感应透热坯料温度均匀度测定的研究和实践

葛华山， 张永武， 丁富拓

1.西安电炉研究所有限公司 陕西西安 710061

2.国家电炉质量监督检验中心 陕西西安 710061

3.苏州振吴电炉有限公司 江苏苏州 215128

1 序言

感应透热最早应用于炮弹坯料锻前的加热和退火，然后在汽车、拖拉机、工程机械、轴承及工具等许多行业中得到迅速推广。现感应透热主要用于钢、铝和铜等金属坯料在锻造、轧制、挤压等热加工前的加热，以及钢、铸铁等金属材料和某些机械零件的热处理。随着环保意识的增强和电力供应的充足，感应透热已在更多领域替代燃料加热。

由于感应透热装置的加热方式、品种和规格繁多且某些特殊性能的试验又非常复杂，长期以来国内外一直没有该装置的试验方法和产品标准。在装置众多的性能参数中，坯料温度均匀度对装置用户来讲，是最重要、也是最复杂和最难测定的。

在前期预研的基础上，2015年我国立项制订了感应透热装置的试验方法和产品标准两项国家标准。2016年，在国标草案的基础上，我国向IEC提出了“电热和电磁处理装置——感应透热装置试验方法”新工作项目提案，后经IEC/TC27各国投票获得全票通过而立项，并组成了以葛华山为首，包括中国、德国、瑞典和挪威专家的PT 63078项目工作组，感应透热装置试验方法的国标和相应IEC标准的制订同步进行。感应透热坯料温度均匀度测定的研究和有关试验也与此同步深入。由我国主导制订的IEC 63078：2019[1]已正式发布，随后上述两 国标草案在技术上作相应修改后，已于2021年5月21日正式发布[2，3]，并于2021年12月1日实施。

2 热成形工艺对坯料温度的要求

坯料的温度和温度均匀度是热成形工艺对坯料最重要的两项要求。

坯料温度应满足热成形工艺的要求。温度过高会使坯料晶粒变粗，其最高温度应与熔化温度保持一定距离；温度过低不利于热成形且降低模具寿命。不同金属材质和不同热成形工艺的一些典型温度见表1[4]。额定坯料温度为感应透热设备设计时规定，并在铭牌上标出对某材质坯料进行透热所要求的温度，可再考虑坯料的形状、尺寸和不同的温度均匀度要求（见表2）等确定。

表1 热成形工艺的一些典型温度 （℃）

坯料温度均匀度为坯料经加热和保温后出料时的温度均匀程度，它与感应透热装置的工作频率、加热功率、传热时间和感应线圈的设计等有关。由于感应加热的趋肤效应，热量大部分在坯料表层产生后向内传递，趋肤效应随频率增加而加极，因此根据坯料材质和横截面尺寸合理选用工作频率尤为重要，可参见参考文献[3]。

坯料温度均匀度Δθb为坯料经加热和保温后出料时的温度均匀程度，以在坯料各测温点上测得的温度与坯料额定温度的温差（可正可负）范围来表示。考虑到感应加热时通常坯料的表层温度比内部的高，两端比中间低，对圆形或长方形等的等截面长坯料也可用横向（径向）温差Δθbt(r)和纵向温差Δθbl来表示，分别为经加热和保温后出料时坯料横截面上边缘部位与中心部位间的温差（可正可负）范围和坯料纵向方向上最高温度与最低温度之差。

坯料温度均匀度分等指标见表2。表2中给出了以两种不同方式表示的坯料温度均匀度的分等指标，供不同材质、形状和尺寸的坯料和不同的工艺要求选用。

表2 坯料温度均匀度分等指标

3 一般要求和测量条件

坯料内的温度场取决于由电磁感应而在坯料内形成的涡流所产生的焦耳热的分布、由热传导形成的坯料内部温度平衡和坯料表面热损失等。

坯料温度均匀度的测定除应按GB/T 10066.32—2021第4章“对试验和试验条件的基本要求”的有关规定外，还应符合以下补充要求。

1）坯料温度均匀度的测定应在感应透热设备已正常运行足够长时间并确保已处于热态后，在已完成的由制造厂和用户商定的加热和保温工艺的坯料上进行。

2）温度的测量应按GB/T 10066.1—2019《电热和电磁处理装置的试验方法 第1部分：通用部分》的6.5及下面的补充规定。试验用测温仪表和温度传感器应是合适的并在被测温度范围内进行校正并给出其修正值。坯料各测温点的温度测量应采用同一台或同类和同规格的测温仪表和温度传感器，并尽量同时或在最短时间内完成。

