CN103484646A - 轧辊喷雾淬火过程中温度和组织在线模拟控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种轧辊喷雾淬火过程中温度和组织在线模拟控制系统及方法，所述在线模拟控制系统包括计算机控制子系统、测温装置和喷雾冷却装置，测温装置的输出端连接计算机控制子系统的输入端，计算机控制子系统的输出端连接喷雾冷却装置；所述方法包括在线模拟前处理、在线模拟计算以及在线模拟后处理三个步骤。本发明能够根据喷雾淬火热处理过程中轧辊表面的实际温度，作为计算机温度场模拟的边界条件，模拟计算轧辊内部任意位置的温度和组织，根据计算得到的组织转变量实时修正喷雾淬火热处理工艺曲线，进一步对轧辊在喷雾淬火过程中的温度变化以及组织变化进行控制。

Description

轧辊喷雾淬火过程中温度和组织在线模拟控制系统及方法

技术领域

本发明涉及计算机在线模拟技术，特别是一种用于对轧辊淬火过程的内部温度和组织变化进行在线模拟的系统及方法。

背景技术

淬火工艺是提高金属零件机械性能、保证零件质量的一项重要手段。但淬火工艺容易使零件产生畸变并造成较高的残余应力，由于淬火过程中存在组织转变、温度、应力应变三者之间的相互作用，准确预测淬火变形和参与应力分布是本领域的一项难题。为了能够分析和优化任意形状零件的淬火工艺，引进了数值模拟系统。

数值模拟淬火过程用于揭示淬火过程中工件内部的温度和组织变化情况，进而指导生产实践。在对淬火过程的数值模拟中，温度场的模拟计算是最基本的，温度场的变化会引起相变，而相变潜热反过来又将影响轧辊温度，温度变化及相变同时也将影响零件内部的应力场变化，因此热处理过程的模拟计算一般采用温度-相变-应力/应变三者的耦合算法。

在轧辊的淬火过程中轧辊内部的组织转变不仅是由温度变化引起的，而且都是在应力作用下进行的，应力会诱导相变发生，而且应力对组织转变的影响相当明显，因此组织场的计算要设计温度场和应力场。而对于基于温度场的组织转变计算，通常有两种方式：TTT等温转变曲线和CCT连续冷却转变曲线。由于TTT曲线能在恒温下得到不同保温时间的组织变化，可以清楚地显示不同温度下组织的转变特征，因此轧辊淬火过程中的组织在线模拟一般多采用TTT曲线。

然而轧辊在淬火过程中需要边旋转边喷水，因此会有雾气飘散至轧辊的辊颈处，而轧辊辊颈的材质、表面的状态以及室温等外在条件均会对辊颈表面的换热情况产生影响；特别是由于喷向轧辊辊身的水压、风压在实时发生变化，辊身便会出现氧化铁皮和水膜，加上辊身温度的变化以及辊身距离喷风嘴和喷水嘴的距离不等、辊身各处的换热情况也均不相同等因素，导致辊身与周围换热介质的换热情况变得及其复杂，因此很难对轧辊的喷雾淬火过程进行准确模拟。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是提供一种能够准确在线模拟大型轧辊喷雾淬火过程中温度和组织变化的系统以及方法。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

轧辊喷雾淬火过程中温度和组织在线模拟控制系统，包括计算机控制子系统、与计算机控制子系统连接的测温装置以及受计算机控制子系统控制的喷雾冷却装置，所述计算机控制子系统包括前处理模块、模拟计算模块和后处理模块，

所述前处理模块中至少存储有轧辊的几何尺寸参数、轧辊相应材料的TTT曲线、轧辊辊身和两端辊颈处的温度初始值、热物性参数以及模拟参数；前处理模块主要用于对轧辊的几何尺寸参数、TTT曲线、温度初始值、热物性参数以及模拟参数参数进行值域的离散化、方程的差分化；

所述模拟计算模块存储有轧辊表面综合换热系数计算程序和轧辊内部组织转变量计算程序，其中轧辊表面综合换热系数计算程序中包括辊颈处的边界换热系数计算程序以及辊身表面综合换热系数计算程序，轧辊内部组织转变量计算程序包括计算相变潜热对组织和温度影响的计算程序；

所述模拟计算模块与测温装置相连，模拟计算模块根据测温装置测得的辊颈表面和辊身表面的实时温度确定计算边界条件，然后根据边界条件计算出轧辊内部的实时温度和轧辊内部组织转变量；

