熱處理工藝是指將零件在某一加熱介質(zhì)中加熱至一定溫度，在該溫度下保溫一段時間，然后以一定方式冷卻，得到一定的組織和性能的熱加工方法。溫度、時間及冷卻方式是熱處理過程中的三個主要因素，其中工藝溫度是關(guān)鍵，熱處理爐是提供符合熱處理工藝溫度要求的設(shè)備，爐子上配置的工藝溫度儀表系統(tǒng)用于熱處理溫度的控制、監(jiān)測和記錄。
熱處理工藝質(zhì)量判斷時，工藝溫度儀表顯示和記錄的數(shù)據(jù)是最重要的依據(jù)。美國宇航標(biāo)準(zhǔn)AMS2750E《高溫測量》根據(jù)工藝溫度儀表系統(tǒng)的復(fù)雜程度，將熱處理爐的工藝溫度儀表分為A、B、C、D、E等五種類型，國內(nèi)的HB5425《航空制件熱處理爐有校加熱區(qū)測定方法》和GB/T30825《熱處理溫度測量》也給出了同樣的規(guī)定。本文著重介紹工藝溫度儀表系統(tǒng)校準(zhǔn)和調(diào)整的方法。
工藝溫度儀表系統(tǒng)校準(zhǔn)的必要性
1.工藝溫度儀表系統(tǒng)校準(zhǔn)
工藝溫度儀表系統(tǒng)由熱電偶（或熱電阻）、連接導(dǎo)線和溫度二次儀表組成。工藝溫度儀表系統(tǒng)校準(zhǔn)是指工藝溫度儀表（含引線、傳感器）的讀數(shù)或值進(jìn)行現(xiàn)場比較,以便確定已測量的溫度偏差是否均在有關(guān)要求范圍內(nèi)的一組操作。在AMS2750E也稱為“系統(tǒng)精度測試（SAT）或探針檢查”，其目的是確保爐子的控制系統(tǒng)及每個控制區(qū)的記錄儀表系統(tǒng)的準(zhǔn)確度符合要求。
國內(nèi)、國外相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求，新購置或大修后的熱處理爐，使用前除了對工藝溫度傳感器和儀表進(jìn)行校準(zhǔn)外，還需要完成兩項(xiàng)更重要的工作：一是進(jìn)行工藝溫度儀表系統(tǒng)校準(zhǔn)，以確定該系統(tǒng)的偏差是否符合要求；二是進(jìn)行有效加熱區(qū)溫度均勻性檢測，確定熱處理爐具有符合工藝要求的工作空間。在溫度均勻性檢測過程中，若檢測結(jié)果表明整體溫度偏高或偏低，則需要對工藝儀表進(jìn)行調(diào)整。使用中的熱處理也需要按規(guī)定的時間間隔進(jìn)行工藝溫度儀表系統(tǒng)校準(zhǔn)，這是保證熱處理滿足工藝要求的重要手段之一，不可或缺。
2.變化的工藝溫度儀表系統(tǒng)
爐溫均勻性是考核爐子能否滿足工藝溫度要求的關(guān)鍵指標(biāo)。爐溫均勻性檢測是一個復(fù)雜、使用傳感器多、檢測時間長，在非生產(chǎn)狀態(tài)下進(jìn)行的過程，無法經(jīng)常性或短周期進(jìn)行。
爐溫均勻性是否可靠，主要取決于熱處理爐內(nèi)加熱元件的發(fā)熱特性和工藝溫度儀表系統(tǒng)的測量與控制能力。在穩(wěn)定的控制條件下，加熱元件產(chǎn)生的熱量以及形成的溫度分布狀態(tài)具有較好的重復(fù)性。假若工藝溫度儀表系統(tǒng)是相對穩(wěn)定的，爐溫均勻性也會在上次檢測結(jié)果的較小范圍內(nèi)變化，有效實(shí)現(xiàn)工藝溫度的控制。因此，在兩次溫度均勻性檢測之間進(jìn)行多次工藝溫度儀表系統(tǒng)校準(zhǔn)是對爐溫進(jìn)行控制的一個好辦法，盡管這不是保證爐溫均勻性符合工藝要求的唯一方法，卻是比較容易操作的方法。
