CN105838869A - 一种钢板淬火炉加热工艺在线调整方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钢板淬火炉加热工艺在线调整方法，其包括步骤：获取热处理的保温温度修正量；根据保温温度修正量，采用时间温度等效模型，计算与经过修正的保温温度对应的保温时间，以使钢板奥氏体化累积程度不变；根据保温时间和标准热处理工艺给定的加热时间，计算钢板的运行速度；在标准热处理工艺的基础上，根据经过修正的保温温度和保温时间，确定各段的炉温设定值；将钢板的运行速度和各段的炉温设定值传输给控制器进行控制。本发明所述的钢板淬火炉加热工艺在线调整方法能够在标准热处理工艺的基础上，针对钢板的不同品种规格，准确地在线调整热处理的加热工艺参数，以获得优化的加热工艺参数，从而提升热处理的质量和提高热处理的产量。

Description

一种钢板淬火炉加热工艺在线调整方法

技术领域

本发明涉及一种用于钢板的在线调整方法，尤其涉及一种用于钢板加热工艺的在线调整方法。

背景技术

热处理工艺是制造高附加值重要用途钢板(例如，低温压力容器板，电厂锅炉板，工程机械用钢板，耐磨钢板及不锈钢板等)的必要手段，这些钢板产品必须通过热处理设施处理后才能够生产制造出来。淬火炉是热处理工艺的核心设备，其被用于钢板的加热，对于温度和时间的控制精度有较高的要求。先进的淬火炉控制都配置有计算机模型控制系统，整个热处理过程均采用计算机系统自动控制，从钢板的装炉到加热完成后出炉的整个过程都是由计算机自动控制的。只要热处理钢板的数据输入到计算机系统中，热处理炉就会按照计算机的设定自动将炉温调整到要求的温度，同时辊道自动调整到满足加热时间所需的运行速度。

对于计算机模型控制而言，钢板的热处理工艺涉及到热处理炉的保温温度和保温时间。这两项参数由计划下达，计算机模型根据计划下达的目标值，对加热过程进行控制。在实际生产过程中，有时需要针对特定的钢种或某一规格的钢种，设定修正保温温度和保温时间，然而，由于缺乏模型运算手段，只能凭借经验进行试凑。采用这种方法很难建立加热时间和加热温度之间的规律关系，也难以获得由计算机模型自动给出最佳的过程控制量。

众所周知，通过淬火炉加热钢板的目的是获得使得钢板均匀的奥氏体组织，为后续的冷却做好微观组织上的准备。钢板的奥氏体化过程共有四个阶段：(1)形成奥氏体的晶核；(2)奥氏体晶核的长大；(3)残余渗碳体的溶解；(4)奥氏体成分的均匀化。这四个阶段的完成与加热温度和加热时间密切相关。温度高，完成时间短；温度低，完成时间长。

在实际生产中，应用高温扩散规律、热传导模型规律以及在线调整加热工艺参数是具有实际意义的。例如：有些规格的钢种，在加热能力允许的情况下，为了最大限度发挥热处理炉的能力，需要适当提高保温温度，缩短钢板在炉内总的加热时间。不管是降低保温温度还是缩短在炉时间，都要求同时改变钢板的加热温度和在炉时间，以计算出调整后工艺对应的控制设定值。现有的方法主要是依靠经验，通过试凑的方法来摸索优化的加热工艺。这种方法的缺点是：周期长，降低产线的生产效率；可靠性差，降低产线的生产质量。因此，企业期望获得一种能够在线及时调整热处理过程中的工艺参数的方法。

公开号为CN1030149A，公开日为1989年1月4日，名称为“工件热处理"零保温"点微机测控装置”的中国专利文献公开了一种用来准确确定工件淬火前在加热炉中所需加热时间的微机检测与控制装置。工件淬火前在炉中所需加热时间是通过间接测量炉内热平衡状态参数，由微机按工件热处理“零保温”理论和热传导理论推导出来的数学模型进行运算处理而实时确定的。该专利文献所公开的装置不具备热处理加热工艺的在线调整功能。

公开号为CN1160083A，公开日为1997年9月24日，名称为“热处理加热时间的自动确定及控制方法”的中国专利文献公开了一种热处理加热时间的自动确定及控制方法，其是在电炉中加热工件时，采用微机连续测定通电时间t1和断电时间t2，当t2、t1或t2/t1值连续稳定时，则工件达到透热，根据此来确定工件出炉时刻。该专利文献所记载的技术方案并不涉及热处理工艺的优化。

