專利名稱：一種中厚板淬火工藝的控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及中厚板熱處理技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種中厚板淬火工藝的控制方法。
背景技術(shù)：
中厚板淬火工藝涉及溫降、形變、組織轉(zhuǎn)變等過程，具有多場耦合、非線性關(guān)系復(fù)雜等特點。淬火數(shù)學(xué)模型的建立存在如下技術(shù)難點①建模復(fù)雜、適應(yīng)性不強；②相關(guān)參數(shù)測量困難；③模型邊界條件難以精確確定；④模型求解困難。進口中厚板淬火設(shè)備不具備完備的淬火機各冷卻方式淬火模型控制系統(tǒng)，在科學(xué)合理制定淬火規(guī)程并準確快速執(zhí)行方面還存在一定的欠缺。此外，淬火工藝規(guī)程的制定還需緊密結(jié)合鋼板冷卻路徑，實現(xiàn)鋼板淬后組織和性能控制。目前，國內(nèi)中厚板淬火設(shè)備不具備多冷卻方式冷卻規(guī)程制定和冷卻路徑控制功能，阻礙了中厚板淬火過程高精度工藝控制和淬后性能控制的深入發(fā)展。專利CN101603120A，公開了一種淬火機水冷過程控制方法，通過優(yōu)化原淬火機 PLC硬件系統(tǒng)和軟件程序，利用鋼板跟蹤系統(tǒng)實現(xiàn)高低壓冷卻段各冷卻噴嘴開閉控制，提高了供水穩(wěn)定性和鋼板表面質(zhì)量。該方法為單純的通過PLC控制淬火機冷卻段開閉的方法， 并未涉及淬火工藝規(guī)程的制定和冷卻數(shù)學(xué)模型的建立，與本發(fā)明涉及到復(fù)雜的工藝過程控制無關(guān)。專利CN1019^811A，公開了一種基于模型控制的鋼板淬火冷卻方法，根據(jù)鋼板成分和目標硬度計算冷速和鋼板走速，再利用水量模型和溫度模型計算鋼板溫度分布和冷速分布。該方法主要針對水冷，利用建立的模型計算板溫、冷速和輥速，并未涉及其他冷卻方式。此外，該方法建立模型多為經(jīng)驗公式，并未深入研究水冷換熱原理，換熱系數(shù)計算理論基礎(chǔ)不強，導(dǎo)熱方程模型過于簡化，不能較精確的描述鋼板水冷溫降過程，與本發(fā)明涉及模型的建立基礎(chǔ)和計算精度有一定差距。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種中厚板淬火工藝的控制方法，通過建立數(shù)學(xué)模型制定冷卻策略和冷卻規(guī)程，實現(xiàn)不同冷卻方式下中厚板淬火工藝自動控制和鋼板冷卻路徑控制。上述目的是通過下述方案實現(xiàn)的
一種中厚板淬火工藝的控制方法，包括鋼板淬火策略制定、淬火參數(shù)的模型計算和淬火規(guī)程的制定，其特征在于首先根據(jù)鋼板計劃信息和模型參數(shù)信息，自動選擇四種淬火方式之一水冷、汽霧冷、強風(fēng)冷和空冷，并制定相應(yīng)冷卻策略；再根據(jù)冷卻設(shè)備結(jié)構(gòu)尺寸和控制參數(shù)初始化冷卻參數(shù)，計算鋼板表面綜合換熱系數(shù)；結(jié)合熱物性參數(shù)模型，根據(jù)導(dǎo)熱方程計算鋼板溫降，不斷優(yōu)化淬火參數(shù)，直至冷速、終冷溫度均達到目標值；最后進行組織性能分析和冷卻規(guī)程制定，并將計算好的規(guī)程發(fā)送至數(shù)據(jù)庫、PLC和界面。根據(jù)上述中厚板淬火工藝的控制方法，其特征在于自動選擇冷卻方式及制定相應(yīng)冷卻策略的步驟如下根據(jù)獲取的鋼板計劃信息調(diào)用數(shù)據(jù)庫中的模型參數(shù)，比對相近參數(shù)后自動選擇冷卻方
