热处理炉炉膛温度测试分析

荆文成

【摘 要】通过对热处理炉空载状态下在有效加热区内的温度检测记录和检测数据的分析,阐明了热处理炉试验评定过程应考虑诸如炉膛均温性、热电偶的安装及分布、设计温度及过程测温规定、温度偏差计算等因素,提出了热处理炉符合API规范的实验评定方法,从而达到了热处理炉符合API规范的试验评定的目的,具有非常重要的实际意义.

【期刊名称】《机械研究与应用》 【年(卷),期】2011(000)004 【总页数】4页(P30-32,35)

【关键词】热处理炉;有效加热区;热电偶;检测;偏差;计算 【作 者】荆文成

【作者单位】兰州兰石锻造热处理有限责任公司,甘肃兰州730050 【正文语种】中 文 【中图分类】TG156 1 前言

某公司取得美国石油协会API 8C、API 8A、API 4F、API 7K规范证书。规范规定:在热处理炉的工作区温度已升到设定温度后，在工作区内任一点温度与设定温度间的差别不得大于±13℃，用于回火、时效和消除应力处理的炉子在其工作区温

度已升到设定温度后，其温度与设定温度间的差别不得大于±8℃。因此，对热处理炉炉膛温度进行符合性试验评定，是热处理炉满足API产品热处理工序的首要条件。

热处理炉进行符合性试验评定，首先要保证炉膛有效加热区内的温度均匀性。温度均匀性是利用炉温的空间分布特征和时间分布特证来保证。炉温的空间分布特性是温度在整个炉膛内各处的分布情况，即描述温度的均匀性。温度的时间分布特性，是温度在工艺过程中的变化情况，即描述温度的稳定性。

对热处理炉炉膛温度进行符合性试验评定，根据该公司炉膛的大小放置9个热电偶作为炉温测试点，在空载状态下，检测到的温度能够真实反映炉温的空间分布特征。

GB/T 9452－1988《热处理炉有效加热区测定方法》对温度时间段的设定没有具体规定，只是对检测方法提出要求，好多热处理炉的实验评定，采取只设定一个温度进行检测和评定，虽然其结果也可以反映炉温的时间分布特征，但具有片面性，对热处理生产过程实际指导意义不大。

结合热处理常见的工艺温度时间段，制定符合实际的工艺曲线，采取三次升温和保温，在规定的温度和时间内进行保温，记录检测到的温度，通过分析和计算温度的偏差和变化情况，即能够全面反映温度的时间分布特征，又验证了热处理常见温度时间段的温度的偏差和变化情况。

利用测出的炉膛内温度的空间分布特性和时间分布特性以及温度波动的大小，经过分析和计算，确定炉温的均匀性和所设定温度下的实际温度与设定值的偏差值，如果计算出的偏差值在规定的温度允差范围内，就达到了试验评定的要求。试验评定的结果，具有非常重要的实际意义，也为该公司所取得的API 8C证书的审核提供了重要的依据。 2 测试要求

2.1 测试所依据的技术文件

API 8C/ISO13533、API 8A、API 4F、API 7K[1]、GB/T9452－2003《热处理炉有效加热区测定方法》[2]。 2.2 热电偶的安装及分布

在炉车上放置4000mm×1000mm×1400mm(长×宽×高)的长方体钢结构支架，在支架的不同部位分别安装9个测温热电偶作为测温点(有效区域为距离炉壁500mm)，在炉膛有效加热区内部均匀分布，测温点分布示意图见图1。 图1 测温点分布示意图 2.3 设计温度及过程测温规定 (1)设计温度为1000℃。

(2)升温速度 ①650℃以下为自由升温;②650℃ ～1000℃匀速升温，升温速度240℃/h;③恒温10min ，保温30min。

(3)当炉膛温度达到650℃、800℃、1000℃三个测温段时，为确保测定温度的均匀性，恒温10min后，分别对各个测温点在同一温度段重复6次进行温度测量。计算平均数据;每两次测温间隔为5min。 3 测试所用的设备

测试所用主要设备如表1所示。

表1 测试所用主要设备清单名称 规格 精度 数量智能信号源 ZH553F－1 0～100mV 0.02级 1台补偿导线KX ≦±1.5℃ 20m×11根热电偶WRH－1001 φ3.2mm 工业II级 9支电子电位差计XWC－300 0～1100℃ 0.5级 1台玻璃水银温度计棒式 0～50℃ 1分度 1支 4 设定的热处理温度/时间工艺曲线

设定的热处理温度时间工艺曲线如图2所示。 图2 热处理温度/时间工艺曲线

5 测试过程记录

(1)室温下开始升温，当温度升至650℃进入保温阶段，10min后每隔5min记录热电偶的温度值，计算实际偏差温度与设定值偏差，见表2。

(2)在650℃保温结束后，升温到800℃进入保温阶段，10min后每隔5min记录热电偶的温度值，计算实际偏差温度与设定值偏差，见表3。

表2 650℃保温阶段实测值及计算结果测温点序号1234567测试温度段 测试时间 测试温度值(℃)8:20 653.3 651.3 652.1 653.3 652.2 653.1 652.3 65650℃3.4 651.4热电偶修正值 －3.3 －2.3 －4.1 －2.5 －1.5 －1.3 －2.4 －3.1 －2.4实际最高偏差温度与设定值偏差1.2 655.48:25 650.2 651.3 651.2 651.2 652.3 651.3 652.4 650.4 651.58:30 9.8 650.3 9.2 650.4 9.1 650.2 650.4 9.2 651.28:35 653.3 652.3 654.2 653.5 653.2 654.1 653.2 653.3 654.48:40 650.1 651.1 652.3 654.3 652.1 652.4 653.3 655.1 651.58:45 8.2 9.3 7.2 652.5 9.1 653.3 7.2 653.2 8.78:50 9.8 9.6 9.3 652.4 651.5 653.6 9.8 650.0 0.0 0.1 1.8 1.7 2.8 0.9 2.0 3.0实际最低偏差温度与设定值偏差－5.1 －3 －6.9 －2.1 －2.4 －1.1 －5.2 －3.9 －3.7

