高精度熱處理爐系統(tǒng)精度影響因素分析

劉 越

(天津工程機(jī)械研究院，天津 300409)

熱處理是提高機(jī)械零件質(zhì)量和延長(zhǎng)使用壽命的關(guān)鍵工序，也是充分發(fā)揮金屬材料潛力、節(jié)約材料的有效途徑。而任何一種熱處理工藝均需要相應(yīng)的熱處理設(shè)備才能實(shí)現(xiàn)。熱處理爐是實(shí)現(xiàn)金屬熱處理工藝的主要設(shè)備，沒(méi)有高精度，高性能的熱處理爐就很難實(shí)現(xiàn)先進(jìn)的熱處理工藝。熱處理爐的精度和性能是決定熱處理工藝的重要因素。本文將以航天企業(yè)所用比較廣泛的電阻爐為例，分析影響設(shè)備系統(tǒng)精度的各項(xiàng)因素以及解決辦法。

1 溫度顯示系統(tǒng)

熱處理爐的溫度顯示系統(tǒng)主要由溫度傳感器、補(bǔ)償導(dǎo)線和溫度儀表組成，同時(shí)增加溫度記錄儀用來(lái)記錄和監(jiān)測(cè)爐溫，其中溫度傳感器、補(bǔ)償導(dǎo)線和控溫儀表參與溫度控制，每個(gè)環(huán)節(jié)出問(wèn)題都將直接影響系統(tǒng)精度。

1.1 溫度儀表

溫度儀表分為控溫儀表和溫度記錄儀?？販貎x表現(xiàn)在多數(shù)選用智能控溫儀表或PLC加觸摸屏用來(lái)進(jìn)行溫度控制和顯示，是熱處理爐的核心元件。在控溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)報(bào)警時(shí)，推薦用控溫儀表或者PLC做偏差報(bào)警，用記錄儀或者其他監(jiān)控儀表做上限報(bào)警。這樣分開(kāi)做兩個(gè)報(bào)警能形成雙保險(xiǎn)，不僅能保證系統(tǒng)能精準(zhǔn)控溫，還能避免控溫儀表或者PLC死機(jī)時(shí)，設(shè)備溫度過(guò)高后無(wú)法報(bào)警的現(xiàn)象。控溫儀表的精度選擇可根據(jù)設(shè)備類別去選擇不同精度。一類設(shè)備應(yīng)盡量選擇0.1級(jí)精度的儀表，二類以下設(shè)備選用0.3級(jí)精度儀表均可滿足。控溫儀表也需要定期檢驗(yàn)，所得到的誤差數(shù)據(jù)可以通過(guò)溫度補(bǔ)償功能進(jìn)行修正。

控溫儀表均帶有溫度補(bǔ)償功能，用以修正系統(tǒng)中其他元件和自身所帶來(lái)的誤差。此功能對(duì)于爐溫均勻性的調(diào)整能起到至關(guān)重要的作用。溫度補(bǔ)償功能可以直接影響爐內(nèi)溫度，所補(bǔ)償?shù)臏囟葧?huì)直接作用到儀表上，從而影響爐內(nèi)溫度。要注意的是，使用溫度補(bǔ)償功能時(shí)爐內(nèi)的溫度變化與儀表上顯示的溫度是相反的，例如在儀表設(shè)定爐溫為600 ℃，且儀表顯示爐溫600 ℃時(shí)，在溫度補(bǔ)償參數(shù)中設(shè)置為+2 ℃，儀表此時(shí)顯示為602 ℃，由于顯示溫度超過(guò)設(shè)定爐溫600 ℃，所以儀表會(huì)控制爐內(nèi)溫度下降2 ℃，直到儀表顯示為600 ℃，此時(shí)爐內(nèi)溫度降為598 ℃。簡(jiǎn)單地說(shuō)就是想讓爐內(nèi)溫度升高2 ℃，則在溫度補(bǔ)償參數(shù)中設(shè)定-2 ℃，想讓爐內(nèi)溫度下降2 ℃，則在溫度補(bǔ)償參數(shù)中設(shè)定+2 ℃?？販貎x表的溫度補(bǔ)償功能基本上都是設(shè)定后所有溫度都起作用，不能分溫度段進(jìn)行補(bǔ)償，但是如果選用PLC控溫，在設(shè)計(jì)溫度補(bǔ)償程序時(shí)一定要做成分段補(bǔ)償。分段補(bǔ)償至少需要做到每間隔100 ℃能夠補(bǔ)償一次，或者根據(jù)實(shí)際情況能夠靈活配置。分段補(bǔ)償能在做爐溫均勻性時(shí)起到事半功倍的效果。