发明内容

本发明的目的是提供一种钢板淬火炉加热工艺在线调整方法，该方法可以在线及时地调整热处理的工艺参数，通过在线动态控制来快速地确定热处理的最佳工艺参数。采用本发明所述的钢板淬火炉加热工艺在线调整方法后能够对于钢板的生产制造工艺进行优化，以确保钢板的加热质量，从而有利地改善钢板产品的质量，并降低生产线的能源消耗。此外，本发明的钢板淬火炉加热工艺在线调整方法能够准确地调整热处理的工艺参数，灵活性好，可靠性高。

为了实现上述目的，本发明提出了一种钢板淬火炉加热工艺在线调整方法，其包括如下步骤：

获取热处理的保温温度修正量；

根据保温温度修正量，采用时间温度等效模型，计算与经过修正的保温温度对应的保温时间，以使钢板奥氏体化累积程度不变；

根据保温时间和标准热处理工艺给定的加热时间，计算钢板的运行速度；

在标准热处理工艺的基础上，根据经过修正的保温温度和保温时间，确定各段的炉温设定值；

将钢板的运行速度和各段的炉温设定值传输给控制器进行控制。

在现有技术中，通常采用经验试凑的方法来获得最优化的加热工艺参数。然而，通过反复试凑所获得的加热工艺参数不仅所需周期长，可靠性低，而且反复试凑所需要的成本也很高，每一次试凑需要消耗大量的能源。

由于钢板的加热过程是一个热激活过程，从微观上来说，是一个受到原子扩散控制的过程，该过程的整个时间受到扩散规律和热传导规律的控制，因此，即便是加热温度不同，但是，若扩散结果相同，那么不同奥氏体化的加热温度下的累积程度就会接近。

鉴于此，本发明所述的钢板淬火炉加热工艺在线调整方法在保证钢板奥氏体累积程度接近的前提下，基于金属材料高温下的扩散规律和热传导规律，采用了时间温度等效模型，在标准加热工艺的基础上，根据保温温度修正量，通过计算机模型自动计算出优化的加热工艺参数，其包括保温温度、保温时间、钢板的运行速度以及各段的炉温设定值。

进一步地，在本发明所述的钢板淬火炉加热工艺在线调整方法中，上述时间温度等效模型为：

$t_{\mathrm{opt}}=t_s\·\exp [-\frac{Q}{R}\·(\frac{1}{T_s+273}-\frac{1}{T_{\mathrm{opt}}+273})]$

式中，t_opt为与经过修正的保温温度对应的保温时间，也即在热处理工艺中经过修正的保温时间，其单位为min，t_s为标准加热工艺的保温时间，其为可以获取的已知量，单位为min，T_s为标准加热工艺的保温温度，其为可以获取的已知量，单位为：℃，T_opt＝T_s+ΔT为修正后的保温温度，单位为：℃，ΔT为所述保温温度修正量；Q为扩散激活能，J/mol；R为气体常数8.3682J/g·mol·K。

进一步地，在本发明所述的钢板淬火炉加热工艺在线调整方法中，上述计算钢板的运行速度的模型为：

$V=\frac{L-l}{t_0+t_{\mathrm{opt}}}$

其中，L为淬火炉炉长，单位为m；l为钢板长度，单位为m；t₀为标准热处理工艺给定的加热时间，单位为min；t_opt为保温时间，单位为min。

进一步地，在本发明所述的钢板淬火炉加热工艺在线调整方法中，采用钢板温度模型，通过迭代计算的方法，确定各段的炉温设定值。

在标准热处理工艺的基础上，以修正后的保温温度、保温时间为最终目标，采用钢板温度模型，通过反复迭代计算的方法获得修正后的各段炉温设定值。

更进一步地，在本发明所述的钢板淬火炉加热工艺在线调整方法中，上述确定各段的炉温设定值的步骤包括：

(1)将钢板炉外放冷时的环境温度设为装入淬火炉时的钢板初始温度，将钢板的升温时间设为标准热处理工艺给定的加热时间t₀，将钢板升温结束的目标温度设为经过修正的保温温度T_opt；

(2)计算钢板在炉内的升温结束距离D：

$D=\frac{t_0}{t_0+t_{\mathrm{opt}}}(L-l)$

式中，l为钢板长度，单位为m，L为淬火炉长度，单位为m，t₀为升温时间，单位为min，t_opt为保温时间，单位为min；

(3)根据淬火炉每段的物理长度及升温结束距离D，采用逼近的方法使得D与各段长度之和l₁+l₂+.....+l_n最接近，以确定出升温控制段的段数n；

(4)根据初始炉温和钢板的初始温度，采用钢板温度模型，按照一定的时间步长，进行预报计算，获得升温结束距离D处的钢板平均温度计算该平均温度与目标温度T_opt的偏差其中初始炉温在首次预报计算时设为标准热处理工艺给定的炉温；

