CN113481361B - 一种用于差温加热工艺热处理炉的比例降温控制方法 - Google Patents

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Abstract

本方法属于热处理技术领域，具体涉及一种用于差温加热工艺热处理炉的比例降温控制方法。目前斜率降温的斜率过小容易金属超温，斜率过大又会延长生产周期；跳转降温的生产周期长。本发明利用金属温度参与炉气温度控制，并和控制系统原有的PID控温算法相结合，使得生产周期大大缩短，同时避免金属超温的风险。达到差温降温过程自动控制的效果，缩短生产周期，减小金属超温风险的目的。

Description

一种用于差温加热工艺热处理炉的比例降温控制方法
技术领域
本方法属于热处理技术领域，具体涉及一种用于差温加热工艺热处理炉的比例降温控制方法，用于加热或热处理设备在执行差温加热工艺时，对产品与炉气的自动温度控制。
背景技术
产品在进行加热或热处理时，根据产品材质不同，需要的加热或热处理工艺也随之不同，就炉气和产品(例：金属)温度的关系而言，大致可分为“等温加热”和“差温加热”两类。等温加热(图1)：加热过程中，(设定炉气温度等于金属目标温度)，炉气到温后保温直至金属温度达到目标温度要求，等温加热过程结束。差温加热：前期设定炉气温度大于金属目标温度，当检测金属温度达到某一温度时，设定炉气温度降至金属目标温度，当金属温度达到目标温度要求后，差温加热过程结束。企业为缩短生产周期，提高生产效率，多采用差温加热的工艺形式进行生产。当金属温度达到某一温度点时，需要降低炉气温度，避免金属温度超过目标温度。目前炉气降温的控制形式有斜率降温(图2)和跳转降温(图3)，斜率降温可以缩短生产周期，但存在较高的金属超温的风险，由于炉气温度高于金属目标温度，所以存在金属超温的风险，降温斜率不易确定，斜率过小容易金属超温，斜率过大又会延长生产周期，不利于提高生产效率；跳转降温可有效降低金属超温风险，但生产周期会延长。因此，需要研究一种方法既能满足避免金属超温的风险，又能缩短金属加热时间。
发明内容
本发明提出一种用于差温加热工艺热处理炉的比例降温控制方法，解决目前两种差温控制方式客观存在的生产效率与产品可靠性之间的矛盾。
本发明用于差温加热工艺热处理炉的比例降温控制方法,包括以下步骤：
S1、工艺启动，按照炉气初始设定温度TLI升温，同时确定降温比例β并计算出该工艺控制中的过程数据，即温差TC和拐点温度TS：
TC＝TLI-TGO
TS＝TGO-TC/β
其中TLI为炉气初始设定温度，TGO为金属目标温度；
S2、监测炉温，如果炉温未达到炉气初始设定温度TLI，重复步骤S2，如果炉温达到炉气初始设定温度TLI，执行下一步骤；
S3、炉气保温，金属升温，如果金属实时温度TG未达到所述拐点温度TS时，重复步骤S3，如果金属实时温度TG达到所述拐点温度TS时，执行下一步骤；
S4、开始比例降温，实时计算降温过程中的实时炉气目标温度TLT：
TLT＝TLI-(TG-TS)*β
按照计算得到的实时炉气目标温度TLT控制炉温，直到炉气实时目标温度TLT降至金属目标温度TGO后保温，当金属实时温度TG达到金属目标温度TGO时结束。
有利地，所述降温比例β基于金属目标温度TGO和温差TC，具有不同的取值范围。
有利地，当金属目标温度TGO≤200℃，且60℃≤温差TC≤80℃，4≤降温比例β≤6。
有利地，当200℃＜金属目标温度TGO≤300℃，且80℃≤温差TC≤100℃，5≤降温比例β≤8。
有利地，当300℃＜金属目标温度TGO≤450℃，且80℃≤温差TC≤120℃，6≤降温比例β≤10。
有利地，当450℃＜金属目标温度TGO≤550℃，且50℃≤温差TC≤100℃，8≤降温比例β≤12。
有利地，该方法通过可编程控制器进行控制。
有利地，加热及降温系统跟随实时炉气目标温度TLT调节输出。
有利地，该方法还对金属产品之外的其他产品进行比例降温控制。
本发明将炉气温度与金属温度结合，达到差温降温过程自动控制的效果，缩短生产周期，减小金属超温风险的目的。
有益效果：将这种工艺控制方法应用到加热或热处理炉控制系统中，利用金属温度参与炉气温度控制，并和控制系统原有的PID控温算法相结合，使得生产周期大大缩短，同时避免金属超温的风险。
此种工艺控制方法在可编程控制器内部编程完成，工艺运行过程无需人工干预，减轻了热处理人员的工作量。
此种控制方法已通过测试生产，比较等温加热工艺，生产周期缩短40％左右，比较传统差温加热，生产周期缩短20％以上。该工艺控制方法达到了提高生产效率的效果，效果曲线如图5所示。
附图说明
图1为常规等温加热的工艺曲线；
图2为常规差温加热斜率降温的工艺曲线；
图3为常规差温加热跳转降温的工艺曲线；
图4为本发明差温加热比例降温的工艺曲线；
图5为本发明方法的逻辑流程图；
图6为本发明实施例差温加热比例降温的工艺曲线。
具体实施方式
一、硬件配置
采用本方法的加热或热处理炉，基本配置要求如下：
1、加热系统、降温系统(直接掺入冷空气或采用换热器降温等方法)；
2、工艺控制采用可编程控制器完成，实现加热系统与降温系统的启停与切换，工艺设置由计算机人机界面进行输入设置；
3、在炉内安装有热电偶进行炉气温度的控制和检测，可编程控制器预留金属温度检测通道，生产时将金属检测热电偶接至该接口，以便采集金属温度，并对工艺进行控制。
二、控制方案
可编程控制器实时检测炉气温度和产品温度(金属温度)，通过内部的PID运算模块完成炉气升温、保温以及降温的过程控制。当可编程控制器检测到金属温度达到降温拐点时，控制系统自动进行炉气降温，在炉气降温过程中，炉气仍然高于金属目标温度，因此，降温过程金属仍然在升温，炉气降低的温度与金属在达到拐点后升高的温度成固定比例。
三、软件设置
1、工艺设置
需在人机界面中设置的工艺参数有：
(1)炉气初始设定温度
(2)金属目标温度
(3)降温比例
2、降温拐点的确定
拐点温度TS＝金属目标温度TGO-温差TC/降温比例β
温差TC＝炉气初始设定温度TLI-金属目标温度TGO
实时炉气目标温度TLT＝炉气初始设定温度TLI-(金属实时温度TG-拐点温度TS)*降温比例β
可编程控制中，通过对炉气和金属温度的实时监测，来进行工艺运行控制，金属温度升高至金属目标温度后结束工艺。
参见图5，本发明采用差温加热工艺进行比例降温控制在可编程控制器中编程完成。工艺控制逻辑流程图如下：
第一步：工艺启动，可编程控制器按照炉气初始设定温度TLI升温，同时计算出该工艺控制中的过程数据，即温差TC和拐点温度TS。如图6所示，工艺启动炉气快速升温至490℃，该实施例中降温比例β为8，同时计算出温差TC为100℃(计算过程为490℃-390℃)和拐点温度TS为377.5℃(计算过程为[390-(490-390)/8])。
第二步：炉温到达炉气初始设定温度TLI后保温，金属缓慢升温，直到金属实时温度TG达到拐点温度TS(图6中t1时刻)。
第三步：监测金属实时温度TG，计算降温过程中的实时炉气目标温度TLT(降温过程的实时炉气目标温度TLT＝炉气初始设定温度TLI-(金属实时温度TG-拐点温度TS)*降温比例β)，加热及降温系统跟随实时炉气目标温度TLT调节输出。如图6中所示实施例，t1-t4时刻炉气温度变化参见表1：
表1
Figure BDA0003133269920000051
Figure BDA0003133269920000061
第四步：炉气实时目标温度TLT降至金属目标温度后，在该温度下保温。
第五步：金属实时温度达到金属目标温度后，结束差温加热比例降温工艺。(根据产品工艺需求，工艺可进入保温、冷却等其他处理阶段)。
不同热处理工艺中差温及比例范围如表2：
表2
Figure BDA0003133269920000062
与图6实施例对应的各工艺段控制参数参见表3：
表3
Figure BDA0003133269920000063

