基于工藝場景數據的熱處理工藝能耗估算方法

李瑞興，張應中

（大連理工大學機械工程學院，遼寧大連 116023）

0 引言

熱處理加工是通過對零件進行加熱、保溫和冷卻等來改變零件材料的內部組織，以達到滿足零件力學性能要求的一種工藝過程，因此熱處理工藝需要消耗大量的熱能。據統計，我國每年熱處理消耗電能總量達200 億kW·h[1]。同時在機械產品制造過程中，熱處理是一道十分重要、不可或缺的工藝過程，熱處理工藝能耗成為機械產品制造影響環境負荷的重要因素之一。

隨著環境保護意識的增強，綠色制造理念和技術、產品全生命周期評價（Life Cycle Assessment, LCA）方法被廣泛采用，LCA方法的基礎工作就是全生命周期清單（Life Cycle Inventory，LCI）分析，LCI分析需要產品全生命周期中的各個單元過程的環境資源負荷數據[2]。熱處理工藝作為產品制造過程中的一個重要部分，其能耗數據是評價工藝經濟性、環境友好性的重要清單數據；然而由于熱處理工藝的離散性、對熱處理設備和工藝環境的依賴性等特性，目前非常缺乏熱處理工藝能耗數據。國內外目前主要開展關于機床切削工藝和設備能耗預測的研究：何彥等[3]從數控機床能量源多、加工任務及加工參數動態變化等特點出發，建立了一種數控機床多能量源的動態能耗模型與仿真方法；Kabata等[4]以能耗方程和設備利用系數為基礎，建立了一套適用于生產或設計階段的熱處理工藝能耗計算方法；林利紅等[5]為解決理論建模復雜且不具備實時性的問題，提出了一種基于數據驅動的電阻爐多參數能耗預測方法，其參數主要有溫度、電流、功率等；Carlsson等[6]提出一個采用統計建模預測電弧爐電能消耗方法。

但是在LCI分析建模中，分析者不一定是熱處理工程師，熱處理工藝也不一定發生在分析者所在的企業，很難具備熱處理工藝相關知識和數據，一般通過查詢清單數據庫獲取工藝過程能耗數據。熱處理工藝繁多，不同的工藝類型、工件材料和熱處理設備等工藝場景下能耗相差很大，完全采集每一種工藝和工藝場景數據下的能耗數據是十分困難的，也是不現實的，需要一個基于工藝場景數據的參數化模型，對熱處理能耗進行估算。本文面向LCI分析建模需求，提出基于工藝場景數據知識的熱處理工藝能耗估算方法，通過輸入熱處理基本工藝場景數據，系統在知識驅動下自動檢索相關數據，估算出其能耗數據，可以為熱處理工藝LCI清單分析提供數據支撐。

1 熱處理工藝場景數據概念模型

工藝場景是指工藝在其生命周期中所發生活動的特征描述，是工藝過程輸入信息的集合。熱處理工藝場景信息主要包括熱處理工藝類型、工件材料、熱處理爐設備、加熱方式、工藝方案、功能單位等。其中：熱處理工藝類型和工件材料決定了熱處理工藝的溫度時間曲線，對熱處理工藝的能耗起到了決定性的作用；熱處理爐設備的加熱性能和保溫性能及工藝方案對熱處理工藝的能源消耗也有重要影響。

從上述分析可以看出，熱處理工藝場景信息離散且相互關聯，包含豐富的語義信息和熱處理工藝知識；此外，熱處理工藝場景動態變化，涉及的材料、熱處理設備、工藝方案眾多，不同企業的工藝場景都不同，要完全收集所有場景信息是非常困難的，需要構建一個開放和可共享的熱處理工藝場景信息模型，能夠完整一致和用戶可自定義地表示熱處理工藝場景信息和知識，在該信息模型基礎上，用戶根據自己特定的工藝場景添加和修改數據和知識。