(5)将偏差ΔT'与一阈值ε进行比较：如果|ΔT'|≤ε，则将各升温控制段的炉温作为最终的炉温设定值；如果|ΔT'|＞ε，则更新各升温控制段的炉温作为初始炉温再次进行步骤(4)，直到满足|ΔT'|≤ε为止；其中感度η∈(0,1)，为上一次计算时采用的初始炉温，第一次迭代计算时，后续迭代计算时，迭代结束时获得的即为最终的炉温设定值。

更进一步地，在本发明所述的钢板淬火炉加热工艺在线调整方法中，上述钢板温度模型为：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{\∂f(x,t)}{\∂t}=a\·\frac{{\∂}^{2}f(x,t)}{\∂x^2}\\ f(x,0)=f_0\left(x\right)\\ \mathrm{\λ}\·\frac{\∂f}{\∂x}{|}_{x=\mathrm{\δ}}=q_{\mathrm{up}}\\ \mathrm{\λ}\·\frac{\∂f}{\∂x}{|}_{x=-\mathrm{\δ}}=q_{\mathrm{low}}\end{array}\right.$

其中：δ为板坯厚度的一半，单位为mm；λ为板坯导热系数；为导温系数，其中c为板坯的比热，ρ为板坯的密度；f₀(x)为钢板厚度方向的初始温度分布；q_up、q_low分别为钢板上、下表面的热流，其表达式分别为：

$q_{\mathrm{up}}={\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{up}}\·\mathrm{\σ}\·(T_{\mathrm{up}\_\mathrm{gas}}^4-f_{\mathrm{up}\_\mathrm{sur}}^4)$

$q_{\mathrm{low}}={\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{low}}\·\mathrm{\σ}\·(T_{\mathrm{low}\_\mathrm{gas}}^4-f_{\mathrm{low}\_\mathrm{sur}}^4)$

其中，T_{up_gas}为钢板所在位置上部的炉气温度；T_{low_gas}为钢板所在位置下部的炉气温度，是升温控制段的炉温；f_{up_sur}、f_{low_sur}分别为钢板上、下表面的温度，σ为玻尔兹曼物理常数，ε_up、ε_low分别为淬火炉上部和下部的综合辐射系数。上述各温度参量的单位均为℃。

上述钢板温度模型f(x,t)为标准的一维热传导方程。

分别表示淬火炉上部和下部的综合辐射系数ε_up和ε_low是通过埋偶实验确定的。

更进一步地，在本发明所述的钢板淬火炉加热工艺在线调整方法中，采用差分方法求解f(x,t)：

假设时间步长为Δt，钢板厚度为x，将钢板从下表面开始到上表面，划分为j＝1,2,3...N层，j＝1为第一层，即下表面，j＝N为最后一层，即上表面,Δx_j为j+1层和j层之间的距离，则根据初始时刻t钢板各层温度求得的t+Δt时刻的各层温度为：

$f_{t+\mathrm{\&Delta;t}}\left(j\right)=f_t\left(j\right)+a\&CenterDot;\mathrm{\&Delta;t}\&CenterDot;\left\{\frac{2}{{\left(\mathrm{\&Delta;x}\right)}_{j-1}+{\left(\mathrm{\&Delta;x}\right)}_j}\right[\frac{f_t(j+1)-f_t\left(j\right)}{{\left(\mathrm{\&Delta;x}\right)}_j}+\frac{f_t(j-1)-f_t\left(j\right)}{{\left(\mathrm{\&Delta;x}\right)}_{j-1}}\left]\right\};2\&le;j<N$

$f_{t+\mathrm{\&Delta;t}}\left(N\right)=f_t\left(N\right)+a\&CenterDot;\mathrm{\&Delta;t}\&CenterDot;\frac{2}{{\left(\mathrm{\&Delta;x}\right)}_{N-1}}\&CenterDot;[\frac{f_t(N-1)}{{\left(\mathrm{\&Delta;x}\right)}_{N-1}}+\frac{q_{\mathrm{up}}}{\mathrm{\&lambda;}}];j=N$

