熱處理爐高溫測量解析

冷紹波，孔憲俊

1.中國人民解放軍第五七一九工廠 四川成都 611936

2.沈陽航空航天大學機電工程學院 遼寧沈陽 110136

1 序言

在熱處理質量保證體系中，高溫測量是保證工藝穩定性的關鍵工作。高溫測量可細分為兩大部分：一是爐溫均勻性測試（TUS）；二是系統精度測試（SAT）。高溫測量的主要目的是保證加熱爐溫度控制的準確性和加熱爐膛內各區域溫度均勻性。其本質是對由控溫儀表、熱電偶、補償導線所形成的控溫系統通過儀表PID調節量控制設備功率輸出，使爐膛內形成的溫度場恒定性的檢測手段；同時也考量了由記錄儀表、熱電偶、補償導線所構成的溫度檢測記錄系統對溫度場檢測的有效性。

2 國內高溫測量標準采用情況

國內企業高溫測量的主要依據性文件為G J B 509B—2008《熱處理工藝質量控制》[1]、HB 5354—1994《熱處理工藝質量控制》、HB 5425—2012《航空制件熱處理爐有效加熱區測定方法》[2]或G B/T 9452—2012《熱處理爐有效加熱區測定方法》[3]等行業或國家標準；部分企業因開展了國際轉包業務或民航適航業務，采用了AMS 2750《Pyrometry》[4]標準進行高溫測量工作。

在這些主要使用的高溫測量或熱處理質量控制標準中，AMS 2750《Pyrometry》標準最具代表性和參考意義。國內主要標準均是參照該標準編制和修訂的。

AMS 2750《Pyrometry》為國際Nadcap認證授信標準，由PRI?公司組織專業團隊定期按照行業發展動態和新技術應用條件進行實時調整更新，現已更新至AMS 2750F版。AMS 2750的編制維護團隊是由國際權威機構認可的具有多年專業審核經驗和工程技術操作經驗的人員組成，其控制目標直指高溫測量控制核心——在現有技術條件下，最大限度地保證加熱爐爐內溫度均勻。

3 TUS測試

（1）TUS概念及目的 TUS（Temperature Uniformity Survey）即溫度均勻性測量，其目的是立體地還原爐膛內實際溫度場分布情況。

加熱爐控溫熱電偶和記錄熱電偶通常根據爐溫控制需求或爐膛大小，按區域進行溫度控制，在每個控溫區域內，為了降低設備制造成本及熱電偶損耗成本，在保證使用條件的前提下，都會盡量地減少儀表和熱電偶的數量。熱電偶安裝位置通常布置在單個控溫區的一個溫度點上，且不能伸入到實際工作區內，以免干擾工件進出爐。

此時，加熱爐的控溫和記錄的溫度僅能反映熱電偶安裝位置的溫度情況，并不能實際反饋整個爐膛內的溫度場情況。為了探究爐膛內溫度場情況與爐內熱電偶安裝點溫度間的關系，需按照爐膛有效加熱區尺寸，在爐膛最具代表性的位置上，增加安裝一定數量的熱電偶，測定控溫熱電偶和記錄熱電偶監測不到位置上的溫度場，與其之間的溫度差異，從而出現了TUS。

（2）TUS的使用 TUS實際反映了在加熱過程中，工件擺放在不同區域時所承受的溫度。TUS允差的選用，則是根據材料相變溫度區間而進行了適配選取。TUS測定的爐溫最大誤差見表1。

表1 加熱爐類別劃分

選擇所用爐類別的主要依據可分為兩部分：其一，材料相變溫度范圍的域度；其二，材料允許性能公差的范圍。只有選擇合適的加熱爐，才能保證熱處理后得到所需材料組織和性能的一致性，這也是高溫測量的意義所在。

