CN103849734A - 基于板形的淬火装置流量控制方法及其检测与控制装置 - Google Patents

Abstract

一种基于板形的淬火装置流量控制方法及其检测与控制装置，热处理过程的控制或调整，尤其涉及一种基于板形的淬火装置流量控制方法及其流量检测与流量控制装置，根据淬火冷却过程中钢板厚度的分布，以及淬火后钢板上下表面的温度分布，配合钢板的传热规律、钢板上下表面水的流动规律和冷却效率，确定狭缝式喷射冷却装置的上下部流量及其沿板宽方向的分布，并将其转换成狭缝式喷射冷却装置入口流量的分配，实现基于板形控制狭缝式喷射冷却装置沿板宽方向的流量凸度，使钢板沿板宽方向获得均匀冷却。通过调整入口水管的流量，沿板宽方向控制其出口流量分布，由于流量控制点转移到狭缝式喷嘴入口，使VFC狭缝式喷射冷却装置的反应速度得到了大幅度提升。

Description

基于板形的淬火装置流量控制方法及其检测与控制装置

技术领域

本发明涉及热处理过程的控制或调整，尤其涉及一种基于板形的淬火装置流量控制方法及其流量检测与流量控制装置。

背景技术

目前，世界上先进厚板淬火机多分成高压和低压两段，高压段是以大流量紊流水冷却钢板表面，以获得均匀的淬火效果；低压段则是进一步带走从钢板中心传导到表面的热量，以防止余热回火。高压段冷却水是以高速喷射到钢板表面上的，故其冷却效率要远大于低压段冷却水。在高压段入口，多设有狭缝式喷嘴，以便以最大速度冷却刚出炉的高温钢板。在高压段各组喷嘴中，狭缝式喷嘴的流量（或冷却水喷射速度）最大，冷却效率最高。因此，厚板淬火机淬火板形的好坏主要取决于高压段，而高压段板形的好坏又主要取决于狭缝式喷嘴。狭缝式喷嘴均为狭长箱体，所以其沿板宽方向出水均匀与否是保证淬火板形的关键。

目前，世界上狭缝式喷嘴多为两腔结构，如图1所示，上腔体31和下腔体32之间采用均流隔板33相连，均流隔板33上间隔地加工有多个起均流作用的孔，鉴于其结构形式，狭缝式喷嘴34本身沿板宽方向具有一定的均流能力。中国发明专利“可形成扁平喷射流的冷却装置”（发明专利号：ZL200710010745.6授权公告号：CN100443207C）公开了一种可形成扁平喷射流的冷却装置，由钢板焊接而成，其特征在于在钢板焊接成的壳体内垂直焊接隔板，隔板中间间隔地焊接有多个起均流作用的筒；后壳体下部直角焊接壳体下板，内有连接两直角边的弧形板，弧形与角形成沿装置宽度延伸的空间为外冷却介质循环腔，前壳体下端连接引水结构：引水板与前壳体下端呈夹角焊接，滑块、引水档分别通过连接件与引水板结合，引水档与后壳体横边端形成可调的扁平喷射流缝隙。该狭缝式喷射装置具有两腔结构，沿板宽方向均流的能力较强；能沿板宽方向分段控制流量，但是，狭缝式喷嘴无法在任何流量下都保证沿板宽方向出水均匀，更无法做到沿板宽方向按照某个流量凸度曲线出水，因而无法解决由此产生的板形问题。中国实用新型专利“缝隙式喷头冷却装置”（实用新型专利号：ZL201020678142.0授权公告号：CN201900052U）公开了一种缝隙式喷头冷却装置，包括：上腔体和下腔体,所述上腔体和所述下腔体通过分配通道连通；至少一个冷却介质输入接头，设置在所述上腔体上；缝隙式喷射流喷嘴，位于所述下腔体上；所述下腔体的外壳为铸钢制成,所述上腔体的外壳为焊接制成,所述上腔体还连接有冷却所述上腔体的冷却系统。该实用新型的上部腔体入口和出口均采用管式结构，可更好地保持入口流量的均匀性，但是，该实用新型仍然不具备沿板宽方向调节流量分布的能力，无法解决沿板宽方向均匀淬火冷却的问题，也无法解决由此产生的板形问题。

中国发明专利申请“一种基于模型控制的钢板淬火时的板形修正方法”（发明专利申请号：200910052980.9公开号：CN101921907A）公开了一种基于模型控制的钢板淬火时的板形修正方法,首先，根据实际淬火后的钢板板形的翘曲方向和翘曲量,利用建立的钢板表面组织分布模型，计算出钢板组织分布的差异；再利用建立的钢板表面温度模型，由钢板上下表面组织分布的差异得到钢板上下表面冷却速度的差异；最后，利用建立的水量优化模型，计算钢板上下表面换热系数比,定量地调整后继钢板的水量及分布，以控制板形。该发明虽然可以根据钢板表面温度模型改变上下喷水量，调整钢板的上下表面的冷速，但并没有考虑钢板宽度方向冷却不均匀产生的板形问题。

中国发明专利申请“一种中厚钢板直接淬火的装置及其工艺”（发明专利申请号：201010560843.9公开号：CN102061363A）公开了一种中厚钢板直接淬火的装置及其工艺，该装置包括高位水箱，水量分配器、淬火上冷却器、加速冷却上冷却器、精调上冷却器、淬火下冷却器、加速冷却下冷却器、精调下冷却器、边部遮蔽装置、侧喷装置和吹扫装置。该发明根据钢板厚度和钢种计算辊道速度、开启冷却器组数，冷却器水量、边部遮蔽量,钢板按照预定的速度进入控冷区,根据钢板的位置顺序开启冷却器和相应的侧喷装置，通过控制3个冷却区的上下冷却器不同水量控制以及吹扫装置保证钢板淬火后的板形，但是，该发明同样也未能实现沿板宽方向的冷却水流量凸度控制。

尽管淬火机高压段多采用螺旋压下辊，以阻挡并均匀引导钢板上表积水，以及狭缝式喷嘴本身具有一定的均流能力，但是由于钢板中部与边部厚度不同、上表中部与边部冷却条件不同、狭缝式喷嘴沿板宽方向均流能力有限等，因而无法保证钢板沿板宽方向冷却均匀；另一方面由于喷射到钢板下表面的水可直接落到辊道下面，所以在钢板下表面不存在中部与边部冷却条件不同的情况。这些中部与边部、上表面和下表面的冷却条件差异，使钢板产生板形问题。为了解决这些板形问题，不得不对钢板进行矫正，这不但增加了钢板的加工成本，而且严重影响了厚板厂的生产和物流，成为影响厚板产量和质量、限制厚板产品和合同拓展的主要因素之一。中国发明专利申请“一种可调水凸度的板带淬火控冷集管”（发明专利申请号：200910176814.X公开号：CN101838724A）公开了一种可调水凸度的板带淬火控冷集管,主要由水箱、阻尼板、隔板和若干喷管组成，隔板把水箱分隔成若干个独立进水的小水箱，在隔板靠喷管侧与水箱的喷管安装板之间有空隙，每个小水箱的进水口都有流量调节阀，调节每个小水箱的流量调节阀来调节水凸度。但是，该发明也没有解决喷射冷却装置沿板宽方向的流量分布的检测与控制问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于板形的淬火装置流量控制方法，通过改变喷射冷却装置沿板宽方向的流量分布，确保钢板沿板宽方向冷却更加均匀，从而减少淬火过程中钢板冷却不均匀对板形的影响。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：

一种基于板形的淬火装置流量控制方法，用于控制钢板在通过淬火设备淬火时的板形，所述的淬火设备包括设置在钢板上下两面的若干个VFC狭缝式喷射冷却装置，以及存储和执行控制程序和数据的流量控制装置，其特征在于，所述的流量控制方法包括以下步骤：

S100）获取淬火钢板的宽度、厚度和品种信息，结合未使用流量补偿时淬火后的钢板表面的实测温度，回归计算确定温度回归曲线系数；

S200）根据钢板的品种、宽度、厚度、凸度和淬火设备的冷却效率，确定各狭缝式喷射冷却装置的沿板宽方向补偿后的上部出口流量

S300）根据钢板的品种、宽度、厚度、凸度和淬火设备的冷却效率，确定各狭缝式喷射冷却装置的沿板宽方向补偿后的下部出口流量

S400）使用流量分布检测装置，检测VFC狭缝式喷射冷却装置上部出口和下部出口沿板宽方向的出口流量分布；

S500）根据VFC狭缝式喷射冷却装置上部出口和下部出口的出口流量分布的检测结果，调整入口水管上的流量调节阀，标定各个VFC狭缝式喷射冷却装置的入口水管基准流量，建立入口基准流量调整表并保存在VFC狭缝式喷射冷却装置的流量控制装置中；