(3)在800℃保温结束后，升温到1000℃进入保温阶段，10min后每隔5min记录热电偶的温度值，计算实际偏差温度与设定值偏差，见表4。 6 数据分析和计算

保温阶段的每个检测点所得温度值分别减去热电偶的修正值(检测仪表的误差忽略不计)，即得该点温度的真实值，真实值减去设定温度，即得各检测点的温度偏差，通过最大偏差和最小偏差的计算，来确定该加热炉每个测温点的实际温度允差值。 计算公式如下(以1000℃恒温阶段1号热电偶实测值为例，数据见表4):

表3 800℃保温阶段实测值及计算结果测温点序号1234567测试温度段 测试时间 测试温度值(℃)0.1 798.9热电偶修正值 －3.2 －2.3 －2.4 －1.5 －2.5 －2.2

－3.3 －2.4 －3.1实际最高偏差温度与设定值偏差800℃3.2 804.29:49 801.9 801.5 802.5 803.5 801.2 801.3 801.7 801.2 801.69:54 798.2 799.5 798.9 800.1 801.2 800.4 800.7 801.1 798.:59 802.4 803.4 804.3 802.3 803.2 805.1 801.5 805.5 802.510:04 804.5 803.2 802.3 804.2 803.3 804.6 804.4 805.1 804.610:09 800.5 803.2 802.4 803.2 804.2 805.1 803.5 803.5 802.410:14 798.5 799.4 799.9 800.1 800.5 801.1 800.8 809:45 801.9 801.5 802.5 803.5 804.2 803.3 804.1 801.3 1.1 1.9 2.7 1.7 2.9 1.1 3.1 1.5实际最低偏差温度与设定值偏差－5 －2.9 －3.5 －1.4 －2 －1.8 －2.6 －2.3 －4.3 表4 1000℃保温阶段实测值及计算结果测温点序号1234567测试温度段 测试时间 测试温度值(℃)11:32 1000.1 1000.2 1002.3 1003.3 1002.3 1003.3 1800℃01.3 1001.1 1001.8热电偶修正值 2.1 1.5 －2.2 －1.5 －3.1 －2.4 －3.2 2.4 －1.5实际最高偏差温度与设定值偏差000.7 1003.2 1004.111:37 998.7 999.8 1000.1 998.9 1000.3 998.5 1000.2 999.7 999.811:42 999.5 998.2 999.8 1000.1 1000.2 1001.1 1002.5 999.1 998.911:47 1002.5 1003.4 1002.5 1003.4 1002.1 999.9 1004.5 1003.5 997.911:52 1002.2 1003.2 1004.1 1003.2 1002.3 1003.2 1004.1 1003.3 1004.411:57 999.4 1002.3 998.8 998.7 1002.1 1001.2 1003.2 999.7 1003.412:02 1001.1 1002.4 1001.1 999.8 1000.2 1000.0 104.6 4.9 1.9 1.9 －0.8 0.9 1.3 1.1 2.9实际最低偏差温度与设定值偏差0.8 －0.3 －3.4 －2.8 －2.9 －3.9 －3 －3.3 －3.6 (1)K 型热电偶允差(修正值)Δk[2]:

公式:Δk= ± 0.0075|t|，保温温度 1000℃，即:

由表4热电偶修正值可知，所用热电偶修正值在允差范围内。 (2)实际温度偏差与设定值偏差计算:

其中:Δk1=2.1(见表4热电偶修正值)

其它8个点的最大和最小实际温度允差值计算方法同上，计算结果见表5。将9个测温点的实际温度允差值与API规范要求的允许偏差值(±8℃)进行比较，可以看出，9个点的实际温度允差值都在要求的允许偏差值范围内。

表5 最大和最小实际温度允差值计算结果/℃序号偏差1 2 3 4 5 6 7 8 9 Δtmax 4.6 4.9 1.9 1.9 －0.80.9 1.3 1.1 2.9 Δtmin 0.8 －0.3 －3.4 －2.8 －2.9 －3.9 －3 －3.3 －3.6 7 结论

通过对记录温度值的分析和计算，当炉膛温度达到设定的650℃、800℃、1000℃保温段，所得的三个测试保温阶段温度最大偏差值与设定的允许偏差值都在API规范允差范围内;与设定温度值比较，温度波动值很小，说明所设置的测温点的热电偶分布位置和保温时间能够准确的反映空间分布特征和时间分布特证，也验证了该炉膛的温度均匀性很好。

因此，该热处理炉完全满足API规范要求，该热处理炉合格，所有API产品的热处理工序均可以在此评定合格的热处理设备上进行，达到了热处理炉符合API规范的试验评定的目的。

此外，正常情况下，热处理炉的试验评定周期为1年，当有以下情况出现时应重新评定:①新热处理炉安装调试完备，正式投产前;②热处理炉主体结构和控制系统经过大修后;③实际热处理过程记录温度超出允差范围;④热电偶测试点重新定位。 参考文献:

[1]GB/T9452－2003.热处理炉有效加热区测定方法[S]. [2]GB/T 16839.2.热电偶第2 部分:允差[S].