加热炉炉温均匀性对锻件金相组织的影响

文／王辉，张阳，张岚，李少雨，夏昊·中航卓越锻造(无锡)有限公司

钢坯在锻造前需要用加热炉将其加热到工艺要求的锻造温度，提高钢坯加热温度可以降低变形阻力，但温度过高会引起晶粒长大、氧化、过热和过烧，这就要求锻造加热炉必须具有较高的可靠性。为了将钢材加热到合适的锻造温度，对加热炉的炉温均匀性提出了更高的要求。本文就公司生产中由于加热炉炉温不均匀导致产品出现金相组织检测不合格的情况进行分析。

金相组织检测及初步分析

金相组织不合格产品的材质为42CrMoA，数量为2 件，是同一订单第一批次生产的产品。工艺路线：原材料检验-锯床下料-锻造加热-锻造制坯-加热-辗环-正回火-粗车平面-无损检测-硬度检测-金相组织检测。交货时要求金相组织为均匀的铁素体+珠光体组织。在热处理后检测金相组织时发现：1#件金相组织呈现铁素体极少以及大量片状珠光体的状态(图1)，不满足交货状态要求；2#件金相组织为均匀的铁素体+珠光体组织(图2)，满足要求。

图1 1#件金相组织

图2 2#件金相组织

经过调查，此两件产品为同炉生产，相同的加热炉加热，相同的热处理炉加热，工艺路线也一模一样，按理金相组织不应出现如此大的差异。由此，我们开始检查所有的作业记录卡片，包括装炉温度、出炉温度、冷却时间等，以期找到两件产品工艺上的不同之处，最终发现锻造过程温度记录处有较大差异，即1#件始锻温度为1178℃，2#件始锻温度为1120℃。工艺要求加热炉加热保温温度为1220℃，检查加热炉加热保温曲线，曲线正常，保温温度为1220℃。同一加热炉加热出来的两件产品始锻温度相差近60℃，说明该加热炉的炉温均匀性出现了问题。为了验证此想法，决定对该加热炉进行炉温均匀性测试。

加热炉炉温均匀性测试

加热炉炉温均匀性测试装置由温度传感器、检测仪表及测温支架等组成。本次测试采用自带补偿导线式热电偶直接与多点温湿度巡检仪连接，热电偶、检测仪表均应检定合格并在有效期内，按照《GB/T 9452-2012热处理炉有效加热区测定方法》进行检测，分析加热炉内均温性实际状况。

热电偶的选择

在炉温均匀性测试中比较常用的是K 型和N 型热电偶，K 型热电偶在高温下长时间使用时，热电动势会缓慢漂移。N 型热电偶的高温抗氧化性能更强，测温范围更广、更准确。它在K 型热电偶的基础上对其抗氧化性能、辐照嬗变、有序无序转变和磁性转变等方面进行了改进，从而提高了热电偶稳定性能及抗高温氧化性能。

从以上方面考虑，此次测试选择N 型补偿导线式铠装热电偶，型号为WRMK-010，热电偶测温范围0 ～1300℃，等级Ⅱ级，长度为8m。

多点温湿度巡检仪的选择

多点温湿度巡检仪的选择应从测温范围、准确度等级、分辨力及通道数量等方面进行考虑。公司现有的巡检仪为泰安磐然测控科技有限公司所生产，型号为PR203AF，32 通道，准确度为0.2%FS，分辨率为0.1℃，测量范围为0 ～1300℃，满足此次炉温均匀性测试的要求。

测温支架及保护罩的选择

此次要测量的加热炉加热方式为天然气加热，炉内温度较高，这就要求测温支架需要具备耐高温的特性，以确保测试过程中测温支架无明显变形。为减少火焰喷射对热电偶采集数据造成的影响，需要在热电偶上装保护罩，且保护罩也需具备耐高温的特性，故此次测试采用不锈钢材质的测温支架与热电偶保护罩，使用耐高温的镍铬丝对热电偶及保护罩进行捆绑。

