CN103849758A - 淬火冷却监控系统 - Google Patents

Abstract

本发明的淬火冷却监控系统，包括水冷系统﹑热交换系统﹑控制系统﹑冷输送管﹑热输送管﹑冷端测温计﹑流量计﹑热端测温计和水泵，热交换系统内设置有充气压力计。监控系统根据冷端测温计﹑流量计﹑热端测温计和充气压力计反馈回来的实时测量信息进行计算和记录，实现冷却过程的在线监测功能，其监测数据可以作为品质判断的依据；监控系统也可以根据预先的设定，根据冷却的实际状况而发出对应的实时控制信号，控制对流风叶电机和水冷系统电机的转速和热交换系统内气体压力以达到调节冷却速度的目的；本发明实施也可以作为真空炉定期检测冷却能力的设备，还可以作为真空炉研究设计的有效工具，达到高效节能的目的，都是符合当今技术发展潮流的。

Description

淬火冷却监控系统

技术领域

本发明涉及一种淬火冷却监控系统，尤其涉及一种联合测温计﹑流量计和充气压力计进行精密检测控制﹑精确评估冷却系统效能的淬火冷却监控系统。

背景技术

对于气淬真空炉而言，决定冷却能力（速度）的主要因素是热交换器的换热效率。而影响换热效率的因素有：冷却水流量，冷却室（淬火室）内的气体压力及冷却风叶的转速。气淬真空炉的冷却能力决定了其生产能力（适用的工件尺寸大小，材料种类等），而冷却能力的稳定性决定了在批次生产时（大规模地重复生产同一零件）品质的稳定性。

目前在役的真空炉，为了测定真空炉的冷却速度或是观察或控制某个特定零件的冷却过程，一般是通过在炉内零件（模具）上的特定部位安装热电偶，在冷却时不断地测量该处的温度达到观测与控制冷却过程的目的。这种方法只适用于单室的真空炉，以及较大型的零件（模具）；并且由于安装的不便利性（某些零件上没有热电偶安装孔或不允许钻孔），只能在某些特定条件下进行这种测试。对于双室结构的真空炉型，这种方法就完全不能应用——因为在加热完成后把零件（模具）从加热室转移到淬火室的过程中，热电偶难以跟着移动，也不能让隔热门紧密关闭；如要实现这样的功能，就需要去设计特别复杂的结构，会在真空炉的使用操作中带来复杂性。对于油淬冷却的真空炉，可以测量油的冷却特性，以判断淬火油是否老化或满足使用要求。

对于小型的精密零件，将热电偶安装到零件上去是有因难的。如以裸露热电偶的状态去测量评估一整炉零件的冷却状态，则测量结果的准确性是值得怀疑。另因为零件较小，在装炉数量较多的情况下，势必要用到较多的工装（如较大的钢架，较多的装料盘子或板网），其所占的质量比例也较大，其蓄热对冷却过程产生的影响也较大。因而，原有的在零件上安装热电偶测定冷却特性的方式就不适用了。在这种情况下，使用本发明的“淬火冷却监控系统”对整体的冷却过程作出测量与评估，会更真实全面地反映淬火冷却特性。

