大型立式淬火爐加工工件表面溫度的測量方法
2023-04-22 23:55:56 2
專利名稱：大型立式淬火爐加工工件表面溫度的測量方法
專利說明大型立式淬火爐加工工件表面溫度的測量方法 本發明涉及大型電加熱爐溫度的測量方法。大型淬火爐是大型航空航天構件熱處理的關鍵設備。熱處理工件對淬火加熱工藝要求較高，升溫速度和保溫的精度直接影響加工工件的質量。對爐內待加熱工件的表面溫度進行快速而準確的測量是保證精確控制淬火溫度的前提條件，但為了避免傳感器被鍛件碰壞，傳感器測溫只能放置在工作室壁，距離待加熱工件的表面有一定的距離，因此不能直接測到待加熱工件的表面溫度。目前的方法是通過經驗值對實際測量值進行補償，得到加熱工件表面溫度，但這種方法具缺少誤差大，缺乏普遍適用性，不同型號的待加熱工件，其直徑大小不同，具體溫度要求不同，實際測量點和待加熱工件之間存在的距離也不同，使補償值誤差大，達不到溫度準確控制的要求。為了準確測量大型立式淬火爐工件的表面溫度，本發明從熱處理爐內部的熱交換機理出發，建立爐內輻射-對流複合傳熱過程的數學模型，通過數值分析計算出不同初始輸入條件下的爐內徑向溫度場分布，從理論上得到實際測量點和不同待加熱工件之間的溫度補償曲線，根據傳感器位置和待加熱工件表面之間距離以及不同初始輸入條件得到修正值大小。再根據傳感器測量的溫度，計算出工件表面的溫度。
由於採用的溫度補償方法具有理論依據，充分考慮了各種工況條件，實際測量點和待加熱工件表面的溫度之間的補償精確度高，為對溫度精確控制提供了必要的前提條件。
圖1為本明淬火爐結構示意圖；圖2為爐體環形微元示意圖；圖3為本發明不同初值下補償溫度差值和鍛件表面到傳感器之間的距離的關係曲線。
下面結合附圖對本發明作進一步的詳細說明。大型淬火爐爐體結構圖如圖1所示。爐子採用底卸式強制空氣循環加熱工作方式，由兩颱風機1強制空氣循環增強爐溫均勻性，提高升、降溫速度，2為工件表面，爐壁保溫材料選用礦渣棉，工作室壁3為不鏽鋼材料。爐溫由改變電熱元件4功率來調節，電熱元件4沿軸向分為多段緊貼爐壁，置於加熱室5內，稱為爐壁電熱面6，有多個加熱區，每個加熱區的電熱元件4的加熱電流分別由一個三相固態繼電器控制，7為熱電偶。
爐內溫度的分布特性主要由傳熱過程決定，爐內多種傳熱方式同時並存，且相互耦合，使爐內溫度場計算複雜。考慮爐內傳熱過程處於穩定狀態時的溫度場分布，假設加熱爐的供熱Q為常數，爐壁電熱面與淬火工件表面之間進行輻射-對流複合傳熱過程。爐壁電熱面產生的熱能，一部分以輻射形式傳給工作室的不鏽鋼壁面，另一部分以對流形式傳給熱空氣。對於淬火鍛件，吸收熱空氣及工作室不鏽鋼壁面的輻射能量使鍛件溫度升高，同時一部分能量以輻射形式傳給不鏽鋼體。
爐體沿徑向劃分成若干個微元，圖2表示為第I個環形微元，任一微元軸向長度均為dx，鍛件表面8、工作室表面9、爐壁電熱面10的表面積分別為dA1，dA2，dA3。工作室表面和鍛件表面之間的環形微元氣體、工作室表面和爐壁電熱面之間的環形微元氣體、鍛件表面、工作室表面及爐壁電熱面的溫度分別為Tgi，Tfi，T1i，T2i，T3i。
由能量守恆定律可得以下五個方程式①工作室表面與鍛件表面和空氣的對流換熱熱平衡方程GCpTgixdx=h1(T1i-Tgi)dA1+h2(T2i-Tgi)dA2---(1)]]>式中G為空氣的流速，(kg/s)；Cp為空氣的定壓比熱容，(J/kg*K)②工作室表面與爐子電熱面和空氣的對流換熱熱平衡方程GCpTfixdx=h3(T3i-Tfi)dA3+h2(T2i-Tfi)dA2---(2)]]>③鍛件表面的熱平衡方程a1A2J2(dA2,j)K(dA2,j,dA2)dA2,jdA1+a1A1J1(dA1,i)K(dA1,i)dA1,idA1]]>=10T1i4dA1+h1(T1i-Tgi)dA1+q1---(3)]]>④工作室不鏽鋼壁面的熱平衡方程
