[发明专利]一种大型立式淬火炉低能耗最速升温控制方法及系统

说明书

本发明公开了一种大型立式淬火炉低能耗最速升温控制方法及系统，该方法采用两段切换的混合加热模式，融合全功率和控制功率两种加热方式的双向优点，通过建立最小温度裕量求解模型，获得保证加热过程无超调的最小温度裕量值；基于此最小温度裕量以及对流‑辐射演变机理，推导两种加热方式切换时的最优温度切换点，解决了现有技术无法在最小能耗的要求下实现淬火炉无超调最速升温的技术问题，能保证锻件升温无超调且平稳地最速升温。

技术领域

本发明涉及热处理温度控制技术领域，特别涉及一种大型立式淬火炉低能耗最速升温控制方法及系统。

背景技术

高强度铝合金模铸件是飞机大梁、龙骨、火箭、导弹端环、发动机缸体等航空航天器重要组成部分。其热处理装置大型立式淬火炉是一种很典型的用于生产高强度铝合金锻件的周期性加热炉。工艺流程为：先在炉内把铝合金锻件加热到温度设定值(共晶体的熔点)，使合金中的强化相融化入铝基体，形成以铝为基的固溶体，然后保温两小时以上后使合金内的可溶相充分溶解，形成α过饱和固溶体，然后快速淬入60-100℃的水中急冷，从而使得强化组元在合金中得到最大限度的固定保存。通过大型立式淬火炉的加热升温、均匀保温和快速淬火三个工艺过程，对铝合金锻件进行固溶处理，以提高锻件的硬度，强度，耐磨性，抗腐蚀性等力学性能。

在整个淬火工艺中，加热升温过程耗能超过85％，为最耗能环节。由于淬火炉属于强热惯性装置，其升温速率的快慢直接决定了能否通过均匀保温阶段调控防止锻件温度超调。因此，淬火炉的加热升温过程控制就显得尤为重要。但是由于淬火炉加热空间尺度大、铝合金锻件品种多、批量小，产品质量要求多变等原因，导致淬火炉升温过程不仅存在强非线性、强干扰、复杂多变及分布尺度大等特点，且内部存在的强金属热惯性，使得在最小能耗的要求下实现淬火炉无超调最速升温极其困难。这主要是由于升温过程中存在一对核心矛盾：若升温过快，金属热惯性作用易使得锻件温度出现超调，影响产品质量；若降低升温速率，则升温时间延长，能耗增加，生产效率降低。因此，研究低能耗，无超调，快升温的升温过程温度场最优控制方法，对降低能耗，提高产品合格率，实现大型立式淬火炉精细化控制至关重要。

针对淬火炉升温过程中能耗与产品质量之间的矛盾，主要的控制策略大致分为三大类：一，升温全程均采用全功率加热方式，将锻件升温到设定温度；二，升温全程均采用控制功率加热方式，将锻件升温到设定温度；三，升温的前段采用全功率加热方式，当达到某一温度后再采用可控功率加热方式进行升温。从工业现场尝试的结果来看：全程全功率加热方式虽升温时长明显缩短，但产品合格率较低，生产成本并未降低；而全程可控功率加热方式，虽产品合格率明显提高，但升温时间变长，能耗增加，生产成本并不是最优状态；而采用两种混合的第三种加热方式，由于难于确定两种加热方式合适的温度切换点，而当选择了不适当的温度切换点，其升温时长和产品合格率均得不到明显的改善，反而导致生产成本和能耗均上升，且这一情况，在被处理的锻件型号、材质及物性参数频繁波动时，进一步恶化。

专利号CN1896703A，公开了大型立式淬火炉加工工件表面温度的测量方法，基于热平衡原理，建立炉内辐射－对流复合传热过程的数学模型，利用蒙特卡洛数数值求解法计算炉内径向温度场分布，得到实际测量点和待测点之间的温度补偿曲线。依据温度补偿曲线，结合传感器位置和待加热工件表面之间距离得到修正值，计算出工件表面温度。但是，此专利温度场模型复杂，只考虑了炉内径向温度分布，忽略了轴向的温度差值，不符合实际工况，使得温度场信息实际使用误差大。

专利号CN103820631A，公开了一种新的立式淬火炉构件温度场分布检测系统。利用温度采集系统，采集工作室内壁热电偶温度数据并将所述温度信息利用通信系统传输给计算机温度场补偿系统。计算机温度场补偿系统，通过对构件热传导机理模型的数值求解，将采集到的温度信息转化为构件温度场分布信息，并实时在线进行显示。显然该专利为现场工作人员提供了更精确的构件温度场分布信息，但并没有对淬火炉的热处理过程换热方式以及工艺机理进行深入分析，对淬火炉由升温阶段到保温阶段转变时产生的构件局部温度超调，造成构件温度分布不均匀而出现过烧件、欠烧件，使产品报废，浪费资源等一系列问题，并没有实质性的研究成果。