專利名稱：一種基于模型控制的鋼板淬火時的板形修正方法
技術領域：
本發明涉及鋼鐵行業的淬火領域，特別涉及一種基于模型控制的鋼板淬火時的板 形修正方法。
背景技術：
鋼板特別是厚板的淬火過程是調整材料組織性能的關鍵工藝，對生產具有穩定力 學性能和良好板形的高強度厚板至關重要。淬火機是關鍵設備，一般采用上下噴射、噴淋的 冷卻方式。由于厚板材質和規格的不同，往往造成鋼板上下冷卻的不均勻，產生溫度應力和 組織應力，使得鋼板產生翹曲。專利CN200320103136. 2，公開了一種用于薄規格防彈鋼板的壓力淬火裝置，該裝 置是利用一定厚度鋼板將冷卻水與淬火防彈鋼板隔離，通過冷卻水對分隔鋼板冷卻，再由 分隔鋼板進一步冷卻淬火防彈鋼板，達到淬火目的，其特征在于分隔鋼板內鑲嵌有冷卻水 循環管路，其中冷卻水循環管路的一端設有冷卻水進口，另一端設有冷卻水出口，能夠保障 板形和平整度，并使鋼板不產生淬火開裂。該專利是通過設計或改進冷卻裝置的方法控制 板形，與本發明通過模型控制的方法不同。專利JP2003293030A，公開了一種鋼板冷卻方法，能夠在鋼板控冷過程中控制板 形，該方法基于預測的鋼板溫度和軋后鋼板表面實際溫度的偏差，來設定冷卻過程鋼板上 下表面冷卻水的水流密度，通過檢測冷卻區入口處鋼板上下表面的溫度，來修正冷卻水的 水流密度。該專利與本發明的基于鋼板翹曲量的模型控制方法并不相同。
發明內容
本發明的目的是提供一種基于模型控制的鋼板淬火時的板形修正方法，通過建立 控制模型來實現對鋼板板形的控制。本發明提供一種基于模型控制的鋼板淬火時的板形修正方法，適用于鋼板在淬火 機中的淬火過程，包括以下步驟獲取所述鋼板的翹曲量以及尺寸參數并輸入建立的鋼板表面組織分布模型，計算 輸出鋼板上下表面馬氏體份數比；獲取所述鋼板的上表面或下表面溫度并將其輸入基于所述鋼板表面組織分布模 型建立的鋼板表面溫度模型，計算輸出鋼板的下表面或上表面溫度，并得出鋼板的上下表 面的冷速比；根據淬火機各區域的上下噴水量建立水量優化模型，根據所述鋼板的上下表面的 冷速比，所述水量優化模型改變上下噴水量以調整所述鋼板的上下表面的冷速，實現對所 述鋼板板形的修正。所述鋼板表面組織分布模型為
4_ 1] ^ 二 ^arSki2+a2-(w/2f )舉)^
^botw/2，
(1 ski < 0 υι
Λ，_夂為鋼板上下表面馬氏體份數比，ski為鋼板翹曲 _1 sh >0 mbot
量，w為鋼板寬度，ai; a2, k為回歸系數。
所述鋼板表面溫度模型為
_ ‘》.(W2)2“喻‘)
Vw/2l_e-c(Ms-Tbol)
1 ski < 0其中//(流)=。乂為馬氏體相變溫度“為回歸系數，！^，！^為上下
卜1 ski > 0
表面的溫度，ski為鋼板翹曲量，W為鋼板寬度，H1, H2, k為回歸系數。所述水量優化模型中，設第i段冷卻區域的上下噴水量初始值為fluxt。p、fluxbot, 將其作為基準值，在這兩個基準值的上下，以ΔΠιιχ為步長，η為步數，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}；第二組噴水量，{fluxbot-n · Δ flux, fIuxbot- (n-1) · Δ flux, . . .，fIuxbot, fIuxbot+ 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，當所述鋼板 的上下表面的冷速有差異時，所述水量優化模型改變上下噴水量以調整所述鋼板的上下表 面的冷速。所述方法還包括將所述鋼板的上下表面的冷速比輸入建立的鋼板換熱系數修正 模型，所述鋼板換熱系數修正模型對鋼板相應表面的換熱系數進行修正。所述鋼板換熱系數修正模型中，當下表面的換熱系數小于上表面的換熱系數時， 根據下列公式對上下表面的換熱系數進行修正
