CN1731132A - 一种在金属板带试样热处理试验中消除温度梯度的方法 - Google Patents

Abstract

一种在金属板带试样热处理试验中消除温度梯度的方法，其特征是在直接电阻加热方式的基础上，增加红外辐射加热方式，在试样的上下、接近夹具的两侧，分别安装红外加热装置，利用红外加热装置的红外辐射能量弥补试样两端由于热传导而散失的热量，对直接电阻加热和红外辐射加热分别进行控制。在金属板带试样热处理试验中，采用本发明的方法，可以用红外辐射加热来弥补因热传导而散失的热量，从而大大增加试样的均温区长度，消除或减少均温区较大的温度梯度，因此可以提高试验精度，缩小整体试验装置的体积，降低试验装置的生产成本。

Description

一种在金属板带试样热处理试验中消除温度梯度的方法

技术领域

本发明涉及金属热处理技术领域，具体涉及在金属板带试样热处理试验中消除温度梯度的方法。

背景技术

目前，许多材料物理模拟设备如热力模拟实验机、冷轧带钢连续退火模拟实验机等，为了达到金属快速加热的目的，通常采用直接电阻加热方式，即利用加热变压器给试样提供一定电压，使大电流通过试样，利用试样自身电阻达到加热目的。由于试样被夹于两个通水冷却的夹具之间，因热传导的缘故，容易产生较大的温度梯度 $\mathrm{\ΔT}={\left(\frac{2x}{L}\right)}^2(T_{\max }-T_0),$ 如图3所示，用来研究材料性能和采集数据的均温区，是相对的概念，同样存在温度梯度。在热力模拟实验机上试验时，一般是在允许的温度梯度下(如ΔT＝±10℃)，来决定均温区的程度(如10mm)。在冷轧带钢连续退火模拟实验机试验时，经常要求对热处理后的板试样进行冲压性能测试试验，按照国家标准规定，进行冲压性能测试试验的板试样最小尺寸为300×300mm，这样要求在冷轧带钢连续退火模拟实验机试验时，其试样的均温区长度至少达到300mm，为达到该目的，只有增加试样的长度，如在允许的温度梯度ΔT＝±50℃时，试样的长度要达到1200mm，在允许的温度梯度ΔT＝±20℃时，试样的长度要达到1800mm；然而试验需要在真空或一定保护性气氛中进行，试样长度增大后，操作箱及整体设备体积增大，加大设备的造价，增加了试验成本；即使这样，均温区的温度梯度仍然比较大，影响试验的准确性。如奥钢联公司生产的带钢连续退火模拟实验机，允许试样最大长度为600mm，均温区长度难以达到冲压性能测试试验要求，只能进行板带材的组织性能测试试验等，而且整体设备十分庞大，价格高昂。

发明内容

针对金属板带试样热处理试验方法中存在的温度梯度问题，本发明提供一种在金属板带试样热处理试验中消除温度梯度的方法。

本发明方法是在直接电阻加热为主要加热方式的基础上，引入红外辐射加热为辅助加热手段，并分别进行加热控制。

如图1、图2所示，将具有一定长度、宽度的带钢试样1的两端紧紧夹在夹具2上，夹具通过铜排与加热变压器3的副级相连，形成电路回路，在该回路中试样1的电阻最大，试样1利用其自身电阻在大电流通过时而产生热量，温度可以快速升高。可控硅4安装在加热变压器3的原侧，用来调节原侧的电压，从而控制加热变压器3的副级输出电压的大小，最终控制试样1的温度和加热速度。

本发明中试样的主要加热能源由上述直接电阻加热方式来提供。这种加热进行独立控制。以试验要求的加热温度为设定温度或目标温度，试样中心点O点的实际温度T0(用热电偶来测量)为实际温度或反馈温度，进行比较后经PID运算，控制可控硅4的导通角，从而控制加热变压器3副级的电压输出，最终控制试样1的中心点O点的实际温度T0按试验要求进行变化。

在试样1的上下、接近夹具的两侧，分别安装红外加热装置5、6、7、8，其中红外加热装置5、6在试样的左端并上下对称，红外加热装置7、8在试样的右端并上下对称，红外加热装置5、6、7、8最外沿离夹具2的距离为20～200mm，红外加热装置5、6、7、8具有相同的结构，由具有抛物线截面的反射罩10和红外发光灯管9组成，红外发光灯管9安装在反射罩10的焦点处，这样红外发光灯管9发出的光线和经反射后的光线都集中在反射罩10的开口处宽度范围内，即在试样1的两端都有一定长度的范围内能接收红外光线的辐射；这一长度(或反射罩10的开口处宽度)可以确定在20～100mm之间。反射罩10开口处离试样1的表面距离为50～300mm。

红外辐射加热作为辅助加热手段，来弥补试样1由于往两端温度较低的夹具2热传导而散失的热量，相对于试样1整体发热所需热量，由热传导而散失的热量比较少，完全可以用红外辐射加热来弥补。红外辐射加热和电阻直接加热都能达到使金属快速加热的目的，两种加热方式可以互相匹配。

红外辐射加热通过控制红外发光灯管的电压来控制温度变化。本发明中的红外辐射辅助加热也是独立控制的。与直接电阻加热的主要加热手段的控制方法不同，红外辐射辅助加热的控制，以实际测量的试样中心点O点的实际温度T₀为设定温度或目标温度，以试样两端辐射区中心点A点或B点的温度T_A或T_B为实际温度或反馈温度，进行比较后经PID运算，控制红外发光灯管回路中可控硅的导通角，从而控制施加在红外发光灯管上的电压，最终控制试样1的A点或B点的实际温度T_A或T_B与试样1的中心点温度T₀保持相同。