Claims (4)

1.一种用于差温加热工艺热处理炉的比例降温控制方法,其特征在于，该方法包括以下步骤：
S1、工艺启动，按照炉气初始设定温度TLI升温，同时确定降温比例β并计算出该工艺控制中的过程数据，即温差TC和拐点温度TS：
TC＝TLI-TGO
TS＝TGO-TC/β
其中TLI为炉气初始设定温度，TGO为金属目标温度；
S2、监测炉温，如果炉温未达到炉气初始设定温度TLI，重复步骤S2，如果炉温达到炉气初始设定温度TLI，执行下一步骤；
S3、炉气保温，金属升温，如果金属实时温度TG未达到所述拐点温度TS时，重复步骤S3，如果金属实时温度TG达到所述拐点温度TS时，执行下一步骤；
S4、开始比例降温，实时计算降温过程中的实时炉气目标温度TLT：
TLT＝TLI-(TG-TS)*β
按照计算得到的实时炉气目标温度TLT控制炉温，直到炉气实时目标温度TLT降至金属目标温度TGO后保温，当金属实时温度TG达到金属目标温度TGO时结束；
所述降温比例β基于金属目标温度TGO和温差TC，具有不同的取值范围，当金属目标温度TGO≤200℃，且60℃≤温差TC≤80℃，4≤降温比例β≤6；当200℃＜金属目标温度TGO≤300℃，且80℃≤温差TC≤100℃，5≤降温比例β≤8；当300℃＜金属目标温度TGO≤450℃，且80℃≤温差TC≤120℃，6≤降温比例β≤10；当450℃＜金属目标温度TGO≤550℃，且50℃≤温差TC≤100℃，8≤降温比例β≤12。
2.根据权利要求1所述的比例降温控制方法,其特征在于：该方法通过可编程控制器进行控制。
3.根据权利要求1所述的比例降温控制方法,其特征在于：加热及降温系统跟随实时炉气目标温度TLT调节输出。
4.根据权利要求1所述的比例降温控制方法,其特征在于：该方法还对金属产品之外的其他产品进行比例降温控制。
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