在现代的制造业中，对于制造品质提出了苛刻的质量要求，如汽车零件的生产要求实现“零缺陷”，以及“质量分散度为零”（21世纪美国热处理路线规划）的目标。其中热处理的生产控制又是生产过程中的重点环节。但是，由于热处理过程的特殊性，因此，目前对于热处理的生产过程管理主要使用定期检测的方法，如根据CQI-9规范制，每年进行2次的炉温均匀性检测。所检测的内容主要是炉温均匀性，测温准确性，以及样品热处理后指定位置的硬度及金相等内容，以获得在定期的检验中鉴定真空炉的一些重要特性。尤其对于冷却过程的特性测量及相关规范还是空白。更应注意的是，真空炉在长期使用中其冷却特性是会变化的。这种变化可能来源于：1）换热器的结垢，使换热效率降低；2）水泵在长期使用中发生磨损，使冷却能力降低；3)冷却风叶发生变形，导致冷却能力降低；4)冷却电机发生磨损，导致冷却能力降低等等。这种变化有极大的可能是渐变的（有时也会突变），外在表现并不明显，因而是不易及时察觉的。在冷却性能逐渐降低的生产过程中，就有可能会产生不良品。这种不良品可能在平时的抽检过程中难以发现，可能要在相当长的时间后，待冷却特性有足够的劣化现象时才能被发现。待到此时，产生的不良品可能已经相当多，可能已经构成了重大的经济损失。可以设想，对于批量很大的小型精密零件的热处理，一旦确定了所用的工装及装炉模式后，通过测量每一次的冷却模式，就可以得到该批次零件的冷却特性，并与数据库中的（或预设的）冷却模式做对比，以判断该冷却过程是否符合要求，而通过对一定时期的数据统计，还可以得出真空炉的冷却特性变化数据，以作为设备继续使用的判定，或在其特性进一步劣化之前采取措施，避免生产中出现品质事故。从质量管理的角度来看，对于冷却过程的在线监测是非常必要的。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种联合测温计﹑流量计和充气压力计进行精密检测控制﹑精确评估冷却系统效能的淬火冷却监控系统。本发明采用如下技术方案：

一种淬火冷却监控系统，包括水冷系统﹑热交换系统和控制系统，及设置在水冷系统和热交换系统之间的顺时针布局的冷输送管和热输送管，及设置在冷输送管上用于检测冷却液温度的冷端测温计，及设置在热输送管上顺时针布局的流量计﹑热端测温计和水泵；所述热交换系统内设置有充气压力计﹑对流风叶和热交换器，对流风叶扇动气流把工件上的热量吹送到热交换器上，冷却液把热交换器上的热量吸收带走；所述热交换系统外设置有对流风叶电机，对流风叶电机与对流风叶驱动连接，对流风叶电机与控制系统电性连接，控制系统实时控制对流风叶电机的转速进而控制对流风叶对工件的散热；所述充气压力计与控制系统电性连接，控制系统实时测量热交换系统内的实时压力，以实现对冷却速度的控制。

进一步地，所述流量计也可以设置在冷输送管上，实时反馈冷输送管内冷却液的流量至控制系统。

进一步地，所述冷端测温计与控制系统电性连接，实时反馈冷输送管输送的冷却液的温度至控制系统。

进一步地，所述流量计与控制系统电性连接，实时反馈热输送管输送的冷却液的流量至控制系统。

进一步地，所述热端测温计与控制系统电性连接，实时反馈热输送管输送的冷却液的温度到控制系统。

进一步地，所述水泵与控制系统电性连接，控制系统根据冷端测温计﹑流量计﹑热端测温计和充气压力计反馈回来的实时测量信息进行计算和记录，并发出对应的实时控制信号，控制对流风叶电机﹑水泵电机和水冷系统电机的实时转速和热交换系统内气体压力；所述控制系统收集的实时测量信息显示给操控者，方便操控者了解冷端测温计﹑流量计﹑热端测温计和充气压力计实时工作状态及本淬火冷却系统的效能。

