李 崢 ，賈軍偉 ，崔鴻飛 ，王 斌 ，李 偉 ，劉 展 ，賈金成

（1.北京東方計(jì)量測(cè)試研究所，北京 100094；2.北京空間機(jī)電研究所，北京 100094）

鋼鐵行業(yè)中的能耗大戶(hù)就是加熱爐[1]，鋼在軋制之前都要通過(guò)加熱爐進(jìn)行加熱，其目的是[2]：（1）提高鋼的塑形；（2）鋼坯內(nèi)外溫度均勻；（3）改變金屬的結(jié)晶組織。 鋼加熱的質(zhì)量直接影響到鋼材的質(zhì)量、產(chǎn)量、能源消耗以及軋機(jī)壽命[3]。 正確的加熱工藝可以提高鋼的塑性，降低熱加工時(shí)的變形抗力。 反之，如加熱工藝不當(dāng)，就會(huì)直接影響鋼材的質(zhì)量。例如加熱溫度過(guò)高，會(huì)發(fā)生鋼的過(guò)熱、過(guò)燒，軋制時(shí)就要造成廢品；鋼的表面發(fā)生嚴(yán)重的氧化或脫碳。

大型管坯連續(xù)加熱爐在軋管生產(chǎn)中起著重要的作用，其加熱管坯的溫度必須符合軋制要求。加熱的管坯溫差過(guò)大，會(huì)使穿孔軋制的毛管產(chǎn)生壁厚不均、內(nèi)折等質(zhì)量缺陷，并且會(huì)損傷軋制設(shè)備，嚴(yán)重時(shí)會(huì)發(fā)生斷輥或破壞連接軸等設(shè)備事故，減少其使用壽命，因此有必要分析管坯在加熱過(guò)程中爐內(nèi)的溫度均勻性問(wèn)題，以便進(jìn)一步提高加熱爐的加熱控制水平?，F(xiàn)有的測(cè)量方法及主要問(wèn)題見(jiàn)表1。

表1 現(xiàn)有測(cè)量方法及主要問(wèn)題

本文采用自主研發(fā)的黑匣子爐溫測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一種管坯溫度跟蹤測(cè)試方案，利用“黑匣子”實(shí)測(cè)和記錄了管坯步進(jìn)加熱爐的爐溫均勻性以及加熱過(guò)程中管坯自身的溫度變化。

1 測(cè)試方案和測(cè)試設(shè)備

1.1 測(cè)試方案

本項(xiàng)目依據(jù)AMS（Aerospace Material Specification）2750E 標(biāo)準(zhǔn)確定測(cè)試方案， 步進(jìn)式正火爐相關(guān)信息見(jiàn)表2。

表2 步進(jìn)式正火爐參數(shù)

根據(jù)爐子實(shí)際情況和測(cè)試要求， 測(cè)試方法采用AMS2750E 標(biāo)準(zhǔn)中的“體積法”，將一根棒材所在區(qū)域作為一個(gè)測(cè)溫體積單元， 黑匣子固定在棒材的端部，測(cè)溫點(diǎn)合理布置在整個(gè)測(cè)溫體積單元內(nèi)部。管坯入爐后在爐膛內(nèi)前進(jìn)，每移動(dòng)到一個(gè)位置，測(cè)溫體積單元中布置的溫度傳感器都會(huì)對(duì)該處的溫度進(jìn)行記錄，由此可以等效得到整個(gè)加熱區(qū)的溫度分布情況。

為了能夠全面監(jiān)測(cè)管坯整體的溫度變化， 該區(qū)域所需的測(cè)溫點(diǎn)的分布情況如圖1 所示。 共設(shè)置9個(gè)測(cè)溫點(diǎn)，其中5 個(gè)測(cè)溫點(diǎn)沿軸向分布，中部沿周向設(shè)置3 個(gè)測(cè)溫點(diǎn)，最后一個(gè)測(cè)溫點(diǎn)布置在后端。

圖1 測(cè)溫點(diǎn)分布示意圖

由于管坯在步進(jìn)式正火爐內(nèi)的行進(jìn)方式是旋轉(zhuǎn)式橫向移動(dòng)， 對(duì)于布置在管坯上的測(cè)溫?zé)犭娕技纫Ｗo(hù)其在管坯的旋轉(zhuǎn)式橫向移動(dòng)的過(guò)程中不受擠壓， 還要保證熱電偶可以準(zhǔn)確探測(cè)到管坯內(nèi)部的溫度數(shù)值?；谝陨闲枨?，設(shè)計(jì)一種管坯測(cè)溫?zé)犭娕疾贾梅桨福ㄈ鐖D2 所示），在管坯上切開(kāi)方形缺口，在切下來(lái)的方塊截面處鉆有熱電偶測(cè)溫孔， 用于放置熱電偶測(cè)溫端。