Ratio Value =-(“1 丨 ^2)ρ + α2其中，ski為鋼板翹曲度；RatioValue為下表面換熱系數的修正參數叫，a2，Sl0pe 為公式的調試參數；α t。p，α bot分別為上下表面的換熱系數。所述方法還包括以下步驟獲取所述鋼板走速，建立鋼板溫度模型，所述鋼板溫度模型根據所述鋼板的相關 參數、所述鋼板走速相對應的鋼板運行時間，計算所述鋼板的實時溫度，并計算所述鋼板在 所述淬火機各區域內的平均冷卻速度；當所述鋼板溫度模型輸出的平均冷卻速度不符合設定冷速時，所述水量優化模型
5改變上下噴水量以調整所述鋼板的平均冷卻速度。所述鋼板溫度模型的工作流程包括以下步驟8. 1、根據鋼板厚度、鋼板熱導率、鋼板上下表面熱流以及鋼板熱擴散系數建立所 述鋼板的一維非對稱熱傳導方程；8. 2、根據所述一維非對稱熱傳導方程，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；8. 3、獲取鋼板進入淬火機的預定區域時的初始平均溫度、離開該區域的最終平均 溫度以及在該區域的停留時間，計算輸出鋼板的平均冷卻速度。所述一維非對稱熱傳導方程為
其中，δ = Η/2，H為鋼板厚度；λ為鋼板熱導率；Φ s、Φ =分別為
扎I λ
鋼板上下表面熱流；a2為鋼板熱擴散系數。 采用本發明所述的一種基于模型控制的鋼板淬火時的板形修正方法，首先，根據 實際淬火后的鋼板板形的翹曲方向和翹曲量，利用建立的鋼板表面組織分布模型，計算出 鋼板組織分布的差異；再利用建立的鋼板表面溫度模型，由鋼板上下表面組織分布的差異 得到鋼板上下表面冷卻速度的差異；最后，利用建立的水量優化模型，計算鋼板上下表面換 熱系數比，定量地調整后繼鋼板的水量及分布，以控制板形。
圖1是本發明的主流程圖；圖2是本發明中厚板淬火過程示意圖；圖3是本發明中的厚板淬火過程中的溫度分布圖；圖4是本發明一實施例的流程圖。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例進一步說明本發明的技術方案。參照圖1，圖1顯示了本發明的主流程圖100，包括101、建立鋼板表面組織分布模型，輸出鋼板上下表面馬氏體份數比。獲取所述鋼板的翹曲量以及尺寸參數并輸入建立的鋼板表面組織分布模型，計算 輸出鋼板上下表面馬氏體份數比。102、基于所述鋼板表面組織分布模型建立鋼板表面溫度模型。103、鋼板表面溫度模型輸出鋼板的表面溫度，并得出鋼板的上下表面的冷速比。獲取所述鋼板的上表面或下表面溫度并將其輸入基于所述鋼板表面組織分布模 型建立的鋼板表面溫度模型，計算輸出鋼板的下表面或上表面溫度，并得出鋼板的上下表面的冷速比。104、建立水量優化模型，改變上下噴水量并對鋼板板形進行修正。根據淬火機各區域的上下噴水量建立水量優化模型，根據所述鋼板的上下表面的 冷速比，所述水量優化模型改變上下噴水量以調整所述鋼板的上下表面的冷速，實現對所 述鋼板板形的修正。參見圖4，圖4顯示了本發明一實施例的流程圖200，首先進行鋼板組織分布計算 (步驟201、202)，其次進行鋼板上下表面冷卻速度和換熱系數的計算(步驟203、204)，最后 進行鋼板溫度分布計算和上下噴水量計算(步驟206、207)。下面進行詳細的闡述首先獲取鋼板的翹曲量，鋼板的厚度方向上翹曲量以ski表示，鋼板向下翹，ski 取負值；鋼板向上翹，Ski取正值；鋼板平直，Ski取零。翹曲量的檢測可以采用翹曲量檢測 設備，也可以采用人工檢測。淬火過程中鋼板冷卻不均，造成組織各相的分布不均，由于這種各相分布的差異， 最終導致板形的翹曲。由于淬火過程冷卻速度較快，鋼板非常容易從奧氏體達到接近純馬 氏體組織，形成的珠光體很少，珠光體項可近似看成常量，因此鋼板翹曲量主要與上下表面 馬氏體相變的份數差異有直接的關系，本發明利用實際數據，采用統計回歸的方法，建立以 下鋼板表面組織分布模型來描述他們之間的關系，可以由此得到鋼板上下表面馬氏體份數 比。
