葛華山, 張永武, 丁富拓
1.西安電爐研究所有限公司 陜西西安 710061
2.國家電爐質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心 陜西西安 710061
3.蘇州振吳電爐有限公司 江蘇蘇州 215128
感應(yīng)透熱最早應(yīng)用于炮彈坯料鍛前的加熱和退火,然后在汽車、拖拉機(jī)、工程機(jī)械、軸承及工具等許多行業(yè)中得到迅速推廣。現(xiàn)感應(yīng)透熱主要用于鋼、鋁和銅等金屬坯料在鍛造、軋制、擠壓等熱加工前的加熱,以及鋼、鑄鐵等金屬材料和某些機(jī)械零件的熱處理。隨著環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)和電力供應(yīng)的充足,感應(yīng)透熱已在更多領(lǐng)域替代燃料加熱。
由于感應(yīng)透熱裝置的加熱方式、品種和規(guī)格繁多且某些特殊性能的試驗(yàn)又非常復(fù)雜,長期以來國內(nèi)外一直沒有該裝置的試驗(yàn)方法和產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)。在裝置眾多的性能參數(shù)中,坯料溫度均勻度對(duì)裝置用戶來講,是最重要、也是最復(fù)雜和最難測(cè)定的。
在前期預(yù)研的基礎(chǔ)上,2015年我國立項(xiàng)制訂了感應(yīng)透熱裝置的試驗(yàn)方法和產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)兩項(xiàng)國家標(biāo)準(zhǔn)。2016年,在國標(biāo)草案的基礎(chǔ)上,我國向IEC提出了“電熱和電磁處理裝置——感應(yīng)透熱裝置試驗(yàn)方法”新工作項(xiàng)目提案,后經(jīng)IEC/TC27各國投票獲得全票通過而立項(xiàng),并組成了以葛華山為首,包括中國、德國、瑞典和挪威專家的PT 63078項(xiàng)目工作組,感應(yīng)透熱裝置試驗(yàn)方法的國標(biāo)和相應(yīng)IEC標(biāo)準(zhǔn)的制訂同步進(jìn)行。感應(yīng)透熱坯料溫度均勻度測(cè)定的研究和有關(guān)試驗(yàn)也與此同步深入。由我國主導(dǎo)制訂的IEC 63078:2019[1]已正式發(fā)布,隨后上述兩 國標(biāo)草案在技術(shù)上作相應(yīng)修改后,已于2021年5月21日正式發(fā)布[2,3],并于2021年12月1日實(shí)施。
坯料的溫度和溫度均勻度是熱成形工藝對(duì)坯料最重要的兩項(xiàng)要求。
坯料溫度應(yīng)滿足熱成形工藝的要求。溫度過高會(huì)使坯料晶粒變粗,其最高溫度應(yīng)與熔化溫度保持一定距離;溫度過低不利于熱成形且降低模具壽命。不同金屬材質(zhì)和不同熱成形工藝的一些典型溫度見表1[4]。額定坯料溫度為感應(yīng)透熱設(shè)備設(shè)計(jì)時(shí)規(guī)定,并在銘牌上標(biāo)出對(duì)某材質(zhì)坯料進(jìn)行透熱所要求的溫度,可再考慮坯料的形狀、尺寸和不同的溫度均勻度要求(見表2)等確定。
表1 熱成形工藝的一些典型溫度 (℃)
坯料溫度均勻度為坯料經(jīng)加熱和保溫后出料時(shí)的溫度均勻程度,它與感應(yīng)透熱裝置的工作頻率、加熱功率、傳熱時(shí)間和感應(yīng)線圈的設(shè)計(jì)等有關(guān)。由于感應(yīng)加熱的趨膚效應(yīng),熱量大部分在坯料表層產(chǎn)生后向內(nèi)傳遞,趨膚效應(yīng)隨頻率增加而加極,因此根據(jù)坯料材質(zhì)和橫截面尺寸合理選用工作頻率尤為重要,可參見參考文獻(xiàn)[3]。
