感應透熱坯料溫度均勻度測定的研究和實踐

葛華山， 張永武， 丁富拓

1.西安電爐研究所有限公司 陜西西安 710061

2.國家電爐質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心 陜西西安 710061

3.蘇州振吳電爐有限公司 江蘇蘇州 215128

1 序言

感應透熱最早應用于炮彈坯料鍛前的加熱和退火，然后在汽車、拖拉機、工程機械、軸承及工具等許多行業(yè)中得到迅速推廣。現(xiàn)感應透熱主要用于鋼、鋁和銅等金屬坯料在鍛造、軋制、擠壓等熱加工前的加熱，以及鋼、鑄鐵等金屬材料和某些機械零件的熱處理。隨著環(huán)保意識的增強和電力供應的充足，感應透熱已在更多領域替代燃料加熱。

由于感應透熱裝置的加熱方式、品種和規(guī)格繁多且某些特殊性能的試驗又非常復雜，長期以來國內(nèi)外一直沒有該裝置的試驗方法和產(chǎn)品標準。在裝置眾多的性能參數(shù)中，坯料溫度均勻度對裝置用戶來講，是最重要、也是最復雜和最難測定的。

在前期預研的基礎上，2015年我國立項制訂了感應透熱裝置的試驗方法和產(chǎn)品標準兩項國家標準。2016年，在國標草案的基礎上，我國向IEC提出了“電熱和電磁處理裝置——感應透熱裝置試驗方法”新工作項目提案，后經(jīng)IEC/TC27各國投票獲得全票通過而立項，并組成了以葛華山為首，包括中國、德國、瑞典和挪威專家的PT 63078項目工作組，感應透熱裝置試驗方法的國標和相應IEC標準的制訂同步進行。感應透熱坯料溫度均勻度測定的研究和有關試驗也與此同步深入。由我國主導制訂的IEC 63078：2019[1]已正式發(fā)布，隨后上述兩 國標草案在技術上作相應修改后，已于2021年5月21日正式發(fā)布[2，3]，并于2021年12月1日實施。

2 熱成形工藝對坯料溫度的要求

坯料的溫度和溫度均勻度是熱成形工藝對坯料最重要的兩項要求。

坯料溫度應滿足熱成形工藝的要求。溫度過高會使坯料晶粒變粗，其最高溫度應與熔化溫度保持一定距離；溫度過低不利于熱成形且降低模具壽命。不同金屬材質(zhì)和不同熱成形工藝的一些典型溫度見表1[4]。額定坯料溫度為感應透熱設備設計時規(guī)定，并在銘牌上標出對某材質(zhì)坯料進行透熱所要求的溫度，可再考慮坯料的形狀、尺寸和不同的溫度均勻度要求（見表2）等確定。

表1 熱成形工藝的一些典型溫度 （℃）

坯料溫度均勻度為坯料經(jīng)加熱和保溫后出料時的溫度均勻程度，它與感應透熱裝置的工作頻率、加熱功率、傳熱時間和感應線圈的設計等有關。由于感應加熱的趨膚效應，熱量大部分在坯料表層產(chǎn)生后向內(nèi)傳遞，趨膚效應隨頻率增加而加極，因此根據(jù)坯料材質(zhì)和橫截面尺寸合理選用工作頻率尤為重要，可參見參考文獻[3]。

坯料溫度均勻度Δθb為坯料經(jīng)加熱和保溫后出料時的溫度均勻程度，以在坯料各測溫點上測得的溫度與坯料額定溫度的溫差（可正可負）范圍來表示。考慮到感應加熱時通常坯料的表層溫度比內(nèi)部的高，兩端比中間低，對圓形或長方形等的等截面長坯料也可用橫向（徑向）溫差Δθbt(r)和縱向溫差Δθbl來表示，分別為經(jīng)加熱和保溫后出料時坯料橫截面上邊緣部位與中心部位間的溫差（可正可負）范圍和坯料縱向方向上最高溫度與最低溫度之差。

坯料溫度均勻度分等指標見表2。表2中給出了以兩種不同方式表示的坯料溫度均勻度的分等指標，供不同材質(zhì)、形狀和尺寸的坯料和不同的工藝要求選用。

表2 坯料溫度均勻度分等指標

3 一般要求和測量條件

坯料內(nèi)的溫度場取決于由電磁感應而在坯料內(nèi)形成的渦流所產(chǎn)生的焦耳熱的分布、由熱傳導形成的坯料內(nèi)部溫度平衡和坯料表面熱損失等。

