高精度热处理炉系统精度影响因素分析

刘 越

(天津工程机械研究院，天津 300409)

热处理是提高机械零件质量和延长使用寿命的关键工序，也是充分发挥金属材料潜力、节约材料的有效途径。而任何一种热处理工艺均需要相应的热处理设备才能实现。热处理炉是实现金属热处理工艺的主要设备，没有高精度，高性能的热处理炉就很难实现先进的热处理工艺。热处理炉的精度和性能是决定热处理工艺的重要因素。本文将以航天企业所用比较广泛的电阻炉为例，分析影响设备系统精度的各项因素以及解决办法。

1 温度显示系统

热处理炉的温度显示系统主要由温度传感器、补偿导线和温度仪表组成，同时增加温度记录仪用来记录和监测炉温，其中温度传感器、补偿导线和控温仪表参与温度控制，每个环节出问题都将直接影响系统精度。

1.1 温度仪表

温度仪表分为控温仪表和温度记录仪。控温仪表现在多数选用智能控温仪表或PLC加触摸屏用来进行温度控制和显示，是热处理炉的核心元件。在控温系统设计报警时，推荐用控温仪表或者PLC做偏差报警，用记录仪或者其他监控仪表做上限报警。这样分开做两个报警能形成双保险，不仅能保证系统能精准控温，还能避免控温仪表或者PLC死机时，设备温度过高后无法报警的现象。控温仪表的精度选择可根据设备类别去选择不同精度。一类设备应尽量选择0.1级精度的仪表，二类以下设备选用0.3级精度仪表均可满足。控温仪表也需要定期检验，所得到的误差数据可以通过温度补偿功能进行修正。

控温仪表均带有温度补偿功能，用以修正系统中其他元件和自身所带来的误差。此功能对于炉温均匀性的调整能起到至关重要的作用。温度补偿功能可以直接影响炉内温度，所补偿的温度会直接作用到仪表上，从而影响炉内温度。要注意的是，使用温度补偿功能时炉内的温度变化与仪表上显示的温度是相反的，例如在仪表设定炉温为600 ℃，且仪表显示炉温600 ℃时，在温度补偿参数中设置为+2 ℃，仪表此时显示为602 ℃，由于显示温度超过设定炉温600 ℃，所以仪表会控制炉内温度下降2 ℃，直到仪表显示为600 ℃，此时炉内温度降为598 ℃。简单地说就是想让炉内温度升高2 ℃，则在温度补偿参数中设定-2 ℃，想让炉内温度下降2 ℃，则在温度补偿参数中设定+2 ℃。控温仪表的温度补偿功能基本上都是设定后所有温度都起作用，不能分温度段进行补偿，但是如果选用PLC控温，在设计温度补偿程序时一定要做成分段补偿。分段补偿至少需要做到每间隔100 ℃能够补偿一次，或者根据实际情况能够灵活配置。分段补偿能在做炉温均匀性时起到事半功倍的效果。

1.2 温度传感器

电阻炉的温度传感器主要为热电偶和热电阻。常用的热电偶主要有S、R、B、N、K、E、J、T等几种。在使用中需要根据设备的工作温度范围相应分度号的热电偶，如果设备工作温度与热电偶分度号不匹配将产生很大误差。热电偶使用在温度较高的环境，一般用于500 ℃以上的较高温度，低温区时输出热电势很小，当电势小时，对抗干扰措施和二次表要求很高，否则测量不准。在中低温度时，一般使用热电阻测温范围为-200～500 ℃。选择热电偶时不仅需要考虑工作温度还要考虑炉内特殊气氛，如强氧化、强还原和真空环境。

热处理设备温度传感器需要定期送到具检测资质的第三方检测机构校验，并出具检测报告，如果检测结果误差较大请及时更换，误差较小时可以通过控温仪表进行补偿。在检测时需要拆卸传感器外壳，容易造成固定螺丝松动，使用时可能对系统精度产生影响，检测完毕后要及时检查固定螺丝。在设备中插拔温度传感器时需要做好位置标记，如果插拔前后位置变化很大会对炉温均匀性造成很大影响。同时还需要定期检测传感器外壳是否出现破损，外壳破损后热电偶丝容易氧化腐蚀降低使用寿命和精度。

