電偶端發出幾個設備常用溫度所對應的電動勢，觀看儀表顯示是否在誤差允許范圍，并記下誤差以便通過儀表進行人工補償。

1.4 熱電偶接頭

航天企業的熱處理設備的溫度傳感器需要定期檢測，經常拆卸、安裝熱電偶和補償導線會造成熱電偶接頭松動，所以許多設備的熱電偶和補償導線連接時會使用快速插頭連接，以方便拆卸和安裝。使用快速插頭時應選擇與熱電偶同型號的插頭，使用普通航空接頭或普通接線端子時可能造成較大誤差，影響系統精度。

2 系統參數調整

系統參數設置的準確度，能直接影響設備的精度。系統參數的設置主要是控溫系統的參數設置。

2.1 溫度傳感器型號

在設備使用前首先應設置好儀表的溫度傳感器型號參數，選擇正確的溫度傳感器的型號，否則將會造成很大誤差。

2.2 報警參數

絕對值上限報警和超溫偏差報警，是必須要設置的，這兩個報警能保證設備出現異常時系統停止升溫，避免出現過高溫度損壞設備。如果設備帶有溫度記錄儀，溫度記錄儀也需要設置上限絕對值報警，形成雙保險。

2.3 PID參數

在烘爐結束后，需要重新運行設備，設置好PID 參數。智能控溫儀表和PLC都具備自整定功能。進行PID參數自整定時，需設定儀表溫度為設備的常用溫度，然后開啟自整定模式，系統會自己算出適合當前設備運行環境的PID參數。大多數的設備都能得到合適的PID參數，如遇到極特殊情況時，則需要根據PID參數的調試方法在自整定后的參數基礎上手動進行調整。合適的PID參數能讓設備在升溫時不會超溫，且保溫階段溫度曲線平穩不波動。

2.4 風機參數

如果設備中存在變頻器控制的大功率風機的話，則需要考慮變頻器頻率的設置。總體原則是，在最低頻率的基礎上，爐溫越高則需要變頻器的頻率越高，風扇葉片轉速越快，因為溫度越高爐內空氣越稀薄，此時需要風扇的快速轉動以帶動爐內的空氣快速循環。但是在低溫段使用時，變頻器頻率設置過高的話，風扇葉過高的轉速會產生大量的熱量，即便此時儀表超溫報警，加熱器已經停止工作，爐內溫度也會高于設定溫度。

2.5 爐溫均勻性調整

得到儀表自身誤差參數和熱電偶誤差參數后可在儀表溫度補償參數中提前修正。然后再做爐溫均勻性實驗時進一步修正。如果是PLC控溫在則可以在當前溫度立即進行補償。如果是普通控溫儀表控溫，則需要整體做完每個所需要測量的溫度后，綜合每個測量溫度的誤差進行補償。

例如一臺額定溫度為500 ℃的二類電阻爐，爐溫均勻性要求為±3 ℃。測溫溫度為300、500 ℃，測溫點為9個。在測溫時一定要等系統溫度升到設定溫度且穩定一段時間后再讀取數值。控溫熱電偶為了保證一定的機械強度和較長的使用壽命，一般是鎧裝且直徑比較粗，而測溫熱電偶一般直徑比較細，為3 mm以下，對于環境溫度變化響應速度比控溫熱電偶快。因此控溫熱電偶的溫度曲線會有一定的滯后性，在保溫階段控溫熱電偶的溫度曲線比較平緩時，可能測溫熱電偶的溫度曲線波動比較大，此時應手動調整控溫儀表的PID參數使測溫熱電偶的溫度曲線趨于平緩波動范圍在所測溫度的±3 ℃以內。在300 ℃測溫時，溫度最高的測量熱電偶波動范圍為298～300 ℃，溫度最高的測量熱電偶波動范圍為295～297 ℃。其他測溫熱電偶均滿足要求。因為爐溫均勻性要求為±3 ℃，所以300 ℃允許的波動范圍為297 ～303 ℃。此時需要在溫度補償參數中設置-3 ℃。此時爐內溫度上升3 ℃，理想狀態下兩只熱電偶的波動范圍將會變為301～303 ℃和298～300 ℃。此時的溫度已在要求范圍之內。而在500 ℃時，溫度最低的測量熱電偶波動范圍為498～500 ℃，溫度最高的測量熱電偶波動范圍為500～504 ℃。此時需要在溫度補償參數中將之前的-3 ℃設置為-2 ℃，此時爐內溫度下降1 ℃，理想狀態下兩只熱電偶的波動范圍將會變為497～499 ℃和499～503 ℃，而300 ℃時的兩只熱電偶的波動范圍將會變為300～302 ℃和297～299 ℃，此時300 ℃和500 ℃的溫度波動范圍均在允許范圍之內。為了保證實驗的準確性，在整體調整完參數后需要再做一次爐溫均勻性測試，此次不需要再調整參數，如果實驗結果滿足要求，則該設備參數已調整完畢且滿足要求。如果是PLC控溫則不需要再做一次測試，因為PLC溫度補償是分段的互不影響，更改后面所測溫度的溫度補償參數不會影響到前面已經測完的溫度。而實際中的情況比例子中要復雜，但原理都是一樣的，綜合各項參數將測量數據調整到允許范圍內即可。如果溫度最低和最高的兩只測溫熱電偶誤差較大無法通過溫度補償參數進行修正，則需要考慮機械結構的問題，例如密封性和空氣循環效果等因素。

3 結 語

設備精度是產品質量的保證，而影響熱處理設備系統精度的因素很多，在日常維護中應按規定定時對設備元器件進行檢測，并分析檢測報告和實驗數據，熟知設備的各種性能，選擇最優的方式解決各種問題。