一種立式淬火爐熱處理階段劃分方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及熱處理領(lǐng)域，尤其涉及一種立式淬火爐熱處理階段劃分方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 高強(qiáng)度鋁合金模鑄件是飛機(jī)大梁、龍骨、火箭、導(dǎo)彈端環(huán)、發(fā)動(dòng)機(jī)缸體等航空航天 器重要組成部分。其冶煉裝置大型立式淬火爐是一種很典型的用于生產(chǎn)高強(qiáng)度鋁合金構(gòu)件 的周期性加熱爐，通過(guò)對(duì)鋁合金進(jìn)行固熔淬火熱處理以提高其硬度，強(qiáng)度，耐磨性，抗腐蝕 性等力學(xué)性能。淬火熱處理的關(guān)鍵在于鋁合金構(gòu)件溫度場(chǎng)的溫度均勻性控制。
[0003] 而溫度均勻性控制的核心在于建立符合構(gòu)件溫度場(chǎng)分布特點(diǎn)的控制模型，并依此 設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的控制算法。構(gòu)件溫度場(chǎng)控制模型的建立基礎(chǔ)依賴于對(duì)淬火工藝的深入機(jī)理分 析，尤其是對(duì)于構(gòu)件熱處理過(guò)程中不同加熱階段的劃分。在不同的加熱階段，構(gòu)件的熱處理 控制性能指標(biāo)是不同的，因此合理的加熱階段的劃分是設(shè)計(jì)準(zhǔn)確的控制算法，是實(shí)現(xiàn)高精 度溫度場(chǎng)均勻性控制的至關(guān)重要的前提，也是淬火工藝中亟待解決的重要技術(shù)難題。
[0004] 通常的淬火熱處理過(guò)程，一般是依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)，將立式淬火爐熱處理過(guò)程通常簡(jiǎn) 單分為升溫階段以及保溫階段兩個(gè)階段。升溫階段位于加熱室內(nèi)壁的電熱元件，以及位于 爐底的兩臺(tái)風(fēng)機(jī)協(xié)調(diào)工作，促使?fàn)t內(nèi)溫度迅速上升。當(dāng)位于工作室內(nèi)壁的熱電偶檢測(cè)到爐 內(nèi)溫度達(dá)到溫度設(shè)定值時(shí)，固熔處理進(jìn)入保溫階段，保溫階段工藝要求爐內(nèi)溫度必須達(dá)到 高均勻性，淬火溫度分布均勻性一般需達(dá)±3°C。但是簡(jiǎn)單的將熱處理過(guò)程劃分為兩段的方 法，只是單純依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工人的經(jīng)驗(yàn)，缺乏對(duì)淬火爐熱處理過(guò)程的定量分析，劃分方法沒(méi)有考 慮到不同材質(zhì)的構(gòu)件熱處理要求是不同的等物理因素。對(duì)于已劃分的加熱階段，也沒(méi)有提 出實(shí)質(zhì)性的定量控制性能指標(biāo)。因此，對(duì)于這種依靠人工經(jīng)驗(yàn)的加熱階段劃分方法，由于缺 乏合理的定量分析，從而導(dǎo)致由升溫階段到保溫階段轉(zhuǎn)變時(shí)容易產(chǎn)生超調(diào)，造成構(gòu)件溫度 分布不均勻而出現(xiàn)過(guò)燒件、欠燒件，嚴(yán)重影響產(chǎn)品品質(zhì)。
[0005] 例如，專利號(hào)201410059811. 9發(fā)明專利，公開(kāi)了一種新的立式淬火爐構(gòu)件溫度場(chǎng) 分布檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括：溫度采集系統(tǒng)，包括安裝在立式淬火爐工作室內(nèi)壁上的多個(gè)熱 電偶，用于采集工作室內(nèi)壁溫度；通信系統(tǒng)，用于將所述溫度采集系統(tǒng)采集到的溫度信息傳 輸給計(jì)算機(jī)溫度場(chǎng)補(bǔ)償系統(tǒng)；計(jì)算機(jī)溫度場(chǎng)補(bǔ)償系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)構(gòu)件熱傳導(dǎo)機(jī)理模型的數(shù)值 求解，將采集到的溫度信息轉(zhuǎn)化為構(gòu)件溫度場(chǎng)分布信息，并實(shí)時(shí)，在線進(jìn)行顯示。