專利名稱：一種基于模型控制的鋼板淬火冷卻方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及鋼鐵行業(yè)的淬火領(lǐng)域，特別涉及一種基于模型控制的鋼板淬火冷卻方法。
背景技術(shù)：
鋼板的淬火工藝，一般適合厚板，即對軋制后重新加熱至完全奧氏體狀態(tài)的厚板 進行急冷處理，使鋼材產(chǎn)生馬氏體相變和貝氏體相變，從而使其具有高韌性、高強度和良好 焊接性能，淬火是調(diào)整材料組織性能的關(guān)鍵工藝，對生產(chǎn)具有穩(wěn)定力學(xué)性能和良好板形的 高強度厚板至關(guān)重要。其中，淬火機是關(guān)鍵設(shè)備，其對鋼板的冷卻方式一般采用上下噴射、 噴淋的冷卻方式。由于厚板淬火過程中，鋼板表面被水霧包圍，鋼板的溫度、板形檢測困難， 無法閉環(huán)控制，只能通過預(yù)設(shè)定的方式來控制，即根據(jù)用戶對產(chǎn)品性能的要求確定目標(biāo)冷 速，通過預(yù)設(shè)定冷卻水量和鋼板走速的方式來控制冷速達(dá)到目標(biāo)，而如何制定目標(biāo)冷速，以 及如何設(shè)定水量和走速才能使鋼板在達(dá)到目標(biāo)冷速的同時獲得穩(wěn)定的性能和良好的板形， 一直是厚板淬火機控制的難點。專利CN1840723，公開了一種屈服強度llOOMPa以上超高強度鋼板及其制造方法， 對終軋溫度介于860 920°C之間的鋼板以不低于約20°C /s的冷卻速率在線淬火，至低于 約200 400°C的淬火終止溫度。但是該方案只是解決了淬火冷速目標(biāo)制定的問題，并沒有 提及淬火機如何實現(xiàn)這些目標(biāo)。專利CN2334511，公開了一種用于中厚鋼板或鋼帶熱軋后的冷卻裝置，其特點是水 噴嘴與氣噴嘴配合使用，可形成四種使用方式，能實現(xiàn)由空冷到淬火的系列冷卻強度，調(diào)節(jié) 范圍大，可實現(xiàn)無階梯調(diào)節(jié)?？纱蠓鹊靥岣咪摪寤蜾搸У那姸群涂估瓘姸龋由炻?和沖擊韌性不降低。但是該方案是針對淬火裝置結(jié)構(gòu)的發(fā)明或改進，并不涉及控制淬火機 的冷卻方法。專利SU 1708871，公開了一種厚板熱處理方法，通過細(xì)化組織來增強鋼板的力學(xué) 性能，根據(jù)輔助表達(dá)式進行水冷和空冷的循環(huán)冷卻，從Ar3(90-130°C )的水冷開始，鋼板的 整個制造過程為加熱、軋制、循環(huán)冷卻。但是該方案提出的是與淬火有關(guān)的熱處理方法，與 淬火機的控制無關(guān)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種基于模型控制的鋼板淬火冷卻方法，通過建立控制模型 來實現(xiàn)對鋼板淬火時的冷卻控制。本發(fā)明提供一種基于模型控制的鋼板淬火冷卻方法，適用于鋼板在淬火機上的淬 火，包括以下步驟獲取所述鋼板的各元素比例以及目標(biāo)硬度，將所述鋼板的各元素比例輸入建立的 臨界冷卻速度模型，計算輸出各金相組織成分對應(yīng)的各臨界冷卻速度；建立與所述各臨界冷卻速度對應(yīng)的金相組織硬度模型，將所述臨界冷卻速度、鋼板的各元素比例以及各金相組織比例輸入所述金相組織硬度模型，計算輸出金相組織硬 度；根據(jù)所述金相組織硬度模型確定的金相組織硬度與金相組織比例的對應(yīng)關(guān)系，確定所 述目標(biāo)硬度對應(yīng)的金相組織比例，將所述目標(biāo)硬度及其對應(yīng)的金相組織比例輸入所述金相 組織硬度模型，計算輸出目標(biāo)冷速；將獲取的所述淬火機的輥道速度、板坯厚度輸入建立的鋼板走速模型，計算輸出 鋼板走速；建立鋼板溫度模型，所述鋼板溫度模型根據(jù)所述鋼板的相關(guān)參數(shù)、所述鋼板走速 相對應(yīng)的鋼板運行時間，計算所述鋼板的實時溫度，并計算所述鋼板在所述淬火機各區(qū)域 內(nèi)的平均冷卻速度；根據(jù)淬火機各區(qū)域的上下噴水量建立水量優(yōu)化模型，當(dāng)所述鋼板溫度模型輸出的 平均冷卻速度不符合所述目標(biāo)冷速時，所述水量優(yōu)化模型改變上下噴水量以調(diào)整所述鋼板 的平均冷卻速度。所述方法還包括板形修正步驟2. 1、獲取所述鋼板的翹曲度；2. 2、建立鋼板換熱系數(shù)修正模型，根據(jù)所述鋼板翹曲度以及預(yù)定規(guī)則對所述鋼板 的上下表面的換熱系數(shù)進行修正。所述臨界冷卻速度模型為IogV = κ-(A · C% +B · Mn% +D · Ni% +E · Cr% +F · Mo% +G · Pa)其中，K、A、B、D、Ε、F、G為回歸系數(shù)，根據(jù)試驗數(shù)據(jù)回歸得出；C、Mn、Ni、Cr、Mo分 別為碳、錳、鎳、鉻、鉬元素的百分含量； Pa為奧氏體化參數(shù)
