三区井式淬火炉温度精度提升与分析
摘 要：三区井式淬火炉由上、中、下三区分别控温和记录，三区的温度容易相互影响，因此其精度很难掌控。本文对淬火炉进行整改，通过提高炉门密封性、更换热电偶和消除仪表偏差等，将加热炉的温度精度提升至标准规定范围内。并分析了精度偏差的原因，论述了精度维护的要求，对热处理设备的保养和精度校准有一定指导意义。
关键词：淬火炉；系统精度；设备维护
前言
热处理工艺和产品质量是靠热处理炉温的准确测量与精密控制来保证的，有效执行工艺又是对产品质量的保证。由于每种热处理炉的几何尺寸、使用情况和控制设备的不同，使得仪表指示温度与现场实测温度存在差异[1]。为了确保热处理炉温在长期使用中的准确性，应对热处理炉定期进行SAT（系统精度测试）和TUS（炉温均匀性测试）。
TUS是通过感温元件对热处理设备的工作区温度是否均匀一致所进行的测量，以确保待处理的零件或原材料是在规定的温度范围内受热，使其微观组织尽可能地处于同一阶段，以防止由于温度不均匀造成材料比容差异而导致零件变形[2]。
采用多种措施获得的符合工艺要求的热处理设备，往往在运行一段时间后，由于炉门变形、炉衬松动或微机零部件老化、灵敏度降低等原因，系统精度会下降，致使炉温均匀性超差，其值可达到规定值的几倍甚至十几倍，这种变化是难以避免的[3]。
1.井式淬火炉的构造
炉内为三区控温，使用温度范围700～950℃；每个加热区分别布置两支K型热电偶，具有热电势效率高、灵敏度高和稳定性好等优点。为了减少测量误差，热电偶的插入炉膛深度一般不能太浅，大约80～100mm，以保证测温的准确性；但也不能太深，以免与装炉工件相干扰[4]。炉膛外面为耐热钢板，内部为耐火纤维保温棉，由电阻丝加热保温。
2.温度精度偏差分析与整改
在近期炉温均匀性和系统精度测试中，发现加热区的均匀性和系统精度均远超出了标准规定的±10℃和±2.2℃（0.4%）。需立即对加热炉进行故障排查，系统精度偏差与炉膛保温效果、仪表误差和热电偶精度等有关。
2.1炉膛保温效果的影响
当发热件损坏、控温系统失控、加热炉自身故障或炉门密封不严时均会影响炉膛保温效果。淬火炉的三相电流表在全功率升温及保温阶段指针的摆动均一致，可以断定发热件是完好的；在更换精密控温表欧陆3208后，可排除控温的影响。淬火炉大修改造后，重新布置了炉膛内的加热电阻丝，将耐火砖更换为轻质耐火保温棉，其导热系数小，具有良好的绝热保温性能[5]。井式炉在使用过程中，炉壳表面温度≤50℃，可知其炉膛的保温效果很好。
上、下区精度偏差较中区大，原因是炉子长期未使用底部潮气重，可以通过适当延长保温时间消除。由于装出料原因，炉门和炉门框之间经常有相对运动，导致炉门处的密封保温棉损坏掉落，降低密封性[6]。因此对炉门密封和传动机构进行整改完善，使用耐火保温棉进行包裹，提高保温效果。
2.2仪表误差的影响
为了确定仪表误差，用标准仪表对控温和记录仪表进行校验。三区仪表在不同温度下的偏差，记录仪表的偏差要大于控温，原因是使用年限较长，精度下降。将控温表更换为欧陆3208、记录仪表消除偏差即可。
2.3热电偶精度的影响
检查中，发现热电偶的接头和补偿导线有大量油污和锈蚀、局部弯曲变形，相同控温区的两支热电偶插入深度不一长期在炉内随炉膛升温、冷却，其内部的晶粒大小和组织也会随之致；同时热电偶变化，这些都会导致热电偶精度下降[7]。
3.温度精度测试与分析
在改造炉膛密封性、调整仪表偏差和更换热电偶之后，采用N型标准偶对炉膛三区进行炉温均匀性和系统精度检测，测试温度点分别为700℃、850℃和950℃。
3.1系统精度测试与分析
选用的标准测试偶误差所示进行系统精度测试，测试偶与控温偶距离保持在76mm以内。待炉内温度稳定后，用巡检仪每隔2min随机读取所有测试热电偶的数据。将其与同时间点的控温和记录仪表读数相比，选择偏差值最大的一组数据做精度分析。
