趙濱江，劉文博，劉俊偉，顧曉明

工件的熱處理保溫溫度是影響工件組織和性能的重要工藝參數(shù)之一，有效的保溫溫度才能保證產(chǎn)品的質(zhì)量，而熱處理爐有效加熱區(qū)的保溫精度則直接關(guān)系到熱處理時的保溫溫度。

我們知道，熱處理爐有效加熱區(qū)內(nèi)的溫度分布與熱處理爐結(jié)構(gòu)、爐體密封性、控制熱電偶安裝位置，以及爐內(nèi)熱循環(huán)和燃料燒嘴等關(guān)系密切。當(dāng)對產(chǎn)品進(jìn)行熱處理時，通常要求在有效的工作區(qū)域內(nèi)使得溫度分布均勻，并長時間保持穩(wěn)定，滿足工藝要求。因此，要想對產(chǎn)品的熱處理進(jìn)行精確的控制，首先應(yīng)對熱處理爐的有效加熱區(qū)進(jìn)行測定，找出熱處理爐合格的加熱區(qū)間，保證產(chǎn)品質(zhì)量。

筆者遇到某項目，設(shè)備要求熱處理溫度控制在（890±14）℃進(jìn)行保溫，工件最大尺寸為φ5000mm×8600mm，該公司有較大的壓力容器熱處理爐，爐膛區(qū)尺寸為9000mm×9600mm×28000mm。從經(jīng)濟(jì)角度考慮，該公司擬采用一爐多臺產(chǎn)品進(jìn)行熱處理，先假定熱處理爐有效加熱區(qū)為7500mm×8600mm×26000mm，因此需要對這個區(qū)域進(jìn)行評定。

1.檢測方法

熱處理爐的有效加熱區(qū)，就是經(jīng)溫度檢測而確定的滿足工藝規(guī)定溫度及溫度均勻性的工作空間，我們參照GB/T9452—2012。推薦的方式：一般情況下采用空載試驗，有特殊要求也可以裝載試驗（半載試驗或滿載試驗）。本文即是采用以空載試驗?zāi)Ｊ竭M(jìn)行，通過分布的測試點對此加熱區(qū)進(jìn)行檢測。

2.熱電偶的選擇與試驗

本試驗選擇鎳鉻-鎳硅K型熱電偶，實際產(chǎn)品要通過脈沖高能熱電偶焊機(jī)將熱電偶焊接到產(chǎn)品上。考慮到產(chǎn)品上需要連接大量熱電偶，選用直徑0.5mm熱電偶絲，因考慮到熱處理溫度較高，且熱處理爐使用天然氣加熱，熱電偶絲暴露在此環(huán)境條件下，天然氣中的SO2等氣氛對熱電偶絲也會產(chǎn)生一定的影響，導(dǎo)致熱電偶檢定時超出范圍而不能使用。因此，對于熱電偶絲的保護(hù)套，需要進(jìn)行試驗后選擇，試驗溫度890℃，保溫120min。

采用的是光絲加二氧化硅套，使用后發(fā)現(xiàn)經(jīng)過890℃加熱后，以及使用過程中的拉拔等動作，導(dǎo)致保護(hù)層損壞嚴(yán)重，露出里面光絲，在高溫下氧化（見圖1a和圖1b）。

使用陶瓷管保護(hù)的熱電偶絲（見圖2）連接處有破損發(fā)生，且由陶瓷管保護(hù)的熱電偶絲連接處有氧化現(xiàn)象。采用金屬網(wǎng)保護(hù)，其中金屬網(wǎng)又分國內(nèi)生產(chǎn)和國外進(jìn)口，經(jīng)試驗國內(nèi)生產(chǎn)的金屬網(wǎng)發(fā)生碎裂，而國外進(jìn)口金屬網(wǎng)無明顯變形，如圖3所示。

圖1 二氧化硅保護(hù)套

圖2 陶瓷保護(hù)套

我們又對金屬網(wǎng)進(jìn)行檢測，發(fā)現(xiàn)國內(nèi)生產(chǎn)的金屬網(wǎng)屬于200系列不銹鋼，耐高溫性能差，而國外生產(chǎn)的保護(hù)網(wǎng)屬于304不銹鋼，耐高溫性能較好。通過上述的試驗，選擇304不銹鋼金屬網(wǎng)作為熱電偶絲的保護(hù)套。

3.工作區(qū)及測溫點分布

根據(jù)假定的測試工作區(qū)7500mm×8600mm×26000mm，參照GB/T9452—2012 熱處理爐有效加熱區(qū)測定方法，采用304不銹鋼焊接矩形測溫框架（見圖4），共計46個點進(jìn)行測溫，即：首尾2個矩形框架各8個點，中間6個矩形框架四角及中心點位置各設(shè)1點。測溫點均對稱分布。