$f_{t+\mathrm{\&Delta;t}}\left(1\right)=f_t\left(1\right)+a\&CenterDot;\mathrm{\&Delta;t}\&CenterDot;\frac{2}{{\left(\mathrm{\&Delta;x}\right)}_1}\&CenterDot;[\frac{f_t\left(2\right)-f_t\left(1\right)}{{\left(\mathrm{\&Delta;x}\right)}_1}+\frac{q_{\mathrm{low}}}{\mathrm{\&lambda;}}];j=1$

其中，f_t(N)和f_t(1)分别为钢板上、下表面的温度；

由此可以得到钢板在t时刻的平均温度为：

$\stackrel{\&OverBar;}{f_t}=\frac{c_{P1}\&CenterDot;f_t\left(1\right)+c_{\mathrm{PN}}\&CenterDot;f_t\left(N\right)+\underset{j=2}{\overset{N-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}2\&CenterDot;c_{\mathrm{Pj}}\&CenterDot;f_t\left(j\right)}{c_{P1}+c_{\mathrm{PN}}+\underset{j=2}{\overset{N-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}2\&CenterDot;c_{\mathrm{Pj}}}$

其中，c_Pj为各层的比热；f_t(j)为板坯内部温度。

本发明所述的钢板淬火炉加热工艺在线调整方法能够在标准热处理工艺的基础上，针对淬火炉中加热钢板的不同品种规格，准确地在线调整热处理的加热工艺参数。

另外，本发明所述的钢板淬火炉加热工艺在线调整方法避免了反复试凑的实验方法，克服了周期长、成本高且能源消耗大等缺点，其灵活性好且可靠性高。

此外，本发明所述的钢板淬火炉加热工艺在线调整方法可以根据热处理工艺的生产需求，利用时间温度等效模型和钢板温度模型，快速准确地获得优化的加热工艺参数，以提升热处理的质量和提高热处理的产量。

附图说明

图1为本发明所述的钢板淬火炉加热工艺在线调整方法在一种实施方式下的工作流程图。

图2为本发明所述的钢板淬火炉加热工艺在线调整方法中的确定各段的炉温设定值(步骤4)的工作流程图。

具体实施方式

下面将结合说明书附图和具体的实施例对本发明所述的钢板淬火炉加热工艺在线调整方法做进一步的解释和说明，但是该解释和说明并不对本发明的技术方案构成不当限定。

图1示出了本发明所述的钢板淬火炉加热工艺在线调整方法在一种实施方式下的工作流程。

图2则示出了本发明所述的钢板淬火炉加热工艺在线调整方法中的确定各段炉温设定值(步骤4)的工作流程。

本实施例中以高强度中碳调质钢板为例，该钢板的化学成分质量分数(wt.％)为：C 0.47，Si 0.31，Mn 0.67，S 0.03，P 0.031，Cr 0.1，Ni 0.12，余量为铁和其他不可避免的杂质。钢板厚度x为30mm，钢板长度l为5m，淬火炉炉长L为60.11m，标准加热工艺的保温温度t_s为40min，标准加热工艺的保温温度T_s为840℃，标准加热工艺的钢板运行速度V₀为0.6m/min，升温时间t₀为52min，钢板在炉中的总的实际时间为92min。经过标准热处理后的钢板进行水淬后获得钢板产品的硬度为43HRC。

表1显示了与该钢板的材料密度和材料温度相关的钢板的热物性参数，本领域的技术人员可以根据材料密度和材料温度确定钢板的热物性参数。

表1.

序号	钢板温度/℃	密度ρ/kg/m3	比热c/J/(kg×K)	导热系数λ/J/(m×s×K)
					1	0	7863	469	51.1
2	50	7849	486	50.4
					3	100	7834	502	49.7
4	150	7819	519	47.5
					5	200	7803	544	46.1
6	250	7787	553	44.3
					7	300	7770	569	42.5
8	350	7753	595	41
					9	400	7736	628	38.5
10	450	7718	662	36.4
					11	500	7699	695	34.6
12	550	7679	745	32.8
					13	600	7659	787	31
14	650	7635	854	29.2
					15	700	7617	1139	27.4
16	750	7620	963	25.6
					17	800	7624	862	24.5
18	850	7616	812	23.4
					19	900	7600	653	23

在本实施例中，为了提高生产线的产能及产品质量，热处理的保温温度修正量ΔT设定为40℃。扩散激活能Q为180000J/mol，气体常数R为8.3682J/g·mol·K。根据淬火炉的状态，将综合辐射系数取值为1。