1.2 溫度傳感器

電阻爐的溫度傳感器主要為熱電偶和熱電阻。常用的熱電偶主要有S、R、B、N、K、E、J、T等幾種。在使用中需要根據(jù)設(shè)備的工作溫度范圍相應(yīng)分度號(hào)的熱電偶，如果設(shè)備工作溫度與熱電偶分度號(hào)不匹配將產(chǎn)生很大誤差。熱電偶使用在溫度較高的環(huán)境，一般用于500 ℃以上的較高溫度，低溫區(qū)時(shí)輸出熱電勢(shì)很小，當(dāng)電勢(shì)小時(shí)，對(duì)抗干擾措施和二次表要求很高，否則測(cè)量不準(zhǔn)。在中低溫度時(shí)，一般使用熱電阻測(cè)溫范圍為-200～500 ℃。選擇熱電偶時(shí)不僅需要考慮工作溫度還要考慮爐內(nèi)特殊氣氛，如強(qiáng)氧化、強(qiáng)還原和真空環(huán)境。

熱處理設(shè)備溫度傳感器需要定期送到具檢測(cè)資質(zhì)的第三方檢測(cè)機(jī)構(gòu)校驗(yàn)，并出具檢測(cè)報(bào)告，如果檢測(cè)結(jié)果誤差較大請(qǐng)及時(shí)更換，誤差較小時(shí)可以通過(guò)控溫儀表進(jìn)行補(bǔ)償。在檢測(cè)時(shí)需要拆卸傳感器外殼，容易造成固定螺絲松動(dòng)，使用時(shí)可能對(duì)系統(tǒng)精度產(chǎn)生影響，檢測(cè)完畢后要及時(shí)檢查固定螺絲。在設(shè)備中插拔溫度傳感器時(shí)需要做好位置標(biāo)記，如果插拔前后位置變化很大會(huì)對(duì)爐溫均勻性造成很大影響。同時(shí)還需要定期檢測(cè)傳感器外殼是否出現(xiàn)破損，外殼破損后熱電偶絲容易氧化腐蝕降低使用壽命和精度。

1.3 補(bǔ)償導(dǎo)線

補(bǔ)償導(dǎo)線是在一定溫度范圍內(nèi)(包括常溫)具有與所匹配熱電偶熱電動(dòng)勢(shì)相同標(biāo)稱值的一對(duì)帶有絕緣層的導(dǎo)線，用它們連接熱電偶與測(cè)量裝置，以補(bǔ)償它們與熱電偶連接處的溫度變化所產(chǎn)生的誤差。

補(bǔ)償導(dǎo)線是用于將熱電偶冷端延長(zhǎng)至遠(yuǎn)離高溫且溫度比較穩(wěn)定的地方的一種專用導(dǎo)線。在一定溫度范圍內(nèi)，它的熱電特性與主熱電偶的熱電性質(zhì)基本相同。用補(bǔ)償導(dǎo)線與熱電偶的冷端連結(jié)，就可以將熱電偶輸出的溫度信號(hào)傳輸給儀表。