将修正后的控温和记录仪表读数与修正后的测试仪表读数进行对比，可以对加热炉的系统精度进行分析。系统精度分别满足标准规定的±2.8℃、±3.4℃和±3.8℃要求；随着加热温度的升高和保温时间的延长，精度偏差值均有所减小，以下区最为明显；这可能是炉膛长期未使用底部吸潮，随着加热的进行潮气逐渐消除，精度恢复。在三区中，下区精度最佳，上区其次，而中区偏差最大，这与三区热处理炉的结构和加热特性有关。炉内不带有热循环风扇装置，加热时下区的热量会向上扩散；上区密封性较好时，热量达到饱和后会趋于稳定；而中区热量的对流、传导和辐射最为强烈，进而导致精度偏差较大[6]。热处理淬火炉的实际加热区的温度，从时间上讲具有动态特性，容积越大滞后越大，温度上升和下降具有严重的不对称性，低温时尤其如此，因此700℃时精度偏差最大；在高温阶段，纯滞后显著降低，因此950℃时精度偏差最小。
3.2炉温均匀性测试与分析
采用符合标准并校验合格的N型测温热电偶，分别在700℃、850℃、950℃对加热炉进行炉温均匀性测试。一般来说，炉膛的尺寸越小，密封保温性能越好；炉内传热越好、使用温度越高，炉温均匀性就越好。对于井式电阻炉，一般中部温度较上部和下部高，无循环的情况下，使用温度越高，均匀性越好[1]。整改后的加热炉能满足标准中Ⅲ类炉的要求。
4.热处理炉的精度维护
热处理炉的炉膛密封性、传热故障、控温表和热电偶的精度等均会影响热处理炉的精度。因此如何维护显得尤为重要。
4.1炉膛密封性
炉膛尺寸较大会导致局部区域温度偏低，可以通过添加热循环装置，加快炉膛内部热量的流动。热处理炉炉门密封不严时，可以调整炉门密封压板。如果确认是由于炉门框和炉膛内部耐火材料损坏造成的温度不合格，应对炉膛进行大修，增强炉衬的保温性能。
4.2炉内传热故障
热处理炉使用年限过长会导致炉内传热故障，要想彻底解决此类故障，只有通过大修改造，即重新设计炉膛内加热器的分布形式、合理布置功率，更换新的保温材料等。三相电流表在全功率升温和保温阶段指针的摆角应相同，否则炉膛内的加热器有断损或线路故障所致，必须停炉进行整修。
4.3控温表和热电偶的精度，
控温表长期使用会导致精度下降。热电偶保护管过长、空隙过大会增加热量散失，造成工作端温场降低产生误差；保护管长时间高温烧蚀底部会产生粉状氧化物，热接点绞合过长；同时热电偶长期使用，内部晶粒大小和组织也会发生变化，这些都会降低精度，对于不合格的热电偶需及时更换。同时要善于利用热电偶的误差来调整加热炉精度；通过移动热电偶插入炉膛的位置来调整误差，这对调节多区控温设备的炉温均匀性切实可行。
5.结论
通过提高密封性、更换热电偶、消除仪表偏差等一系列措施，将加热炉温度精度提升至标准范围内。得到如下结论：
（1）热处理炉应定期进行巡检，仔细观察各种仪表指示及炉体的异常变化，如炉门密封、炉体表面温度、异响、接线头状况等。
（2）热处理炉应制订严格的操作规范。炉子改造时，应尽量采用耐火保温棉材料，即提高炉子的气密性，又提高了使用性能；对于炉内温度偏差大的炉子，可以添加热循环装置。
（3）热处理炉应选用精度高、性能稳定的仪表和热电偶，并定期检定。
（4）热处理炉应定期进行系统精度和炉温均匀性测试，及时发现问题并解决。
参考文献：
[1]王延龙，武凤杰.热处理电阻炉温度现场检测与控制研究[J].金属热处理，2006. 27（1）：41-46
[2]周德旭.炉温均匀性测量[J].国外金属热处理，2002.23（2）：33-34
[3]李治岷.热处理炉炉温均匀性的黑体调控技术[J].热处理技术与装备，2006.27（1）： 37-40
[4]赵岚.井式炉温度控制系统[J].自动化技术与应用，2007.26（7）：114-115
[5]陈光宇.改进箱式电阻炉结构[J].科技论坛，2011.12（5）：25-27
[6]张西军.电阻加热炉炉温均匀性查的原因及解决办法[J].金属热处理，2011.36（9）： 112-113
[7]王世英.炉温均匀性测试用热电偶的防护[J].航空计测技术，1994.14（1）：23-26