其中F(欣0= ,為鋼板上下表面馬氏體份數比，ski為鋼板翹曲
量，w為鋼板寬度，ai; a2, k為回歸系數(這些回歸系數均根據試驗數據回歸得到，作為一實 施例，可以分別取值為B1 = 122，a2 = l,k = 1. 18)。基于翹曲量與鋼板表面組織分布模型，得到了鋼板上下表面馬氏體份數之比后， 可以用它與冷卻速度之間關系的模型，獲得鋼板上下表面的冷卻速度比。奧氏體-馬氏體相變，通常使用指數生長法則，本發明采用Koistinen (寇斯特) 公式和Marburger (馬伯格)公式，如下式所示。 其中//(My-T(O) = L‘ A,m(t)為t時刻馬氏體份數，Ms為馬氏體相
變溫度，t(t)為t時刻溫度，c為回歸系數(可通過試驗數據回歸得到其值，作為一實施例， 可以取值為-O. 0016)。由(2)式，則可以得到(3)式， mtop _ 其中Tt。p，Tbot為上下表面的溫度。
從而由⑴、(3)就得到鋼板表面溫度模型
_2] M-Ski2+a2-(wf2y h一
1w!2)- I^e-C(Ms-Tbot)(4)根據式(4)及淬火機出口處鋼板上表面溫度Tt。p，即可得到鋼板下表面溫度Tb。t。然后可得到上下表面的冷速比， νT=其中S為回歸系數(可通過試驗數據回歸得到其值，作
vbo<ho,( 5 ),
為一實施例，可以取值為3)。由于淬火過程中鋼板上下表面的換熱系數不同，通過上面得到的鋼板上下表面冷 速差，修正上下表面的換熱系數，來調整模型對上下表面水量的設定，最終達到調整上下表 面冷卻速度的目的。首先，根據上節冷卻速度模型得到的上下表面冷速比，及已知設定水 量，即可修正上下表面換熱系數；之后，使用水量計算模型，即可得到修正后的鋼板上下表 面水量值。建立鋼板換熱系數修正模型，該模型在下表面的換熱系數小于上表面的換熱系數 時，根據下列公式對上下表面的換熱系數進行修正
Ratio Value =-(“1 丨。2)~ρ + α21 , —W-1、,, RatioVaIue、
1 + expl1—-L)α. , = atnn χ (1--)
slope( ) ,Ρ100 J (T)其中，ski為鋼板翹曲度；RatioValue為下表面換熱系數的修正參數叫，a2，Sl0pe 為公式的調試參數；α t。p，α bot分別為上下表面的換熱系數。最后進行上下噴水量的計算，參見圖2，首先根據噴水方式的不同，將三段式淬火 機的淬火區域分為高壓、中壓、低壓段；之后，沿板坯運行方向，依次計算板坯通過各段區域 時的溫度分布，以及在各段區域的運行時間，由此得出板坯在各淬火段中的冷卻速度，并與 設定冷速比較，來調整水量。具體見以下步驟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定的，本發 明采用回歸的方法，對實際生產數據中，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)RollerSpeed = α, * thickness"1( 8 )其中，RollerSpeed為鋼板走速(淬火機輥道速度)；thickness 為板坯厚度；α ^a2為回歸系數。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，以及鋼板內部的 熱傳導過程。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方程描述
8
5Θ 2 52θ
=α
dt δχ2 θ(χ,0) = θ0(χ)
Φχ
5Χael5x
χ=δ
=-δ
λ
λ
