一种自动化热处理设备能耗智能优化方法及系统与流程

本发明涉及能耗优化，具体涉及一种自动化热处理设备能耗智能优化方法及系统。

背景技术：

1、在自动化热处理设备运行过程中，井式渗碳炉炉盖、箱式炉炉门所采用的机械密封，因长期处于高温、高频启闭工况，不可避免出现磨损致使高温热处理气体外溢，炉内热空气随之流失，大量热能白白耗散，严重影响设备热效率。

2、同时，前室在进出料开门瞬间，设备内部负压状态会快速吸入冷空气，不仅破坏炉内温度场稳定性，还需额外能耗重新升温，加剧能源浪费。为解决密封问题，行业尝试采用柔性石墨、高温盘根等新材料开展气密改造，然而，这类材料在高温及复杂气体腐蚀环境下，耐温与耐蚀性能难以满足长期稳定运行需求，密封寿命较短，漏气、漏热问题反复出现，无法从根本上根治能耗损耗隐患。

3、现有技术缺乏对设备密封状态与能耗关联的精准监测及智能调控手段，难以实时捕捉漏气漏热故障，更无法基于密封失效动态调整工艺参数，导致热处理设备能耗居高不下。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种自动化热处理设备能耗智能优化方法及系统，解决以下技术问题。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

3、一种自动化热处理设备能耗智能优化方法，应用于配置有炉盖机械密封、前室和保护气体供给设备的自动化热处理设备，包括以下步骤：

4、步骤s1：实时采集炉盖驱动机构在密封闭合状态下的位移和力矩，并采集炉内压力、炉内温度和前室压力；将实时采集的位移和力矩，分别与预设的位移基准值和力矩基准值进行比对，得到位移偏差和力矩偏差；

5、步骤s2：基于预设的所述机械密封的密封材料的压缩刚度曲线，根据所述力矩偏差确定密封元件的永久压缩变形量，并根据所述永久压缩变形量和位移偏差得到实时等效泄漏间隙；根据所述实时等效泄漏间隙、炉内压力和炉内温度，并根据所述保护气体供给设备的物性参数，得到高温气体质量流量；

6、步骤s3：在接收到前室进出料门开启指令时，根据当前的炉内压力、前室压力和实时等效泄漏间隙，得到高温气体质量流量，并得到开门动作引起的炉膛有效容积变化率，最终得到保护气体的注入质量流量；在前室进出料门实际开启之前，所述保护气体供给设备向炉内注入所述注入质量流量的保护气体。

7、作为本发明进一步的方案：所述位移基准值和力矩基准值的预设过程包括：

8、在所述自动化热处理设备投入运行前，所述机械密封处于全新完好状态下，控制驱动机构执行若干次密封闭合动作，记录各次闭合到位后的位移稳态值和力矩稳态值，并以若干次记录的位移稳态值平均值作为位移基准值，并以若干次记录的力矩稳态值平均值作为力矩基准值。

9、作为本发明进一步的方案：所述密封元件的永久压缩变形量的获得过程包括：

10、将所述力矩偏差处于所述驱动机构中预设的连杆的力臂换算系数，得到作用于密封元件上的载荷偏差量；从所述压缩刚度曲线中，读取与所述载荷偏差量对应的变形量变化值，作为永久压缩变形量；其中，所述压缩刚度曲线为对所述密封元件的材料进行若干次加卸载循环试验后，测得的不同永久变形量下的残余压缩力曲线。

11、作为本发明进一步的方案：所述实时等效泄漏间隙的获得过程包括：

12、将所述位移偏差减去所述永久压缩变形量，得到密封元件因弹性失效而未能补偿的间隙值；对所述间隙值进行温度补偿校正，得到实时等效泄漏间隙，其中温度补偿校正依据所述炉内温度和密封元件的材料的热膨胀系数，将常温下的间隙值换算为工作温度下的实际间隙值。

13、作为本发明进一步的方案：所述高温气体质量流量的获得过程包括：

14、将所述实时等效泄露间隙的值记为δ，并将所述实时等效泄露间隙等效为一个长度为密封周长、宽度为δ的狭缝，基于可压缩流体通过狭缝的绝热流动公式得到高温气体质量流量q：

