一种金属热处理工艺中的温度控制方法及系统技术方案

技术编号：40657773 阅读：2 留言：0更新日期：2024-03-18 18:49

本发明专利技术公开了一种金属热处理工艺中的温度控制方法及系统，所述系统包括加热段、均热段和冷却段，每个分段设置若干独立的加热控制单元，每个控制单元包括独立的加热元件和测温仪，还包括电压表、电流表或功率仪中的至少一种。所述方法包括初始PID控制，一段时间波动稳定后切换为恒功率控制，此后还可以根据实际料温和炉温测量结果进行控制模式的切换或加热功率的微调，从而可实现热处理炉最终出料温度的稳定性，确保了产品性能。

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【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于金属热处理，具体涉及一种金属热处理工艺中的温度控制方法及系统。

技术介绍

1、在金属材料的加工成型、复合轧制等过程中，一般都需要经过加热炉、退火炉、预热炉(本专利技术统称为热处理炉)等进行热处理，以确保金属材料的成型效果和性能。

2、当前的热处理工艺中炉内温度控制一般采用pid(比例微分积分)控制方法，设置一定的温度区间范围，实测温度达到或超出上限时，降低加热功率，实测温度达到或低于下限时，增加加热功率，具体功率变化量根据pid模型进行计算。由于加热控制的滞后效应明显，该方法的实际应用结果就是目标产品的出料温度(也称为料温)始终处于波动之中，根据实际测量，该波动范围有时高达100℃，而炉内温度也会出现超过10℃的波动，如此给产品性能带来较大影响，如其芯部硬度和表面硬度差别较大、易扭曲变形、韧性和强度不均匀等。

技术实现思路

1、针对以上问题，本专利技术设计了一种金属热处理工艺中的温度控制方法及系统，通过实时恒功率与pid控制切换可实现金属热处理温度的稳定性。

2、本专利技术设计的一种金属热处理工艺中的温度控制方法，所述热处理工艺的设备或系统包括加热段、均热段和冷却段，每个分段设置若干独立的加热控制单元，每个控制单元均包括独立的加热元件和第一测温仪(也称为测温元件)，所述第一测温仪测量的为炉温，即炉内温度，出料口设置第二测温仪测量出料料温，其特征在于，所述方法包括恒功率控制与pid控制，以及恒功率控制与pid控制的实时切换，包括如下步骤：

3、s1、初始pid控制：金属物料刚进入热处理炉时采用pid控制模式对物料快速升温；所述pid控制为传统控制方法，属于成熟技术；

4、s2、采样加热功率：当料温(出料口温度测量值，一般采用热电偶动态测量，热处理炉在炉内也会设置温度测量点，称为炉内温度或炉温，一般为热电偶静态测量)达到目标温度范围时开始采样记录加热功率；所述加热功率可以是实际功率值，对于恒压源加热器也可以是电流值，对于恒流源加热器也可以是电压值，本专利技术统一以功率代之；

5、s3、功率变化分析与控制模式切换：

6、s3-1：当功率变化出现n个连续同等峰谷值时，n≥3，认为pid调节进入相对稳态，将pid控制模式切换为恒功率控制模式，所述功率值为n个功率峰谷的均值，即“σ(峰值功率+谷值功率)/2n”，为当前区段当前控制单元的控制功率，不同控制单元的恒功率值可以不同，切换时机任意。

7、进一步的，步骤s3中pid控制模式切换为恒功率控制模式的切换时机为功率波动值经过功率均值点附近时，所述功率均值点附近一般是指功率采样值在“均值±(峰值功率-谷值功率)*10％”范围内，该范围内实施控制模式切换出料恒温效果更好。

8、进一步的，所述n＝3或n＝5。

9、进一步的，同步记录料温和/或炉温值,完成步骤s3，系统处于恒功率控制模式下，还包括如下控制方法：

10、s3-2：恒功率控制模式下，当炉温超出阈值范围时(料温和炉温均设置上下门限温度)，超温点所在单元控制模式切换为pid控制，直至重新满足s3-1的切换条件，再次切换为恒功率控制模式，循环往复；

