箱式退火爐爐溫過沖問題研究

李春曦，馬 維，李顯通，何江波

（寶鈦集團有限公司，陜西 寶雞 721000）

退火是一種金屬熱處理工藝，是將金屬按工藝溫度、工藝時間，以及冷卻速率的熱處理方法[1]。其目的是，降低硬度，軟化工件，改善切削加工性；改善或消除金屬在鑄造、鍛壓、軋制和焊接過程中造成的各種組織缺陷。

某集團鍛造廠有一臺高精度棒材箱式退火爐，爐體外殼采用型鋼及鋼板焊接而成，爐體為耐火磚和保溫棉結構，爐底由于承重采用高鋁耐火磚砌筑，加熱體選用HRE 電阻絲，控溫熱偶為高精度的R 型熱偶，溫控系統采用PID 可控硅控制。

箱式退火爐的有效加熱區是其爐膛內滿足熱處理工藝要求的允許裝料的區域，該箱式退火爐的有效加熱區域是一個立方體，如圖1 所示。

圖1 箱式退火爐有效加熱區域示意圖

圖1 中1、2、3、4、9、10、11、12 點為該爐立方體狀有效加熱區域的8 個頂點，13、15 點分別為面1、2、3、4和面9、10、11、12 的對角線的交點。5、6、7、8 位置為立方體各棱的中點，點14 為面5、6、7、8 的對角線交點。

此箱式退火爐的溫度標定是在如圖1 中的15 個點的位置各安裝一根測溫熱偶，通過15 根熱偶記錄在空爐未裝材料的情況下升溫到指定溫度的時間段內各點的溫度數據[2]。

兩年前該箱式退火爐進行過大修，大修內容包括整體更換電阻絲、保溫棉、耐火磚和優化溫控系統，在大修完成后進行的有效加熱區標定溫度的數據中，加熱爐設定溫度為800 攝氏度，收取數據間隔為1 分鐘，各測溫點溫度到達峰值時間較控溫儀表到達峰值時間滯后1 到3 分鐘。其中溫度最高點為9 點，在+2 分鐘的805.4 攝氏度。在各點溫度到達峰值之后的1 到3分鐘內，后續測溫數據顯示其溫度均有所回落。

在大修后使用兩年后的一次標溫測試中，各測溫點溫度到達峰值時間較控溫儀表到達峰值時間滯后2到4 分鐘。最高溫度點為1 點，在+3 分鐘的809.2 攝氏度。在各點溫度到達峰值之后的1 到2 分鐘內，后續測溫數據顯示其溫度均有所回落。

通過兩次溫度標定的結果可知，箱式退火爐在使用了兩年后，在箱式退火爐控溫儀表溫度到達設定溫度和后續保溫狀態時，其有效加熱區域的實際溫度有所升高。

根據企業內部標準要求，該箱式退火爐在加熱過程中，控溫儀表到達設定溫度數值的前后的時段內，爐內有效加熱區域的溫度應在設定溫度的+10 攝氏度的范圍內，若超過10 攝氏度，則稱為升溫過沖。對比兩年前和最近一次標溫數據，該箱式退火爐有效加熱區域有爐溫過沖超過10 攝氏度的趨勢。為了保證箱式退火爐性能正常，確保產品質量，鍛造廠需要解決箱式退火爐升溫過沖的問題。

1 改造方案

在查閱了相關退火爐出廠資料和歷次大、中、小修改造資料后，對箱式退火爐的結構和控制方式進行了匯總和分析，箱式退火爐爐膛內截面圖如圖2 所示。

圖2 箱式退火爐爐膛內截面示意圖

如圖2 中箱式退火爐結構，有效加熱區是緊貼在爐底料架之上的一塊區域，爐膛內電阻絲均勻分布在側墻、爐門、爐膛后墻和爐底各部分，控溫熱偶安裝在爐膛頂部中間位置。

箱式退火爐的本質也是一臺電加熱爐，它的控制系統原理圖為圖3。

圖3 加熱爐控制原理

其中該箱式退火爐的控制裝置為型號是3504 的歐陸表。為了抑制箱式退火爐到溫過沖的問題，結合控制原理圖，分析出可以通過以下方式對加熱爐進行處理[3]：

1.1 在溫控儀上進行調節

在溫控儀上進行參數調節，可以通過調節PID 參數對爐膛內有效加熱區域的溫度進行調節。PID 就是“比例（proportional）、積分（integral）、微分（derivative）”。P 比例調節：是依據“偏差的大小”來動作，它的輸出與輸入偏差的大小成比例，比例調節及時有力但有余差。I 積分調節：依據“偏差是否存在”來動作，它的輸出與偏差對時間的積分成比例，其作用是消除余差。D 微分調節：是依據“偏差的變化速度”來動作，它的輸出與偏差的變化速度成比例，其效果是阻止被調參數的一切變化，有超前調節作用。