為溫度，R為理想氣體常數(shù)，ΔΗ為過程
的激活能，t為時間。所述臨界冷卻速度模型的回歸系數(shù)見下表 其中，MruMo為錳、鉬元素的百分含量；
上表中的各臨界冷卻速度的含義見下表 所述金相組織硬度模型包括基本金相組織硬度模型和混合金相組織硬度模型，所 述基本金相組織硬度模型為hvm = 127+949 · c% +27 · si% +11 · mn% +8 · ni% +16 · cr% +21 · iogvHvb = -323+185 · c% +330 · si% +153 · mn% +65 · Ni% +144 · cr% +191 · mo%+(89+53 · C% -55 · Si% -22 · Mn% -10 · Ni% -20 · Cr% -33 · Mo% ) · IogvHvf+p = 42+223 · C % +53 · si % +30 · mn % +12. 6 · ni % +7 · cr % +19 · mo % + (10-19 · si% +4 · ni% +8 · cr% +130 ·ν%) · iogv所述混合金相組織硬度模型為 w其中，X1為金相組織比例
(wt% 為金相組織硬度，i = 1，2，3，分別代表馬氏體，貝氏體，鐵素體/珠光體；c、mn、 ni、cr、mo、si、v分別為碳、錳、鎳、鉻、鉬、硅、釩元素的百分含量；其中，所述基本金相組織硬度模型和所述混合金相組織硬度模型確定的所述臨界 冷卻速度、金相組織硬度以及金相組織比例的對應(yīng)關(guān)系見下表
8 其中CIm = 127+949 · C% +27 · Si% +11 · Mn% +8 · Ni% +16 · Cr%, C2M = 21，CIb = -323+185 · C% +330 · Si% +153 · Mn% +65 · Ni% +144 · Cr% +191 · Mo%C2b = 89+53 ‘ C% -55 ‘ Si% -22 · Mn% -10 · Ni% -20 · Cr% -33 · Mo%CIf = 42+223 · C% +53 · Si% +30 · Mn% +12. 6 · Ni% +7 · Cr% +19 · Mo%C2f = 10-19 · Si% +4 · Ni% +8 · Cr% +130 · N%0所述鋼板走速模型為RollerSpeed a, *thickness^，其中，R0IlerSpeed 為鋼板走速(淬火機輥道速度)， thickness為板坯厚度，Ci1, α 2為回歸系數(shù)。所述鋼板溫度模型的工作流程包括以下步驟7. 1、根據(jù)鋼板厚度、鋼板熱導(dǎo)率、鋼板上下表面熱流以及鋼板熱擴散系數(shù)建立所 述鋼板的一維非對稱熱傳導(dǎo)方程；7. 2、根據(jù)所述一維非對稱熱傳導(dǎo)方程，建立沿鋼板厚度方向上的溫度分布方程， 再按鋼板運行時間計算鋼板實時的斷面溫度；
7. 3、獲取鋼板進入淬火機的預(yù)定區(qū)域時的初始平均溫度、離開該區(qū)域的最終平均 溫度以及在該區(qū)域的停留時間，計算輸出鋼板的平均冷卻速度。
θθ dx δθ
釭 其中，δ = Η/2，Η為鋼板厚度；λ為鋼板熱導(dǎo)率；Φ s、Φ工分別為 λ
鋼板上下表面熱流；a2為鋼板熱擴散系數(shù)。所述水量優(yōu)化模型中，設(shè)第i段冷卻區(qū)域的上下噴水量初始值為flUXt。p、flUXb。t，將 其作為基準(zhǔn)值，在這兩個基準(zhǔn)值的上下，以ΔΠιιχ為步長，η為步數(shù)，形成兩組水量，分別為第一組噴水量，{fluxtop-n · Δ flus, fIuxtop- (n-1) · Δ flux, . . .，fIuxtop, fIuxtop+ Δ flux,...， fluxtop+n · Δ flux}；第二組噴水量，{fluxbot-n · Δ flux, fIuxbot- (n-1) · Δ flux, . . .，fIuxbot, fIuxbot+ Δ flux,...， f luxbot+n · Δ fux}；上述兩組噴水量逐一配對，形成(2n+l) X (2n+l)組上下噴水量配對，當(dāng)所述鋼板 溫度模型輸出的平均冷卻速度不符合所述目標(biāo)冷速時，所述水量優(yōu)化模型改變上下噴水量 以調(diào)整所述鋼板的平均冷卻速度。所述鋼板換熱系數(shù)修正模型中，當(dāng)下表面的換熱系數(shù)小于上表面的換熱系數(shù)時， 根據(jù)下列公式對上下表面的換熱系數(shù)進行修正
Ratio Value =-(巧.…)ρ + α2, , — W-1、,, RatioValue.
