2.2 关键问题之一：具有超高强冷却能力及横向冷却均匀性的狭缝式喷嘴开发
中厚板辊式淬火机设备研制的关键在于开发出具有高强度冷却能力、且流量分布合理的淬火喷水系统。由于中厚板淬火过程中冷却强度很大，喷水系统必须从结构设计上保证钢板在长度、宽度以及厚度方向的冷却均匀性。虽然层流特性的冷却设备已在板带材冷却过程中应用广泛，但是对于流速较高、湍流流动形态的喷嘴射流的流量分布和冷却均匀性问题，国内研究很少。淬火机喷水系统结构缺乏设计依据。同时，随着国外厂家对中厚板淬火设备的技术开发深入，国外相关设备厂商已申请了淬火喷水系统的相关喷嘴结构专利，形成了一定程度上的技术垄断。因此，开发出具有自主知识产权的流量分布合理的喷水系统结构是我国辊式淬火设备研制成功与否的核心所在。
课题组在认真研究相关喷嘴结构的基础上，从集管进水方式、均流装置、喷嘴体型等喷嘴结构因素对冷却介质流量分布的影响角度出发，根据实际工况参数，结合淬火机喷嘴出流流动形态计算分析，采用有限元大型分析工具ANSYS软件，系统深入研究了喷嘴结构参数对冷却介质流量的分布规律及对中厚板淬火过程冷却特性的影响规律。模拟计算和分析为辊式淬火机的喷水系统结构设计提供了重要的理论参考。
依托缜密的数值模拟计算，并结合深入的实际流场分布测试结果，成功开发出冷却均匀性良好、具有高强度冷却能力的我国自主知识产权的辊式淬火机喷嘴结构（已获得国家发明专利），为国产辊式淬火机设备提供了关键的淬火冷却系统设备。
2.3 关键问题之二：冲击换热数学模型开发和重要参数设计
建立针对中厚板辊式淬火机淬火冷却过程的热交换数学模型，获得淬火介质压力、流量与板材冷却强度的定量关系，是中厚板辊式淬火机淬火冷却系统实现工艺过程控制的重要环节。区别于常规层流冷却，其核心在于水冷过程的热交换机理不同。冷却水流冲击到高温钢板表面，经典的局部换热区描述形式如图2.5所示。
中厚板淬火过程中最为重要的是获得稳定可控的具有很高换热强度的微观换热过程。课题组从实际需要出发，围绕如下方面展开深入研究，并取得突破性成果。
（1）射流冲击换热机理及高低压连续淬火技术开发
中厚板淬火工艺要求稳定可控的高强度冷却过程。在深入分析对比各种热交换方式如射流冲击、核态沸腾、膜态沸腾等特性及影响机制的基础上，阐明射流冲击换热具有相对更好的稳定性与可控性，是满足中厚板淬火工艺的高强度换热方式。在此基础上，结合实验室试验及现场实测数据，建立了淬火介质压力、流量及换热强度之间数学模型。
辊式淬火机淬火冷却系统通常由两个淬火冷却区组成，分别为高压淬火冷却区和低压淬火冷却区，通过配置不同形式的喷嘴、供水配置以及不同的冷却介质压力，获得高、低不同的冷却强度。高压淬火区冷却水压力为0.8 MPa，依次为缝隙喷嘴、高密喷嘴和快冷喷嘴布置；低压区冷却水压力为0.4 MPa，由多组低压喷嘴组成。淬火过程中，钢板依次通过不同的冷却区，即先在供水压力较高的冷却区进行高强度冷却，然后，在供水压力较低的冷却区以低冷却强度继续冷却钢板，最终使钢板降低至室温。钢板在高低压淬火区的温度过程控制是满足淬火淬透层深度要求的重要保证。
针对中厚板辊式淬火机采用的高低压连续淬火技术，课题组通过采用数值计算方法模拟分析了淬火过程的钢板温度场、应力场，研究了对流换热边界条件对钢板温度场及应力场的影响规律，系统阐明了辊式淬火机高低压连续淬火冷却机理，为实现中厚板淬火过程中合理的温度控制提供了依据。在此基础上，依据钢板的钢种及规格，开发出板材高低压连续淬火工艺技术。
（2）淬火过程的温度均匀性控制
辊式淬火机冷却强度很高，中厚板淬火时冷却速度很大，温度变化剧烈，钢板内部产生的较大温度梯度将在一定程度上急剧放大淬火过程潜在的冷却不均，造成淬火板材硬度不均并产生较大的淬火应力，从而导致板材翘曲变形。因此，辊式淬火机淬火过程的温度均匀性控制将是实际应用中需要解决的重要问题。
针对中厚板辊式淬火工艺中的温度过程控制问题，研究阐明了满足淬火板材钢种和淬透层深度要求的工艺控制方式。同时通过分析辊式淬火机设备和工艺特点，分析了淬火钢板长度、宽度以及厚度方向温度不均的影响因素，并结合辊式淬火机设备结构和工艺特点，研究开发出实现钢板温度均匀性控制的技术手段。
