工業熱處理爐爐溫均勻性測試新技術的應用研究*

張永良， 李大為，張富余，岳永天，汪剛文，雍海玉，雒家玲，袁國忠

(1.蘭州蘭石檢測技術有限公司，甘肅 蘭州 730314； 2.甘肅省高端鑄鍛件工程技術研究中心，甘肅 蘭州 730314)

0 引 言

對工件進行熱處理時，溫度儀表可指示和控制溫度，但控溫儀表只能顯示及控制某一點處的溫度，對于除此點之外的爐膛其它空間溫度則無法顯示并控制，而熱處理工藝要求的卻是某一工作空間的溫度，而且要求在工作空間內的溫度分布均勻，并能長時間保持穩定。

當控制設備完好，操作完全按照工藝技術條件時，被處理的產品質量直接取決于熱處理爐有效工作區內均勻性的好壞，在進行熱處理產品加工過程中，爐溫均勻性是熱處理爐的重要性能指標，是確保熱處理產品質量的重要工藝技術參數。因此，產品質量要求較高的生產企業必須進行爐溫均勻性測試。爐溫均勻性測試不但可以確定爐子有效使用面積，也可以及時了解熱處理爐爐膛內保溫層的不均勻或加熱絲、燒嘴、閥門等存在的問題，為熱處理爐的維護和維修提供科學的技術支持[1]。

目前國內熱處理爐爐溫均勻性的測試主要依據GB/T 9452-2012《熱處理爐有效加熱區測定方法》[2]和GB/T 30824-2014《燃氣熱處理爐溫度均勻性測試方法》[3]。針對熱處理爐爐溫均勻性測試中經常出現的不同檢測人員、不同方法測得的結果差異較大、測量效率低下的問題，通過對熱處理爐的檢測過程和方法的控制以及減少人員對檢測的影響方面進行分析，提出一套通用適宜的測溫方法，設計一種簡單、方便、快捷的測溫支架作為輔助工具，達到解決在測量過程中出現的測量準確性差、測量效率低等的目的。

1 熱處理爐爐溫均勻性測試新技術的研究

1.1 測量主要設備介紹

熱處理爐爐溫均勻性測量使用一體化、多通道數據采集器，如圖1，其等級為0.02級，分辨率為六位半，測量范圍為-50～1 300 ℃。采集器對熱處理爐和溫、濕環境試驗設備的控溫偏差、溫度場、濕度場、均勻度、波動度等進行自動測試與分析。而傳統的熱處理爐測溫設備采用控溫儀表和記錄儀表，如圖2，這種儀表精度低、穩定性差、容易受環境因素干擾。

圖1 一體化多通道數據采集器 圖2 記錄儀表

1.2 熱處理爐爐溫均勻性測試新方法

(1) 在測量一臺熱處理爐前，首先要看熱處理爐說明書和相關技術資料，確定熱處理爐的有效加熱區的范圍、類型等，同時還要和客戶的技術人員確認。根據這些資料，計算出熱處理爐有效加熱區體積。

(2) 依據國家標準GB/T 9452-2012《熱處理爐有效加熱區測定方法》或GB/T 30824-2014《燃氣熱處理爐溫度均勻性測試方法》，根據熱處理爐規格、類型和體積大小計算出需要布點的數量。

根據GB/T 9452-2012《熱處理爐有效加熱區測定方法》，對大尺寸熱處理爐檢測點的數量進行選擇，具體如表1所列。

表1 GB/T 9452-2012中檢測點數量選擇

根據GB/T 30824-2014《燃氣熱處理爐溫度均勻性測試方法》，利用體積法測試點的數量，結果表2所列。

表2 GB/T 30824-2014中檢測點數量選擇

(3) 對于燃氣熱處理爐和箱式電阻爐，每臺熱處理爐都是由幾個控溫區組成的，每個控溫區都有熱電偶來控制爐溫，使熱處理爐整個爐膛內溫度達到平衡。根據被測熱處理爐規格確定熱處理爐控溫區數量，以每個控溫區為一個單元，在每個控溫區內合理地布置熱電偶的位置。

(4) 熱處理爐[4]類型不同，控溫區也會不同，一般Ⅰ～Ⅱ類爐的控溫區相對多，而ⅢA～Ⅵ類爐的控溫區相對較少，但是等級越高的熱處理爐，需要的檢測點數量也會較多。因此，在布置熱電偶位置時要根據熱處理爐等級選擇不同的方法，但是布置的原則是一樣的。

