熱處理爐爐溫均勻性和系統精度檢測技術

萬瑩

山東省冶金科學研究院有限公司 山東濟南 310018

1 序言

熱處理是金屬加工過程中不可或缺的一環，通過控制加熱時間、加熱溫度等參數，可以改變材料的組織結構，從而達到不同的力學性能需求。而熱處理爐作為熱處理的核心設備之一，其溫度控制精度和均勻性對熱處理產品的質量影響重大。本文將對熱處理爐爐溫均勻性測試（TUS）及系統精度測試（SAT）技術進行綜述，探討其在熱處理行業中的重要性和應用現狀，并就某公司在開展該項目測試過程中具體的實施方案進行介紹，供相關人員參考。

2 熱處理爐爐溫均勻性和系統精度的重要性

爐溫均勻性是指熱處理爐中各位置的溫度分布是否均勻。如果爐溫分布不均勻，將導致所處理的材料產生變形、裂紋等問題，影響產品質量和生產效率。因此，爐溫均勻性對于熱處理工藝的穩定性和可控性具有至關重要的作用[1]。

系統精度是指熱處理爐溫度控制系統的精準性和穩定性。溫度控制系統由傳感器、控制器及加熱元件等組成。如果溫度控制系統精度不高，會導致溫度偏差和波動增加，從而對熱處理工藝的可控性和產品質量造成影響[2]。

為了確保熱處理過程中的溫度均勻性，通常采用的熱處理方法包括淬火、回火、退火和正火等。這些方法可以通過控制加熱速率、保溫時間和冷卻速率等參數來控制溫度均勻性。此外，熱處理爐型也對溫度均勻性有很大影響。常見的熱處理爐型包括臺車爐、輥底爐和井式爐等，不同的爐型有不同的加熱方式和溫度控制方式，可以根據不同的材料和工藝要求選擇合適的爐型[3]。為了提高熱處理爐的爐溫均勻性和系統精度，需要采用科學的設計和優質的材料，以確保熱傳導均勻，并減少熱滯后性。因此，需要對熱處理系統進行定期維護和檢測，以保證其穩定性和可控性。

3 熱處理爐爐溫均勻性測試技術應用現狀

熱處理爐爐溫均勻性測試技術主要有熱電偶測溫技術和紅外測溫技術。

3.1 熱電偶測溫技術

熱電偶是一種常用的溫度測量元件，可以直接測量熱處理爐內的溫度。熱電偶測溫技術具有測量精度高、響應速度快等優點，但需要在爐內安裝多個熱電偶才能獲得整個爐膛的溫度分布情況，且熱電偶因容易受到爐內氣氛的影響而導致測量誤差。

3.2 紅外測溫技術

紅外測溫技術是利用紅外線輻射能夠反映物體表面溫度的特性，通過紅外測溫儀對熱處理爐內物體的表面進行測量。紅外測溫技術雖然具有非接觸式測量、響應速度快等優點，但會受到爐內氣氛、表面反射率等因素的影響，測量精度相對較低。

總體來講，不同的熱處理爐爐溫均勻性測試技術各有優缺點，需要根據具體的應用場景選擇合適的技術。現在工業上最常依據的標準是基于熱電偶測溫技術的GB/T 9452—2023《熱處理爐有效加熱區測定方法》及SAE AMS 2750G：2022《高溫測定法》等[4，5]。

4 熱處理爐系統精度測試技術的應用現狀

熱處理爐的系統精度測試技術，是指對爐內溫度控制系統實際運行效果進行檢測、評估和改進的方法，目前主要有分離元件檢定法和整體校準法。

4.1 分離元件檢定法

通過對熱處理爐控制系統的單個元器件的性能進行檢定校準，來評估控制系統的可靠性和精度。這種方法適合于檢測單個元器件的性能，如溫度二次儀表、溫度傳感器等。但由于不考慮整個系統的影響因素，其評估結果較為片面。