S600）根据所述的入口基准流量调整表，确定VFC狭缝式喷射冷却装置各入口水管的基准调整流量Δf_Bj；根据各个VFC狭缝式喷射冷却装置的出口流量分布，确定VFC狭缝式喷射冷却装置各路入口水管的流量分布调整量Δf_Aj；确定VFC狭缝式喷射装置入口水管的设定流量f_j；

S700）建立出口补偿流量ΔqF_A与入口流量分布调整量Δf_A之间的对应关系，通过控制各路入口水管的入口流量分布调整量Δf_Aj，控制各个VFC狭缝式喷射冷却装置的出口流量分布，其中，ΔqF_A为上部或下部出口的补偿流量，Δf_A为上部或下部入口的流量分布调整量，Δf_Aj为VFC狭缝式喷射冷却装置入口第j根水管的流量分布调整量。

本发明的基于板形的淬火装置流量控制方法的一种优选的技术方案，其特征在于所述的步骤S100包括以下步骤：

S120）从上级控制计算机获取淬火钢板的宽度、厚度和品种信息；

S140）获取未使用流量补偿时淬火后的钢板表面沿宽度方向分布的实测温度；

S160）根据公式

T₀(y)=a₀(2y/B)⁸+b₀(2y/B)⁶+c₀(2y/B)⁴+d₀(2y/B)²+e₀   (1)

回归计算确定温度回归曲线系数a₀、b₀、c₀、d₀和e₀，其中，y为钢板宽度方向坐标，钢板中心处为零，B为钢板宽度，a₀、b₀、c₀和d₀是与钢板的宽度、厚度、品种和淬火设备的冷却效率相关的系数，e₀等于钢板中部的温度。

本发明的基于板形的淬火装置流量控制方法的一种较佳的技术方案，其特征在于所述的步骤S200包括以下动作：

S210）根据公式

$q_{\mathrm{TAs}}^F=d_1{(2y/B)}^2+e_1---\left(2\right)$

确定钢板上表流动冷却水的补偿流量

其中，d₁是与钢板的厚度和冷却效率相关的流量补偿系数，e₁为积分补偿系数，保证

沿VFC狭缝式喷射冷却装置的狭缝长度的积分为零；

S220）根据公式

$q_{\mathrm{TA\λ}}^F=c_2{(2y/B)}^4+d_2{(2y/B)}^2+e_2---\left(3\right)$

确定钢板冷却模式的上部补偿流量

其中，c₂和d₂是与钢板的厚度和冷却效率相关的流量补偿系数，e₂为积分补偿系数，保证

沿VFC狭缝式喷射冷却装置的狭缝长度的积分为零；

S230）根据公式

$q_{\mathrm{TAb}}^F=a_3{(2y/B)}^8+b_3{(2y/B)}^6+e_3---\left(4\right)$

确定钢板边部冷却速度的上部补偿流量其中，a₃和b₃是与钢板的厚度和品种相关的流量补偿系数，e₃为积分补偿系数，保证

沿VFC狭缝式喷射冷却装置的狭缝长度的积分为零；

S240）根据公式

$q_{\mathrm{TAt}}^F=d_4{(2y/B)}^2+e_4---\left(5\right)$

确定钢板厚度分布的上部补偿流量

其中，d₄是与钢板的平均厚度和凸度相关的流量补偿系数，e₄为积分补偿系数，保证

沿VFC狭缝式喷射冷却装置的狭缝长度的积分为零；

S250）根据公式

$q_{\mathrm{TA}}^F=q_{\mathrm{TA}0}^F+q_{\mathrm{TAs}}^F+q_{\mathrm{TA\λ}}^F+q_{\mathrm{TAb}}^F+q_{\mathrm{TAt}}^F$

$\left(6\right)$

$=a_T{(2y/B)}^8+b_T{(2y/B)}^6+c_T{(2y/B)}^4+d_T{(2y/B)}^{2+}{e}_T$

确定VFC狭缝式喷射冷却装置的上部出口流量

其中，

为VFC狭缝式喷射冷却装置上部平均流量，即未使用流量补偿时的狭缝式喷射冷却装置上部设定流量，a_T、b_T、c_T和d_T是公式2～5相应系数给出的流量补偿系数，e_T为积分补偿系数，保证

沿VFC狭缝式喷射冷却装置的狭缝长度的积分等于

本发明的基于板形的淬火装置流量控制方法的一种更好的技术方案，其特征在于所述的步骤S300包括以下动作：

S320）根据公式

$q_{\mathrm{BAb}}^F=a_5{(2y/B)}^8+b_5{(2y/B)}^6+e_5---\left(7\right)$

确定钢板边部冷却速度的下部补偿流量

其中，a₅和b₅是与钢板的厚度和品种相关的流量补偿系数，e₅为积分补偿系数，保证沿VFC狭缝式喷射冷却装置的狭缝长度的积分为零；

S340）根据公式

$q_{\mathrm{BAt}}^F=d_6{(2y/B)}^2+e_6---\left(8\right)$

确定钢板厚度分布的上部补偿流量

其中，d₆是与钢板的平均厚度和凸度相关的流量补偿系数，e₆为积分补偿系数，保证

沿VFC狭缝式喷射冷却装置的狭缝长度的积分为零；

S360）根据公式

$q_{\mathrm{BA}}^F=q_{\mathrm{BA}0}^F+q_{\mathrm{BAb}}^F+q_{\mathrm{BAt}}^F$

$\left(9\right)$

$=a_B{(2y/B)}^8+b_B{(2y/B)}^6+d_B{(2y/B)}^2+e_B$

确定VFC狭缝式喷射冷却装置的下部出口流量

其中，

为VFC狭缝式喷射冷却装置下部平均流量，即未使用流量补偿时的狭缝式喷射冷却装置下部设定流量，a_B、b_B和d_B是公式7和8相应系数给出的流量补偿系数，e_B为积分补偿系数，保证

沿VFC狭缝式喷射冷却装置的狭缝长度的积分等于

本发明的基于板形的淬火装置流量控制方法的一种改进的技术方案，其特征在于所述的流量分布检测装置包括N个测量单元，每个测量单元包括1块测压板；从VFC狭缝式喷射冷却装置的上部出口或下部出口喷出的高压冷却水，以θ的夹角喷射到测压板上；所述的步骤S400包括以下动作：

S420）检测各个测量单元的测压板承受的法向冲击压力P_nk，其中，k=1,2,…,N；

S440）根据公式

$q{F}_{\mathrm{Ak}}=\sqrt{\frac{2A{P}_{\mathrm{nk}}}{\mathrm{\ρ}\sin \mathrm{\θ}}}---\left(10\right)$

计算第k个测量单元处的平均流量qF_Ak，其中：A为每个测量单元对应狭缝面积，A=Lb_F，L为测量单元测压板的长度，b_F为狭缝式喷射冷却装置狭缝的宽度；P_nk为第k个测量单元测压板上承受的高压水法向冲击压力；ρ为水的密度；θ为高压水喷射路线与测压板之间的夹角；

S460）将各测量单元测量计算得到的流量，沿VFC狭缝式喷射冷却装置的狭缝长度方向排列连成一条曲线，得到VFC狭缝式喷射冷却装置上部出口或下部出口沿板宽方向的出口流量分布。

本发明的基于板形的淬火装置流量控制方法的另一种改进的技术方案，其特征在于所述的淬火装置可以设定n种不同的VFC狭缝式喷射冷却装置上部或下部出口标定流量，每一个VFC狭缝式喷射冷却装置包括m根带有流量调节阀的入口水管，所述的步骤S500包括以下动作：

S510）将VFC狭缝式喷射冷却装置上部或下部流量设定为标定流量F_i；

S520）将VFC狭缝式喷射冷却装置各入口水管上的流量调节阀平均开启，使通过各入口水管流量调节阀的流量为标定流量F_i下各入口水管的平均流量f_i0；

S530）利用流量分布检测装置，测量VFC狭缝式喷射冷却装置出口水流沿板宽方向的分布；

S540）如果VFC狭缝式喷射冷却装置出口水流沿板宽方向的分布不均匀，则在保证总流量不变的条件下，调整入口水管上的流量调节阀，改变入口流量分配，直至流量分布检测装置各测量单元检测到的流量均匀为止；

S550）记录并保存VFC狭缝式喷射冷却装置各入口水管上的流量调节阀的流量，将其作为标定流量F_i下各入口水管的基准流量F_Bij,其中，j=1～m；

S560）计算并记录和保存标定流量F_i下各入口水管的基准调整流量ΔF_Bij=F_Bij-f_i0，其中，Δf_Bij为标定流量F_i下第j根入口水管的基准调整流量，f_Bij为标定流量F_i下第j根入口水管的基准流量，f_i0为标定流量F_i下各入口水管的平均流量；

