CN102399950A - 一种中厚板淬火工艺的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种中厚板淬火工艺的控制方法，包括钢板淬火策略制定、淬火参数的模型计算和淬火规程的制定，首先根据钢板计划信息和模型参数信息，自动选择四种淬火方式之一：水冷、汽雾冷、强风冷和空冷，并制定相应冷却策略；再根据冷却设备结构尺寸和控制参数初始化冷却参数，计算钢板表面综合换热系数；结合热物性参数模型，根据导热方程计算钢板温降，不断优化淬火参数，直至冷速、终冷温度均达到目标值；最后进行组织性能分析和冷却规程制定，并将计算好的规程发送至数据库、PLC和界面。该方法的冷却策略制定灵活，冷却规程计算精度高，较好解决了中厚板淬火过程控制精度不高、淬火后钢板性能不合格等难题。

Description

一种中厚板淬火工艺的控制方法

技术领域

本发明涉及中厚板热处理技术领域，特别是涉及一种中厚板淬火工艺的控制方法。

背景技术

中厚板淬火工艺涉及温降、形变、组织转变等过程，具有多场耦合、非线性关系复杂等特点。淬火数学模型的建立存在如下技术难点：①建模复杂、适应性不强；②相关参数测量困难；③模型边界条件难以精确确定；④模型求解困难。进口中厚板淬火设备不具备完备的淬火机各冷却方式淬火模型控制系统，在科学合理制定淬火规程并准确快速执行方面还存在一定的欠缺。此外，淬火工艺规程的制定还需紧密结合钢板冷却路径，实现钢板淬后组织和性能控制。目前，国内中厚板淬火设备不具备多冷却方式冷却规程制定和冷却路径控制功能，阻碍了中厚板淬火过程高精度工艺控制和淬后性能控制的深入发展。

专利CN101603120A，公开了一种淬火机水冷过程控制方法，通过优化原淬火机PLC硬件系统和软件程序，利用钢板跟踪系统实现高低压冷却段各冷却喷嘴开闭控制，提高了供水稳定性和钢板表面质量。该方法为单纯的通过PLC控制淬火机冷却段开闭的方法，并未涉及淬火工艺规程的制定和冷却数学模型的建立，与本发明涉及到复杂的工艺过程控制无关。

专利CN101928811A，公开了一种基于模型控制的钢板淬火冷却方法，根据钢板成分和目标硬度计算冷速和钢板走速，再利用水量模型和温度模型计算钢板温度分布和冷速分布。该方法主要针对水冷，利用建立的模型计算板温、冷速和辊速，并未涉及其他冷却方式。此外，该方法建立模型多为经验公式，并未深入研究水冷换热原理，换热系数计算理论基础不强，导热方程模型过于简化，不能较精确的描述钢板水冷温降过程，与本发明涉及模型的建立基础和计算精度有一定差距。

发明内容

本发明的目的是提出一种中厚板淬火工艺的控制方法，通过建立数学模型制定冷却策略和冷却规程，实现不同冷却方式下中厚板淬火工艺自动控制和钢板冷却路径控制。

上述目的是通过下述方案实现的：

一种中厚板淬火工艺的控制方法，包括钢板淬火策略制定、淬火参数的模型计算和淬火规程的制定，其特征在于首先根据钢板计划信息和模型参数信息，自动选择四种淬火方式之一：水冷、汽雾冷、强风冷和空冷，并制定相应冷却策略；再根据冷却设备结构尺寸和控制参数初始化冷却参数，计算钢板表面综合换热系数；结合热物性参数模型，根据导热方程计算钢板温降，不断优化淬火参数，直至冷速、终冷温度均达到目标值；最后进行组织性能分析和冷却规程制定，并将计算好的规程发送至数据库、PLC和界面。

根据上述中厚板淬火工艺的控制方法，其特征在于自动选择冷却方式及制定相应冷却策略的步骤如下：

根据获取的钢板计划信息调用数据库中的模型参数，比对相近参数后自动选择冷却方式；

若冷却方式为水冷，根据目标冷速、终冷温度和淬后性能制定冷却路径，结合水冷设备结构尺寸、供水水力模型、管嘴出流水力模型初始化各水冷段喷嘴开闭方式、水量、水比、辊速和中间温度，初始化水冷前钢板温度分布；利用水冷综合换热系数模型、热物性参数模型和钢板温降模型计算高压水冷段温降，通过调整高压段冷却策略使中间温度满足目标要求，利用相同步骤计算淬火机低压水冷段温降，通过调整低压段冷却策略使终冷温度和冷速满足目标要求；

若冷却方式为汽雾冷，根据目标冷速、终冷温度和淬后性能制定冷却路径，结合汽雾冷却设备结构尺寸和气液两相耦合计算模型初始化汽雾冷却策略和冷前钢板温度分布；利用汽雾冷综合换热系数模型、热物性参数模型和钢板温降模型计算各汽雾冷却段温降和冷速，不断调整冷却策略使计算终冷温度和冷速满足目标要求；