进一步地，设热交换器冷端温度为T，热端温度为τ；

         水的比热容为C_水，钢的比热容为C_钢；

        在单位时间（如1秒）里，流出或流入热交换器的水质量为δ_水（可在流量计测出）；被加热的钢铁零件的质量为M；

       那么，在t₁时刻，热电偶测得热交换器的冷端温度为T₁，热端温度为τ₁；

      在t₂时刻，热电偶测得热交换器的冷端温度为T₂，热端温度为τ₂；

      …

      在t_n时刻，热电偶测得热交换器的冷端温度为T_n，热端温度为τ_n；

则在t₁时刻单位时间里，通过热交换器带走的热量Q₁为：

      Q1=C_水*δ_水*（τ₁- T₁）

  在t₂时刻单位时间里，通过热交换器带走的热量Q₂为：

      Q₂=C_水*δ_水*（τ₂- T₂）

   …

  在t_n时刻单位时间里，通过热交换器带走的热量Q_n为：

      Q_n=C_水*δ_水*（τ_n - T_n）

那么，在t₁至t_n时间里，被热交换器带走的总热量为：

      Q(t₁, t_n)= Q₁+Q₂+…+ Q_n

       = C_水*δ_水﹝（τ₁+τ₂+…+τ_n）-（T₁+ T₂+…+ T_n）﹞

      Q(t₁, t_n)即是真空炉系统的总热量在冷却过程中随时间的变化，可以定义为Q（t），

即    Q（t）= Q(t₁, t_n)=∑Q_i(i=1,n)

热量Q（t）来自于真空炉中被加热材料的热量转移，可以转换为被加热的钢铁零件的温度降低ΔT：

在t₀时刻，钢铁零件的温度为T₀

在t_n时刻，钢铁零件的温度为T_n

则有     Q（t）（t₀，t_n）= C_钢*M*（T₀-T_n）

可以进一步表达为在t时刻的热量转移Q（t）与零件温度T的关系：

         Q（t）= C_钢*M*（T₀-T）

钢铁零件冷却到t时刻的温度T的关系表达为：

         T= T₀- Q（t）/ C_钢*M，在时刻t的钢铁零件的温度(见图1)      （1）

对（1）取一次导数，即可得到真空炉中钢铁零件的冷却速度：

         dT／dt=-d Q（t）／(C_钢*M) dt                               （2）

即：     ΔT = -ΔQ ／(C_钢*M)                                      （3）

          公式（3）物理意义是：单位时间的炉中零件温度变化量ΔT与可测的热量转移变化量ΔQ 呈线性关系，并与零件材料的物性系数C钢以及零件的质量M 相关，等式右边的负号表示放热过程（Q<0）；其中，对所使用的真空炉冷却装置与炉内工件温度之间的定量关系要进行一次标定，获得校正系数k ，即得到式（4）：

     ΔT = - k ΔQ ／(C_钢*M)                                       （4）

    在实际应用中，对时刻t所对应的q(t)的监测，可推算出零件在该时刻的温度及其组织形态（其关系如图1和图2所示）；在钢铁零件的淬火冷却过程中，通常在高温阶段（如500℃以上，依材料而异）需要较高的冷却速度，以满足相变的动力学要求；但在较低的温度段，则需要较慢的冷却速度，其主要原因是减少变形并缓和内部应力，避免因组织剧烈转变造成应力开裂。

图1与图2即是生产过程中经常用到的曲线形式，它们反映的是材料的连续冷却曲线与材料热处理品质的相关性，即对材料的组织与性能控制具有决定性的作用。

通过由冷端测温计﹑热端测温计﹑流量计﹑充气压力计﹑计算机及相关软件组成的监控仪器，对真空炉的淬火冷却过程进行图1或图2的函数数据进行在线测量与对照，实现零件热处理过程的质量监测与控制；根据所测定的函数数据的变化趋势，通过PID调节器对冷却过程进行干预，以期达到（符合）所要求的组织形态或品质。

