CN101722206A - 一种实现挤压坯料温度梯度分布的装置与控制系统 - Google Patents

Abstract

一种实现挤压坯料温度梯度分布的装置与控制系统，属于金属材料领域。本发明包括水冷机械装置和自动控制系统，机械装置包括供水系统、坯料定位机构、喷水机构、测温系统、液压系统和电气系统；供水系统由水泵、水管及其上安装的流量计、调节阀和快开阀构成。流量计、调节阀及快开阀与PLC连接，用以采集和控制水流量及供水时间。每隔50～200mm设置一个环状喷水管，管直径30～60mm，管的内侧安装矩形喷嘴，喷嘴距离坯料表面50～200mm。在喷水机构上安装测温仪测量喷水前后坯料表面的温度。阀门开启度及开启时间由预设温度梯度和温度预测模型计算得出。控制程序安装在电脑或操作站内，建立人机交互界面，数据通讯通过以太网完成。本发明装置成本低，自动化程度高，易于制造安装，温度梯度控制准确，满足等温挤压的工艺要求，适于在线控制。

Description

一种实现挤压坯料温度梯度分布的装置与控制系统

技术领域

本发明属于金属材料领域，涉及金属及合金挤压坯料加热、挤压工艺，是实现挤压坯料温度头高尾低沿长度方向梯度分布的装置与自动控制系统。

背景技术

在金属及合金热挤压过程中，由于坯料与挤压筒之间的摩擦和坯料本身塑性变形不断转化为热，导致随着挤压的进行，坯料后段以及挤压型材在模孔出口处的温度逐步上升，因而造成型材头尾组织和性能不均一，尺寸和表面质量不稳定，还容易造成模具表面损坏[J.S.Ajiboye，et al.，Effects of extrusion variables on temperature distribution inaxisymmetric extrusion process，International Journal of Mechanical Sciences，2008，(50)，522～537]。为了减少摩擦热和变形热，便于挤压系统向外散热，生产实际中通常采用降低挤压速度的方法来解决，但这样会造成生产效率下降、成本上升等问题[张君等，铝型材等温挤压温度控制的研究，机械工程学报，2004，(4)：149～153]。

如果能使挤压坯料沿长度方向有一个头部高、尾部低的温度梯度，将有助于解决上述问题。温度梯度与挤压过程所引起的热量增加作用恰好相反，即在挤压过程中坯料中热量的增加被温度的逐步降低所抵消，获得均匀的型材模孔出口温度和变形(称为等温挤压)[J.Zhou，et al.，Computer simulated and experimentally verified isothermal extrusion of7075aluminium through continuous ram speed variation，Journal of Materials ProcessingTechnology，2004，(146)，203～212]。

使坯料沿长度方向形成温度梯度的现有方法大多是通过感应加热来实现的。感应加热系统造价较高，耗电量也很大，并且不能利用企业现有燃煤、燃油或燃气加热炉，需重新安装感应加热炉，导致设备投入及运行成本都较高。

发明内容

本发明的目的是针对金属及合金在热挤压过程中坯料与挤压筒的摩擦生热、塑性变形生热引起的坯料后段温度上升的问题，通过梯度水冷方式，使得挤压前坯料温度头高尾低，从而抵消挤压后段温度上升，以改善产品质量、提高挤压速度、延长模具寿命。

一种实现挤压坯料温度梯度分布的装置与控制系统，包括水冷机械装置和自动控制系统两个部分。

其特征在于：水冷机械装置包括供水系统、坯料定位系统、喷水机构、测温系统、液压系统和电气系统。供水系统包括储水箱、水泵、压力表、持压泄压阀、水量分配器、手动蝶阀、电磁流量计、电动调节阀、液动快开阀。手动蝶阀、电磁流量计、电动调节阀、液动快开阀分别各有2-20套，与喷水机构中的2-20个喷水环构成2-20条供水线路，每条供水线路可独立控制。喷水机构包括小车、导轨、可移动接水箱、喷水环，喷嘴，可移动接水箱、喷水环均安装在小车上，可随着小车运动，小车由液压推动；所述喷水机构由等距排列的2-20个环状喷水管构成，其距离为50～200mm，喷水管直径30～60mm，喷水管的内侧等距离安装矩形喷嘴，喷嘴距离坯料表面50～200mm。在喷水机构上安装测温系统，测温系统可选红外式或接触式仪，每个喷水环至少对应一个测温点，测量喷水前后坯料表面的温度。坯料定位、液压和电气系统将坯料移送并固定于喷水环之中。

本发明所述的自动控制系统包括可编程控制器(PLC)、电脑或操作站、控制软件程序，通过以太网进行数据通讯。控制软件的核心为温度预测模型，即由导热控制方程(1)出发，通过对空间域和时间域的离散化，建立坯料的二维有限差分方程。坯料内部网格的二维有限差分方程如式(2)所示。

$\frac{\mathrm{\ρc}}{\mathrm{\λ}}\frac{\∂T}{\∂t}=\frac{{\∂}^{2}T}{{\∂r}^2}+\frac{1}{r}\frac{\∂T}{\∂r}+\frac{{\∂}^{2}T}{{\∂x}^2}---\left(1\right)$