1.3 补偿导线

补偿导线是在一定温度范围内(包括常温)具有与所匹配热电偶热电动势相同标称值的一对带有绝缘层的导线，用它们连接热电偶与测量装置，以补偿它们与热电偶连接处的温度变化所产生的误差。

补偿导线是用于将热电偶冷端延长至远离高温且温度比较稳定的地方的一种专用导线。在一定温度范围内，它的热电特性与主热电偶的热电性质基本相同。用补偿导线与热电偶的冷端连结，就可以将热电偶输出的温度信号传输给仪表。

补偿导线分延长型和补偿型，而常用的是补偿型补偿导线，它用字母“C”附加在热电偶分度号之后表示，例如“KC”。热电偶需要匹配相应型号的补偿导线，如果用普通导线替代补偿导线则起不到补偿作用，如果选错补偿导线型号则可能造成更大误差。如果传感器是热电阻则不需要补偿导线。补偿导线和热电偶均分正负，在接线时正负切不可接反，否则会产生较大误差，一般补偿导线的红色线接热电偶和显示仪表的正端，另一颜色接负端。补偿导线的线径则需要根据显示仪表要求的线路阻值选择。如果使用环境温度较高时还需选择带高温补偿导线。补偿导线分普通级和精密级，两者的误差还是比较大的。比如常用的K型热电偶的补偿导线KC普通级在200 ℃时的允许误差是±2.5 ℃，而精密级则是±1.5 ℃。在系统精度要求较高时尽量选择精密级的补偿导线。如果现场干扰源比较多，比如变频器驱动的电机动力电缆，大功率整流装置等，则需要选择带屏蔽层的补偿导线。在接线时屏蔽层须一端接地，两端同时接地时容易产生电势差反而会产生干扰。

航天企业的热处理设备的显示仪表和温度传感器均会定时送检，但是补偿导线这个环节却很容易被遗忘。一是补偿导线铺设安装，一般固定无法移动；二是补偿导线不属于仪器仪表不在检测范围。而恰恰是这个容易被忽略的地方会造成系统误差，而且非常不容易被发现。曾遇到一个时效炉系统精度不正常，而热电偶和控温仪表均正常，在做炉温均匀性实验时做了三次都不合格，炉内实际温度与仪表显示差别很大，更换补偿导线后问题解决。补偿导线的使用环境一般都比较恶劣，比如高温、潮湿、强氧化性气体，时间长了以后会发生氧化、老化的现象，传递信号时会造成较大误差，且每个阶段的温度误差都不相同，一般测量温度越高误差越大，这种情况下仪表无法进行补偿，只能更换补偿导线。检测人员和设备维护人员需要特别注意，在系统精度有问题且找到不到原因时应检测补偿导线是否正常。同时在做均匀性检测前应检测补偿导线，在保证显示仪表正常的情况下，用信号发生器在热电偶端发出几个设备常用温度所对应的电动势，观看仪表显示是否在误差允许范围，并记下误差以便通过仪表进行人工补偿。

1.4 热电偶接头

航天企业的热处理设备的温度传感器需要定期检测，经常拆卸、安装热电偶和补偿导线会造成热电偶接头松动，所以许多设备的热电偶和补偿导线连接时会使用快速插头连接，以方便拆卸和安装。使用快速插头时应选择与热电偶同型号的插头，使用普通航空接头或普通接线端子时可能造成较大误差，影响系统精度。

2 系统参数调整

系统参数设置的准确度，能直接影响设备的精度。系统参数的设置主要是控温系统的参数设置。

2.1 温度传感器型号

在设备使用前首先应设置好仪表的温度传感器型号参数，选择正确的温度传感器的型号，否则将会造成很大误差。

2.2 报警参数

绝对值上限报警和超温偏差报警，是必须要设置的，这两个报警能保证设备出现异常时系统停止升温，避免出现过高温度损坏设备。如果设备带有温度记录仪，温度记录仪也需要设置上限绝对值报警，形成双保险。