國內各熱加工工種在選擇加熱爐類別時，一般按表2進行選用。

表2 加熱爐類別的選用

對于各類粉料、熔煉料等沒有性能和金相要求的材料烘干時，可任選爐類使用；鍛造、鑄造加熱爐一般選用不高于Ⅴ類爐；不銹鋼、結構鋼、高溫合金鋼等黑色金屬基類鋼種與鈦及鈦合金，一般選用不高于Ⅲ類爐；而沉淀硬化型不銹鋼因沉淀硬化相析出溫度范圍較窄，一般常會選用不高于Ⅱ類爐；鋁合金、銅合金固溶階段一般選用不高于Ⅲ類爐，而低溫相變區溫度范圍較窄，其時效階段一般選用不高于Ⅱ類爐，甚至個別鋁合金材料應選用Ⅰ類爐；橡膠類材料因硫化溫度范圍窄，一般選用Ⅰ類爐。本文歸納的加熱爐類別選用為普識性參考，對于具體材料，部分存在個性化需求。

（3）TUS測定方法概述 TUS測定方法無論哪個標準，都大同小異。其基本原理為采用受控的高精度儀表和熱電偶（通常為1級或2級精度測試熱電偶，0.1級精度或更高精度的測試儀表[5]），以及對應的補償導線組成一個更為精確和受控的溫度測量系統。使用這個溫度測量系統，按照加熱爐有效工作容積區域，分別將測試熱電偶布置在單個容積區域的各個角點位置。另外，還需至少一支測試熱電偶布置在有效容積區域的中心位置的方式，來代表性地反應加熱區的真實溫度情況。

測試熱電偶典型分布形式如圖1所示。增大區域時，按照單位容積（通常為6.3m3）個數同等增加測量容積即可。

圖1 典型測試熱電偶分布點位[3-5]

這種分布和測試的方法，既有溫度最惡劣點位（各個角點），又有典型溫度點位（中心位置溫度點）。因此，在使用有限的資源條件下，做到了最大的立體溫度場的還原。

T U S過程中，對于升溫階段并不做均勻性要求，這是因為材料的熱處理所需得到的組織主要在最高保溫階段獲得。而有些設備由于加熱功率輸出邏輯不合理（PID參數調整不合理），由此在到溫階段存在短時間內溫度超過爐溫均勻性允許公差上限的情況。此時，如果對材料進行加熱，可能存在因加熱溫度過高而產生過熱、過燒情況。因此，在TUS過程中任何時候超過爐溫均勻性要求上限的情況是不被允許的。

國內及國外標準針對TUS測試方法均有詳細的描述，在此不再贅述。

4 SAT測試

（1）S AT測試概念及目的 S AT（S y s t e m Accuracy Testing）即系統精度測試，其目的是為了標定加熱爐溫度測量系統偏差。

要想了解SAT測試的真正目的，首先要了解溫度測量系統。

通常，溫度測量系統由一個溫度儀表、一條補償導線和一支溫度熱電偶組成一個閉合的溫度回路。溫度測量系統的工作原理為由兩種合金材料組成的溫度熱電偶，在不同溫度條件下，會產生一個恒定的電壓值，或合金材料組成的溫度熱電偶在不同溫度下，電阻率發生變化的電物理特性形成一個電信號，通過一條不改變這一物理特性電信號的傳輸導線（即補償導線）傳輸給溫度儀表，溫度儀表再將這一模擬電信號輸入量，通過電子運算，轉換成為數字溫度信號而被讀取。

在溫度測量系統中，補償導線因不直接接觸高溫，且自身不產生電信號，因此一般情況下，其對傳輸電信號的影響為一個常量，不會改變溫度系統精度。

由于儀表需要處理電信號，因此會受到其他電磁信號擾動或內部元器件變化的影響，出現儀表接收信號的準確度或運算準確度的下降，使溫度測量系統精度衰減。

溫度熱電偶因長期在高溫條件下工作，所以會使感應端材料元素成分發生變化，從而改變其實際發出的物理電信號特征（通常為電壓或電阻信號），從而使儀表接收到的信號出現偏差，影響溫度測量系統的精度。