$T_{i,j}^{n+1}=T_{i,j}^n+\frac{\mathrm{\λ}}{\mathrm{c\ρ}}\mathrm{\Δt}[\frac{1}{{\left(\mathrm{\Δx}\right)}^2}{T}_{i,j-1}^n+(\frac{1}{2\mathrm{r\Δr}}+\frac{1}{{\left(\mathrm{\Δr}\right)}^2})T_{i-1,j}^n$

$+\frac{1}{{\left(\mathrm{\Δx}\right)}^2}{T}_{i,j+1}^n+(\frac{1}{{\left(\mathrm{\Δr}\right)}^2}-\frac{1}{2\mathrm{r\Δr}})T_{i+1,j}^n-2(\frac{1}{{\left(\mathrm{\Δx}\right)}^2}+\frac{1}{{\left(\mathrm{\Δr}\right)}^2})T_{i,j}^n]---\left(2\right)$

式中，ρ——坯料的密度，kg/m³；

c——坯料的比热，J/kg·K；

λ——坯料的热导率，W/m·K；

T——温度，℃；

t——时间，s；

r——坯料的径向坐标值，m；

x——坯料的轴向坐标值，m；

坯料进入喷水环进行喷水前，测温仪检测坯料轴向上多点的温度分布，并经PLC传入控制程序中。根据操作者预设的温度梯度，由数学模型计算各个喷水环的喷水量和喷水时间，即各个水管的开启度和开启时间。各阀门的动作由控制程序发出、由PLC控制。坯料和喷水环移动的限位器、定位器、触发器等也由程序自动控制。

本发明所述的梯度水冷装置和控制系统具有如下优点：

1、适合目前国内主要挤压机型，适用坯料尺寸范围Φ(80～500)×L(300～2000)mm。

2、无需改变现有加热设备，只需将本发明所述的水冷装置和控制系统安装于坯料加热炉与挤压机之间即可；

3、成本低，自动化程度高，易于制造安装；

4、可使坯料头尾温度差达到20～100℃，满足等温挤压的工艺要求；

5、温度梯度控制准确，误差在±5℃以内。

6、系统从参数输入至执行输出所需时间在1s之内，适于在线控制。

附图说明

图1为实施例所用水冷装置正视图

图2为实施例所用水冷装置侧视图

图3为实施例所用水冷装置俯视图

图4梯度水冷前后示意图

其中1.可移动接水箱，2.对中顶头支架，3.喷水环，4.顶头，5.顶头油缸，6.平移油缸，7小车，8.平移顶杆，9.导轨，10.可升降档板，11.档板油缸，12.储水箱，13.水泵，14.过滤器，15.持压泄压阀，16.水量分配器，17.手动蝶阀，18.电磁流量计，19.电动调节阀，20.液动快开阀，21.软管，22.挤压坯料。

具体实施方式

下面以一个实例来详细说明圆柱形坯料梯度水冷系统的实现过程。本实施例采用的梯度水冷自动控制系统的主要参数为：

坯料尺寸：Φ120×L500mm

合金类型：A6063铝合金

挤压机型：800t

加热温度：500℃

坯料头尾目标温差：60℃

使用喷水环个数：5个

喷水环内水流量：30L/min

梯度水冷装置工作过程：

挤压开始前在电脑或操作站内的自动控制软件上人工输入挤压坯料所需温度梯度ΔT。长铸锭从加热炉出来，经过剪料机剪料后，通过输料坡道滚下，档板油缸11推动可升降档板10升起，挡住坯料，顶头油缸5推动顶头4伸出，顶住坯料，坯料定位完成。平移顶杆8推动小车7，连同安装于其上的喷水环3、可移动接水箱1及测温仪前进，同时完成坯料第一次扫描测温。温度数据通过可编程控制器传入到电脑或操作站内的自动控制系统，通过内置数学模型计算满足轴向ΔT温度梯度要求的各喷水环阀门开启度和开启时间，将动作指令通过可编程控制器控制电动调节阀19的开启度和液动快开阀20的开启时间，进行喷水。喷水结束后，再经过一定时间空冷，平移顶杆8拉动小车7，连同安装于其上的喷水环3、可移动接水箱1及测温仪后退，同时完成坯料水冷后扫描测温。测得的温度数据通过可编程控制器传入到电脑或操作站内的自动控制系统，对内置数学模型的参数进行修正。可升降档板10降下，坯料由输料坡道滚下进入挤压机，整个过程结束。

本实施例中的各参数：

(1)长铸锭在燃煤炉中均匀加热至500～520℃，热剪成长度500mm的挤压坯料；

(2)利用有限差分温度数学模型进行温度预测计算，得出为达到目标温度梯度60℃，各喷水环的喷水时间，以及保证坯料心部与表面温度均匀所需的空置时间，各调节参数如表1所示；