本文采用本體技術提出一個面向熱處理能耗計算的工藝場景信息概念模型，如圖1所示。

圖1 熱處理工藝場景信息概念本體模型

熱處理工藝場景信息主要概念類如下：1）熱處理工藝類。如前面所說的，要獲得不同力學性能，需要采用不同的熱處理工藝，因此在熱處理工藝類下派生出多個工藝子類，能耗影響較大的熱處理工藝主要是淬火、正火、退火和回火等。退火又可以分為完全退火、不完全退火、等溫退火、球化退火和去應力退火等，從而形成一個熱處理工藝層次結構。2）熱處理工件類。熱處理工件結構形狀對工件加熱和散熱有一定影響，相似結構基本上具有相似的散熱特性。本文將工件類子類定義毛坯類、軸套類、叉架類和箱體類等，同時每個工件由金屬材料組成，與工件金屬材料類通過“工件材料”關系連接。3）熱處理工件材料類。熱處理工件材料直接決定熱處理加熱溫度、保溫時間和冷卻方式，對能耗有直接影響。對材料進行分類是必要的，按照碳鋼、合金鋼和鑄鐵等三大類主要金屬材料建立層次化的熱處理工件材料類。每一類材料聯系金屬材料數據庫表，表中存儲較詳細的金屬材料信息。4）熱處理爐設備類。熱處理爐設備決定了熱處理加熱方式，對熱處理能耗有直接影響。熱處理爐設備通常分為電阻爐設備和天然氣設備。電阻爐設備又分為臺車爐、井式爐等。5）加熱工藝方案類。熱處理加熱工藝方案是指加熱工件的方案，例如滿負荷（裝滿加熱爐）、半負荷、分區加熱、工裝等。

2 熱處理工藝能耗估算理論模型

2.1 熱處理工藝能耗影響因素

一個工藝過程通常是一個能量輸入與輸出的平衡過程。要構建熱處理工藝能耗估算模型首先從能量輸出構成和特性、熱處理工藝中的能量流動因素進行分析。

熱處理的工作設備一般比較簡單，其能量主要來自電阻爐的電能消耗或者燃氣爐的燃氣消耗，本文主要研究電阻爐的能量消耗。一般情況下，熱處理爐會根據設定的熱處理溫度時間工藝曲線對熱處理爐溫度進行調控，電熱元件發出熱量，借輻射與對流作用將熱量傳給加熱的工件，從而使工件加熱到規定的溫度。

熱處理工藝能量輸出主要包括加熱工件的消耗的熱量（有效熱量）、工藝過程中的各項損失熱量兩大部分，主要因素如圖2所示。主要影響因素[7]包括加熱工件能耗Q工件、加熱輔助構件（支撐架、爐底板、工夾具及料盤等）能耗Q輔助件、熱處理爐內氣體能耗Q氣體、通過爐壁的散熱能耗Q散熱、砌體蓄熱能耗Q蓄熱及其它熱損失能耗Q其它。

圖2 熱處理能耗影響因素示意圖

2.2 熱處理工藝能耗估算理論模型

根據上述熱處理工藝影響因素分析和熱能量輸入和輸出平衡原則，可以推導出如下熱處理工藝能耗估算理論模型[7]：

1）周期作業的熱處理工藝。周期作業的熱處理工藝中，在加熱階段的能量輸出是加熱工件、輔助構件所需能量和砌體蓄熱的能量。熱處理過程中實際的蓄熱能量與熱處理冷卻階段、裝卸階段和停爐期造成的爐體降溫程度有關。其能量輸入和輸出平衡方程為

上述熱平衡方程中各項耗能計算如下：

a.加熱工件能耗。加熱工件能耗是熱處理過程中工件從初始溫度達到一定溫度所吸收能量。此部分能耗為工件熱處理過程中需要達到內外溫度一致、顯微組織轉變完全所需要消耗的能量，是熱處理過程中唯一的有效能耗。可以通過工件初始和終了溫度、工件質量及其比熱容計算得到。可以采用積分相對精確計算，其計算公式為

式中：m為工件總質量，kg；t0和t1分別為工件加熱的初始和終了溫度，℃；c（t）為工件比熱容和溫度的函數[8]，kJ/（kg·℃）。

b.加熱輔助構件能耗。在退火熱處理過程中，退火爐中的料框、工夾具、支撐架、爐底板及料盤等輔助構件和工件一樣會吸收能量、升高溫度。加熱輔助構件能耗通過其質量、比熱容和溫度通過式（1）計算。

c.加熱控制氣體能耗。為了使工件表面不發生氧化脫碳現象或對工件進行化學熱處理，需要向爐內通入可進行控制成分的氣氛。控制氣體在熱處理爐中升溫會吸收能量，加熱控制氣體的耗能由輸入控制氣體的體積、控制氣體比熱容和保溫溫度決定，其計算公式為

