[发明专利]一种大单重、大断面特厚钢板辊式淬火过程的控制方法

权利要求书

1.一种大单重、大断面特厚钢板辊式淬火过程的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，读取钢板信息及工艺参数，包括钢板的厚度、长度、含碳量、辊速、加速度；

步骤2，设置初始换热系数，利用温降计算模型，并调用比热模型、热传导系数模型，根据实测空冷段温降利用换热系数的修正模型对空冷段换热系数进行修正，进而得到空冷段温度场；

步骤3，确定水冷段换热系数，包括高压段水冷换热系数的确定和低压段水冷换热系数的确定；高压段水冷换热系数的确定，采用实验所得经验数据；

低压段水冷换热系数的确定，采用淬火后空冷时的表面返红温度利用换热系数的修正模型对低压段水冷段的换热系数进行修正；具体方法为以出炉空冷后的温度场为水冷段的初始温度场，给定低压段初始换热系数，进行温度场计算，并以水冷后温度场作为返红段初始温度场计算返红后表面节点的温度值，与测量值进行比较，调用换热系数的修正模型对水冷换热系数进行修正，空冷换热系数不变；并重新利用温降计算模型，并调用比热模型、热传导系数模型进行水冷段、返红段温度场计算，至差值在允许误差范围内；

步骤4，得到符合实际情况的钢板淬火过程中不同位置的温降曲线，冷速曲线；

上述步骤2、步骤3中所述换热系数的修正模型为：

给定初始换热系数区间范围[0,A]，取上限值A作为初始换热系数进行温度场计算，若计算值高于目标值，则取换热系数范围为[A,1.5A]；每次更改区间以上一区间的上限值作为新区间的下限值，并以新区间的下限值的1.5倍作为新区间的上限值，至换热系数取值为该区间的上限，计算值低于目标值为止；表明此时实际对流换热系数处于该区间内，在该区间内采用黄金分割法，不断缩小所在区间，至实测值与目标值差值在允许误差范围内，此时换热系数值即为实际值。

2.根据权利要求1所述的大单重、大断面特厚钢板辊式淬火过程的控制方法，其特征在于，温降计算模型中冷却时间的控制：钢板的模型计算根据钢板所在的辊道位置分为三部分，分别为进入淬火机前的空冷段、通过淬火机时的淬火段和通过淬火机以后的返红阶段；

空冷段的时间确定；对头尾分别进行计算，钢板头部进入淬火机前为匀速运动，通过头部到淬火机的距离及初速度进行计算；当钢板头部进入淬火机以后辊道开始施加一定的加速度，所以钢板的尾部在空冷段即开始进行加速，此时及距离淬火机的位置为钢板长度，通过初速度、距离以及加速度来对尾部空冷时间进行计算；

淬火段时间的确定；淬火段时间分为通过高压段的时间和通过低压段的时间首先确定高压段长度，根据设定好辊道的初速度和加速度，直接计算出钢板头部的淬火时间；由于在钢板头部进入淬火机时即对钢板进行加速，通过之前空冷加速部分的时间和加速度确定尾部进入淬火机时的速度，再根据此时的速度和加速度计算确定其通过高压段所需要的时间，钢板通过低压段时间根据摆动时间确定；

返红段时间的确定；其具体方法为在钢板出淬火机时，通过秒表开始进行计时，针对钢板的同一位置，测量其在不同时刻的返红温度，返红结束后停止计时，取返红温度最大值作为模拟计算中的目标温度，其对应时间作为返红阶段的时间。

3.根据权利要求1或2所述的大单重、大断面特厚钢板辊式淬火过程的控制方法，其特征在于，步骤2、3中各段初始温度场模型的建立：以钢板出加热炉时温度作为空冷段的初始温度场，利用温度场模型计算得到的空冷后模拟温度场与淬火机前测温点测得的温度进行比较修正，最终得到符合实际的空冷后温度场，并以此作为水冷段的初始温度场，水冷段不需要进行修正计算，直接将模型计算结果传递到返红阶段，作为返红阶段的初始温度场。

4.根据权利要求1或2所述的大单重、大断面特厚钢板辊式淬火过程的控制方法，其特征在于，步骤4输出结果包括空冷段、水冷高低压段换热系数值，钢板头部、尾部的表面、四分之一、中心部的温度变化曲线及冷速变化曲线。

5.根据权利要求3所述的大单重、大断面特厚钢板辊式淬火过程的控制方法，其特征在于，步骤4输出结果包括空冷段、水冷高低压段换热系数值，钢板头部、尾部的表面、四分之一、中心部的温度变化曲线及冷速变化曲线。

6.根据权利要求1或2或5所述的大单重、大断面特厚钢板辊式淬火过程的控制方法，其特征在于，步骤2、3中：

1)比热模型的计算；比热系数主要与钢板的含碳量及温度有关；含碳量以设定的定值作为界定范围，当含碳量不为上述值时，先确定其所对应的左右界值，通过插值的方式确定含碳量的权重，再比定温度所在区间，从而确定钢板的比热值；

2)热传导系数模型的计算；首先实验得出不同含碳量钢板在不同温度下的比热值及热传导系数值，然后通过插值的方式确定其他含碳量、其他温度对应的比热及热传导系数值；

3)温降计算模型为：

建立笛卡尔坐标系中的一维非稳态导热微分方程：

其中：

x为划分单元格长度；d为钢板厚度；t为时间；T为温度；a为导温系数，为内热源；λ为淬火板热传导系数；ρ为淬火钢板密度；c为淬火板比热；

计算时将钢板冷却过程中的相变潜热计入平均比热内，因此可以忽略内热源；

初始条件为：

T(x,0)＝T0(0＜x＜d,t＞0)

边界条件为：

为了提高傅里叶数的收敛性和稳定性并使模型更具有更小的误差，采用Crank-Nicolson差分方法；

t为时间；i为节点，0≤i≤I；建立温度场如下:

内部节点：

边界节点：

其中

h_x为对流换热系数；T_f为水温；为时间为t时钢板第i个节点所对应的温度值；F_ox为傅里叶数；B_ix为毕渥数；

稳定性条件为:

当已知初始温度场及换热系数的条件下，通过差分计算出之后任一时刻任一节点的温度分布情况。