若冷却方式为强风冷，根据目标冷速、终冷温度和淬后性能制定冷却路径，结合强风冷却设备结构尺寸、喷射参数模型和风温模型初始化冷却策略和冷前钢板温度分布；利用强风冷却综合换热系数模型、换热器换热模型和钢板温降模型循环计算各强风冷却段温降和冷速，不断调整冷却策略使计算终冷温度和冷速满足目标要求；

若冷却方式为空冷，根据辐射温降模型、对流温降模型和接触温降模型计算冷却时间和冷速；

各冷却方式冷却参数计算完毕后，绘制冷却曲线，利用临界冷速模型和淬透性预测模型计算淬透层深度，预测淬后钢板性能；之后，制定冷却规程，并将规程发送至数据库、PLC和界面。

根据上述中厚板淬火工艺的控制方法，其特征在于水冷综合换热系数通过如下计算过程取得：首先结合喷嘴结构尺寸，利用射流冲击换热特性计算喷嘴射流雷诺数和普朗特数；再利用射流冲击钢板表面努塞尔数与雷诺数、普朗特数、喷射距离、喷嘴直径和喷射角的关系函数建立努塞尔数计算模型；之后，利用射流冲击局部换热系数与钢板表面努塞尔数的关系函数确定综合换热系数初始值；最后，基于反传热法，利用钢板表面换热条件、综合换热系数初始值和导热差分方程计算某一冷却段钢板终冷温度，将计算值与实测温度比较，不断修正综合换热系数初始值，直至计算值逼近测量值，此时的换热系数即为该冷却段在特定喷水条件下的综合换热系数。

根据上述中厚板淬火工艺的控制方法，其特征在于努塞尔数计算模型为                                                ，其中，A ₁，A ₂，x ₀，d _x为Nu/Re ^0.7分布函数的系数；利用反传热法建立的综合换热系数计算模型为：淬火一段，

 ，

，淬火二段，

，

，其中，，

，w为水量，v为辊速，A ₁~A ₄、B ₁~B ₅、D ₁~D _n和E ₁~E _n为系数。

根据上述中厚板淬火工艺的控制方法，其特征在于各水冷段按冷却强度不同，淬火机分高压段和低压段两个水冷段，通过控制钢板在高、低压水冷段之间的中间温度控制钢板冷却路径，中间温度控制方法为：首先根据钢板计划信息和模型参数计算动态相变点温度和水冷开冷温度，制定初始冷却策略；再根据水冷温降模型计算高压段后钢板温度分布，并比较计算结果和中间温度设定值，通过不断调整辊速、喷嘴开启个数和喷水水量重新计算高压水冷段温降，直至计算值与设定中间温度之差在允许范围内，制定出高压水冷段冷却策略。

根据上述中厚板淬火工艺的控制方法，其特征在于汽雾冷却策略初始化方法为：首先根据管内气体流动规律、管内气体流速变化规律和供气管路结构计算供气压力，进而利用喷嘴气体出流模型计算喷嘴喷气速度；再根据供水量与调节阀前后管路压差的关系函数计算喷嘴喷水压力；之后结合汽雾喷嘴水气喷射参数，利用喷射角模型、水流密度模型、雾滴出喷嘴速度模型和雾滴冲击速度模型计算喷射角、水流密度、雾滴出流速度和雾滴冲击速度；最后根据目标冷却参数、模型参数和钢板计划信息计算喷嘴开启个数、单个喷嘴水量、水比、单个喷嘴水气比和辊速。

根据上述中厚板淬火工艺的控制方法，其特征在于汽雾冷却换热基于大容器膜态沸腾换热机理，结合气膜、液膜厚度计算建立对流换热系数模型和辐射换热系数模型，最终建立综合换热系数计算模型；对流换热系数计算式为

，

其中，h _d为对流换热系数，ρ _l、ρ _v为饱和条件下水、水蒸气密度，λ _v为饱和状态下空气导热系数，Δθ为钢板表面过冷度，μ _v为饱和空气动力黏度，c _pv为饱和空气定压比热容，H为喷嘴距钢板表面高度，Λ为常数；辐射换热系数计算式为

，其中，h _f为辐射换热系数，σ为斯蒂芬-波尔兹曼常数，ε _p为钢板表面发射率，T _p、T _s分别为壁面温度和液膜温度；综合换热系数计算式为

，其中，h _t为综合换热系数。

根据上述中厚板淬火工艺的控制方法，其特征在于强风冷却策略初始化方法为：首先根据供风管路沿程压力损失模型、局部压力损失模型、喷嘴喷射参数模型和风温模型计算喷箱开闭方式、喷风压力、喷风量、喷风速度和初始风温；再利用综合换热系数模型、换热器换热模型、钢板温降模型循环计算喷射参数，使计算钢板终冷温度和冷速满足目标要求；钢板温降计算采用将钢板整个温降等分为若干子温降段，每个子温降段内钢板表面温度不变化，利用导热方程计算该子温降段换热量和冷却风温升，结合换热器换热模型计算下一子温降段初始风温，不断循环计算各温降段钢板表面温度和冷却风温升。