11、s3-3：恒功率控制模式下，当料温超出阈值范围时，按照逐单元微调方法或单段部分单元同时调整方法进行出料温度控制调节。

12、进一步的，所述逐单元微调方法包括按照优先微调紧邻冷却段的“均热段最后一个控制单元”，所述均热段最后一个控制单元称之为第一微调控制单元，加热功率值一般在所述第一微调控制单元实际功率值的1-5％范围内调整，即料温偏高该单元加热功率降低其实际功率值的1-5％，料温偏低该单元加热功率增加其实际功率值的1-5％；若料温数据连续一段时间(本实施例取为30分钟)内再无明显偏差则认为温度处于稳态，若料温仍超出阈值范围，则继续微调紧邻均热段的“加热段最后一个控制单元”，本专利技术称之为第二微调控制单元，加热功率值在所述第二微调控制单元实际功率值的1-5％范围内调整。

13、进一步的，所述单段部分单元同时调整方法包括优先调整加热段最后部分控制单元，所述部分控制单元的数量x根据实测料温与目标温度差值δt1确定，x＝int(|δt1|/δt0)+1，其中δt0为加热段每个单元的平均升温区间，δt1为正时，所述部分控制单元的加热功率降低，δt1为负时，所述部分控制单元的加热功率增加；所述加热功率降低或增加的量值控制在各单元实际功率值的1-5％范围内。

14、进一步的，所述单段部分单元同时调整方法包括优先调整加热段最后部分控制单元，所述部分控制单元的数量x根据实测料温与目标温度差值δt1确定，x＝int(|δt1|/δt0)+1，其中δt0为加热段每个单元的平均升温区间，δt1为正时，所述部分控制单元的加热功率降低，δt1为负时，所述部分控制单元的加热功率增加；所述加热功率降低或增加的量值δp＝cvsρ/x(也称为功率调整量)，其中c为物料比热，v为物料在热处理炉中的运行速度，s为物料横截面积，ρ为物料密度。

15、进一步的，所述同等峰谷包括所有峰值的最大变化量不超过最小峰值的5％，所有谷值的最大变化量不超过最小谷值的5％。

16、一种金属热处理工艺中的温度控制系统，所述系统采用上述任意一种金属热处理工艺中的温度控制方法。

17、进一步的，所述系统包括加热段、均热段和冷却段，每个分段设置若干独立的加热控制单元，每个控制单元包括独立的加热元件和测温仪，还包括电压表、电流表或功率仪中的至少一种，所述加热元件、测温仪、电压表、电流表、功率仪与电控单元电连接。

18、本专利技术的优点和有益效果在于：本专利技术所设计的一种金属热处理工艺中的温度控制方法及系统，通过恒功率控制与传统pid控制的实时自适应切换，从而可实现热处理炉最终出料温度的稳定性，其波动范围可由原先的100℃缩小到5℃左右，炉温波动范围也由原先的10℃缩小到1℃左右，产品表面硬度与芯部硬度差有原先的50hv降低到20hv，退火后产品不容易变形、扭曲，其强度和韧性分布均匀，能够保持相对稳定，从而确保了产品性能。

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【技术保护点】

1.一种金属热处理工艺中的温度控制方法，所述热处理工艺的设备或系统包括加热段、均热段和冷却段，每个分段设置若干独立的加热控制单元，每个控制单元均包括独立的加热元件和第一测温仪，所述第一测温仪测量的为炉温，出料口设置第二测温仪测量出料料温，其特征在于，所述方法包括恒功率控制与PID控制，以及恒功率控制与PID控制的实时切换，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种金属热处理工艺中的温度控制方法，其特征在于，步骤S3中PID控制模式切换为恒功率控制模式的切换时机为功率波动值经过功率均值点附近时。

3.根据权利要求1所述的一种金属热处理工艺中的温度控制方法，其特征在于，所述n＝3或n＝5。

4.根据权利要求1所述的一种金属热处理工艺中的温度控制方法，其特征在于，同步记录料温和/或炉温值,完成步骤S3，处于恒功率控制模式下，还包括如下控制方法：

5.根据权利要求4所述的一种金属热处理工艺中的温度控制方法，其特征在于，所述逐单元微调方法包括按照优先微调紧邻冷却段的“均热段最后一个控制单元”，所述均热段最后一个控制单元称之为第一微调控制单元

