閔健，賈軍偉，李鵬，李紹飛，盧曉勃，李崢，崔鴻飛，李偉，劉展，賈金成

（1.北京東方計(jì)量測(cè)試研究所，北京100094；2.北京空間機(jī)電研究所，北京100094）

0 引言

連續(xù)式熱處理爐廣泛應(yīng)用于航空、航天、航海、汽車、武器裝備等工業(yè)生產(chǎn)制造領(lǐng)域，要保證工件、零部件的高強(qiáng)度、高韌性、抗腐蝕、抗疲勞等性能，必須對(duì)其原材料、成型工件進(jìn)行熱處理。熱處理爐的控溫精度和均勻性，對(duì)熱處理工藝起到至關(guān)重要的作用。連續(xù)式熱處理爐可實(shí)現(xiàn)鋼坯等工件的批量高效熱處理，但是其體積比較龐大，并且處理的板坯隨輥道實(shí)時(shí)移動(dòng)，傳統(tǒng)的插入式傳感器測(cè)試不能隨板坯移動(dòng)，不能實(shí)時(shí)測(cè)試板坯的溫度，紅外測(cè)溫儀只能測(cè)工件表面溫度，不能測(cè)工件內(nèi)部溫度和連續(xù)爐的TUS特性。本文采用自研的黑匣子爐溫測(cè)試系統(tǒng)，設(shè)計(jì)一種在大型連續(xù)爐內(nèi)板坯的熱處理過程中的溫度均勻性測(cè)試方案并完成測(cè)試。

1 “黑匣子”爐溫測(cè)試儀

爐溫測(cè)試儀（如圖1）通過高精度轉(zhuǎn)換電路將采集到的熱電偶信號(hào)轉(zhuǎn)換成溫度信號(hào)并存儲(chǔ)，集成單按鈕開關(guān)功能，具備多路測(cè)溫通道，能在高溫環(huán)境下保持較高穩(wěn)定性，可兼容多種廉金屬和貴金屬熱電偶傳感器，測(cè)溫準(zhǔn)確度較高，采樣周期連續(xù)可調(diào)，連續(xù)記錄時(shí)間較長(zhǎng)，存儲(chǔ)空間較大。專門設(shè)計(jì)了多級(jí)熱防護(hù)箱（如圖2）搭配此爐溫測(cè)試儀使用，對(duì)爐子溫度和鋼坯溫度實(shí)時(shí)跟蹤測(cè)試，驗(yàn)證爐溫均勻性和熱處理工藝有效性。

圖1 爐溫測(cè)試儀

圖2 多級(jí)熱防護(hù)箱

1.1 “黑匣子”數(shù)據(jù)分析管理軟件

通過數(shù)據(jù)分析管理軟件，可以更改爐溫測(cè)試儀的采樣周期、溫度保護(hù)、傳感器類型、通道補(bǔ)償?shù)葏?shù)，如圖3（a）所示，存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)也可快速導(dǎo)出，本地備份，避免數(shù)據(jù)丟失。溫度顯示界面，如圖3（b），可實(shí)時(shí)顯示測(cè)量溫度。圖形分析功能，可將記錄的溫度數(shù)據(jù)，繪制成溫度曲線，最高溫度、最低溫度升溫速率等信息直觀明確，如圖3（c）為圖形化數(shù)據(jù)分析界面。

1.2 溫度傳感器

本次采用13支非易耗型鎧裝N型熱電偶，等級(jí)為工業(yè)1級(jí)，并經(jīng)過實(shí)驗(yàn)室計(jì)量校準(zhǔn)［3-4］，記錄相應(yīng)的修正因子。

圖3 數(shù)據(jù)分析管理軟件界面

2 爐溫測(cè)試條件和過程分析

2.1 爐溫測(cè)試條件

S35C型板坯連續(xù)式熱處理爐已投產(chǎn)運(yùn)營(yíng)3年，主要用于S35C型模具鋼板坯熱處理。爐長(zhǎng)126 m，爐寬4.6 m，爐高3 m，30個(gè)控溫區(qū)，分為預(yù)熱段、加熱段及均熱段。工作溫度范圍450～950℃，均勻性指標(biāo)±8.0℃，爐子等級(jí)為3級(jí)［1］。

為驗(yàn)證熱處理爐爐溫均勻性是否符合工藝要求，依據(jù) AMS2750E《高溫測(cè)量》第3.5.5條分別選取450，730，950℃三個(gè)溫度點(diǎn)分別進(jìn)行3次爐溫測(cè)試［2］。測(cè)量方法采用AMS2750E標(biāo)準(zhǔn)中的“體積法”。根據(jù)爐子實(shí)際情況和測(cè)試要求，［3-4］實(shí)驗(yàn)鋼種選用S35C型模具鋼，規(guī)格為：6000 mm（長(zhǎng)）×3500 mm（寬）×100 mm（高）。

2.2 過程分析

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)確定鋼坯體積法［5-7］所需的測(cè)溫點(diǎn)的分布情況，鋼坯內(nèi)部共設(shè)置3個(gè)測(cè)溫截面，11個(gè)測(cè)溫點(diǎn)。此外，為了監(jiān)測(cè)爐溫變化情況，在鋼坯上下表面各增加1個(gè)測(cè)溫點(diǎn)。如圖4所示，第1，4，7，9點(diǎn)的深度為20 mm；第2，6，10點(diǎn)的深度為50 mm；第3，5，8，11點(diǎn)的深度為80 mm；12點(diǎn)測(cè)試鋼坯上表面溫度，13點(diǎn)測(cè)試鋼坯下表面溫度。