表1水冷控制系统参数

(3)水冷前后坯料纵向温度分布曲线如图2所示；

根据本实施例结果，坯料经过梯度水冷后，首尾温差为63℃，与设定值相差+3℃，满足了温度控制的精度要求。整套系统运行良好，计算机、PLC系统运行正常，各软件模块运行正常，各阀门、仪器开关均能正常开闭，各机械机构运作顺畅。

经实际应用证明，本发明所述的梯温水冷系统，在工艺试验及现场运行中获得了良好效果，能较好的获得预期温度梯度。

Claims (3)

1.一种实现挤压坯料温度梯度分布的装置与控制系统，包括水冷机械装置和自动控制系统两个部分，其特征是水冷机械装置包括供水系统、坯料定位系统、喷水机构、测温系统、液压系统和电气系统；供水系统包括储水箱(12)、水泵(13)、持压泄压阀(15)、水量分配器(16)、手动蝶阀(17)、电磁流量计(18)、电动调节阀(19)、液动快开阀(20)，其特征在于：手动蝶阀、电磁流量计、电动调节阀、液动快开阀分别各有2-20套，与喷水机构中的2-20个喷水环构成2-20条供水线路，每条供水线路能够独立控制；喷水机构包括小车(7)、导轨(9)、可移动接水箱(1)、喷水环(3)，可移动接水箱、喷水环均安装在小车上，随着小车运动，小车由液压推动；喷水机构中的喷水环由等距排列的2-20个环状喷水管构成，其距离为50～200mm，喷水管直径30～60mm，喷水管的内侧等距离安装矩形喷嘴，喷嘴距离坯料表面50～200mm；在喷水机构上安装测温系统，测温系统为红外式或接触式测温仪，每个喷水环至少对应一个测温点，测量喷水前后坯料表面的温度；坯料定位、液压及电气系统将坯料移送并固定于喷水环之中。

2.如权利要求1所述的一种实现挤压坯料温度梯度分布的装置与控制系统，其特征是自动控制系统包括可编程控制器PLC、电脑或操作站、控制软件程序，通过以太网进行数据通讯；控制软件的核心为温度预测模型，即由导热控制方程(1)出发，通过对空间域和时间域的离散化，建立坯料的二维有限差分方程；坯料内部网格的二维有限差分方程如式(2)所示；

$\frac{\mathrm{\ρc}}{\mathrm{\λ}}\frac{\∂T}{\∂t}=\frac{{\∂}^{2}T}{\∂r^2}+\frac{1}{r}\frac{\∂T}{\∂r}+\frac{{\∂}^{2}T}{\∂x^2}---\left(1\right)$

$T_{i,j}^{n+1}=T_{i,j}^n+\frac{\mathrm{\λ}}{\mathrm{cp}}\mathrm{\Δt}[\frac{1}{{\left(\mathrm{\Δx}\right)}^2}{T}_{i,j-1}^n+(\frac{1}{2\mathrm{r\Δr}}+\frac{1}{{\left(\mathrm{\Δr}\right)}^2})T_{i-1,j}^n$

$+\frac{1}{{\left(\mathrm{\Δx}\right)}^2}{T}_{i,j+1}^n+(\frac{1}{{\left(\mathrm{\Δr}\right)}^2}-\frac{1}{2\mathrm{r\Δr}})T_{i+1,j}^n-2(\frac{1}{{\left(\mathrm{\Δx}\right)}^2}+\frac{1}{{\left(\mathrm{\Δr}\right)}^2})T_{i,j}^n]---\left(2\right)$

式中，ρ——坯料的密度，kg/m³；

      c——坯料的比热，J/kg·K；

      λ——坯料的热导率，W/m·K；

      T——温度，℃；

      t——时间，s；

      r——坯料的径向坐标值，m；

      x——坯料的轴向坐标值，m。

3.如权利要求1所述的一种实现挤压坯料温度梯度分布的装置与控制系统，其特征是梯度水冷装置工作过程为：

挤压开始前在电脑或操作站内的自动控制软件上人工输入挤压坯料所需温度梯度ΔT；长铸锭从加热炉出来，经过剪料机剪料后，通过输料坡道滚下，档板油缸(11)推动可升降档板(10)升起，挡住坯料，顶头油缸(5)推动顶头(4)伸出，顶住坯料，坯料定位完成；平移顶杆(8)推动小车(7)，连同安装于小车上的喷水环(3)、可移动接水箱(1)及测温仪前进，同时完成坯料第一次扫描测温；温度数据通过可编程控制器传入到电脑或操作站内的自动控制系统，通过内置数学模型计算满足轴向ΔT温度梯度要求的各喷水环阀门开启度和开启时间，将动作指令通过可编程控制器控制电动调节阀(19)的开启度和液动快开阀(20)的开启时间，进行喷水；喷水结束后，再经过空冷，平移顶杆(8)拉动小车(7)，连同安装于小车上的喷水环(3)、可移动接水箱(1)及测温仪后退，同时完成坯料水冷后扫描测温；测得的温度数据通过可编程控制器传入到电脑或操作站内的自动控制系统，对内置数学模型的参数进行修正；可升降档板(10)降下，坯料由输料坡道滚下进入挤压机，整个过程结束。

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