根据上述中厚板淬火工艺的控制方法，其特征在于强风冷却换热系数通过如下计算过程取得：首先结合喷箱结构尺寸，利用气体射流冲击换热特性计算喷箱射流雷诺数和普朗特数；再利用多喷嘴射流冲击换热条件下钢板表面努塞尔数计算模型和对流换热系数理论计算式确定换热系数初始值；最后，利用集总参数法建立综合换热系数模型，代入换热系数初始值计算钢板在某一风冷段内的温降，通过不断修正换热系数初始值，使计算终冷温度与目标值之差在允许范围内，此时的换热系数即为该风冷段在特定喷风条件下的综合换热系数。

根据上述中厚板淬火工艺的控制方法，其特征在于强风冷却多喷嘴射流冲击换热条件下钢板表面努塞尔数计算模型为，其中，Re为雷诺数，Pr为普朗特数，H为喷嘴到钢板的距离，L为喷嘴间距，d为喷嘴直径；综合换热系数模型为

，其中，T ₀为钢板初始温度，T _∞为某温降段初始风温，T为钢板表面温度，ρ、V、c分别为钢板在特定温度下的密度、体积和比热，A为钢板表面换热面积，t为温降时间，h为钢板表面综合换热系数。

根据上述中厚板淬火工艺的控制方法，其特征在于淬透层深度通过如下计算过程取得：首先根据修正Grossmann法预测中低碳钢淬透性，计算淬火钢种理想临界直径；再根据临界冷却速率模型计算淬火钢种临界冷却速率；之后，根据钢板厚度划分厚度层别，利用钢板表面综合换热系数模型、钢板温降模型和钢板温降修正模型计算钢板各厚度层实际冷却速率；最后，比较某一厚度层临界冷却速率与实际冷却速率，若实际冷却速率大于临界冷速，说明该厚度层已淬透，通过比较叠加，得到总的淬透层厚度；淬透性预测模型为：

，其中，

为合金元素交互影响函数，f _i为单一元素淬火系数，D _r为理想临界直径，D ₀为基本临界直径；临界冷却速率模型为

，其中，θ为钢板温度，θ _R为相变开始温度，A ₁为奥氏体和珠光体的平衡温度，Z(θ)为孕育期函数，采用牛顿插值多项式描述组织转变的孕育期函数，即，N _n(θ)为n次牛顿插值多项式，R _n(θ)为插值余项。

本发明的有益效果：该方法建立不同冷却方式换热模型和温降模型，冷却策略制定灵活，冷却规程计算精度高，较好解决了中厚板淬火过程控制精度不高、淬火后钢板性能不合格等难题。

附图说明

图1是本发明中的中厚板淬火工艺控制流程图；

图2是本发明中的中厚板水淬规程控制流程图；

图3是本发明中的中厚板水淬中间温度控制流程图；

图4是本发明中的中厚板水淬综合换热系数生成流程图；

图5是本发明中的中厚板汽雾冷却规程控制流程图；

图6是本发明中的中厚板强风冷却规程控制流程图；

图7是本发明中的中厚板淬透层深度计算流程图；

图8～图11是本发明中的中厚板水淬规程控制程序子界面111～114。

具体实施方式

本发明一种中厚板淬火工艺的控制方法，适用于钢板在淬火机上的淬火，中厚板淬火工艺控制总流程见图1，包括以下步骤：

第一步101，根据PLC跟踪触发读取厂级MES或计划管理系统数据库中存放的钢板计划信息，包括钢板规格、钢种、板号、热处理模式、合金成分和目标工艺参数；再根据计划信息调用淬火控制系统数据库中的模型参数，包括钢板热物性参数（比热、导热系数、线膨胀系数和密度）、工艺参数默认值和组合分类信息（钢种组号、分类号和层别号）；依据计划信息和模型参数调用冷却方式计算模型，选择冷却方式。若厂级MES或计划管理系统未下达计划信息，则读取非计划信息或补发信息。

第二步102，若冷却方式定为水冷，控制流程如图2所示：

首先，初始化出炉温度，再次判断是否选择水冷方式，若出炉温度与终冷目标温度差小于设定值，进行完全空冷计算，否则，进行水冷前空冷计算。然后，根据目标冷速、终冷温度和淬后性能制定冷却路径，结合水冷设备结构尺寸、供水水力模型、管嘴出流水力模型初始化各水冷段喷嘴开闭方式、水量、水比、辊速和中间温度，初始化水冷前钢板温度分布。接着，利用水冷综合换热系数模型、热物性参数模型和钢板温降模型计算高压水冷段温降，通过调整高压段冷却策略使中间温度满足目标要求。中间温度控制流程如图3所示，根据钢板原始数据和模型参数确定该钢板动态相变点温度Tc，根据空冷模型和实测出炉温度计算水冷开冷温度T1，若Tc、T1差值小于50℃，进行完全空冷计算，水冷不投入，否则读取初始化的各水冷段喷嘴开闭方式、水量、水比和辊速，计算高压水冷段后钢板温度T2，通过调整喷嘴开启个数和辊速，使T2与Tc差值小于20℃，此时的T2即为中间温度，调整后的规程即为高压段水冷规程。水冷综合换热系数生成步骤如图4所示，结合喷嘴结构尺寸，利用射流冲击换热特性计算喷嘴射流雷诺数和普朗特数，再利用射流冲击钢板表面努塞尔数与雷诺数、普朗特数、喷射距离、喷嘴直径和喷射角的关系计算努塞尔数分布，之后，利用射流冲击局部换热系数与钢板表面努塞尔数的关系函数计算综合换热系数初始值。换热系数初始值获得后，结合实测钢板开冷温度、冷却时间和模型参数，利用导热方程计算水冷过程温降，通过不断修正换热系数初始值，使计算终冷温度与目标值之差在允许范围内，此时的换热系数即为该冷却段综合换热系数。钢板温降模型基于具有内热源的二维非稳态导热方程，采用第三类导热问题边界条件，考虑淬火过程中相变潜热对钢板内部温降的影响，利用有限元法求解。

