S35C型板坯連續式熱處理爐爐溫均勻性測試與分析

閔健，賈軍偉，李鵬，李紹飛，盧曉勃，李崢，崔鴻飛，李偉，劉展，賈金成

（1.北京東方計量測試研究所，北京100094；2.北京空間機電研究所，北京100094）

0 引言

連續式熱處理爐廣泛應用于航空、航天、航海、汽車、武器裝備等工業生產制造領域，要保證工件、零部件的高強度、高韌性、抗腐蝕、抗疲勞等性能，必須對其原材料、成型工件進行熱處理。熱處理爐的控溫精度和均勻性，對熱處理工藝起到至關重要的作用。連續式熱處理爐可實現鋼坯等工件的批量高效熱處理，但是其體積比較龐大，并且處理的板坯隨輥道實時移動，傳統的插入式傳感器測試不能隨板坯移動，不能實時測試板坯的溫度，紅外測溫儀只能測工件表面溫度，不能測工件內部溫度和連續爐的TUS特性。本文采用自研的黑匣子爐溫測試系統，設計一種在大型連續爐內板坯的熱處理過程中的溫度均勻性測試方案并完成測試。

1 “黑匣子”爐溫測試儀

爐溫測試儀（如圖1）通過高精度轉換電路將采集到的熱電偶信號轉換成溫度信號并存儲，集成單按鈕開關功能，具備多路測溫通道，能在高溫環境下保持較高穩定性，可兼容多種廉金屬和貴金屬熱電偶傳感器，測溫準確度較高，采樣周期連續可調，連續記錄時間較長，存儲空間較大。專門設計了多級熱防護箱（如圖2）搭配此爐溫測試儀使用，對爐子溫度和鋼坯溫度實時跟蹤測試，驗證爐溫均勻性和熱處理工藝有效性。

圖1 爐溫測試儀

圖2 多級熱防護箱

1.1 “黑匣子”數據分析管理軟件

通過數據分析管理軟件，可以更改爐溫測試儀的采樣周期、溫度保護、傳感器類型、通道補償等參數，如圖3（a）所示，存儲的數據也可快速導出，本地備份，避免數據丟失。溫度顯示界面，如圖3（b），可實時顯示測量溫度。圖形分析功能，可將記錄的溫度數據，繪制成溫度曲線，最高溫度、最低溫度升溫速率等信息直觀明確，如圖3（c）為圖形化數據分析界面。

1.2 溫度傳感器

本次采用13支非易耗型鎧裝N型熱電偶，等級為工業1級，并經過實驗室計量校準［3-4］，記錄相應的修正因子。

圖3 數據分析管理軟件界面

2 爐溫測試條件和過程分析

2.1 爐溫測試條件

S35C型板坯連續式熱處理爐已投產運營3年，主要用于S35C型模具鋼板坯熱處理。爐長126 m，爐寬4.6 m，爐高3 m，30個控溫區，分為預熱段、加熱段及均熱段。工作溫度范圍450～950℃，均勻性指標±8.0℃，爐子等級為3級［1］。

為驗證熱處理爐爐溫均勻性是否符合工藝要求，依據 AMS2750E《高溫測量》第3.5.5條分別選取450，730，950℃三個溫度點分別進行3次爐溫測試［2］。測量方法采用AMS2750E標準中的“體積法”。根據爐子實際情況和測試要求，［3-4］實驗鋼種選用S35C型模具鋼，規格為：6000 mm（長）×3500 mm（寬）×100 mm（高）。

2.2 過程分析

根據標準確定鋼坯體積法［5-7］所需的測溫點的分布情況，鋼坯內部共設置3個測溫截面，11個測溫點。此外，為了監測爐溫變化情況，在鋼坯上下表面各增加1個測溫點。如圖4所示，第1，4，7，9點的深度為20 mm；第2，6，10點的深度為50 mm；第3，5，8，11點的深度為80 mm；12點測試鋼坯上表面溫度，13點測試鋼坯下表面溫度。