式；
若冷卻方式為水冷，根據(jù)目標冷速、終冷溫度和淬后性能制定冷卻路徑，結(jié)合水冷設(shè)備結(jié)構(gòu)尺寸、供水水力模型、管嘴出流水力模型初始化各水冷段噴嘴開閉方式、水量、水比、輥速和中間溫度，初始化水冷前鋼板溫度分布；利用水冷綜合換熱系數(shù)模型、熱物性參數(shù)模型和鋼板溫降模型計算高壓水冷段溫降，通過調(diào)整高壓段冷卻策略使中間溫度滿足目標要求，利用相同步驟計算淬火機低壓水冷段溫降，通過調(diào)整低壓段冷卻策略使終冷溫度和冷速滿足目標要求；
若冷卻方式為汽霧冷，根據(jù)目標冷速、終冷溫度和淬后性能制定冷卻路徑，結(jié)合汽霧冷卻設(shè)備結(jié)構(gòu)尺寸和氣液兩相耦合計算模型初始化汽霧冷卻策略和冷前鋼板溫度分布；利用汽霧冷綜合換熱系數(shù)模型、熱物性參數(shù)模型和鋼板溫降模型計算各汽霧冷卻段溫降和冷速，不斷調(diào)整冷卻策略使計算終冷溫度和冷速滿足目標要求；
若冷卻方式為強風(fēng)冷，根據(jù)目標冷速、終冷溫度和淬后性能制定冷卻路徑，結(jié)合強風(fēng)冷卻設(shè)備結(jié)構(gòu)尺寸、噴射參數(shù)模型和風(fēng)溫模型初始化冷卻策略和冷前鋼板溫度分布；利用強風(fēng)冷卻綜合換熱系數(shù)模型、換熱器換熱模型和鋼板溫降模型循環(huán)計算各強風(fēng)冷卻段溫降和冷速，不斷調(diào)整冷卻策略使計算終冷溫度和冷速滿足目標要求；
若冷卻方式為空冷，根據(jù)輻射溫降模型、對流溫降模型和接觸溫降模型計算冷卻時間和冷速；
各冷卻方式冷卻參數(shù)計算完畢后，繪制冷卻曲線，利用臨界冷速模型和淬透性預(yù)測模型計算淬透層深度，預(yù)測淬后鋼板性能；之后，制定冷卻規(guī)程，并將規(guī)程發(fā)送至數(shù)據(jù)庫、PLC 和界面。根據(jù)上述中厚板淬火工藝的控制方法，其特征在于水冷綜合換熱系數(shù)通過如下計算過程取得首先結(jié)合噴嘴結(jié)構(gòu)尺寸，利用射流沖擊換熱特性計算噴嘴射流雷諾數(shù)和普朗特數(shù)；再利用射流沖擊鋼板表面努塞爾數(shù)與雷諾數(shù)、普朗特數(shù)、噴射距離、噴嘴直徑和噴射角的關(guān)系函數(shù)建立努塞爾數(shù)計算模型；之后，利用射流沖擊局部換熱系數(shù)與鋼板表面努塞爾數(shù)的關(guān)系函數(shù)確定綜合換熱系數(shù)初始值；最后，基于反傳熱法，利用鋼板表面換熱條件、 綜合換熱系數(shù)初始值和導(dǎo)熱差分方程計算某一冷卻段鋼板終冷溫度，將計算值與實測溫度比較，不斷修正綜合換熱系數(shù)初始值，直至計算值逼近測量值，此時的換熱系數(shù)即為該冷卻段在特定噴水條件下的綜合換熱系數(shù)。根據(jù)上述中厚板淬火工藝的控制方法，其特征在于努塞爾數(shù)計算模型為
權(quán)利要求
1.一種中厚板淬火工藝的控制方法，包括鋼板淬火策略制定、淬火參數(shù)的模型計算和淬火規(guī)程的制定，其特征在于首先根據(jù)鋼板計劃信息和模型參數(shù)信息，自動選擇四種淬火方式之一水冷、汽霧冷、強風(fēng)冷和空冷，并制定相應(yīng)冷卻策略；再根據(jù)冷卻設(shè)備結(jié)構(gòu)尺寸和控制參數(shù)初始化冷卻參數(shù)，計算鋼板表面綜合換熱系數(shù)；結(jié)合熱物性參數(shù)模型，根據(jù)導(dǎo)熱方程計算鋼板溫降，不斷優(yōu)化淬火參數(shù)，直至冷速、終冷溫度均達到目標值；最后進行組織性能分析和冷卻規(guī)程制定，并將計算好的規(guī)程發(fā)送至數(shù)據(jù)庫、PLC和界面。