S570）对于i=1～n，依次选择不同的标定流量F_i，循环执行步骤S510至S560，统计各种标定流量f_i下VFC狭缝式喷射冷却装置上部和下部各入口水管的基准调整流量Δf_Bij,建立VFC狭缝式喷射冷却装置上部和下部入口基准流量调整表，并将入口基准流量调整表保存在VFC狭缝式喷射冷却装置的流量控制装置中。

本发明的基于板形的淬火装置流量控制方法的一种进一步改进的技术方案，其特征在于所述的步骤S600包括以下动作：

S620）根据VFC狭缝式喷射冷却装置的流量控制装置中所保存的入口基准流量调整表，确定VFC狭缝式喷射冷却装置上部和下部各入口水管的基准调整流量Δf_Bij;

S640）根据公式

Δf_Aj=k₄(2y_j/L_P)⁸+k₃(2y_j/L_P)⁶+k₂(2y_j/L_P)⁴+k₁(2y_j/L_P)²+k₀   (11)

计算VFC狭缝式喷射冷却装置入口第j根水管的流量分布调整量Δf_Aj,其中，y_j为VFC狭缝式喷射装置入口第j根水管中心线沿板宽方向的坐标，L_P为VFC狭缝式喷射冷却装置入口第1根水管与最后1根水管中心线之间的距离，k₁、k₂、k₃和k₄为入口流量分布调整系数，与钢板的厚度、宽度和品种相关，k₀为积分补偿系数，保证入口各水管的Δf_Aj累加为零，即

m为VFC狭缝式喷射冷却装置上部（或下部）入口水管个数；

S660）根据公式

f_j＝f₀+Δf_Bj+Δf_Aj   (12)

计算VFC狭缝式喷射装置上部或下部入口水管的设定流量f_j，其中，f₀为VFC狭缝式喷射装置入口水管的平均流量，f₀=F/m，F为VFC狭缝式喷射冷却装置上部或下部设定的标定流量，m为VFC狭缝式喷射冷却装置上部或下部入口水管个数。

本发明的基于板形的淬火装置流量控制方法的一种改进的优选技术方案，其特征在于在进行流量设定时，首先将VFC狭缝式喷射冷却装置出口流量设定方程

转换为VFC狭缝式喷射冷却装置出口补偿流量方程

ΔqF_A=qF_A-qF_A0

=a(2y/L_F)⁸+b(2y/L_F)⁶+c(2y/L_F)⁴+d(2y/L_F)²+e   (13)

然后，在所述的步骤S700采用BP神经网络模型训练的方式，建立ΔqF_A与Δf_A之间的对应关系，获得VFC狭缝式喷射冷却装置入口流量分布调整量方程

Δf_A=k₄(2y/L_P)⁸+k₃(2y/L_P)⁶+k₂(2y/L_P)⁴+k₁(2y/L_P)²+k₀   (14)

从而实现对VFC狭缝式喷射冷却装置出口流量分布qF_A的控制；

所述的BP神经网络模型为含有n个节点的BP网络，各节点之特性为Sigmoid型；BP网络只有一个输出

任一节点i的输出为O_i，并设有N个样本(k=1,2,3,…,N),对某一输入

网络输出为

节点i的输出为O_ik,节点j的输入为

并将误差函数定义为 $E=\frac{1}{2}\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}({\stackrel{-}{y}}_k-{\tilde{y}}_k){({\stackrel{-}{y}}_k-{\tilde{y}}_k)}^T,$ 其中，O_jk=f(net_jk)，且

β为增益因子，β=0~1.0。

本发明的基于板形的淬火装置流量控制方法的进一步改进的优选技术方案，其特征在于所述的步骤S700包括以下执行BP神经网络模型训练的动作：

S710）利用流量分布检测装置，测量不同入口流量分布调整量Δf_A条件下的出口补偿流量ΔqF_A的分布；

S720）按照公式13的形式，对上一步测量到的所有的ΔqF_A数据进行回归，以获得与该流量分布调整量Δf_A对应的出口补偿流量ΔqF_A方程系数；

S730）将VFC狭缝式喷射冷却装置设定的标定流量F、各出口补偿流量ΔqF_A方程系数，以及各入口流量分布调整量Δf_A方程系数，作为一组训练数据，输入神经元网络，对神经元网络模型进行训练；

S740）选取初始权值W；

S750）重复下述过程直至收敛：

S751）对于k=1到N

a)计算O_ik， ${\mathrm{net}}_{\mathrm{jk}}=\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{W}_{\mathrm{ij}}{O}_{\mathrm{ik}}$ 和

的值(正向过程)；

b)对各层从M到2反向计算(反向过程)；

S752）对同一节点j∈M，计算

其中，M为BP网络层数，这里，M=4

S760）修正权值， $W_{\mathrm{ij}}=W_{\mathrm{ij}}-\mathrm{\μ}\frac{\∂E}{\∂W_{\mathrm{ij}}},$ μ>0，其中 $\frac{\∂E}{{\∂W}_{\mathrm{ij}}}=\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\frac{\∂E_k}{{\∂W}_{\mathrm{ij}}};$

S770）重复步骤S730至步骤S760，直至训练数据组数量足够，神经元网络模型精度满足要求为止。

本发明的另一个目的是提供一种用于标定喷射冷却装置的出口流量及其分布的流量分布检测装置，本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：

一种用于上述基于板形的淬火装置流量控制方法的流量分布检测装置，其特征在于所述的检测装置包括基板、若干个测量单元和测量信号处理单元，每个测量单元由一组测压头和一块测压板组成；所述的测量单元沿狭缝式喷射冷却装置的狭缝长度方向均布在所述的基板上，所述的基板置于狭缝式喷射冷却装置的出口处，测压板与狭缝式喷射冷却装置的出口狭缝相对，高压冷却水的法向冲击压力通过侧压板传递给测量单元的各个测压头，各个测压头输出的压力电信号传送到测量信号处理单元。

本发明的再一个目的是提供一种用于实现本发明的基于板形的淬火装置流量控制方法的VFC狭缝式喷射冷却装置，可以通过调整其入口流量分配，来改变其出口流量沿板宽方向的分布，使钢板沿板宽方向冷却更加均匀，从而更好地保证钢板淬火后的性能和板形。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：

一种用于上述基于板形的淬火装置流量控制方法的VFC狭缝式喷射冷却装置，包括均流喷射单元和入口流量调整单元，其特征在于所述的均流喷射单元为两腔型狭缝式射流喷嘴，所述的入口流量调整单元包括若干根带有流量调节阀的入口水管，各入口水管沿所述狭缝式射流喷嘴的狭缝长度方向均布，并连通到狭缝式射流喷嘴的上腔体；所述VFC狭缝式喷射冷却装置的流量控制装置，通过改变流量调节阀的流量设定输入信号，控制通过各流量调节阀的入口水管的设定流量f_j，调整狭缝式喷射冷却装置沿板宽方向的流量凸度，使钢板沿板宽方向获得均匀冷却，以保证钢板淬火后的性能和板形。

本发明的有益效果是：

1、本发明的基于板形的淬火装置流量控制方法，综合考虑淬火冷却过程中钢板厚度的分布情况，上下表面冷却效率的分布情况，上下表面水的流动规律，以及钢板的传热规律等影响钢板冷却均匀的主要因素，得出基于板形控制所需的VFC狭缝式喷射冷却装置上下部流量及其沿板宽方向的分布，可以使钢板沿板宽方向冷却更加均匀，大幅度改善钢板淬火板形。

2、本发明的基于板形的淬火装置流量控制方法和流量分布检测装置，通过对VFC狭缝式喷射冷却装置出口流量分布进行检测，实现了采用神经元网络人工智能模型的方式，建立VFC狭缝式喷射冷却装置入口与出口流量分布对应关系的方法，从而实现了对VFC狭缝式喷射冷却装置出口流量分布的有效控制。

3、本发明的VFC狭缝式喷射冷却装置，结合基于板形的淬火装置流量控制方法，通过调整入口水管的流量，可以沿板宽方向控制其出口流量分布，由于流量控制点转移到狭缝式喷嘴入口，使VFC狭缝式喷射冷却装置的反应速度得到了大幅度提升。

附图说明

图1是现有的两腔型狭缝式喷嘴结构示意图；

图2是钢板上表温度曲线图；

图3是本发明基于板形的淬火装置流量控制方法的主流程图；

图4是本发明的流量分布检测装置结构示意图；

图5是本发明的VFC狭缝式喷射冷却装置结构示意图；

图6是VFC狭缝式喷射冷却装置入口基准流量标定流程图；

图7是神经元网络图及隐藏节点结构图。

图中，10-测量单元，11-测压头，12-测压板，20-基板，30-均流喷射单元，31-上腔体，32-下腔体，33-均流隔板，34-狭缝式喷嘴，40-入口流量调整单元，41-入口水管，42-流量调节阀，BP100-神经元网络，BP101-神经元网络的节点。

