CN1896703A - 大型立式淬火炉加工工件表面温度的测量方法 - Google Patents

Abstract

一种大型立式淬火炉加工工件表面温度的测量方法，采用传感器测量工作室壁的温度，通过建立炉内辐射－对流复合传热过程的数学模型，再用数值分析方法计算出不同初始输入条件下的炉内径向温度场分布，得到实际测量点和待测点之间的温度补偿曲线，再根据传感器位置和待加热工件表面之间距离得到温度修正值，计算出工件表面温度。这种方法提高了加热工件表面温度的测量精度，为精确控制工件温度提供了必要的前提条件。

Description

大型立式淬火炉加工工件表面温度的测量方法

[技术领域]本发明涉及大型电加热炉温度的测量方法。

[背景技术]大型淬火炉是大型航空航天构件热处理的关键设备。热处理工件对淬火加热工艺要求较高，升温速度和保温的精度直接影响加工工件的质量。对炉内待加热工件的表面温度进行快速而准确的测量是保证精确控制淬火温度的前提条件，但为了避免传感器被锻件碰坏，传感器测温只能放置在工作室壁，距离待加热工件的表面有一定的距离，因此不能直接测到待加热工件的表面温度。目前的方法是通过经验值对实际测量值进行补偿，得到加热工件表面温度，但这种方法具缺少误差大，缺乏普遍适用性，不同型号的待加热工件，其直径大小不同，具体温度要求不同，实际测量点和待加热工件之间存在的距离也不同，使补偿值误差大，达不到温度准确控制的要求。

[发明内容]为了准确测量大型立式淬火炉工件的表面温度，本发明从热处理炉内部的热交换机理出发，建立炉内辐射-对流复合传热过程的数学模型，通过数值分析计算出不同初始输入条件下的炉内径向温度场分布，从理论上得到实际测量点和不同待加热工件之间的温度补偿曲线，根据传感器位置和待加热工件表面之间距离以及不同初始输入条件得到修正值大小。再根据传感器测量的温度，计算出工件表面的温度。

由于采用的温度补偿方法具有理论依据，充分考虑了各种工况条件，实际测量点和待加热工件表面的温度之间的补偿精确度高，为对温度精确控制提供了必要的前提条件。

[附图说明]

图1为本明淬火炉结构示意图；

图2为炉体环形微元示意图；

图3为本发明不同初值下补偿温度差值和锻件表面到传感器之间的距离的关系曲线。

下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。

[实施方式]

大型淬火炉炉体结构图如图1所示。炉子采用底卸式强制空气循环加热工作方式，由两台风机1强制空气循环增强炉温均匀性，提高升、降温速度，2为工件表面，炉壁保温材料选用矿渣棉，工作室壁3为不锈钢材料。炉温由改变电热元件4功率来调节，电热元件4沿轴向分为多段紧贴炉壁，置于加热室5内，称为炉壁电热面6，有多个加热区，每个加热区的电热元件4的加热电流分别由一个三相固态继电器控制，7为热电偶。

炉内温度的分布特性主要由传热过程决定，炉内多种传热方式同时并存，且相互耦合，使炉内温度场计算复杂。考虑炉内传热过程处于稳定状态时的温度场分布，假设加热炉的供热Q为常数，炉壁电热面与淬火工件表面之间进行辐射-对流复合传热过程。炉壁电热面产生的热能，一部分以辐射形式传给工作室的不锈钢壁面，另一部分以对流形式传给热空气。对于淬火锻件，吸收热空气及工作室不锈钢壁面的辐射能量使锻件温度升高，同时一部分能量以辐射形式传给不锈钢体。

炉体沿径向划分成若干个微元，图2表示为第I个环形微元，任一微元轴向长度均为dx，锻件表面8、工作室表面9、炉壁电热面10的表面积分别为dA1，dA2，dA3。工作室表面和锻件表面之间的环形微元气体、工作室表面和炉壁电热面之间的环形微元气体、锻件表面、工作室表面及炉壁电热面的温度分别为T_gi，T_fi，T_1i，T_2i，T_3i。

由能量守恒定律可得以下五个方程式：

①工作室表面与锻件表面和空气的对流换热热平衡方程

${\mathrm{GC}}_p\frac{{\∂T}_{\mathrm{gi}}}{\∂x}\mathrm{dx}=h_1(T_{1i}-T_{\mathrm{gi}}){\mathrm{dA}}_1+h_2(T_{2i}-T_{\mathrm{gi}}){\mathrm{dA}}_2---\left(1\right)$

式中G为空气的流速，(kg/s)；Cp为空气的定压比热容，(J/kg*K)

②工作室表面与炉子电热面和空气的对流换热热平衡方程

${\mathrm{GC}}_p\frac{{\∂T}_{\mathrm{fi}}}{\∂x}\mathrm{dx}=h_3(T_{3i}-T_{\mathrm{fi}}){\mathrm{dA}}_3+h_2(T_{2i}-T_{\mathrm{fi}}){\mathrm{dA}}_2---\left(2\right)$