4.2 整體校準法

通過在熱處理爐中放置多個溫度感應器，在不同位置采集爐內溫度信號，并利用統計學方法分析溫度數據之間的差異，來評估熱處理爐的溫度控制精度。該方法能夠全面反映整個系統的性能表現，并且自動化程度高、誤差小，但需要使用較為復雜的軟硬件技術來實現。

目前，雖然整體校準法被廣泛應用，但在難以發現具體問題點時，也可以綜合運用分離元件檢定法，以求得最優的熱處理爐系統精度測試數據。

5 熱處理爐檢測方案實例

一臺RJ11-φ17.5×φ13×1.8環形熱處理爐，有效尺寸：φ17.5m×φ13m×1.8m；熱處理等級：Ⅲ級；熱處理爐控溫區：40個溫區；工作區間：300～1010℃。

根據客戶所需檢校熱處理爐的工藝技術要求進行檢測實施方案設計。

5.1 檢測依據

依據GB/T 9452—2023及SAE AMS 2750G：2022對該熱處理爐的爐溫均勻性和系統精度進行測試。

5.2 檢測設備

（1）采集設備 日本日置LR8410-30無線數據記錄儀及LR8510無線溫度單元，滿足±0.6℃或溫度讀數的±0.1%取大者的要求。

（2）使用的傳感器 定制WRNK5鎧裝N型熱電偶作為溫度傳感器，該熱電偶材質為3039不銹鋼，直徑為5mm，測量范圍在0～1300℃，1300℃條件下可用6個月，熱電偶經校準最大允許誤差符合JJF 1262—2010《鎧裝熱電偶校準規范》和ASTM E220：2019《用比較法對熱電偶進行校準的標準試驗方法》規范中不超過±1.1℃或溫度讀數的±0.4%取大者的要求。

5.3 具體實施方案

（1）爐溫均勻性檢測

1）TUS檢測點：根據提供的設備信息，該環形熱處理爐為周期爐/間歇爐，依據檢測依據的要求采用容積法，進行空載檢測（一般情況下，采用空載試驗，特殊要求時可以裝載試驗）。

傳感器布點依據規范中要求，對于合格的工作區容積＞113m3，根據下式計算確定傳感器的數量，即

式中n——傳感器的數量（支）；

V有——有效加熱區體積（m3）。

該加熱爐等級為III級，TUS最大允許誤差為±8℃。有效加熱區體積為193.93m3，根據式（1）計算得出，需要熱電偶數量為29支，檢測布點如圖1所示。

圖1 環形熱處理爐布點示意

2）熱電偶的固定方式：采用搭測溫架方式，將檢測用熱電偶固定在測溫架上。

3）測溫儀表的調試與編程：現場安裝完成后即進行調試，檢測測溫儀表的工作情況是否正常，檢測正常后開始記錄。

4） T U S溫度點設計：遵循相鄰T U S溫度之間的增量不超過335℃的要求，建議溫度檢測點為310℃、640℃、920℃、1050℃。

5）溫升過程控制：檢測過程中，均不得升到高于檢測溫度后再降到檢測溫度。

當所有被檢爐負載溫度傳感器和爐溫均勻性檢測溫度傳感器不低于每個檢測溫度55℃（例如：設定溫度300℃，至少245℃）時開始數據采集。

檢測時，熱電偶連接LR8510無線溫度單元，LR8410-30無線數據記錄儀遠程采集數據，數據采集間隔≤2min，采集時間≥30min，檢測過程如圖2所示。

圖2 檢測過程示意

當測量點的溫度偏差超過爐溫均勻性范圍時，允許適當延長檢測溫度下的保溫時間，1個測溫點的檢測總時間一般不超過2h，對于工藝保溫時間特短或特長情況，檢測總時間可適當縮短或延長。