坯料溫度均勻度Δθb為坯料經(jīng)加熱和保溫后出料時(shí)的溫度均勻程度,以在坯料各測(cè)溫點(diǎn)上測(cè)得的溫度與坯料額定溫度的溫差(可正可負(fù))范圍來表示??紤]到感應(yīng)加熱時(shí)通常坯料的表層溫度比內(nèi)部的高,兩端比中間低,對(duì)圓形或長方形等的等截面長坯料也可用橫向(徑向)溫差Δθbt(r)和縱向溫差Δθbl來表示,分別為經(jīng)加熱和保溫后出料時(shí)坯料橫截面上邊緣部位與中心部位間的溫差(可正可負(fù))范圍和坯料縱向方向上最高溫度與最低溫度之差。
坯料溫度均勻度分等指標(biāo)見表2。表2中給出了以兩種不同方式表示的坯料溫度均勻度的分等指標(biāo),供不同材質(zhì)、形狀和尺寸的坯料和不同的工藝要求選用。
表2 坯料溫度均勻度分等指標(biāo)
坯料內(nèi)的溫度場(chǎng)取決于由電磁感應(yīng)而在坯料內(nèi)形成的渦流所產(chǎn)生的焦耳熱的分布、由熱傳導(dǎo)形成的坯料內(nèi)部溫度平衡和坯料表面熱損失等。
坯料溫度均勻度的測(cè)定除應(yīng)按GB/T 10066.32—2021第4章“對(duì)試驗(yàn)和試驗(yàn)條件的基本要求”的有關(guān)規(guī)定外,還應(yīng)符合以下補(bǔ)充要求。
1)坯料溫度均勻度的測(cè)定應(yīng)在感應(yīng)透熱設(shè)備已正常運(yùn)行足夠長時(shí)間并確保已處于熱態(tài)后,在已完成的由制造廠和用戶商定的加熱和保溫工藝的坯料上進(jìn)行。
2)溫度的測(cè)量應(yīng)按GB/T 10066.1—2019《電熱和電磁處理裝置的試驗(yàn)方法 第1部分:通用部分》的6.5及下面的補(bǔ)充規(guī)定。試驗(yàn)用測(cè)溫儀表和溫度傳感器應(yīng)是合適的并在被測(cè)溫度范圍內(nèi)進(jìn)行校正并給出其修正值。坯料各測(cè)溫點(diǎn)的溫度測(cè)量應(yīng)采用同一臺(tái)或同類和同規(guī)格的測(cè)溫儀表和溫度傳感器,并盡量同時(shí)或在最短時(shí)間內(nèi)完成。
3)試驗(yàn)應(yīng)采用符合裝置設(shè)計(jì)規(guī)定材質(zhì)、形狀和尺寸的實(shí)際坯料,表面應(yīng)清潔、干燥、無氧化皮和明顯的毛刺,以精確測(cè)量表面溫度。
4)需指出的是,用于坯料加熱和保溫的溫控點(diǎn)位置對(duì)坯料溫度均勻度的測(cè)定有很大影響,通常宜位于加熱過程中坯料的最高溫度處。
為適應(yīng)不同需求和實(shí)際生產(chǎn)現(xiàn)狀,經(jīng)研究建立了以下三種測(cè)量方法 。
用紅外攝像儀、光學(xué)高溫計(jì)、示溫漆或接觸式熱電偶等對(duì)即將出料或剛出料的坯料測(cè)量各表面上或其上各規(guī)定測(cè)溫點(diǎn)處的溫度,從而測(cè)定坯料溫度均勻度的方法。該法簡單、方便,適用于各種加熱方式的感應(yīng)透熱設(shè)備、一般試驗(yàn)和實(shí)際生產(chǎn),能大體反映坯料溫度的均勻程度。
感應(yīng)透熱結(jié)束出爐的坯料溫度均勻度的測(cè)量尤其取決于可接近性、坯料表面狀況、不同的溫度和環(huán)境因素。
測(cè)量時(shí)應(yīng)考慮和消除所測(cè)溫度受到下列因素的影響。
1)坯料表面輕微的變化(如表面粗糙度變化和表面上有無氧化皮和雜物等)都能引起發(fā)射率的強(qiáng)烈變化,從而導(dǎo)致信號(hào)誤差;宜在測(cè)溫前清除測(cè)溫處可能存在的氧化皮和雜物。