那么，是什么原因?qū)е鹿に嚋囟葍x表系統(tǒng)變化呢？可從以下幾個方面進(jìn)行分析：
（1）設(shè)備現(xiàn)場環(huán)境條件的影響，特別是環(huán)境溫度的變化，使得工藝溫度傳感器、連接導(dǎo)線和工藝溫度儀表的計(jì)量特性處在不斷變化之中。
（2）熱電偶在爐內(nèi)氣氛中被加熱和冷卻，會導(dǎo)致電偶的電極晶粒長大、氧化、腐蝕或成分揮發(fā)等，使得熱電偶的熱特性發(fā)生變化。
（3）工藝溫度儀表自身老化導(dǎo)致的計(jì)量特性變化。這些變化會導(dǎo)致工藝溫度儀表系統(tǒng)的變化，使熱處理爐的溫度控制點(diǎn)發(fā)生偏離，爐子的實(shí)際溫度偏離工藝溫度。在使用現(xiàn)場、使用過程中經(jīng)常性進(jìn)行工藝溫度儀表系統(tǒng)校準(zhǔn)，使其綜合偏差控制在一個可接受的范圍內(nèi)，可保證工藝溫度在一個合理的范圍變化。
AMS2750E規(guī)定，工作用廉金屬熱電偶作為工藝傳感器，僅需在首次使用前校驗(yàn)，之后無需再校準(zhǔn)。根據(jù)歷次工藝溫度儀表系統(tǒng)校準(zhǔn)結(jié)果的變化，確定是否需要更換工藝傳感器。
工藝溫度系統(tǒng)校準(zhǔn)方法
在AMS2750E、GJB509B和GB/T30825中給出了近似的規(guī)定。GJB509B沒有給出具體的操作要求。綜合不同標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，在工藝溫度儀表系統(tǒng)校準(zhǔn)時，應(yīng)符合以下幾個方面的要求：
1.校準(zhǔn)裝置
校準(zhǔn)裝置是由校準(zhǔn)用溫度傳感器（熱電偶或熱電阻）、連接導(dǎo)線和校準(zhǔn)儀表組成，它應(yīng)該是一個穩(wěn)定的、經(jīng)過校準(zhǔn)已知誤差的系統(tǒng)。
校準(zhǔn)用傳感器的示值誤差應(yīng)符合±（1.1℃或0.4％讀數(shù)），其測量端與工藝傳感器測溫端之間的距離不大于76mm，越近越好，以便減少空間距離對校準(zhǔn)結(jié)果的影響。在此后的校準(zhǔn)中，校準(zhǔn)用傳感器安裝的位置和方向應(yīng)保持不變，以確保歷次校準(zhǔn)數(shù)據(jù)之間的可比較性。
允許在進(jìn)行校準(zhǔn)的當(dāng)時安裝校準(zhǔn)用傳感器，也允許采用駐留校準(zhǔn)用傳感器的方法。采用駐留校準(zhǔn)用傳感器存在一定的風(fēng)險(xiǎn)，因?yàn)樵跓崽幚頎t的加熱和冷卻過程中，任何類型溫度傳感器的計(jì)量特性都會發(fā)生變化，這種變化無疑會反映在校準(zhǔn)結(jié)果中，使得校準(zhǔn)結(jié)果不可靠。
校準(zhǔn)儀表的示值誤差應(yīng)符合±（1.1℃或0.4％讀數(shù)），具有較高的分辨力和適應(yīng)熱處理爐子工作現(xiàn)場環(huán)境條件的能力。應(yīng)盡量減少連接導(dǎo)線對校準(zhǔn)結(jié)果的影響，當(dāng)以熱電偶為校準(zhǔn)用傳感器時，應(yīng)采用與傳感器和儀表相同分度號的經(jīng)過校準(zhǔn)的補(bǔ)償導(dǎo)線；當(dāng)以熱電阻為校準(zhǔn)用傳感器，引線電阻則是考慮的關(guān)鍵因素。
2.校準(zhǔn)溫度的選擇