圖2 熱電偶布置示意圖

如圖3 所示，將熱電偶從管坯內(nèi)部穿入，測(cè)溫端布置在切下來(lái)的方塊內(nèi)，待熱電偶布置完畢后，將方塊依次放回管坯缺口處焊接牢固， 即完成了管坯測(cè)溫點(diǎn)布置工作。

圖3 管坯熱電偶布置示意圖

1.2 測(cè)試設(shè)備

測(cè)試用“黑匣子”由爐溫測(cè)試儀和隔熱系統(tǒng)組成（見(jiàn)圖4、圖5），爐溫測(cè)試儀型號(hào) TR1400，精度全量程±0.5 ℃， 隔熱系統(tǒng)為環(huán)形圓筒狀隔熱系統(tǒng)內(nèi)裝滿(mǎn)水，對(duì)裝在內(nèi)部的爐溫測(cè)試儀起保護(hù)作用。

測(cè)試用電偶為鎧裝N 型熱電偶，等級(jí)I 級(jí)，測(cè)溫范圍 0～1 300 ℃，數(shù)量 9 支[5]。

1.3 測(cè)試過(guò)程

（1）測(cè)試溫度為 1 080 ℃；

圖4 隔熱系統(tǒng)實(shí)物圖

圖5 爐溫測(cè)試儀實(shí)物圖

（2）測(cè)試時(shí)間為 240 min；

（3）對(duì)照方案所述，在相應(yīng)位置固定測(cè)溫?zé)犭娕迹?/p>

（4）將熱電偶冷端的正負(fù)極與爐溫測(cè)試儀的正負(fù)極一一對(duì)應(yīng)相連接， 并記錄下?tīng)t溫測(cè)試儀的通道數(shù)與測(cè)溫點(diǎn)的對(duì)應(yīng)關(guān)系；

（5）調(diào)試爐溫測(cè)試儀，確認(rèn)設(shè)備工作正常后將爐溫測(cè)試儀的記錄間隔設(shè)置為10 s；

（6）控制步進(jìn)式正火爐升溫達(dá)到預(yù)定的測(cè)試溫度并穩(wěn)定；

（7）控制黑匣子爐溫測(cè)試系統(tǒng)隨負(fù)載一起送入爐內(nèi)，隨行記錄在整個(gè)爐膛內(nèi)移動(dòng)過(guò)程中的溫度變化；

（8）測(cè)試結(jié)束后，取出爐溫測(cè)試儀，通過(guò)與計(jì)算機(jī)相連， 把爐溫測(cè)試儀中保存的數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中，分析各通道的溫度值和溫度曲線(xiàn)。

2 測(cè)試結(jié)果分析

根據(jù)《AMS2750E 高溫測(cè)量》第 3.5.13.3.3 條，取保溫段連續(xù)30 min 以上數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。 保溫曲線(xiàn)如圖 6、圖 7 所示。

圖6 1 080 ℃總體升溫曲線(xiàn)圖

圖7 均熱段溫度曲線(xiàn)圖

從圖7 可以看出， 管坯從入爐開(kāi)始溫度逐漸升高，直至與爐氣設(shè)定溫度達(dá)到平衡，穩(wěn)定于1 080 ℃左右。 溫度上升段各傳感器所記錄的溫度變化曲線(xiàn)整體趨勢(shì)一致，溫度上升速率略有差別，這主要是由于測(cè)溫點(diǎn)位置不同所致。 當(dāng)管坯溫度與爐氣溫度整體達(dá)到平衡之后，各傳感器間記錄的溫度基本一致，各測(cè)溫點(diǎn)記錄的溫度數(shù)據(jù)偏差均在±10 ℃之內(nèi)。

3 結(jié)論與效果

通過(guò)設(shè)計(jì)一種有效的管坯內(nèi)部溫度測(cè)試方法，采用自研的黑匣子爐溫測(cè)試系統(tǒng)， 完成了步進(jìn)式管坯加熱溫度均勻性測(cè)試， 得到了管坯內(nèi)部各點(diǎn)溫度實(shí)時(shí)變化曲線(xiàn)， 解決大型連續(xù)爐爐溫均勻性測(cè)試及運(yùn)動(dòng)管件的表面和內(nèi)部溫度測(cè)量問(wèn)題。 系統(tǒng)滿(mǎn)足能在1 080 ℃條件下連續(xù)工作達(dá)4 h 左右，綜合精度指標(biāo)符合ASM2750E 的要求。 為大型連續(xù)爐鋼管熱處理過(guò)程的爐溫均勻性測(cè)試提供了一種滿(mǎn)足AMS2750E 要求且有效的解決方案。