圖4 熱電偶位置

將“黑匣子”爐溫測試儀和防護箱安裝在圖5所示位置上。

圖5 黑匣子安裝位置

將“黑匣子”進行編程調試，將爐溫測試儀和熱電偶的修正因子加入到測試系統內部，對整個測溫系統進行溫度修正［8-10］；溫度設定為每分鐘記錄一次，將熱電偶與“黑匣子”一一對應連接，并記錄下“黑匣子”的通道與測溫點的對應關系。將爐子30個溫區的溫度分別設定為450，730，950℃。待爐溫穩定后將測試鋼坯通過輥道送入爐內。按熱處理工藝設定輥速，讓試驗鋼坯勻速行進，直至鋼坯出爐，在噴淋機下噴水冷卻后將黑匣子取出，通過與計算機相連，把“黑匣子”中保存的數據傳輸到計算機中，打印出各通道的溫度值和曲線，進行數據分析與判斷。

溫度點1測試時預熱段、加熱段和均熱段都設定450℃。當爐子達到設定溫度后，保溫30 min后將測試鋼坯送入爐內。設定輥速，試驗鋼坯從入爐至出爐共歷經347 min。測試結果見圖6和圖7。

圖6 總體升溫曲線

圖7 均熱段曲線

從圖6和圖7中可以看出鋼坯從入爐開始，溫度逐漸升高，直至與爐氣設定溫度達到平衡，穩定于450℃左右。溫度上升段各傳感器所記錄的溫度變化曲線整體趨勢一致，溫度上升速率略有差別，這主要是由于測溫點不同所致。當鋼坯溫度與爐氣溫度整體達到平衡之后，各傳感器間記錄的溫度基本一致，各測溫點記錄的溫度數據偏差均在±8.0℃之內，可見爐溫均勻性較好。

溫度點2測試時預熱段、加熱段和均熱段都設定730℃。當爐子到達設定溫度后，保溫30 min后將測試鋼坯送入爐內。設定輥速，試驗鋼坯從入爐至出爐共歷經267 min。測試結果見圖8和圖9。

圖8 總體升溫曲線圖

圖9 均熱段曲線

從圖8和圖9中可以看出鋼坯從入爐開始，溫度逐漸升高，直至與爐氣設定溫度達到平衡，穩定于730℃左右。溫度上升段各傳感器所記錄的溫度變化曲線整體趨勢一致，溫度上升速率略有差別，這主要是由于測溫點不同所致。當鋼坯溫度與爐氣溫度整體達到平衡之后，各傳感器間記錄的溫度基本一致，各測溫點記錄的溫度數據偏差均在±8.0℃之內，可見爐溫均勻性較好。

溫度點3測試時預熱段、加熱段和均熱段都設定950℃。當爐子到達設定溫度后，保溫30 min后將測試鋼坯送入爐內。設定輥速，試驗鋼坯從入爐至出爐共歷經203 min。測試結果見圖10和圖11。

圖10 總體升溫曲線

圖11 均熱段曲線

從圖10和圖11中可以看出鋼坯從入爐開始，溫度逐漸升高，直至與爐氣設定溫度達到平衡，穩定于950℃左右。溫度上升段各傳感器所記錄的溫度變化曲線整體趨勢一致，溫度上升速率略有差別，這主要是由于測溫點不同所致。當鋼坯溫度與爐氣溫度整體達到平衡之后，各傳感器間記錄的溫度基本一致，各測溫點記錄的溫度數據偏差均在±8.0℃之內，可見爐溫均勻性較好。

3 結論

采用自研的“黑匣子”爐溫測試系統，依據AMS2750E《高溫測量》，選取爐子工作溫度450，730，950℃三個溫度點進行溫度均勻性測試。測試采用標準中推薦的體積法，在加載情況下測試了爐溫均勻性，測試結果表明黑匣子爐溫測試系統按照設計的方案完成測試要求，被測連續爐爐溫均勻性較好，滿足該板坯爐溫均勻性±8.0℃要求，為后續大型連續式加熱爐爐溫均勻性測試和板坯的熱處理工藝設計和技術驗證提供可靠的測試方法和測試依據。