2)出爐坯料端面和棱邊的較快降溫。
3)采用紅外攝像儀和光學(xué)高溫計(jì)時(shí),輻射通道上的介質(zhì)吸收和外來光干擾等。
4)采用接觸式測(cè)溫時(shí),測(cè)溫頭與坯料表面的接觸緊密度和接觸時(shí)間的長短,接觸式熱電偶的使用及其固定可參見GB/T 10066.1—2019的 6.5.2。
5)不具有蘭伯特定律散射特性的表面能導(dǎo)致整個(gè)表面溫度測(cè)量錯(cuò)誤。
6)坯料傳送方向的溫度均勻度與傳送速度有關(guān)。
應(yīng)對(duì)以上這些因素的作用進(jìn)行評(píng)估并寫入數(shù)據(jù)闡述報(bào)告中。
在采用示溫漆測(cè)溫時(shí),應(yīng)將其預(yù)涂于試驗(yàn)坯料表面各規(guī)定測(cè)溫點(diǎn)處,其斑點(diǎn)大小應(yīng)足以顯示各點(diǎn)的溫度或根據(jù)需要涂于整個(gè)坯料表面,以顯示其溫度分布。
在采用紅外測(cè)溫儀和光學(xué)高溫計(jì)時(shí),其測(cè)溫探頭應(yīng)盡量處于被測(cè)表面的法線方向上。
在條件適用時(shí),推薦采用紅外攝像儀對(duì)坯料表面進(jìn)行2D溫度測(cè)量,如用于測(cè)定坯料端面的橫向/徑向溫差;或者采用紅外線測(cè)溫儀定點(diǎn)測(cè)量通過運(yùn)動(dòng)坯料側(cè)表面中心的縱軸線上的溫度,以測(cè)定坯料側(cè)表面的縱向溫差,測(cè)量時(shí)紅外線測(cè)溫儀的響應(yīng)時(shí)間應(yīng)按坯料移動(dòng)速度設(shè)定,該法可以避免使用紅外攝像系統(tǒng)時(shí)遇到的一些誤差。
按測(cè)溫點(diǎn)的要求將熱電偶埋入并定位于預(yù)先打好的位于試驗(yàn)坯料表層或內(nèi)部的各小孔內(nèi)以測(cè)定坯料溫度均勻度的方法。該法可測(cè)量坯料的3D溫度分布,能可靠和連續(xù)監(jiān)測(cè)透熱過程中各點(diǎn)溫度的變化和精確測(cè)定坯料的溫度均勻度。但該測(cè)量法較復(fù)雜,打孔對(duì)坯料有損傷,以及熱電偶引線較多、較長等,僅適用于加熱時(shí)坯料固定不動(dòng)的情況,并主要用于感應(yīng)器的設(shè)計(jì)驗(yàn)證以求得最佳的坯料溫度均勻度。用該法測(cè)得的數(shù)據(jù)可用于驗(yàn)證其他兩個(gè)測(cè)溫法。該法不適用于較高頻率。
建立在電磁場(chǎng)Maxwell方程和熱力場(chǎng)Fourier方程基礎(chǔ)上,并采用有限元法數(shù)值技術(shù)來處理由于坯料溫度變化所引起的非線性特性,以及電磁場(chǎng)和熱力場(chǎng)相互耦合過程的數(shù)值模擬,可求解和分析坯料的三維溫度分布,從而求得坯料的溫度均勻度。該法已成功用于感應(yīng)透熱設(shè)備的優(yōu)化設(shè)計(jì),以求得滿足熱成形工藝要求的坯料溫度分布,并可大大降低實(shí)驗(yàn)費(fèi)用和減少誤差。
該法應(yīng)符合參考文獻(xiàn)[2]第7章“數(shù)值模擬”的一般要求,它的可行性和計(jì)算準(zhǔn)確度應(yīng)經(jīng)熱電偶埋入測(cè)量法驗(yàn)證,并達(dá)到相應(yīng)的或更好的準(zhǔn)確度。
測(cè)溫點(diǎn)應(yīng)考慮坯料的形狀和大小、感應(yīng)加熱的特點(diǎn)和實(shí)際測(cè)溫的便利和可操作性等因素合理布置。除非用戶另有要求,測(cè)溫點(diǎn)宜布置在坯料的端面和側(cè)面上,不宜布置在坯料的頂部、底部和較深的內(nèi)部。
