真空熱處理爐溫場測試關(guān)鍵過程控制及可靠性探討

羅小萍

(湖北省計量測試技術(shù)研究院，武漢 430223)

0 引言

真空熱處理爐(以下簡稱真空爐)廣泛應(yīng)用于各種高溫合金不銹鋼、工具鋼、高速鋼以及磁性材料的熱處理及光亮淬火，為保障熱處理材料的物理性能，爐內(nèi)有效加熱區(qū)必須具有較好的均勻性，使被處理工件處于工藝要求的溫度范圍內(nèi)。目前,我國對真空熱處理爐溫場均勻性測量的技術(shù)依據(jù)是GB/T 9452—2003《熱處理爐有效加熱區(qū)測定方法》，此標(biāo)準(zhǔn)適用于普通熱處理爐、真空爐、氣氛爐。對于真空爐的測量，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定測量用傳感器采用鎧裝熱電偶，由于真空爐的密閉性，熱電偶參考端如何從爐中引出是測量的關(guān)鍵過程，它對測量結(jié)果有直接的影響，本文將通過理論分析和工業(yè)現(xiàn)場真空爐溫場的測試數(shù)據(jù)對以上問題進行探討。

1 測量過程概述

按照GB 9452—2003要求，真空爐溫場均勻性測量采用具有修正值的鎧裝K分度號熱電偶作為測量標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)真空爐工作空間即有效加熱區(qū)的大小選擇若干支熱電偶固定在測量支架上均勻分布于被測區(qū)域，將熱電偶參考端引出至測量裝置，開機、抽真空、升溫，待爐溫升至設(shè)定溫度并達到標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的保溫狀態(tài)后分別讀取每支熱電偶的熱電勢值，對照K分度號熱電偶分度表可得到溫度值(或直接讀取溫度值)，取偏離設(shè)定溫度最大的差值，即為被測真空爐在該溫度下的溫場均勻性。

2 傳感器的引出方式及測量回路

2.1 傳感器直接從爐門口引出

當(dāng)真空爐爐門密封性能好，傳感器參考端直接從爐門口引出可保證真空爐的真空度時，可采用此種引出方式，測量過程與普通熱處理爐相同。

2.2 傳感器通過法蘭盤引出

當(dāng)傳感器參考端直接從爐門口引出不能保證真空爐的真空度時，我們可通過法蘭盤引出，工業(yè)現(xiàn)場真空爐使用的法蘭盤通常有兩種：

1)一種法蘭盤上鉆有若干小孔，熱電偶參考端可分別從小孔中穿出，小孔內(nèi)裝有密封圈可將爐體密封，引出的參考端插入冰點器中再通過普通導(dǎo)線連接至測量裝置，如圖1所示，數(shù)字序號代表各熱電偶放置的位置。

圖1 有效加熱區(qū)測量示意圖

2)另一種法蘭盤上無孔，而是有若干個內(nèi)外相通的接線柱，爐內(nèi)熱電偶參考端只能連接在接線柱內(nèi)側(cè)，接線柱外側(cè)采用補償導(dǎo)線或同分度號熱電偶連接后插入冰點器中，再通過普通連接導(dǎo)線與測量裝置相接，如圖2所示。

3 可靠性分析及測量原理

1)若現(xiàn)場真空爐使用的是第一種法蘭盤時，按圖1接線，當(dāng)爐溫升至設(shè)定溫度并達到保溫狀態(tài)后，由測量裝置巡回讀取每支熱電偶電勢值E(t,0)，查分度表后加上熱電偶各自的修正值得到真空爐內(nèi)的實測溫度值，即：

E=E(t,0)+ΔE(t)

(1)

式中：E為修正后的熱電偶的電勢值；t為實測溫度；E(t,0)為測量裝置讀取的熱電偶測量端溫度為t，參考端溫度為0℃時的電勢值；ΔE(t)為熱電偶在t溫度下的修正值。

圖2 有效加熱區(qū)測量示意圖

由式(1)中的E查分度表即得到真空爐內(nèi)的實測溫度。

Δ=±t-T

(2)

式中：Δ為溫度T時的均勻性；T為儀表設(shè)定溫度。

2)當(dāng)現(xiàn)場真空爐使用的只有第二種法蘭盤時，按圖2接線，即通過法蘭盤上內(nèi)外相通的接線柱將熱電偶參考端與接在外側(cè)的補償導(dǎo)線(或熱電偶)接通，此時由測量裝置讀取的熱電偶電勢值是否還是E(t，0)呢？

我們看熱電偶測量回路，假設(shè)法蘭盤內(nèi)側(cè)溫度為t1，外側(cè)溫度為t2，根據(jù)熱電偶中間溫度定律：

E(t，0)=E(t，t1)+E(t1，t2)+E(t2，0)

