基于熱處理線淬火機(jī)控制策略的研究與應(yīng)用

王雷，李淑英

（萊蕪鋼鐵集團(tuán)自動(dòng)化部，山東 萊蕪 271104）

0 引言

淬火工藝是通過高溫回火(調(diào)質(zhì)處理)來獲得高強(qiáng)度、高硬度、優(yōu)良韌性的綜合機(jī)械性能鋼板。為擴(kuò)大產(chǎn)品的規(guī)格和品種，獲得更佳的強(qiáng)度和韌性的組合，中厚板軋后的熱處理工藝是必不可少的，較常見的是運(yùn)用?；癄t加熱鋼板，在鋼材組織處于完全奧氏體狀態(tài)時(shí)，由爐后淬火控冷設(shè)備，經(jīng)過急冷處理使鋼材產(chǎn)生馬氏體相變和貝氏體相變，即奧氏體全部轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體或貝氏體，從而改善鋼的性能。本文介紹的是萊鋼4 300cm寬厚板熱處理線淬火機(jī)的控制系統(tǒng)。

1 淬火設(shè)備及工藝概況

輥式淬火機(jī)主要由測厚光柵、固定框架、移動(dòng)上框架、輸送輥道、提升機(jī)構(gòu)、噴水冷卻系統(tǒng)等組成。測厚光柵在檢測到來料鋼板厚度大于設(shè)定輥縫值時(shí)，將激活上框架液壓快速提升裝置，以防鋼板碰撞噴嘴。固定框架由安裝在鋼板運(yùn)輸線方向的門型框架組成。移動(dòng)上框架為可升降框架。提升機(jī)構(gòu)用于提升上框架，由電動(dòng)升降系統(tǒng)和液壓快速提升系統(tǒng)組成。電動(dòng)升降系統(tǒng)主要由電動(dòng)機(jī)及絲杠升降機(jī)組成。液壓提升系統(tǒng)由安裝在升降機(jī)絲杠末端的液壓缸實(shí)現(xiàn)上框架快提及保護(hù)上噴嘴功能。淬火冷卻系統(tǒng)由高壓和低壓兩個(gè)淬火區(qū)組成，通過特殊的噴嘴設(shè)計(jì)、配置以及不同的冷卻水壓力，獲得高、低不同的冷卻強(qiáng)度。

2 淬火控制系統(tǒng)

基礎(chǔ)自動(dòng)化采用1套SIEMENS S7-400PLC,主傳動(dòng)控制系統(tǒng)采用現(xiàn)場總線PROFIBUS DP網(wǎng)實(shí)現(xiàn)。PLC系統(tǒng)和人機(jī)操作界面(HMI)由工業(yè)以太網(wǎng)連接起來。過程自動(dòng)化用于工藝過程控制模型及模塊的計(jì)算處理,實(shí)現(xiàn)合理的工藝參數(shù)設(shè)定。同時(shí),采用自主開發(fā)的數(shù)據(jù)通訊平臺(tái),實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)交換。系統(tǒng)組成如圖1所示。

2.1 淬火控制功能

圖1 淬火控制系統(tǒng)硬件配置

基礎(chǔ)自動(dòng)化主要完成輥式淬火機(jī)順序控制、邏輯控制及設(shè)備控制功能，包括數(shù)據(jù)采集及處理、物料位置跟蹤、閥組控制、輥道速度及提升機(jī)構(gòu)控制等。

數(shù)據(jù)采集及處理主要包括出路板材溫度、水溫、水壓及流量，以及用于板材位置跟蹤的金屬檢測器信號。水量參數(shù)是影響淬火后板材板形和性能穩(wěn)定性的最重要工藝參數(shù)，要求很高的控制精度和快的響應(yīng)速度。輥道速度控制是為了滿足淬火板材的淬硬深度要求，根據(jù)淬火工藝所需的運(yùn)行速度，實(shí)現(xiàn)對淬火板材的速度控制及淬火模式控制。

2.2 淬火模型

淬火過程控制系統(tǒng)模型由溫度控制模型、水量設(shè)定模塊、運(yùn)行速度模塊、輥縫值設(shè)定模塊等組成。此外，根據(jù)熱處理工藝需要, 系統(tǒng)還開發(fā)有淬后組織預(yù)測模型。

2.2.1 工藝策略控制

淬火后板形的好壞是板材淬火冷卻均勻與否的直接體現(xiàn)，也是淬火鋼板熱應(yīng)力和組織應(yīng)力等內(nèi)應(yīng)力綜合作用的宏觀表現(xiàn), 與鋼的成分、尺寸、淬透性，以及淬火介質(zhì)和冷卻方法等多種因素有關(guān)。輥式淬火機(jī)淬火過程的工藝參數(shù)影響因素有：水量參數(shù)(包括水壓、流量及上下水量比)、輥縫、輥道速度等。實(shí)際淬火過程的鋼板變形是上述因素綜合影響的結(jié)果, 是非常復(fù)雜的過程。