圖4 熱電偶位置

將“黑匣子”爐溫測(cè)試儀和防護(hù)箱安裝在圖5所示位置上。

圖5 黑匣子安裝位置

將“黑匣子”進(jìn)行編程調(diào)試，將爐溫測(cè)試儀和熱電偶的修正因子加入到測(cè)試系統(tǒng)內(nèi)部，對(duì)整個(gè)測(cè)溫系統(tǒng)進(jìn)行溫度修正［8-10］；溫度設(shè)定為每分鐘記錄一次，將熱電偶與“黑匣子”一一對(duì)應(yīng)連接，并記錄下“黑匣子”的通道與測(cè)溫點(diǎn)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。將爐子30個(gè)溫區(qū)的溫度分別設(shè)定為450，730，950℃。待爐溫穩(wěn)定后將測(cè)試鋼坯通過輥道送入爐內(nèi)。按熱處理工藝設(shè)定輥速，讓試驗(yàn)鋼坯勻速行進(jìn)，直至鋼坯出爐，在噴淋機(jī)下噴水冷卻后將黑匣子取出，通過與計(jì)算機(jī)相連，把“黑匣子”中保存的數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中，打印出各通道的溫度值和曲線，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與判斷。

溫度點(diǎn)1測(cè)試時(shí)預(yù)熱段、加熱段和均熱段都設(shè)定450℃。當(dāng)爐子達(dá)到設(shè)定溫度后，保溫30 min后將測(cè)試鋼坯送入爐內(nèi)。設(shè)定輥速，試驗(yàn)鋼坯從入爐至出爐共歷經(jīng)347 min。測(cè)試結(jié)果見圖6和圖7。

圖6 總體升溫曲線

圖7 均熱段曲線

從圖6和圖7中可以看出鋼坯從入爐開始，溫度逐漸升高，直至與爐氣設(shè)定溫度達(dá)到平衡，穩(wěn)定于450℃左右。溫度上升段各傳感器所記錄的溫度變化曲線整體趨勢(shì)一致，溫度上升速率略有差別，這主要是由于測(cè)溫點(diǎn)不同所致。當(dāng)鋼坯溫度與爐氣溫度整體達(dá)到平衡之后，各傳感器間記錄的溫度基本一致，各測(cè)溫點(diǎn)記錄的溫度數(shù)據(jù)偏差均在±8.0℃之內(nèi)，可見爐溫均勻性較好。

溫度點(diǎn)2測(cè)試時(shí)預(yù)熱段、加熱段和均熱段都設(shè)定730℃。當(dāng)爐子到達(dá)設(shè)定溫度后，保溫30 min后將測(cè)試鋼坯送入爐內(nèi)。設(shè)定輥速，試驗(yàn)鋼坯從入爐至出爐共歷經(jīng)267 min。測(cè)試結(jié)果見圖8和圖9。

圖8 總體升溫曲線圖

圖9 均熱段曲線

從圖8和圖9中可以看出鋼坯從入爐開始，溫度逐漸升高，直至與爐氣設(shè)定溫度達(dá)到平衡，穩(wěn)定于730℃左右。溫度上升段各傳感器所記錄的溫度變化曲線整體趨勢(shì)一致，溫度上升速率略有差別，這主要是由于測(cè)溫點(diǎn)不同所致。當(dāng)鋼坯溫度與爐氣溫度整體達(dá)到平衡之后，各傳感器間記錄的溫度基本一致，各測(cè)溫點(diǎn)記錄的溫度數(shù)據(jù)偏差均在±8.0℃之內(nèi)，可見爐溫均勻性較好。

溫度點(diǎn)3測(cè)試時(shí)預(yù)熱段、加熱段和均熱段都設(shè)定950℃。當(dāng)爐子到達(dá)設(shè)定溫度后，保溫30 min后將測(cè)試鋼坯送入爐內(nèi)。設(shè)定輥速，試驗(yàn)鋼坯從入爐至出爐共歷經(jīng)203 min。測(cè)試結(jié)果見圖10和圖11。

圖10 總體升溫曲線

圖11 均熱段曲線

從圖10和圖11中可以看出鋼坯從入爐開始，溫度逐漸升高，直至與爐氣設(shè)定溫度達(dá)到平衡，穩(wěn)定于950℃左右。溫度上升段各傳感器所記錄的溫度變化曲線整體趨勢(shì)一致，溫度上升速率略有差別，這主要是由于測(cè)溫點(diǎn)不同所致。當(dāng)鋼坯溫度與爐氣溫度整體達(dá)到平衡之后，各傳感器間記錄的溫度基本一致，各測(cè)溫點(diǎn)記錄的溫度數(shù)據(jù)偏差均在±8.0℃之內(nèi)，可見爐溫均勻性較好。

3 結(jié)論

采用自研的“黑匣子”爐溫測(cè)試系統(tǒng)，依據(jù)AMS2750E《高溫測(cè)量》，選取爐子工作溫度450，730，950℃三個(gè)溫度點(diǎn)進(jìn)行溫度均勻性測(cè)試。測(cè)試采用標(biāo)準(zhǔn)中推薦的體積法，在加載情況下測(cè)試了爐溫均勻性，測(cè)試結(jié)果表明黑匣子爐溫測(cè)試系統(tǒng)按照設(shè)計(jì)的方案完成測(cè)試要求，被測(cè)連續(xù)爐爐溫均勻性較好，滿足該板坯爐溫均勻性±8.0℃要求，為后續(xù)大型連續(xù)式加熱爐爐溫均勻性測(cè)試和板坯的熱處理工藝設(shè)計(jì)和技術(shù)驗(yàn)證提供可靠的測(cè)試方法和測(cè)試依據(jù)。