(3)

式中：E(t，t1)為熱電偶測量端溫度為t，參考端溫度為t1時的電勢值；E(t1，t2)為熱電偶測量端溫度為t1，參考端溫度為t2時的電勢值；E(t2，0)為熱電偶測量端溫度為t2，參考端溫度為0℃時的電勢值。

由于熱電偶兩電極在溫度t1與t2之間連接體是材料相同的銅接線柱，故式(3)中E(t1，t2)=0，由測量裝置讀取的熱電偶電勢值并非E(t，0)，而是E(t，0)-E(t1，t2)，也就是說由于銅接線柱充當(dāng)了熱電偶測量回路的一部分，使測量回路中的電勢值減少了E(t1，t2)，從而產(chǎn)生了測量誤差：

Δt=E(t1，t2)/Sk≈t1-t2

(4)

式中：Δt為t1與t2的溫差；Sk為K分度號熱電偶在t1～t2之間的平均熱電勢率。

根據(jù)熱電偶測溫原理，(t1-t2)越大，則E(t1，t2)越大，誤差也就會越大。鑒于此，我們在真空爐溫場均勻性測試時做了如下誤差試驗。

4 溫場均勻性測試和誤差試驗

我們使用第二種法蘭盤對VOQ2-80型雙室真空淬火爐在1100℃進行溫場均勻性測試 (空載)為例，其工作區(qū)幾何尺寸為：(600×500×300)mm3，假定它為有效加熱區(qū)，按GB/T 9452—2003要求，選用0.01級數(shù)字電壓表作測量設(shè)備，將5支鎧裝K型熱電偶固定在測溫支架如圖3所示位置上并裝入爐內(nèi)，熱電偶參考端連接在法蘭盤內(nèi)側(cè)，同時在法蘭盤的內(nèi)側(cè)(6號)和外側(cè)(7號)分別放置感應(yīng)靈敏的T型熱電偶，且與法蘭盤表面緊密帖附，外側(cè)用同型號熱電偶連接至冰點恒溫器，引出后接入測量裝置。密封好真空爐，按熱處理工藝抽真空、升溫、保溫，當(dāng)爐溫達到1100℃后保溫30min即開始測量，來回讀取真空爐儀表顯示值和每支熱電偶的電勢值兩次作為一次測量，共測量6次，每次讀數(shù)間隔時間5min，測量數(shù)據(jù)如表1所示。

圖3 有效加熱區(qū)測量示意圖

表1 熱處理爐溫場均勻性測試

由以上測量結(jié)果，3號位置相對工藝溫度(即設(shè)定溫度)偏差最大為+4.4℃，即均勻性Δ=±t-T=±4.4℃。按GB/T 9452—2003技術(shù)要求，該熱處理爐在以上有效加熱區(qū)保溫精度達到Ⅱ級。

另由6、7號位置熱電偶測量數(shù)據(jù)來看，法蘭盤內(nèi)外側(cè)溫差僅為0.3℃，也就是上述式(4)漏掉的測量誤差Δt，相對于該均勻性測量精度來說，此項誤差可忽略不計，說明該真空爐具有良好的冷卻水循環(huán)系統(tǒng)且法蘭盤有較好的導(dǎo)熱性。由此可見當(dāng)現(xiàn)場真空爐使用的只有第二種法蘭盤時，采用此方式測量也是有效可行的。

5 結(jié)語

綜上所述，對真空爐做溫場均勻性測試時，測量用傳感器從密閉的爐體中引出是一關(guān)鍵過程，它直接影響到測量回路和測量結(jié)果，測試時應(yīng)優(yōu)先考慮直接引出方式，當(dāng)現(xiàn)場真空爐只有接線柱式法蘭盤時，如果被測真空爐有較好的冷卻水循環(huán)系統(tǒng)且法蘭盤有較好的導(dǎo)熱性時，連接方式造成的誤差影響可忽略不計，若法蘭盤內(nèi)外側(cè)溫差較大影響到測量準(zhǔn)確性要求時，我們應(yīng)考慮其帶來的測量誤差，或者可能要考慮換用帶小孔式法蘭盤方可進行測量以保證測量的準(zhǔn)確性。

[1] GB/T 9452—2003熱處理爐有效加熱區(qū)測定方法[S].北京：中國計量出版社，2003

[2] 廖理.熱學(xué)計量[M].北京：原子能出版社，2002

[3] JJG 351—1996 工作用廉金屬熱電偶檢定規(guī)程.北京：中國計量出版社，1996

[4] JJF 1001—2011 通用計量術(shù)語及定義.北京：中國計量出版社，2010