制定出高压段水冷规程后，重新初始化高压段过后钢板温度分布，利用同样的步骤计算低压段水冷规程。低压段控制主要目标参数为钢板终冷温度和冷却速率106，规程调节参数除喷嘴开启个数和辊速外，还包括低压段钢板摆动次数。若低压段水冷温降结果满足目标终冷温度要求，此时调整后的规程即为低压段水冷规程。

第三步103，若冷却方式定为汽雾冷，控制流程如图5所示。

首先，根据钢板计划信息和模型参数初始化出炉温度，再次判断是否选择汽雾冷方式，若出炉温度与终冷目标温度差小于设定值，进行完全空冷计算，否则，进行汽雾冷前空冷计算。

然后，根据目标冷速、终冷温度和淬后性能制定冷却路径，结合汽雾冷却设备结构尺寸和气液两相耦合计算模型初始化汽雾冷却策略和冷前钢板温度分布。冷却路径制定流程为：依据各钢种相变温度和临界冷速确定最优冷却路线，初始化汽雾冷却次强冷、强冷、中冷和弱冷四个冷却段的冷却强度，使钢板经过各冷却段按设定冷却速率冷却。冷却策略初始化流程为：根据管内气体流动规律、管内气体流速变化规律和供气管路结构计算供气压力和管内气体流速，进而利用喷嘴气体出流模型计算喷嘴喷气速度；再根据供水量与调节阀前后管路压差的关系函数计算喷嘴喷水压力；之后，结合汽雾喷嘴水气喷射参数，利用喷射角模型、水流密度模型、雾滴出喷嘴速度模型和雾滴冲击速度模型计算喷射角、水流密度、雾滴出流速度和雾滴冲击速度；最后根据目标冷却参数、模型参数和钢板计划信息计算喷嘴开启个数、单个喷嘴水量、水比、单个喷嘴水气比和辊速。冷前钢板温度分布按空冷温降模型计算。

最后，利用汽雾冷综合换热系数模型、热物性参数模型和钢板温降模型计算各汽雾冷却段温降和冷速，不断调整冷却策略使计算终冷温度和冷速满足目标要求。各冷却段钢板表面汽雾冷综合换热系数获取过程为：首先利用对流换热系数计算式和辐射换热系数计算式分别计算钢板表面对流换热系数和辐射换热系数；再利用综合换热系数模型计算钢板表面综合换热系数。热物性参数计算流程为：首先根据实验数据，将不同钢种比热、导热系数、线膨胀系数和密度与温度的关系拟合成函数；当计算某一温降段内钢板导热换热情况时，根据该温降段初始温度，利用热物性参数与温度的函数计算各热物性参数，并将结果代入导热差分方程参与钢板温降计算。钢板温降计算流程为：根据汽雾冷开始冷却温度、冷却时间和目标终冷温度将钢板温降过程划分为若干等温降段，再根据钢板厚度将每一个等温降段划分为若干厚度计算层别；代入钢板表面综合换热系数，计算钢板导热边界条件，结合该温降段内热物性参数值，利用导热差分方程计算每个厚度层别内能量流动情况，进而计算该温降段内钢板厚度方向温度梯度；循环计算各温降段内温度梯度，最终得到钢板在目标冷却时间内的计算终冷温度；通过调整水量、辊速、汽雾段开启个数重新调整冷却策略，不断重新计算终冷温度，使之与目标终冷温度的差值小于允许值，此时的冷却策略即为汽雾冷却策略，由此制定的冷却规程即为汽雾冷却规程。