4.檢測過程

（1）熱電偶 選擇K型Ⅱ級工業(yè)用熱電偶，外加304不銹鋼金屬網(wǎng)絲；檢測儀表選用某自動化系統(tǒng)有限公司生產(chǎn)的256點溫度采集系統(tǒng)。檢測所用的熱電偶、溫度采集系統(tǒng)在使用前均經(jīng)過校驗，經(jīng)檢定合格，并取得相應(yīng)的修正值。

將矩形測溫框架放入熱處理爐內(nèi)，按照上述設(shè)定的測溫點將熱電偶采用脈沖高能熱電偶焊機(jī)焊接到框架上，將熱電偶從測溫孔引出連接到溫度采集系統(tǒng)，測溫孔采用耐火纖維密封，由于熱處理爐通過燃料燒嘴噴火加熱，為了防止火焰直接噴射到熱電偶上，在距離噴嘴300mm處用一塊600mm×600mm的不銹鋼板擋住。準(zhǔn)備就緒后，點火加熱。按圖5熱處理工藝進(jìn)行試驗。

（2）升溫階段 第一階段，從環(huán)境溫度開始升溫，加熱速率≤80℃/h，爐內(nèi)所有熱電偶溫度差值不得大于150℃。當(dāng)最高溫度的熱電偶顯示到達(dá)500℃后，持續(xù)保溫直到所有熱電偶溫度在（500±25）℃，不允許任何熱電偶溫度加熱超過525℃、低于475℃，保溫30min。

圖3

圖4 不銹鋼測溫框架

第二階段，從500℃開始升溫，加熱速率≤50℃/h，爐內(nèi)所有熱電偶溫度差值不得大于50℃。當(dāng)最高溫度的熱電偶顯示到達(dá)890℃后，持續(xù)保溫直到所有熱電偶溫度在（890±14）℃，不允許任何熱電偶溫度超過904℃、低于876℃。

（3）保溫階段 當(dāng)所有熱電偶溫度達(dá)到（890±14）℃時，開始計算保溫時間，保溫時間為2h。

（4）降溫階段 第一階段，從890℃開始冷卻到500℃，冷卻速率≤50℃/h，爐內(nèi)所有熱電偶溫度差值不得大于50℃。

第二階段，從500℃開始冷卻，冷卻速率≤80℃/h，爐內(nèi)所有熱電偶溫度差值不得大于150℃。

（5）出爐 當(dāng)溫度≤175℃時出爐空冷。

熱處理過程中，溫度采集系統(tǒng)每分鐘5次的頻率掃描數(shù)據(jù)并記錄。時刻觀察數(shù)據(jù)，并實時分析數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)有某數(shù)值偏離較大時，及時通過手動調(diào)節(jié)噴嘴火量大小來控制溫度值。

5.結(jié)果評定及實際應(yīng)用

圖5 熱處理工藝

熱處理過程中，需要隨時對各檢測點數(shù)據(jù)進(jìn)行觀察修正，當(dāng)熱處理自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)不能滿足工藝要求時，需要手動進(jìn)行控制，以保證各支熱電偶溫度顯示值不要出現(xiàn)過高或過低的溫度值。熱處理進(jìn)行后，導(dǎo)出所有測試點數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。繪制成曲線后，實測溫度曲線見圖6。

本次試驗主要通過2個保溫點來檢驗工作區(qū)的溫度均勻性，第一階段為500℃，第二階段為890℃。為了對有效加熱區(qū)進(jìn)行評定，我們對所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析統(tǒng)計，通過以下指標(biāo)來評價：偏離度ΔT1（指保溫階段，有效區(qū)工作區(qū)內(nèi)同一時刻橫向各點測量值中最大值與最小值之差，ΔT1max表示最大橫向偏離），波動度ΔT2（保溫階段，有效區(qū)工作內(nèi)同一支熱電偶不同時刻測量值中最大值與最小值之差，ΔT2max表示最大縱向波動），均溫度Δtmax[最大均溫性，保溫階段，各點測量值中的最大值與最小值之差（最大值與最小值不能取自同一支熱電偶）]，其值見附表。

通過對比上述的試驗結(jié)果，測試結(jié)果在工藝要求范圍內(nèi)，初步達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。在該熱處理爐通過有效加熱區(qū)的評定后，工廠重新對熱處理爐進(jìn)行了維護(hù)，改善了密封及空氣循環(huán)的條件。在對實際的產(chǎn)品進(jìn)行熱處理時，總計接了108支熱電偶，通過對熱處理過程的跟蹤及數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)在890℃保溫時，均溫度Δtmax為±11℃，熱處理結(jié)果經(jīng)驗證完全符合工藝要求，不僅滿足了客戶的要求，而且保證了產(chǎn)品熱處理質(zhì)量，同時也提高了生產(chǎn)效率。

圖6 熱處理溫度曲線

試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計表 （℃）