将上述已知的标准加热工艺的参数根据需要带入到以下实施方式的步骤中。

如图1和图2所示，在上述实施方式下的钢板淬火炉加热工艺在线调整方法包括如下步骤：

1)获取热处理的保温温度修正量ΔT，该保温温度修正量ΔT＝40℃；

2)根据保温温度修正量ΔT＝40℃，采用时间温度等效模型，计算与经过修正的保温温度对应的保温时间t_opt，以使钢板奥氏体化累积程度不变，采用该模型的计算过程为：

$t_{\mathrm{opt}}=t_s\&CenterDot;\exp [-\frac{Q}{R}\&CenterDot;(\frac{1}{T_s+273}-\frac{1}{T_{\mathrm{opt}}+273})]=40\&CenterDot;\exp [-\frac{180000}{8.3682}\&CenterDot;(\frac{1}{840+273}-\frac{1}{880+273})]=20.4588\min$

式中，t_s为标准加热工艺的保温时间，其为40min，T_s为标准加热工艺的保温温度，其为840℃，T_opt＝T_s+ΔT为修正后的保温温度，保温温度修正量ΔT为40℃，T_opt＝T_s+ΔT＝840+40＝880℃；Q为扩散激活能，其为180000J/mol；R为气体常数，其为8.3682J/g·mol·K；

3)根据保温时间t_opt＝20.4588min和标准热处理工艺给定的加热时间t₀＝52min，计算钢板的运行速度，通过以下模型来计算钢板的运行速度V：

$V=\frac{L-1}{t_0+t_{\mathrm{opt}}}=\frac{60.11-5}{52+20.4588}=0.76m/\min$

其中，L为淬火炉炉长，其为60.11m；l为钢板长度，其为5m；

4)在标准热处理工艺的基础上，根据经过修正的保温温度T_opt＝880℃和保温时间t_opt＝20.4588min，采用钢板温度模型，通过迭代计算的方法，确定各段的炉温设定值(如图2所示)，其具体过程为：

4a)将钢板炉外放冷时的环境温度25℃设为装入淬火炉时的钢板初始温度，将钢板的升温时间设为标准热处理工艺给定的加热时间t₀，即升温时间为52min，将钢板升温结束的目标温度设为经过修正的保温温度T_opt＝880℃；

4b)计算钢板在炉内的升温结束距离D：

$D=\frac{t_0}{t_0+t_{\mathrm{opt}}}(L-l)=\frac{52}{52+20.4588}(60.11-5)=39.55m$

式中，l为钢板长度，其为5m，L为淬火炉长度，其60.11为m，t₀为升温时间，其为52min，t_opt为保温时间，其为20.4588min；

4c)根据淬火炉每段的物理长度及升温结束距离D＝39.55m，采用逼近的方法使得D与各段长度之和l₁+l₂+.....+l_n最接近，以确定出升温控制段的段数为n＝10；

4d)根据初始炉温和钢板的初始温度，采用钢板温度模型，按照一定的时间步长，进行预报计算，获得升温结束距离D处的钢板平均温度计算该平均温度与目标温度T_opt的偏差其中初始炉温在首次预报计算时为标准热处理工艺给定的炉温，其如表2第三行所示，其中，钢板温度模型为：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{\&PartialD;f(x,t)}{\&PartialD;t}=a\&CenterDot;\frac{{\&PartialD;}^{2}f(x,t)}{\&PartialD;x^2}\\ f(x,0)=f_0\left(x\right)\\ \mathrm{\&lambda;}\&CenterDot;\frac{\&PartialD;f}{\&PartialD;x}{|}_{x=\mathrm{\&delta;}}=q_{\mathrm{up}}\\ \mathrm{\&lambda;}\&CenterDot;\frac{\&PartialD;f}{\&PartialD;x}{|}_{x=-\mathrm{\&delta;}}=q_{\mathrm{low}}\end{array}\right.$

式中，δ为板坯厚度的一半，其为15mm；λ为板坯导热系数，其取值是本领域内技术人员已知的，可以根据表1索引获得；为导温系数，其中c为比热，其取值是本领域内技术人员已知的，可以根据表1索引获得，ρ为密度，其取值是本领域内技术人员已知的，可以根据表1索引获得的取值为；f₀(x)为钢板厚度方向的初始温度分布；q_up、q_low分别为钢板上、下表面的热流，其表达式分别为：

$q_{\mathrm{up}}={\mathrm{\&epsiv;}}_{\mathrm{up}}\&CenterDot;\mathrm{\&sigma;}\&CenterDot;(T_{\mathrm{up}\_\mathrm{gas}}^4-f_{\mathrm{up}\_\mathrm{sur}}^4)$

