СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКОЙ ИЗДЕЛИЯ Российский патент 1996 года по МПК C21D11/00 

Изобретение относится к термической обработке (закалка, нагрев) изделий, деталей из металлов и их сплавов в различных отраслях производства.

Известен способ управления термической обработкой изделий, основанный на определении скорости изменения теплосодержания обрабатываемого изделия по изменению его температуры при постоянном тепловом потоке [1]
Однако требование постоянства теплового потока усложняет реализацию способа и ограничивает его функциональные возможности. По известному способу контролируют тепловое состояние изделия в целом без учета особенностей термообработки его элементов (участков) и нерегулируемого теплообмена (например, радиационного переизлучения элементами поверхности изделия, тепловых потоков через узлы его крепления и т.п.), что снижает качество изделия.

Известен также способ управления термообработкой, включающий измерение температуры обрабатываемого изделия, определение его отклонения от заданного значения и коррекцию процесса термообработки [2] Согласно этому способу термопары зачеканивают в обрабатываемое изделие (труба, баллон).

Известный способ неприемлем в серийном производстве, т.к. для каждого типа изделия от требует прерывание технологического потока, что снижает производительность оборудования, и разрушения изделия.

Поскольку температура обрабатываемого изделия является лишь следствием внешних тепловых воздействий и его теплофизических характеристик, известный способ не позволяет выявить причину отклонения технологического процесса (например, изменение интенсивности теплоподвода к отдельным участкам изделия вследствие изменения коэффициента теплоотдачи от воздействующей среды) и своевременно на них реагировать.

Известен также способ управления термообработкой изделия, включающий бесконтактное измерение температуры изделий [3]
Известный способ не обеспечивает высокую точность соблюдения технологических требований, обусловленную необходимой определенностью значений эффективных коэффициентов черноты излучения поверхности обрабатываемого изделия и не позволяет определить всей совокупности характеристик процесса термообработки (например, характеристик теплового взаимодействия контролируемых локальных участков наружной поверхности обрабатываемого изделия и воздействующей на них среды, которые определяют распределение интенсивности тепловых нагрузок и температур по изделию).

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является способ управления процессом термической обработки изделия, заключающийся в измерении температуры греющей среды, воздействующей на изделие, использовании модели теплового взаимодействия изделия и греющей среды, изменении параметров воздействующей на изделие греющей среды [4]
Известный способ позволяет по измеренной температуре с учетом модели теплового взаимодействия среды и изделия выявить его участки, интенсивность внешнего теплового воздействия на которые не соответствуют заданным, и путем изменения параметров подачи воздействующей среды ввести коррекцию процесса термической обработки. Однако известный способ предусматривает для этого также непосредственное измерение температуры поверхности обрабатываемого изделия Использование контактных термодатчиков (например, зачеканенных в изделие термопар) делает известный способ малопригодным в серийном производстве, так как требует периодической остановки технологического потока, что снижает производительность оборудования, и выводит из строя изделие. А при использовании бесконтактного способа измерения температуры снижается точность способа вследствие неопределенности значений эффективных коэффициентов излучения поверхности обрабатываемого изделия. Известный способ не позволяет определить, особенно в условиях сложного нестационарного радиационно-конвективного теплообмена, характеристики теплового взаимодействия изделия и среды, что снижает точность и ограничивает его функциональные возможности.

Целью изобретения является расширение функциональных возможностей способа и повышение производительности и качества термообработки путем обеспечения контроля характеристик процесса термообработки на представительных участках обрабатываемого изделия.

Это достигается тем, что в способе управления процессом термической обработки изделий, заключающемся в измерении температуры среды, воздействующей на изделие, использовании модели теплового взаимодействия изделия и греющей среды, изменении параметров воздействующей на изделие греющей среды, для различных значений теплофизических параметров греющей и/или охлаждающей среды определяют временные и теплофизические параметры термообработки технологического (физического) макета, представляющего штатное обрабатываемое изделие с вмонтированными в него на контролируемых участках датчиками теплофизических параметров, находят совокупность значений временных и теплофизических параметров указанной среды, обеспечивающую заданное качество термообработки технологического (физического) макета, заменяют указанный макет на обрабатываемое изделие, а подвод и/или отвод тепла от обрабатываемого изделия осуществляют в зависимости от отклонения текущей совокупности значений временных и теплофизических параметров греющей и/или охлаждающей среды от совокупности, найденной выше.

На чертеже представлено устройство для управления термообработкой изделий (без элементов передачи и обработки информации, управления и исполнительных органов), содержащее технологический (физический) макет 1. На каждом контролируемом участке 2 вровень с наружной поверхностью 3 в тело технологического (физического) макета внедрен датчик 4 теплофизических параметров, состоящий из нескольких (для примера показаны два) тепловоспринимающих элементов 5 и 6, изготовленных из материалов обрабатываемого изделия. Для измерения температуры по ходу теплового потока q₅ и q₆ вдоль тепловоспринимающих элементов 5 и 6 установлены термодатчики 7.

В зону греющей и/или охлаждающей среды 8 помещен датчик 9 ее теплофизических параметров, состоящий из нескольких (для примера показано два) тепловоспринимающих элементов 10 и 11, изготовленных из материалов с различными теплофизическими характеристиками и с расположенными в них по ходу теплового потока q₁₀ и q₁₁ термодатчиками 12. Для создания одномерного теплового потока через тепловоспринимающие элементы 10 и 11 последние помещены в теплоизоляционный материал 13 с низким коэффициентом теплопроводности, например, керамики.

Способ реализуется следующим образом.