坯料溫度均勻度的測定除應按GB/T 10066.32—2021第4章“對試驗和試驗條件的基本要求”的有關規(guī)定外，還應符合以下補充要求。

1）坯料溫度均勻度的測定應在感應透熱設備已正常運行足夠長時間并確保已處于熱態(tài)后，在已完成的由制造廠和用戶商定的加熱和保溫工藝的坯料上進行。

2）溫度的測量應按GB/T 10066.1—2019《電熱和電磁處理裝置的試驗方法 第1部分：通用部分》的6.5及下面的補充規(guī)定。試驗用測溫儀表和溫度傳感器應是合適的并在被測溫度范圍內(nèi)進行校正并給出其修正值。坯料各測溫點的溫度測量應采用同一臺或同類和同規(guī)格的測溫儀表和溫度傳感器，并盡量同時或在最短時間內(nèi)完成。

3）試驗應采用符合裝置設計規(guī)定材質(zhì)、形狀和尺寸的實際坯料，表面應清潔、干燥、無氧化皮和明顯的毛刺，以精確測量表面溫度。

4）需指出的是，用于坯料加熱和保溫的溫控點位置對坯料溫度均勻度的測定有很大影響，通常宜位于加熱過程中坯料的最高溫度處。

4 測量方法

為適應不同需求和實際生產(chǎn)現(xiàn)狀，經(jīng)研究建立了以下三種測量方法 。

4.1 表面測量法

用紅外攝像儀、光學高溫計、示溫漆或接觸式熱電偶等對即將出料或剛出料的坯料測量各表面上或其上各規(guī)定測溫點處的溫度，從而測定坯料溫度均勻度的方法。該法簡單、方便，適用于各種加熱方式的感應透熱設備、一般試驗和實際生產(chǎn)，能大體反映坯料溫度的均勻程度。

感應透熱結束出爐的坯料溫度均勻度的測量尤其取決于可接近性、坯料表面狀況、不同的溫度和環(huán)境因素。

測量時應考慮和消除所測溫度受到下列因素的影響。

1）坯料表面輕微的變化（如表面粗糙度變化和表面上有無氧化皮和雜物等）都能引起發(fā)射率的強烈變化，從而導致信號誤差；宜在測溫前清除測溫處可能存在的氧化皮和雜物。

2）出爐坯料端面和棱邊的較快降溫。

3）采用紅外攝像儀和光學高溫計時，輻射通道上的介質(zhì)吸收和外來光干擾等。

4）采用接觸式測溫時，測溫頭與坯料表面的接觸緊密度和接觸時間的長短，接觸式熱電偶的使用及其固定可參見GB/T 10066.1—2019的 6.5.2。

5）不具有蘭伯特定律散射特性的表面能導致整個表面溫度測量錯誤。

6）坯料傳送方向的溫度均勻度與傳送速度有關。

應對以上這些因素的作用進行評估并寫入數(shù)據(jù)闡述報告中。

在采用示溫漆測溫時，應將其預涂于試驗坯料表面各規(guī)定測溫點處，其斑點大小應足以顯示各點的溫度或根據(jù)需要涂于整個坯料表面，以顯示其溫度分布。

在采用紅外測溫儀和光學高溫計時，其測溫探頭應盡量處于被測表面的法線方向上。

在條件適用時，推薦采用紅外攝像儀對坯料表面進行2D溫度測量，如用于測定坯料端面的橫向/徑向溫差；或者采用紅外線測溫儀定點測量通過運動坯料側表面中心的縱軸線上的溫度，以測定坯料側表面的縱向溫差，測量時紅外線測溫儀的響應時間應按坯料移動速度設定，該法可以避免使用紅外攝像系統(tǒng)時遇到的一些誤差。

4.2 熱電偶埋入測量法

按測溫點的要求將熱電偶埋入并定位于預先打好的位于試驗坯料表層或內(nèi)部的各小孔內(nèi)以測定坯料溫度均勻度的方法。該法可測量坯料的3D溫度分布，能可靠和連續(xù)監(jiān)測透熱過程中各點溫度的變化和精確測定坯料的溫度均勻度。但該測量法較復雜，打孔對坯料有損傷，以及熱電偶引線較多、較長等，僅適用于加熱時坯料固定不動的情況，并主要用于感應器的設計驗證以求得最佳的坯料溫度均勻度。用該法測得的數(shù)據(jù)可用于驗證其他兩個測溫法。該法不適用于較高頻率。

4.3 數(shù)值模擬法

建立在電磁場Maxwell方程和熱力場Fourier方程基礎上，并采用有限元法數(shù)值技術來處理由于坯料溫度變化所引起的非線性特性，以及電磁場和熱力場相互耦合過程的數(shù)值模擬，可求解和分析坯料的三維溫度分布，從而求得坯料的溫度均勻度。該法已成功用于感應透熱設備的優(yōu)化設計，以求得滿足熱成形工藝要求的坯料溫度分布，并可大大降低實驗費用和減少誤差。