$q_{\mathrm{low}}={\mathrm{\&epsiv;}}_{\mathrm{low}}\&CenterDot;\mathrm{\&sigma;}\&CenterDot;(T_{\mathrm{low}\_\mathrm{gas}}^4-f_{\mathrm{low}\_\mathrm{sur}}^4)$

其中，T_{up_gas}为钢板所在位置上部的炉气温度，T_{low_gas}为钢板所在位置下部的炉气温度，是升温控制段的炉温；f_{up_sur}、f_{low_sur}分别为钢板上、下表面的温度，其为可以测得的值，σ为玻尔兹曼物理常数，其为1.3806505×10-23J/K，ε_up、ε_low分别为淬火炉上部和下部的综合辐射系数，其取值均为1；

利用差分方法求解f(x,t)，具体为：

假设时间步长为Δt为30s；钢板厚度为x＝30mm，将钢板从下表面开始到上表面，划分为j＝1,2,3...N层，j＝1为第一层，即下表面，j＝N为最后一层，即上表面,Δx_j为j+1层和j层之间的距离，则根据初始时刻t钢板各层温度求得的t+Δt时刻的各层温度为：

$f_{t+\mathrm{\&Delta;t}}\left(j\right)=f_t\left(j\right)+a\&CenterDot;\mathrm{\&Delta;t}\&CenterDot;\left\{\frac{2}{{\left(\mathrm{\&Delta;x}\right)}_{j-1}+{\left(\mathrm{\&Delta;x}\right)}_j}\right[\frac{f_t(j+1)-f_t\left(j\right)}{{\left(\mathrm{\&Delta;x}\right)}_j}+\frac{f_t(j-1)-f_t\left(j\right)}{{\left(\mathrm{\&Delta;x}\right)}_{j-1}}\left]\right\};2\&le;j<N$

$f_{t+\mathrm{\&Delta;t}}\left(N\right)=f_t\left(N\right)+a\&CenterDot;\mathrm{\&Delta;t}\&CenterDot;\frac{2}{{\left(\mathrm{\&Delta;x}\right)}_{N-1}}\&CenterDot;[\frac{f_t(N-1)}{{\left(\mathrm{\&Delta;x}\right)}_{N-1}}+\frac{q_{\mathrm{up}}}{\mathrm{\&lambda;}}];j=N$

$f_{t+\mathrm{\&Delta;t}}\left(1\right)=f_t\left(1\right)+a\&CenterDot;\mathrm{\&Delta;t}\&CenterDot;\frac{2}{{\left(\mathrm{\&Delta;x}\right)}_1}\&CenterDot;[\frac{f_t\left(2\right)-f_t\left(1\right)}{{\left(\mathrm{\&Delta;x}\right)}_1}+\frac{q_{\mathrm{low}}}{\mathrm{\&lambda;}}];j=1$

其中，f_t(N)和f_t(1)分别为钢板上、下表面的温度，也就是说，f_t(N)即为f_{up_sur}，而f_t(1)则即为f_{low_sur}；

由此可以得到钢板在t时刻的平均温度为：

$\stackrel{\&OverBar;}{f_t}=\frac{c_{P1}\&CenterDot;f_t\left(1\right)+c_{\mathrm{PN}}\&CenterDot;f_t\left(N\right)+\underset{j=2}{\overset{N-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}2\&CenterDot;c_{\mathrm{Pj}}\&CenterDot;f_t\left(j\right)}{c_{P1}+c_{\mathrm{PN}}+\underset{j=2}{\overset{N-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}2\&CenterDot;c_{\mathrm{Pj}}}$

其中，c_Pj为各层的比热，其根据钢板各层温度由表1索引获得，其对于本领域内技术人员是已知的；f_t(j)，j＝1,2,...N为板坯内部温度；

4e)将偏差ΔT'与一阈值ε(本实施例中取1)进行比较：如果|ΔT'|≤ε，则将各升温控制段的炉温(第一次迭代计算时，即为表2所示的标准工艺对应的设定炉温)；如果|ΔT'|＞ε，则更新各升温控制段的炉温作为初始炉温再次进行步骤(4d)，直到满足|ΔT'|≤ε为止；其中感度η∈(0,1),本实施例中取η＝0.5，为上一次计算时采用的初始炉温。

5)将钢板的运行速度V＝0.76m/min和经过上述步骤计算得到的调整后的各段的炉温设定值(详见表2.)传输给控制器进行控制，从而获得硬度为44.1HRC的钢板产品。

表2显示了本实施例中经过上述实施方式后所确定的各段的炉温设定值与标准加热工艺中的各段的炉温设定值的比较。

表2.

