劉 越

(天津工程機械研究院，天津 300409)

熱處理是提高機械零件質(zhì)量和延長使用壽命的關(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)備才能實現(xiàn)。熱處理爐是實現(xiàn)金屬熱處理工藝的主要設(shè)備，沒有高精度，高性能的熱處理爐就很難實現(xiàn)先進的熱處理工藝。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、補償導(dǎo)線和溫度儀表組成，同時增加溫度記錄儀用來記錄和監(jiān)測爐溫，其中溫度傳感器、補償導(dǎo)線和控溫儀表參與溫度控制，每個環(huán)節(jié)出問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加觸摸屏用來進行溫度控制和顯示，是熱處理爐的核心元件。在控溫系統(tǒng)設(shè)計報警時，推薦用控溫儀表或者PLC做偏差報警，用記錄儀或者其他監(jiān)控儀表做上限報警。這樣分開做兩個報警能形成雙保險，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死機時，設(shè)備溫度過高后無法報警的現(xiàn)象?？販貎x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級精度的儀表，二類以下設(shè)備選用0.3級精度儀表均可滿足?？販貎x表也需要定期檢驗，所得到的誤差數(shù)據(jù)可以通過溫度補償功能進行修正。

控溫儀表均帶有溫度補償功能，用以修正系統(tǒng)中其他元件和自身所帶來的誤差。此功能對于爐溫均勻性的調(diào)整能起到至關(guān)重要的作用。溫度補償功能可以直接影響爐內(nèi)溫度，所補償?shù)臏囟葧苯幼饔玫絻x表上，從而影響爐內(nèi)溫度。要注意的是，使用溫度補償功能時爐內(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，在溫度補償參數(shù)中設(shè)置為+2 ℃，儀表此時顯示為602 ℃，由于顯示溫度超過設(shè)定爐溫600 ℃，所以儀表會控制爐內(nèi)溫度下降2 ℃，直到儀表顯示為600 ℃，此時爐內(nèi)溫度降為598 ℃。簡單地說就是想讓爐內(nèi)溫度升高2 ℃，則在溫度補償參數(shù)中設(shè)定-2 ℃，想讓爐內(nèi)溫度下降2 ℃，則在溫度補償參數(shù)中設(shè)定+2 ℃?？販貎x表的溫度補償功能基本上都是設(shè)定后所有溫度都起作用，不能分溫度段進行補償，但是如果選用PLC控溫，在設(shè)計溫度補償程序時一定要做成分段補償。分段補償至少需要做到每間隔100 ℃能夠補償一次，或者根據(jù)實際情況能夠靈活配置。分段補償能在做爐溫均勻性時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)分度號的熱電偶，如果設(shè)備工作溫度與熱電偶分度號不匹配將產(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)時輸出熱電勢很小，當(dāng)電勢小時，對抗干擾措施和二次表要求很高，否則測量不準(zhǔn)。在中低溫度時，一般使用熱電阻測溫范圍為-200～500 ℃。選擇熱電偶時不僅需要考慮工作溫度還要考慮爐內(nèi)特殊氣氛，如強氧化、強還原和真空環(huán)境。

熱處理設(shè)備溫度傳感器需要定期送到具檢測資質(zhì)的第三方檢測機構(gòu)校驗，并出具檢測報告，如果檢測結(jié)果誤差較大請及時更換，誤差較小時可以通過控溫儀表進行補償。在檢測時需要拆卸傳感器外殼，容易造成固定螺絲松動，使用時可能對系統(tǒng)精度產(chǎn)生影響，檢測完畢后要及時檢查固定螺絲。在設(shè)備中插拔溫度傳感器時需要做好位置標(biāo)記，如果插拔前后位置變化很大會對爐溫均勻性造成很大影響。同時還需要定期檢測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 補償導(dǎo)線

補償導(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勢相同標(biāo)稱值的一對帶有絕緣層的導(dǎo)線，用它們連接熱電偶與測量裝置，以補償它們與熱電偶連接處的溫度變化所產(chǎn)生的誤差。