第四步104，若冷却方式定为强风冷，控制流程如图6所示：

首先，根据钢板计划信息和模型参数初始化出炉温度，根据钢板目标温度离散化钢板温降过程。钢板温降过程离散化过程为：将钢板温降过程等分为若干子温降段，每个子温降段内钢板表面温度不变化，将等温降段初始温度对应的热物性参数定为该温降段热物性参数。然后，根据目标冷速、终冷温度和淬后性能制定冷却路径，结合强风冷却设备结构尺寸、喷射参数模型和风温模型初始化冷却策略。冷却路径制定流程为：依据各钢种相变温度和临界冷速确定最优冷却路线，初始化强风冷却设备各冷却段冷却强度，使钢板经过各冷却段时按设定冷却速率冷却。冷却策略初始化流程为：首先根据供风管路沿程压力损失模型、局部压力损失模型、喷嘴喷射参数模型和风温模型计算喷箱开闭方式、喷风压力、喷风量、喷风速度和初始风温；再利用经验综合换热系数，结合换热器换热模型、钢板温降模型不断修正喷射参数，使计算钢板终冷温度和冷速满足目标要求。钢板温降过程采用离散化分析方法，利用导热方程计算某一子温降段换热量和冷却风温升，结合换热器换热模型计算下一子温降段初始风温，不断循环计算各温降段钢板表面温度和冷却风温升。最后，利用强风冷却综合换热系数模型、换热器换热模型和钢板温降模型循环计算各强风冷却段温降和冷速，不断调整冷却策略使计算终冷温度和冷速满足目标要求。强风冷却各冷却段钢板表面综合换热系数生成流程为：首先结合喷箱结构尺寸，利用气体射流冲击换热特性计算喷箱射流雷诺数和普朗特数；再利用多喷嘴射流冲击换热条件下钢板表面努塞尔数计算模型和对流换热系数理论计算式确定换热系数初始值；最后，利用集总参数法建立综合换热系数模型，代入换热系数初始值计算钢板在某一风冷段内的温降，通过不断修正换热系数初始值，使计算终冷温度与目标值之差在允许范围内，此时的换热系数即为该风冷段在特定喷风条件下的综合换热系数。换热器换热模型计算步骤为：首先利用钢板与冷风换热计算得出换热器入口热风温度，利用检测仪表得到换热器入口水温、入口冷却水量和换热器出口水温；再利用换热器结构参数和入口冷却水量得到换热器空气侧换热系数，进而得到换热器热效率；利用换热器换热原理得到热效率与入口、出口水温和入口、出口风温的关系，进而计算出换热器出口风温，经管内换热计算得到强风冷却喷嘴初始风温。得到钢板表面各冷却段换热系数、初始冷却规程、各温降段风温后，利用导热方程及其边界条件计算各温降段钢板温度分布，最终得到设定冷却时间内计算终冷温度，通过调整辊速、喷风量、喷嘴开启个数和喷射风温使计算终冷温度与目标终冷温度差值小于设定值，此时的冷却规程即为强风冷却规程。

第五步105，若冷却方式定为空冷，首先利用接触温降模型计算钢板表面辐射和对流换热系数。两类换热系数边界条件可统一用对流边界条件表示，于是结合斯蒂芬玻尔兹曼定律和牛顿冷却公式可得对流-辐射综合换热系数计算式，有

，式中，T _s为钢板表面温度，T _介质为环境温度，q为热流密度，A为自学习系数，σ为斯蒂芬玻尔兹曼常数，ε为钢板的热辐射系数。然后，利用基于半无限体非稳态导热的接触空冷温降模型计算钢板与低温辊道接触产生的温降，其中，根据钢板行进速度和空冷距离计算空冷时间。接着，利用导热方程求解钢板内部导热温度场，导热方程研究厚度和宽度方向上的二维传热过程，计算过程中将相变热划入钢板的平均比热内，简化认为钢板空冷过程为无内热源的非稳态导热过程，采用交替方向隐式差分解法求解导热方程。

第六步106，制定出各种冷却方式下钢板淬火规程后，结合钢板温降再次计算各冷却段冷却速率，并通过微调辊速、喷水（气）量和喷嘴开启个数，使各冷却段计算冷速符合制定的冷却路径。

第七步107，结合计算出的各冷却段冷速和钢板温降绘制各冷却方式下钢板冷却曲线，包括表面温降曲线、心部温降曲线、平均温降曲线和冷速曲线。

第八步108，根据计算冷速、钢板合金成分、钢板温降曲线计算钢板理想临界直径、临界冷却速率，利用淬透层深度计算模型预测钢板淬透层深度。理想临界直径计算步骤为：首先根据含碳量和奥氏体晶粒度计算基本临界直径；再根据钢板合金成分计算单一合金元素淬火系数；接着根据合金元素交互作用函数计算合金元素交互影响系数；最后根据修正Grossmann法计算该钢种理想临界直径。临界冷却速率计算步骤为：首先根据牛顿插值多项式建立钢板组织转变的孕育期函数；再利用Scheil相加性原理建立的临界冷速计算模型计算该钢板临界冷却速率。淬透层深度计算流程如图8所示，首先根据钢板厚度划分厚度层别，利用钢板表面综合换热系数模型、钢板温降模型和钢板温降修正模型计算钢板各厚度层实际冷却速率；再比较某一厚度层临界冷却速率与实际冷却速率，若实际冷却速率大于临界冷速，说明该厚度层已淬透，通过比较叠加，得到总的淬透层厚度。