(9)其中δ = Η/2，Η 鋼板厚度，λ :鋼板熱導率，Φ5, Φχ 鋼板上下表面熱流，a2 鋼 板熱擴散系數。利用以上的一維非對稱熱傳導方程，從空間上建立延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域的溫度分布計算完成之后，通過計算板坯進入該區 域的初始平均溫度、離開該區域的最終平均溫度，以及在該區域中的停留時間，即可求出鋼 板在該區域的平均冷卻速度。 V
cooling
—i_t0)
(10)
其中，V。。。ling為平均冷卻速度；
t
final
為鋼板離開該段區域時的最終平均溫度；
to為鋼板進入該段區域時的初始平均溫度； τ j為鋼板在該段區域的運行時間(停留時間)。
建立水量優化模型，根據公式(15)得到的平均冷卻速度，與設定冷速進行比較， 即可通過水量優化模型對各段水量的設定值進行優化調整了。所述水量優化模型中，設第i段冷卻區域的上下噴水量初始值為fluxt。p、fluxbot, 將其作為基準值，在這兩個基準值的上下，以ΔΠιιχ為步長，η為步數，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} ； (11)第二組噴水量，{fluxbot-n · Δ flux, fIuxbot- (n-1) · Δ flux, . . .，fIuxbot, fIuxbot+ Δ flux,...， fluxbot+n · Δ flux}； (12)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，當所述鋼板 溫度模型輸出的平均冷卻速度不符合所述設定冷速時，所述水量優化模型改變上下噴水量 以調整所述鋼板的平均冷卻速度，實現對板形的修正。其對照設定冷速，選取最優的水量 組，即為該段區域的水量設定值。另外，當所述鋼板的上下表面的冷速比存在差異時，所述 水量優化模型改變上下噴水量以調整所述鋼板的上下表面的冷速，實現對所述鋼板板形的 修正。下面通過一個具體實施例來說明，現有淬火機一臺，設置于輥底式熱處理爐之
9后，用于厚板的淬火處理，生產B6loE、SHT’700、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一50mm，板寬最大為3lOOmm。以SHT900鋼板為例鋼板厚度為35mm，開冷溫度值為900℃，設定冷速12℃／S，各段水量如表l所示，淬火結束后板坯向下翹曲20mm。
表l淬火過程各段水量設定值
步驟一，計算鋼板上下表面馬氏體相變份數差(馬氏體份數比)。Ski一一20，W一2150，回歸系數a、一122，a、一l，k—1．18由式‘l，得
步驟二，計算鋼板上下表面冷速差比。
由式 ‘4， 1．21浥如c(Ms-rhot得到 Tbot 一 10s℃由式
步驟三，計算鋼板上下表面噴水量。1)計算上下表面換熱系數比。根據式(6)
得至uabo，’c真op x‘l一等，0．95．a,or．，2)計算溫度分布式(8)中
表2修正后水量設定值
將輥道速度與上下表面換熱系數比，帶入式(7)、式(9)的方程組，采用一維差分 算法，即可求出淬火過程的溫度分布，由于馬氏體相變主要發生在中壓段，根據設定冷速， 即可求出修正后的水量設定值，如表2所示。以此水量計算出的厚板淬火過程中的溫度分 布圖如圖3所示，與淬火結束后側的鋼板溫度值有較強的一致性。以此水量作為后繼鋼板 的水量設定值，板形改善明顯。本技術領域中的普通技術人員應當認識到，以上的實施例僅是用來說明本發明， 而并非用作為對本發明的限定，只要在本發明的實質精神范圍內，對以上實施例的變化、變 型都將落在本發明的權利要求書范圍內。
權利要求
一種基于模型控制的鋼板淬火時的板形修正方法，適用于鋼板在淬火機中的淬火過程，其特征在于，包括以下步驟獲取所述鋼板的翹曲量以及尺寸參數并輸入建立的鋼板表面組織分布模型，計算輸出鋼板上下表面馬氏體份數比；獲取所述鋼板的上表面或下表面溫度并將其輸入基于所述鋼板表面組織分布模型建立的鋼板表面溫度模型，計算輸出鋼板的下表面或上表面溫度，并得出鋼板的上下表面的冷速比；根據淬火機各區域的上下噴水量建立水量優化模型，根據所述鋼板的上下表面的冷速比，所述水量優化模型改變上下噴水量以調整所述鋼板的上下表面的冷速，實現對所述鋼板板形的修正。