До начала термообработки серии штатных изделий в зону термообработки помещают технологический макет 1, а в зону греющей и/или охлаждающей среды 8
датчик 9 теплофизических теплофизических параметров этой среды.

Для рассматриваемого случая, когда между контролируемыми участками 2 наружной поверхности 3 технологического макета 1 и греющей и/или охлаждающей средой 8 существует только конвективный теплообмен и неизвестными являются температура T_п греющей и/или охлаждающей среды 8 у контролируемого участка 2 и коэффициент теплопередачи α от среды к поверхности участка 2 можно записать следующую систему уравнения:
q₅= α(T_п-T₁); (1)
q₆= α(T_п-T₂), (2)
где q₅ и q₆ плотность тепловых потоков вдоль тепловоспринимающих элементов 5 и 6;
T₁ и T₂ температура наружной поверхности контролируемого участка макета в местах установки тепловоспринимающих элементов 5 и 6.

В случае, когда процесс теплового взаимодействия определяется не только конвективным теплообменом, но и например, тепловым излучением наружной поверхности контролируемых участков или выделением (поглощением) тепла на поверхности контролируемого участка макета, обусловленным физико-химическими процессами при взаимодействии с воздействующей средой, в датчике теплофизических параметров используют дополнительные тепловоспринимающие элементы и соответственно расширяют систему уравнений типа (1) и (2).

Плотность тепловых потоков q₅ и q₆ в уравнениях (1) и (2) являются неизвестными. Для их определения используют данные термодатчиков 7, установленных соответственно в теплопроводящих элементах 5 и 6, путем решения обратной задачи теплопроводности по известной методике (см. например, Алифанов О.М. Обратные задачи теплообмена. М. Машиностроение, 1988, с. 21-31).

Методика решения обратной задачи позволяет определить независимо от характера нестационарности теплового режима величины тепловых потоков q₅ и q₆, отводимых по тепловоспринимающим элементам 5 и 6 соответственно, и температур T₁ и T₂ наружной поверхности этих элементов.

Зная значение q₅ и q₆, также T₁ и T₂, из совместного решения уравнений (1) и (2) находят значения величин α и T_п.

Таким образом, датчик теплофизических параметров позволяет контролировать: коэффициент теплопередачи a от среды к поверхности контролируемого участка макета, температуру T_п греющей и/или охлаждающей среды, температуры T₁ и T₂ наружной поверхности, тепловые потоки q₅ и q₆ вглубь тела макета на контролируемых участках.

Указанные параметры образуют совокупность значений временных и теплофизических параметров термообработки технологического (физического) макета или, по изобретению, обрабатываемого изделия.

Точно так же определяют по данным датчика теплофизических параметров совокупность временных и теплофизических параметров греющей и/или охлаждающей среды.

Поскольку характеристики теплового взаимодействия в зоне 8 греющей и/или охлаждающей среды 9 и на контролируемых участках 2 обрабатываемого макета связаны между собой, и эта связь имеет устойчивый характер, возможным судить о ходе процесса термообработки контролируемых участков обрабатываемого изделия (макета) по совокупности и темпу изменения характеристик теплового взаимодействия в контролируемой зоне воздействующей на изделие среды. Для выявления этой связи проводят тарировку теплофизических параметров термообработки указанной среды по теплофизическим параметрам термообработки технологического макета. Технологический макет выводят, и обрабатываемое изделие вводят в зону термообработки, а подвод и/или отвод тепла от обрабатываемого (штатного) изделия осуществляют в зависимости от отклонения текущей совокупности значений временных и теплофизических параметров греющей и/или охлаждающей среды от совокупности значений, обеспечивающих заданное качество термообработки изделия (технологического макета). представляется возможным судить о ходе процесса термообработки контролируемых участков обрабатываемого изделия (макета) по совокупности и темпу изменения характеристик теплового взаимодействия в контролируемой зоне воздействующей на изделие среды. Для выявления этой связи проводят тарировку теплофизических параметров термообработки указанной среды по теплофизическим параметрам термообработки технологического макета. Технологический макет выводят, и обрабатываемое изделие вводят в зону термообработки, а подвод и/или отвод тепла от обрабатываемого (штатного) изделия осуществляют в зависимости от отклонения текущей совокупности значений временных и теплофизических параметров греющей и/или охлаждающей среды от совокупности значений, обеспечивающих заданное качество термообработки изделия (технологического макета).

Способ управления термообработкой изделий предназначен для нагрева, закалки изделий, деталей из металлов и сплавов в металлургической, машиностроительной и в других отраслях народного хозяйства. Сущность изобретения: технологический макет, греющая и (или) охлаждающая среда, идентификация теплофизических параметров среды и технологического макета, управление термообработкой изделий по отклонению текущих теплофизических параметров среды от установленных в процессе идентификации. 1 ил.

Способ управления процессом термообработки изделия, включающий определение температуры греющей среды, изменение подвода тепла к обрабатываемому изделию, отличающийся тем, что для различных значений теплофизических параметров греющей или охлаждающей среды определяют временные и теплофизические параметры термообработки физического макета, представляющего собой штатное обрабатываемое изделие с вмонтированными в него на контролируемых участках датчиками теплофизических параметров, определяют заданную по технологии совокупность значений временных и теплофизических параметров указанной среды, обеспечивающую заданное качество термообработки физического макета, заменяют указанный макет на обрабатываемое изделие, а подвод или отвод тепла от обрабатываемого изделия осуществляют в зависимости от отклонения текущей совокупности значений временных и теплофизических параметров греющей или охлаждающей среды от совокупности, заданной по технологии.