儀表本身具有精度誤差，溫度熱電偶也存在精度誤差，這兩個誤差可能相互抵消減小溫度測量系統誤差，也可能相互疊加增大溫度測量系統誤差。

由于上述原因，因此需要補充測量加熱設備使用的溫度測量系統誤差應在可控范圍以內；同時，還需周期測量系統溫度誤差，以確定溫度系統精度衰減是否超出可控范圍。

（2）SAT對加熱爐溫度的影響 溫度測量系統在加熱爐內主要用于控溫系統、記錄系統和負載系統等的溫度數據的獲取，以便對爐內實際溫度進行控制或讀取。其對爐內溫度的影響主要體現在以下幾個方面。

1）控制溫度系統是加熱爐溫度調節的指揮系統。其溫度系統精度的衰減，將使控溫系統接收到的溫度信號出現偏離，致使控溫系統對加熱功率的調節出現偏差，使爐內實際溫度整體向上或向下偏移。

例如：控溫系統精度誤差為+2℃，設定加熱溫度為500℃時，當實際溫度達到498℃時，控溫系統接收到的溫度信號為已經達到了500℃，此時，爐內實際溫度向下偏移了2℃。

2）記錄溫度測量系統是加熱爐內實際溫度的記錄者。其溫度測量系統精度的衰減，將使記錄的溫度與實際溫度出現偏差，從而導致記錄溫度與實際溫度不符，造成記錄結果失真甚至超差，影響對產品質量的判斷。

例如：記錄溫度測量系統精度誤差為+2℃，當實際溫度達到500℃時，記錄系統接收到的溫度信號為502℃，此時，記錄的爐內溫度向上偏移了2℃。

3）負載系統因其與工件位置最為接近，故其常被用作控溫系統或記錄系統的直接替代，以更加直接地反映工件的實際溫度情況。因此，其精度對加熱爐溫度場的影響與其所需實現的功能直接相關。

SAT測試允差見表3。

表3 加熱爐類別及系統精度要求[1]

因此，爐內實際溫度場變化是由TUS所測定的加熱爐因加熱元件、保溫情況等加熱條件所形成的溫度場內溫度分布情況，以及SAT所測定的儀表系統精度導致的爐內溫度場的整體上下偏移形成的綜合溫差系統。SAT對爐內溫度場所起的作用，實際占據了50%的影響力。

例如，最為常用的Ⅲ類爐，爐溫均勻性為±10℃，儀表系統精度為±2.2℃或0.4%的最大值，當設定溫度為1000℃時，爐內某一點的實際溫度處于爐溫均勻性上極限即1010℃。此時記錄溫度系統的系統精度處于下極限為-4℃，使記錄溫度顯示為1000℃，但記錄點實際溫度為996℃，而控制溫度系統的系統精度為上極限+4℃，則使得控制溫度系統感知到的溫度為1000℃，控溫條件成立。

隨著加熱爐的使用，記錄和控溫系統精度均出現了極限變化，此時設定溫度仍為1000℃，但因控制溫度系統精度變為-4℃，此時控溫系統感知到1000℃時，實際爐內溫度從996℃變為1004℃，此時，爐內溫度場整體向上偏移8℃，則最高溫度點溫度變，為了1018℃。同時，記錄溫度系統精度也發生了改變，為+4℃，則記錄顯示溫度為1008℃。此時，再進行TUS測試時，爐溫均勻性仍然合格，但爐內整體溫度向上偏移了8℃。