所述后处理模块与模拟计算模块相连，用于对模拟计算模块计算出轧辊内部的实时温度和轧辊内部组织转变量进行可视化、动态化处理、显示和输出。

所述的轧辊喷雾淬火过程中温度和组织在线模拟控制系统的改进在于：所述后处理模块对计算得出的温度场和组织转变量分别采用温度时间曲线和彩色云图形式展现；其中温度时间曲线为轧辊表面或者轧辊内部某一点随时间变化的温度曲线，彩色云图为某一时间点上整个轧辊端面的温度分布图。

轧辊喷雾淬火过程中温度和组织在线模拟方法，包括以下过程：

A、在线测量喷雾淬火过程中轧辊左侧辊颈的温度值、右侧辊颈的温度值以及辊身表面至少三点的温度值；

B、将测量得到的左侧辊颈、右侧辊颈处的测温点的温度值作为计算边界条件，在已知的辊颈表面温度基础上，结合辊颈表面温度随时间的变化，把温度变化量作为已知量，应用淬火时的辊颈换热边界条件和有限差分原理计算获得轧辊辊身喷雾淬火过程中的辊颈边界换热系数；

C、将在线测量获得的辊身处表面温度选择轧辊的热物性参数，然后经过插值处理后作为计算温度场的辊身边界条件，结合步骤B计算得到的辊颈边界换热系数，采用第一类边界条件进行处理获得各节点温度Ti，模拟计算其它内部温度场；

D、计算组织转变量：马氏体转变量的计算采用

得出；铁素体、珠光体和贝氏体转变量的计算根据TTT曲线上不同温度下的过冷奥氏体转变开始线和终止线，由

计算出不同温度下的b值和n值，然后用迭代法计算得出；

E、基于步骤D计算获得的各组织转变量计算各组织的相变潜热；然后再将相变潜热叠加到温度场的计算中，存储温度值。

所述步骤D中所述相变潜热的计算采用温度回升法，温度回升法是将每个单元体内产生的相变潜热作为此单元的内热源进行处理，即把奥氏体转变所产生的相变潜热折算成温度升高值，分别与相应节点的温度相加，然后再对温度场进行修正。

所述步骤D中组织转变量的计算采用TTT曲线和Scheil叠加法相结合的方式计算获得，具体包括以下步骤：

D1.根据轧辊的热物性参数绘制TTT曲线；

D2.根据根据冷却过程中温度与时间的变化确定时间步长△t，并确定冷却开始时间和转变终了温度值；

D3.当温度进入马氏体相变区时，按照式一计算马氏体转变量；

V_M=1-exp[-α(Ms-T)]   式一

当温度进入铁素体、珠光体或者贝氏体相变区时，集散孕育率，当孕育率为1时，将当前转变区组织的转变量按照式二进行计算，

$V_{i+1}=1-\exp [-b_{i+1}{(t_{i+1}^{*}+\mathrm{\Δt})}^{n_{i+1}}]$    式二

直到计算至确定的淬火终止时间值为止。

式二中：

为虚拟时间，按照式三计算获得；

$t_{i+1}^{*}=[\frac{-1n(1-f_i)}{b_{i+1}}{]}^{\frac{1}{n_i+1}}$    式三

b、n分别为形核和长大速率，根据TTT曲线上不同温度下的过冷奥氏体转变开始线和终止线，采用Avrami方程计算得出，然后采用迭代法计算出不同温度下铁素体、珠光体和贝氏体的转变量。

由于采用了上述技术方案，本发明取得的技术进步是：

本发明能够根据喷雾淬火热处理过程中轧辊表面的实际温度，作为计算机温度场模拟的边界条件，模拟计算轧辊内部任意位置的温度和组织，根据计算得到的组织转变量实时修正喷雾淬火热处理工艺曲线，进一步对轧辊在喷雾淬火过程中的温度变化以及组织变化进行控制，为优化大型轧辊的喷雾淬火热处理工艺提供依据。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2为温度场计算流程图；