顯然該專 利為現(xiàn)場(chǎng)工作人員提供了更精確的構(gòu)件溫度場(chǎng)分布信息，但并沒(méi)有基于淬火爐內(nèi)構(gòu)件精確 的溫度信息，對(duì)整個(gè)淬火工藝的分段策略進(jìn)行深入研究，也沒(méi)有對(duì)淬火爐的熱處理過(guò)程換 熱方式以及工藝機(jī)理進(jìn)行深入分析，更沒(méi)有發(fā)現(xiàn)爐內(nèi)存在一個(gè)由熱對(duì)流為主要傳熱方式到 熱輻射為主要傳熱方式的熱量交換演變過(guò)程，從而該發(fā)明專利對(duì)淬火爐由升溫階段到保溫 階段轉(zhuǎn)變時(shí)產(chǎn)生的構(gòu)件局部溫度超調(diào)，造成構(gòu)件溫度分布不均勻而出現(xiàn)過(guò)燒件、欠燒件，使 產(chǎn)品報(bào)廢，浪費(fèi)資源等一系列問(wèn)題的解決，并沒(méi)有實(shí)質(zhì)性的幫助。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] (一）要解決的技術(shù)問(wèn)題
[0007] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是依靠人工經(jīng)驗(yàn)的淬火爐熱處理階段劃分方法，缺乏合 理的定量分析的問(wèn)題。
[0008] 本發(fā)明基于淬火爐內(nèi)熱交換過(guò)程存在熱對(duì)流與熱輻射的之間相互演變的雙重傳 熱機(jī)理，建立了立式淬火爐構(gòu)件溫度場(chǎng)預(yù)測(cè)模型；基于立式淬火爐構(gòu)件溫度場(chǎng)預(yù)測(cè)模型，定 量計(jì)算了構(gòu)件表面對(duì)流換熱量和輻射換熱量，以及相互轉(zhuǎn)化情況，最后，基于高強(qiáng)度鋁合金 構(gòu)件表面對(duì)流和輻射換熱量的數(shù)值、建立的淬火爐內(nèi)熱對(duì)流與熱輻射演變機(jī)理模型的基礎(chǔ) 上，對(duì)淬火爐的熱處理階段進(jìn)行精確定量劃分。
[0009] (二）技術(shù)方案
[0010] 為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明公開(kāi)了一種立式淬火爐熱處理階段劃分方法，其 根據(jù)對(duì)流換熱量和輻射換熱量2倍差距原理，將淬火爐熱處理階段定量劃分為升溫階段、 過(guò)渡階段和保溫階段；所述對(duì)流換熱量和輻射換熱量2倍差距原理具體為：
[0011] (1)如果當(dāng)淬火爐中被熱處理的構(gòu)件表面總熱量中，由對(duì)流換熱產(chǎn)生的熱量是輻 射換熱產(chǎn)生的熱量的2倍以上，則此時(shí)的熱處理階段為升溫階段；
[0012] (2)如果對(duì)流換熱產(chǎn)生的熱量小于輻射換熱產(chǎn)生的熱量的2倍，且輻射換熱產(chǎn)生 的熱量小于對(duì)流換熱產(chǎn)生的熱量的2倍，則此時(shí)的熱處理階段為過(guò)渡階段；
[0013] (3)如果輻射換熱產(chǎn)生的熱量是對(duì)流換熱產(chǎn)生的熱量的2倍以上，則此時(shí)的熱處 理階段為保溫階段。
[0014] 進(jìn)一步，所述立式淬火爐熱處理階段劃分方法，具備包括如下步驟：
[0015] 1)利用淬火爐內(nèi)工作室壁上安裝的熱電偶，獲取構(gòu)件表面所對(duì)應(yīng)的工作室壁的實(shí) 時(shí)測(cè)量溫度；
[0016] 2)在已獲得的工作室壁的實(shí)時(shí)測(cè)量溫度的基礎(chǔ)上，利用構(gòu)件溫度場(chǎng)預(yù)測(cè)模型，計(jì) 算獲取構(gòu)件表面任一點(diǎn)精確的溫度；
[0017] 3)利用構(gòu)件表面上任一點(diǎn)精確的溫度值，初步計(jì)算不考慮對(duì)流傳熱和輻射傳熱相 互影響的構(gòu)件表面的對(duì)流換熱量和輻射換熱量的數(shù)值；
[0018] 4)利用對(duì)流輻射機(jī)理演變模型，并結(jié)合步驟3)中計(jì)算得出的對(duì)流換熱量以及輻 射換熱量的數(shù)值，對(duì)構(gòu)件表面的對(duì)流換熱量和輻射換熱量進(jìn)行修正，并分別繪制以構(gòu)件表 面溫度為自變量的修正后的對(duì)流換熱量變化曲線和輻射換熱量變化曲線；
[0019] 5)根據(jù)對(duì)流換熱量和輻射換熱量2倍差距原理，將淬火爐熱處理階段的構(gòu)件表面 溫度區(qū)間劃分為升溫階段、過(guò)渡階段和保溫階段。
[0020] 6)最后根據(jù)步驟5)中獲得的劃分各個(gè)階段的所述溫度區(qū)間，結(jié)合構(gòu)件的實(shí)時(shí)溫 度將淬火爐熱處理階段進(jìn)行定量實(shí)時(shí)的劃分。