該法應符合參考文獻[2]第7章“數(shù)值模擬”的一般要求，它的可行性和計算準確度應經(jīng)熱電偶埋入測量法驗證，并達到相應的或更好的準確度。

5 測溫點布置

測溫點應考慮坯料的形狀和大小、感應加熱的特點和實際測溫的便利和可操作性等因素合理布置。除非用戶另有要求，測溫點宜布置在坯料的端面和側面上，不宜布置在坯料的頂部、底部和較深的內(nèi)部。

在坯料表面上，測溫點離表面邊緣的距離Δ為5～10mm，視坯料尺寸大小而定。當采用熱電偶埋入測量法時，表面上的打孔深度也為Δ。

表3給出了長方形和圓形橫截面坯料表面的最少測溫點布置。表3中，表圖d中的7點、10點和9點、12點4個測溫點與表圖c中的3點、1點和6點、4點4個測溫點可相互替代從而可少布點（特別在采用熱電偶埋入測量法時）；表圖f和表圖e中也有類似情況。對熱電偶埋入測量法，還應在坯料內(nèi)部中心點上增加一個測溫點。

表3 坯料測溫點布置

對較長坯料可適當?shù)染嚯x增加兩側面縱軸線上以及通過坯料中心的縱軸線上（后者適用于熱電偶埋入測量法）的測溫點數(shù)，具體由制造廠和用戶商定。對其他橫截面形狀或非等截面坯料，可參考上述要求由制造廠和用戶商定測溫點的布置。

6 測定方法

應對采用不同的加熱方式裝置、測量方法和測溫裝置的操作細節(jié)以及所測數(shù)據(jù)的處理和計算方法作具體規(guī)定。例如，對間歇加熱式感應透熱裝置采用表面測量法用紅外攝像儀和光學高溫計測溫時，對被連續(xù)測溫的試驗坯料件數(shù)、每件坯料循環(huán)測量的次序和時間，以及前后兩件坯料各測溫表面的測量順序作了規(guī)定，以提高測量準確度并減少和消除輸出坯料表面的快速冷卻氧化，以及測量先后順序對溫度測量的影響。

6.1 間歇加熱式感應透熱裝置

（1）表面測量法 當采用紅外攝像儀和光學高溫計測溫時，應按上述一般要求和測量條件以及表面測量法的要求連續(xù)對不少于4件（視坯料大小，大坯料可取少）剛移出保溫感應器的偶數(shù)件坯料進行試驗。對每個剛出來的坯料，應馬上依次測量坯料兩端面和兩側面上的溫度分布。前后兩件坯料各測溫表面的測量順序正好相反，以消除測量先后順序對溫度測量的影響。由于輸出坯料表面的快速冷卻和氧化（尤其是端表面），每件坯料的循環(huán)測量時間應盡量短，以10～20s為宜，取決于坯料大小和額定溫度的高低。

全部測量結束并求得各點溫度讀數(shù)的平均值后，分別確定所測坯料各溫度均勻度，即

式中Δθbub、Δθblb——試驗坯料測得的溫差范圍的 上界、下界（℃）；

θbmax、θbmin——試驗坯料各測溫點上測得的 溫度平均值經(jīng)修正后的最高值和最低值（℃）；

θbr——坯料額定溫度（℃）；

Δθbt(r)ub、Δθbt(r)lb——試驗坯料測得的橫向（徑向） 溫差范圍的上界、下界（℃）；

θbt(r)max、θbt(r)min——試驗坯料某一端面上邊緣部 位各測溫點上測得的溫度平均 值經(jīng)修正后的最高值和最低 值（℃）；

θbt(r)o——試驗坯料某一端面上中心點 處測得的溫度平均值經(jīng)修正 后的值（℃）；

Δθbl——坯料縱向溫差（℃）；

θblmax、θblmin——被試驗坯料某一側面縱軸線上 各測溫點上測得的溫度平均值 經(jīng)修正后中的最高值和最低值 （℃）。

分別取在兩端面或兩側面上測得的各坯料溫度均勻度值的平均值作為它們各自的測定結果。

當采用紅外攝像儀、光學高溫計和示溫漆時，其計算坯料溫度均勻度的測溫點可按測溫點布置的規(guī)定或擴大至包含這些測溫點的整個或部分表面，然后尋得這些點或面上溫度中的最高值和最低值，再按式（1）～式（5）進行計算。

當采用GB/T 10066.1—2019中6.5.2所述方法將接觸式熱電偶黏附在表面測溫點上進行測溫時，則應在試驗期間連續(xù)測量和記錄各測溫點的溫度，并遵循熱電偶埋入測量法中可適用的要求。

（2）熱電偶埋入測量法 對按一般要求和測量條件以及熱電偶埋入測量法的要求測得的所有測溫點的溫度數(shù)據(jù)，僅取保溫階段后期的按式（1）～式（5）作與表面測量法同樣的計算和處理，求得被測坯料各溫度均勻度。