图3为相变潜热和组织演变流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细说明：

轧辊喷雾淬火过程中温度和组织在线模拟控制系统，包括计算机控制子系统、测温装置和喷雾冷却装置，测温装置的输出端连接计算机控制子系统的输入端，计算机控制子系统的输出端连接喷雾冷却装置。测温装置用于对喷雾淬火过程中的轧辊辊身以及轧辊左右两侧辊颈的温度值进行实时测量，计算机控制子系统用于根据测温装置测量的数值以及轧辊本身的基础数据对轧辊在喷雾淬火过程中辊身内部的温度和组织进行在线模拟计算，喷雾冷却装置用于根据计算机控制子系统处理的结果对轧辊在喷雾淬火过程中的喷水量以及喷水水压进行调节，已达到控制轧辊生产的目的。

其中，计算机控制子系统包括前处理模块、模拟计算模块和后处理模块，模拟计算模块的输入端分别与前处理模块和测温装置连接，模拟计算模块的输出端分别与后处理模块和喷雾冷却装置连接。前处理模块中存储有轧辊的几何尺寸参数、轧辊相应材料的TTT曲线、轧辊辊身和两端辊颈处的温度初始值、钢材的导热系数等热物性参数以及理想冷却曲线等与模拟计算相关的基础数据；前处理模块主要用于对轧辊的几何尺寸参数、TTT曲线、温度初始值、热物性参数以及模拟参数进行值域的离散化、方程的差分化。

模拟计算模块存储有轧辊表面综合换热系数计算程序和轧辊内部组织转变量计算程序，其中轧辊表面综合换热系数计算程序中包括辊颈处的边界换热系数计算程序以及辊身表面综合换热系数计算程序，轧辊内部组织转变量计算程序包括计算相变潜热对组织和温度影响的计算程序。

模拟计算模块与测温装置相连，模拟计算模块根据测温装置测得的辊颈表面和辊身表面的实时温度确定计算边界条件，然后根据边界条件计算出轧辊内部的实时温度和轧辊内部组织转变量。

后处理模块与模拟计算模块相连，用于对模拟计算模块计算出轧辊内部的实时温度和轧辊内部组织转变量进行可视化、动态化处理、显示和输出。后处理模块对计算得出的温度场和组织转变量分别采用温度时间曲线和彩色云图形式展现；其中温度时间曲线为轧辊表面或者轧辊内部某一点随时间变化的温度曲线，彩色云图为某一时间点上整个轧辊端面的温度分布图。

基于上述轧辊喷雾淬火过程中温度和组织在线模拟系统的一种在线模拟方法，其流程图图1所示，具体包括以下过程：

第一步，在线模拟前处理：

首先设置轧辊的几何尺寸参数、轧辊相应材料的TTT曲线、轧辊辊身和两端辊颈处的温度初始值、热物性参数以及模拟参数等基础数据，其次根据上述参数进行值域的离散化以及方程的差分化。

第二步，在线模拟计算：

根据第一步采集的基础数据对轧辊辊身内部的温度场进行模拟计算，得到轧辊在喷雾淬火过程中辊身内部的温度场；根据TTT曲线对轧辊在喷雾淬火过程中组织的转变进行在线模拟。温度场在线模拟计算的过程如图2所示，具体包括以下步骤：

A、在线测量喷雾淬火过程中轧辊左侧辊颈的温度值、右侧辊颈的温度值以及辊身表面至少三点的温度值。

B、将测量得到的左侧辊颈、右侧辊颈处的测温点的温度值作为计算辊颈边界换热系数的边界条件，在已知的辊颈表面温度基础上，结合辊颈表面温度随时间的变化，把温度变化量作为已知量，应用淬火时的辊颈边界条件和有限差分原理计算获得轧辊辊身喷雾淬火过程中的辊颈边界换热系数。

C、将在线测量获得的轧辊辊身处表面温度选择轧辊的热物性参数，然后经过插值处理后作为计算辊身温度场的边界条件，结合步骤B计算得到的辊颈边界换热系数，采用第一类边界条件进行处理获得各节点温度Ti，模拟计算其它内部温度场。

