工件热处理“零保温”点微机测控装置.pdf

本发明是一种用来确定工件淬火前在加热炉中所需加热时间的微机检测与控制装置。
    公知的加热炉微机检测和控制装置，其工件淬火前的加热时间t₀（指从炉温到达规定温度时起到工件出炉时为止的一段时间）是按下述经验公式来确定的，即

    t₀＝d·D·k ……（Ⅰ）

    式中：d-表示加热系数，即工件单位厚度所需加热时间;

    D-表示工件有效厚度;

    k-表示工件装炉修正系数。

    由式（Ⅰ）可见，t₀值大小与装炉工件材质、数量、形状等同素有关，当这些同素发生变化时，控制程序中的加热工艺参数值（d、D和k）就必须人为地加以修改。此外，按经验公式（Ⅰ）计算的加热时间普遍过长，结果造成能源浪费，且工件表面脱碳氧化现象严重，影响了其机械性能。如何精确地确定加热时间t₀，“零保温”理论给出了理论根据。所谓“零保温”理论是指被加热工件刚刚成为均热体的一瞬间即可完成相变的理论。根据该理论，工件在“零保温”点（即工件刚刚热透时刻）可立即出炉淬火，意即工件热透后的保温时间为零。但因至今尚没有找到一种测量方法可测量出被加热工件何时达到“零保温”点。因此，“零保温”理论在实际应用上还无法实现。

    本发明的任务就是提供一种可准确、实时地确定被加热工件达到“零保温”点时刻所需加热时间的微机检测与控制装置。

    本发明的微机检测与控制装置，是通过间接测量加热炉热平衡状态参数，由计算机按照工件热处理“零保温”理论和由热传导理论推导出来的数学模型进行运算处理来实时地确定被加热工件达到“零保温”点所需加热时间的。当工件放入加热炉（如电热热炉）中被加热时，计算机一方面根据炉温采样值大小控制输入到电加热炉地电功率值以维持炉温恒定;另一方面，又将采样到的一组不同时刻的输入功率值带入相应的数学模型进行运算处理，获得工件吸热升温时间常数值T及工件达到“零保温”点所需时间t₀，并将实际加热时间t与t₀值相比较，当t≥t₀时，便发出加热时间到的报警信号，此时，工件便可立即出炉。

    由于本发明将“零保温”理论付诸实施，故与现有技术相比，本发明可以缩短工件保温加热时间约三分之一，综合节电10～15%此外还可改善工件表面脱炭氧化情况，提高工件机械性能。

    图中给出了本发明的一个具体的实施例。

    图1：为输入电功率随时间变化曲线图;

    图2：为本发明的微机检测与控制系统硬件框图;

    图3：为本发明的微机检测与控制系统程序框图。

    下面结合附图，详细地说明本发明的内容。

    由热传导理论可以推知，当加热炉炉内温度保持恒定时，输入电 功率p（t）是按图1所示的指数函数曲线进行变化，其函数表达式为：

    

    式中：p₀-是炉体散热功率;

    p_c-是一个固定常数，且p_c＝p_g-p₀（p_g为电加热炉全负荷时的功率值）;

    T-是工件吸热升温时涑Ｊ?

    由（Ⅱ）式可知，当加热时间t＝（4～5）T时，工件吸热升温消耗的功率值 p w ( t ) = P C e - t T ]]>趋近于零，意即工件此时处于刚刚热透时刻，因此，可取t₀＝5T作为被加热工件达到“零保温”点所需加热时间值。

    为了便于实时控制、检测和计算机数据处理，我们需要把（Ⅱ）式离散化。当取测定输入电功率的时间间隔为Δt时，则有：

    t_n＝n·Δt （n＝1，2，……，N_o） ……（Ⅲ）

    式中：n是第n次测量点序数值;N_o为测量总次数。

    将（Ⅲ）式代入（Ⅱ）式，可得

    

