工业热处理炉炉温均匀性测试新技术的应用研究*

张永良， 李大为，张富余，岳永天，汪刚文，雍海玉，雒家玲，袁国忠

(1.兰州兰石检测技术有限公司，甘肃 兰州 730314； 2.甘肃省高端铸锻件工程技术研究中心，甘肃 兰州 730314)

0 引 言

对工件进行热处理时，温度仪表可指示和控制温度，但控温仪表只能显示及控制某一点处的温度，对于除此点之外的炉膛其它空间温度则无法显示并控制，而热处理工艺要求的却是某一工作空间的温度，而且要求在工作空间内的温度分布均匀，并能长时间保持稳定。

当控制设备完好，操作完全按照工艺技术条件时，被处理的产品质量直接取决于热处理炉有效工作区内均匀性的好坏，在进行热处理产品加工过程中，炉温均匀性是热处理炉的重要性能指标，是确保热处理产品质量的重要工艺技术参数。因此，产品质量要求较高的生产企业必须进行炉温均匀性测试。炉温均匀性测试不但可以确定炉子有效使用面积，也可以及时了解热处理炉炉膛内保温层的不均匀或加热丝、烧嘴、阀门等存在的问题，为热处理炉的维护和维修提供科学的技术支持[1]。

目前国内热处理炉炉温均匀性的测试主要依据GB/T 9452-2012《热处理炉有效加热区测定方法》[2]和GB/T 30824-2014《燃气热处理炉温度均匀性测试方法》[3]。针对热处理炉炉温均匀性测试中经常出现的不同检测人员、不同方法测得的结果差异较大、测量效率低下的问题，通过对热处理炉的检测过程和方法的控制以及减少人员对检测的影响方面进行分析，提出一套通用适宜的测温方法，设计一种简单、方便、快捷的测温支架作为辅助工具，达到解决在测量过程中出现的测量准确性差、测量效率低等的目的。

1 热处理炉炉温均匀性测试新技术的研究

1.1 测量主要设备介绍

热处理炉炉温均匀性测量使用一体化、多通道数据采集器，如图1，其等级为0.02级，分辨率为六位半，测量范围为-50～1 300 ℃。采集器对热处理炉和温、湿环境试验设备的控温偏差、温度场、湿度场、均匀度、波动度等进行自动测试与分析。而传统的热处理炉测温设备采用控温仪表和记录仪表，如图2，这种仪表精度低、稳定性差、容易受环境因素干扰。

图1 一体化多通道数据采集器 图2 记录仪表

1.2 热处理炉炉温均匀性测试新方法

(1) 在测量一台热处理炉前，首先要看热处理炉说明书和相关技术资料，确定热处理炉的有效加热区的范围、类型等，同时还要和客户的技术人员确认。根据这些资料，计算出热处理炉有效加热区体积。

(2) 依据国家标准GB/T 9452-2012《热处理炉有效加热区测定方法》或GB/T 30824-2014《燃气热处理炉温度均匀性测试方法》，根据热处理炉规格、类型和体积大小计算出需要布点的数量。

根据GB/T 9452-2012《热处理炉有效加热区测定方法》，对大尺寸热处理炉检测点的数量进行选择，具体如表1所列。

表1 GB/T 9452-2012中检测点数量选择

根据GB/T 30824-2014《燃气热处理炉温度均匀性测试方法》，利用体积法测试点的数量，结果表2所列。

表2 GB/T 30824-2014中检测点数量选择

(3) 对于燃气热处理炉和箱式电阻炉，每台热处理炉都是由几个控温区组成的，每个控温区都有热电偶来控制炉温，使热处理炉整个炉膛内温度达到平衡。根据被测热处理炉规格确定热处理炉控温区数量，以每个控温区为一个单元，在每个控温区内合理地布置热电偶的位置。

(4) 热处理炉[4]类型不同，控温区也会不同，一般Ⅰ～Ⅱ类炉的控温区相对多，而ⅢA～Ⅵ类炉的控温区相对较少，但是等级越高的热处理炉，需要的检测点数量也会较多。因此，在布置热电偶位置时要根据热处理炉等级选择不同的方法，但是布置的原则是一样的。