'+ -a,. = α.οη χ (1--)
slope ， ht" ,opioo 7其中，ski為鋼板翹曲度；RatioValue為下表面換熱系數(shù)的修正參數(shù)；Ci1, α 2, slope為公式的調(diào)試參數(shù)；α t。p，α bot分別為上下表面的換熱系數(shù)。采用本發(fā)明所述的一種基于模型控制的鋼板淬火冷卻方法，首先根據(jù)鋼板的元素 比例及目標(biāo)硬度，建立硬度和冷速的相關(guān)模型，計算出鋼板的目標(biāo)冷速；再根據(jù)目標(biāo)冷速， 利用建立的鋼板走速模型計算出鋼板走速；利用水量優(yōu)化模型得到淬火機上下噴水量初始 值，利用建立的溫度模型得到鋼板預(yù)測溫度分布，從而得到冷速預(yù)測分布，如果此分布不滿 足之前得到的目標(biāo)冷速，則水量優(yōu)化模型將重新選擇噴水量，直到滿足冷速要求，此時的噴 水量及鋼板走速即為本發(fā)明的輸出結(jié)果。最后，在淬火結(jié)束后，還可以通過板形修正步驟對 鋼板的翹曲進行修正，從而提高相同批次后續(xù)鋼板的淬火精度。


圖1是本發(fā)明的主流程10
圖2是本發(fā)明一實施例的流程圖；圖3是本發(fā)明中由目標(biāo)硬度判斷金相組織的流程圖；圖4是本發(fā)明中鋼板走速、溫度以及水量優(yōu)化計算的流程圖；圖5是本發(fā)明中的鋼板淬火過程中的溫度分布圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和實施例進一步說明本發(fā)明的技術(shù)方案。參照圖1，圖1顯示了本發(fā)明的主流程圖100，包括101、建立臨界冷卻速度模型，計算輸出各金相組織成分對應(yīng)的各臨界冷卻速度。獲取所述鋼板的各元素比例以及目標(biāo)硬度，將所述鋼板的各元素比例輸入建立的 臨界冷卻速度模型，計算輸出各金相組織成分對應(yīng)的各臨界冷卻速度。102、建立與所述各臨界冷卻速度對應(yīng)的金相組織硬度模型，輸出目標(biāo)冷速。建立與所述各臨界冷卻速度對應(yīng)的金相組織硬度模型，將所述臨界冷卻速度、鋼 板的各元素比例以及各金相組織比例輸入所述金相組織硬度模型，計算輸出金相組織硬 度；根據(jù)所述金相組織硬度模型確定的金相組織硬度與金相組織比例的對應(yīng)關(guān)系，確定所 述目標(biāo)硬度對應(yīng)的金相組織比例，將所述目標(biāo)硬度及其對應(yīng)的金相組織比例輸入所述金相 組織硬度模型，計算輸出目標(biāo)冷速。103、建立鋼板走速模型，輸出鋼板走速。將獲取的所述淬火機的輥道速度、板坯厚度輸入建立的鋼板走速模型，計算輸出 鋼板走速。104、建立鋼板溫度模型，計算鋼板在淬火機各區(qū)域內(nèi)的平均冷卻速度。建立鋼板溫度模型，所述鋼板溫度模型根據(jù)所述鋼板的相關(guān)參數(shù)、所述鋼板走速 相對應(yīng)的鋼板運行時間，計算所述鋼板的實時溫度，并計算所述鋼板在所述淬火機各區(qū)域 內(nèi)的平均冷卻速度。105、建立水量優(yōu)化模型，改變上下噴水量以調(diào)整所述鋼板的平均冷卻速度。根據(jù)淬火機各區(qū)域的上下噴水量建立水量優(yōu)化模型，當(dāng)所述鋼板溫度模型輸出的 平均冷卻速度不符合所述目標(biāo)冷速時，所述水量優(yōu)化模型改變上下噴水量以調(diào)整所述鋼板 的平均冷卻速度。106、對鋼板的翹曲進行板形修正。板形修正步驟包括首先獲取所述鋼板的翹曲度，然后建立鋼板換熱系數(shù)修正模 型，根據(jù)所述鋼板翹曲度以及預(yù)定規(guī)則對所述鋼板的上下表面的換熱系數(shù)進行修正。參見圖2，圖2顯示了本發(fā)明一實施例的總流程圖，下面進行闡述首先采用PH. Maynier建立的臨界冷卻速度同化學(xué)成分之間的關(guān)系公式，該公式 也就是上述的臨界冷卻速度模型。IogV = K-(A · C% +B · Mn% +D · Ni% +E · Cr% +F · Mo% +G · Pa) (1)式中K、A、B、D、Ε、F、G為回歸系數(shù)，根據(jù)試驗數(shù)據(jù)回歸得出，取值見表2 ;C、Mn、 Ni, Cr, Mo分別為鋼板碳、錳、鎳、鉻、鉬元素的百分含量；Pa為奧氏體化參數(shù)
