王雷，李淑英

（萊蕪鋼鐵集團自動化部，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)來獲得高強度、高硬度、優(yōu)良韌性的綜合機械性能鋼板。為擴大產(chǎn)品的規(guī)格和品種，獲得更佳的強度和韌性的組合，中厚板軋后的熱處理工藝是必不可少的，較常見的是運用?；癄t加熱鋼板，在鋼材組織處于完全奧氏體狀態(tài)時，由爐后淬火控冷設備，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的控制系統(tǒng)。

1 淬火設備及工藝概況

輥式淬火機主要由測厚光柵、固定框架、移動上框架、輸送輥道、提升機構(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定輥縫值時，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輸線方向的門型框架組成。移動上框架為可升降框架。提升機構(gòu)用于提升上框架，由電動升降系統(tǒng)和液壓快速提升系統(tǒng)組成。電動升降系統(tǒng)主要由電動機及絲杠升降機組成。液壓提升系統(tǒng)由安裝在升降機絲杠末端的液壓缸實現(xiàn)上框架快提及保護上噴嘴功能。淬火冷卻系統(tǒng)由高壓和低壓兩個淬火區(qū)組成，通過特殊的噴嘴設計、配置以及不同的冷卻水壓力，獲得高、低不同的冷卻強度。

2 淬火控制系統(tǒng)

基礎自動化采用1套SIEMENS S7-400PLC,主傳動控制系統(tǒng)采用現(xiàn)場總線PROFIBUS DP網(wǎng)實現(xiàn)。PLC系統(tǒng)和人機操作界面(HMI)由工業(yè)以太網(wǎng)連接起來。過程自動化用于工藝過程控制模型及模塊的計算處理,實現(xiàn)合理的工藝參數(shù)設定。同時,采用自主開發(fā)的數(shù)據(jù)通訊平臺,實現(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

基礎自動化主要完成輥式淬火機順序控制、邏輯控制及設備控制功能，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)淬火工藝所需的運行速度，實現(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、水量設定模塊、運行速度模塊、輥縫值設定模塊等組成。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)，也是淬火鋼板熱應力和組織應力等內(nèi)應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。輥式淬火機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)。在進行模型參考自學習時一般對投入的集管組數(shù)和輥道速度進行自學習。

控制精度在±15℃, 當誤差大于15℃時才進行自學習, 假定淬火后鋼板的溫度與模型設定溫度誤差為△t：

15℃<|△t|<50℃時，僅對輥道速度進行自學習；

|△t|>50℃時，僅對投入的集管開啟組數(shù)進行自學習。

其自學習規(guī)則如下:

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

當△t<-50℃時，停開一組尾部集管；

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

當△t>50℃時，加開一組備用集管。

2.2.3 淬后組織預測模型

淬后組織性能預測模型的功能在于, 根據(jù)鋼板的淬火工藝參數(shù), 計算得到淬火后的板材組織成分及其力學性能。基于板材CCT 曲線、淬火工藝參數(shù)和淬火后板材實測組織及性能, 通過數(shù)據(jù)回歸分析, 建立了由化學成分、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測數(shù)學模型。如圖3所示。

圖3 淬后組織性能預測模型框圖

3 系統(tǒng)應用

此淬火控制系統(tǒng)應用于萊鋼4300cm寬厚板熱處理線，通過近1年的生產(chǎn)實踐采集大量原始數(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狀態(tài)的主要因素之一，因而對過冷奧氏體的轉(zhuǎn)變動力學、鋼的淬透性及最終的力學性能具有重要的影響。因此，該系統(tǒng)重點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℃，末端淬火試驗后，采集的溫度隨時間變化的曲線。

根據(jù)該曲線可以計算出700℃平均冷卻速度，見表1。

表1 計算的組織及硬度分布

分析不同加熱溫度淬火后計算硬度和實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，淬后組織預測模型計算的組織和硬度基本反映出加熱溫度的影響規(guī)律。事實上，模型中的參數(shù)Pa正是反映加熱溫度和時間對組織的影響因子。從Pa的計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間，降低了冷卻速度。冷速減小，一方面計算的混合組織中馬氏體的量會減少，珠光體／鐵素體的量會增加，另一方面單相的硬度也會減少。綜合上面的兩方面因素可知，加熱溫度升高計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。計算的硬度和實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)化模型的自學習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)驗在監(jiān)控畫面上輸入水量和輥道速度，通過L1實現(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，且有時會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，按照其實際規(guī)格和成分，計算需要的輥道速度、各冷卻段的水量等等工藝參數(shù)，以實現(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)的淬后組織預測模型建立起了鋼化學成分、加熱溫度、冷卻速度與硬度之間的關系，生產(chǎn)實踐證明，從奧氏體再結(jié)晶狀態(tài)下直接淬火可提高鋼的淬透性，而強度、韌性也增加；晶粒得到細化，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值。

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