第九步109，将各冷却方式下冷却规程、钢板计划信息、冷却速率计算结果、钢板温降曲线和淬透层深度计算结果汇总，得到中厚板淬火工艺规程。

第十步110，将汇总后的淬火规程存入数据库中，根据跟踪系统调用规程触发将其发送到PLC中执行和淬火操作界面上显示。

利用本发明所述中厚板淬火工艺控制方法得到的水冷方式下钢板水冷、空冷温降曲线和工艺参数计算结果如图8~11所示。图8为初始参数输入界面111，包括钢种、生产模式、钢板规格、目标参数、计算模式和自学习参数；图9为温度计算界面112，显示钢板空冷温降曲线、水冷温降曲线和各淬火段钢板温度分布；图10为工艺参数计算界面113，显示辊缝、辊速、摆动参数、各冷却段冷却速率和冷却时间；图11为喷水参数计算界面114，显示各冷却段计算水量和经验水量。

上述第二步水冷却方式综合换热系数生成过程中，努塞尔数计算模型为：

，式中，A ₁，A ₂，x ₀，d _x为Nu/Re ^0.7分布函数的系数；利用反传热法建立的综合换热系数计算模型为：淬火一段，

 ，

，淬火二段，

，

，式中，，，w为水量，v为辊速，A ₁~A ₄、B ₁~B ₅、D ₁~D _n和E ₁~E _n为系数。

上述第二步水冷却方式水冷温降模型基于具有内热源的二维非稳态导热方程，采用第三类导热问题边界条件，考虑淬火过程中相变潜热对钢板内部温降的影响，利用有限元法求解；其中，导热微分方程描述为：

，式中，ρ(θ)为钢板密度，c _p(θ)为钢板比热，λ(θ)为钢板的导热系数，Φ为单位时间内单位体积相变潜热，θ为钢板温度，t为时间，x、y为钢板厚度和宽度方向坐标；边界条件表示为：

，式中，h为钢板表面综合换热系数，θ _w为水温，θ为钢板温度。

上述第三步汽雾冷却方式中，喷嘴气体出流模型为：

，式中，C _C、C _B分别为管内气体流速和喷嘴喷气速度，p _C、p _B分别为管内气体压力和喷嘴出口气体压力，A _B、A _C分别为管内截面积和喷嘴截面积，κ为定熵指数；喷射角模型为：

，

，，

，式中，α为喷射角，w为水量，A ₁~A ₃、B ₁、w _a、dw _a为系数；雾滴冲击速度模型为：

，式中，Δt _i 为第i个时间步长，v _i-1为第i个时间步长内雾滴运行速度，v _n 为雾滴冲击速度，m为雾滴质量，v ₀为雾滴出喷嘴时的速度，C为空气阻力系数，ρ为空气密度，S为雾滴运动方向上的垂直投影面积。

上述第三步汽雾冷却方式中汽雾冷却换热基于大容器膜态沸腾换热机理，结合气膜、液膜厚度计算建立对流换热系数模型和辐射换热系数模型，最终建立综合换热系数计算模型；其中，对流换热系数计算式为：

，式中，h _d为对流换热系数，ρ _l、ρ _v为饱和条件下水、水蒸气密度，λ _v为饱和状态下空气导热系数，Δθ为钢板表面过冷度，μ _v为饱和空气动力黏度，c _pv为饱和空气定压比热容，H为喷嘴距钢板表面高度，Λ为常数；辐射换热系数计算式为：

，式中，h _f为辐射换热系数，σ为斯蒂芬波尔兹曼常数，ε _p为钢板表面发射率，T _p、T _s分别为壁面温度和液膜温度；综合换热系数计算式为

，式中，h _t为综合换热系数。

上述第四步强风冷却方式中，喷箱内气体流速计算模型为：

，式中，v为气体流速，κ为定熵指数，R为普氏气体常数，θ为风温，A为管路截面积；换热器管束外表面空气侧换热系数模型为：

，式中，Re为雷诺数，λ为空气平均导热系数，d _e为空气流通断面的当量直径，L为沿气流方向翅片的长度，m、n为系数，C ₁为与气流运动状况有关的系数，C ₂为与结构尺寸有关的系数；换热器出口风温计算模型为：，式中，为入口空气温度，

为入口冷却水温度，

为出口空气温度，η(t)为换热器热效率与入口空气温度的函数关系。

上述第四步强风冷却方式中，强风冷却多喷嘴射流冲击换热条件下钢板表面努塞尔数计算模型为：

，式中，Re为雷诺数，Pr为普朗特数，H为喷嘴到钢板的距离，L为喷嘴间距，d为喷嘴直径；综合换热系数模型为：

，式中，T ₀为钢板初始温度， T _∞为某温降段初始风温，T为钢板表面温度，ρ、V、c分别为钢板在特定温度下的密度、体积和比热，A为钢板表面换热面积，t为温降时间，h为钢板表面综合换热系数。

上述第八步淬透层深度计算过程中，淬透性预测模型为：

，式中，

为合金元素交互影响函数，f _i为单一元素淬火系数，D _r为理想临界直径，D ₀为基本临界直径，有

，式中，

、

、

、为修正系数，W(C)为含碳量；临界冷却速率采用三种方法计算，分别为修正Maynier法、Eldis法和等温曲线法，相比之下，等温曲线法计算精度更高，利用该法建立的临界冷速计算模型为：