校準(zhǔn)可以在熱處理工藝過程中進(jìn)行，工藝溫度作為校準(zhǔn)溫度，使得校準(zhǔn)工作不影響生產(chǎn)進(jìn)度。也可以單獨(dú)進(jìn)行，可以選擇近期常用的工藝溫度或具有代表性的溫度作為校準(zhǔn)溫度。不必在多個溫度進(jìn)行校準(zhǔn)，因?yàn)樾?zhǔn)僅僅是對工藝溫度儀表系統(tǒng)準(zhǔn)確度的驗(yàn)證，只要能夠表明系統(tǒng)沒有較大的偏離或保持了必要的穩(wěn)定性即可。
3.校準(zhǔn)算溫度差值的計(jì)算
測量數(shù)據(jù)的獲取和處理是工藝溫度儀表系統(tǒng)符合性判斷的重要環(huán)節(jié)。在讀取工藝溫度儀表和校準(zhǔn)儀表的讀數(shù)時，需要滿足兩個條件：
其一，讀數(shù)應(yīng)在爐溫處于穩(wěn)定狀態(tài)下進(jìn)行，若工藝溫度儀表顯示值是穩(wěn)定的或呈周期性變化，則表明爐溫達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。
其二，應(yīng)同時讀取工藝儀表和校準(zhǔn)儀表的讀數(shù)，或在最短時間內(nèi)完成讀數(shù)的操作。這樣做可以減少爐溫波動對工藝溫度儀表系統(tǒng)校準(zhǔn)結(jié)果的影響。
在進(jìn)行測量數(shù)據(jù)處理時，為了準(zhǔn)確獲得工藝溫度儀表系統(tǒng)的偏差，校準(zhǔn)儀表的讀數(shù)需要根據(jù)校準(zhǔn)用傳感器和儀表校準(zhǔn)證書上給出的誤差進(jìn)行修正。對于工藝儀表讀數(shù)而言，因?yàn)楣に噧x表中可能存在因?yàn)閮x表校準(zhǔn)、工藝溫度儀表系統(tǒng)校準(zhǔn)和爐溫均勻性檢測的調(diào)整值，情況略顯復(fù)雜，這些調(diào)整值改變了工藝儀表的讀數(shù)。根據(jù)調(diào)整值來源方式不同，分為以下幾種情況進(jìn)行說明。
（1）若熱處理爐日常使用或溫度均勻性檢測時，工藝儀表設(shè)定值以及顯示和記錄的數(shù)據(jù)需要根據(jù)工藝傳感器和儀表的校準(zhǔn)誤差進(jìn)行修正的，在SAT數(shù)據(jù)處理時，也應(yīng)根據(jù)最近一次工藝傳感器和儀表的校準(zhǔn)誤差進(jìn)行修正；若熱處理爐日常使用或溫度均勻性檢測時，工藝儀表設(shè)定值以及顯示和記錄的數(shù)據(jù)不需要根據(jù)工藝傳感器和儀表的校準(zhǔn)誤差進(jìn)行修正的，在SAT數(shù)據(jù)處理時，不應(yīng)對工藝傳感器和儀表的校準(zhǔn)誤差進(jìn)行修正。
（2）工藝溫度儀表校準(zhǔn)時，由于示值誤差超過了規(guī)定的允許誤差，對工藝儀表讀數(shù)進(jìn)行的調(diào)整。調(diào)整的目的是為了使儀表的示值符合規(guī)定，SAT數(shù)據(jù)處理時，該調(diào)整值不用于工藝儀表讀數(shù)的修正。
（3）工藝溫度儀表系統(tǒng)校準(zhǔn)時，若校準(zhǔn)結(jié)果超出的范圍或接近邊界，對工藝儀表讀數(shù)進(jìn)行調(diào)整。調(diào)整的目的是為了使工藝溫度儀表系統(tǒng)的偏差符合規(guī)定的要求，SAT數(shù)據(jù)處理時，該調(diào)整值不用于工藝儀表讀數(shù)的修正，否則，合格的結(jié)果重新回到不合格狀態(tài)。