組織性能控制的策略在于，基于淬火板材的臨界淬火速度和馬氏體轉(zhuǎn)變溫度要求, 通過設(shè)定合理的淬火工藝參數(shù), 獲得所需的鋼板冷卻速度, 從而保證板材獲得高的表面硬度和所需的淬硬層深度，如圖2所示。

圖2 淬火組織性能控制框圖

通過分析中厚板輥式淬火過程的變形原理和板形缺陷的形成過程, 開發(fā)出淬火過程的板形控制技術(shù)：①鋼板寬向的流量分區(qū)控制技術(shù), 即通過對淬火系統(tǒng)流量分布的有效控制, 實(shí)現(xiàn)淬火鋼板寬向溫度均勻性控制；②鋼板厚度方向的對稱性冷卻控制技術(shù), 即通過對板材淬火條件下的流場和溫度場耦合模擬, 實(shí)現(xiàn)上下噴嘴水量比的精確控制；③高、低壓淬火區(qū)連續(xù)淬火技術(shù), 即在保證淬火鋼板獲得大于臨界淬火速度的高冷速條件下, 通過合理的淬冷過程控制, 降低鋼板淬火內(nèi)應(yīng)力, 減小鋼板變形傾向。

2.2.2 淬火快冷策略

對每一種鋼種和板厚都建立了相應(yīng)的控制模型, 主要包括集管(或噴管)投入的組數(shù)、輥道速度、冷卻道次數(shù)的調(diào)節(jié)。在進(jìn)行模型參考自學(xué)習(xí)時(shí)一般對投入的集管組數(shù)和輥道速度進(jìn)行自學(xué)習(xí)。

控制精度在±15℃, 當(dāng)誤差大于15℃時(shí)才進(jìn)行自學(xué)習(xí), 假定淬火后鋼板的溫度與模型設(shè)定溫度誤差為△t：

15℃<|△t|<50℃時(shí)，僅對輥道速度進(jìn)行自學(xué)習(xí)；

|△t|>50℃時(shí)，僅對投入的集管開啟組數(shù)進(jìn)行自學(xué)習(xí)。

其自學(xué)習(xí)規(guī)則如下:

當(dāng)-50℃<△t<-15℃時(shí)，將輥道速度加快Vn+1=Vn+△V，△V為一小的速度增量；

當(dāng)△t<-50℃時(shí)，停開一組尾部集管；

當(dāng)15℃<△t <50℃時(shí)，將輥道速度減小，Vn+1=Vn-△V，△V為一小的速度增量；

當(dāng)△t>50℃時(shí)，加開一組備用集管。

2.2.3 淬后組織預(yù)測模型

淬后組織性能預(yù)測模型的功能在于, 根據(jù)鋼板的淬火工藝參數(shù), 計(jì)算得到淬火后的板材組織成分及其力學(xué)性能?；诎宀腃CT 曲線、淬火工藝參數(shù)和淬火后板材實(shí)測組織及性能, 通過數(shù)據(jù)回歸分析, 建立了由化學(xué)成分、淬火工藝參數(shù)、臨界冷卻速度、淬火后板材組織成分和硬度的預(yù)測數(shù)學(xué)模型。如圖3所示。

圖3 淬后組織性能預(yù)測模型框圖

3 系統(tǒng)應(yīng)用

此淬火控制系統(tǒng)應(yīng)用于萊鋼4300cm寬厚板熱處理線，通過近1年的生產(chǎn)實(shí)踐采集大量原始數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，加熱溫度是決定淬火前奧氏體的物理和化學(xué)狀態(tài)的主要因素之一，因而對過冷奧氏體的轉(zhuǎn)變動(dòng)力學(xué)、鋼的淬透性及最終的力學(xué)性能具有重要的影響。因此，該系統(tǒng)重點(diǎn)研究加熱溫度對組織及性能的影響，圖4是NM360鋼種和07MnNiMoVDR鋼種加熱到950℃，末端淬火試驗(yàn)后，采集的溫度隨時(shí)間變化的曲線。

根據(jù)該曲線可以計(jì)算出700℃平均冷卻速度，見表1。

表1 計(jì)算的組織及硬度分布

分析不同加熱溫度淬火后計(jì)算硬度和實(shí)測硬度分布的比較得出如下結(jié)論： (1)無論是NM360鋼種還是07MnNiMoVDR鋼種，加熱溫度升高，淬火后實(shí)測的硬度均有所提高，即加熱溫度升高有利于提高鋼的淬透性。其原因有3方面，一是加熱溫度越高，奧氏體的晶粒越大，單位體積內(nèi)的晶界面積減小，非馬氏體型相變的形核位置減少，成核率減小，從而推遲了轉(zhuǎn)變；二是加熱溫度越高，碳化物溶解量越多，從而提高了奧氏體的穩(wěn)定性；三是加熱溫度越高，碳和合金元素的擴(kuò)散也越充分，減少了新相的成核位置。