D、计算组织转变量：马氏体转变量的计算采用

得出；铁素体、珠光体和贝氏体转变量的计算根据TTT曲线上不同温度下的过冷奥氏体转变开始线和终止线，由

计算出不同温度下的b值和n值，然后用迭代法计算得出。

组织转变量的计算采用TTT曲线和Scheil叠加法相结合的方式计算获得，具体包括以下步骤：

D1.根据轧辊的热物性参数绘制TTT曲线；

D2.根据根据冷却过程中温度与时间的变化确定时间步长△t，并确定冷却开始时间和转变终了温度值；

D3.当温度进入马氏体相变区时，按照式一计算马氏体转变量；

V_M=1-exp[-α(Ms-T)]   式一

当温度进入铁素体、珠光体或者贝氏体相变区时，集散孕育率，当孕育率为1时，将当前转变区组织的转变量按照式二进行计算：

$V_{i+1}=1-\exp [-b_{i+1}{(t_{i+1}^{*}+\mathrm{\Δt})}^{n_{i+1}}]$    式二

式二中：

为虚拟时间，按照式三计算获得；

$t_{i+1}^{*}=[\frac{-1n(1-f_i)}{b_{i+1}}{]}^{\frac{1}{n_i+1}}$    式三

b、n为形核和长大速率，根据TTT曲线上不同温度下的过冷奥氏体转变开始线和终止线，采用Avrami方程计算得出，然后采用迭代法计算出不同温度下铁素体、珠光体和贝氏体的转变量。

直到计算至确定的淬火终止时间值为止。

该步骤中具体各组织转变量的计算过程如图3所示，具体如下所述：

依据TTT曲线和组织初始值，计算节点温度Ti并判断计算的节点温度Ti所处的范围，根据Ti所处的范围进行各组织转变量的计算；其中组织的初始值根据轧辊温度初始值确定。

当节点温度Ti大于马氏体开始转变温度T_s ^M且小于马氏体结束转变温度T_f ^M时，根据式一计算马氏体转变量。

当节点温度Ti不在马氏体开始转变温度T_s ^M与马氏体结束转变温度T_f ^M之间时，判断节点温度Ti是否位于铁素体开始转变温度T_s ^F与铁素体结束转变温度T_f ^F之间，如在此区间，则计算铁素体的孕育率E_F，当铁素体的孕育率E_F大于等于1时，根据式二计算铁素体的转变量。

当节点温度Ti不在铁素体开始转变温度T_s ^F与铁素体结束转变温度T_f ^F之间时，判断节点温度Ti是否位于珠光体开始转变温度T_s ^P与珠光体结束转变温度T_f ^P之间，如在此区间，则计算珠光体的孕育率E_P，当珠光体的孕育率E_P大于等于1时，根据式二计算珠光体的转变量。

当节点温度Ti不在珠光体开始转变温度T_s ^P与珠光体结束转变温度T_f ^P之间时，判断节点温度Ti是否位于贝氏体开始转变温度T_s ^B与贝氏体结束转变温度T_f ^B之间，如在此区间，则计算贝氏体的孕育率E_B，当贝氏体的孕育率E_B大于等于1时，根据式二计算贝氏体的转变量。

当节点温度Ti不在贝氏体开始转变温度T_s ^B与贝氏体结束转变温度T_f ^B之间时，则判断是否到达设定的淬火终止时间值，如没有到达，则继续返回初始步骤进行节点温度的判断；如已经到达设定的淬火终止时间值，则结束计算。

E、基于步骤D计算获得的各组织转变量计算各组织的相变潜热；然后再将相变潜热叠加到温度场的计算中，存储温度值。

相变潜热的计算采用温度回升法，温度回升法是将每个单元体内产生的相变潜热作为此单元的内热源进行处理，即把奥氏体转变所产生的相变潜热折算成温度升高值，分别与相应节点的温度相加，然后再对温度场进行修正。

第三步，在线模拟后处理：

将第二步计算得出的温度场和组织转变量分别采用温度时间曲线和彩色云图形式展现；其中温度时间曲线为轧辊表面或者轧辊内部某一点随时间变化的温度曲线，彩色云图为某一时间点上整个轧辊端面的温度分布图。

Claims (6)

1.轧辊喷雾淬火过程中温度和组织在线模拟控制系统，其特征在于：包括计算机控制子系统、与计算机控制子系统连接的测温装置以及受计算机控制子系统控制的喷雾冷却装置，所述计算机控制子系统包括前处理模块、模拟计算模块和后处理模块，

所述前处理模块中至少存储有轧辊的几何尺寸参数、轧辊相应材料的TTT曲线、轧辊辊身和两端辊颈处的温度初始值、热物性参数以及模拟参数；前处理模块主要用于对轧辊的几何尺寸参数、TTT曲线、温度初始值、热物性参数以及模拟参数参数进行值域的离散化、方程的差分化；