（3）淬火过程的板形控制
淬火过程中工艺影响因素较多，如上下喷水系统水量参数、淬火机上下排辊辊缝值、辊道速度以及冷却水温等，对钢板的淬火效果影响显著。加之辊式淬火机冷却段较多，各冷却段内淬火喷水系统形式区别较大，造成淬火过程复杂多变。上述因素导致的钢板冷却不均将直接影响到淬火板材的板形控制。实际上，淬火过程的板形控制是中厚板辊式淬火机淬火工艺开发和应用中最为突出的难点问题。通过理论分析及模拟中厚板淬火过程的变形原理和淬火后板形缺陷的形成过程，结合现场生产实践，系统地研究了淬火工艺参数对钢板板形的影响机制和淬火过程中板形控制技术：①钢板宽向的流量分区控制技术，即通过对淬火系统流量分布的有效控制，实现淬火钢板宽向温度均匀性控制。②钢板厚度方向的对称性冷却控制技术，即通过对板材淬火条件下的流场和温度场耦合模拟，实现上下喷嘴水量比的精确控制。③高、低压淬火区连续淬火技术，即在保证淬火钢板获得大于临界淬火速度的高冷速条件下，通过合理的淬冷过程控制，降低钢板淬火内应力，减小钢板变形倾向。解决了辊式淬火过程中钢板的平直度控制难题，实现了淬火钢板板形的高精度控制。
2.4 关键问题之三：液压系统多缸高精度同步控制
考虑淬火冷却系统对称冷却及设备保护，辊式淬火机上喷水系统及上排辊道安装在移动框架上。通过安装在固定框架上的液压和电动提升机构，移动上框架的位置，设定淬火过程的辊缝。当出炉钢板的厚度大于设定的辊缝高度，或者钢板出现大的板形波浪时，检测辊道激活上框架液压快速提升装置，将上框架快速提升300mm，以防钢板碰撞喷嘴。
辊式淬火机移动上框架宽度为4～6m，沿钢板运动方向总长度为18～25m，框架主体为焊接结构，由14～18个液压缸带动上框架运动，实现框架快速提升功能。上框架在快速提升过程中，如果各液压缸之间的同步误差较大，一方面很容易造成框架变形，造成设备卡阻损坏，另一方面还会引起喷嘴的喷射距离及喷射角度发生变化，导致板形瓢曲或冷却不均。因此，为保护设备以及满足钢板淬火的工艺要求，必须保证各液压缸在提升过程中的高精度同步。
实际上，液压技术自诞生以来，多液压缸同步，尤其是长行程高精度同步，就一直困扰着人们。对于双缸及四缸的液压同步问题，已有学者采用一种同步自适应鲁棒控制器以及二级非线性系统控制器及冗余性分析策略进行了研究，但对于辊式淬火机这样需要进行十几个液压缸同步控制的问题，尚未见到资料报道。进口国外同类设备实际调试过程中，需要进行长期反复的调试才能获得较为满意的同步精度，费时费力，且效果很难较好的满足实际需求。因此，多个液压缸的高速、高精度同步控制是辊式淬火机设备研制必须解决的技术难点。
课题组针对该技术难题，研制出完全可仿真淬火机框架快速提升装置各种工作状态的液压多缸同步模拟装置，在分析研究液压缸分布及控制回路的基础上，提出一种基于液压同步马达配合比例阀补偿的控制方案，开发出自主知识产权的液压系统同步控制技术（已申请发明专利）及控制系统。实际应用结果表明，快速提升平均速度达到约110mm/s，多液压缸（14～18缸）快速提升同步控制偏差实际已小于3％以内。图2.6为实测辊式淬火机移动框架快速提升过程曲线。
2.5 关键问题之四：辊式淬火工艺自动控制系统开发
课题组根据中厚板热处理线高强度板材产品的淬火工艺开发需要，通过构建基础自动化和过程自动化两级控制系统，自主开发出中厚板辊式淬火机淬火工艺控制系统。同时，采用自主开发的数据通讯平台，实现系统数据交换。其配置及通讯情况说明如图2.7所示。
基础自动化采用1套SIEMENS S7-400 PLC，主传动控制系统采用现场总线PROFIBUS-DP网实现。PLC系统和人机操作界面（HMI）由工业以太网连接起来，用于满足淬火机的顺序控制、逻辑控制及设备控制功能。
淬火工艺过程自动化系统用于工艺过程控制模型及模块的计算处理，用于实现淬火工艺参数的模型计算及设定，实现了中厚板辊式淬火机淬火过程的自动控制。根据热处理工艺需要，系统还开发有钢板淬火后组织性能预测模型。