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種中厚板淬火工藝的控制方法，其特征在于自動選擇冷卻方式及制定相應(yīng)冷卻策略的步驟如下根據(jù)獲取的鋼板計劃信息調(diào)用數(shù)據(jù)庫中的模型參數(shù)，比對相近參數(shù)后自動選擇冷卻方式；若冷卻方式為水冷，根據(jù)目標冷速、終冷溫度和淬后性能制定冷卻路徑，結(jié)合水冷設(shè)備結(jié)構(gòu)尺寸、供水水力模型、管嘴出流水力模型初始化各水冷段噴嘴開閉方式、水量、水比、輥速和中間溫度，初始化水冷前鋼板溫度分布；利用水冷綜合換熱系數(shù)模型、熱物性參數(shù)模型和鋼板溫降模型計算高壓水冷段溫降，通過調(diào)整高壓段冷卻策略使中間溫度滿足目標要求，利用相同步驟計算淬火機低壓水冷段溫降，通過調(diào)整低壓段冷卻策略使終冷溫度和冷速滿足目標要求；若冷卻方式為汽霧冷，根據(jù)目標冷速、終冷溫度和淬后性能制定冷卻路徑，結(jié)合汽霧冷卻設(shè)備結(jié)構(gòu)尺寸和氣液兩相耦合計算模型初始化汽霧冷卻策略和冷前鋼板溫度分布；利用汽霧冷綜合換熱系數(shù)模型、熱物性參數(shù)模型和鋼板溫降模型計算各汽霧冷卻段溫降和冷速，不斷調(diào)整冷卻策略使計算終冷溫度和冷速滿足目標要求；若冷卻方式為強風(fēng)冷，根據(jù)目標冷速、終冷溫度和淬后性能制定冷卻路徑，結(jié)合強風(fēng)冷卻設(shè)備結(jié)構(gòu)尺寸、噴射參數(shù)模型和風(fēng)溫模型初始化冷卻策略和冷前鋼板溫度分布；利用強風(fēng)冷卻綜合換熱系數(shù)模型、換熱器換熱模型和鋼板溫降模型循環(huán)計算各強風(fēng)冷卻段溫降和冷速，不斷調(diào)整冷卻策略使計算終冷溫度和冷速滿足目標要求；若冷卻方式為空冷，根據(jù)輻射溫降模型、對流溫降模型和接觸溫降模型計算冷卻時間和冷速；各冷卻方式冷卻參數(shù)計算完畢后，繪制冷卻曲線，利用臨界冷速模型和淬透性預(yù)測模型計算淬透層深度，預(yù)測淬后鋼板性能；之后，制定冷卻規(guī)程，并將規(guī)程發(fā)送至數(shù)據(jù)庫、PLC 和界面。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種中厚板淬火工藝的控制方法，其特征在于水冷綜合換熱系數(shù)通過如下計算過程取得首先結(jié)合噴嘴結(jié)構(gòu)尺寸，利用射流沖擊換熱特性計算噴嘴射流雷諾數(shù)和普朗特數(shù)；再利用射流沖擊鋼板表面努塞爾數(shù)與雷諾數(shù)、普朗特數(shù)、噴射距離、 噴嘴直徑和噴射角的關(guān)系函數(shù)建立努塞爾數(shù)計算模型；之后，利用射流沖擊局部換熱系數(shù)與鋼板表面努塞爾數(shù)的關(guān)系函數(shù)確定綜合換熱系數(shù)初始值；最后，基于反傳熱法，利用鋼板表面換熱條件、綜合換熱系數(shù)初始值和導(dǎo)熱差分方程計算某一冷卻段鋼板終冷溫度，將計算值與實測溫度比較，不斷修正綜合換熱系數(shù)初始值，直至計算值逼近測量值，此時的換熱系數(shù)即為該冷卻段在特定噴水條件下的綜合換熱系數(shù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種中厚板淬火工藝的控制方法，其特征在于努塞爾數(shù)計