    由此可得，本发明中的指数曲线回 运算的最小二乘法的计算函数f（p₀，T）的表达式为：

     f ( po , T ) = Σ n = 1 N o [ p ( t n ) - p n ] 2 · · · · · · ( V ) ]]>

    式中：p_n为第n次测量所测得的输入电功率值。

    将（Ⅳ）式代入（Ⅴ）式，可得

    

    f（p₀，T）是一个双变量p₀和T的优化问题，当我们将测得的一组离散值（t₁，p₁）、（t₂，p₂）…（t_No，p_No）代入（Ⅵ）式，经计算机运算处理后，便可很容易地找出f（p₀，T）的极小值，对应于该极小值的变量T值，就是我们所要寻找的工件升温时间常数值。有了该T值，进而便可得到被加热工件达到“零保温”点所需加热时间t₀值，即t₀＝5T。

    图2表明了本发明的微机检测与控制系统硬件组成及相互连接情况，如图2所示，控制中心是一台Tp-801单板计算机（2），加热炉输入电压信号和炉温信号模拟量分别经过电压测量电路（8）和温度变送元件（9）送到A/D变换器（7），转变成数字量后送入Tp-801单板计算机（2），计算机一方面根据炉温采样值大小，不断地发出可控硅开通和关闭的信号，此信号经电平转换及隔离器（3）转换、隔离后送可控硅触发电路（4），从而控制送入电加热炉（5）的电功率以维持炉温恒定;另一方面，计算机将采样到的一组不同时刻的输入电压值带入本发明所建立的数学模型（Ⅵ）式进行运算处理，获得被加热工件达到“零保温”点时刻所需加热时间t₀，并将其与工件实际加热时间t相比较，当t≥t₀时，便向显示报警器（6）发出加热时间到的报警信号。此外，计算机还通过显示报警器（6）进行炉温数字显示和故障报警，通过微型打印机（1）打印输出炉温曲线图。为了使输入功率（即负荷功率）的测量变得既简单又可靠，考虑到输入功率与输入电压的平方成正比，故在这里，通过测 量不同时刻输入电压值来确定其对应的输入电功率值。

    图3表明了本发明的微机检测与控制系统的计算机程序控制过程。如图3所示，程序起动后，首先筎P-801单板机可编程接口片PIO、CTC初始化，此后进行温度检测与控制，当炉温到达给定温度后，就设定曲线回归运算测量点数N_o，测量步长Δt，曲线回归运算进行标志量M（M＝0表示未进行回归运算，M＝1表示已进行过回归运算），同时，设定起始时间t＝0，起始测点次数N＝0，初始值确定后，设定测量步长Δt期间内采样控制次数B值，进入温度采样、温度数据处理及温度控制，测功及功率数据处理。接下去控制次数值B进行减1运算并判断B值，若B不为零则返回温度采样。测功及数据处理;若B等于零，则计算保温时间t值。然后进行标志量M值的判断。若未进行回归运算（即M＝0），则进行测量点数N值加1运算，运算后与规定值N_o比较。若未到规定测点数则返回到下一测量步长Δt期间内的控制;若已到规定测点数N_o，则进行求解工件升温时间常数值T的曲线回归运算，并设定回归运算标志量M等于1。这之后，再返回到Δt期间内的控制，尚若已进行了曲线回归运算求出T值，则转而判断保温时间t是否到。若保温时间到（即t≥5T），则发出信号通知工件出炉，若工件未出炉，则再返回恒温控制;若保温时间未到，则不发信号而直接返回到Δt期间内的控制，直到保温时间到发出信号并使工件出炉为止。

    试用观察表明，采用本发明的微机检测与控制装置对RJX45-9 型电阻炉实行控制后，ZQR-410牵引电动机的35C_rM_o电机轴的加热保温时间由按传统经验公式（Ⅰ）计算的210分钟减少到现在的144分钟，节时达30%。并且，与传统方法相比，工件金相组织相同，机械性能略有提高，表面脱炭氧化情况变好。