3）试验应采用符合装置设计规定材质、形状和尺寸的实际坯料，表面应清洁、干燥、无氧化皮和明显的毛刺，以精确测量表面温度。

4）需指出的是，用于坯料加热和保温的温控点位置对坯料温度均匀度的测定有很大影响，通常宜位于加热过程中坯料的最高温度处。

4 测量方法

为适应不同需求和实际生产现状，经研究建立了以下三种测量方法 。

4.1 表面测量法

用红外摄像仪、光学高温计、示温漆或接触式热电偶等对即将出料或刚出料的坯料测量各表面上或其上各规定测温点处的温度，从而测定坯料温度均匀度的方法。该法简单、方便，适用于各种加热方式的感应透热设备、一般试验和实际生产，能大体反映坯料温度的均匀程度。

感应透热结束出炉的坯料温度均匀度的测量尤其取决于可接近性、坯料表面状况、不同的温度和环境因素。

测量时应考虑和消除所测温度受到下列因素的影响。

1）坯料表面轻微的变化（如表面粗糙度变化和表面上有无氧化皮和杂物等）都能引起发射率的强烈变化，从而导致信号误差；宜在测温前清除测温处可能存在的氧化皮和杂物。

2）出炉坯料端面和棱边的较快降温。

3）采用红外摄像仪和光学高温计时，辐射通道上的介质吸收和外来光干扰等。

4）采用接触式测温时，测温头与坯料表面的接触紧密度和接触时间的长短，接触式热电偶的使用及其固定可参见GB/T 10066.1—2019的 6.5.2。

5）不具有兰伯特定律散射特性的表面能导致整个表面温度测量错误。

6）坯料传送方向的温度均匀度与传送速度有关。

应对以上这些因素的作用进行评估并写入数据阐述报告中。

在采用示温漆测温时，应将其预涂于试验坯料表面各规定测温点处，其斑点大小应足以显示各点的温度或根据需要涂于整个坯料表面，以显示其温度分布。

在采用红外测温仪和光学高温计时，其测温探头应尽量处于被测表面的法线方向上。

在条件适用时，推荐采用红外摄像仪对坯料表面进行2D温度测量，如用于测定坯料端面的横向/径向温差；或者采用红外线测温仪定点测量通过运动坯料侧表面中心的纵轴线上的温度，以测定坯料侧表面的纵向温差，测量时红外线测温仪的响应时间应按坯料移动速度设定，该法可以避免使用红外摄像系统时遇到的一些误差。

4.2 热电偶埋入测量法

按测温点的要求将热电偶埋入并定位于预先打好的位于试验坯料表层或内部的各小孔内以测定坯料温度均匀度的方法。该法可测量坯料的3D温度分布，能可靠和连续监测透热过程中各点温度的变化和精确测定坯料的温度均匀度。但该测量法较复杂，打孔对坯料有损伤，以及热电偶引线较多、较长等，仅适用于加热时坯料固定不动的情况，并主要用于感应器的设计验证以求得最佳的坯料温度均匀度。用该法测得的数据可用于验证其他两个测温法。该法不适用于较高频率。

4.3 数值模拟法

建立在电磁场Maxwell方程和热力场Fourier方程基础上，并采用有限元法数值技术来处理由于坯料温度变化所引起的非线性特性，以及电磁场和热力场相互耦合过程的数值模拟，可求解和分析坯料的三维温度分布，从而求得坯料的温度均匀度。该法已成功用于感应透热设备的优化设计，以求得满足热成形工艺要求的坯料温度分布，并可大大降低实验费用和减少误差。