式中，T為溫度，R為理想氣體常數(shù)(約為2mo 1/cal)，ΔΗ為過程的激活能(約 為 110kmol/cal)，t 為時間。表1顯示了各臨界冷卻速度的含義。而通過實驗，可得到表2的回歸系數(shù)，進而可 求出各臨界冷卻速度。表 1 表2 其中，MruMo為錳、鉬元素的百分含量。金相組織硬度模型包括基本金相組織硬度模型以及混合金相組織硬度模型。可采 用PH. Maynier建立的由臨界冷卻速度求馬氏體(M)、貝氏體⑶和鐵素體-珠光體(F+P) 硬度的計算公式，該公式就是上述的基本金相組織硬度模型Hvm= 127+949 *C% +27 *Si% +11 ·Μη% +8 ·Ν % +16 *Cr% +21 'Iogv (3)
Hvb = -323+185 · C% +330 · Si% +153 · Mn% +65 · Ni% +144 · Cr% +191 · Mo% + (89+53 · C% -55 · Si% -22 · Mn% -10 · Ni% -20 · Cr% -33 · Mo% ) · Iogv(4)Hvf+p = 42+223 · C % +53 · Si % +30 · Mn % +12. 6 · Ni % +7 · Cr % +19 · Mo % + (10-19 · Si% +4 · Ni% +8 · Cr% +130 ·Ν%) · Iogv (5)同樣，C、Mn、N i、C r、Mo、S i、V分別為碳、錳、鎳、鉻、鉬、硅、釩元素的百分含量?；旌辖鹣嘟M織的硬度可以通過混合相加法則計算，形成的就是所述混合金相組織 硬度模型 其中，Xi為金相組織比例(百分?jǐn)?shù)(襯％))，氏為組織硬度，i = 1，2，3，分別代表 馬氏體，貝氏體，鐵素體/珠光體。這樣，所述基本金相組織硬度模型和所述混合金相組織硬度模型就可以確定所述 臨界冷卻速度、金相組織硬度以及金相組織比例的對應(yīng)關(guān)系，見以下的表3 表 3 其中CIm = 127+949 · C% +27 · Si% +11 · Mn% +8 · Mi% +16 · Cr%C2m = 21CIb = -323+185 · C% +330 · Si% +153 · Mn% +65 · Ni% +144 · Cr% +191 · Mo%C2b = 89+53 · C% -55 · Si% -22 · Mn% -10 · Ni% -20 · Cr% -33 · Mo%CIf = 42+223 · C% +53 · Si% +30 · Mn% +12. 6 · Ni% +7 · Cr% +19 · Mo%C2f = 10-19 · Si% +4 · Ni% +8 · Cr% +130 · V%參見圖3，圖3為由目標(biāo)硬度判斷金相組織的流程圖，圖3中的Hard為目標(biāo)硬度， 將其與各臨界冷速對應(yīng)的臨界硬度進行比較，通過比較之后不同的結(jié)果，進行目標(biāo)冷速的 計算。金相組織為兩相或三相時，根據(jù)表3中各臨界冷速對應(yīng)的硬度，采用線性插值的方 法，可以確定出各相的百分比。金相組織為馬氏體和貝氏體時，即可確定馬氏體量為m，那么貝氏體量為100-m，
金相組織為貝氏體和鐵素體/珠光體時，確定鐵素體/珠光體的量為m，貝氏體的 量為100-m， 金相組織為馬氏體、貝氏體、鐵素體+珠光體三相的混合組織，那么先確定馬氏體 量為m，鐵素體/珠光體量為n，貝氏體量為100-m-n， 作為一實施例，以上的公式(8)、(10)、(12)即為目標(biāo)冷速。參見圖4，圖4顯示了鋼板走速、溫度以及水量優(yōu)化計算的流程圖，具體步驟見下建立鋼板走速模型鋼板的運行速度，最終是通過淬火機輥道速度來設(shè)定的，本發(fā) 明采用回歸的方法，對實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)中，不同厚度板坯的輥道速度進行回歸，得到如下公式 (鋼板走速模型)