具体实施方式

为了能更好地理解本发明的上述技术方案，下面结合附图和实施例进行进一步地详细描述。

本发明基于板形的淬火装置流量控制方法，用于控制钢板在通过淬火设备淬火时的板形，所述的淬火设备包括设置在钢板上下两面的若干个VFC狭缝式喷射冷却装置，以及存储和执行控制程序和数据的流量控制装置，这里流量控制装置可以是独立的计算机控制单元，也可以淬火设备计算机控制系统的功能模块。本发明的控制方法根据淬火冷却过程中钢板厚度的分布，以及淬火后钢板上下表面的温度分布，配合钢板的传热规律、钢板上下表面水的流动规律和冷却效率，确定所述狭缝式喷射冷却装置的上下部流量及其沿板宽方向的分布，并将其转换成狭缝式喷射冷却装置入口流量的分配，实现基于板形控制狭缝式喷射冷却装置沿板宽方向的流量凸度，使钢板沿板宽方向获得均匀冷却。

要实现基于板形的淬火装置流量控制，关键在于确定影响淬火板形的主要因素和建立流量分布与板形的关系。钢板冷却均匀，主要指的是，在淬火过程中沿板宽方向钢板冷却速度均匀。采用不同流量，钢板的冷却速度不同，所以需要建立流量分布与钢板冷却均匀性的关系，即沿板宽方向采用不同流量，以消除淬火钢板冷却均匀影响因素的影响，最终达到让钢板均匀冷却的目的。

本发明基于板形的淬火装置流量控制方法的主流程图如图3所示，控制过程包括以下步骤：

S100）获取淬火钢板的宽度、厚度和品种信息，结合未使用流量补偿时淬火后的钢板表面的实测温度，回归计算确定温度回归曲线系数；

因为淬火板形主要是由淬火钢板冷却不均匀产生的，而淬火钢板的冷却均匀性主要取决于狭缝式喷射冷却装置，所以上述关键点转化为确定影响淬火钢板冷却均匀性的主要因素和建立VFC狭缝式喷射冷却装置流量分布与钢板冷却均匀性的关系。淬火钢板的冷却均匀性可以通过淬火后的钢板表面沿宽度方向的实测温度差异所表示，本步骤通过回归计算确定温度回归曲线系数，实现钢板冷却均匀度的数值化。对淬火后钢板上表实测温度进行回归，沿板宽方向得到公式1所表示的温度回归曲线T₀(y)，如图2中未使用流量补偿的曲线B所示。

S200）根据钢板的品种、宽度、厚度、凸度和淬火设备的冷却效率，确定各狭缝式喷射冷却装置的沿板宽方向补偿后的上部出口流量

S300）根据钢板的品种、宽度、厚度、凸度和淬火设备的冷却效率，确定各狭缝式喷射冷却装置的沿板宽方向补偿后的下部出口流量

由于钢板下表的冷却水可直接落入辊道下方，故沿板宽方向下表冷却水对钢板的影响是相同的。因此，需要分别解决VFC狭缝式喷射冷却装置上、下部流量设定问题。另外，由于钢板在淬火前须经过热处理炉均匀加热，故在本发明的控制过程中，默认淬火装置入口的淬火来料钢板温度沿板宽方向的分布是均匀的。

S400）使用流量分布检测装置，检测VFC狭缝式喷射冷却装置上部出口和下部出口沿板宽方向的出口流量分布；

S500）根据VFC狭缝式喷射冷却装置上部出口和下部出口的出口流量分布的检测结果，调整入口水管上的流量调节阀，标定各个VFC狭缝式喷射冷却装置的入口水管基准流量，建立入口基准流量调整表并保存在VFC狭缝式喷射冷却装置的流量控制装置中；

S600）根据所述的入口基准流量调整表，确定VFC狭缝式喷射冷却装置各入口水管的基准调整流量Δf_Bj；根据各个VFC狭缝式喷射冷却装置的出口流量分布，确定VFC狭缝式喷射冷却装置各路入口水管的流量分布调整量Δf_Aj；确定VFC狭缝式喷射装置入口水管的设定流量f_j；

S700）建立出口补偿流量ΔqF_A与入口流量分布调整量Δf_A之间的对应关系，通过控制各路入口水管的入口流量分布调整量Δf_Aj,控制各个VFC狭缝式喷射冷却装置的出口流量分布，其中，ΔqF_A为上部或下部出口的补偿流量，Δf_A为上部或下部入口的流量分布调整量，Δf_Aj为VFC狭缝式喷射冷却装置入口第j根水管的流量分布调整量。

根据公式1和图2，淬火后钢板上表温度曲线为高次曲线，呈中部高两边低的变化趋势。因此，在以下步骤中采用流量消除淬火钢板冷却均匀影响因素的影响时，参照公式1和图2，制定流量补偿方程。为便于说明，并且使高次曲线的系数与公式1中的系数一致，以下所有涉及到的系数a、b、c、d和e，分别对应于高次曲线中8次、6次、4次、2次和0次幂，系数的下标用于区分不同的系数值。

根据本发明的基于板形的淬火装置流量控制方法的一个实施例，步骤S100包括以下动作：

S120）从上级控制计算机获取淬火钢板的宽度、厚度和品种信息；

S140）获取未使用流量补偿时淬火后的钢板表面沿宽度方向分布的实测温度；

S160）根据公式

T₀(y)=a₀(2y/B)⁸+b₀(2y/B)⁶+c₀(2y/B)⁴+d₀(2y/B)²+e₀   (1)

回归计算确定温度回归曲线系数a₀、b₀、c₀、d₀和e₀，其中，y为钢板宽度方向坐标，钢板中心处为零，B为钢板宽度，a₀、b₀、c₀和d₀是与钢板的宽度、厚度、品种和淬火设备的冷却效率相关的系数，e₀等于钢板中部的温度。

根据本发明的基于板形的淬火装置流量控制方法的一个实施例，步骤S200包括以下动作：

S210）根据公式

$q_{\mathrm{TAs}}^F=d_1{(2y/B)}^2+e_1---\left(2\right)$

确定钢板上表流动冷却水的补偿流量

其中，d₁是与钢板的厚度和冷却效率相关的流量补偿系数，e₁为积分补偿系数，保证

沿VFC狭缝式喷射冷却装置的狭缝长度的积分为零；

单位时间内，冷却水从钢板上表面带走的热量h越多，钢板的冷却速度V_p越快，故V_p可以表达为h的函数。根据牛顿冷却定律，在钢板以喷射方式进行加速冷却的情况下，单位时间内冷却水从钢板上表面带走的热量h是钢板表面换热系数λ和上表冷却水流量q_T的函数，则V_p是λ和q_T的函数。

钢板上表冷却水q_T包括两部分，淬火机上部喷射冷却水q_TA和钢板上表流动冷却水q_Ts。淬火机上部冷却水q_TA喷射到钢板上表后，转换为钢板上表流动冷却水q_Ts。由于淬火机上部喷射冷却水q_TA是直接冲击钢板上表面的，故其冷却效率要比钢板上表流动冷却水q_Ts高很多。但是，由于钢板上表流动冷却水q_Ts的作用距离要比淬火机上部喷射冷却水q_TA大很多，所以钢板上表流动冷却水q_Ts在钢板淬火过程中也发挥了重要的作用。

由于钢板上表流动冷却水主要是从钢板两边排掉的，故其在钢板中部流量（或流速）最小，在钢板边部流量（流速）最大。本步骤通过调整VFC狭缝式喷射冷却装置上部喷射冷却水流量，补偿钢板上表流动冷却水造成的钢板上表面冷却不均。

S220）根据公式

$q_{\mathrm{TA\λ}}^F=c_2{(2y/B)}^4+d_2{(2y/B)}^2+e_2---\left(3\right)$

确定钢板冷却模式的上部补偿流量

其中，c₂和d₂是与钢板的厚度和冷却效率相关的流量补偿系数，e₂为积分补偿系数，保证

沿VFC狭缝式喷射冷却装置的狭缝长度的积分为零；

由于钢板上表流动冷却水的流动，导致钢板沿板宽方向冷却模式不同。在钢板中心，钢板上表流动冷却水流动速度最小，冷却模式近似于膜冷却，钢板表面换热系数最小；在钢板边部，钢板上表流动冷却水流动速度最大，冷却模式近似于核冷却，钢板表面换热系数最大。由此造成的钢板上表面冷却不均，为造成淬火钢板冷却不均匀的主要部分，随上表流动冷却水流动速度变化比较剧烈，这种钢板冷却模式不同造成冷却不均匀，也可部分通过调整VFC狭缝式喷射冷却装置上部喷射冷却水流量来补偿。