[0021] 進(jìn)一步，形狀為圓柱體的大型構(gòu)件的所述構(gòu)件溫度場(chǎng)預(yù)測(cè)模型表示為以下公式 (6)：
[0023] 其中r、P、c和A分別為構(gòu)件的半徑、密度、比熱容和熱傳導(dǎo)系數(shù)，而T為構(gòu)件溫 度場(chǎng)分布函數(shù)；另外，r、0、z構(gòu)成構(gòu)件的圓柱坐標(biāo)（r, 0，z);qsurfat：f；為構(gòu)件表面的熱流密 度；t為時(shí)間。
[0024] 進(jìn)一步，所述步驟3)中計(jì)算所述構(gòu)件表面的對(duì)流換熱量和福射換熱量的數(shù)值時(shí)， 結(jié)合淬火爐的物理結(jié)構(gòu)和淬火爐的多區(qū)段徑向環(huán)繞加熱工作方式，將淬火爐的工作室腔按 照加熱室壁的熱電偶排列順序，從上至下分為若干個(gè)圓柱區(qū)域，假設(shè)若干個(gè)圓柱區(qū)域內(nèi)空 氣溫度和工作室內(nèi)壁溫度均勻且為中心熱電偶測(cè)量溫度；且設(shè)工作室腔上、下底面區(qū)域的 空氣溫度為其臨近區(qū)域的熱電偶測(cè)量溫度，在此假設(shè)基礎(chǔ)上分別計(jì)算構(gòu)件表面對(duì)流換熱量 和福射換熱量。
[0025] 進(jìn)一步，所述步驟3)中，對(duì)流換熱量數(shù)值的計(jì)算方法如下：
[0026] 采用牛頓換熱公式（7)分別計(jì)算每個(gè)圓柱區(qū)域中空氣通過(guò)熱對(duì)流方式傳遞給構(gòu) 件的熱量，
[0028] 其中ka為空氣熱傳導(dǎo)率，Pr為普朗特?cái)?shù)，D為工作室直徑，Re為雷諾數(shù)，F(xiàn)為空氣 流動(dòng)的平均流速，根據(jù)淬火工藝取定為15m/s，Pa為空氣密度，y為空氣動(dòng)力粘度，Ca為空 氣比熱容，為每區(qū)域的對(duì)流換熱熱流密度，q。為構(gòu)件的對(duì)流換熱熱流密度，Ii1為每區(qū)的對(duì) 流換熱系數(shù)，T1為第i區(qū)域工作室內(nèi)壁溫度；n為圓柱區(qū)域數(shù)量，n個(gè)圓柱區(qū)域的對(duì)流換熱 量的總和即為構(gòu)件表面的對(duì)流換熱熱量的總量。
[0029] 進(jìn)一步，所述步驟3)中，福射換熱量數(shù)值的計(jì)算方法如下：
[0030] 假設(shè)每個(gè)圓柱區(qū)域的柱環(huán)面都是各向同性的，且溫度分布均勻；假設(shè)工作室腔上、 下底面不參與整個(gè)輻射換熱過(guò)程，因此構(gòu)件和工作室壁的輻射換熱只發(fā)生于側(cè)表面之間； 假設(shè)側(cè)壁間的輻射換熱過(guò)程為無(wú)參與性氣體媒介的輻射換熱過(guò)程，采用凈輻射法計(jì)算各個(gè) 圓柱區(qū)域的輻射換熱量；
[0031] 凈輻射法是輻射換熱領(lǐng)域里面用于求解輻射換熱的一種通用方法，本發(fā)明的具體 計(jì)算步驟如下：
[0032]引入以下向量和矩陣，柱環(huán)面面積向量S= [Sl]T、柱環(huán)面介質(zhì)黑度向量e=[eJ T、柱環(huán)面有效福射向量B= [Bj1、柱環(huán)面入射福射能向量H= [Hi]1、柱環(huán)面的福射力E= [E1]1=[OT1]1、構(gòu)件側(cè)表面的凈輻射換熱量Q= [QJ1、兩柱環(huán)面間的直接輻射面積矩陣
j= 1，2,…，n;n為圓柱區(qū)域總數(shù)；
[0033] 根據(jù)凈輻射法計(jì)算輻射傳熱的基本原理，兩柱環(huán)面間直接輻射面積采用式（8)計(jì) 算，
[0035] 式中，R為工作室半徑，S1,Qj分別為兩柱環(huán)面中的微元中心在柱面坐標(biāo)中的夾 角坐標(biāo)，Ii1,卜分別為兩柱環(huán)面中的微元中心在柱面坐標(biāo)中的高度坐標(biāo)，r為兩柱環(huán)面中的 微元中心連線距離；同時(shí)，在凈輻射法中的區(qū)域有效輻射能和入射輻射能之間基本等量關(guān) 系用式（9)、（10)的矩陣形式表示，
[0036] 6//ag{SjH-ssB (9)
[0037] B = (I-diag{e})H+diag{e}E(10)
[0038] 則構(gòu)件側(cè)表面凈輻射換熱量Q可用式（11)求得，
[0039] Q = diag{S} (H-B) (1)
[0040]聯(lián)立式（9)、（10)和（11)可得構(gòu)件側(cè)表面的凈輻射換熱量Q只與兩柱環(huán)面間的總 輻射交換面積相關(guān)的計(jì)算公式（12)，
[0044] 綜上所述，構(gòu)件表面輻射換熱熱流密度可由下式（1