一种立式淬火炉热处理阶段划分方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及热处理领域，尤其涉及一种立式淬火炉热处理阶段划分方法。
【背景技术】
[0002] 高强度铝合金模铸件是飞机大梁、龙骨、火箭、导弹端环、发动机缸体等航空航天 器重要组成部分。其冶炼装置大型立式淬火炉是一种很典型的用于生产高强度铝合金构件 的周期性加热炉，通过对铝合金进行固熔淬火热处理以提高其硬度，强度，耐磨性，抗腐蚀 性等力学性能。淬火热处理的关键在于铝合金构件温度场的温度均匀性控制。
[0003] 而温度均匀性控制的核心在于建立符合构件温度场分布特点的控制模型，并依此 设计对应的控制算法。构件温度场控制模型的建立基础依赖于对淬火工艺的深入机理分 析，尤其是对于构件热处理过程中不同加热阶段的划分。在不同的加热阶段，构件的热处理 控制性能指标是不同的，因此合理的加热阶段的划分是设计准确的控制算法，是实现高精 度温度场均匀性控制的至关重要的前提，也是淬火工艺中亟待解决的重要技术难题。
[0004] 通常的淬火热处理过程，一般是依据现场经验，将立式淬火炉热处理过程通常简 单分为升温阶段以及保温阶段两个阶段。升温阶段位于加热室内壁的电热元件，以及位于 炉底的两台风机协调工作，促使炉内温度迅速上升。当位于工作室内壁的热电偶检测到炉 内温度达到温度设定值时，固熔处理进入保温阶段，保温阶段工艺要求炉内温度必须达到 高均匀性，淬火温度分布均匀性一般需达±3°C。但是简单的将热处理过程划分为两段的方 法，只是单纯依据现场工人的经验，缺乏对淬火炉热处理过程的定量分析，划分方法没有考 虑到不同材质的构件热处理要求是不同的等物理因素。对于已划分的加热阶段，也没有提 出实质性的定量控制性能指标。因此，对于这种依靠人工经验的加热阶段划分方法，由于缺 乏合理的定量分析，从而导致由升温阶段到保温阶段转变时容易产生超调，造成构件温度 分布不均匀而出现过烧件、欠烧件，严重影响产品品质。
[0005] 例如，专利号201410059811. 9发明专利，公开了一种新的立式淬火炉构件温度场 分布检测系统，该系统包括：温度采集系统，包括安装在立式淬火炉工作室内壁上的多个热 电偶，用于采集工作室内壁温度；通信系统，用于将所述温度采集系统采集到的温度信息传 输给计算机温度场补偿系统；计算机温度场补偿系统，通过对构件热传导机理模型的数值 求解，将采集到的温度信息转化为构件温度场分布信息，并实时，在线进行显示。显然该专 利为现场工作人员提供了更精确的构件温度场分布信息，但并没有基于淬火炉内构件精确 的温度信息，对整个淬火工艺的分段策略进行深入研究，也没有对淬火炉的热处理过程换 热方式以及工艺机理进行深入分析，更没有发现炉内存在一个由热对流为主要传热方式到 热辐射为主要传热方式的热量交换演变过程，从而该发明专利对淬火炉由升温阶段到保温 阶段转变时产生的构件局部温度超调，造成构件温度分布不均匀而出现过烧件、欠烧件，使 产品报废，浪费资源等一系列问题的解决，并没有实质性的帮助。
【发明内容】
[0006] (一）要解决的技术问题
[0007] 本发明要解决的技术问题是依靠人工经验的淬火炉热处理阶段划分方法，缺乏合 理的定量分析的问题。
[0008] 本发明基于淬火炉内热交换过程存在热对流与热辐射的之间相互演变的双重传 热机理，建立了立式淬火炉构件温度场预测模型；基于立式淬火炉构件温度场预测模型，定 量计算了构件表面对流换热量和辐射换热量，以及相互转化情况，最后，基于高强度铝合金 构件表面对流和辐射换热量的数值、建立的淬火炉内热对流与热辐射演变机理模型的基础 上，对淬火炉的热处理阶段进行精确定量划分。
[0009] (二）技术方案
[0010] 为了解决上述技术问题，本发明公开了一种立式淬火炉热处理阶段划分方法，其 根据对流换热量和辐射换热量2倍差距原理，将淬火炉热处理阶段定量划分为升温阶段、 过渡阶段和保温阶段；所述对流换热量和辐射换热量2倍差距原理具体为：
[0011] (1)如果当淬火炉中被热处理的构件表面总热量中，由对流换热产生的热量是辐 射换热产生的热量的2倍以上，则此时的热处理阶段为升温阶段；
[0012] (2)如果对流换热产生的热量小于辐射换热产生的热量的2倍，且辐射换热产生 的热量小于对流换热产生的热量的2倍，则此时的热处理阶段为过渡阶段；
[0013] (3)如果辐射换热产生的热量是对流换热产生的热量的2倍以上，则此时的热处 理阶段为保温阶段。