该法应符合参考文献[2]第7章“数值模拟”的一般要求，它的可行性和计算准确度应经热电偶埋入测量法验证，并达到相应的或更好的准确度。

5 测温点布置

测温点应考虑坯料的形状和大小、感应加热的特点和实际测温的便利和可操作性等因素合理布置。除非用户另有要求，测温点宜布置在坯料的端面和侧面上，不宜布置在坯料的顶部、底部和较深的内部。

在坯料表面上，测温点离表面边缘的距离Δ为5～10mm，视坯料尺寸大小而定。当采用热电偶埋入测量法时，表面上的打孔深度也为Δ。

表3给出了长方形和圆形横截面坯料表面的最少测温点布置。表3中，表图d中的7点、10点和9点、12点4个测温点与表图c中的3点、1点和6点、4点4个测温点可相互替代从而可少布点（特别在采用热电偶埋入测量法时）；表图f和表图e中也有类似情况。对热电偶埋入测量法，还应在坯料内部中心点上增加一个测温点。

表3 坯料测温点布置

对较长坯料可适当等距离增加两侧面纵轴线上以及通过坯料中心的纵轴线上（后者适用于热电偶埋入测量法）的测温点数，具体由制造厂和用户商定。对其他横截面形状或非等截面坯料，可参考上述要求由制造厂和用户商定测温点的布置。

6 测定方法

应对采用不同的加热方式装置、测量方法和测温装置的操作细节以及所测数据的处理和计算方法作具体规定。例如，对间歇加热式感应透热装置采用表面测量法用红外摄像仪和光学高温计测温时，对被连续测温的试验坯料件数、每件坯料循环测量的次序和时间，以及前后两件坯料各测温表面的测量顺序作了规定，以提高测量准确度并减少和消除输出坯料表面的快速冷却氧化，以及测量先后顺序对温度测量的影响。

6.1 间歇加热式感应透热装置

（1）表面测量法 当采用红外摄像仪和光学高温计测温时，应按上述一般要求和测量条件以及表面测量法的要求连续对不少于4件（视坯料大小，大坯料可取少）刚移出保温感应器的偶数件坯料进行试验。对每个刚出来的坯料，应马上依次测量坯料两端面和两侧面上的温度分布。前后两件坯料各测温表面的测量顺序正好相反，以消除测量先后顺序对温度测量的影响。由于输出坯料表面的快速冷却和氧化（尤其是端表面），每件坯料的循环测量时间应尽量短，以10～20s为宜，取决于坯料大小和额定温度的高低。

全部测量结束并求得各点温度读数的平均值后，分别确定所测坯料各温度均匀度，即

式中Δθbub、Δθblb——试验坯料测得的温差范围的 上界、下界（℃）；

θbmax、θbmin——试验坯料各测温点上测得的 温度平均值经修正后的最高值和最低值（℃）；

θbr——坯料额定温度（℃）；

Δθbt(r)ub、Δθbt(r)lb——试验坯料测得的横向（径向） 温差范围的上界、下界（℃）；

θbt(r)max、θbt(r)min——试验坯料某一端面上边缘部 位各测温点上测得的温度平均 值经修正后的最高值和最低 值（℃）；

θbt(r)o——试验坯料某一端面上中心点 处测得的温度平均值经修正 后的值（℃）；

Δθbl——坯料纵向温差（℃）；

θblmax、θblmin——被试验坯料某一侧面纵轴线上 各测温点上测得的温度平均值 经修正后中的最高值和最低值 （℃）。

分别取在两端面或两侧面上测得的各坯料温度均匀度值的平均值作为它们各自的测定结果。

当采用红外摄像仪、光学高温计和示温漆时，其计算坯料温度均匀度的测温点可按测温点布置的规定或扩大至包含这些测温点的整个或部分表面，然后寻得这些点或面上温度中的最高值和最低值，再按式（1）～式（5）进行计算。

当采用GB/T 10066.1—2019中6.5.2所述方法将接触式热电偶黏附在表面测温点上进行测温时，则应在试验期间连续测量和记录各测温点的温度，并遵循热电偶埋入测量法中可适用的要求。