（3）數(shù)值模擬法 在用4.3所述的數(shù)值模擬法所得的坯料溫度分布數(shù)據(jù)的基礎上計算坯料溫度均勻度時，其測溫點應至少包括表3中所規(guī)定的那些點或宜擴展至整個坯料，然后尋得這些點或面上的溫度最高值和最低值，再按式（1）～式（5）進行計算。

6.2 連續(xù)加熱式和多級加熱式感應透熱裝置

通常，對于連續(xù)加熱式和多級加熱式感應透熱裝置只能采用表面測量法和數(shù)值模擬法進行測量。

但是，對連續(xù)加熱式裝置，也可采用紅外線測溫儀在緊靠出料處定點連續(xù)測量和記錄正在按規(guī)定速度出料的試驗坯料側面縱軸線上的各點溫度，然后根據(jù)測得的溫度曲線或數(shù)據(jù)的最高和最低值，求得其縱向溫差Δθbl。取連續(xù)出料的不少于4件坯料的Δθbl值的平均值作為其測定結果。采用這種方法可避免用紅外攝像儀時通常會遇到的某些誤差源。當坯料一個頂著一個而無法區(qū)分時，則連續(xù)測溫一段時間（至少大于4件），找到該期間的最高和最低溫度值，然后求得Δθbl。

7 試驗論證

為驗證坯料溫度均勻度測定方法的可行性、合理性和準確性，2015年10月國家電爐質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心分別在一汽鍛造（吉林）公司的兩臺和南京鋼鐵公司的一臺感應透熱裝置上做了大量試驗。試驗發(fā)現(xiàn)，坯料推出加熱感應器后10s內(nèi)其表面溫度會降低15～30℃，此時用紅外測溫裝置逐點測量坯料端面上規(guī)定點的溫度較難，推薦采用紅外攝像儀；但對連續(xù)加熱式和小截面坯料透熱，由于坯料表面的快速自然冷卻和氧化，當采用響應時間為3s的紅外攝像儀時，表面測量法的測量誤差較大，因此對個別試驗規(guī)定和計算方法作了修改，如縮短了各測溫點循環(huán)測溫的周期，并對相鄰兩出爐坯料各測溫點的測量順序作了規(guī)定。表4給出了三臺連續(xù)式中頻感應透熱裝置采用表面測量法，用一個紅外測溫裝置定點連續(xù)測量幾十個出爐坯料側面縱軸線上的溫度而得的坯料縱向溫度均勻度。

表4 國家電爐質(zhì)量監(jiān)督檢測中心部分試驗結果

2016年7月，蘇州振吳電爐有限公司在其感應加熱實驗室還進行了坯料溫度均勻度測定的熱電偶埋入測量法的驗證試驗，進一步補充規(guī)定了對感應透熱設備運行時的溫控點位置、所用測溫儀表和循環(huán)測量時間長短等的要求。為在采用熱電偶埋入測量法的同時能與表面測量法作比較和便于熱電偶的引入，拆除了感應加熱器的爐襯。表5為蘇州振吳電爐有限公司的坯料溫度均勻度測定報告，給出了三種坯料溫度均勻度的測定結果。由于實驗室條件有限，未能按通常的透熱工藝進行加熱和保溫，致使坯料溫度均勻度某些測定結果超過規(guī)定。圖1所示為試驗現(xiàn)場。圖2所示為坯料感應加熱升溫、保溫和停電降溫時14個測溫點的溫度變化以及各點間溫差逐步縮小的過程。從停電降溫曲線數(shù)據(jù)可知，停電10s后各點降溫0.7～24.1℃，端面兩中心只降0.7℃，端面周邊降得較快。試驗發(fā)現(xiàn)，感應透熱時控溫點的位置對坯料溫度均勻度的測定結果影響很大，宜監(jiān)控或布置在被透熱坯料的可能最高溫度處。

表5 坯料溫度均勻度測定報告

圖1 試驗設備

圖2 坯料感應加熱升溫、保溫和降溫曲線

8 結束語

通過對感應透熱坯料溫度均勻度測定的多年持續(xù)研究，并通過大量試驗不斷發(fā)現(xiàn)和處理問題，解決了上述諸多關鍵技術，而后又引入感應透熱裝置試驗方法的國家和IEC國際標準草案，歷經(jīng)多輪眾多國內(nèi)外專家的認真審核和不斷改進，使該測定方法日趨完善。本研究成果為已發(fā)布的IEC 63078 : 2019和GB/T 10066.32—2021作出了重大貢獻。

本文所涉及的技術和測定方法也大體或部分適用于采用電阻加熱和燃氣加熱等其他加熱方式對坯料或工件進行整體或部分透熱的情況。