进一步地，其工作原理为：1）﹑加热完成的工件放置于热交换系统中，启动控制系统﹑对流风叶电机﹑水泵电机和水冷系统电机，水泵驱动冷却液流动；2）﹑冷却液输送到冷端测温计，冷端测温计测量冷却液的实时温度并反馈至控制系统；3）﹑冷却液输送到热交换器，对流风叶扇动气流把工件上的热量吹送到热交换器上，冷却液把热交换器上的热量吸收随冷却液的输送而被带走；4）﹑冷却液输送到流量计和热端测温计，流量计与热端测温计分别测量吸收热量后冷却液的实时流量和实时温度并反馈至控制系统；5）﹑充气压力计实时测量热交换系统内的充气压力，并实时反馈热交换系统内的实时充气压力至控制系统；6）﹑控制系统根据冷端测温计﹑流量计﹑热端测温计和充气压力计分别反馈的测量值向操控者显示或供控制系统进行计算并记录，控制系统根据计算结果发出控制信号控制对流风叶电机﹑水泵电机和水冷系统电机的实时转速和热交换系统内气体压力或者按控制系统预先设定的参数（或函数关系）对流风叶电机﹑水泵电机和水冷系统电机的实时转速和热交换系统内气体压力进行调节；7）﹑冷却液输送到水泵，水泵驱动冷却液向水冷系统输送；8）﹑冷却液输送到水冷系统后，水冷系统对吸收热量后的冷却液进行降温处理；往复至步骤2）。

本发明的淬火冷却监控系统，包括水冷系统﹑热交换系统和控制系统，及设置在水冷系统和热交换系统之间的顺时针布局的冷输送管和热输送管，及设置在冷输送管上用于检测冷却液温度的冷端测温计，及设置在热输送管上顺时针布局的流量计﹑热端测温计和水泵。冷端测温计，流量计﹑热端测温计和水泵电机和对流风叶电机与控制系统电性连接，控制系统根据冷端测温计﹑流量计﹑热端测温计和充气压力计反馈回来的实时测量信息进行计算和记录，并发出对应的实时控制信号，控制流风叶电机﹑水泵电机﹑水冷系统电机的实时转速和热交换系统内气体压力，实现对冷却能力的调节；所述控制系统收集的实时测量信息显示给操控者，方便操控者了解冷端测温计﹑流量计﹑热端测温计和充气压力计实时工作状态及本淬火冷却系统的效能并作出相应的控制或处理，使冷却过程得以检测和调控,改进了冷却监控能力，解决了不能安装温度计的问题。本发明即可以实施冷却过程的在线监测功能，其监测数据可以作为热处理加工后品质判断的依据；当然，它也可以作为真空炉定期检测冷却能力的设备。本发明还可以作为真空炉研究设计的有效工具，达到高效节能的目的，都是符合当今技术发展潮流的。此外，本发明进一步的功能提升是实现对真空炉冷却过程中的实时监控。监测是指对淬火冷却过程的冷却速度进行测量和记录；控制是指根据冷却速度的测量，将测量结果与预设的结果或函数作比较，在有偏差时自动调整冷却速度，实现预设的冷却特性，以保证热处理加工后得到合格品质的产品。具有此功能的真空炉具有了信息化与智能化的特征，对于保证产品的热处理质量具有重大工程意义。

附图说明

图1为真空炉中钢铁零件温度T与冷却时间t的关系示意图。

图2为真空炉中钢铁零件温度T与冷却速度Tˊ的关系示意图。

图3为本发明淬火冷却监控系统的结构示意图。

具体实施方式

本实施例中，参照图3所示，淬火冷却监控系统，包括水冷系统2﹑热交换系统1和控制系统3，及设置在水冷系统2和热交换系统1之间的顺时针布局的冷输送管4和热输送管5，及设置在冷输送管4上用于检测冷却液温度的冷端测温计41，及设置在热输送管5上顺时针布局的流量计51﹑热端测温计52和水泵53；所述热交换系统1内设置有充气压力计14﹑对流风叶12和热交换器13，对流风叶12扇动气流把工件11上的热量吹送到热交换器13上，冷却液把热交换器13上的热量吸收带走；所述热交换系统1外设置有对流风叶电机54，对流风叶电机54与对流风叶12驱动连接，对流风叶电机54与控制系统3电性连接，控制系统3实时控制对流风叶电机54的转速进而控制对流风叶12对工件11的散热；所述充气压力计14与控制系统3电性连接，控制系统3实时测量热交换系统1内的实时压力，可以通过调节压力以实现对冷却速度的控制。