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種中厚板淬火工藝的控制方法，其特征在于各水冷段按冷卻強度不同，淬火機分高壓段和低壓段兩個水冷段，通過控制鋼板在高、低壓水冷段之間的中間溫度控制鋼板冷卻路徑，中間溫度控制方法為首先根據(jù)鋼板計劃信息和模型參數(shù)計算動態(tài)相變點溫度和水冷開冷溫度，制定初始冷卻策略；再根據(jù)水冷溫降模型計算高壓段后鋼板溫度分布，并比較計算結(jié)果和中間溫度設(shè)定值，通過不斷調(diào)整輥速、噴嘴開啟個數(shù)和噴水水量重新計算高壓水冷段溫降，直至計算值與設(shè)定中間溫度之差在允許范圍內(nèi)，制定出高壓水冷段冷卻策略。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種中厚板淬火工藝的控制方法，其特征在于汽霧冷卻策略初始化方法為首先根據(jù)管內(nèi)氣體流動規(guī)律、管內(nèi)氣體流速變化規(guī)律和供氣管路結(jié)構(gòu)計算供氣壓力，進而利用噴嘴氣體出流模型計算噴嘴噴氣速度；再根據(jù)供水量與調(diào)節(jié)閥前后管路壓差的關(guān)系函數(shù)計算噴嘴噴水壓力；之后結(jié)合汽霧噴嘴水氣噴射參數(shù)，利用噴射角模型、 水流密度模型、霧滴出噴嘴速度模型和霧滴沖擊速度模型計算噴射角、水流密度、霧滴出流速度和霧滴沖擊速度；最后根據(jù)目標冷卻參數(shù)、模型參數(shù)和鋼板計劃信息計算噴嘴開啟個數(shù)、單個噴嘴水量、水比、單個噴嘴水氣比和輥速。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種中厚板淬火工藝的控制方法，其特征在于汽霧冷卻換熱基于大容器膜態(tài)沸騰換熱機理，結(jié)合氣膜、液膜厚度計算建立對流換熱系數(shù)模型和輻射換熱系數(shù)模型，最終建立綜合換熱系數(shù)計算模型；對流換熱系數(shù)計算式為
8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種中厚板淬火工藝的控制方法，其特征在于強風(fēng)冷卻策略初始化方法為首先根據(jù)供風(fēng)管路沿程壓力損失模型、局部壓力損失模型、噴嘴噴射參數(shù)模型和風(fēng)溫模型計算噴箱開閉方式、噴風(fēng)壓力、噴風(fēng)量、噴風(fēng)速度和初始風(fēng)溫；再利用綜合換熱系數(shù)模型、換熱器換熱模型、鋼板溫降模型循環(huán)計算噴射參數(shù)，使計算鋼板終冷溫度和冷速滿足目標要求；鋼板溫降計算采用將鋼板整個溫降等分為若干子溫降段，每個子溫降段內(nèi)鋼板表面溫度不變化，利用導(dǎo)熱方程計算該子溫降段換熱量和冷卻風(fēng)溫升，結(jié)合換熱器換熱模型計算下一子溫降段初始風(fēng)溫，不斷循環(huán)計算各溫降段鋼板表面溫度和冷卻風(fēng)溫升。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種中厚板淬火工藝的控制方法，其特征在于強風(fēng)冷卻換熱系數(shù)通過如下計算過程取得首先結(jié)合噴箱結(jié)構(gòu)尺寸，利用氣體射流沖擊換熱特性計算噴箱射流雷諾數(shù)和普朗特數(shù)；再利用多噴嘴射流沖擊換熱條件下鋼板表面努塞爾數(shù)計算模型和對流換熱系數(shù)理論計算式確定換熱系數(shù)初始值；最后，利用集總參數(shù)法建立綜合換熱系數(shù)模型，代入換熱系數(shù)初始值計算鋼板在某一風(fēng)冷段內(nèi)的溫降，通過不斷修正換熱系數(shù)初始值，使計算終冷溫度與目標值之差在允許范圍內(nèi)，此時的換熱系數(shù)即為該風(fēng)冷段在特定噴風(fēng)條件下的綜合換熱系數(shù)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的一種中厚板淬火工藝的控制方法，其特征在于強風(fēng)冷卻多噴嘴射流沖擊換熱條件下鋼板表面努塞爾數(shù)計算模型為.吼=0.0 6(|〕-1〔￡]—& ^1^,其中，/fe為雷諾數(shù)，為普朗特數(shù)，//為噴嘴到鋼板的距離，Z為噴嘴間距，i/為噴嘴直徑；綜合換熱系數(shù)模型為hI^I=,其中，&為鋼板初始溫度，^00為某溫降段初始風(fēng)溫，r為鋼板表面溫度，fi、v、c分別為鋼板在特定溫度下的密度、體積和比熱d為鋼板表面換熱面積，t為溫降時間，力為鋼板表面綜合換熱系數(shù)。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種中厚板淬火工藝的控制方法，其特征在于淬透層深度通過如下計算過程取得首先根據(jù)修正Grossmarm法預(yù)測中低碳鋼淬透性，計算淬火鋼種理想臨界直徑；再根據(jù)臨界冷卻速率模型計算淬火鋼種臨界冷卻速率；之后，根據(jù)鋼板厚度劃分厚度層別，利用鋼板表面綜合換熱系數(shù)模型、鋼板溫降模型和鋼板溫降修正模型計算鋼板各厚度層實際冷卻速率；最后，比較某一厚度層臨界冷卻速率與實際冷卻速率，若實際冷卻速率大于臨界冷速，說明該厚度層已淬透，通過比較疊加，得到總的淬透層厚度；萍透性預(yù)測模型為r, = !),.^./,^,^，其中，^ =^為合金元素交互影響函數(shù)，Zi為單一元素淬火系數(shù)，Dr為理想臨界直徑，D0為基本臨界直徑；臨界itU冷卻速率模型Sk = Iim,其中，〃為鋼板溫度，^為相變開始溫度，次為奧氏體和珠光體的平衡溫度，ζ{θ)為孕育期函數(shù)，采用牛頓插值多項式描述組織轉(zhuǎn)變的孕育期函數(shù)，即 2(0)= 樹+ ^(0),慫(〃)為η次牛頓插值多項式，凡(〃)為插值余項。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種中厚板淬火工藝的控制方法，包括鋼板淬火策略制定、淬火參數(shù)的模型計算和淬火規(guī)程的制定，首先根據(jù)鋼板計劃信息和模型參數(shù)信息，自動選擇四種淬火方式之一水冷、汽霧冷、強風(fēng)冷和空冷，并制定相應(yīng)冷卻策略；再根據(jù)冷卻設(shè)備結(jié)構(gòu)尺寸和控制參數(shù)初始化冷卻參數(shù)，計算鋼板表面綜合換熱系數(shù)；結(jié)合熱物性參數(shù)模型，根據(jù)導(dǎo)熱方程計算鋼板溫降，不斷優(yōu)化淬火參數(shù)，直至冷速、終冷溫度均達到目標值；最后進行組織性能分析和冷卻規(guī)程制定，并將計算好的規(guī)程發(fā)送至數(shù)據(jù)庫、PLC和界面。該方法的冷卻策略制定靈活，冷卻規(guī)程計算精度高，較好解決了中厚板淬火過程控制精度不高、淬火后鋼板性能不合格等難題。
文檔編號C21D1/18GK102399950SQ20111038806
公開日2012年4月4日 申請日期2011年11月30日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月30日
發(fā)明者付天亮, 李勇, 王國棟, 王昭東, 袁國, 韓毅 申請人:東北大學(xué)