6）檢測過程工藝曲線：根據實際生產工藝編制，合同規定的檢測溫度需設置保溫段。

7）TUS溫度補償：根據實際情況進行溫度補償。

8）傳感器故障情況：根據實際情況采取相應措施。

檢測熱處理爐有效加熱區的溫度傳感器故障及處理規定如下。

1）不允許位于有效加熱區角端位置的溫度傳感器出現故障。

2）不允許兩個鄰近的溫度傳感器出現故障。

3）正常溫度讀取能恢復的短路或接觸不良等臨時性情況不認為是溫度傳感器故障。

4）溫度傳感器故障數量在檢測溫度＜1093℃時應不超過3支，溫度≥1093℃時應不超過4支。

（2）系統精度檢測 選擇比較法對每個控溫區進行系統精度檢測，在合格的工作溫度范圍內的任何溫度下，負載溫度傳感器顯示的溫度指示（溫控表）和記錄（記錄儀）、連同補償或修正值與檢測儀器上（標準器）修正后的溫度顯示值進行比較。

1）SAT溫度點設計：在合格的工作溫度范圍內的任何溫度下。檢測溫度應選擇設備常用的一個或多個溫度，也可隨設備常加工的零件在熱處理過程中的加熱保溫階段進行測量。

2）熱電偶的固定方式：采用熱處理爐負載熱電偶旁邊預留管插入固定方式，檢測用溫度傳感器測溫頭應盡可能地接近負載溫度傳感器測溫頭，兩個傳感器的尖端（測溫頭）的距離不應超過76mm。

3）檢測時長：由于SAT檢測受爐內本身溫度場變化影響不大，因此其檢測時長以能夠清晰地獲得比對結果為宜。通常檢測時長超過10min即可。

4）實施過程：①采用高精度信號源對標準儀表進行校準，并確定修正值。②采用熱電偶校準系統對SAT檢測用N型熱電偶進行校準，并確定修正值。③根據標準儀表的修正結果和熱電偶修正結果對系統進行溫度修正。④采用經校準合格SAT檢測系統對被檢熱處理爐溫度點進行校準并確定修正值。

該加熱爐等級為III級，SAT最大允許誤差為±2.2℃或讀數的0.4%取大者，控溫區為40個溫區，根據規程要求，需要熱電偶數量為12支。

（3）檢測數據及溫度曲線 對該熱處理爐在恒溫1050℃時的TUS測量數據見表1，在恒溫1050℃時的SAT部分測量數據見表2，1050℃時保溫30min的溫度曲線如圖3所示。

表2 1050℃的SAT部分測量數據 （℃）

圖3 1050℃時保溫30min的溫度曲線

（4）結果分析 該環形熱處理爐依據G B/T9452—2023及SAE AMS 2750G：2022要求檢測，符合熱處理爐爐溫均勻性最大允許誤差±8℃、系統精度最大允許誤差±2.2℃或讀數的0.4%取大者的要求。

（5）檢測結果處理 據數據采集儀測量得到的數據及溫度曲線，按照規程要求對檢測結果進行分析，并出具檢測報告。

6 常見問題及解決措施

（1）有效加熱區計算 有效加熱區一般可基于熱處理生產廠或有關標準規定的工作區間進行計算，也可根據熱處理爐類型，按照表3進行較大尺寸熱處理爐有效加熱區計算，更加科學精確。

表3 有效加熱區處理方法

（2）溫度傳感器修正值使用注意事項

1）禁止使用高于校準溫度和低于校準溫度用修正值。

2）允許使用線性方法在兩個已知校準點之間插入修正值。

例如：熱電偶400℃時修正值為－1.2℃，500℃時修正值為＋0.6℃，當使用460℃時可以采取下列兩種方法進行修正。

線性法：－1.2＋（460－400）/(500－400)×[0.6－（－1.2）]℃＝－0.12℃。

就近法：選擇500℃時的修正因數＋0.6℃。

7 結束語

本文介紹了熱處理爐爐溫均勻性和系統精度測試技術的重要性，并給出了具體實施方案設計、常見問題及措施，只有科學檢測和控制才能提高產品質量和生產效率。未來需要進一步探索技術發展方向，滿足生產需求，同時加強對熱處理爐的維護和管理，為工業生產溫控技術發展做出貢獻。