热处理炉炉温均匀性和系统精度检测技术

万莹

山东省冶金科学研究院有限公司 山东济南 310018

1 序言

热处理是金属加工过程中不可或缺的一环，通过控制加热时间、加热温度等参数，可以改变材料的组织结构，从而达到不同的力学性能需求。而热处理炉作为热处理的核心设备之一，其温度控制精度和均匀性对热处理产品的质量影响重大。本文将对热处理炉炉温均匀性测试（TUS）及系统精度测试（SAT）技术进行综述，探讨其在热处理行业中的重要性和应用现状，并就某公司在开展该项目测试过程中具体的实施方案进行介绍，供相关人员参考。

2 热处理炉炉温均匀性和系统精度的重要性

炉温均匀性是指热处理炉中各位置的温度分布是否均匀。如果炉温分布不均匀，将导致所处理的材料产生变形、裂纹等问题，影响产品质量和生产效率。因此，炉温均匀性对于热处理工艺的稳定性和可控性具有至关重要的作用[1]。

系统精度是指热处理炉温度控制系统的精准性和稳定性。温度控制系统由传感器、控制器及加热元件等组成。如果温度控制系统精度不高，会导致温度偏差和波动增加，从而对热处理工艺的可控性和产品质量造成影响[2]。

为了确保热处理过程中的温度均匀性，通常采用的热处理方法包括淬火、回火、退火和正火等。这些方法可以通过控制加热速率、保温时间和冷却速率等参数来控制温度均匀性。此外，热处理炉型也对温度均匀性有很大影响。常见的热处理炉型包括台车炉、辊底炉和井式炉等，不同的炉型有不同的加热方式和温度控制方式，可以根据不同的材料和工艺要求选择合适的炉型[3]。为了提高热处理炉的炉温均匀性和系统精度，需要采用科学的设计和优质的材料，以确保热传导均匀，并减少热滞后性。因此，需要对热处理系统进行定期维护和检测，以保证其稳定性和可控性。

3 热处理炉炉温均匀性测试技术应用现状

热处理炉炉温均匀性测试技术主要有热电偶测温技术和红外测温技术。

3.1 热电偶测温技术

热电偶是一种常用的温度测量元件，可以直接测量热处理炉内的温度。热电偶测温技术具有测量精度高、响应速度快等优点，但需要在炉内安装多个热电偶才能获得整个炉膛的温度分布情况，且热电偶因容易受到炉内气氛的影响而导致测量误差。

3.2 红外测温技术

红外测温技术是利用红外线辐射能够反映物体表面温度的特性，通过红外测温仪对热处理炉内物体的表面进行测量。红外测温技术虽然具有非接触式测量、响应速度快等优点，但会受到炉内气氛、表面反射率等因素的影响，测量精度相对较低。

总体来讲，不同的热处理炉炉温均匀性测试技术各有优缺点，需要根据具体的应用场景选择合适的技术。现在工业上最常依据的标准是基于热电偶测温技术的GB/T 9452—2023《热处理炉有效加热区测定方法》及SAE AMS 2750G：2022《高温测定法》等[4，5]。

4 热处理炉系统精度测试技术的应用现状

热处理炉的系统精度测试技术，是指对炉内温度控制系统实际运行效果进行检测、评估和改进的方法，目前主要有分离元件检定法和整体校准法。

4.1 分离元件检定法

通过对热处理炉控制系统的单个元器件的性能进行检定校准，来评估控制系统的可靠性和精度。这种方法适合于检测单个元器件的性能，如温度二次仪表、温度传感器等。但由于不考虑整个系统的影响因素，其评估结果较为片面。

4.2 整体校准法

通过在热处理炉中放置多个温度感应器，在不同位置采集炉内温度信号，并利用统计学方法分析温度数据之间的差异，来评估热处理炉的温度控制精度。该方法能够全面反映整个系统的性能表现，并且自动化程度高、误差小，但需要使用较为复杂的软硬件技术来实现。

目前，虽然整体校准法被广泛应用，但在难以发现具体问题点时，也可以综合运用分离元件检定法，以求得最优的热处理炉系统精度测试数据。

5 热处理炉检测方案实例

一台RJ11-φ17.5×φ13×1.8环形热处理炉，有效尺寸：φ17.5m×φ13m×1.8m；热处理等级：Ⅲ级；热处理炉控温区：40个温区；工作区间：300～1010℃。

根据客户所需检校热处理炉的工艺技术要求进行检测实施方案设计。

5.1 检测依据

依据GB/T 9452—2023及SAE AMS 2750G：2022对该热处理炉的炉温均匀性和系统精度进行测试。

5.2 检测设备

（1）采集设备 日本日置LR8410-30无线数据记录仪及LR8510无线温度单元，满足±0.6℃或温度读数的±0.1%取大者的要求。

（2）使用的传感器 定制WRNK5铠装N型热电偶作为温度传感器，该热电偶材质为3039不锈钢，直径为5mm，测量范围在0～1300℃，1300℃条件下可用6个月，热电偶经校准最大允许误差符合JJF 1262—2010《铠装热电偶校准规范》和ASTM E220：2019《用比较法对热电偶进行校准的标准试验方法》规范中不超过±1.1℃或温度读数的±0.4%取大者的要求。

5.3 具体实施方案

（1）炉温均匀性检测

1）TUS检测点：根据提供的设备信息，该环形热处理炉为周期炉/间歇炉，依据检测依据的要求采用容积法，进行空载检测（一般情况下，采用空载试验，特殊要求时可以装载试验）。

