李喜梅，湯 劍，李啟友

(武漢理工大學(xué) 華夏學(xué)院機電工程系，湖北 武漢 430223)

箱式電阻爐溫度場分布規(guī)律測試*

李喜梅，湯 劍，李啟友

(武漢理工大學(xué) 華夏學(xué)院機電工程系，湖北 武漢 430223)

箱式電阻爐結(jié)構(gòu)、電熱元件位置及工況決定了熱處理加熱時溫度場分布不均勻，影響工件熱處理質(zhì)量。根據(jù)鋁合金熱處理工藝規(guī)程要求，通過電阻爐空載、負載加熱測試爐膛溫度摸清溫度分布規(guī)律，找出加熱爐有效加熱區(qū)。

箱式電阻爐；溫度；測試

0 引 言

SX-4-10箱式電阻爐(簡稱電阻爐)主要用于對工件進行正火、退火、淬火、時效、回火等熱處理工藝及金相研究。電阻爐對工件進行熱處理時，雖有測控溫裝置顯示、控制溫度，但只能顯示及控制爐膛中感溫元件熱電偶所在局部區(qū)域介質(zhì)的溫度，對于區(qū)域以外的爐膛其它空間溫度無法顯示與控制。由于溫度分布不均勻，鋁合金熱處理對溫度的差異較敏感，同批工件有的出現(xiàn)過燒或加熱溫度達不到工藝規(guī)程要求，影響工件質(zhì)量。筆者以鋁合金熱處理(T6)工藝規(guī)程要求及電阻爐配套測、控溫儀表實況安排測溫點，通過空載、負載加熱測試，摸清爐膛溫度分布規(guī)律及爐溫均勻度，找出滿足鋁合金熱處理工藝規(guī)程的有效加熱區(qū)。

1 電阻爐結(jié)構(gòu)及主要技術(shù)參數(shù)

1.1 爐體結(jié)構(gòu)

電阻爐由加熱爐體與測控溫系統(tǒng)組成，如圖1。電阻爐外形為長方形，爐殼采用角鋼、冷軋板焊接制成，表面靜電噴涂。爐膛采用耐火材料燒結(jié)成形，加熱元件置于爐膛外側(cè)，爐膛與爐殼之間用保溫材料砌筑，爐門通過鉸架固定于爐口處。

1.2 主要技術(shù)參數(shù)

工作室尺寸(mm)(D×W×H):300×200×120；爐膛容積：7.2 L； 設(shè)計溫度：1 000 ℃ ；控溫儀表：液晶顯示PID控溫儀 ；控溫精度：±1 ℃；加熱元件：鐵鉻鋁加熱合金絲(OCr21A16Nb)；電源電壓： 220/50 Hz；額定功率：4 kW；外形尺寸(mm) (L×W×H):700×460×530。

圖1 分體式電阻爐

2 爐膛溫度分布規(guī)律測試

2.1 測試方法

測試將電阻爐爐膛測溫點、測控溫?zé)犭娕技翱販仫@示儀表作為一個整體，通過電阻爐空載、負載加熱，同時測量爐膛多點溫度，摸清爐膛溫度分布規(guī)律，找出爐膛的有效加熱區(qū)。其測試要求、測試點數(shù)量及位置、測試溫度、測試順序與方法、重復(fù)測試等內(nèi)容按GB/T9452—2003《熱處理爐有效加熱區(qū)測定方法》進行[2]。

2.2 檢測裝置

檢測裝置由熱電偶、補償導(dǎo)線、測控溫儀表、轉(zhuǎn)換開關(guān)及測溫架等組成。

(1) 測控溫儀表 XMT-3000智能PID調(diào)節(jié)器，測量精度：±1.0 ℃；

(2) 溫度傳感器 鎳鉻-鎳硅熱電偶，分度號為K，精度等級為Ⅱ；

(3) 鎳鉻-鎳硅熱電偶補償導(dǎo)線。

型號為KX，溫度范圍為:-20～100 ℃,允差為±1.5 ℃。

2.3 測試點布置

箱式電阻爐示意圖如圖2所示。

圖2 箱式電阻爐示意圖1.隔熱層 2.爐膛 3.測溫孔 4.接線盒 5.墊塊 6.爐門 7.工件 8.加熱室 9.電熱絲孔

爐膛測溫點布置示意圖見圖3。

測溫點1：電阻爐配套測、控溫?zé)犭娕?，位于爐膛爐門、后壁中垂面，距爐膛底壁高100 mm，距后壁96 mm。

測溫點2：爐膛中心點。

測溫點3：距爐膛長方體對角線左側(cè)底部下頂點60 mm。

圖3 爐膛測溫點布置示意圖

2.4 檢測裝置標定

測試前,對測溫數(shù)字表及測溫傳感器熱電偶按相關(guān)計量標準標定，誤差用于測試值修正。

(1) 測溫數(shù)字表標定

用UJ-37直流電位差計按(ITS-90)鎳鉻-鎳硅

熱電偶 (K)分度表值輸入測溫數(shù)字表。誤差按式(1)計算。

Δt=t0-tb

(1)