根據上述分析可知，控溫和記錄溫度系統精度對爐溫的影響，既可相互疊加，增大記錄溫度與實際溫度的偏差，也可相互抵消，減小記錄溫度與實際溫度的偏差。但總體來說，溫度測量系統必須受控，才能使加熱爐內溫度場的變化受控。如果溫度測量系統不受控，雖然TUS測試合格，但隨著溫度測量系統精度的變化，則加熱爐內溫度場將會出現不受控制的溫度偏移。隨著加熱爐的使用，溫度測量系統精度還會進一步衰減，溫度場偏移將無法預估和控制。由此可見，SAT測試對保證爐溫的穩定是至關重要的，也是必要的。當然，當對溫度測量系統的控制要求足夠嚴格，使其能夠用其他手段受控，從而滿足周期性精度要求時，也可采用相應手段替代SAT。但在國內各標準中，均未提及替代SAT的方法；在AMS 2570中有替代SAT的相關方法說明，但在一般情況下，其成品代價均遠高于正常

SAT。

（3）SAT測試方法概述 SAT測試方法就是使用一個精度嚴格受控的溫度測量系統與設備使用的溫度測量系統進行比對，從而標定設備所用溫度測量系統所顯示的溫度與實際溫度之間的誤差衰減在可控范圍內。

通常，SAT測試需要使用校準更加嚴格的測溫儀表和測試溫度熱電偶對設備溫度系統進行比對測定。GJB 509B—2008中規定，測試儀表精度為0.05級，采用標準分度補償導線和檢定周期為3個月的1級精度的測試熱電偶。

加熱爐用溫度測量系統所用儀表精度要求詳見表4，標準分度補償導線，現場用溫度熱電偶要求見表5。

從表4、表5看出，SAT所用測試儀表的精度較現場用儀表精度更高，測試用熱電偶的精度和校驗周期較現場用熱電偶的要求更加嚴格。

從表3與表4、表5的對比可以看出，SAT測試周期較儀表和熱電偶的測試周期更短，從而能夠彌補在使用過程中儀表和熱電偶精度衰減的監測。

表4 加熱爐用儀表精度等級[1，5]

表5 現場使用的熱電偶技術要求[2，5]

因此，在行業的通常認知中，都把SAT作為對儀表和熱電偶周期校準的補充。

在AMS 2750中，對現場用熱電偶并未規定需要周期檢定。該標準認為，在溫度測量系統中，儀表進行了周期檢定，補償導線為常量不會改變，SAT所用溫度測量系統受控嚴格、精度更高。在SAT過程中，其實已經對現場用熱電偶進行了變相校準，因此，現場用熱電偶可不再周期校準，以免浪費成本。

AMS 2750中的這一規定，是建立在對企業和個人完全誠信和受控的基礎上所作出的規定。而在實際操作過程中，由于企業或個人均不可避免地存在疏忽情況，所以在實際操作中，還是需要對現場用熱電偶進行周期檢定，以減小失控風險。

具體的SAT測試方法，國內標準僅對SAT用儀表及熱電偶的要求做出說明，但并未對具體測試方法進行說明；AMS 2750中對SAT測試的具體操作細節作出了詳細表述。國內標準的SAT本身來源于AMS 2750，因此操作方法也可參照AMS 2750執行，現將國內標準未明確的部分要求詳述如下。

1）測試溫度選擇：測試溫度應選擇設備常用的一個或多個溫度，也可隨設備常加工的零件在熱處理過程中的加熱保溫階段進行測量。

2）測試時長：由于SAT測試受爐內本身溫度場變化影響不大，因此其測試時長以能夠清晰地獲得比對結果為宜。通常測試時長超過10min即可。

3）測試數據的采集：在SAT測試中，記錄系統的溫度數據可以直接打印，而控溫系統或其他溫度系統則只能采用測試人員手寫記錄的方式，然后進行比對保存。因此，SAT測試的數據采集，應采用測試人員手寫記錄為主、打印記錄為輔的方式。

5 結束語

高溫測量是保證熱處理質量的關鍵所在。在追求零件質量高穩定性的行業中，高溫測量手段是熱處理質量保證的必要條件。由于維持周期高溫測量，其高昂的校驗成本不容忽視，因此需要人們更多地關注高溫測量、研究高溫測量、推進高溫測量手段的發展，以期采用更加經濟的方式，達到更加精準的溫度場長期控制的目的，從而提升產品質量，推動行業高速發展。