S230）根据公式

$q_{\mathrm{TAb}}^F=a_3{(2y/B)}^8+b_3{(2y/B)}^6+e_3---\left(4\right)$

确定钢板边部冷却速度的上部补偿流量

其中，a₃和b₃是与钢板的厚度和品种相关的流量补偿系数，e₃为积分补偿系数，保证

沿VFC狭缝式喷射冷却装置的狭缝长度的积分为零；

由于边部钢板侧面直接与冷却水或空气接触，而中部钢板侧面是与热钢板接触，所以边部钢板冷却速度更快些。由此造成的钢板上表冷却不均，主要体现在钢板边部，也可部分通过调整VFC狭缝式喷射冷却装置上部喷射冷却水流量来补偿。

S240）根据公式

$q_{\mathrm{TAt}}^F=d_4{(2y/B)}^2+e_4---\left(5\right)$

确定钢板厚度分布的上部补偿流量其中，d₄是与钢板的平均厚度和凸度相关的流量补偿系数，e₄为积分补偿系数，保证

沿VFC狭缝式喷射冷却装置的狭缝长度的积分为零；

由于钢板厚度沿板宽方向分布不均匀，导致钢板沿板宽方向冷却速度不同。厚度大的地方，冷却速度慢一些；厚度小的地方，冷却速度快一些。由此造成的钢板上表冷却不均匀，对于薄板的影响更为明显，本步骤通过调整VFC狭缝式喷射冷却装置上部喷射冷却水流量来补偿钢板厚度分布造成的钢板上表冷却不均匀。

S250）根据公式

$q_{\mathrm{TA}}^F=q_{\mathrm{TA}0}^F+q_{\mathrm{TAs}}^F+q_{\mathrm{TA\λ}}^F+q_{\mathrm{TAb}}^F+q_{\mathrm{TAt}}^F$

$\left(6\right)$

$=a_T{(2y/B)}^8+b_T{(2y/B)}^6+c_T{(2y/B)}^4+d_T{(2y/B)}^{2+}{e}_T$

确定VFC狭缝式喷射冷却装置的上部出口流量

其中，

为VFC狭缝式喷射冷却装置上部平均流量，即原狭缝式喷射冷却装置上部设定流量，是在不考虑各种冷却不均影响因素的条件下冷却钢板所需的VFC狭缝式喷射冷却装置上部流量，a_T、b_T、c_T和d_T是公式2～5相应系数给出的流量补偿系数，e_T为积分补偿系数，保证沿VFC狭缝式喷射冷却装置的狭缝长度的积分等于

根据本发明的基于板形的淬火装置流量控制方法的一个实施例，步骤S300包括以下动作：

S320）根据公式

$q_{\mathrm{BAb}}^F=a_5{(2y/B)}^8+b_5{(2y/B)}^6+e_5---\left(7\right)$

确定钢板边部冷却速度的下部补偿流量

其中，a₅和b₅是与钢板的厚度和品种相关的流量补偿系数，e₅为积分补偿系数，保证

沿VFC狭缝式喷射冷却装置的狭缝长度的积分为零；

由于边部钢板侧面直接与冷却水或空气接触，而中部钢板侧面是与热钢板接触，所以边部钢板冷却速度更快些。由此造成的钢板下表冷却不均，主要体现在钢板边部，也应部分通过调整VFC狭缝式喷射冷却装置下部冷却水流量来补偿。

S340）根据公式

$q_{\mathrm{BAt}}^F=d_2{(2y/B)}^2+e_6---\left(8\right)$

确定钢板厚度分布的下部补偿流量

其中，d₆是与钢板的平均厚度和凸度相关的流量补偿系数，e₆为积分补偿系数，保证

沿VFC狭缝式喷射冷却装置的狭缝长度的积分为零；

由于钢板厚度沿板宽方向分布不均匀，导致钢板沿板宽方向冷却速度不同。由此造成的钢板下表冷却不均匀，也应部分通过调整VFC狭缝式喷射冷却装置下部冷却水流量来补偿。

S360）根据公式

$q_{\mathrm{BA}}^F=q_{\mathrm{BA}0}^F+q_{\mathrm{BAb}}^F+q_{\mathrm{BAt}}^F$

$\left(9\right)$

$=a_B{(2y/B)}^8+b_B{(2y/B)}^6+d_B{(2y/B)}^2+e_B$

确定VFC狭缝式喷射冷却装置的下部出口流量

其中，

为VFC狭缝式喷射冷却装置下部平均流量，即原狭缝式喷射冷却装置下部设定流量，是在不考虑各种冷却不均影响因素的条件下冷却钢板所需的VFC狭缝式喷射冷却装置下部流量，a_B、b_B和d_B是公式7和8相应系数给出的流量补偿系数，e_B为积分补偿系数，保证

沿VFC狭缝式喷射冷却装置的狭缝长度的积分等于

根据本发明的基于板形的淬火装置流量控制方法的一个实施例，使用图4所示的流量分布检测装置检测VFC狭缝式喷射冷却装置上部出口和下部出口沿板宽方向的出口流量分布，在图4所示的实施例中，流量分布检测装置包括N个测量单元10，每个测量单元包括1块测压板12，实际测量单元10的个数N，取决于待测VFC狭缝式喷射冷却装置的工作宽度，也就是狭缝式喷嘴33的狭缝长度，参见图5。从VFC狭缝式喷射冷却装置的上部出口或下部出口喷出的高压冷却水，以θ的夹角喷射到测压板12上；所述的步骤S400包括以下动作：

S420）检测各个测量单元10的测压板12承受的法向冲击压力P_nk，其中，k=1,2,…,N；

S440）根据公式

$q{F}_{\mathrm{Ak}}=\sqrt{\frac{2A{P}_{\mathrm{nk}}}{\mathrm{\ρ}\sin \mathrm{\θ}}}---\left(10\right)$

计算第k个测量单元处的平均流量qF_Ak，其中：A为每个测量单元对应狭缝面积，A=Lb_F，L为测量单元测压板的长度（见图4），b_F为狭缝式喷射冷却装置狭缝的宽度（见图5）；P_nk为第k个测量单元测压板上承受的高压水法向冲击压力；ρ为水的密度；θ为高压水喷射路线与测压板之间的夹角；

S460）将各测量单元测量计算得到的流量，沿VFC狭缝式喷射冷却装置的狭缝长度方向排列连成一条曲线，得到VFC狭缝式喷射冷却装置上部出口或下部出口沿板宽方向的出口流量分布。

图6是VFC狭缝式喷射冷却装置入口基准流量标定流程图，本发明的基于板形的淬火装置流量控制方法，在步骤S500利用流量分布检测装置，根据VFC狭缝式喷射冷却装置出口标定流量，对其入口基准流量进行标定，建立VFC狭缝式喷射冷却装置上部和下部入口基准流量调整表。设所述的淬火装置可以设定n种不同的VFC狭缝式喷射冷却装置上部或下部出口标定流量，每一个VFC狭缝式喷射冷却装置包括m根带有流量调节阀的入口水管，这里的n和m取决于具体的淬火装置工艺配置。所述的步骤S500包括以下动作：

S510）将VFC狭缝式喷射冷却装置上部或下部流量设定为标定流量F_i；

S520）将VFC狭缝式喷射冷却装置各入口水管上的流量调节阀平均开启，使通过各入口水管流量调节阀的流量为标定流量F_i下各入口水管的平均流量f_i0；

S530）利用流量分布检测装置，测量VFC狭缝式喷射冷却装置出口水流沿板宽方向的分布；

S540）如果VFC狭缝式喷射冷却装置出口水流沿板宽方向的分布不均匀，则在保证总流量不变的条件下，调整入口水管上的流量调节阀，改变入口流量分配，直至流量分布检测装置各测量单元检测到的流量均匀为止；

S550）记录并保存VFC狭缝式喷射冷却装置各入口水管上的流量调节阀的流量，将其作为标定流量F_i下各入口水管的基准流量f_Bij,其中，j=1～m；

S560）计算并记录和保存标定流量F_i下各入口水管的基准调整流量Δf_Bij=f_Bij-f_i0，其中，Δf_Bij为标定流量F_i下第j根入口水管的基准调整流量，f_Bij为标定流量F_i下第j根入口水管的基准流量，f_i0为标定流量F_i下各入口水管的平均流量；

S570）对于i=1～n，依次选择不同的标定流量F_i，循环执行步骤S510至S560，统计各种标定流量F_i下VFC狭缝式喷射冷却装置上部和下部各入口水管的基准调整流量Δf_Bij,建立VFC狭缝式喷射冷却装置上部和下部入口基准流量调整表，并将入口基准流量调整表保存在VFC狭缝式喷射冷却装置的流量控制装置中。

在实际生产中，通过查询入口基准流量调整表，可以对VFC狭缝式喷射冷却装置各入口水管的基准调整流量Δf_Bj进行设定。对于上部或下部流量为非标定流量的情况，可根据入口基准流量调整表，采用插值的方法，对VFC狭缝式喷射冷却装置各入口水管的基准调整流量Δf_Bj进行设定。