(13)其中，RollerSpeed為鋼板走速(淬火機輥道速度)；thickness 為板坯厚度；Q1, α 2為回歸系數(shù)，根據(jù)試驗可以得出αι，α 2分別約為120，-0.77。建立鋼板溫度模型由鋼板走速模型得到的鋼板運行速度，即可得到鋼板在淬火 機各區(qū)域的運行時間，利用鋼板溫度模型即可方便的得到鋼板在淬火過程中的溫度分布， 以及由該溫度分布得到的冷速分布。鋼板在淬火區(qū)域中的溫度變化事實上是鋼板與冷卻水的熱交換，以及鋼板內(nèi)部的 熱傳導(dǎo)過程。付立葉能量守恒定律描繪了物體的熱流量和溫度分布之間的關(guān)系。在熱軋鋼 板的加熱或冷卻過程一般可用以下的一維非對稱熱傳導(dǎo)方程描述
其中δ = Η/2，Η 鋼板厚度，λ 鋼板熱導(dǎo)率，Φ5, Φχ 鋼板上下表面熱流，a2 鋼 板熱擴散系數(shù)。利用以上的一維非對稱熱傳導(dǎo)方程，從空間上建立廷鋼板厚度方向上的溫度分布 方程，再按時間片，分時間段進行計算，從而可以計算鋼板在任意時刻的斷面溫度。在對鋼板在淬火機每一個區(qū)域的溫度分布計算完成之后，通過計算板坯進入該區(qū) 域的初始平均溫度、離開該區(qū)域的最終平均溫度，以及在該區(qū)域中的停留時間，即可求出鋼 板在該區(qū)域的平均冷卻速度。 V
cooling
—i_t0)
(15)
其中，V。。。ling為平均冷卻速度；
t
final
為鋼板離開該段區(qū)域時的最終平均溫度；
to為鋼板進入該段區(qū)域時的初始平均溫度； τ ！為鋼板在該段區(qū)域的運行時間(停留時間)。
建立水量優(yōu)化模型，根據(jù)公式(15)得到的平均冷卻速度，與目標(biāo)冷速進行比較， 即可通過水量優(yōu)化模型對各段水量的設(shè)定值進行優(yōu)化調(diào)整了。所述水量優(yōu)化模型中，設(shè)第i段冷卻區(qū)域的上下噴水量初始值為fluxt。p、fluxbot, 將其作為基準(zhǔn)值，在這兩個基準(zhǔn)值的上下，以ΔΠιιχ為步長，η為步數(shù)，形成兩組水量，分別 為第一組噴水量，{fluxtop-n · Δ flux, fIuxtop- (n-1) · Δ flux, . . .，fIuxtop, fIuxtop+ Δ flux,..， fluxtop+n · Δ flux} ； (16)第二組噴水量，{fluxbot-n · Δ flux, fIuxbot- (n-1) · Δ flux, . . .，fIuxbot, fIuxbot+ Δ flux,...， fluxbot+n · Δ flux}；(17)上述兩組噴水量逐一配對，形成(2n+l) X (2n+l)組上下噴水量配對，當(dāng)所述鋼板 溫度模型輸出的平均冷卻速度不符合所述目標(biāo)冷速時，所述水量優(yōu)化模型改變上下噴水量 以調(diào)整所述鋼板的平均冷卻速度。其對照目標(biāo)冷速，選取最優(yōu)的水量組，即為該段區(qū)域的水
量設(shè)定值。鋼板的板形修正步驟雖然淬火過程只能采用預(yù)設(shè)定的方法控制水量和鋼板走 速，無法動態(tài)控制，但是可以采用模型自適應(yīng)的方法，利用已淬火結(jié)束的鋼板板形數(shù)據(jù)，修 正同批次后續(xù)鋼板的預(yù)設(shè)定模型。建立鋼板換熱系數(shù)修正模型，可將淬火鋼板的翹曲度作 為該模型的輸入，鋼板的厚度方向上翹曲度以ski表示，其取值范圍為(_1，1)。鋼板向下
16翹，ski取負(fù)值；鋼板向上翹，ski取正值；鋼板平直，ski取零。翹曲度的檢測可以采用翹 曲度檢測設(shè)備，也可以采用人工檢測。當(dāng)板坯下表面的換熱系數(shù)小于上表面的換熱系數(shù)，修正換熱系數(shù)的計算公式如下 所示。
其中ski為鋼板翹曲度，RatioValue為下表面換熱系數(shù)的修正參數(shù)，ai; a2, slope為公式的調(diào)試參數(shù)，根據(jù)試驗可以分別約為5，25，-0. 0025 ；Qtop, α b。t為上下表面的換熱系數(shù)。上面的公式(18)、(19)就是鋼板換熱系數(shù)修正模型的一實施例。對上下表面換熱 系數(shù)進行修正之后，重新啟動預(yù)計算模型，即可獲得更新后的淬火機冷卻的預(yù)設(shè)定值。下面通過一臺淬火機進行進一步的說明該淬火機設(shè)置于輥底式熱處理爐之后，用于厚板的淬火處理，生產(chǎn)B610E、SHT700、 SHT900乃至更高強度級別的厚板。