2.如權利要求1所述的修正方法，其特征在于，所述鋼板表面組織分布模型為 mtop = — .ski2 +α2·—/2 γη— . k 其中，,為鋼板上下表面馬氏體份數比，ski為鋼板翹曲量，w 卜 1 ski > 0 mhot為鋼板寬度，ai; a2, k為回歸系數。
3.如權利要求2所述的修正方法，其特征在于，所述鋼板表面溫度模型為 其中//(流)=q ski>Q,\為馬氏體相變溫度，c為回歸系數，Ttop, Tbot為上下表面的溫度，ski為鋼板翹曲量，w為鋼板寬度，ai; a2, k為回歸系數。
4.如權利要求3所述的修正方法，其特征在于，所述水量優化模型中，設第i段冷卻 區域的上下噴水量初始值為fluxt。p、fluxb。t，將其作為基準值，在這兩個基準值的上下，以 Δ flux為步長，η為步數，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，當所述鋼板的上 下表面的冷速有差異時，所述水量優化模型改變上下噴水量以調整所述鋼板的上下表面的 冷速。
5.如權利要求4所述的修正方法，其特征在于，所述方法還包括將所述鋼板的上下表 面的冷速比輸入建立的鋼板換熱系數修正模型，所述鋼板換熱系數修正模型對鋼板相應表 面的換熱系數進行修正。
6.如權利要求5所述的修正方法，其特征在于，所述鋼板換熱系數修正模型中，當下表 面的換熱系數小于上表面的換熱系數時，根據下列公式對上下表面的換熱系數進行修正 其中，ski為鋼板翹曲度；RatioValue為下表面換熱系數的修正參數叫，a2, slope為 公式的調試參數；α t。p，α bot分別為上下表面的換熱系數。
7.如權利要求6所述的修正方法，其特征在于，所述方法還包括以下步驟獲取所述鋼板走速，建立鋼板溫度模型，所述鋼板溫度模型根據所述鋼板的相關參數、 所述鋼板走速相對應的鋼板運行時間，計算所述鋼板的實時溫度，并計算所述鋼板在所述 淬火機各區域內的平均冷卻速度；當所述鋼板溫度模型輸出的平均冷卻速度不符合設定冷速時，所述水量優化模型改變 上下噴水量以調整所述鋼板的平均冷卻速度。
8.如權利要求7所述的修正方法，其特征在于，所述鋼板溫度模型的工作流程包括以 下步驟8. 1、根據鋼板厚度、鋼板熱導率、鋼板上下表面熱流以及鋼板熱擴散系數建立所述鋼 板的一維非對稱熱傳導方程；8. 2、根據所述一維非對稱熱傳導方程，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；8. 3、獲取鋼板進入淬火機的預定區域時的初始平均溫度、離開該區域的最終平均溫度 以及在該區域的停留時間，計算輸出鋼板的平均冷卻速度。
9.如權利要求8所述的修正方法，其特征在于，所述一維非對稱熱傳導方程為 _Φ5 其中，S =H/2，H為鋼板厚度；λ為鋼板熱導率；Φs、(^分別為鋼板上下表面熱流；a2為鋼板熱擴散系數。
全文摘要
本發明揭示了一種基于模型控制的鋼板淬火時的板形修正方法，首先，根據實際淬火后的鋼板板形的翹曲方向和翹曲量，利用建立的鋼板表面組織分布模型，計算出鋼板組織分布的差異；再利用建立的鋼板表面溫度模型，由鋼板上下表面組織分布的差異得到鋼板上下表面冷卻速度的差異；最后，利用建立的水量優化模型，計算鋼板上下表面換熱系數比，定量地調整后繼鋼板的水量及分布，以控制板形。
文檔編號C21D1/18GK101921907SQ200910052980
公開日2010年12月22日 申請日期2009年6月12日 優先權日2009年6月12日
發明者焦四海, 閆博 申請人:寶山鋼鐵股份有限公司