炉温均匀性测试

按照工艺要求，加热炉保温温度为1220℃，所以此次测试选择的工艺温度为1220℃。需特别注意的是测试时将热电偶套上保护罩，使用镍铬丝将保护罩一起可靠地绑扎在测温支架上。

加热炉为长方体，四周测温支架的上下端各绑扎一个热电偶，中间测温支架的中心位置绑扎一个热电偶，共布置9 个点。测试点布置位置如图3 所示，其中，b=3000mm，l=3500mm，h=1500mm。

图3 测试点布置位置示意图

将热电偶延长导线引出炉外，将热电偶测量端正负极导线正确连接在多点温湿度巡检仪上，仪表通电后检查热电偶能否正常显示温度。巡检仪距离加热炉约4 米，不影响测试精度。设置数据采集时间间隔为2 分钟，采集次数不限。一切准备就绪后对加热炉进行升温，加热炉按工艺规定的升温速度进行升温，于1220℃温度点进行保温。

保温2 小时后，采集10 组数据，加热炉内各检测点温度见表1。可见加热炉内5 号、6 号检测点温度明显异常，超出设定温度值1220℃约50℃。由此可以推测，在生产过程中，1#件在加热炉中的放置位置应该在5 号、6 号区域，2#件在温度相对正常的区域，由于炉温不均匀导致1#件加热温度过高，使得晶粒粗大，从而影响了后续热处理的效果，产生了同炉的1#件金相组织检测不合格而2#件金相组织检测合格的差异。为了验证此想法，我们准备进行一次重复性试验。

表1 加热炉1220℃下保温的炉温均匀性测试数据

重复性试验

取两件材质同为42CrMoA 的余料，标记为1#试验件、2#试验件，将1#试验件放置于加热炉5 号、6 号位置，2#试验件放置于3 号、4 号位置，加热保温温度设定为1220℃，然后按照工艺规定的升温速度进行升温，到温后保温2 小时。后续使用与1#件、2#件产品相同的工艺进行试制，在热处理后对金相组织检测。经检测发现，1#试验件金相组织再次呈现铁素体极少以及大量片状珠光体的状态(图4)，2#试验件金相组织为均匀的铁素体+珠光体组织(图5)。

图4 1#试验件金相组织

图5 2#试验件金相组织

综上，我们可以确定，由于加热炉炉温均匀性差，炉内5 号、6 号区域炉温过高，导致锻件晶粒粗大，从而影响后续热处理，使得产品出现1#件金相组织不合格而2#件金相组织合格的差异。因此，公司通知加热炉生产厂家，根据此次炉温均匀性测试报告，就对应部位天然气喷射嘴、加热炉温度仪表修正值等进行调整。

第二次炉温均匀性测试及产品跟踪

为确保加热炉可靠性，经厂家调整结束后，对该加热炉进行第二次炉温均匀性测试，设定温度为1220℃，按工艺规定的升温速度进行升温，到温保温2 小时后，采集10 组数据，炉内各检测点温度见表2。调整后炉内温度分布更加均匀，炉温均匀性符合生产要求。跟踪同订单的后续3 批次产品，热处理后均获得了均匀的铁素体+珠光体组织(图6)，再没有出现之前类似的金相组织检测不合格问题，证明了此次改进的合理性和正确性。

表2 加热炉1220℃下保温的第二次炉温均匀性测试数据

图6 后续产品金相组织

结论

⑴加热炉炉温不均匀，部分区域炉温过高，而过高的加热温度使得坯料晶粒粗大，对后续热处理造成很大影响，产品金相组织很难通过后续热处理来改善，导致同炉同批次产品出现有的金相组织合格，有的金相组织不合格的情况。

⑵利用多点温湿度巡检仪对加热炉的炉温均匀性进行测试，实时测试数据可以给加热炉制造厂家调整炉子提供强有力的支持，使有效加热区内的炉温均匀性满足工艺要求，对实际生产具有指导意义。