所述模拟计算模块存储有轧辊表面综合换热系数计算程序和轧辊内部组织转变量计算程序，其中轧辊表面综合换热系数计算程序中包括辊颈处的边界换热系数计算程序以及辊身表面综合换热系数计算程序，轧辊内部组织转变量计算程序包括计算相变潜热对组织和温度影响的计算程序；

所述模拟计算模块与测温装置相连，模拟计算模块根据测温装置测得的辊颈表面和辊身表面的实时温度确定计算边界条件，然后根据边界条件计算出轧辊内部的实时温度和轧辊内部组织转变量；

所述后处理模块与模拟计算模块相连，用于对模拟计算模块计算出轧辊内部的实时温度和轧辊内部组织转变量进行可视化、动态化处理、显示和输出。

2.根据权利要求1所述的轧辊喷雾淬火过程中温度和组织在线模拟控制系统，其特征在于：所述后处理模块对计算得出的温度场和组织转变量分别采用温度时间曲线和彩色云图形式展现；其中温度时间曲线为轧辊表面或者轧辊内部某一点随时间变化的温度曲线，彩色云图为某一时间点上整个轧辊端面的温度分布图。

3.轧辊喷雾淬火过程中温度和组织在线模拟方法，其特征在于包括以下过程：

A、在线测量喷雾淬火过程中轧辊左侧辊颈的温度值、右侧辊颈的温度值以及辊身表面至少三点的温度值；

B、将测量得到的左侧辊颈、右侧辊颈处的测温点的温度值作为计算边界条件，在已知的辊颈表面温度基础上，结合辊颈表面温度随时间的变化，把温度变化量作为已知量，应用淬火时的辊颈换热边界条件和有限差分原理计算获得轧辊辊身喷雾淬火过程中的辊颈边界换热系数；

C、将在线测量获得的辊身处表面温度选择轧辊的热物性参数，然后经过插值处理后作为计算温度场的辊身边界条件，结合步骤B计算得到的辊颈边界换热系数，采用第一类边界条件进行处理获得各节点温度Ti，模拟计算其它内部温度场；

D、计算组织转变量：马氏体转变量的计算采用

得出；铁素体、珠光体和贝氏体转变量的计算根据TTT曲线上不同温度下的过冷奥氏体转变开始线和终止线，由计算出不同温度下的b值和n值，然后用迭代法计算得出；

E、基于步骤D计算获得的各组织转变量计算各组织的相变潜热；然后再将相变潜热叠加到温度场的计算中，存储温度值。

4.根据权利要求3所述的轧辊喷雾淬火过程中温度和组织在线模拟方法，其特征在于：所述步骤D中所述相变潜热的计算采用温度回升法，温度回升法是将每个单元体内产生的相变潜热作为此单元的内热源进行处理，即把奥氏体转变所产生的相变潜热折算成温度升高值，分别与相应节点的温度相加，然后再对温度场进行修正。

5.根据权利要求3所述的轧辊喷雾淬火过程中温度和组织在线模拟方法，其特征在于，所述步骤D中组织转变量的计算采用TTT曲线和Scheil叠加法相结合的方式计算获得，具体包括以下步骤：

D1.根据轧辊的热物性参数绘制TTT曲线；

D2.根据根据冷却过程中温度与时间的变化确定时间步长△t，并确定冷却开始时间和转变终了温度值；

D3.当温度进入马氏体相变区时，按照式一计算马氏体转变量；

V_M=1-exp[-α(Ms-T)]   式一

当温度进入铁素体、珠光体或者贝氏体相变区时，集散孕育率，当孕育率为1时，将当前转变区组织的转变量按照式二进行计算，

$V_{i+1}=1-\exp [-b_{i+1}{(t_{i+1}^{*}+\mathrm{\Δt})}^{n_{i+1}}]$    式二

直到计算至确定的淬火终止时间值为止。

6.根据权利要求5所述的轧辊喷雾淬火过程中温度和组织在线模拟方法，其特征在于所述步骤D3的式二中：

为虚拟时间，按照式三计算获得；

$t_{i+1}^{*}=[\frac{-1n(1-f_i)}{b_{i+1}}{]}^{\frac{1}{n_i+1}}$    式三

b、n分别为形核和长大速率，根据TTT曲线上不同温度下的过冷奥氏体转变开始线和终止线，采用Avrami方程计算得出，然后采用迭代法计算出不同温度下铁素体、珠光体和贝氏体的转变量。

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