該淬火機按噴水方式及水壓大小分為三段，即高壓段、 中壓段、低壓段，處理鋼板的厚度范圍為8mm-50mm，板寬最大為3100mm。以SHT900鋼板為 例鋼板成分如表1所示，厚度為35mm，寬度為2150mm，在加熱爐中930°C保溫2小時，開冷 溫度值為900°C，目標(biāo)硬度為325 (Hv)。鋼板化學(xué)成分表 實施步驟步驟一，計算目標(biāo)冷速C % = 0. 15, Si % = 1. 38，Mn % = 1. 38，Ni % = 0. 34，Cr % = 0. 42，Mo % = 0. 26Nb%= 0. 024，A1%=0. 03，Cu%= 0. 02T奧氏體化溫度=930 C, t保溫=2h由表2可以求出各臨界冷速，100% 馬氏體、90% 馬氏體 Vm9q = 5. 408"C /s50% 馬氏體 Vm5q = 4. 811 °C/s10% 馬氏體 Vmiq = 3. 722°C/s剛要出現(xiàn)馬氏體^, =2J15"C/s剛要出現(xiàn)鐵素體/珠光體\ =5.174"C/50165]10% 鐵素體 / 珠光體 Vfiq = 4. 8340C /s
0166]50% 鐵素體 / 珠光體 Vf5q = 4. 018 0C /s
0167]90% 鐵素體 / 珠光體 Vf9q = 3. 166 0C /s
0168]100%鐵素體/珠光體& =2.863"C八
0169]同樣可求出臨界硬度，
0170]100%馬氏體的最小硬度協(xié)=408.62
0171]剛要出現(xiàn)馬氏體的硬度MV, =227.8
0172]剛要出現(xiàn)鐵素體/珠光體的硬度-300.4
0173]100%鐵素體/珠光體的最大硬度〃\ = 1 13.46
0174]根據(jù)目標(biāo)硬度為325 (Hv)，由圖3可判斷出組織為馬氏體和貝氏體兩相t
0175]HVM90 —391.500176]HVl50 —337.160177]Hv110 =266.40
0178] 則馬氏體相含量#% = ·
0186]
0187]
0188]
50-10
χ (325-337)+ 50 = 43.12%
337.16-266.40
0179]貝氏體含量 B%= 100% -43. 12%= 56. 88%
0180]由式(8)得到目標(biāo)冷速為V=Il. 480C /s
0181]步驟二，計算鋼板走速
0182]式(13)中 B1 = 120，a2 = —0. 77
0183]RollerSpeed = or, · thickness"2 = 120 χ 35』77 二 .Ππι / min
0184]步驟三，計算鋼板各冷卻段上下表面噴水量
0185]鋼板各段初始噴水量選自歷史數(shù)據(jù)庫中最接近該塊鋼板的數(shù)據(jù)，
f Iuxtopl = 6000L/min，f Iuxtop2 = 5000L/min，f Iuxtop3 = 3000L/min，
f Iuxbotl = 9000L/min，f Iuxbot2 = 6300L /min f Iuxbot3 = 5000L/min 采用一維有限差分的算法，可得各冷卻段厚度方向的溫度分布，根據(jù)式(5)求出 此組噴水量下能達(dá)到的冷速，通過式(16)、(17)所示方法，循環(huán)調(diào)整噴水量以到達(dá)目標(biāo)冷 速。最終得到下的各段噴水量設(shè)定值。
淬火機各段噴水量設(shè)定值表
冷卻區(qū)域噴水量(L/min)高壓段上6 300下9150中壓段上5000下6300低壓段上3000下5000 步驟四，根據(jù)實際淬火結(jié)果，修正同批次后續(xù)鋼板水量設(shè)定值。
18
淬火結(jié)束后板坯向下翹曲，ski = -0. 2根據(jù)式(18)、式(19),B1 = 5, a2 = 25，slope = _0· 005 得到 再次調(diào)用預(yù)設(shè)定模型，重復(fù)步驟二，按照圖2的計算流程，得到修正后的各段水量 的設(shè)定值，如下表所示。淬火機各段噴水量設(shè)定值