为了实现对VFC狭缝式喷射冷却装置出口流量的平滑调整，VFC狭缝式喷射冷却装置入口流量分布参照公式1所表示温度回归曲线，采用8次方程进行调整、分配，对入口流量分布进行调整，以在VFC狭缝式喷射冷却装置出口提高对钢板边部流量的调节能力。对入口流量分布进行调整的步骤S600包括以下动作：

S620）根据VFC狭缝式喷射冷却装置的流量控制装置中所保存的入口基准流量调整表，确定VFC狭缝式喷射冷却装置上部和下部各入口水管的基准调整流量Δf_Bij;

S640）根据公式

Δf_Aj=k₄(2y_j/L_P)⁸+k₃(2y_j/L_P)⁶+k₂(2y_j/L_P)⁴+k₁(2y_j/L_P)²+k₀   (11)

计算VFC狭缝式喷射冷却装置入口第j根水管的流量分布调整量Δf_Aj，其中，y_j为VFC狭缝式喷射装置入口第j根水管中心线沿板宽方向的坐标，L_P为VFC狭缝式喷射冷却装置入口第1根水管与最后1根水管中心线之间的距离，k₁、k₂、k₃和k₄为入口流量分布调整系数，与钢板的厚度、宽度和品种相关，k₀为积分补偿系数，保证入口各水管的Δf_Aj累加为零，即

m为VFC狭缝式喷射冷却装置上部（或下部）入口水管个数；

S660）根据公式

f_j＝f₀+Δf_Bj+Δf_Aj   (12)

计算VFC狭缝式喷射装置上部或下部第j根入口水管的设定流量f_j，其中，f₀为VFC狭缝式喷射装置入口水管的平均流量，f₀=F/m，F为VFC狭缝式喷射冷却装置上部或下部设定的标定流量，m为VFC狭缝式喷射冷却装置上部或下部入口水管个数。在实际生产过程中，VFC狭缝式喷射装置入口水管流量不可能小于零，即f_j≥0(j=1,2,……,m)

要实现对VFC狭缝式喷射冷却装置出口流量分布

的有效控制，则首先须建立出口补偿流量（上部或下部）ΔqF_A与入口流量分布调整量（上部或下部）Δf_A之间的对应关系。根据本发明的基于板形的淬火装置流量控制方法的一个优选实施例，在进行流量设定时，首先根据公式6、9和11将VFC狭缝式喷射冷却装置出口流量设定方程

转换为VFC狭缝式喷射冷却装置出口补偿流量方程

ΔqF_A=qF_A-qF_A0

=a(2y/L_F)⁸+b(2y/L_F)⁶+c(2y/L_F)⁴+d(2y/L_F)²+e   (13)

然后，在所述的步骤S700采用BP神经网络模型训练的方式，建立ΔqF_A与Δf_A之间的对应关系，获得VFC狭缝式喷射冷却装置入口流量分布调整量方程

Δf_A=k₄(2y/L_P)⁸+k₃(2y/L_P)⁶+k₂(2y/L_P)⁴+k₁(2y/L_P)²+k₀   (14)

从而实现对VFC狭缝式喷射冷却装置出口流量分布qF_A的控制。

本发明提出的适用于VFC狭缝式喷射冷却装置流量控制的BP神经网络模型的实施例如图6所示，BP神经网络模型为含有n个节点的BP网络，各节点之特性为Sigmoid型；BP网络只有一个输出任一节点i的输出为O_i，并设有N个样本

(k=1,2,3,…,N),对某一输入

网络输出为

节点i的输出为O_ik,节点j的输入为

并将误差函数定义为 $E=\frac{1}{2}\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}({\stackrel{-}{y}}_k-{\tilde{y}}_k){({\stackrel{-}{y}}_k-{\tilde{y}}_k)}^T,$ 其中，O_jk=f(net_jk)，且

β为增益因子，β=0~1.0；

在图3所示的本发明的基于板形的淬火装置流量控制方法中，一个进一步改进的实施例是步骤S700包括以下BP神经网络模型训练的动作：

S710）利用流量分布检测装置，测量不同入口流量分布调整量Δf_A条件下的出口补偿流量ΔqF_A的分布；

S720）按照公式13的形式，对上一步测量到的所有点ΔqF_A数据进行回归，以获得与该流量分布调整量Δf_A对应的出口补偿流量ΔqF_A方程系数；

S730）将VFC狭缝式喷射冷却装置设定的标定流量F、各出口补偿流量ΔqF_A方程系数，以及各入口流量分布调整量Δf_A方程系数，作为一组训练数据，输入神经元网络，对神经元网络模型进行训练；

S740）选取初始权值W；

S750）重复下述过程直至收敛：

S751）对于k＝1到N

a)计算O_ik， ${\mathrm{net}}_{\mathrm{jk}}=\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{W}_{\mathrm{ij}}{O}_{\mathrm{ik}}$ 和

的值(正向过程)；

b)对各层从M到2反向计算(反向过程)；

S752）对同一节点j∈M，计算

其中，M为BP网络层数，这里，M=4

S760）修正权值， $W_{\mathrm{ij}}=W_{\mathrm{ij}}-\mathrm{\μ}\frac{\∂E}{\∂W_{\mathrm{ij}}},$ μ>0，其中 $\frac{\∂E}{\∂W_{\mathrm{ij}}}=\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\frac{\∂E_k}{\∂W_{\mathrm{ij}}};$

S770）重复步骤S730至步骤S760，直至训练数据组数量足够，神经元网络模型精度满足要求为止。

图4为用于上述基于板形的淬火装置流量控制方法的一种流量分布检测装置的结构示意图，用于标定喷射冷却装置的出口流量及其分布。流量分布检测装置包括基板20、若干个测量单元10和测量信号处理单元（图中未表示），每个测量单元10由一组测压头11和一块测压板12组成；在图4所示的实施例中，每个测量单元10包括4个测压头11。测量单元10沿狭缝式喷射冷却装置的狭缝长度方向均布在基板20上，基板20置于狭缝式喷射冷却装置的出口处，测压板12与狭缝式喷射冷却装置的出口狭缝相对，高压冷却水的法向冲击压力通过侧压板12传递给测量单元10的各个测压头11，各个测压头11输出的压力电信号传送到测量信号处理单元。每个测量单元10采用分布在测压板12四角的4个测压头11，可以对高压冷却水冲击的位置产生一定的自校正功能。每个测量单元10的测压板12上承受的法向冲击压力P_ni，与测量单元10处的平均流量qF_Ai之间的关系可根据步骤S440中的公式10计算得出，将各测量单元10测量计算得到的流量连成一条曲线，便可分别得到VFC狭缝式喷射冷却装置上下部出口流量的分布。

本发明的基于板形的淬火装置流量控制方法，通过沿板宽方向调节流量分布，实现对淬火板形的控制，必须有相应的流量凸度可变（Variable Flow Crown，简写VFC）狭缝式喷射冷却装置，以便沿板宽方向控制狭缝式喷射冷却装置的流量及其分布，使钢板沿板宽方向冷却更加均匀，从而更好地保证钢板淬火后的性能和板形。本发明的VFC狭缝式喷射冷却装置的结构示意图图5所示，用于实现本发明的基于板形的淬火装置流量控制方法。图5展示了VFC狭缝式喷射冷却装置的主视图和左视图，包括均流喷射单元30和入口流量调整单元40，在主视图中分别用虚线框表示，所述的均流喷射单元30为两腔型狭缝式射流喷嘴，入口流量调整单元40包括若干根带有流量调节阀42的入口水管41，各入口水管41沿均流喷射单元30的狭缝式射流喷嘴的长度方向，也就是狭缝33的长度方向均布，并连通到均流喷射单元30的狭缝式射流喷嘴的上腔体31；所述VFC狭缝式喷射冷却装置的流量控制装置，通过改变流量调节阀42的流量设定输入信号，控制通过各流量调节阀42的入口水管41的设定流量f_j，调整狭缝式喷射冷却装置沿板宽方向的流量凸度，使钢板沿板宽方向获得均匀冷却，以保证钢板淬火后的性能和板形。

实施例

使用本发明的方法和装置对冷却水进行流量补偿前后，沿板宽方向钢板上表的温度分布如图2所示，图中实线A为使用流量补偿后的温度曲线，虚线B为未使用流量补偿前的温度曲线。钢板的厚度为28mm，宽度为2800mm，长度为15m，钢板品种为铬钼钢。钢板淬火在钢板上表温度为900℃时开始，并在板宽中间处上表温度为150℃时结束，VFC狭缝式喷射冷却装置上部设定流量为

