2つ目の｢mb_convert_encoding｣を下記のように書き換えて下さい｡

$encType2 = mb_detect_encoding($key, "auto");

"auto" を省略すると､mb_detect_order() で取得されるﾘｽﾄから､該当する文字ｺｰﾄﾞが何かを検証します｡
PHP: mb_detect_encoding - Manual
PHP: mb_detect_order - Manual

で､mb_detect_order() で得られるﾘｽﾄに UTF-8 が含まれていないと､同様の結果になりました｡

php.ini で

mbstring.detect_order = SJIS,ASCII

として､下記のｺｰﾄﾞを実行してみます｡

<?php
 $key = "あいうえお";

 $encType1 = mb_detect_encoding($key, "SJIS, SJIS-win");
 $key = mb_convert_encoding($key, "UTF-8", $encType1);
 $encType2 = mb_detect_encoding($key, "auto");
 echo "$encType2\n";
 echo "$key\n";
 print_r(mb_detect_order());
 echo "\n";
?>

このﾌｧｲﾙの文字ｺｰﾄﾞを Shift_JIS として保存して実行すると､

UTF-8
あいうえお
Array
(
 [0] => SJIS
 [1] => ASCII
)

となります｡この状態で "auto" を外して､

<?php
 $key = "あいうえお";

 $encType1 = mb_detect_encoding($key, "SJIS, SJIS-win");
 $key = mb_convert_encoding($key, "UTF-8", $encType1);
 $encType2 = mb_detect_encoding($key);
 echo "$encType2\n";
 echo "$key\n";
 print_r(mb_detect_order());
 echo "\n";
?>

として実行すると､

SJIS
あいうえお
Array
(
 [0] => SJIS
 [1] => ASCII
)

となりました｡