以此水量計算出的溫度分布如圖5所示，與淬火結(jié)束后測得的鋼板溫度值有較強 的一致性。以此噴水量作為后續(xù)鋼板的水量設(shè)定值，可以實現(xiàn)板形改善，使力學(xué)性能滿足要 求。本技術(shù)領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到，以上的實施例僅是用來說明本發(fā)明， 而并非用作為對本發(fā)明的限定，只要在本發(fā)明的實質(zhì)精神范圍內(nèi)，對以上實施例的變化、變 型都將落在本發(fā)明的權(quán)利要求書范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
一種基于模型控制的鋼板淬火冷卻方法，適用于鋼板在淬火機上的淬火，其特征在于，包括以下步驟獲取所述鋼板的各元素比例以及目標(biāo)硬度，將所述鋼板的各元素比例輸入建立的臨界冷卻速度模型，計算輸出各金相組織成分對應(yīng)的各臨界冷卻速度；建立與所述各臨界冷卻速度對應(yīng)的金相組織硬度模型，將所述臨界冷卻速度、鋼板的各元素比例以及各金相組織比例輸入所述金相組織硬度模型，計算輸出金相組織硬度；根據(jù)所述金相組織硬度模型確定的金相組織硬度與金相組織比例的對應(yīng)關(guān)系，確定所述目標(biāo)硬度對應(yīng)的金相組織比例，將所述目標(biāo)硬度及其對應(yīng)的金相組織比例輸入所述金相組織硬度模型，計算輸出目標(biāo)冷速；將獲取的所述淬火機的輥道速度、板坯厚度輸入建立的鋼板走速模型，計算輸出鋼板走速；建立鋼板溫度模型，所述鋼板溫度模型根據(jù)所述鋼板的相關(guān)參數(shù)、所述鋼板走速相對應(yīng)的鋼板運行時間，計算所述鋼板的實時溫度，并計算所述鋼板在所述淬火機各區(qū)域內(nèi)的平均冷卻速度；根據(jù)淬火機各區(qū)域的上下噴水量建立水量優(yōu)化模型，當(dāng)所述鋼板溫度模型輸出的平均冷卻速度不符合所述目標(biāo)冷速時，所述水量優(yōu)化模型改變上下噴水量以調(diào)整所述鋼板的平均冷卻速度。
2.如權(quán)利要求1所述的冷卻方法，其特征在于，所述方法還包括板形修正步驟2.1、獲取所述鋼板的翹曲度；2.2、建立鋼板換熱系數(shù)修正模型，根據(jù)所述鋼板翹曲度以及預(yù)定規(guī)則對所述鋼板的上 下表面的換熱系數(shù)進行修正。
3.如權(quán)利要求1所述的冷卻方法，其特征在于，所述臨界冷卻速度模型為IogV = K-(A · C% +B · Mn% +D · Ni% +E · Cr% +F · Mo% +G · Pa)其中，K、A、B、D、E、F、G為回歸系數(shù)，根據(jù)試驗數(shù)據(jù)回歸得出；C、Mn、Ni、Cr、Mo分別為 碳、錳、鎳、鉻、鉬元素的百分含量；Pa為奧氏體化參數(shù)” =‘ T為溫度，R為理想氣體常數(shù)，Δ H為過程的激{Τ AH J活能，t為時間。
4.如權(quán)利要求3所述的冷卻方法，其特征在于，所述臨界冷卻速度模型的回歸系數(shù)見 下表 其中，MruMo為錳、鉬元素的百分含量； 上表中的各臨界冷卻速度的含義見下表
5.如權(quán)利要求4所述的冷卻方法，其特征在于，所述金相組織硬度模型包括基本金相 組織硬度模型和混合金相組織硬度模型，所述基本金相組織硬度模型為 所述混合金相組織硬度模型為其中，Xi為金相組織比例(wt% )，Hiar 一 100 ,為金相組織硬度，i = 1，2，3，分別代表馬氏體，貝氏體，鐵素體/珠光體；C、Mn、Ni、Cr、Mo、 Si、V分別為碳、錳、鎳、鉻、鉬、硅、釩元素的百分含量；其中，所述基本金相組織硬度模型和所述混合金相組織硬度模型確定的所述臨界冷卻 速度、金相組織硬度以及金相組織比例的對應(yīng)關(guān)系見下表 其中 CIm = 127+949 · C% +27 · Si% +11 · Mn% +8 · Ni% +16 · Cr%, C2M = 21， CIb = -323+185 · C% +330 · Si% +153 · Mn% +65 · Ni% +144 · Cr% +191 · Mo% C2b = 89+53 · C% -55 · Si% -22 · Mn% -10 · Ni% -20 · Cr% -33 · Mo% CIf = 42+223 · C% +53 · Si% +30 · Mn% +12. 6 · Ni% +7 · Cr% +19 · Mo% C2f = 10-19 · Si% +4 · Ni% +8 · Cr% +130 · N%0