在坯料表面上,測(cè)溫點(diǎn)離表面邊緣的距離Δ為5~10mm,視坯料尺寸大小而定。當(dāng)采用熱電偶埋入測(cè)量法時(shí),表面上的打孔深度也為Δ。
表3給出了長方形和圓形橫截面坯料表面的最少測(cè)溫點(diǎn)布置。表3中,表圖d中的7點(diǎn)、10點(diǎn)和9點(diǎn)、12點(diǎn)4個(gè)測(cè)溫點(diǎn)與表圖c中的3點(diǎn)、1點(diǎn)和6點(diǎn)、4點(diǎn)4個(gè)測(cè)溫點(diǎn)可相互替代從而可少布點(diǎn)(特別在采用熱電偶埋入測(cè)量法時(shí));表圖f和表圖e中也有類似情況。對(duì)熱電偶埋入測(cè)量法,還應(yīng)在坯料內(nèi)部中心點(diǎn)上增加一個(gè)測(cè)溫點(diǎn)。
表3 坯料測(cè)溫點(diǎn)布置
對(duì)較長坯料可適當(dāng)?shù)染嚯x增加兩側(cè)面縱軸線上以及通過坯料中心的縱軸線上(后者適用于熱電偶埋入測(cè)量法)的測(cè)溫點(diǎn)數(shù),具體由制造廠和用戶商定。對(duì)其他橫截面形狀或非等截面坯料,可參考上述要求由制造廠和用戶商定測(cè)溫點(diǎn)的布置。
應(yīng)對(duì)采用不同的加熱方式裝置、測(cè)量方法和測(cè)溫裝置的操作細(xì)節(jié)以及所測(cè)數(shù)據(jù)的處理和計(jì)算方法作具體規(guī)定。例如,對(duì)間歇加熱式感應(yīng)透熱裝置采用表面測(cè)量法用紅外攝像儀和光學(xué)高溫計(jì)測(cè)溫時(shí),對(duì)被連續(xù)測(cè)溫的試驗(yàn)坯料件數(shù)、每件坯料循環(huán)測(cè)量的次序和時(shí)間,以及前后兩件坯料各測(cè)溫表面的測(cè)量順序作了規(guī)定,以提高測(cè)量準(zhǔn)確度并減少和消除輸出坯料表面的快速冷卻氧化,以及測(cè)量先后順序?qū)囟葴y(cè)量的影響。
(1)表面測(cè)量法 當(dāng)采用紅外攝像儀和光學(xué)高溫計(jì)測(cè)溫時(shí),應(yīng)按上述一般要求和測(cè)量條件以及表面測(cè)量法的要求連續(xù)對(duì)不少于4件(視坯料大小,大坯料可取少)剛移出保溫感應(yīng)器的偶數(shù)件坯料進(jìn)行試驗(yàn)。對(duì)每個(gè)剛出來的坯料,應(yīng)馬上依次測(cè)量坯料兩端面和兩側(cè)面上的溫度分布。前后兩件坯料各測(cè)溫表面的測(cè)量順序正好相反,以消除測(cè)量先后順序?qū)囟葴y(cè)量的影響。由于輸出坯料表面的快速冷卻和氧化(尤其是端表面),每件坯料的循環(huán)測(cè)量時(shí)間應(yīng)盡量短,以10~20s為宜,取決于坯料大小和額定溫度的高低。
全部測(cè)量結(jié)束并求得各點(diǎn)溫度讀數(shù)的平均值后,分別確定所測(cè)坯料各溫度均勻度,即
式中Δθbub、Δθblb——試驗(yàn)坯料測(cè)得的溫差范圍的 上界、下界(℃);
θbmax、θbmin——試驗(yàn)坯料各測(cè)溫點(diǎn)上測(cè)得的 溫度平均值經(jīng)修正后的最高值和最低值(℃);
θbr——坯料額定溫度(℃);
Δθbt(r)ub、Δθbt(r)lb——試驗(yàn)坯料測(cè)得的橫向(徑向) 溫差范圍的上界、下界(℃);
θbt(r)max、θbt(r)min——試驗(yàn)坯料某一端面上邊緣部 位各測(cè)溫點(diǎn)上測(cè)得的溫度平均 值經(jīng)修正后的最高值和最低 值(℃);