如圖3～5，它們都是有兩個控溫區的熱處理爐，因為類型和大小不同，需要布置熱電偶的數量不同，所布置的位置也不相同。而所布置的原則是一樣的，都是以控溫區為單元來布置的，每個控溫區中心都有一只熱電偶，再在控溫區的8個角取幾個點作為布置位置。這樣通過測量幾個點，就得出每個控溫區的溫度分布，從而得到熱處理爐的均勻性。并且對不太穩定的熱處理爐，可以通過每個區溫度點測量的溫度，明確那個控溫區出現了問題，為熱處理爐的維修提供方便。

圖3 8點布置法

圖4 12點布置法

圖5 14點布置法

(5) 根據所布置的熱電偶位置點，畫出布點位置圖。依據位置圖，在每個位置放置測試支架并連接熱電偶。然后依據客戶要求選擇合適的測溫點，并根據國家標準要求選擇相對應的升溫時間、恒溫時間、采集次數等。

(6) 最后根據需要測量的溫度點從低到高依次測量。采集數據完成后，選取恒溫點的測量數據進行計算和數據分析，根據分析結果判斷熱處理爐爐溫均勻性和熱處理爐的性能。

1.3 支架設計

支架作為熱處理爐爐溫均勻性的輔助設備，對測量效率和測量的準確性會產生影響，因此，設計一款合理的測試支架非常重要[5]。在該項目中設計了一種可伸縮、方便、快捷的測試支架，支架僅需一人即可搬動，可以反復使用。測試時只需要將每個支架移動到相應的布點位置，將熱傳感器固定在支架相應位置，就完成了準備工作。如圖6、7所示。

圖6 支架結構示意圖

圖7 夾持卡的結構示意圖

該支架體積小巧，方便搬運，可重復應用，不受熱處理爐體積大小的限制，無需在大型庫房中進行存放。其支撐桿和伸長桿上設置溫度傳感器安裝座，便于溫度傳感器或熱電阻的安裝、布置，支撐桿的內腔中插接伸長桿，高度可靈活調節，適用于不同型號熱處理爐，應用廣泛。溫度傳感器安裝座的外端設置擋火板，可防止爐火直接噴射到溫度傳感器上，提高了檢測數據的準確性。

2 新技術在工作中的應用

為驗證方法的準確性，對一臺臺車式燃氣熱處理爐進行爐溫均勻性測量，該爐型號為RT3-2700,控溫溫區為兩個。根據相關參數計算得出該熱處理爐需要測溫點14個，所布點如圖8所示。

圖8 熱傳感器布點位置圖

布點的分布是以爐膛內每個控溫區為單元來分布的，通過這種方法測量熱處理爐爐膛內的溫度變化，既能快速計算出爐溫均勻性是否符合要求，也能根據各溫區的溫度變化，快速分析出爐膛口、爐膛內各位置的溫度變化特征。

表2是對該熱處理爐在恒溫800 ℃時的測量數據。

表2 800 ℃的測量數據

續表2 800 ℃的測量數據

從測量結果可以看出，爐溫溫區分布特性為：離爐門或爐底越近，溫度較低，主要原因是爐門和爐底散熱及密封性差。遠離爐門或爐頂的溫度相對較高，這是因為密封性好，并且爐內熱氣往上走，所以溫度高。09、14點溫度較高，主要是燒嘴噴出的火焰從下往上走，而這兩點靠近燒嘴。整體分析看，該熱處理爐的均勻性和性能相對較好。

3 結 語

從上述可以看出，利用這種新方法既能快速計算出爐溫均勻性是否符合要求，也能根據各溫區的溫度變化，快速分析出爐膛口、爐膛內各位置的溫度變化特征。從數據分析的結果，就能知道爐膛內各位置及控溫區的性能，進而分析出爐膛內哪些部位出現問題，為熱處理爐的維護和維修工作提供更加科學準確的技術支持。這種方法彌補了GB/T 9452-2012《熱處理爐有效加熱區測定方法》、GB/T 30824-2014《燃氣熱處理爐溫度均勻性測試方法》中對于大型熱處理爐溫均勻性測試布點方法沒有具體說明的缺陷。

熱處理爐均勻性已成為熱處理爐性能指標的重要考查標準，其對產品熱處理的結果影響很大，企業要想提高產品質量，必須按要求定期對熱處理爐爐溫均勻性進行測試。而該項目的目的是在國家標準的基礎上，為客戶提供快速、科學、準確的熱處理爐爐溫均勻性測量服務。