式中：V為氣體用量；t0和t1分別為氣體入爐前溫度和工作溫度；C為氣體在t0和t1溫度范圍內的平均比熱容。加熱爐內氣體能耗主要在控制氛圍爐中考慮，由于此部分能耗過小，在非控制氛圍爐和真空爐中一般忽略不計。

d.通過爐壁的散熱損失能耗。根據熱力學原理散失到外界的能量通過三層傳熱構成：爐氣對爐墻內表面的綜合傳熱（對流傳熱和輻射傳熱）；爐墻內部的傳導傳熱；爐墻外表面對空氣的綜合傳熱。爐壁散熱可以用熱流密度表示，即單位面積和單位時間通過的熱能。已知爐壁兩側溫度各為t1、t2，爐壁的厚度為s，導熱系數為λ，α為爐墻外表面對空氣的綜合給熱系數，則對于n層爐墻的傳熱過程，可以得到爐壁散熱能耗為

e.砌體蓄熱能耗。砌體蓄熱能耗為爐子從室溫加熱至工作溫度并且達到穩定狀態時爐襯本身吸收的熱量。采用隔熱和保溫雙層爐襯結構的砌體蓄熱能耗損失計算公式[7]為

f.其它能耗。此項耗能包括未考慮到的各種熱損失及一些不易精確計算的熱損失，如爐襯密封不嚴、爐子長期使用后保溫材料隔熱性能降低和爐子密封性降低等造成的熱損失、加熱元件的熱短路、電氣控制和工件傳送能耗等。此項耗能具有較大的不確定性，本文取上述各項能耗總和的10%～20%。

3 基于工藝場景數據的熱處理能耗估算

3.1 熱處理工藝場景數據與能耗估算關聯模型

實際上熱處理工藝場景數據基本上決定了熱處理工藝的能耗，要實施參數化的工藝能耗估算，構建熱處理工藝場景數據與能耗估算的關聯模型是必要的?；谏鲜龇治觯疚奶岢鲆粋€圖3所示的熱處理工藝場景數據與能耗估算的關聯模型。

圖3 熱處理工藝場景數據與能耗估算的關聯模型

從圖3可以看出，熱處理工藝類型和熱處理工件材料決定了熱處理溫度時間曲線，工件材料決定了不同溫度下比熱容，再結合工件質量就確定出工件加熱的能耗；散熱能耗、蓄熱能耗和其它能耗主要由加熱爐設備確定；輔助能耗和氣體能耗主要由熱處理工藝類型、工藝方案和加熱爐設備確定。下面主要闡述工件加熱消耗的熱能估算。

3.2 工件加熱能耗計算

根據上述熱處理能耗估算的理論模型和關聯模型，工件加熱所需的能耗完全可以從熱處理類型、熱處理工件信息計算出來。主要計算步驟如下。

3.2.1 熱處理工藝溫度時間曲線

熱處理溫度時間曲線實際就是熱處理工藝曲線，標明了熱處理加熱溫度、保溫時間、冷卻速度變化狀況[9]。圖4給出一個熱處理工藝的溫度時間曲線示意圖。

從圖4可以看出，不同熱處理工藝加溫到不同的溫度。例如完全退火工藝將亞共析鋼加熱至Ac3（轉變為奧氏體的終了溫度）以上20～30 ℃，保溫足夠時間，奧氏體化后，隨爐緩慢冷卻，從而接近平衡的組織，而不完全退火將亞共析鋼在Ac1～Ac3（Ac1為珠光體向奧氏體轉變的溫度）之間或過共析鋼在Ac1～Accm（Accm為溶入奧氏體的終了溫度）之間兩相區加熱。因此獲取材料的Ac1、Ac3、Accm等臨界溫度是很重要的。

研究表明，這些臨界溫度與材料中的碳元素、合金元素和雜質元素等相關[9]。在處理工件鋼/鑄鐵材料中，總會含有一定數量的碳元素、合金元素和雜質元素等，這些元素所占的比例決定了鋼/鑄鐵的力學特性。熱處理過程中，需要知道熱處理工件材料晶體變化的臨界溫度，例如Ac1線，即超過Ac1（共析）線，材料奧氏體會分解為珠光體。