6.如權(quán)利要求5所述的冷卻方法，其特征在于，所述鋼板走速模型為 RollerSpeed = α, * thickness” ,其中，R011 erSpeed為鋼板走速(淬火機輥道速度)，thickness為板坯厚度，Ci1, α 2為回歸系數(shù)。
7.如權(quán)利要求6所述的冷卻方法，其特征在于，所述鋼板溫度模型的工作流程包括以 下步驟7. 1、根據(jù)鋼板厚度、鋼板熱導(dǎo)率、鋼板上下表面熱流以及鋼板熱擴散系數(shù)建立所述鋼 板的一維非對稱熱傳導(dǎo)方程；7. 2、根據(jù)所述一維非對稱熱傳導(dǎo)方程，建立沿鋼板厚度方向上的溫度分布方程，再按鋼板運行時間計算鋼板實時的斷面溫度；7.3、獲取鋼板進入淬火機的預(yù)定區(qū)域時的初始平均溫度、離開該區(qū)域的最終平均溫度 以及在該區(qū)域的停留時間，計算輸出鋼板的平均冷卻速度。
8.如權(quán)利要求7所述的冷卻方法，其特征在于，所述一維非對稱熱傳導(dǎo)方程為 其中，s = Η/2，H為鋼板厚度；λ為鋼板熱導(dǎo)率；Φ s、Φ工分別為鋼板 上下表面熱流；a2為鋼板熱擴散系數(shù)。
9.如權(quán)利要求8所述的冷卻方法，其特征在于，所述水量優(yōu)化模型中，設(shè)第i段冷卻 區(qū)域的上下噴水量初始值為fluxt。p、fluxb。t，將其作為基準(zhǔn)值，在這兩個基準(zhǔn)值的上下，以 Δ flux為步長，η為步數(shù)，形成兩組水量，分別為第一組噴水量，{fluxtop-n · Δ flux, f Iuxtop- (n-1) · Δ flux, . . . , f Iuxtop, f Iuxtop+ Δ flux,..., fluxtop+n · Δ flux}；第二組噴水量，{fluxbot-n · Δ flux f Iuxbot- (n-1) · Δ flux, . . . , f Iuxbot, f Iuxbot+ Δ flux,..., fluxbot+n · Δ flux}；上述兩組噴水量逐一配對，形成(2n+l) X (2n+l)組上下噴水量配對，當(dāng)所述鋼板溫度 模型輸出的平均冷卻速度不符合所述目標(biāo)冷速時，所述水量優(yōu)化模型改變上下噴水量以調(diào) 整所述鋼板的平均冷卻速度。
10.如權(quán)利要求2所述的冷卻方法，其特征在于，所述鋼板換熱系數(shù)修正模型中，當(dāng)下 表面的換熱系數(shù)小于上表面的換熱系數(shù)時，根據(jù)下列公式對上下表面的換熱系數(shù)進行修 正 其中，ski為鋼板翹曲度；RatioValue為下表面換熱系數(shù)的修正參數(shù)叫，a2, slope為 公式的調(diào)試參數(shù)；α t。p，α bot分別為上下表面的換熱系數(shù)。
全文摘要
本發(fā)明揭示了一種基于模型控制的鋼板淬火冷卻方法，首先根據(jù)鋼板的元素比例及目標(biāo)硬度，建立硬度和冷速的相關(guān)模型，計算出鋼板的目標(biāo)冷速；再根據(jù)目標(biāo)冷速，利用建立的鋼板走速模型計算出鋼板走速；利用水量優(yōu)化模型得到淬火機上下噴水量初始值，利用建立的溫度模型得到鋼板預(yù)測溫度分布，從而得到冷速預(yù)測分布，如果此分布不滿足之前得到的目標(biāo)冷速，則水量優(yōu)化模型將重新選擇噴水量，直到滿足冷速要求，此時的噴水量及鋼板走速即為本發(fā)明的輸出結(jié)果。最后，在淬火結(jié)束后，還可以通過板形修正步驟對鋼板的翹曲進行修正，從而提高相同批次后續(xù)鋼板的淬火精度。
文檔編號C21D1/18GK101928811SQ20091005360
公開日2010年12月29日 申請日期2009年6月23日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月23日
發(fā)明者焦四海, 閆博 申請人:寶山鋼鐵股份有限公司