下部设定流量为在冷却前，钢板刚经过热处理均匀加热，故认为钢板沿板宽方向的上表温差为0℃。在冷却后，未采用本发明的方法对VFC狭缝式喷射冷却装置出口流量进行补偿，上表温差为30℃；采用本发明的方法对VFC狭缝式喷射冷却装置出口流量进行补偿，上表温差为10℃，钢板沿板宽方向的温差得到了有效地控制。

冷却后钢板上表实测温度回归系数、VFC狭缝式喷射冷却装置上部出口流量

设定方程系数、下部出口流量

设定方程系数和入口调整流量Δf_A方程系数（上部和下部）如表1和表2所示。其中，

和

的系数是根据采用流量补偿后的现场检测结果通过重新回归计算获得的。

表1钢板上表温度回归系数表

表2VFC狭缝式喷射冷却装置出口流量设定系数表

本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明的技术方案，而并非用作为对本发明的限定，任何基于本发明的实质精神对以上所述实施例所作的变化、变型，都将落在本发明的权利要求的保护范围内。

Claims (11)

1.一种基于板形的淬火装置流量控制方法，用于控制钢板在通过淬火设备淬火时的板形，所述的淬火设备包括设置在钢板上下两面的若干个VFC狭缝式喷射冷却装置，以及存储和执行控制程序和数据的流量控制装置，其特征在于，所述的流量控制方法包括以下步骤：

S100）获取淬火钢板的宽度、厚度和品种信息，结合未使用流量补偿时淬火后的钢板表面的实测温度，回归计算确定温度回归曲线系数；

S200）根据钢板的品种、宽度、厚度、凸度和淬火设备的冷却效率，确定各狭缝式喷射冷却装置的沿板宽方向补偿后的上部出口流量

S300）根据钢板的品种、宽度、厚度、凸度和淬火设备的冷却效率，确定各狭缝式喷射冷却装置的沿板宽方向补偿后的下部出口流量

S400）使用流量分布检测装置，检测VFC狭缝式喷射冷却装置上部出口和下部出口沿板宽方向的出口流量分布；

S500）根据VFC狭缝式喷射冷却装置上部出口和下部出口的出口流量分布的检测结果，调整入口水管上的流量调节阀，标定各个VFC狭缝式喷射冷却装置的入口水管基准流量，建立入口基准流量调整表并保存在VFC狭缝式喷射冷却装置的流量控制装置中；

S600）根据所述的入口基准流量调整表，确定VFC狭缝式喷射冷却装置各入口水管的基准调整流量Δf_Bj；根据各个VFC狭缝式喷射冷却装置的出口流量分布，确定VFC狭缝式喷射冷却装置各路入口水管的流量分布调整量Δf_Aj；确定VFC狭缝式喷射装置入口水管的设定流量f_j；

S700）建立出口补偿流量ΔqF_A与入口流量分布调整量Δf_A之间的对应关系，通过控制各路入口水管的入口流量分布调整量Δf_Aj，控制各个VFC狭缝式喷射冷却装置的出口流量分布，其中，ΔqF_A为上部或下部出口的补偿流量，Δf_A为上部或下部入口的流量分布调整量，Δf_Aj为VFC狭缝式喷射冷却装置入口第j根水管的流量分布调整量。

2.根据权利要求1所述的基于板形的淬火装置流量控制方法，其特征在于所述的步骤S100包括以下动作：

S120）从上级控制计算机获取淬火钢板的宽度、厚度和品种信息；

S140）获取未使用流量补偿时淬火后的钢板表面沿宽度方向分布的实测温度；

S160）根据公式

T₀(y)=a₀(2y/B)⁸+b₀(2y/B)⁶+c₀(2y/B)⁴+d₀(2y/B)²+e₀   (1)

回归计算确定温度回归曲线系数a₀、b₀、c₀、d₀和e₀，其中，y为钢板宽度方向坐标，钢板中心处为零，B为钢板宽度，a₀、b₀、c₀和d₀是与钢板的宽度、厚度、品种和淬火设备的冷却效率相关的系数，e₀等于钢板中部的温度。

3.根据权利要求1所述的基于板形的淬火装置流量控制方法，其特征在于所述的步骤S200包括以下动作：

S210）根据公式

$q_{\mathrm{TAs}}^F=d_1{(2y/B)}^2+e_1---\left(2\right)$

确定钢板上表流动冷却水的补偿流量

其中，d₁是与钢板的厚度和冷却效率相关的流量补偿系数，e₁为积分补偿系数，保证

沿VFC狭缝式喷射冷却装置的狭缝长度的积分为零；

S220）根据公式

$q_{\mathrm{TA\λ}}^F=c_2{(2y/B)}^4+d_2{(2y/B)}^2+e_2---\left(3\right)$

确定钢板冷却模式的上部补偿流量

其中，c₂和d₂是与钢板的厚度和冷却效率相关的流量补偿系数，e₂为积分补偿系数，保证

沿VFC狭缝式喷射冷却装置的狭缝长度的积分为零；

S230）根据公式

$q_{\mathrm{TAb}}^F=a_3{(2y/B)}^8+b_3{(2y/B)}^6+e_3---\left(4\right)$

确定钢板边部冷却速度的上部补偿流量

其中，a₃和b₃是与钢板的厚度和品种相关的流量补偿系数，e₃为积分补偿系数，保证

沿VFC狭缝式喷射冷却装置的狭缝长度的积分为零；

S240）根据公式

$q_{\mathrm{TAt}}^F=d_4{(2y/B)}^2+e_4---\left(5\right)$

确定钢板厚度分布的上部补偿流量

其中，d₄是与钢板的平均厚度和凸度相关的流量补偿系数，e₄为积分补偿系数，保证

沿VFC狭缝式喷射冷却装置的狭缝长度的积分为零；

S250）根据公式

$q_{\mathrm{TA}}^F=q_{\mathrm{TA}0}^F+q_{\mathrm{TAs}}^F+q_{\mathrm{TA\λ}}^F+q_{\mathrm{TAb}}^F+q_{\mathrm{TAt}}^F$

$\left(6\right)$

$=a_T{(2y/B)}^8+b_T{(2y/B)}^6+c_T{(2y/B)}^4+d_T{(2y/B)}^{2+}{e}_T$

确定VFC狭缝式喷射冷却装置的上部出口流量其中，

为VFC狭缝式喷射冷却装置上部平均流量，即未使用流量补偿时的狭缝式喷射冷却装置上部设定流量，a_T、b_T、c_T和d_T是公式2～5相应系数给出的流量补偿系数，e_T为积分补偿系数，保证沿VFC狭缝式喷射冷却装置的狭缝长度的积分等于

4.根据权利要求1所述的基于板形的淬火装置流量控制方法，其特征在于所述的步骤S300包括以下动作：

S320）根据公式

$q_{\mathrm{BAb}}^F=a_5{(2y/B)}^8+b_5{(2y/B)}^6+e_5---\left(7\right)$

确定钢板边部冷却速度的下部补偿流量其中，a₅和b₅是与钢板的厚度和品种相关的流量补偿系数，e₅为积分补偿系数，保证

沿VFC狭缝式喷射冷却装置的狭缝长度的积分为零；

S340）根据公式

$q_{\mathrm{BAt}}^F=d_6{(2y/B)}^2+e_6---\left(8\right)$

确定钢板厚度分布的上部补偿流量

其中，d₆是与钢板的平均厚度和凸度相关的流量补偿系数，e₆为积分补偿系数，保证

沿VFC狭缝式喷射冷却装置的狭缝长度的积分为零；

S360）根据公式

$q_{\mathrm{BA}}^F=q_{\mathrm{BA}0}^F+q_{\mathrm{BAb}}^F+q_{\mathrm{BAt}}^F$

$\left(9\right)$

$=a_B{(2y/B)}^8+b_B{(2y/B)}^6+d_B{(2y/B)}^2+e_B$

确定VFC狭缝式喷射冷却装置的下部出口流量其中，

为VFC狭缝式喷射冷却装置下部平均流量，即未使用流量补偿时的狭缝式喷射冷却装置下部设定流量，a_B、b_B和d_B是公式7和8相应系数给出的流量补偿系数，e_B为积分补偿系数，保证

沿VFC狭缝式喷射冷却装置的狭缝长度的积分等于

5.根据权利要求1所述的基于板形的淬火装置流量控制方法，其特征在于所述的流量分布检测装置包括N个测量单元，每个测量单元包括1块测压板；从VFC狭缝式喷射冷却装置的上部出口或下部出口喷出的高压冷却水，以θ的夹角喷射到测压板上；所述的步骤S400包括以下动作：

S420）检测各个测量单元的测压板承受的法向冲击压力P_nk，其中，k=1,2,…,N；

S440）根据公式

$q{F}_{\mathrm{Ak}}=\sqrt{\frac{2A{P}_{\mathrm{nk}}}{\mathrm{\ρ}\sin \mathrm{\θ}}}---\left(10\right)$