（2）热电偶埋入测量法 对按一般要求和测量条件以及热电偶埋入测量法的要求测得的所有测温点的温度数据，仅取保温阶段后期的按式（1）～式（5）作与表面测量法同样的计算和处理，求得被测坯料各温度均匀度。

（3）数值模拟法 在用4.3所述的数值模拟法所得的坯料温度分布数据的基础上计算坯料温度均匀度时，其测温点应至少包括表3中所规定的那些点或宜扩展至整个坯料，然后寻得这些点或面上的温度最高值和最低值，再按式（1）～式（5）进行计算。

6.2 连续加热式和多级加热式感应透热装置

通常，对于连续加热式和多级加热式感应透热装置只能采用表面测量法和数值模拟法进行测量。

但是，对连续加热式装置，也可采用红外线测温仪在紧靠出料处定点连续测量和记录正在按规定速度出料的试验坯料侧面纵轴线上的各点温度，然后根据测得的温度曲线或数据的最高和最低值，求得其纵向温差Δθbl。取连续出料的不少于4件坯料的Δθbl值的平均值作为其测定结果。采用这种方法可避免用红外摄像仪时通常会遇到的某些误差源。当坯料一个顶着一个而无法区分时，则连续测温一段时间（至少大于4件），找到该期间的最高和最低温度值，然后求得Δθbl。

7 试验论证

为验证坯料温度均匀度测定方法的可行性、合理性和准确性，2015年10月国家电炉质量监督检验中心分别在一汽锻造（吉林）公司的两台和南京钢铁公司的一台感应透热装置上做了大量试验。试验发现，坯料推出加热感应器后10s内其表面温度会降低15～30℃，此时用红外测温装置逐点测量坯料端面上规定点的温度较难，推荐采用红外摄像仪；但对连续加热式和小截面坯料透热，由于坯料表面的快速自然冷却和氧化，当采用响应时间为3s的红外摄像仪时，表面测量法的测量误差较大，因此对个别试验规定和计算方法作了修改，如缩短了各测温点循环测温的周期，并对相邻两出炉坯料各测温点的测量顺序作了规定。表4给出了三台连续式中频感应透热装置采用表面测量法，用一个红外测温装置定点连续测量几十个出炉坯料侧面纵轴线上的温度而得的坯料纵向温度均匀度。

表4 国家电炉质量监督检测中心部分试验结果

2016年7月，苏州振吴电炉有限公司在其感应加热实验室还进行了坯料温度均匀度测定的热电偶埋入测量法的验证试验，进一步补充规定了对感应透热设备运行时的温控点位置、所用测温仪表和循环测量时间长短等的要求。为在采用热电偶埋入测量法的同时能与表面测量法作比较和便于热电偶的引入，拆除了感应加热器的炉衬。表5为苏州振吴电炉有限公司的坯料温度均匀度测定报告，给出了三种坯料温度均匀度的测定结果。由于实验室条件有限，未能按通常的透热工艺进行加热和保温，致使坯料温度均匀度某些测定结果超过规定。图1所示为试验现场。图2所示为坯料感应加热升温、保温和停电降温时14个测温点的温度变化以及各点间温差逐步缩小的过程。从停电降温曲线数据可知，停电10s后各点降温0.7～24.1℃，端面两中心只降0.7℃，端面周边降得较快。试验发现，感应透热时控温点的位置对坯料温度均匀度的测定结果影响很大，宜监控或布置在被透热坯料的可能最高温度处。

表5 坯料温度均匀度测定报告

图1 试验设备

图2 坯料感应加热升温、保温和降温曲线

8 结束语

通过对感应透热坯料温度均匀度测定的多年持续研究，并通过大量试验不断发现和处理问题，解决了上述诸多关键技术，而后又引入感应透热装置试验方法的国家和IEC国际标准草案，历经多轮众多国内外专家的认真审核和不断改进，使该测定方法日趋完善。本研究成果为已发布的IEC 63078 : 2019和GB/T 10066.32—2021作出了重大贡献。

本文所涉及的技术和测定方法也大体或部分适用于采用电阻加热和燃气加热等其他加热方式对坯料或工件进行整体或部分透热的情况。