其中，所述流量计51也可以设置在冷输送管4上，实时反馈冷输送管4内冷却液的流量至控制系统3。

其中，所述冷端测温计41与控制系统3电性连接，实时反馈冷输送管4输送的冷却液的温度至控制系统3。

其中，所述流量计51与控制系统3电性连接，实时反馈热输送管5输送的冷却液的流量至控制系统3。

其中，所述热端测温计52与控制系统3电性连接，实时反馈热输送管5输送的冷却液的温度到控制系统3。

其中，所述水泵53与控制系统3电性连接，控制系统3根据冷端测温计41﹑流量计51﹑热端测温计52和充气压力计14反馈回来的实时测量信息进行计算和记录，并发出对应的实时控制信号，控制对流风叶电机54﹑水泵电机和水冷系统电机的实时转速和热交换系统1内气体压力；所述控制系统3收集的实时测量信息显示给操控者，方便操控者了解冷端测温计41﹑流量计51﹑热端测温计52和充气压力计14实时工作状态及本淬火冷却系统的效能。

其中，设热交换器13冷端温度为T，热端温度为τ；

          水的比热容为C水，钢的比热容为C钢；

          在单位时间（如1秒）里，流出或流入热交换器13的水质量为δ_水（可在流量计51测出）；

被加热的钢铁零件的质量为M；

        那么，在t₁时刻，热电偶测得热交换器13的冷端温度为T₁，热端温度为τ₁；

      在t₂时刻，热电偶测得热交换器13的冷端温度为T₂，热端温度为τ₂；

      …

      在t_n时刻，热电偶测得热交换器13的冷端温度为T_n，热端温度为τ_n；

则在t₁时刻单位时间里，通过热交换器13带走的热量Q₁为：

      Q₁=C_水*δ_水*（τ₁- T₁）

  在t₂时刻单位时间里，通过热交换器13带走的热量Q₂为：

      Q₂=C_水*δ_水*（τ₂- T₂）

   …

  在t_n时刻单位时间里，通过热交换器13带走的热量Q_n为：

      Q_n=C_水*δ_水*（τ_n - T_n）

那么，在t₁至t_n时间里，被热交换器13带走的总热量为：

      Q(t₁, t_n)= Q₁+Q₂+…+ Q_n

       = C_水*δ_水 ﹝（τ₁+τ₂+…+τ_n）-（T₁+ T₂+…+ T_n）﹞

      Q(t₁, t_n)即是真空炉系统的总热量在冷却过程中随时间的变化，可以定义为Q（t），

即    Q（t）= Q(t₁, t_n)=∑Q_i(i=1,n)

热量Q（t）来自于真空炉中被加热材料的热量转移，可以转换为被加热的钢铁零件的温度降低ΔT：

在t₀时刻，钢铁零件的温度为T₀

在t_n时刻，钢铁零件的温度为T_n

则有     Q（t）（t₀，t_n）= C_钢*M*（T₀-T_n）

可以进一步表达为在t时刻的热量转移Q（t）与零件温度T的关系：

         Q（t）= C_钢*M*（T₀-T）

钢铁零件冷却到t时刻的温度T的关系表达为：

         T= T₀- Q（t）/ C_钢*M，在时刻t的钢铁零件的温度(见图1)      （1）

对（1）取一次导数，即可得到真空炉中钢铁零件的冷却速度：

         dT／dt=-d Q（t）／(C_钢*M) d_t                               （2）

即：     ΔT = -ΔQ ／(C_钢*M)                                      （3）

公式（3）物理意义是：单位时间的炉中零件温度变化量ΔT与可测的热量转移变化量ΔQ 呈线性关系，并与零件材料的物性系数C钢以及零件的质量M 相关，等式右边的负号表示放热过程（Q<0）；其中，对所使用的真空炉冷却装置与炉内工件11温度之间的定量关系要进行一次标定，获得校正系数k ，即得到式（4）：

     ΔT = - k ΔQ ／(C_钢*M)                                       （4）

        在实际应用中，对时刻t所对应的q(t)的监测，可推算出零件在该时刻的温度及其组织形态（其关系如图1和图2所示）；在钢铁零件的淬火冷却过程中，通常在高温阶段（如500℃以上，依材料而异）需要较高的冷却速度，以满足相变的动力学要求；但在较低的温度段，则需要较慢的冷却速度，其主要原因是减少变形并缓和内部应力，避免因组织剧烈转变造成应力开裂。

图1与图2即是生产过程中经常用到的曲线形式，它们反映的是材料的连续冷却曲线与材料热处理品质的相关性，即对材料的组织与性能控制具有决定性的作用。

通过由冷端测温计41﹑热端测温计52﹑流量计51﹑充气压力计14﹑计算机及相关软件组成的监控仪器，对真空炉的淬火冷却过程进行图1或图2的函数数据进行在线测量与对照，实现零件热处理过程的质量监测与控制；根据所测定的函数数据的变化趋势，通过PID调节器对冷却过程进行干预，以期达到（符合）所要求的组织形态或品质。

其工作原理为：1）﹑加热完成的工件11放置于热交换系统1中，启动控制系统3﹑对流风叶电机54﹑水泵53和水冷系统2，水泵53驱动冷却液流动；2）﹑冷却液输送到冷端测温计41，冷端测温计41测量冷却液的实时温度并反馈至控制系统3；3）﹑冷却液输送到热交换器13，对流风叶12扇动气流把工件11上的热量吹送到热交换器13上，冷却液把热交换器13上的热量吸收随冷却液的输送而被带走；4）﹑冷却液输送到流量计51和热端测温计52，流量计51与热端测温计52分别测量吸收热量后冷却液的实时流量和实时温度并反馈至控制系统3；5）﹑充气压力计14实时测量热交换系统1内的充气压力，并实时反馈热交换系统1内的实时充气压力至控制系统3；6）﹑控制系统3根据冷端测温计41﹑流量计51﹑热端测温计52和充气压力计14分别反馈的测量值向操控者显示或供控制系统3进行计算并记录，控制系统3根据计算结果发出控制信号控制对流风叶电机54﹑水泵电机和水冷系统电机的实时转速和热交换系统1内气体压力或者按控制系统3预先设定的参数（或函数关系）对对流风叶电机54﹑水泵电机和水冷系统电机的实时转速和热交换系统1内气体压力进行调节；7）﹑冷却液输送到水泵53，水泵53驱动冷却液向水冷系统2输送；8）﹑冷却液输送到水冷系统2后，水冷系统2对吸收热量后的冷却液进行降温处理；往复至步骤2）。

本发明的淬火冷却监控系统，包括水冷系统﹑热交换系统和控制系统，及设置在水冷系统和热交换系统之间的顺时针布局的冷输送管和热输送管，及设置在冷输送管上用于检测冷却液温度的冷端测温计，及设置在热输送管上顺时针布局的流量计﹑热端测温计和水泵。冷端测温计，流量计﹑热端测温计和水泵电机和对流风叶电机与控制系统电性连接，控制系统根据冷端测温计﹑流量计﹑热端测温计和充气压力计反馈回来的实时测量信息进行计算和记录，并发出对应的实时控制信号，控制对流风叶电机﹑水泵电机﹑水冷系统电机的实时转速和热交换系统内气体压力，实现对冷却能力的调节；所述控制系统收集的实时测量信息显示给操控者，方便操控者了解冷端测温计﹑流量计﹑热端测温计和充气压力计实时工作状态及本淬火冷却系统的效能并作出相应的控制或处理，使冷却过程得以检测和调控,改进了冷却监控能力，解决了不能安装温度计的问题。本发明即可以实施冷却过程的在线监测功能，其监测数据可以作为热处理加工后品质判断的依据；当然，它也可以作为真空炉定期检测冷却能力的设备。本发明还可以作为真空炉研究设计的有效工具，达到高效节能的目的，都是符合当今技术发展潮流的。此外，本发明进一步的功能提升是实现对真空炉冷却过程中的实时监测与控制。监测是指对淬火冷却过程的冷却速度进行测量和记录；控制是指根据冷却速度的测量，将测量结果与预设的结果或函数作比较，在有偏差时自动调整冷却速度，实现预设的冷却特性，以保证热处理加工后得到合格品质的产品。具有此功能的真空炉具有了信息化与智能化的特征，对于保证产品的热处理质量具有重大工程意义。