補(bǔ)償導(dǎo)線分延長(zhǎng)型和補(bǔ)償型，而常用的是補(bǔ)償型補(bǔ)償導(dǎo)線，它用字母“C”附加在熱電偶分度號(hào)之后表示，例如“KC”。熱電偶需要匹配相應(yīng)型號(hào)的補(bǔ)償導(dǎo)線，如果用普通導(dǎo)線替代補(bǔ)償導(dǎo)線則起不到補(bǔ)償作用，如果選錯(cuò)補(bǔ)償導(dǎo)線型號(hào)則可能造成更大誤差。如果傳感器是熱電阻則不需要補(bǔ)償導(dǎo)線。補(bǔ)償導(dǎo)線和熱電偶均分正負(fù)，在接線時(shí)正負(fù)切不可接反，否則會(huì)產(chǎn)生較大誤差，一般補(bǔ)償導(dǎo)線的紅色線接熱電偶和顯示儀表的正端，另一顏色接負(fù)端。補(bǔ)償導(dǎo)線的線徑則需要根據(jù)顯示儀表要求的線路阻值選擇。如果使用環(huán)境溫度較高時(shí)還需選擇帶高溫補(bǔ)償導(dǎo)線。補(bǔ)償導(dǎo)線分普通級(jí)和精密級(jí)，兩者的誤差還是比較大的。比如常用的K型熱電偶的補(bǔ)償導(dǎo)線KC普通級(jí)在200 ℃時(shí)的允許誤差是±2.5 ℃，而精密級(jí)則是±1.5 ℃。在系統(tǒng)精度要求較高時(shí)盡量選擇精密級(jí)的補(bǔ)償導(dǎo)線。如果現(xiàn)場(chǎng)干擾源比較多，比如變頻器驅(qū)動(dòng)的電機(jī)動(dòng)力電纜，大功率整流裝置等，則需要選擇帶屏蔽層的補(bǔ)償導(dǎo)線。在接線時(shí)屏蔽層須一端接地，兩端同時(shí)接地時(shí)容易產(chǎn)生電勢(shì)差反而會(huì)產(chǎn)生干擾。

航天企業(yè)的熱處理設(shè)備的顯示儀表和溫度傳感器均會(huì)定時(shí)送檢，但是補(bǔ)償導(dǎo)線這個(gè)環(huán)節(jié)卻很容易被遺忘。一是補(bǔ)償導(dǎo)線鋪設(shè)安裝，一般固定無(wú)法移動(dòng)；二是補(bǔ)償導(dǎo)線不屬于儀器儀表不在檢測(cè)范圍。而恰恰是這個(gè)容易被忽略的地方會(huì)造成系統(tǒng)誤差，而且非常不容易被發(fā)現(xiàn)。曾遇到一個(gè)時(shí)效爐系統(tǒng)精度不正常，而熱電偶和控溫儀表均正常，在做爐溫均勻性實(shí)驗(yàn)時(shí)做了三次都不合格，爐內(nèi)實(shí)際溫度與儀表顯示差別很大，更換補(bǔ)償導(dǎo)線后問(wèn)題解決。補(bǔ)償導(dǎo)線的使用環(huán)境一般都比較惡劣，比如高溫、潮濕、強(qiáng)氧化性氣體，時(shí)間長(zhǎng)了以后會(huì)發(fā)生氧化、老化的現(xiàn)象，傳遞信號(hào)時(shí)會(huì)造成較大誤差，且每個(gè)階段的溫度誤差都不相同，一般測(cè)量溫度越高誤差越大，這種情況下儀表無(wú)法進(jìn)行補(bǔ)償，只能更換補(bǔ)償導(dǎo)線。檢測(cè)人員和設(shè)備維護(hù)人員需要特別注意，在系統(tǒng)精度有問(wèn)題且找到不到原因時(shí)應(yīng)檢測(cè)補(bǔ)償導(dǎo)線是否正常。同時(shí)在做均勻性檢測(cè)前應(yīng)檢測(cè)補(bǔ)償導(dǎo)線，在保證顯示儀表正常的情況下，用信號(hào)發(fā)生器在熱電偶端發(fā)出幾個(gè)設(shè)備常用溫度所對(duì)應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)，觀看儀表顯示是否在誤差允許范圍，并記下誤差以便通過(guò)儀表進(jìn)行人工補(bǔ)償。

1.4 熱電偶接頭

航天企業(yè)的熱處理設(shè)備的溫度傳感器需要定期檢測(cè)，經(jīng)常拆卸、安裝熱電偶和補(bǔ)償導(dǎo)線會(huì)造成熱電偶接頭松動(dòng)，所以許多設(shè)備的熱電偶和補(bǔ)償導(dǎo)線連接時(shí)會(huì)使用快速插頭連接，以方便拆卸和安裝。使用快速插頭時(shí)應(yīng)選擇與熱電偶同型號(hào)的插頭，使用普通航空接頭或普通接線端子時(shí)可能造成較大誤差，影響系統(tǒng)精度。