，式中，θ为钢板温度，θ _R为相变开始温度，A ₁为奥氏体和珠光体的平衡温度， Z(θ)为孕育期函数，采用牛顿插值多项式描述组织转变的孕育期函数，即

，N _n(θ)为n次牛顿插值多项式，R _n(θ)为插值余项。

Claims (11)

1.一种中厚板淬火工艺的控制方法，包括钢板淬火策略制定、淬火参数的模型计算和淬火规程的制定，其特征在于首先根据钢板计划信息和模型参数信息，自动选择四种淬火方式之一：水冷、汽雾冷、强风冷和空冷，并制定相应冷却策略；再根据冷却设备结构尺寸和控制参数初始化冷却参数，计算钢板表面综合换热系数；结合热物性参数模型，根据导热方程计算钢板温降，不断优化淬火参数，直至冷速、终冷温度均达到目标值；最后进行组织性能分析和冷却规程制定，并将计算好的规程发送至数据库、PLC和界面。

2.根据权利要求1所述的一种中厚板淬火工艺的控制方法，其特征在于自动选择冷却方式及制定相应冷却策略的步骤如下：

根据获取的钢板计划信息调用数据库中的模型参数，比对相近参数后自动选择冷却方式；

若冷却方式为水冷，根据目标冷速、终冷温度和淬后性能制定冷却路径，结合水冷设备结构尺寸、供水水力模型、管嘴出流水力模型初始化各水冷段喷嘴开闭方式、水量、水比、辊速和中间温度，初始化水冷前钢板温度分布；利用水冷综合换热系数模型、热物性参数模型和钢板温降模型计算高压水冷段温降，通过调整高压段冷却策略使中间温度满足目标要求，利用相同步骤计算淬火机低压水冷段温降，通过调整低压段冷却策略使终冷温度和冷速满足目标要求；

若冷却方式为汽雾冷，根据目标冷速、终冷温度和淬后性能制定冷却路径，结合汽雾冷却设备结构尺寸和气液两相耦合计算模型初始化汽雾冷却策略和冷前钢板温度分布；利用汽雾冷综合换热系数模型、热物性参数模型和钢板温降模型计算各汽雾冷却段温降和冷速，不断调整冷却策略使计算终冷温度和冷速满足目标要求；

若冷却方式为强风冷，根据目标冷速、终冷温度和淬后性能制定冷却路径，结合强风冷却设备结构尺寸、喷射参数模型和风温模型初始化冷却策略和冷前钢板温度分布；利用强风冷却综合换热系数模型、换热器换热模型和钢板温降模型循环计算各强风冷却段温降和冷速，不断调整冷却策略使计算终冷温度和冷速满足目标要求；

若冷却方式为空冷，根据辐射温降模型、对流温降模型和接触温降模型计算冷却时间和冷速；

各冷却方式冷却参数计算完毕后，绘制冷却曲线，利用临界冷速模型和淬透性预测模型计算淬透层深度，预测淬后钢板性能；之后，制定冷却规程，并将规程发送至数据库、PLC和界面。

3.根据权利要求1所述的一种中厚板淬火工艺的控制方法，其特征在于水冷综合换热系数通过如下计算过程取得：首先结合喷嘴结构尺寸，利用射流冲击换热特性计算喷嘴射流雷诺数和普朗特数；再利用射流冲击钢板表面努塞尔数与雷诺数、普朗特数、喷射距离、喷嘴直径和喷射角的关系函数建立努塞尔数计算模型；之后，利用射流冲击局部换热系数与钢板表面努塞尔数的关系函数确定综合换热系数初始值；最后，基于反传热法，利用钢板表面换热条件、综合换热系数初始值和导热差分方程计算某一冷却段钢板终冷温度，将计算值与实测温度比较，不断修正综合换热系数初始值，直至计算值逼近测量值，此时的换热系数即为该冷却段在特定喷水条件下的综合换热系数。

4.根据权利要求3所述的一种中厚板淬火工艺的控制方法，其特征在于努塞尔数计算模型为                                                

，其中，A ₁，A ₂，x ₀，d _x为Nu/Re ^0.7分布函数的系数；利用反传热法建立的综合换热系数计算模型为：淬火一段，

 ，，淬火二段，

，

，其中，

，

，w为水量，v为辊速，A ₁~A ₄、B ₁~B ₅、D ₁~D _n和E ₁~E _n为系数。

5.根据权利要求2所述的一种中厚板淬火工艺的控制方法，其特征在于各水冷段按冷却强度不同，淬火机分高压段和低压段两个水冷段，通过控制钢板在高、低压水冷段之间的中间温度控制钢板冷却路径，中间温度控制方法为：首先根据钢板计划信息和模型参数计算动态相变点温度和水冷开冷温度，制定初始冷却策略；再根据水冷温降模型计算高压段后钢板温度分布，并比较计算结果和中间温度设定值，通过不断调整辊速、喷嘴开启个数和喷水水量重新计算高压水冷段温降，直至计算值与设定中间温度之差在允许范围内，制定出高压水冷段冷却策略。