[0014] 进一步，所述立式淬火炉热处理阶段划分方法，具备包括如下步骤：
[0015] 1)利用淬火炉内工作室壁上安装的热电偶，获取构件表面所对应的工作室壁的实 时测量温度；
[0016] 2)在已获得的工作室壁的实时测量温度的基础上，利用构件温度场预测模型，计 算获取构件表面任一点精确的温度；
[0017] 3)利用构件表面上任一点精确的温度值，初步计算不考虑对流传热和辐射传热相 互影响的构件表面的对流换热量和辐射换热量的数值；
[0018] 4)利用对流辐射机理演变模型，并结合步骤3)中计算得出的对流换热量以及辐 射换热量的数值，对构件表面的对流换热量和辐射换热量进行修正，并分别绘制以构件表 面温度为自变量的修正后的对流换热量变化曲线和辐射换热量变化曲线；
[0019] 5)根据对流换热量和辐射换热量2倍差距原理，将淬火炉热处理阶段的构件表面 温度区间划分为升温阶段、过渡阶段和保温阶段。
[0020] 6)最后根据步骤5)中获得的划分各个阶段的所述温度区间，结合构件的实时温 度将淬火炉热处理阶段进行定量实时的划分。
[0021] 进一步，形状为圆柱体的大型构件的所述构件温度场预测模型表示为以下公式 (6)：
[0023] 其中r、P、c和A分别为构件的半径、密度、比热容和热传导系数，而T为构件温 度场分布函数；另外，r、0、z构成构件的圆柱坐标（r, 0，z);qsurfat：f；为构件表面的热流密 度；t为时间。
[0024] 进一步，所述步骤3)中计算所述构件表面的对流换热量和福射换热量的数值时， 结合淬火炉的物理结构和淬火炉的多区段径向环绕加热工作方式，将淬火炉的工作室腔按 照加热室壁的热电偶排列顺序，从上至下分为若干个圆柱区域，假设若干个圆柱区域内空 气温度和工作室内壁温度均匀且为中心热电偶测量温度；且设工作室腔上、下底面区域的 空气温度为其临近区域的热电偶测量温度，在此假设基础上分别计算构件表面对流换热量 和福射换热量。
[0025] 进一步，所述步骤3)中，对流换热量数值的计算方法如下：
[0026] 采用牛顿换热公式（7)分别计算每个圆柱区域中空气通过热对流方式传递给构 件的热量，
[0028] 其中ka为空气热传导率，Pr为普朗特数，D为工作室直径，Re为雷诺数，F为空气 流动的平均流速，根据淬火工艺取定为15m/s，Pa为空气密度，y为空气动力粘度，Ca为空 气比热容，为每区域的对流换热热流密度，q。为构件的对流换热热流密度，Ii1为每区的对 流换热系数，T1为第i区域工作室内壁温度；n为圆柱区域数量，n个圆柱区域的对流换热 量的总和即为构件表面的对流换热热量的总量。
[0029] 进一步，所述步骤3)中，福射换热量数值的计算方法如下：
[0030] 假设每个圆柱区域的柱环面都是各向同性的，且温度分布均匀；假设工作室腔上、 下底面不参与整个辐射换热过程，因此构件和工作室壁的辐射换热只发生于侧表面之间； 假设侧壁间的辐射换热过程为无参与性气体媒介的辐射换热过程，采用净辐射法计算各个 圆柱区域的辐射换热量；
[0031] 净辐射法是辐射换热领域里面用于求解辐射换热的一种通用方法，本发明的具体 计算步骤如下：
[0032]引入以下向量和矩阵，柱环面面积向量S= [Sl]T、柱环面介质黑度向量e=[eJ T、柱环面有效福射向量B= [Bj1、柱环面入射福射能向量H= [Hi]1、柱环面的福射力E= [E1]1=[OT1]1、构件侧表面的净辐射换热量Q= [QJ1、两柱环面间的直接辐射面积矩阵
j= 1，2,…，n;n为圆柱区域总数；
[0033] 根据净辐射法计算辐射传热的基本原理，两柱环面间直接辐射面积采用式（8)计 算，
[0035] 式中，R为工作室半径，S1,Qj分别为两柱环面中的微元中心在柱面坐标中的夹 角坐标，Ii1,卜分别为两柱环面中的微元中心在柱面坐标中的高度坐标，r为两柱环面中的 微元中心连线距离；同时，在净辐射法中的区域有效辐射能和入射辐射能之间基本等量关 系用式（9)、（10)的矩阵形式表示，
[0036] 6//ag{SjH-ssB (9)
[0037] B = (I-diag{e})H+diag{e}E(10)
[0038] 则构件侧表面净辐射换热量Q可用式（11)求得，
[0039] Q = diag{S} (H-B) (1)
[0040]联立式（9)、（10)和（11)可得构件侧表面的净辐射换热量Q只与两柱环面间的总 辐射交换面积相关的计算公式（12)，
[0044] 综上所述，构件表面辐射换热热流密度可由下式（1