[发明专利]轧辊喷雾淬火过程中温度和组织在线模拟控制系统及方法

说明书

技术领域

本发明涉及计算机在线模拟技术，特别是一种用于对轧辊淬火过程的内部温度和组织变化进行在线模拟的系统及方法。

背景技术

淬火工艺是提高金属零件机械性能、保证零件质量的一项重要手段。但淬火工艺容易使零件产生畸变并造成较高的残余应力，由于淬火过程中存在组织转变、温度、应力应变三者之间的相互作用，准确预测淬火变形和参与应力分布是本领域的一项难题。为了能够分析和优化任意形状零件的淬火工艺，引进了数值模拟系统。

数值模拟淬火过程用于揭示淬火过程中工件内部的温度和组织变化情况，进而指导生产实践。在对淬火过程的数值模拟中，温度场的模拟计算是最基本的，温度场的变化会引起相变，而相变潜热反过来又将影响轧辊温度，温度变化及相变同时也将影响零件内部的应力场变化，因此热处理过程的模拟计算一般采用温度-相变-应力/应变三者的耦合算法。

在轧辊的淬火过程中轧辊内部的组织转变不仅是由温度变化引起的，而且都是在应力作用下进行的，应力会诱导相变发生，而且应力对组织转变的影响相当明显，因此组织场的计算要设计温度场和应力场。而对于基于温度场的组织转变计算，通常有两种方式：TTT等温转变曲线和CCT连续冷却转变曲线。由于TTT曲线能在恒温下得到不同保温时间的组织变化，可以清楚地显示不同温度下组织的转变特征，因此轧辊淬火过程中的组织在线模拟一般多采用TTT曲线。

然而轧辊在淬火过程中需要边旋转边喷水，因此会有雾气飘散至轧辊的辊颈处，而轧辊辊颈的材质、表面的状态以及室温等外在条件均会对辊颈表面的换热情况产生影响；特别是由于喷向轧辊辊身的水压、风压在实时发生变化，辊身便会出现氧化铁皮和水膜，加上辊身温度的变化以及辊身距离喷风嘴和喷水嘴的距离不等、辊身各处的换热情况也均不相同等因素，导致辊身与周围换热介质的换热情况变得及其复杂，因此很难对轧辊的喷雾淬火过程进行准确模拟。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是提供一种能够准确在线模拟大型轧辊喷雾淬火过程中温度和组织变化的系统以及方法。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

轧辊喷雾淬火过程中温度和组织在线模拟控制系统，包括计算机控制子系统、与计算机控制子系统连接的测温装置以及受计算机控制子系统控制的喷雾冷却装置，所述计算机控制子系统包括前处理模块、模拟计算模块和后处理模块，

所述前处理模块中至少存储有轧辊的几何尺寸参数、轧辊相应材料的TTT曲线、轧辊辊身和两端辊颈处的温度初始值、热物性参数以及模拟参数；前处理模块主要用于对轧辊的几何尺寸参数、TTT曲线、温度初始值、热物性参数以及模拟参数参数进行值域的离散化、方程的差分化；

所述模拟计算模块存储有轧辊表面综合换热系数计算程序和轧辊内部组织转变量计算程序，其中轧辊表面综合换热系数计算程序中包括辊颈处的边界换热系数计算程序以及辊身表面综合换热系数计算程序，轧辊内部组织转变量计算程序包括计算相变潜热对组织和温度影响的计算程序；

所述模拟计算模块与测温装置相连，模拟计算模块根据测温装置测得的辊颈表面和辊身表面的实时温度确定计算边界条件，然后根据边界条件计算出轧辊内部的实时温度和轧辊内部组织转变量；

所述后处理模块与模拟计算模块相连，用于对模拟计算模块计算出轧辊内部的实时温度和轧辊内部组织转变量进行可视化、动态化处理、显示和输出。

所述的轧辊喷雾淬火过程中温度和组织在线模拟控制系统的改进在于：所述后处理模块对计算得出的温度场和组织转变量分别采用温度时间曲线和彩色云图形式展现；其中温度时间曲线为轧辊表面或者轧辊内部某一点随时间变化的温度曲线，彩色云图为某一时间点上整个轧辊端面的温度分布图。

轧辊喷雾淬火过程中温度和组织在线模拟方法，包括以下过程：

A、在线测量喷雾淬火过程中轧辊左侧辊颈的温度值、右侧辊颈的温度值以及辊身表面至少三点的温度值；

B、将测量得到的左侧辊颈、右侧辊颈处的测温点的温度值作为计算边界条件，在已知的辊颈表面温度基础上，结合辊颈表面温度随时间的变化，把温度变化量作为已知量，应用淬火时的辊颈换热边界条件和有限差分原理计算获得轧辊辊身喷雾淬火过程中的辊颈边界换热系数；

C、将在线测量获得的辊身处表面温度选择轧辊的热物性参数，然后经过插值处理后作为计算温度场的辊身边界条件，结合步骤B计算得到的辊颈边界换热系数，采用第一类边界条件进行处理获得各节点温度Ti，模拟计算其它内部温度场；