6.根据权利要求2所述的一种中厚板淬火工艺的控制方法，其特征在于汽雾冷却策略初始化方法为：首先根据管内气体流动规律、管内气体流速变化规律和供气管路结构计算供气压力，进而利用喷嘴气体出流模型计算喷嘴喷气速度；再根据供水量与调节阀前后管路压差的关系函数计算喷嘴喷水压力；之后结合汽雾喷嘴水气喷射参数，利用喷射角模型、水流密度模型、雾滴出喷嘴速度模型和雾滴冲击速度模型计算喷射角、水流密度、雾滴出流速度和雾滴冲击速度；最后根据目标冷却参数、模型参数和钢板计划信息计算喷嘴开启个数、单个喷嘴水量、水比、单个喷嘴水气比和辊速。

7.根据权利要求6所述的一种中厚板淬火工艺的控制方法，其特征在于汽雾冷却换热基于大容器膜态沸腾换热机理，结合气膜、液膜厚度计算建立对流换热系数模型和辐射换热系数模型，最终建立综合换热系数计算模型；对流换热系数计算式为

，

其中，h _d为对流换热系数，ρ _l、ρ _v为饱和条件下水、水蒸气密度，λ _v为饱和状态下空气导热系数，Δθ为钢板表面过冷度，μ _v为饱和空气动力黏度，c _pv为饱和空气定压比热容，H为喷嘴距钢板表面高度，Λ为常数；辐射换热系数计算式为

，其中，h _f为辐射换热系数，σ为斯蒂芬-波尔兹曼常数，ε _p为钢板表面发射率，T _p、T _s分别为壁面温度和液膜温度；综合换热系数计算式为，其中，h _t为综合换热系数。

8.根据权利要求2所述的一种中厚板淬火工艺的控制方法，其特征在于强风冷却策略初始化方法为：首先根据供风管路沿程压力损失模型、局部压力损失模型、喷嘴喷射参数模型和风温模型计算喷箱开闭方式、喷风压力、喷风量、喷风速度和初始风温；再利用综合换热系数模型、换热器换热模型、钢板温降模型循环计算喷射参数，使计算钢板终冷温度和冷速满足目标要求；钢板温降计算采用将钢板整个温降等分为若干子温降段，每个子温降段内钢板表面温度不变化，利用导热方程计算该子温降段换热量和冷却风温升，结合换热器换热模型计算下一子温降段初始风温，不断循环计算各温降段钢板表面温度和冷却风温升。

9.根据权利要求8所述的一种中厚板淬火工艺的控制方法，其特征在于强风冷却换热系数通过如下计算过程取得：首先结合喷箱结构尺寸，利用气体射流冲击换热特性计算喷箱射流雷诺数和普朗特数；再利用多喷嘴射流冲击换热条件下钢板表面努塞尔数计算模型和对流换热系数理论计算式确定换热系数初始值；最后，利用集总参数法建立综合换热系数模型，代入换热系数初始值计算钢板在某一风冷段内的温降，通过不断修正换热系数初始值，使计算终冷温度与目标值之差在允许范围内，此时的换热系数即为该风冷段在特定喷风条件下的综合换热系数。

10.根据权利要求9所述的一种中厚板淬火工艺的控制方法，其特征在于强风冷却多喷嘴射流冲击换热条件下钢板表面努塞尔数计算模型为

，其中，Re为雷诺数，Pr为普朗特数，H为喷嘴到钢板的距离，L为喷嘴间距，d为喷嘴直径；综合换热系数模型为

，其中，T ₀为钢板初始温度，T _∞为某温降段初始风温，T为钢板表面温度，ρ、V、c分别为钢板在特定温度下的密度、体积和比热，A为钢板表面换热面积，t为温降时间，h为钢板表面综合换热系数。

11.根据权利要求1所述的一种中厚板淬火工艺的控制方法，其特征在于淬透层深度通过如下计算过程取得：首先根据修正Grossmann法预测中低碳钢淬透性，计算淬火钢种理想临界直径；再根据临界冷却速率模型计算淬火钢种临界冷却速率；之后，根据钢板厚度划分厚度层别，利用钢板表面综合换热系数模型、钢板温降模型和钢板温降修正模型计算钢板各厚度层实际冷却速率；最后，比较某一厚度层临界冷却速率与实际冷却速率，若实际冷却速率大于临界冷速，说明该厚度层已淬透，通过比较叠加，得到总的淬透层厚度；淬透性预测模型为：

，其中，

为合金元素交互影响函数，f _i为单一元素淬火系数，D _r为理想临界直径，D ₀为基本临界直径；临界冷却速率模型为

，其中，θ为钢板温度，θ _R为相变开始温度，A ₁为奥氏体和珠光体的平衡温度，Z(θ)为孕育期函数，采用牛顿插值多项式描述组织转变的孕育期函数，即

，N _n(θ)为n次牛顿插值多项式，R _n(θ)为插值余项。

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