步进式正火炉管坯温度测试技术研究

李 峥 ，贾军伟 ，崔鸿飞 ，王 斌 ，李 伟 ，刘 展 ，贾金成

（1.北京东方计量测试研究所，北京 100094；2.北京空间机电研究所，北京 100094）

钢铁行业中的能耗大户就是加热炉[1]，钢在轧制之前都要通过加热炉进行加热，其目的是[2]：（1）提高钢的塑形；（2）钢坯内外温度均匀；（3）改变金属的结晶组织。 钢加热的质量直接影响到钢材的质量、产量、能源消耗以及轧机寿命[3]。 正确的加热工艺可以提高钢的塑性，降低热加工时的变形抗力。 反之，如加热工艺不当，就会直接影响钢材的质量。例如加热温度过高，会发生钢的过热、过烧，轧制时就要造成废品；钢的表面发生严重的氧化或脱碳。

大型管坯连续加热炉在轧管生产中起着重要的作用，其加热管坯的温度必须符合轧制要求。加热的管坯温差过大，会使穿孔轧制的毛管产生壁厚不均、内折等质量缺陷，并且会损伤轧制设备，严重时会发生断辊或破坏连接轴等设备事故，减少其使用寿命，因此有必要分析管坯在加热过程中炉内的温度均匀性问题，以便进一步提高加热炉的加热控制水平。现有的测量方法及主要问题见表1。

表1 现有测量方法及主要问题

本文采用自主研发的黑匣子炉温测试系统设计了一种管坯温度跟踪测试方案，利用“黑匣子”实测和记录了管坯步进加热炉的炉温均匀性以及加热过程中管坯自身的温度变化。

1 测试方案和测试设备

1.1 测试方案

本项目依据AMS（Aerospace Material Specification）2750E 标准确定测试方案， 步进式正火炉相关信息见表2。

表2 步进式正火炉参数

根据炉子实际情况和测试要求， 测试方法采用AMS2750E 标准中的“体积法”，将一根棒材所在区域作为一个测温体积单元， 黑匣子固定在棒材的端部，测温点合理布置在整个测温体积单元内部。管坯入炉后在炉膛内前进，每移动到一个位置，测温体积单元中布置的温度传感器都会对该处的温度进行记录，由此可以等效得到整个加热区的温度分布情况。

为了能够全面监测管坯整体的温度变化， 该区域所需的测温点的分布情况如图1 所示。 共设置9个测温点，其中5 个测温点沿轴向分布，中部沿周向设置3 个测温点，最后一个测温点布置在后端。

图1 测温点分布示意图

由于管坯在步进式正火炉内的行进方式是旋转式横向移动， 对于布置在管坯上的测温热电偶既要保护其在管坯的旋转式横向移动的过程中不受挤压， 还要保证热电偶可以准确探测到管坯内部的温度数值。基于以上需求，设计一种管坯测温热电偶布置方案（如图2 所示），在管坯上切开方形缺口，在切下来的方块截面处钻有热电偶测温孔， 用于放置热电偶测温端。

图2 热电偶布置示意图

如图3 所示，将热电偶从管坯内部穿入，测温端布置在切下来的方块内，待热电偶布置完毕后，将方块依次放回管坯缺口处焊接牢固， 即完成了管坯测温点布置工作。

图3 管坯热电偶布置示意图

1.2 测试设备

测试用“黑匣子”由炉温测试仪和隔热系统组成（见图4、图5），炉温测试仪型号 TR1400，精度全量程±0.5 ℃， 隔热系统为环形圆筒状隔热系统内装满水，对装在内部的炉温测试仪起保护作用。

测试用电偶为铠装N 型热电偶，等级I 级，测温范围 0～1 300 ℃，数量 9 支[5]。

1.3 测试过程

（1）测试温度为 1 080 ℃；

图4 隔热系统实物图

图5 炉温测试仪实物图

（2）测试时间为 240 min；

（3）对照方案所述，在相应位置固定测温热电偶；

（4）将热电偶冷端的正负极与炉温测试仪的正负极一一对应相连接， 并记录下炉温测试仪的通道数与测温点的对应关系；

（5）调试炉温测试仪，确认设备工作正常后将炉温测试仪的记录间隔设置为10 s；

（6）控制步进式正火炉升温达到预定的测试温度并稳定；

（7）控制黑匣子炉温测试系统随负载一起送入炉内，随行记录在整个炉膛内移动过程中的温度变化；

（8）测试结束后，取出炉温测试仪，通过与计算机相连， 把炉温测试仪中保存的数据传输到计算机中，分析各通道的温度值和温度曲线。

2 测试结果分析

根据《AMS2750E 高温测量》第 3.5.13.3.3 条，取保温段连续30 min 以上数据进行分析。 保温曲线如图 6、图 7 所示。

图6 1 080 ℃总体升温曲线图

图7 均热段温度曲线图

从图7 可以看出， 管坯从入炉开始温度逐渐升高，直至与炉气设定温度达到平衡，稳定于1 080 ℃左右。 温度上升段各传感器所记录的温度变化曲线整体趋势一致，温度上升速率略有差别，这主要是由于测温点位置不同所致。 当管坯温度与炉气温度整体达到平衡之后，各传感器间记录的温度基本一致，各测温点记录的温度数据偏差均在±10 ℃之内。

3 结论与效果

通过设计一种有效的管坯内部温度测试方法，采用自研的黑匣子炉温测试系统， 完成了步进式管坯加热温度均匀性测试， 得到了管坯内部各点温度实时变化曲线， 解决大型连续炉炉温均匀性测试及运动管件的表面和内部温度测量问题。 系统满足能在1 080 ℃条件下连续工作达4 h 左右，综合精度指标符合ASM2750E 的要求。 为大型连续炉钢管热处理过程的炉温均匀性测试提供了一种满足AMS2750E 要求且有效的解决方案。