③锻件表面的热平衡方程

$a_1{\∫}_{A2}{J}_2\left({\mathrm{dA}}_{2,j}\right)K({\mathrm{dA}}_{2,j},{\mathrm{dA}}_2){\mathrm{dA}}_{2,j}{\mathrm{dA}}_1+a_1{\∫}_{A1}{J}_1\left({\mathrm{dA}}_{1,i}\right)K\left({\mathrm{dA}}_{1,i}\right){\mathrm{dA}}_{1,i}{\mathrm{dA}}_1$

$={\mathrm{\ϵ}}_1{\mathrm{\σ}}_0{T}_{1i}^{4}d{A}_1+h_1(T_{1i}-T_{\mathrm{gi}})d{A}_1+q_1---\left(3\right)$

④工作室不锈钢壁面的热平衡方程

$a_2{\∫}_{A2}{J}_1\left({\mathrm{dA}}_{1,i}\right)K\left({\mathrm{dA}}_{1,i}{,\mathrm{dA}}_2\right){\mathrm{dA}}_{1,i}{\mathrm{dA}}_2+a_2{\∫}_{A2}{J}_2\left({\mathrm{dA}}_{2,j}\right)K\left({\mathrm{dA}}_{2,j}\right){\mathrm{dA}}_{2,j}{\mathrm{dA}}_2$

$+a_2{\∫}_{A3}{J}_3\left({\mathrm{dA}}_{3,k}\right)K({\mathrm{dA}}_{3,k},{\mathrm{dA}}_2){\mathrm{dA}}_{3,k}{\mathrm{dA}}_2={\mathrm{\ϵ}}_2{\mathrm{\σ}}_0{T}_{2i}^4{\mathrm{dA}}_2+h_2(T_{2i}-T_{\mathrm{gi}}){\mathrm{dA}}_2+h_2(T_{2i}-T_{\mathrm{fi}}){\mathrm{dA}}_2---\left(4\right)$

⑤炉壁电热面的热平衡方程

$q_3\mathrm{dx}+a_3{\∫}_{A2}{J}_2\left({\mathrm{dA}}_{2,i}\right)K({\mathrm{dA}}_{2,i},{\mathrm{dA}}_3){\mathrm{dA}}_{2,i}{\mathrm{dA}}_3+a_3{\∫}_{A3}{J}_3\left(d{A}_{3,j}\right)K({\mathrm{dA}}_{3,j},{\mathrm{dA}}_3){\mathrm{dA}}_{3,j}{\mathrm{dA}}_3$

$={\mathrm{\ϵ}}_3{\mathrm{\σ}}_0{T}_{3i}^4{\mathrm{dA}}_3+h_3(T_{3i}-T_{\mathrm{fi}}){\mathrm{dA}}_3---\left(5\right)$

式中λ、Cp和ρ为空气的物性参数，h₁、h₂、h₃分别为锻件表面、工作室不锈钢表面、炉壁电热面和气流的对流换热系数。

炉子电热面单位长度热流q₃＝常数，炉体的热损失q₀恒定，约5％。锻件吸收的热量为q₁。ε₁，α₁，ε₂，α₂ε₃，α₃分别为锻件表面、工作室表面、炉壁电热面的辐射率和吸收率；σ₀为斯蒂芬-玻耳兹曼常数，是5.67×10^-8W/(m2.K4)；J₁，J₂，J₃为锻件表面、工作室表面、炉壁电热面微元面积dA_1，i，dA_2，j，dA_3，k的有效辐射；K为积分方程核函数，反映微元面dA_1，i，dA_2，j，dA_3，k之间的几何辐射系数关系，上面5个方程构成的方程组，求其解析解是十分困难的，必须进行化简并离散化。利用差分原理离散化上述方程式，通过数值分析得到温度设定分别为473℃，500℃和526℃的情况下，补偿温度差值和锻件表面到传感器之间的距离l在0～120mm之间的关系图，如图3所示。从图中可以看出，温度补偿的范围与设定温度有关，温度补偿值在0～12℃之间。再根据传感器测量的温度，可以计算出不同尺寸工件的表面温度。

Claims (2)

1.一种大型立式淬火炉加工工件表面温度的测量方法，采用传感器测量工作室壁的温度，其特征在于包括下述步骤：

(1)通过建立炉内辐射-对流复合传热过程的数学模型；

(2)用数值分析方法计算出不同温度设定条件下的炉内径向温度场分布，得到实际测量点和不同待加热工件之间的温度补偿曲线；

(3)根据传感器位置和待加热工件表面之间距离得到修正值，计算出工件表面温度。

2.根据权利要求1所述的温度测量方法，其特征在于：温度设定值在473～526℃范围内，锻件表面到传感器之间的距离在0～120mm之间温度的补偿范围为0～12℃。

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