箱式退火爐現有PID 參數針對的是整個加熱過程來進行控制的，生產現場由于受到連續不間斷生產的需求，箱式退火爐的起始溫度和目標溫度都較為隨機，每個加熱工序的爐膛內部升溫溫差也不盡相同，采用同一套PID 參數必定會產生不可消除的系統誤差，從而會對不同升溫過程造成控制精度上的負面影響。

3504 歐陸表為溫度控制預留了分段設置PID 參數的功能，結合實際加熱工藝，為了提高控制精度，準備采用溫控儀在到溫過程中的前半個小時內，采取每分鐘將目標溫度提高1 攝氏度的方法，比如加熱工藝為花費兩個小時將箱式退火爐內溫度從500 攝氏度升溫至800 攝氏度，加熱爐的升溫過程即分成兩個階段：階段1，500 攝氏度升溫至770 攝氏度，用時1.5 小時；階段2，770 攝氏度升至800 攝氏度，用時0.5 小時，而在第二階段中的0.5 小時內，第一分鐘溫控儀目標溫度為771 攝氏度，第二分鐘溫控儀目標溫度為772 攝氏度……以此類推到第三十分鐘溫控儀目標溫度為800 攝氏度。與此同時為了抑制溫度過沖，還可以通過溫控儀設置，針對兩個階段不同的升溫特點，分別儲存一套低溫階段和高溫階段的PID 設定，加強抑制過沖的效果。

1.2 對箱式退火爐爐絲及保溫材料進行維修

箱式退火爐的溫度控制是過程控制。由于傳熱問題的復雜性，箱式退火爐具有非線性、時變性、大滯后、不對稱等特點。它的滯后主要是容積滯后，爐體的結構、容量、測溫元件等因素都影響著滯后的大小；而在使用過程中，隨著溫度的升降，加熱元件的特性發生變化，保溫絕熱材料會逐漸老化，環境也在不斷變化，因而爐溫特性是時變的；又因為絕大多數電加熱爐都是在溫度上升時強迫加熱，而溫度下降時則自然冷卻，所以其溫度特性是不對稱的；另外由于爐溫取決于加熱元件的發熱量、散熱量和負荷的情況，發熱時間總比傳熱時間短得多，所以爐溫動態特性主要由傳熱過程決定，傳導、對流、輻射三種的傳熱方式都在起作用[4]，只是在不同溫區所占比例不同，三者中只有傳導是線性的，輻射是絕對溫度的四次方，對流則更加復雜，故電加熱爐是一個本質非線性的系統。

此箱式退火爐的現況更加復雜：這兩年中，經過統計，共維修電阻絲5 次，保溫材料包括耐火磚維修次數為8 次。所以對箱式退火爐進行整體更換電阻絲和更換耐火磚、保溫棉，恢復爐膛保溫性能是有必要的。

1.3 對控溫熱偶測溫數據進行補償修正

控溫熱偶在進行周期校驗后有一個修正值，本方案計劃在這個修正值的基礎上進行一個額外的補償修正，可以起到減少爐溫過沖的作用。

1.4 爐膛內增加均熱風扇

現有箱式退火爐的加熱是靠熱傳導、熱對流和熱輻射三種方式共同作用在爐膛內進行的。此方案通過安裝均熱風扇，讓風扇轉動加速帶動爐膛內部的熱氣流通，起到增強對流使得爐膛內的溫度更加均勻。在爐膛內均溫性更好的情況下，可以使控溫熱偶測溫的滯后得到一定程度上的減緩，也就能直接或間接降低有效區域內溫度過沖的情況。

1.5 調整有效加熱區域范圍

退火爐有效加熱區是退火爐出廠時或大修后針對綜合性能測試后劃定的一個區域，從標溫結果中可知，點13、14、15 的過沖值較其他點都比較低，標定溫度數據的規律基本遵循距離控溫偶越近的點，溫度越準確，過沖越小。所以在使用兩年后，通過縮小有效加熱區域到一定范圍，也可以起到讓過沖值變得更小的作用。

1.6 控溫熱偶調整位置

此箱式退火爐的有效加熱區域的特點是較為扁平，控溫熱偶如圖3 所示，處于爐膛內頂部中心線上，水平位置距離電阻絲為1.2 米，而根據鍛造廠其余幾十臺電阻爐的有效加熱區域情況來看，控溫熱偶水平方向距離電阻絲的距離普遍集中在0.7～0.9 米之間，所以通過改變控溫熱偶水平方向上的距離，從一定程度上降低了控溫熱偶測溫的滯后，也可以起到縮小爐溫過沖的作用。