2 系統(tǒng)參數(shù)調(diào)整

系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置的準(zhǔn)確度，能直接影響設(shè)備的精度。系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)置主要是控溫系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置。

2.1 溫度傳感器型號(hào)

在設(shè)備使用前首先應(yīng)設(shè)置好儀表的溫度傳感器型號(hào)參數(shù)，選擇正確的溫度傳感器的型號(hào)，否則將會(huì)造成很大誤差。

2.2 報(bào)警參數(shù)

絕對(duì)值上限報(bào)警和超溫偏差報(bào)警，是必須要設(shè)置的，這兩個(gè)報(bào)警能保證設(shè)備出現(xiàn)異常時(shí)系統(tǒng)停止升溫，避免出現(xiàn)過(guò)高溫度損壞設(shè)備。如果設(shè)備帶有溫度記錄儀，溫度記錄儀也需要設(shè)置上限絕對(duì)值報(bào)警，形成雙保險(xiǎn)。

2.3 PID參數(shù)

在烘爐結(jié)束后，需要重新運(yùn)行設(shè)備，設(shè)置好PID 參數(shù)。智能控溫儀表和PLC都具備自整定功能。進(jìn)行PID參數(shù)自整定時(shí)，需設(shè)定儀表溫度為設(shè)備的常用溫度，然后開(kāi)啟自整定模式，系統(tǒng)會(huì)自己算出適合當(dāng)前設(shè)備運(yùn)行環(huán)境的PID參數(shù)。大多數(shù)的設(shè)備都能得到合適的PID參數(shù)，如遇到極特殊情況時(shí)，則需要根據(jù)PID參數(shù)的調(diào)試方法在自整定后的參數(shù)基礎(chǔ)上手動(dòng)進(jìn)行調(diào)整。合適的PID參數(shù)能讓設(shè)備在升溫時(shí)不會(huì)超溫，且保溫階段溫度曲線平穩(wěn)不波動(dòng)。

2.4 風(fēng)機(jī)參數(shù)

如果設(shè)備中存在變頻器控制的大功率風(fēng)機(jī)的話，則需要考慮變頻器頻率的設(shè)置?？傮w原則是，在最低頻率的基礎(chǔ)上，爐溫越高則需要變頻器的頻率越高，風(fēng)扇葉片轉(zhuǎn)速越快，因?yàn)闇囟仍礁郀t內(nèi)空氣越稀薄，此時(shí)需要風(fēng)扇的快速轉(zhuǎn)動(dòng)以帶動(dòng)爐內(nèi)的空氣快速循環(huán)。但是在低溫段使用時(shí)，變頻器頻率設(shè)置過(guò)高的話，風(fēng)扇葉過(guò)高的轉(zhuǎn)速會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，即便此時(shí)儀表超溫報(bào)警，加熱器已經(jīng)停止工作，爐內(nèi)溫度也會(huì)高于設(shè)定溫度。

2.5 爐溫均勻性調(diào)整

得到儀表自身誤差參數(shù)和熱電偶誤差參數(shù)后可在儀表溫度補(bǔ)償參數(shù)中提前修正。然后再做爐溫均勻性實(shí)驗(yàn)時(shí)進(jìn)一步修正。如果是PLC控溫在則可以在當(dāng)前溫度立即進(jìn)行補(bǔ)償。如果是普通控溫儀表控溫，則需要整體做完每個(gè)所需要測(cè)量的溫度后，綜合每個(gè)測(cè)量溫度的誤差進(jìn)行補(bǔ)償。