6.根据权利要求4所述的一种金属热处理工艺中的温度控制方法，其特征在于，所述单段部分单元同时调整方法包括优先调整加热段最后部分控制单元，所述部分控制单元的数量x根据实测料温与目标温度差值ΔT1确定，x＝int(|ΔT1|/ΔT0)+1，其中ΔT0为加热段每个单元的平均升温区间，ΔT1为正时，所述部分控制单元的加热功率降低，ΔT1为负时，所述部分控制单元的加热功率增加；所述加热功率降低或增加的量值控制在各单元实际功率值的1-5％范围内。

7.根据权利要求4所述的一种金属热处理工艺中的温度控制方法，其特征在于，所述单段部分单元同时调整方法包括优先调整加热段最后部分控制单元，所述部分控制单元的数量x根据实测料温与目标温度差值ΔT1确定，x＝int(|ΔT1|/ΔT0)+1，其中ΔT0为加热段每个单元的平均升温区间，ΔT1为正时，所述部分控制单元的加热功率降低，ΔT1为负时，所述部分控制单元的加热功率增加；所述加热功率降低或增加的量值ΔP＝CVSρ/x，其中C为物料比热，V为物料在热处理炉中的运行速度，S为物料横截面积，ρ为物料密度。

8.根据权利要求1至7中任意一项所述的一种金属热处理工艺中的温度控制方法，其特征在于，所述同等峰谷包括所有峰值的最大变化量不超过最小峰值的5％，所有谷值的最大变化量不超过最小谷值的5％。

9.一种金属热处理工艺中的温度控制系统，其特征在于，所述系统采用权利要求1至8中任意一种金属热处理工艺中的温度控制方法。

10.根据权利要求9所述的一种金属热处理工艺中的温度控制系统，其特征在于，所述系统包括加热段、均热段和冷却段，每个分段设置若干独立的加热控制单元，每个控制单元包括独立的加热元件和测温仪，还包括电压表、电流表或功率仪中的至少一种，所述加热元件、测温仪、电压表、电流表、功率仪与电控单元电连接。

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【技术特征摘要】

1.一种金属热处理工艺中的温度控制方法，所述热处理工艺的设备或系统包括加热段、均热段和冷却段，每个分段设置若干独立的加热控制单元，每个控制单元均包括独立的加热元件和第一测温仪，所述第一测温仪测量的为炉温，出料口设置第二测温仪测量出料料温，其特征在于，所述方法包括恒功率控制与pid控制，以及恒功率控制与pid控制的实时切换，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种金属热处理工艺中的温度控制方法，其特征在于，步骤s3中pid控制模式切换为恒功率控制模式的切换时机为功率波动值经过功率均值点附近时。

3.根据权利要求1所述的一种金属热处理工艺中的温度控制方法，其特征在于，所述n＝3或n＝5。

4.根据权利要求1所述的一种金属热处理工艺中的温度控制方法，其特征在于，同步记录料温和/或炉温值,完成步骤s3，处于恒功率控制模式下，还包括如下控制方法：

5.根据权利要求4所述的一种金属热处理工艺中的温度控制方法，其特征在于，所述逐单元微调方法包括按照优先微调紧邻冷却段的“均热段最后一个控制单元”，所述均热段最后一个控制单元称之为第一微调控制单元，加热功率值在所述第一微调控制单元实际功率值的1-5％范围内调整；若料温数据连续一段时间内再无明显偏差则认为温度处于稳态，若料温仍超出阈值范围，则继续微调紧邻均热段的“加热段最后一个控制单元”，所述加热段最后一个控制单元称之为第二微调控制单元，加热功率值在所述第二微调控制单元实际功率值的1-5％范围内调整。

6.根据权利要求4所述的一种金属热处理工艺中的温度控制方法，其特征在于，所述单段部分单元同时调整方法包括优先调整加热段最后部分控制单元，所...

【专利技术属性】
技术研发人员：张忠，朱卫，李鹏飞，
申请(专利权)人：江苏康瑞新材料科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：

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