圖4 鋼加熱到950℃后淬火試樣采集的溫度變化曲線

對于兩種鋼而言，淬后組織預(yù)測模型計(jì)算的組織和硬度基本反映出加熱溫度的影響規(guī)律。事實(shí)上，模型中的參數(shù)Pa正是反映加熱溫度和時(shí)間對組織的影響因子。從Pa的計(jì)算式可知加熱溫度提高Pa增大。而對于同一鋼種而言，Pa增大，計(jì)算的臨界冷速減小，也就是鋼的淬透性提高了。但是由于加熱溫度提高，鋼的蓄熱量增加，在冷卻過程中需要散去的熱量增多而延長了冷卻時(shí)間，降低了冷卻速度。冷速減小，一方面計(jì)算的混合組織中馬氏體的量會(huì)減少，珠光體／鐵素體的量會(huì)增加，另一方面單相的硬度也會(huì)減少。綜合上面的兩方面因素可知，加熱溫度升高計(jì)算的硬度可能增大也有可能降低，主要取決于哪方面的影響更強(qiáng)。計(jì)算的硬度和實(shí)測值之間存在一定的誤差.尤其是對于NM360鋼種而言，雖大硬度差可達(dá)51.9HV，這需要在生產(chǎn)過程通過采集大量的原始數(shù)據(jù)優(yōu)化模型的自學(xué)習(xí)功能從而降低模型的偏差。

4 結(jié)論

萊鋼4 300 mm寬厚板熱處理淬火控制系統(tǒng)改變了傳統(tǒng)的淬火控制方式，即由操作工根據(jù)經(jīng)驗(yàn)在監(jiān)控畫面上輸入水量和輥道速度，通過L1實(shí)現(xiàn)控制，這種方式對于不同成分、不同規(guī)格的產(chǎn)品控制性能極不穩(wěn)定，且有時(shí)會(huì)造成淬火后板形不良，一方面給后續(xù)工序處理帶來困難，另一方面難以生產(chǎn)出高性能高附加值的產(chǎn)品，不利于市場競爭。

該系統(tǒng)根據(jù)產(chǎn)品最終性能需求并兼顧淬火后鋼板板形質(zhì)量，按照其實(shí)際規(guī)格和成分，計(jì)算需要的輥道速度、各冷卻段的水量等等工藝參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)調(diào)質(zhì)鋼板產(chǎn)品的性能和板形的穩(wěn)定控制。其中開發(fā)的淬后組織預(yù)測模型建立起了鋼化學(xué)成分、加熱溫度、冷卻速度與硬度之間的關(guān)系，生產(chǎn)實(shí)踐證明，從奧氏體再結(jié)晶狀態(tài)下直接淬火可提高鋼的淬透性，而強(qiáng)度、韌性也增加；晶粒得到細(xì)化，使合金含量，特別是微合金元素減少，降低成本，還可降低鋼中碳含量和碳當(dāng)量，從而提高鋼板的焊接性能，在熱處理生產(chǎn)線上具有很高的推廣價(jià)值。

[1]邵正偉.中厚板熱處理工藝與設(shè)備發(fā)展趨勢[J].軋鋼,2006,23(4):37.

[2]韓立新.寬厚板熱處理生產(chǎn)線[J].熱處理,2003,18(4):22.

[3]王愛俊.現(xiàn)代化寬厚板廠熱處理設(shè)備概述[J].寶鋼技術(shù),1999(5):14.

[4]謝倩,袁國.新余鋼鐵公司輥式淬火機(jī)實(shí)現(xiàn)薄規(guī)格板材淬火穩(wěn)定生產(chǎn)[J].世界金屬導(dǎo)報(bào),2009,9(15) .

[5]童朝南.高校淬火機(jī)過程控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)[J].冶金自動(dòng)化,2002,26(3):63-65.

[6]鄒紅,韓學(xué)好.對濟(jì)鋼建設(shè)中厚板熱處理生產(chǎn)線的分析[J].中國冶金,2006,16(14):40-42.

[7]王昭東,王黎筠,袁國,等.可形成扁平噴射流的冷卻裝置：中國, ZL 200710010745.6[P].2008-12-17

[8]郭鴻發(fā),儲(chǔ)慕東,史學(xué)謙.冶金工程設(shè)計(jì)[M].北京:冶金工業(yè)出版社,2007: 24-68.

[9]陳瑛.中厚板發(fā)展與技術(shù)裝備進(jìn)步的分析[J].冶金管理,2005,(8) :46.

[10]宋耀華,戴根寶,周佩,等.熱處理中控冷工藝開發(fā)與應(yīng)用[J].武鋼技術(shù),2003,41(1):1.