由表2可以看出，经调整后的各段的炉温设定值均高于标准加热工艺中的各段的炉温设定值，相应地，在炉内的保温时间就会大幅度地缩减，由原来的40min减少为20min左右，仅为标准加热工艺所需的保温时间的一半，从而也缩减了钢板在炉中总的时间。与此同时，钢板产品的硬度有所提升，进而提高了产线的钢板产品的质量。

需要注意的是，以上列举的仅为本发明的具体实施例，显然本发明不限于以上实施例，随之有着许多的类似变化。本领域的技术人员如果从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种钢板淬火炉加热工艺在线调整方法，其特征在于，包括步骤：

获取热处理的保温温度修正量；

根据所述保温温度修正量，采用时间温度等效模型，计算与经过修正的保温温度对应的保温时间，以使钢板奥氏体化累积程度不变；

根据所述保温时间和标准热处理工艺给定的加热时间，计算钢板的运行速度；

在标准热处理工艺的基础上，根据经过修正的保温温度、保温时间，确定各段的炉温设定值；

将所述钢板的运行速度和所述各段的炉温设定值传输给控制器进行控制。

2.如权利要求1所述的钢板淬火炉加热工艺在线调整方法，其特征在于，所述时间温度等效模型为：

$t_{\mathrm{opt}}=t_s\&CenterDot;\exp [-\frac{Q}{R}\&CenterDot;(\frac{1}{T_s+273}-\frac{1}{T_{\mathrm{opt}}+273})]$

式中，t_opt为与经过修正的保温温度对应的保温时间，单位为min，t_s为标准加热工艺的保温时间，单位为min，T_s为标准加热工艺的保温温度，单位为：℃，T_opt＝T_s+ΔT为修正后的保温温度，单位为：℃，ΔT为所述保温温度修正量；Q为扩散激活能，J/mol；R为气体常数8.3682J/g·mol·K。

3.如权利要求1所述的钢板淬火炉加热工艺在线调整方法，其特征在于，所述计算钢板的运行速度的模型为：

$V=\frac{L-l}{t_0+t_{\mathrm{opt}}}$

其中，L为淬火炉炉长，单位为m；l为钢板长度，单位为m；t₀为标准热处理工艺给定的加热时间，单位为min；t_opt为所述保温时间，单位为min。

4.如权利要求1所述的钢板淬火炉加热工艺在线调整方法，其特征在于，采用钢板温度模型，通过迭代计算的方法，确定所述各段的炉温设定值。

5.如权利要求4所述的钢板淬火炉加热工艺在线调整方法，其特征在于，所述确定各段的炉温设定值的步骤包括：

(1)将钢板炉外放冷时的环境温度设为装入淬火炉时的钢板初始温度，将钢板的升温时间设为标准热处理工艺给定的加热时间t₀，将钢板升温结束的目标温度设为经过修正的保温温度T_opt；

(2)计算钢板在炉内的升温结束距离D：

$D=\frac{t_0}{t_0+t_{\mathrm{opt}}}(L-l)$

式中，l为钢板长度，单位为m；L为淬火炉长度，单位为m；t₀为升温时间，单位为min；t_opt为保温时间，单位为min；

(3)根据淬火炉每段的物理长度及升温结束距离D，采用逼近的方法使得D与各段长度之和l₁+l₂+.....+l_n最接近，以确定出升温控制段的段数n；

(4)根据初始炉温和钢板的初始温度，采用钢板温度模型，按照一定的时间步长，进行预报计算，获得升温结束距离D处的钢板平均温度计算该平均温度与目标温度T_opt的偏差其中初始炉温在首次预报计算时设为标准热处理工艺给定的炉温；

(5)将偏差ΔT'与一阈值ε进行比较：如果|ΔT'|≤ε，则将各升温控制段的炉温作为最终的炉温设定值；如果|ΔT'|＞ε，则更新各升温控制段的炉温作为初始炉温再次进行步骤(4)，直到满足|ΔT'|≤ε为止；其中感度η∈(0,1)，为上一次计算时采用的初始炉温。

6.如权利要求5所述的钢板淬火炉加热工艺在线调整方法，其特征在于：所述钢板温度模型为：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{\&PartialD;f(x,t)}{\&PartialD;t}=a\&CenterDot;\frac{{\&PartialD;}^{2}f(x,t)}{{\&PartialD;x}^2}\\ f(x,0)=f_0\left(x\right)\\ \mathrm{\&lambda;}\&CenterDot;\frac{\&PartialD;f}{\&PartialD;x}{|}_{x=\mathrm{\&delta;}}=q_{\mathrm{up}}\\ \mathrm{\&lambda;}\&CenterDot;\frac{\&PartialD;f}{\&PartialD;x}{|}_{x=-\mathrm{\&delta;}}=q_{\mathrm{low}}\end{array}\right.$