θbt(r)o——試驗(yàn)坯料某一端面上中心點(diǎn) 處測(cè)得的溫度平均值經(jīng)修正 后的值(℃);
Δθbl——坯料縱向溫差(℃);
θblmax、θblmin——被試驗(yàn)坯料某一側(cè)面縱軸線上 各測(cè)溫點(diǎn)上測(cè)得的溫度平均值 經(jīng)修正后中的最高值和最低值 (℃)。
分別取在兩端面或兩側(cè)面上測(cè)得的各坯料溫度均勻度值的平均值作為它們各自的測(cè)定結(jié)果。
當(dāng)采用紅外攝像儀、光學(xué)高溫計(jì)和示溫漆時(shí),其計(jì)算坯料溫度均勻度的測(cè)溫點(diǎn)可按測(cè)溫點(diǎn)布置的規(guī)定或擴(kuò)大至包含這些測(cè)溫點(diǎn)的整個(gè)或部分表面,然后尋得這些點(diǎn)或面上溫度中的最高值和最低值,再按式(1)~式(5)進(jìn)行計(jì)算。
當(dāng)采用GB/T 10066.1—2019中6.5.2所述方法將接觸式熱電偶黏附在表面測(cè)溫點(diǎn)上進(jìn)行測(cè)溫時(shí),則應(yīng)在試驗(yàn)期間連續(xù)測(cè)量和記錄各測(cè)溫點(diǎn)的溫度,并遵循熱電偶埋入測(cè)量法中可適用的要求。
(2)熱電偶埋入測(cè)量法 對(duì)按一般要求和測(cè)量條件以及熱電偶埋入測(cè)量法的要求測(cè)得的所有測(cè)溫點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù),僅取保溫階段后期的按式(1)~式(5)作與表面測(cè)量法同樣的計(jì)算和處理,求得被測(cè)坯料各溫度均勻度。
(3)數(shù)值模擬法 在用4.3所述的數(shù)值模擬法所得的坯料溫度分布數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上計(jì)算坯料溫度均勻度時(shí),其測(cè)溫點(diǎn)應(yīng)至少包括表3中所規(guī)定的那些點(diǎn)或宜擴(kuò)展至整個(gè)坯料,然后尋得這些點(diǎn)或面上的溫度最高值和最低值,再按式(1)~式(5)進(jìn)行計(jì)算。
通常,對(duì)于連續(xù)加熱式和多級(jí)加熱式感應(yīng)透熱裝置只能采用表面測(cè)量法和數(shù)值模擬法進(jìn)行測(cè)量。
但是,對(duì)連續(xù)加熱式裝置,也可采用紅外線測(cè)溫儀在緊靠出料處定點(diǎn)連續(xù)測(cè)量和記錄正在按規(guī)定速度出料的試驗(yàn)坯料側(cè)面縱軸線上的各點(diǎn)溫度,然后根據(jù)測(cè)得的溫度曲線或數(shù)據(jù)的最高和最低值,求得其縱向溫差Δθbl。取連續(xù)出料的不少于4件坯料的Δθbl值的平均值作為其測(cè)定結(jié)果。采用這種方法可避免用紅外攝像儀時(shí)通常會(huì)遇到的某些誤差源。當(dāng)坯料一個(gè)頂著一個(gè)而無法區(qū)分時(shí),則連續(xù)測(cè)溫一段時(shí)間(至少大于4件),找到該期間的最高和最低溫度值,然后求得Δθbl。
為驗(yàn)證坯料溫度均勻度測(cè)定方法的可行性、合理性和準(zhǔn)確性,2015年10月國家電爐質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心分別在一汽鍛造(吉林)公司的兩臺(tái)和南京鋼鐵公司的一臺(tái)感應(yīng)透熱裝置上做了大量試驗(yàn)。