红外加热装置5、6、7、8相对于试样1的平面，可以是垂直安装，也可以如图2所示呈一定的倾斜角度对称安装，角度可以是45°～90°。由热传导学可知，单位时间内在试样1的某截面所传导的热量为 $Q=-\mathrm{kA}\frac{\∂T}{\∂x}$ (其中k为试样材料的传热系数，A为截面积)，因此，沿试样长度方向所传导的热量大小与温度梯度分布相同；而在没有红外辐射加热时，温度梯度为 $\frac{\∂T}{\∂x}=(T_{\max }-T_0)\frac{4}{L}x$ 。如图3所示，有效长度为L的试样1被紧紧夹在两端的夹具2上，夹具2与试样1接触处的温度为T₀，离试样中心点距离为x处的温度为T，试样1的中心点温度为T_max＝T+ΔT，试样中间有黑影的区域为均温区12。离夹具越近处，温度梯度越大，所传导的热量越多；红外加热装置5、6、7、8与板带钢试样1的平面呈一定的倾斜角度对称安装后，经红外辐射后试样接收的热量分布，与热传导所散失的热量分布相似。

在金属板带热处理试验中，采用本发明的直接电阻加热为主、红外辐射加热为辅的加热方式，并采用本发明的红外辐射加热的控制方法，可以用红外辐射加热来弥补因热传导而散失的热量，使试样1中的A、B、O点温度相同或相差不大，从而大大增加了试样的均温区长度，消除了或减少了均温区较大的温度梯度，因此可以提高试验精度，缩小整体试验装置的体积，降低试验装置的生产成本。

附图说明

图1和图2是本发明的组合加热方式示意图，图1中红外加热装置相对于试样的平面是垂直布置，图2中红外加热装置相对于试样的平面呈一定倾斜角度布置。

图3是直接电阻加热时温度梯度计算示意图。

图中：1试样，2夹具，3加热变压器，4可控硅，5、6、7、8红外加热装置，9红外发光灯管，10反射罩，11操作箱，12均温区。

具体实施方式

在冷轧带钢连续退火模拟实验机中采用本发明方法，具体如下。

如图1所示，将试样1、夹具2、红外加热装置5、6、7、8都置于操作箱11内，操作箱11内可以抽真空或充各种保护性气氛；夹具2与加热变压器3的副级之间用20×100mm的铜排连接，试样1为1.0×300×560mm的冷轧带钢，两端各有50mm被卡在夹具2中，反射罩10的开口处宽度为50mm，反射罩10固定在操作箱11的壁上，在试样1上下垂直对称布置，其开口处离试样1的表面距离为100mm，其最外沿离夹具2的距离为30mm，红外加热装置5、6和红外加热装置7、8中的红外发光灯管9分两组通过可控硅直接与380V外电源相连。

分别在A点、B点和O点处焊接热电偶，再通过测温系统将温度信号传递给计算机系统，由计算机系统按本发明所提供的控制方法分别控制A点、B点和O点等三处的温度。经试验，当加热到1000℃时，试样的均温区长度超过300mm，均温区内的最大温差不超过10℃，完全可以满足退火试验后的冲压试验的要求。

Claims (5)

1、一种在金属板带试样热处理试验中消除温度梯度的方法，其特征是在直接电阻加热方式的基础上，增加红外辐射加热方式，在试样的上下、接近夹具的两侧，分别安装红外加热装置，利用红外加热装置的红外辐射能量弥补试样两端由于热传导而散失的热量。

2、按照权利要求1所述的在金属板带试样热处理试验中消除温度梯度的方法，其特征是对直接电阻加热和红外辐射加热分别进行控制，对直接电阻加热的控制方法为：以试验要求的加热温度为设定温度或目标温度，试样中心点的实际温度为实际温度或反馈温度，进行比较后经PID运算，控制可控硅的导通角，从而控制加热变压器副级的电压输出，最终控制试样的中心点的实际温度按试验要求进行变化；对红外辐射加热的控制方法为：以实际测量的试样中心点0点的实际温度T_o为设定温度或目标温度，以试样两端辐射区中心点A点或B点的温度T_A或T_B为实际温度或反馈温度，进行比较后经PID运算，控制红外发光灯管回路中可控硅的导通角，从而控制施加在红外发光灯管上的电压，最终控制试样的A点或B点的实际温度T_A或T_B与试样的中心点温度T_o保持相同。

3、按照权利要求1所述的在金属板带试样热处理试验中消除温度梯度的方法，其特征是该方法设置的红外加热装置(5)、(6)、(7)、(8)具有相同的结构，由具有抛物线截面的反射罩和红外发光灯管组成，红外发光灯管安装在反射罩的焦点处。

4、按照权利要求1所述的在金属板带试样热处理试验中消除温度梯度的方法，其特征是该方法设置的红外加热装置最外沿离夹具的距离为20～200mm，反射罩的开口度宽度为20～100mm，开口处离试样的表面距离为50～300mm。

5、按照权利要求1所述的在金属板带试样热处理试验中消除温度梯度的方法，其特征是该方法设置的红外加热装置相对于试样的平面垂直或成45°～90°的角度对称安装。

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