其中：δ为板坯厚度的一半；λ为板坯导热系数；为导温系数，其中c为板坯的比热，ρ为板坯的密度；f₀(x)为钢板厚度方向的初始温度分布；q_up、q_low分别为钢板上、下表面的热流，其表达式分别为：

$q_{\mathrm{up}}={\mathrm{\&epsiv;}}_{\mathrm{up}}\&CenterDot;\mathrm{\&sigma;}\&CenterDot;(T_{\mathrm{up}\_\mathrm{gas}}^4-f_{\mathrm{up}\_\mathrm{sur}}^4)$

$q_{\mathrm{low}}={\mathrm{\&epsiv;}}_{\mathrm{low}}\&CenterDot;\mathrm{\&sigma;}\&CenterDot;(T_{\mathrm{low}\_\mathrm{gas}}^4-f_{\mathrm{low}\_\mathrm{sur}}^4)$

其中，T_{up_gas}为钢板所在位置上部的炉气温度；T_{low_gas}为钢板所在位置下部的炉气温度， 是升温控制段的炉温；f_{up_sur}、f_{low_sur}分别为钢板上、下表面的温度，σ为玻尔兹曼物理常数，ε_up、ε_low分别为淬火炉上部和下部的综合辐射系数。

7.如权利要求6所述的钢板淬火炉加热工艺在线调整方法，其特征在于，采用差分方法求解f(x,t)：

假设时间步长为Δt，钢板厚度为x，将钢板从下表面开始到上表面，划分为j＝1,2,3...N层，j＝1为第一层，即下表面，j＝N为最后一层，即上表面,Δx_j为j+1层和j层之间的距离，则根据初始时刻t钢板各层温度求得的t+Δt时刻的各层温度为：

$f_{t+\mathrm{\&Delta;t}}\left(j\right)=f_t\left(j\right)+a\&CenterDot;\mathrm{\&Delta;t}\&CenterDot;\left\{\frac{2}{{\left(\mathrm{\&Delta;x}\right)}_{j-1}+{\left(\mathrm{\&Delta;x}\right)}_j}\right[\frac{f_t(j+1)-f_t\left(j\right)}{{\left(\mathrm{\&Delta;x}\right)}_j}+\frac{f_t(j-1)-f_t\left(j\right)}{{\left(\mathrm{\&Delta;x}\right)}_{j-1}}\left]\right\};2\&le;j<N$

$f_{t+\mathrm{\&Delta;t}}\left(N\right)=f_t\left(N\right)+a\&CenterDot;\mathrm{\&Delta;t}\&CenterDot;\frac{2}{{\left(\mathrm{\&Delta;x}\right)}_{N-1}}\&CenterDot;[\frac{f_t(N-1)-f_t\left(N\right)}{{\left(\mathrm{\&Delta;x}\right)}_{N-1}}+\frac{q_{\mathrm{up}}}{\mathrm{\&lambda;}}];j=N$

$f_{t+\mathrm{\&Delta;t}}\left(1\right)=f_t\left(1\right)+a\&CenterDot;\mathrm{\&Delta;t}\&CenterDot;\frac{2}{{\left(\mathrm{\&Delta;x}\right)}_1}\&CenterDot;[\frac{f_t\left(2\right)-f_t\left(1\right)}{{\left(\mathrm{\&Delta;x}\right)}_1}+\frac{q_{\mathrm{low}}}{\mathrm{\&lambda;}}];j=1$

其中，f_t(N)和f_t(1)分别为钢板上、下表面的温度；

由此可以得到钢板在t时刻的平均温度为：

$\stackrel{\&OverBar;}{f_t}=\frac{c_{P1}\&CenterDot;f_t\left(1\right)+c_{\mathrm{PN}}\&CenterDot;f_t\left(N\right)+\underset{j=1}{\overset{N-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}2\&CenterDot;c_{\mathrm{Pj}}\&CenterDot;f_t\left(j\right)}{c_{P1}+c_{\mathrm{PN}}+\underset{j=2}{\overset{N-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}2\&CenterDot;c_{\mathrm{Pj}}}$

其中，c_Pj为各层的比热；f_t(j)为板坯内部温度。