2.3 PID参数

在烘炉结束后，需要重新运行设备，设置好PID 参数。智能控温仪表和PLC都具备自整定功能。进行PID参数自整定时，需设定仪表温度为设备的常用温度，然后开启自整定模式，系统会自己算出适合当前设备运行环境的PID参数。大多数的设备都能得到合适的PID参数，如遇到极特殊情况时，则需要根据PID参数的调试方法在自整定后的参数基础上手动进行调整。合适的PID参数能让设备在升温时不会超温，且保温阶段温度曲线平稳不波动。

2.4 风机参数

如果设备中存在变频器控制的大功率风机的话，则需要考虑变频器频率的设置。总体原则是，在最低频率的基础上，炉温越高则需要变频器的频率越高，风扇叶片转速越快，因为温度越高炉内空气越稀薄，此时需要风扇的快速转动以带动炉内的空气快速循环。但是在低温段使用时，变频器频率设置过高的话，风扇叶过高的转速会产生大量的热量，即便此时仪表超温报警，加热器已经停止工作，炉内温度也会高于设定温度。

2.5 炉温均匀性调整

得到仪表自身误差参数和热电偶误差参数后可在仪表温度补偿参数中提前修正。然后再做炉温均匀性实验时进一步修正。如果是PLC控温在则可以在当前温度立即进行补偿。如果是普通控温仪表控温，则需要整体做完每个所需要测量的温度后，综合每个测量温度的误差进行补偿。

例如一台额定温度为500 ℃的二类电阻炉，炉温均匀性要求为±3 ℃。测温温度为300、500 ℃，测温点为9个。在测温时一定要等系统温度升到设定温度且稳定一段时间后再读取数值。控温热电偶为了保证一定的机械强度和较长的使用寿命，一般是铠装且直径比较粗，而测温热电偶一般直径比较细，为3 mm以下，对于环境温度变化响应速度比控温热电偶快。因此控温热电偶的温度曲线会有一定的滞后性，在保温阶段控温热电偶的温度曲线比较平缓时，可能测温热电偶的温度曲线波动比较大，此时应手动调整控温仪表的PID参数使测温热电偶的温度曲线趋于平缓波动范围在所测温度的±3 ℃以内。在300 ℃测温时，温度最高的测量热电偶波动范围为298～300 ℃，温度最高的测量热电偶波动范围为295～297 ℃。其他测温热电偶均满足要求。因为炉温均匀性要求为±3 ℃，所以300 ℃允许的波动范围为297 ～303 ℃。此时需要在温度补偿参数中设置-3 ℃。此时炉内温度上升3 ℃，理想状态下两只热电偶的波动范围将会变为301～303 ℃和298～300 ℃。此时的温度已在要求范围之内。而在500 ℃时，温度最低的测量热电偶波动范围为498～500 ℃，温度最高的测量热电偶波动范围为500～504 ℃。此时需要在温度补偿参数中将之前的-3 ℃设置为-2 ℃，此时炉内温度下降1 ℃，理想状态下两只热电偶的波动范围将会变为497～499 ℃和499～503 ℃，而300 ℃时的两只热电偶的波动范围将会变为300～302 ℃和297～299 ℃，此时300 ℃和500 ℃的温度波动范围均在允许范围之内。为了保证实验的准确性，在整体调整完参数后需要再做一次炉温均匀性测试，此次不需要再调整参数，如果实验结果满足要求，则该设备参数已调整完毕且满足要求。如果是PLC控温则不需要再做一次测试，因为PLC温度补偿是分段的互不影响，更改后面所测温度的温度补偿参数不会影响到前面已经测完的温度。而实际中的情况比例子中要复杂，但原理都是一样的，综合各项参数将测量数据调整到允许范围内即可。如果温度最低和最高的两只测温热电偶误差较大无法通过温度补偿参数进行修正，则需要考虑机械结构的问题，例如密封性和空气循环效果等因素。

3 结 语

设备精度是产品质量的保证，而影响热处理设备系统精度的因素很多，在日常维护中应按规定定时对设备元器件进行检测，并分析检测报告和实验数据，熟知设备的各种性能，选择最优的方式解决各种问题。