式中:Δt為測溫數(shù)字表溫度顯示誤差，℃；Tb為分度標準溫度，℃；t0為按(ITS-90)鎳鉻-鎳硅熱電偶 (K)分度表值輸入顯示(指示)溫度，℃。

(2) 鎳鉻-鎳硅熱電偶 (K)標定

實驗室用二等標準鉑銠10-鉑熱電偶、準確度為0.02級；最小步進值為1 μV的低電勢直流電位差計在管式電阻爐加熱標定。

2.5 爐膛溫度分布規(guī)律測試

電阻爐由低溫到高溫加熱，分別進行空載(空爐)和負載測試，測試爐溫均勻度、保溫精度。

(1) 爐溫均勻度

測試時，將電阻爐的溫控儀設(shè)定到所要求的標稱溫度，使電阻爐正常工作，穩(wěn)定后開始讀數(shù)，每2 min記錄所有測試點的溫度1次，在30 min內(nèi)共測試15次。爐溫均勻度為各測量點實測最大值與最小之差值之差的算術(shù)平均值[1]，即:

(2)

式中:Δtj為電阻爐爐溫均勻度，℃；n為測量次數(shù)；tcmax為各測量點在第i次測得的最高溫度，℃；tcmin為各測量點在第i次測得的最低溫度，℃。

(2) 保溫精度

實際保溫溫度相對于工藝規(guī)定溫度的精確程度，用相對于工藝規(guī)定溫度的允許最大溫度偏差表示。本次測試以鋁合金淬火要求熱處理爐有效加熱區(qū)溫度隨時間的變化量控制在500±5 ℃以內(nèi)，即有效加熱區(qū)要求保溫精度±5 ℃。

2.6 測試數(shù)據(jù)

①空載(空爐)測試 測試數(shù)據(jù)如表1所列。

②負載測試 負載測試爐膛負載率約為25%。數(shù)據(jù)如表2所列。

表1 空載測試數(shù)據(jù)表 /℃

表2 負載測試數(shù)據(jù)表 /℃

3 結(jié) 論

(1) 由于爐膛為長方體，加熱元件布置在爐膛上頂部、下底部和側(cè)部，電流通過電阻絲加熱元件所產(chǎn)生的熱量經(jīng)傳導(dǎo)、輻射、對流，使工件間接得到加熱；同時電阻爐為內(nèi)加熱無風(fēng)送系統(tǒng)，自然氣氛條件下工作。其爐體結(jié)構(gòu)、加熱元件位置及工況決定了爐膛溫度場分布不均勻。 (2) 電阻爐空載加熱或負載加熱，由于熱慣性，當爐溫接近設(shè)定標稱溫度停止加熱時，即使是PID調(diào)節(jié)控制，約15 min時間內(nèi)爐溫在設(shè)定標稱溫度上下波動較大，波動輻度由大到小，隨著時間推移波幅趨于穩(wěn)定?？紤]到鋁合金熱處理時工件冷爐裝載或爐溫穩(wěn)定后裝載，有意安排從室溫直接加熱到標稱溫度500 ℃(未待爐溫穩(wěn)定)開始測試數(shù)據(jù)，表1、2表明均勻度大于其它設(shè)定標稱溫度均勻度(爐溫穩(wěn)定測試)。

(3) 相同試驗條件下，負載加熱比空載加熱均勻度差。特別是低熔點合金進行淬火、人工實效熱處理時，要關(guān)注爐溫波動最大差值及均勻度，避免波動超差出現(xiàn)質(zhì)量問題。

(4) 由負載加熱測試數(shù)據(jù)及熱電偶位置，可粗略估算出試驗電阻爐進行鋁合金淬火(520±5 ℃)，以爐膛測、控溫?zé)犭娕键c1為中心的有效加熱空間尺寸(mm) (L×W×H):180×120×80。通過合理布置工件在爐膛空間位置及整定XMT—3000智能PID調(diào)節(jié)器控溫參數(shù)，可滿足鋁合金熱處理工藝規(guī)程要求。

4 結(jié) 語

電阻爐結(jié)構(gòu)特點及工件熱處理加熱過程包括電熱元件的生熱，工件的吸熱、散熱，爐壁吸熱、散熱；爐內(nèi)通過輻射、傳導(dǎo)及爐氣對流傳熱，十分復(fù)雜；同時還與控溫裝置工作方式及電阻爐工作環(huán)境有關(guān)。測試結(jié)果表明，不同標稱溫度，電阻爐的有效加熱區(qū)不是定值，制定工件熱處理工藝時必須根據(jù)工件材料、電阻爐的有效加熱區(qū)綜合考慮。需說明的是此次測試是在實驗室電阻爐配套熱電偶、測控溫裝置及實驗室測試設(shè)備條件下，以鋁合金熱處理工藝規(guī)定溫度值為依據(jù)安排試驗，確定鋁合金熱處理爐膛有效加熱空間。

[1] 林景星.箱式電阻爐溫度場參數(shù)的校準及其不確定度評定[J].質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督研究,2010(2):25-28.

[2] GBT9452-2003.熱處理爐有效加熱區(qū)測定方法[S].

Temperature Distribution Testing for the Box Type Eectric Resistance Furnace

LI Xi-mei, TANG Jian, LI Qi-you

(DepartmentofElectricalandMechanicalEngineeringofHuaxiaCollege,WuhanUniversityofTechnology,WuhanHubei430223,China)

The structure of box type resistance furnace, the electric heating elements position and working conditions determine the uneven distribution of the temperature field when heated. In this paper, according to the requirements of the aluminum alloy heat treatment procedure, the furnace temperature is tested in the condition of the no-load test and load resistance furnace heating, so the temperature distribution rule and the effective heating areas of the heating furnace can be found out.

box type resistance furnace; temperature; testing

2014-02-19

李喜梅(1979-)，女，湖北黃岡人，講師，碩士，主要從事機械電子工程專業(yè)的教學(xué)工作。

TK175

A

1007-4414(2014)02-0068-03