通過實驗研究得到了金屬材料的臨界溫度的經驗計算公式[10]，根據金屬材料中碳元素、合金元素及雜質元素等的質量百分比計算材料的Ac1、Ac3、Accm等臨界溫度：

通過臨界溫度計算公式可以方便地獲取材料的臨界溫度，是熱處理加熱溫度確定的基礎。但是通過經驗公式得到的臨界溫度可能存在誤差，基于實際測量的材料臨界溫度構建材料臨界溫度數據庫，輸入材料名稱即可查詢獲取材料臨界溫度。

3.2.2 熱處理工件材料比熱容曲線

圖5 碳質量分數為0.23%的碳素鋼在不同溫度下的平均比熱容

3.2.3 基于三次樣條插值的數值積分計算工件加熱能耗

按照2.2節給出的加熱工件能耗計算公式，工件能耗計算是一個從室溫T0到加熱終了溫度T1之間，工件質量乘以材料的比熱容溫度函數的積分。為了方便計算機求解，本文采用基于三次樣條插值的數值積分計算工件加熱能耗。

對于給定的列表函數c(t):{(ti，yi)}，（T0=t1＜t2＜，…，＜tn=T1）（i=1，2，…，n），采用三彎矩法構造比熱容三次樣條插值函數。設hj=tj+1-tj，（j=1，2，…，n-1），則有如下計算式[11]：

上述公式將對比熱容積分計算離散轉化為三次樣條插值的求和運算，方便了計算機編程的實現。

4 估算計算編程實現與采集數據驗證

4.1 估算計算編程實現

本文基于上述熱處理工藝場景數據概念模型及熱處理工藝能耗計算的理論模型，采用Qt編程實現一個基于工藝場景參數的熱處理工藝能耗估算軟件系統，該系統主要包括如下3個模塊。

1）人機交互界面模塊。通過人機界面將工藝場景數據概念本體以列表框形式引導用戶選擇和輸入工藝場景數據、輸出估算計算的結果和編輯工藝場景數據概念本體。圖6中給出一個熱處理工藝場景數據選擇界面示意截圖。

圖6 工藝場景數據選擇界面示意圖

2）熱處理工藝場景數據概念本體庫和數據庫模塊。熱處理工藝場景數據概念本體庫以XML格式存儲的數據概念模型，用戶可以根據自己的需要進行編輯修改。熱處理工藝場景數據庫采用微軟公司的Access 2010構建，建立了常用熱處理金屬材料比熱容數據庫、熱處理爐設備參數數據庫等。

3）熱處理工藝能耗計算模塊。根據選擇和輸入的工藝場景數據，完成熱處理能耗的計算。

4.2 采集數據驗證

為了驗證上述參數化熱處理工藝能耗估算的有效性，本文分別在3個不同企業使用便攜式鉗式功率計采集了6組電爐加熱熱處理工藝的能耗數據，如表1所示。

表1 6組熱處理工藝場景下采集的能耗數據

將表2的工藝場景數據分別輸入到本文開發的熱處理工藝能耗估算軟件系統中，得到如表2所示的能耗估算結果。

表2 6組熱處理工藝場景下估算的能耗數據 kW·h

從表3可以看出，估算的熱處理工藝總能耗與實際采集得到的能耗誤差為3.3%～13.4%，在可以接受的誤差范圍內，驗證了本文方法的可行性。同時，從能耗分布來看，在熱處理工藝過程中能耗主要用于工件加熱，加熱爐能耗、輔助構建能耗及其它不確定的能耗也是重要的影響因素。

5 結論

熱處理工藝消耗大量的能源資源，是產品LCI清單分析的重要一環，需要一個在工藝場景參數驅動下的熱處理工藝的能耗數據。本文通過分析熱處理工藝場景數據信息，基于能量平衡方程，構建熱處理工藝能耗估算理論模型；構建熱處理工藝場景數據概念模型和能耗估算的關聯模型；開發了能耗估算軟件，基于熱處理工藝場景數據進行熱處理能耗估算；從不同企業采集了6組熱處理工藝場景數據和能耗數據，與本文提出的估算方法計算結果相比，誤差在合理范圍內，表明該方法可以較為方便和準確地預測熱處理工藝能耗。

由于熱處理工藝和設備的復雜性，不確定性因素較多，下一步將采集更多的工藝場景數據，從其不確定的能耗數據分析中找出規律，從而更準確地估算熱處理工藝能耗。