補償導(dǎo)線是用于將熱電偶冷端延長至遠(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傳輸給儀表。

補償導(dǎo)線分延長型和補償型，而常用的是補償型補償導(dǎo)線，它用字母“C”附加在熱電偶分度號之后表示，例如“KC”。熱電偶需要匹配相應(yīng)型號的補償導(dǎo)線，如果用普通導(dǎo)線替代補償導(dǎo)線則起不到補償作用，如果選錯補償導(dǎo)線型號則可能造成更大誤差。如果傳感器是熱電阻則不需要補償導(dǎo)線。補償導(dǎo)線和熱電偶均分正負(fù)，在接線時正負(fù)切不可接反，否則會產(chǎn)生較大誤差，一般補償導(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)境溫度較高時還需選擇帶高溫補償導(dǎo)線。補償導(dǎo)線分普通級和精密級，兩者的誤差還是比較大的。比如常用的K型熱電偶的補償導(dǎo)線KC普通級在200 ℃時的允許誤差是±2.5 ℃，而精密級則是±1.5 ℃。在系統(tǒng)精度要求較高時盡量選擇精密級的補償導(dǎo)線。如果現(xiàn)場干擾源比較多，比如變頻器驅(qū)動的電機動力電纜，大功率整流裝置等，則需要選擇帶屏蔽層的補償導(dǎo)線。在接線時屏蔽層須一端接地，兩端同時接地時容易產(chǎn)生電勢差反而會產(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定時送檢，但是補償導(dǎo)線這個環(huán)節(jié)卻很容易被遺忘。一是補償導(dǎo)線鋪設(shè)安裝，一般固定無法移動；二是補償導(dǎo)線不屬于儀器儀表不在檢測范圍。而恰恰是這個容易被忽略的地方會造成系統(tǒng)誤差，而且非常不容易被發(fā)現(xiàn)。曾遇到一個時效爐系統(tǒng)精度不正常，而熱電偶和控溫儀表均正常，在做爐溫均勻性實驗時做了三次都不合格，爐內(nèi)實際溫度與儀表顯示差別很大，更換補償導(dǎo)線后問題解決。補償導(dǎo)線的使用環(huán)境一般都比較惡劣，比如高溫、潮濕、強氧化性氣體，時間長了以后會發(fā)生氧化、老化的現(xiàn)象，傳遞信號時會造成較大誤差，且每個階段的溫度誤差都不相同，一般測量溫度越高誤差越大，這種情況下儀表無法進行補償，只能更換補償導(dǎo)線。檢測人員和設(shè)備維護人員需要特別注意，在系統(tǒng)精度有問題且找到不到原因時應(yīng)檢測補償導(dǎo)線是否正常。同時在做均勻性檢測前應(yīng)檢測補償導(dǎo)線，在保證顯示儀表正常的情況下，用信號發(fā)生器在熱電偶端發(fā)出幾個設(shè)備常用溫度所對應(yīng)的電動勢，觀看儀表顯示是否在誤差允許范圍，并記下誤差以便通過儀表進行人工補償。

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，經(jīng)常拆卸、安裝熱電偶和補償導(dǎo)線會造成熱電偶接頭松動，所以許多設(shè)備的熱電偶和補償導(dǎo)線連接時會使用快速插頭連接，以方便拆卸和安裝。使用快速插頭時應(yīng)選擇與熱電偶同型號的插頭，使用普通航空接頭或普通接線端子時可能造成較大誤差，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

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參數(shù)，選擇正確的溫度傳感器的型號，否則將會造成很大誤差。

2.2 報警參數(shù)

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

2.3 PID參數(shù)

在烘爐結(jié)束后，需要重新運行設(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。進行PID參數(shù)自整定時，需設(shè)定儀表溫度為設(shè)備的常用溫度，然后開啟自整定模式，系統(tǒng)會自己算出適合當(dāng)前設(shè)備運行環(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，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)上手動進行調(diào)整。合適的PID參數(shù)能讓設(shè)備在升溫時不會超溫，且保溫階段溫度曲線平穩(wěn)不波動。

