[發明專利]軋輥噴霧淬火過程中溫度和組織在線模擬控制系統及方法

有效

• 申請號: 201310409406.0
• 申請日: 2013-09-10
• 公開（公告）號: CN103484646A
• 公開（公告）日: 2014-01-01
• 發明（設計）人: 蘇軍新;李莎;崔聰聰;吳春京;王師;周虎
• 申請（專利權）人: 中鋼集團邢臺機械軋輥有限公司
• 主分類號: C21D9/38
• 分類號: C21D9/38;C21D1/667;C21D1/55;C21D11/00
• 代理公司: 石家莊眾志華清知識產權事務所(特殊普通合伙) 13123
• 代理人: 張明月

技術領域

本發明涉及計算機在線模擬技術，特別是一種用于對軋輥淬火過程的內部溫度和組織變化進行在線模擬的系統及方法。

背景技術

淬火工藝是提高金屬零件機械性能、保證零件質量的一項重要手段。但淬火工藝容易使零件產生畸變并造成較高的殘余應力，由于淬火過程中存在組織轉變、溫度、應力應變三者之間的相互作用，準確預測淬火變形和參與應力分布是本領域的一項難題。為了能夠分析和優化任意形狀零件的淬火工藝，引進了數值模擬系統。

數值模擬淬火過程用于揭示淬火過程中工件內部的溫度和組織變化情況，進而指導生產實踐。在對淬火過程的數值模擬中，溫度場的模擬計算是最基本的，溫度場的變化會引起相變，而相變潛熱反過來又將影響軋輥溫度，溫度變化及相變同時也將影響零件內部的應力場變化，因此熱處理過程的模擬計算一般采用溫度-相變-應力/應變三者的耦合算法。

在軋輥的淬火過程中軋輥內部的組織轉變不僅是由溫度變化引起的，而且都是在應力作用下進行的，應力會誘導相變發生，而且應力對組織轉變的影響相當明顯，因此組織場的計算要設計溫度場和應力場。而對于基于溫度場的組織轉變計算，通常有兩種方式：TTT等溫轉變曲線和CCT連續冷卻轉變曲線。由于TTT曲線能在恒溫下得到不同保溫時間的組織變化，可以清楚地顯示不同溫度下組織的轉變特征，因此軋輥淬火過程中的組織在線模擬一般多采用TTT曲線。

然而軋輥在淬火過程中需要邊旋轉邊噴水，因此會有霧氣飄散至軋輥的輥頸處，而軋輥輥頸的材質、表面的狀態以及室溫等外在條件均會對輥頸表面的換熱情況產生影響；特別是由于噴向軋輥輥身的水壓、風壓在實時發生變化，輥身便會出現氧化鐵皮和水膜，加上輥身溫度的變化以及輥身距離噴風嘴和噴水嘴的距離不等、輥身各處的換熱情況也均不相同等因素，導致輥身與周圍換熱介質的換熱情況變得及其復雜，因此很難對軋輥的噴霧淬火過程進行準確模擬。

發明內容

本發明需要解決的技術問題是提供一種能夠準確在線模擬大型軋輥噴霧淬火過程中溫度和組織變化的系統以及方法。

為解決上述技術問題，本發明所采用的技術方案是：

軋輥噴霧淬火過程中溫度和組織在線模擬控制系統，包括計算機控制子系統、與計算機控制子系統連接的測溫裝置以及受計算機控制子系統控制的噴霧冷卻裝置，所述計算機控制子系統包括前處理模塊、模擬計算模塊和后處理模塊，

所述前處理模塊中至少存儲有軋輥的幾何尺寸參數、軋輥相應材料的TTT曲線、軋輥輥身和兩端輥頸處的溫度初始值、熱物性參數以及模擬參數；前處理模塊主要用于對軋輥的幾何尺寸參數、TTT曲線、溫度初始值、熱物性參數以及模擬參數參數進行值域的離散化、方程的差分化；

所述模擬計算模塊存儲有軋輥表面綜合換熱系數計算程序和軋輥內部組織轉變量計算程序，其中軋輥表面綜合換熱系數計算程序中包括輥頸處的邊界換熱系數計算程序以及輥身表面綜合換熱系數計算程序，軋輥內部組織轉變量計算程序包括計算相變潛熱對組織和溫度影響的計算程序；

所述模擬計算模塊與測溫裝置相連，模擬計算模塊根據測溫裝置測得的輥頸表面和輥身表面的實時溫度確定計算邊界條件，然后根據邊界條件計算出軋輥內部的實時溫度和軋輥內部組織轉變量；

所述后處理模塊與模擬計算模塊相連，用于對模擬計算模塊計算出軋輥內部的實時溫度和軋輥內部組織轉變量進行可視化、動態化處理、顯示和輸出。

所述的軋輥噴霧淬火過程中溫度和組織在線模擬控制系統的改進在于：所述后處理模塊對計算得出的溫度場和組織轉變量分別采用溫度時間曲線和彩色云圖形式展現；其中溫度時間曲線為軋輥表面或者軋輥內部某一點隨時間變化的溫度曲線，彩色云圖為某一時間點上整個軋輥端面的溫度分布圖。

軋輥噴霧淬火過程中溫度和組織在線模擬方法，包括以下過程：

A、在線測量噴霧淬火過程中軋輥左側輥頸的溫度值、右側輥頸的溫度值以及輥身表面至少三點的溫度值；

B、將測量得到的左側輥頸、右側輥頸處的測溫點的溫度值作為計算邊界條件，在已知的輥頸表面溫度基礎上，結合輥頸表面溫度隨時間的變化，把溫度變化量作為已知量，應用淬火時的輥頸換熱邊界條件和有限差分原理計算獲得軋輥輥身噴霧淬火過程中的輥頸邊界換熱系數；

C、將在線測量獲得的輥身處表面溫度選擇軋輥的熱物性參數，然后經過插值處理后作為計算溫度場的輥身邊界條件，結合步驟B計算得到的輥頸邊界換熱系數，采用第一類邊界條件進行處理獲得各節點溫度Ti，模擬計算其它內部溫度場；