a2A2J1(dA1,i)K(dA1,i,dA2)dA1,idA2+a2A2J2(dA2,j)K(dA2,j)dA2,jdA2]]>+a2A3J3(dA3,k)K(dA3,k,dA2)dA3,kdA2=20T2i4dA2+h2(T2i-Tgi)dA2+h2(T2i-Tfi)dA2---(4)]]>⑤爐壁電熱面的熱平衡方程q3dx+a3A2J2(dA2,i)K(dA2,i,dA3)dA2,idA3+a3A3J3(dA3,j)K(dA3,j,dA3)dA3,jdA3]]>=30T3i4dA3+h3(T3i-Tfi)dA3---(5)]]>式中λ、Cp和ρ為空氣的物性參數，h1、h2、h3分別為鍛件表面、工作室不鏽鋼表面、爐壁電熱面和氣流的對流換熱係數。
爐子電熱面單位長度熱流q3＝常數，爐體的熱損失q0恆定，約5％。鍛件吸收的熱量為q1。ε1，α1，ε2，α2ε3，α3分別為鍛件表面、工作室表面、爐壁電熱面的輻射率和吸收率；σ0為史蒂芬-玻耳茲曼常數，是5.67×10-8W/(m2.K4)；J1，J2，J3為鍛件表面、工作室表面、爐壁電熱面微元面積dA1，i，dA2，j，dA3，k的有效輻射；K為積分方程核函數，反映微元面dA1，i，dA2，j，dA3，k之間的幾何輻射係數關係，上面5個方程構成的方程組，求其解析解是十分困難的，必須進行化簡併離散化。利用差分原理離散化上述方程式，通過數值分析得到溫度設定分別為473℃，500℃和526℃的情況下，補償溫度差值和鍛件表面到傳感器之間的距離l在0～120mm之間的關係圖，如圖3所示。從圖中可以看出，溫度補償的範圍與設定溫度有關，溫度補償值在0～12℃之間。再根據傳感器測量的溫度，可以計算出不同尺寸工件的表面溫度。
權利要求
1.一種大型立式淬火爐加工工件表面溫度的測量方法，採用傳感器測量工作室壁的溫度，其特徵在於包括下述步驟(1)通過建立爐內輻射-對流複合傳熱過程的數學模型；(2)用數值分析方法計算出不同溫度設定條件下的爐內徑向溫度場分布，得到實際測量點和不同待加熱工件之間的溫度補償曲線；(3)根據傳感器位置和待加熱工件表面之間距離得到修正值，計算出工件表面溫度。
2.根據權利要求1所述的溫度測量方法，其特徵在於溫度設定值在473～526℃範圍內，鍛件表面到傳感器之間的距離在0～120mm之間溫度的補償範圍為0～12℃。
全文摘要
一種大型立式淬火爐加工工件表面溫度的測量方法，採用傳感器測量工作室壁的溫度，通過建立爐內輻射－對流複合傳熱過程的數學模型，再用數值分析方法計算出不同初始輸入條件下的爐內徑向溫度場分布，得到實際測量點和待測點之間的溫度補償曲線，再根據傳感器位置和待加熱工件表面之間距離得到溫度修正值，計算出工件表面溫度。這種方法提高了加熱工件表面溫度的測量精度，為精確控制工件溫度提供了必要的前提條件。
文檔編號G01K7/00GK1896703SQ20051003186
公開日2007年1月17日 申請日期2005年7月14日 優先權日2005年7月14日
發明者桂衛華, 喻壽益, 賀建軍, 李迅, 周璇, 陽春華, 謝永芳, 王雅琳 申請人:中南大學