上述实施实例，只是本发明的一个实例，并不是用来限制本发明的实施与权利范围，凡与本发明权利要求所述内容相同或等同的技术方案，均应包括在本发明保护范围内。

Claims (8)

1.一种淬火冷却监控系统，其特征在于：包括水冷系统﹑热交换系统和控制系统，及设置在水冷系统和热交换系统之间的顺时针布局的冷输送管和热输送管，及设置在冷输送管上用于检测冷却液温度的冷端测温计，及设置在热输送管上顺时针布局的流量计﹑热端测温计和水泵；所述热交换系统内设置有充气压力计﹑对流风叶和热交换器，对流风叶扇动气流把工件上的热量吹送到热交换器上，冷却液把热交换器上的热量吸收带走；所述热交换系统外设置有对流风叶电机，对流风叶电机与对流风叶驱动连接，对流风叶电机与控制系统电性连接，控制系统实时控制对流风叶电机的转速进而控制对流风叶对工件的散热；所述充气压力计与控制系统电性连接，控制系统实时测量热交换系统内的实时压力，以实现对冷却速度的控制。

2.根据权利要求1所述的淬火冷却监控系统，其特征在于：所述流量计也可以设置在冷输送管上，实时反馈冷输送管内冷却液的流量至控制系统。

3.根据权利要求1所述的淬火冷却监控系统，其特征在于：所述冷端测温计与控制系统电性连接，实时反馈冷输送管输送的冷却液的温度至控制系统。

4.根据权利要求1所述的淬火冷却监控系统，其特征在于：所述流量计与控制系统电性连接，实时反馈热输送管输送的冷却液的流量至控制系统。

5.根据权利要求1所述的淬火冷却监控系统，其特征在于：所述热端测温计与控制系统电性连接，实时反馈热输送管输送的冷却液的温度到控制系统。

6.根据权利要求1至5中任一权利要求所述的淬火冷却监控系统，其特征在于：所述水泵与控制系统电性连接，控制系统根据冷端测温计﹑流量计﹑热端测温计和充气压力计反馈回来的实时测量信息进行计算和记录，并发出对应的实时控制信号，控制对流风叶电机﹑水泵电机和水冷系统电机的实时转速和热交换系统内气体压力；所述控制系统收集的实时测量信息显示给操控者，方便操控者了解冷端测温计﹑流量计﹑热端测温计和充气压力计实时工作状态及本淬火冷却系统的效能。

7.根据权利要求1至6中任一权利要求所述的淬火冷却监控系统，其特征在于：

     设热交换器冷端温度为T，热端温度为τ；

     水的比热容为C_水，钢的比热容为C_钢；

     在单位时间（如1秒）里，流出或流入热交换器的水质量为δ_水（可在流量计上测出）；

被加热的钢铁零件的质量为M；

      那么，在t₁时刻，热电偶测得热交换器的冷端温度为T₁，热端温度为τ₁；

      在t₂时刻，热电偶测得热交换器的冷端温度为T₂，热端温度为τ₂；

      …

      在t_n时刻，热电偶测得热交换器的冷端温度为T_n，热端温度为τ_n；

则在t₁时刻单位时间里，通过热交换器带走的热量Q₁为：

      Q₁=C_水×δ_水×（τ₁- T₁）

     在t₂时刻单位时间里，通过热交换器带走的热量Q₂为：

      Q₂=C_水×δ_水×（τ₂- T₂）

   …

  在t_n时刻单位时间里，通过热交换器带走的热量Q_n为：

      Q_n=C_水×δ_水×（τ_n - T_n）

那么，在t₁至t_n时间里，被热交换器带走的总热量为：

      Q(t₁, t_n)= Q₁+Q₂+…+ Q_n

       = C_水×δ_水 ﹝（τ₁+τ₂+…+τ_n）-（T₁+ T₂+…+ T_n）﹞

      Q(t₁, t_n)即是真空炉系统的总热量在冷却过程中随时间的变化，可以定义为Q（t），

即    Q（t）= Q(t₁, t_n)=∑Q_i(i=1,n)