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),坯料推出加熱感應(yīng)器后10s內(nèi)其表面溫度會(huì)降低15~30℃,此時(shí)用紅外測(cè)溫裝置逐點(diǎn)測(cè)量坯料端面上規(guī)定點(diǎn)的溫度較難,推薦采用紅外攝像儀;但對(duì)連續(xù)加熱式和小截面坯料透熱,由于坯料表面的快速自然冷卻和氧化,當(dāng)采用響應(yīng)時(shí)間為3s的紅外攝像儀時(shí),表面測(cè)量法的測(cè)量誤差較大,因此對(duì)個(gè)別試驗(yàn)規(guī)定和計(jì)算方法作了修改,如縮短了各測(cè)溫點(diǎn)循環(huán)測(cè)溫的周期,并對(duì)相鄰兩出爐坯料各測(cè)溫點(diǎn)的測(cè)量順序作了規(guī)定。表4給出了三臺(tái)連續(xù)式中頻感應(yīng)透熱裝置采用表面測(cè)量法,用一個(gè)紅外測(cè)溫裝置定點(diǎn)連續(xù)測(cè)量幾十個(gè)出爐坯料側(cè)面縱軸線上的溫度而得的坯料縱向溫度均勻度。
表4 國家電爐質(zhì)量監(jiān)督檢測(cè)中心部分試驗(yàn)結(jié)果
2016年7月,蘇州振吳電爐有限公司在其感應(yīng)加熱實(shí)驗(yàn)室還進(jìn)行了坯料溫度均勻度測(cè)定的熱電偶埋入測(cè)量法的驗(yàn)證試驗(yàn),進(jìn)一步補(bǔ)充規(guī)定了對(duì)感應(yīng)透熱設(shè)備運(yùn)行時(shí)的溫控點(diǎn)位置、所用測(cè)溫儀表和循環(huán)測(cè)量時(shí)間長短等的要求。為在采用熱電偶埋入測(cè)量法的同時(shí)能與表面測(cè)量法作比較和便于熱電偶的引入,拆除了感應(yīng)加熱器的爐襯。表5為蘇州振吳電爐有限公司的坯料溫度均勻度測(cè)定報(bào)告,給出了三種坯料溫度均勻度的測(cè)定結(jié)果。由于實(shí)驗(yàn)室條件有限,未能按通常的透熱工藝進(jìn)行加熱和保溫,致使坯料溫度均勻度某些測(cè)定結(jié)果超過規(guī)定。圖1所示為試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)。圖2所示為坯料感應(yīng)加熱升溫、保溫和停電降溫時(shí)14個(gè)測(cè)溫點(diǎn)的溫度變化以及各點(diǎn)間溫差逐步縮小的過程。從停電降溫曲線數(shù)據(jù)可知,停電10s后各點(diǎn)降溫0.7~24.1℃,端面兩中心只降0.7℃,端面周邊降得較快。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),感應(yīng)透熱時(shí)控溫點(diǎn)的位置對(duì)坯料溫度均勻度的測(cè)定結(jié)果影響很大,宜監(jiān)控或布置在被透熱坯料的可能最高溫度處。
表5 坯料溫度均勻度測(cè)定報(bào)告
圖1 試驗(yàn)設(shè)備
圖2 坯料感應(yīng)加熱升溫、保溫和降溫曲線
通過對(duì)感應(yīng)透熱坯料溫度均勻度測(cè)定的多年持續(xù)研究,并通過大量試驗(yàn)不斷發(fā)現(xiàn)和處理問題,解決了上述諸多關(guān)鍵技術(shù),而后又引入感應(yīng)透熱裝置試驗(yàn)方法的國家和IEC國際標(biāo)準(zhǔn)草案,歷經(jīng)多輪眾多國內(nèi)外專家的認(rèn)真審核和不斷改進(jìn),使該測(cè)定方法日趨完善。本研究成果為已發(fā)布的IEC 63078 : 2019和GB/T 10066.32—2021作出了重大貢獻(xiàn)。
本文所涉及的技術(shù)和測(cè)定方法也大體或部分適用于采用電阻加熱和燃?xì)饧訜岬绕渌訜岱绞綄?duì)坯料或工件進(jìn)行整體或部分透熱的情況。