计算第k个测量单元处的平均流量qF_Ak，其中：A为每个测量单元对应狭缝面积，A=Lb_F，L为测量单元测压板的长度，b_F为狭缝式喷射冷却装置狭缝的宽度；P_nk为第k个测量单元测压板上承受的高压水法向冲击压力；ρ为水的密度；θ为高压水喷射路线与测压板之间的夹角；

S460）将各测量单元测量计算得到的流量，沿VFC狭缝式喷射冷却装置的狭缝长度方向排列连成一条曲线，得到VFC狭缝式喷射冷却装置上部出口或下部出口沿板宽方向的出口流量分布。

6.根据权利要求1所述的基于板形的淬火装置流量控制方法，其特征在于所述的淬火装置可以设定n种不同的VFC狭缝式喷射冷却装置上部或下部出口标定流量，每一个VFC狭缝式喷射冷却装置包括m根带有流量调节阀的入口水管，所述的步骤S500包括以下动作：

S510）将VFC狭缝式喷射冷却装置上部或下部流量设定为标定流量F_i；

S520）将VFC狭缝式喷射冷却装置各入口水管上的流量调节阀平均开启，使通过各入口水管流量调节阀的流量为标定流量F_i下各入口水管的平均流量f_i0；

S530）利用流量分布检测装置，测量VFC狭缝式喷射冷却装置出口水流沿板宽方向的分布；

S540）如果VFC狭缝式喷射冷却装置出口水流沿板宽方向的分布不均匀，则在保证总流量不变的条件下，调整入口水管上的流量调节阀，改变入口流量分配，直至流量分布检测装置各测量单元检测到的流量均匀为止；

S550）记录并保存VFC狭缝式喷射冷却装置各入口水管上的流量调节阀的流量，将其作为标定流量F_i下各入口水管的基准流量f_Bij，其中，j=1～m；

S560）计算并记录和保存标定流量F_i下各入口水管的基准调整流量Δf_Bij=f_Bij-f_i0，其中，Δf_Bij为标定流量F_i下第j根入口水管的基准调整流量，f_Bij为标定流量F_i下第j根入口水管的基准流量，f_i0为标定流量F_i下各入口水管的平均流量；

S570）对于i=1～n，依次选择不同的标定流量F_i，循环执行步骤S510至S560，统计各种标定流量F_i下VFC狭缝式喷射冷却装置上部和下部各入口水管的基准调整流量Δf_Bij,建立VFC狭缝式喷射冷却装置上部和下部入口基准流量调整表，并将入口基准流量调整表保存在VFC狭缝式喷射冷却装置的流量控制装置中。

7.根据权利要求1所述的基于板形的淬火装置流量控制方法，其特征在于所述的步骤S600包括以下动作：

S620）根据VFC狭缝式喷射冷却装置的流量控制装置中所保存的入口基准流量调整表，确定VFC狭缝式喷射冷却装置上部和下部各入口水管的基准调整流量Δf_Bij;

S640）根据公式

Δf_Aj=k₄(2y_j/L_P)⁸+k₃(2y_j/L_P)⁶+k₂(2y_j/L_P)⁴+k₁(2y_j/L_P) ²+k₀   (11)

计算VFC狭缝式喷射冷却装置入口第j根水管的流量分布调整量Δf_Aj，其中，y_j为VFC狭缝式喷射装置入口第j根水管中心线沿板宽方向的坐标，L_P为VFC狭缝式喷射冷却装置入口第1根水管与最后1根水管中心线之间的距离，k₁、k₂、k₃和k₄为入口流量分布调整系数，与钢板的厚度、宽度和品种相关，k₀为积分补偿系数，保证入口各水管的Δf_Aj累加为零，即m为VFC狭缝式喷射冷却装置上部（或下部）入口水管个数；

S660）根据公式

f_j=f₀+Δf_Bj+Δf_Aj   (12)

计算VFC狭缝式喷射装置上部或下部入口水管的设定流量f_j，其中，f₀为VFC狭缝式喷射装置入口水管的平均流量，f₀=F/m，F为VFC狭缝式喷射冷却装置上部或

下部设定的标定流量，m为VFC狭缝式喷射冷却装置上部或下部入口水管个数。

8.根据权利要求1所述的基于板形的淬火装置流量控制方法，其特征在于在进行流量设定时，首先将VFC狭缝式喷射冷却装置出口流量设定方程转换为VFC狭缝式喷射冷却装置出口补偿流量方程

ΔqF_A=qF_A-qF_A0

(13)

=a(2y/L_F)⁸+b(2y/L_F)⁶+c(2y/L_F)⁴+d(2y/L_F)²+e

然后，在所述的步骤S700采用BP神经网络模型训练的方式，建立ΔqF_A与Δf_A之间的对应关系，获得VFC狭缝式喷射冷却装置入口流量分布调整量方程

Δf_A=k₄(2y/L_P)⁸+k₃(2y/L_P)⁶+k₂(2y/L_P)⁴+k₁(2y/L_P)²+k₀   (14)

从而实现对VFC狭缝式喷射冷却装置出口流量分布qF_A的控制；

所述的BP神经网络模型为含有n个节点的BP网络，各节点之特性为Sigmoid型；BP网络只有一个输出任一节点i的输出为O_i，并设有N个样本

(k=1,2,3,…,N),对某一输入

网络输出为

节点i的输出为O_ik,节点j的输入为

并将误差函数定义为 $E=\frac{1}{2}\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}({\stackrel{-}{y}}_k-{\tilde{y}}_k){({\stackrel{-}{y}}_k-{\tilde{y}}_k)}^T,$ 其中，O_jk=f(net_jk)，且

β为增益因子，β=0~1.0。

9.根据权利要求8所述的基于板形的淬火装置流量控制方法，其特征在于所述的步骤S700包括以下执行BP神经网络模型训练的动作：

S710）利用流量分布检测装置，测量不同入口流量分布调整量Δf_A条件下的出口补偿流量ΔqF_A的分布；

S720）按照公式13的形式，对上一步测量到的所有的ΔqF_A数据进行回归，以获得与该流量分布调整量Δf_A对应的出口补偿流量ΔqF_A方程系数；

S730）将VFC狭缝式喷射冷却装置设定的标定流量F、各出口补偿流量ΔqF_A方程系数，以及各入口流量分布调整量Δf_A方程系数，作为一组训练数据，输入神经元

网络，对神经元网络模型进行训练；

S740）选取初始权值W；

S750）重复下述过程直至收敛：

S751）对于k=1到N

a)计算O_ik， ${\mathrm{net}}_{\mathrm{jk}}=\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{W}_{\mathrm{ij}}{O}_{\mathrm{ik}}$ 和的值(正向过程)；

b)对各层从M到2反向计算(反向过程)；

S752）对同一节点j∈M，计算

其中，M为BP网络层数，这里，M=4

S760）修正权值， $W_{\mathrm{ij}}=W_{\mathrm{ij}}-\mathrm{\μ}\frac{\∂E}{\∂W_{\mathrm{ij}}},$ μ>0，其中 $\frac{\∂E}{\∂W_{\mathrm{ij}}}=\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\frac{\∂E_k}{\∂W_{\mathrm{ij}}};$

S770）重复步骤S730至步骤S760，直至训练数据组数量足够，神经元网络模型精度满足要求为止。

10.一种用于权利要求1至9之任一权利要求所述的基于板形的淬火装置流量控制方法的流量分布检测装置，其特征在于所述的检测装置包括基板、若干个测量单元和测量信号处理单元，每个测量单元由一组测压头和一块测压板组成；所述的测量单元沿狭缝式喷射冷却装置的狭缝长度方向均布在所述的基板上，所述的基板置于狭缝式喷射冷却装置的出口处，测压板与狭缝式喷射冷却装置的出口狭缝相对，高压冷却水的法向冲击压力通过侧压板传递给测量单元的各个测压头，各个测压头输出的压力电信号传送到测量信号处理单元。

11.一种用于权利要求1至9之任一权利要求所述的基于板形的淬火装置流量控制方法的VFC狭缝式喷射冷却装置，包括均流喷射单元和入口流量调整单元，其特征在于所述的均流喷射单元为两腔型狭缝式射流喷嘴，所述的入口流量调整单元包括若干根带有流量调节阀的入口水管，各入口水管沿所述狭缝式射流喷嘴的狭缝的长度方向均布，并连通到狭缝式射流喷嘴的上腔体；所述VFC狭缝式喷射冷却装置的流量控制装置，通过改变流量调节阀的流量设定输入信号，控制通过各流量调节阀的入口水管的设定流量f_j，调整狭缝式喷射冷却装置沿板宽方向的流量凸度，使钢板沿板宽方向获得均匀冷却，以保证钢板淬火后的性能和板形。

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