2 方案試驗

對以上提出的六種解決方案，利用箱式退火爐檢修的空閑時間進行效果檢驗。檢驗采用控制變量的方法進行試驗來檢驗效果，以下試驗階段廠房內溫度在21 攝氏度，未裝爐，與使用兩年后標定溫度時的退火爐內外狀態相同。

試驗1：調整3504 歐陸表的PID 參數和分段加熱設置。

以目標溫度為800 攝氏度為例，當爐內溫度上升至770 攝氏度時，在歐陸表上設置一段單獨的升溫速率，使爐膛內溫度每分鐘提高一攝氏度，對此過程的標定溫度進行收集。各測溫點溫度到達峰值時間較控溫儀表到達峰值時間滯后1 到3 分鐘。每個測溫點的最高溫度都有所下降，幅度在1.7 攝氏度到2.7 攝氏度之間。標溫結果最高溫度點為1 點，在+2 分鐘的807.5 攝氏度。在各點溫度到達峰值之后的1 到2 分鐘內，后續測溫數據顯示其溫度均有所回落。

試驗2：箱式退火爐加熱爐絲、保溫材料和耐火磚維修。

受時間、成本等限制，此試驗可在下次箱式退火爐相關大、中修時進行。

試驗3：補償修正控溫熱偶測溫數據。

在調回箱式加熱爐試驗1 前的PID 參數后，對控溫熱偶進行溫度補償設置。結合標溫結果，針對4 個加熱區中的加熱數據分別進行溫度補償。

四支控溫熱偶按從爐門到爐后墻的順序的原修正值分別為，-1 攝氏度，-2 攝氏度，+1 攝氏度和+1 攝氏度。針對使用兩年后標定溫度結果中的最高溫度偏差情況進行修正，分別增加+3 攝氏度的修正值。各測溫點溫度到達峰值時間較控溫儀表到達峰值時間滯后1到4 分鐘。每個測溫點的最高溫度都有所下降，幅度在0.5 攝氏度到1.8 攝氏度之間。標溫結果最高溫度點為3 點，在+3 分鐘的806.6 攝氏度。在各點溫度到達峰值之后的1 到2 分鐘內，后續測溫數據顯示其溫度均有所回落。

試驗4：在爐膛內增加均熱風扇。

爐膛內增加均熱風扇參考其他加熱爐的方案，如圖4 所示。

圖4 帶水冷系統的均溫風扇示意圖

圖4 中的均熱風扇不僅需要在爐體上安裝風扇，還需為其冷卻系統設計一套自動化控制系統來控制水箱中水位和水溫。均溫風扇在爐門打開時需要停轉，減少熱量外逸；爐膛內溫度較低時可以高速旋轉，加強均溫效果；爐膛溫度升高后降低轉速，保護風扇葉片不會因高溫發生變形。

考慮到本箱式退火爐的有效加熱區域范圍，均溫風扇可以增加2-3 個。建議在下次設備相關大、中修改造中進行。

試驗5：對有效加熱區域范圍進行調整。

不進行其他改造，直接調整有效加熱區域范圍是最簡單、最直接的使其最高溫度降低的方法。通過對該爐膛內各點的測試，水平方向上將有效加熱區域縮小0.5 米，可以降低最高溫度約2 攝氏度。需要注意的一點是豎直方向上的有效區域范圍由于工件在爐膛中需要放置在料架上，所以變動豎直方向上的有效區域需要同步更換不同高度的料架。

試驗6：調整控溫熱偶位置

對比其他加熱爐熱偶和側墻爐絲的距離，將控溫熱偶向偏測溫點1、2 的方向挪動0.5 米。在爐頂重新開孔，固定熱偶后，再次進行標定溫度。各測溫點溫度到達峰值時間較控溫儀表到達峰值時間滯后1 到3 分鐘。每個測溫點的最高溫度都有所下降，幅度在2.5 攝氏度到4.7 攝氏度之間。標溫結果最高溫度點為5 點，在+2 分鐘的805.4 攝氏度。在各點溫度到達峰值之后的1 到2 分鐘內，后續測溫數據顯示其溫度均有所回落。

3 結論

通過對方案1、方案3、方案5 和方案6 的嘗試，其中方案6 的效果最好，可以作為解決此箱式退火爐有效區域內過沖問題的方案；方案1 的效果較好，可以作為備選方案；方案3 在控溫偶本身修正值的基礎上又進行了主觀修正，效果一般，不建議作為改造方案；方案5 直接對有效加熱區域進行縮小，屬于實施難度和花費最小的方案，但在更改有效加熱區域與集團公司設備使用維護規程中的規定上存在沖突。方案2 和方案4 更換耐火磚、保溫棉和加熱爐絲，并對箱式退火爐進行改造加裝均溫風扇，需要對箱式退火爐整體進行維修和改造，建議于箱式退火爐的下一個大修周期中進行。