传感器布点依据规范中要求，对于合格的工作区容积＞113m3，根据下式计算确定传感器的数量，即

式中n——传感器的数量（支）；

V有——有效加热区体积（m3）。

该加热炉等级为III级，TUS最大允许误差为±8℃。有效加热区体积为193.93m3，根据式（1）计算得出，需要热电偶数量为29支，检测布点如图1所示。

图1 环形热处理炉布点示意

2）热电偶的固定方式：采用搭测温架方式，将检测用热电偶固定在测温架上。

3）测温仪表的调试与编程：现场安装完成后即进行调试，检测测温仪表的工作情况是否正常，检测正常后开始记录。

4） T U S温度点设计：遵循相邻T U S温度之间的增量不超过335℃的要求，建议温度检测点为310℃、640℃、920℃、1050℃。

5）温升过程控制：检测过程中，均不得升到高于检测温度后再降到检测温度。

当所有被检炉负载温度传感器和炉温均匀性检测温度传感器不低于每个检测温度55℃（例如：设定温度300℃，至少245℃）时开始数据采集。

检测时，热电偶连接LR8510无线温度单元，LR8410-30无线数据记录仪远程采集数据，数据采集间隔≤2min，采集时间≥30min，检测过程如图2所示。

图2 检测过程示意

当测量点的温度偏差超过炉温均匀性范围时，允许适当延长检测温度下的保温时间，1个测温点的检测总时间一般不超过2h，对于工艺保温时间特短或特长情况，检测总时间可适当缩短或延长。

6）检测过程工艺曲线：根据实际生产工艺编制，合同规定的检测温度需设置保温段。

7）TUS温度补偿：根据实际情况进行温度补偿。

8）传感器故障情况：根据实际情况采取相应措施。

检测热处理炉有效加热区的温度传感器故障及处理规定如下。

1）不允许位于有效加热区角端位置的温度传感器出现故障。

2）不允许两个邻近的温度传感器出现故障。

3）正常温度读取能恢复的短路或接触不良等临时性情况不认为是温度传感器故障。

4）温度传感器故障数量在检测温度＜1093℃时应不超过3支，温度≥1093℃时应不超过4支。

（2）系统精度检测 选择比较法对每个控温区进行系统精度检测，在合格的工作温度范围内的任何温度下，负载温度传感器显示的温度指示（温控表）和记录（记录仪）、连同补偿或修正值与检测仪器上（标准器）修正后的温度显示值进行比较。

1）SAT温度点设计：在合格的工作温度范围内的任何温度下。检测温度应选择设备常用的一个或多个温度，也可随设备常加工的零件在热处理过程中的加热保温阶段进行测量。

2）热电偶的固定方式：采用热处理炉负载热电偶旁边预留管插入固定方式，检测用温度传感器测温头应尽可能地接近负载温度传感器测温头，两个传感器的尖端（测温头）的距离不应超过76mm。

3）检测时长：由于SAT检测受炉内本身温度场变化影响不大，因此其检测时长以能够清晰地获得比对结果为宜。通常检测时长超过10min即可。

4）实施过程：①采用高精度信号源对标准仪表进行校准，并确定修正值。②采用热电偶校准系统对SAT检测用N型热电偶进行校准，并确定修正值。③根据标准仪表的修正结果和热电偶修正结果对系统进行温度修正。④采用经校准合格SAT检测系统对被检热处理炉温度点进行校准并确定修正值。

该加热炉等级为III级，SAT最大允许误差为±2.2℃或读数的0.4%取大者，控温区为40个温区，根据规程要求，需要热电偶数量为12支。

（3）检测数据及温度曲线 对该热处理炉在恒温1050℃时的TUS测量数据见表1，在恒温1050℃时的SAT部分测量数据见表2，1050℃时保温30min的温度曲线如图3所示。

表2 1050℃的SAT部分测量数据 （℃）

图3 1050℃时保温30min的温度曲线

（4）结果分析 该环形热处理炉依据G B/T9452—2023及SAE AMS 2750G：2022要求检测，符合热处理炉炉温均匀性最大允许误差±8℃、系统精度最大允许误差±2.2℃或读数的0.4%取大者的要求。

（5）检测结果处理 据数据采集仪测量得到的数据及温度曲线，按照规程要求对检测结果进行分析，并出具检测报告。

6 常见问题及解决措施

（1）有效加热区计算 有效加热区一般可基于热处理生产厂或有关标准规定的工作区间进行计算，也可根据热处理炉类型，按照表3进行较大尺寸热处理炉有效加热区计算，更加科学精确。

表3 有效加热区处理方法

（2）温度传感器修正值使用注意事项

1）禁止使用高于校准温度和低于校准温度用修正值。

2）允许使用线性方法在两个已知校准点之间插入修正值。

例如：热电偶400℃时修正值为－1.2℃，500℃时修正值为＋0.6℃，当使用460℃时可以采取下列两种方法进行修正。

线性法：－1.2＋（460－400）/(500－400)×[0.6－（－1.2）]℃＝－0.12℃。

就近法：选择500℃时的修正因数＋0.6℃。

7 结束语

本文介绍了热处理炉炉温均匀性和系统精度测试技术的重要性，并给出了具体实施方案设计、常见问题及措施，只有科学检测和控制才能提高产品质量和生产效率。未来需要进一步探索技术发展方向，满足生产需求，同时加强对热处理炉的维护和管理，为工业生产温控技术发展做出贡献。