例如一臺(tái)額定溫度為500 ℃的二類電阻爐，爐溫均勻性要求為±3 ℃。測(cè)溫溫度為300、500 ℃，測(cè)溫點(diǎn)為9個(gè)。在測(cè)溫時(shí)一定要等系統(tǒng)溫度升到設(shè)定溫度且穩(wěn)定一段時(shí)間后再讀取數(shù)值?？販?zé)犭娕紴榱吮ＷC一定的機(jī)械強(qiáng)度和較長(zhǎng)的使用壽命，一般是鎧裝且直徑比較粗，而測(cè)溫?zé)犭娕家话阒睆奖容^細(xì)，為3 mm以下，對(duì)于環(huán)境溫度變化響應(yīng)速度比控溫?zé)犭娕伎?。因此控溫?zé)犭娕嫉臏囟惹€會(huì)有一定的滯后性，在保溫階段控溫?zé)犭娕嫉臏囟惹€比較平緩時(shí)，可能測(cè)溫?zé)犭娕嫉臏囟惹€波動(dòng)比較大，此時(shí)應(yīng)手動(dòng)調(diào)整控溫儀表的PID參數(shù)使測(cè)溫?zé)犭娕嫉臏囟惹€趨于平緩波動(dòng)范圍在所測(cè)溫度的±3 ℃以內(nèi)。在300 ℃測(cè)溫時(shí)，溫度最高的測(cè)量熱電偶波動(dòng)范圍為298～300 ℃，溫度最高的測(cè)量熱電偶波動(dòng)范圍為295～297 ℃。其他測(cè)溫?zé)犭娕季鶟M足要求。因?yàn)闋t溫均勻性要求為±3 ℃，所以300 ℃允許的波動(dòng)范圍為297 ～303 ℃。此時(shí)需要在溫度補(bǔ)償參數(shù)中設(shè)置-3 ℃。此時(shí)爐內(nèi)溫度上升3 ℃，理想狀態(tài)下兩只熱電偶的波動(dòng)范圍將會(huì)變?yōu)?01～303 ℃和298～300 ℃。此時(shí)的溫度已在要求范圍之內(nèi)。而在500 ℃時(shí)，溫度最低的測(cè)量熱電偶波動(dòng)范圍為498～500 ℃，溫度最高的測(cè)量熱電偶波動(dòng)范圍為500～504 ℃。此時(shí)需要在溫度補(bǔ)償參數(shù)中將之前的-3 ℃設(shè)置為-2 ℃，此時(shí)爐內(nèi)溫度下降1 ℃，理想狀態(tài)下兩只熱電偶的波動(dòng)范圍將會(huì)變?yōu)?97～499 ℃和499～503 ℃，而300 ℃時(shí)的兩只熱電偶的波動(dòng)范圍將會(huì)變?yōu)?00～302 ℃和297～299 ℃，此時(shí)300 ℃和500 ℃的溫度波動(dòng)范圍均在允許范圍之內(nèi)。為了保證實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性，在整體調(diào)整完參數(shù)后需要再做一次爐溫均勻性測(cè)試，此次不需要再調(diào)整參數(shù)，如果實(shí)驗(yàn)結(jié)果滿足要求，則該設(shè)備參數(shù)已調(diào)整完畢且滿足要求。如果是PLC控溫則不需要再做一次測(cè)試，因?yàn)镻LC溫度補(bǔ)償是分段的互不影響，更改后面所測(cè)溫度的溫度補(bǔ)償參數(shù)不會(huì)影響到前面已經(jīng)測(cè)完的溫度。而實(shí)際中的情況比例子中要復(fù)雜，但原理都是一樣的，綜合各項(xiàng)參數(shù)將測(cè)量數(shù)據(jù)調(diào)整到允許范圍內(nèi)即可。如果溫度最低和最高的兩只測(cè)溫?zé)犭娕颊`差較大無(wú)法通過(guò)溫度補(bǔ)償參數(shù)進(jìn)行修正，則需要考慮機(jī)械結(jié)構(gòu)的問(wèn)題，例如密封性和空氣循環(huán)效果等因素。

3 結(jié) 語(yǔ)

設(shè)備精度是產(chǎn)品質(zhì)量的保證，而影響熱處理設(shè)備系統(tǒng)精度的因素很多，在日常維護(hù)中應(yīng)按規(guī)定定時(shí)對(duì)設(shè)備元器件進(jìn)行檢測(cè)，并分析檢測(cè)報(bào)告和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，熟知設(shè)備的各種性能，選擇最優(yōu)的方式解決各種問(wèn)題。