如图3～5，它们都是有两个控温区的热处理炉，因为类型和大小不同，需要布置热电偶的数量不同，所布置的位置也不相同。而所布置的原则是一样的，都是以控温区为单元来布置的，每个控温区中心都有一只热电偶，再在控温区的8个角取几个点作为布置位置。这样通过测量几个点，就得出每个控温区的温度分布，从而得到热处理炉的均匀性。并且对不太稳定的热处理炉，可以通过每个区温度点测量的温度，明确那个控温区出现了问题，为热处理炉的维修提供方便。

图3 8点布置法

图4 12点布置法

图5 14点布置法

(5) 根据所布置的热电偶位置点，画出布点位置图。依据位置图，在每个位置放置测试支架并连接热电偶。然后依据客户要求选择合适的测温点，并根据国家标准要求选择相对应的升温时间、恒温时间、采集次数等。

(6) 最后根据需要测量的温度点从低到高依次测量。采集数据完成后，选取恒温点的测量数据进行计算和数据分析，根据分析结果判断热处理炉炉温均匀性和热处理炉的性能。

1.3 支架设计

支架作为热处理炉炉温均匀性的辅助设备，对测量效率和测量的准确性会产生影响，因此，设计一款合理的测试支架非常重要[5]。在该项目中设计了一种可伸缩、方便、快捷的测试支架，支架仅需一人即可搬动，可以反复使用。测试时只需要将每个支架移动到相应的布点位置，将热传感器固定在支架相应位置，就完成了准备工作。如图6、7所示。

图6 支架结构示意图

图7 夹持卡的结构示意图

该支架体积小巧，方便搬运，可重复应用，不受热处理炉体积大小的限制，无需在大型库房中进行存放。其支撑杆和伸长杆上设置温度传感器安装座，便于温度传感器或热电阻的安装、布置，支撑杆的内腔中插接伸长杆，高度可灵活调节，适用于不同型号热处理炉，应用广泛。温度传感器安装座的外端设置挡火板，可防止炉火直接喷射到温度传感器上，提高了检测数据的准确性。

2 新技术在工作中的应用

为验证方法的准确性，对一台台车式燃气热处理炉进行炉温均匀性测量，该炉型号为RT3-2700,控温温区为两个。根据相关参数计算得出该热处理炉需要测温点14个，所布点如图8所示。

图8 热传感器布点位置图

布点的分布是以炉膛内每个控温区为单元来分布的，通过这种方法测量热处理炉炉膛内的温度变化，既能快速计算出炉温均匀性是否符合要求，也能根据各温区的温度变化，快速分析出炉膛口、炉膛内各位置的温度变化特征。

表2是对该热处理炉在恒温800 ℃时的测量数据。

表2 800 ℃的测量数据

续表2 800 ℃的测量数据

从测量结果可以看出，炉温温区分布特性为：离炉门或炉底越近，温度较低，主要原因是炉门和炉底散热及密封性差。远离炉门或炉顶的温度相对较高，这是因为密封性好，并且炉内热气往上走，所以温度高。09、14点温度较高，主要是烧嘴喷出的火焰从下往上走，而这两点靠近烧嘴。整体分析看，该热处理炉的均匀性和性能相对较好。

3 结 语

从上述可以看出，利用这种新方法既能快速计算出炉温均匀性是否符合要求，也能根据各温区的温度变化，快速分析出炉膛口、炉膛内各位置的温度变化特征。从数据分析的结果，就能知道炉膛内各位置及控温区的性能，进而分析出炉膛内哪些部位出现问题，为热处理炉的维护和维修工作提供更加科学准确的技术支持。这种方法弥补了GB/T 9452-2012《热处理炉有效加热区测定方法》、GB/T 30824-2014《燃气热处理炉温度均匀性测试方法》中对于大型热处理炉温均匀性测试布点方法没有具体说明的缺陷。

热处理炉均匀性已成为热处理炉性能指标的重要考查标准，其对产品热处理的结果影响很大，企业要想提高产品质量，必须按要求定期对热处理炉炉温均匀性进行测试。而该项目的目的是在国家标准的基础上，为客户提供快速、科学、准确的热处理炉炉温均匀性测量服务。