（4）爐溫均勻性檢測時，由于控制點(diǎn)與實(shí)際溫度均勻性檢測結(jié)果的中心點(diǎn)存在偏差，對工藝儀表讀數(shù)進(jìn)行的調(diào)整。調(diào)整是額外施加給工藝溫度儀表系統(tǒng)的，并非系統(tǒng)自身的偏離而實(shí)施的調(diào)整，SAT數(shù)據(jù)處理時，該調(diào)整值需要在工藝儀 表讀數(shù)中予以修正。
4.校準(zhǔn)間隔的規(guī)定
AMS2750E、GJB509B、GB/T30825中給出了不同類別和不同儀表類型熱處理爐工藝溫度儀表系統(tǒng)的時間間隔。時間間隔與溫度均勻性的允許范圍有關(guān)，允許偏差越小，間隔越短；時間間隔與儀表類型有關(guān)，配置更多的工藝溫度儀表系統(tǒng)，可通過這些測量數(shù)據(jù)之間的比較驗(yàn)證確定工藝溫度的穩(wěn)定性，可以采用較長的間隔。時間間隔與工藝傳感器的穩(wěn)定性有關(guān)，若使用了鉑電阻、貴金屬熱電偶以及N型等較穩(wěn)定的工藝傳感器，也可以延長時間間隔。若爐子額外增加了工藝溫度儀表系統(tǒng)，其他系統(tǒng)使用了穩(wěn)定的傳感器或多工藝傳感器進(jìn)行及時更換，并對不同系統(tǒng)得到的數(shù)據(jù)及時進(jìn)行相互驗(yàn)證，也可以免除工藝溫度儀表系統(tǒng)校準(zhǔn)。
5.需校準(zhǔn)的工藝溫度儀表
不同類型儀表的熱處理爐配置不同數(shù)量的工藝傳感器和儀表，凡是數(shù)據(jù)用于熱處理質(zhì)量判斷的工藝溫度儀表系統(tǒng)，均應(yīng)進(jìn)行校準(zhǔn)；凡是數(shù)據(jù)不用于熱處理質(zhì)量判斷的工藝溫度儀表系統(tǒng)，則不必進(jìn)行校準(zhǔn)，如僅用于超溫報(bào)警的儀表系統(tǒng)。對于控制傳感器而言，不僅需要對控制儀表的讀數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn)，還要對記錄儀表的讀數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn)。對于其他的附加系統(tǒng)，如負(fù)載熱電偶，有效加熱區(qū)上次檢測確定的高溫傳感器和低溫傳感器等系統(tǒng)，需要進(jìn)行工藝溫度儀表系統(tǒng)校準(zhǔn)。
校準(zhǔn)結(jié)果的分析
工藝溫度儀表系統(tǒng)校準(zhǔn)的目的是考核它的穩(wěn)定性，我們需要一個穩(wěn)定的系統(tǒng)。即使它有較大的偏差，也可以通過修正或?qū)ζ渥x數(shù)調(diào)整消除這樣的偏差，而一個不穩(wěn)定的系統(tǒng)是無法控制的。
熱處理爐的類別以及同一類別的不同溫度，AMS2750E和GJB509B、GB/T30825給出了不同的工藝溫度儀表系統(tǒng)偏差的要求，這是判斷是否符合要求的依據(jù)。溫度均勻性允許范圍越大，或工藝溫度越高，工藝溫度儀表系統(tǒng)偏差的允許范圍越大，這符合測量系統(tǒng)的一般特征。
保證工藝溫度儀表系統(tǒng)可靠，也取決于系統(tǒng)校準(zhǔn)結(jié)果的可靠性。校準(zhǔn)裝置的穩(wěn)定性、校準(zhǔn)方法的合理性、實(shí)際操作的規(guī)范性都是保證校準(zhǔn)結(jié)果可靠的重要環(huán)節(jié)，數(shù)據(jù)處理和結(jié)果的正確表示也是不可忽略的。
工藝溫度儀表的調(diào)整