15、，

16、其中，cd为流量系数，l为所述机械密封的密封周长，pin为所述炉内压力，pout为炉外的温度，tin为所述炉内温度，r为保护气体的气体常数，γ为保护气体的比热比。

17、作为本发明进一步的方案：所述保护气体的注入质量流量的获得过程包括：

18、将开启所述前室进出料门时，开启动作引起的炉膛有效容积变化率乘以炉内的当前保护气体的密度，得到因容积增大所需要的第一补偿流量；将所述高温气体质量流量作为第二补偿量，并获取所述第一补偿流量和第二补偿量之和，得到补偿量总和；获取所述炉内压力和前室压力之间的压力差，根据所述压力差得到门缝的气体出入量；并将所述补偿量总和减去所述气体出入量，得到保护气体的注入质量流量。

19、作为本发明进一步的方案：在所述前室进出料门关闭后，根据持续更新的实时等效泄漏间隙与所述炉内压力的波动，确定保护气体的调节量，并控制所述保护气体供给设备按所述保护气体的调节量进行输出，并对当前预设时间段内的高温气体质量流量进行累积，并在累积泄漏量超过设定阈值时生成密封维护指令。

20、一种自动化热处理设备能耗智能优化系统，应用于配置有炉盖机械密封、前室和保护气体供给设备的自动化热处理设备，包括：

21、数据采集模块：实时采集炉盖驱动机构在密封闭合状态下的位移和力矩，并采集炉内压力、炉内温度和前室压力；将实时采集的位移和力矩，分别与预设的位移基准值和力矩基准值进行比对，得到位移偏差和力矩偏差；

22、数据分析模块：基于预设的所述机械密封的密封材料的压缩刚度曲线，根据所述力矩偏差确定密封元件的永久压缩变形量，并根据所述永久压缩变形量和位移偏差得到实时等效泄漏间隙；根据所述实时等效泄漏间隙、炉内压力和炉内温度，并根据所述保护气体供给设备的物性参数，得到高温气体质量流量；

23、补偿模块：在接收到前室进出料门开启指令时，根据当前的炉内压力、前室压力和实时等效泄漏间隙，得到高温气体质量流量，并得到开门动作引起的炉膛有效容积变化率，最终得到保护气体的注入质量流量；在前室进出料门实际开启之前，所述保护气体供给设备向炉内注入所述注入质量流量的保护气体。

24、本发明的有益效果：

25、本发明通过实时采集炉盖或炉门驱动机构在密封闭合状态下的位移与力矩，并与密封完好状态下的基准值进行比对，结合密封元件材料的压缩刚度曲线，将长期磨损引起的力矩偏差转化为密封元件的永久压缩变形量，进而与位移偏差共同计算出机械密封的实时等效泄漏间隙，本发明无需在高温气体中直接安装间隙传感器，即可连续量化密封退化程度；并利用实时等效泄漏间隙、炉内压力与炉内温度，通过可压缩流体泄漏方程精确计算出向外泄漏的高温气体质量流量；在接到前室进出料门开启指令后，依据当前泄漏流量、炉内与前室压力、炉膛有效容积变化率，前馈计算出补偿所需保护气体注入质量流量，并在开门动作之前提前向炉内注气，主动抬升压力以抵消开门瞬间容积突增和持续泄漏耦合产生的负压效应，有效的阻断了外部冷空气倒吸，避免了冷空气进入炉内后急剧升温所导致的大量无效热损耗及对炉内温度场的冲击；在前室门关闭后，持续利用实时更新的实时等效泄漏间隙与炉内压力波动，将实时等效泄漏间隙对应的当前的实时等效泄漏间隙作为前馈量与压力闭环调节量叠加，控制保护气体供给系统动态输出，使炉内压力始终维持在预设微正压区间，既以最经济的保护气体消耗量补偿了因密封磨损失效造成的不可逆泄漏，又防止了过量注入导致的额外排气热损。

26、此外，本发明还对泄漏流量的时间积分累积至超过设定阈值时自动生成密封维护指令，实现了从被动定期更换向基于实际磨损状态的预测性维护转变，延长了有效密封使用寿命，整体上协同解决了密封持续漏气漏热与前室开门负压抽吸这两大根本性热损失源，达到了热处理设备保护气体消耗最少、无效热散失最低的能耗智能优化效果。