热量Q（t）来自于真空炉中被加热材料的热量转移，可以转换为被加热的钢铁零件的温度降低ΔT：

在t₀时刻，钢铁零件的温度为T₀

在t_n时刻，钢铁零件的温度为T_n

则有     Q（t）（t₀，t_n）= C_钢×M×（T₀-T_n）

可以进一步表达为在t时刻的热量转移Q（t）与零件温度T的关系：

    Q（t）= C_钢×M×（T₀-T）

钢铁零件冷却到t时刻的温度T的关系表达为：

    T= T₀- Q（t）/ C_钢×M，在时刻t的钢铁零件的温度(见图1)      （1）

对（1）取一次导数，即可得到真空炉中钢铁零件的冷却速度：

     dT／dt=-d Q（t）／(C_钢×M) dt                                           （2）

即：ΔT = -ΔQ ／(C_钢×M)                                                   （3）

        公式（3）物理意义是：单位时间的炉中零件温度变化量ΔT与可测的热量转移变化量ΔQ 呈线性关系，并与零件材料的物性系数C_钢以及零件的质量M 相关，等式右边的负号表示放热过程（Q<0）；其中，对所使用的真空炉冷却装置与炉内工件温度之间的定量关系要进行一次标定，获得校正系数k ，即得到式（4）：                                        

      ΔT = - k ΔQ ／(C_钢×M)                                                （4）

      在实际应用中，对时刻t所对应的Q(t)的监测，可推算出零件在该时刻的温度及其组织形态（其关系如图1和图2所示）；其实施冷却过程的在线监测功能，其监测数据可以作为品质判断的依据，并作为真空炉定期检测冷却能力的设备；将测量结果与预设的结果或函数作比较，在有偏差时自动调整冷却速度，实现预设的冷却特性。

8.根据权利要求1至7中任一权利要求所述的淬火冷却监控系统，其特征在于：其工作原理为：1）﹑加热完成的工件放置于热交换系统中，启动控制系统﹑对流风叶电机﹑水泵电机和水冷系统电机，水泵驱动冷却液流动；2）﹑冷却液输送到冷端测温计，冷端测温计测量冷却液的实时温度并反馈至控制系统；3）﹑冷却液输送到热交换器，对流风叶扇动气流把工件上的热量吹送到热交换器上，冷却液把热交换器上的热量吸收随冷却液的输送而被带走；4）﹑冷却液输送到流量计和热端测温计，流量计与热端测温计分别测量吸收热量后冷却液的实时流量和实时温度并反馈至控制系统；5）﹑充气压力计实时测量热交换系统内的充气压力，并实时反馈热交换系统内的实时充气压力至控制系统；6）﹑控制系统根据冷端测温计﹑流量计﹑热端测温计和充气压力计分别反馈的测量值向操控者显示或供控制系统进行计算并记录，控制系统根据计算结果发出控制信号控制对流风叶电机﹑水泵电机和水冷系统电机的实时转速和热交换系统内气体压力或者按控制系统预先设定的参数（函数关系）对对流风叶电机﹑水泵电机和水冷系统电机的实时转速和热交换系统内气体压力进行调节；7）﹑冷却液输送到水泵，水泵驱动冷却液向水冷系统输送；8）﹑冷却液输送到水冷系统后，水冷系统对吸收热量后的冷却液进行降温处理；往复至步骤2）。

Images