若工藝溫度儀表系統(tǒng)校準(zhǔn)結(jié)果不符合要求，需要從不同環(huán)節(jié)查找原因。針對不同情況，進(jìn)行不同的調(diào)整或更換。
若懷疑工藝傳感器存在問題，一種情況是工藝傳感器超差，可在爐溫穩(wěn)定狀態(tài)下驗(yàn)證，即使用校準(zhǔn)儀表分別測量工藝傳感器和校準(zhǔn)用傳感器的讀數(shù)，它們之間的差別若不超過工藝傳感器允許誤差的要求，說明該傳感器的示值符合要求，若超出了允許誤差的要求，則應(yīng)更換工藝傳感器。另一種情況工藝傳感器的安裝位置發(fā)生變化，這種移動顯然改變了工藝溫度儀表系統(tǒng)的偏差。證明工藝傳感器被移動的證據(jù)可以是工藝傳感器安裝位置的標(biāo)記，也可以是校準(zhǔn)用傳感器和工藝傳感器之間的距離。若確實(shí)屬于這種情況，應(yīng)將工藝傳感器恢復(fù)到原有的位置上。
若懷疑工藝儀表存在問題，可利用溫度校準(zhǔn)儀給工藝儀表輸入標(biāo)稱溫度值，若工藝儀表讀數(shù)與標(biāo)稱溫度之差不超過允許誤差要求，說明儀表的示值誤差符合規(guī)定；相反的說明儀表的示值誤差可能超出了規(guī)定的范圍，應(yīng)按照規(guī)定重新校準(zhǔn)儀表，確實(shí)不合格的，應(yīng)進(jìn)行調(diào)整或更換。
若以上的原因都不存在，超差是綜合因素作用的結(jié)果，此時需要對工藝儀表的顯示或記錄調(diào)整。調(diào)整應(yīng)做好記錄，調(diào)整后應(yīng)重新進(jìn)行工藝溫度儀表系統(tǒng)校準(zhǔn)。
工藝儀表的調(diào)整也包括工藝溫度控制參數(shù)的調(diào)整，如控制方式（位式控制、時間比例控制、PID控制等）、控制參數(shù)（切換差、比例帶、PID參數(shù)等）、輸出功率以及抑制超調(diào)系數(shù)的調(diào)整等。這種調(diào)整不是經(jīng)常的，若爐溫均勻性檢測結(jié)果不符合要求，且不能通過儀表偏置量的調(diào)整解決問題時，可以考慮調(diào)整儀表的控制參數(shù)。若發(fā)生了控制傳感器類型或插入深度改變、控制儀表類型改變、爐子結(jié)構(gòu)改變、加熱元器件或保溫材料改變、爐子工作溫度范圍或有效加熱區(qū)大小改變以及其他一些可能改變爐溫均勻性的變化，也可能需要進(jìn)行控制參數(shù)的調(diào)整。
進(jìn)行任何調(diào)整前，都要做細(xì)致的分析和研究，不要輕易對工藝儀表的偏置量或控制參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，并在調(diào)整后重新進(jìn)行校準(zhǔn)或檢測，以表明調(diào)整后的狀態(tài)符合要求。
結(jié)語
為了保證工藝溫度滿足熱處理的要求，除了進(jìn)行工藝溫度儀表系統(tǒng)校準(zhǔn)外，還應(yīng)按規(guī)定的時間間隔對工藝傳感器和儀表進(jìn)行校準(zhǔn)，還應(yīng)按規(guī)定的時間間隔進(jìn)行溫度均勻性檢測。對歷次的校準(zhǔn)結(jié)果和檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析研究，掌握這些數(shù)據(jù)的變化規(guī)律，采取合理有效的措施，才是保證熱處理質(zhì)量的根本。
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