2.4 風(fēng)機參數(shù)

如果設(shè)備中存在變頻器控制的大功率風(fēng)機的話，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，因為溫度越高爐內(nèi)空氣越稀薄，此時需要風(fēng)扇的快速轉(zhuǎn)動以帶動爐內(nèi)的空氣快速循環(huán)。但是在低溫段使用時，變頻器頻率設(shè)置過高的話，風(fēng)扇葉過高的轉(zhuǎn)速會產(chǎn)生大量的熱量，即便此時儀表超溫報警，加熱器已經(jīng)停止工作，爐內(nèi)溫度也會高于設(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)后可在儀表溫度補償參數(shù)中提前修正。然后再做爐溫均勻性實驗時進一步修正。如果是PLC控溫在則可以在當(dāng)前溫度立即進行補償。如果是普通控溫儀表控溫，則需要整體做完每個所需要測量的溫度后，綜合每個測量溫度的誤差進行補償。

例如一臺額定溫度為500 ℃的二類電阻爐，爐溫均勻性要求為±3 ℃。測溫溫度為300、500 ℃，測溫點為9個。在測溫時一定要等系統(tǒng)溫度升到設(shè)定溫度且穩(wěn)定一段時間后再讀取數(shù)值?？販?zé)犭娕紴榱吮ＷC一定的機械強度和較長的使用壽命，一般是鎧裝且直徑比較粗，而測溫?zé)犭娕家话阒睆奖容^細(xì)，為3 mm以下，對于環(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，可能測溫?zé)犭娕嫉臏囟惹€波動比較大，此時應(yīng)手動調(diào)整控溫儀表的PID參數(shù)使測溫?zé)犭娕嫉臏囟惹€趨于平緩波動范圍在所測溫度的±3 ℃以內(nèi)。在300 ℃測溫時，溫度最高的測量熱電偶波動范圍為298～300 ℃，溫度最高的測量熱電偶波動范圍為295～297 ℃。其他測溫?zé)犭娕季鶟M足要求。因為爐溫均勻性要求為±3 ℃，所以300 ℃允許的波動范圍為297 ～303 ℃。此時需要在溫度補償參數(shù)中設(shè)置-3 ℃。此時爐內(nèi)溫度上升3 ℃，理想狀態(tài)下兩只熱電偶的波動范圍將會變?yōu)?01～303 ℃和298～300 ℃。此時的溫度已在要求范圍之內(nèi)。而在500 ℃時，溫度最低的測量熱電偶波動范圍為498～500 ℃，溫度最高的測量熱電偶波動范圍為500～504 ℃。此時需要在溫度補償參數(shù)中將之前的-3 ℃設(shè)置為-2 ℃，此時爐內(nèi)溫度下降1 ℃，理想狀態(tài)下兩只熱電偶的波動范圍將會變?yōu)?97～499 ℃和499～503 ℃，而300 ℃時的兩只熱電偶的波動范圍將會變?yōu)?00～302 ℃和297～299 ℃，此時300 ℃和500 ℃的溫度波動范圍均在允許范圍之內(nèi)。為了保證實驗的準(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試，此次不需要再調(diào)整參數(shù)，如果實驗結(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試，因為PLC溫度補償是分段的互不影響，更改后面所測溫度的溫度補償參數(shù)不會影響到前面已經(jīng)測完的溫度。而實際中的情況比例子中要復(fù)雜，但原理都是一樣的，綜合各項參數(shù)將測量數(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溫?zé)犭娕颊`差較大無法通過溫度補償參數(shù)進行修正，則需要考慮機械結(jié)構(gòu)的問題，例如密封性和空氣循環(huán)效果等因素。

3 結(jié) 語

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，在日常維護中應(yīng)按規(guī)定定時對設(shè)備元器件進行檢測，并分析檢測報告和實驗數(shù)據(jù)，熟知設(shè)備的各種性能，選擇最優(yōu)的方式解決各種問題。