CN102108435A - 大型锻件加热自动冷却方法及设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大型锻件加热自动冷却方法及设备，本发明大型锻件加热自动冷却设备主要是针对大型主轴等锻件进行的热处理，采用鼓风机对大型锻件进行冷却，根据测量大型锻件件体温度，对参加冷却工作的鼓风机的数量、转速进行自动控制，达到预定时间(温度)时，自动控制系统使鼓风机停止工作，冷却过程结束。该专利可以实现大型锻件按照冷却曲线进行冷却，做到无偏差，冷却过程精确控制。本发明可适用于大型轴类锻件的热处理冷却过程，也可延伸至其他需要精确控制冷却过程的加工领域。

Description

大型锻件加热自动冷却方法及设备

技术领域

本发明属于在钢质材料加热后自动冷却方法及设备，特别是一种在大型锻件上进行热处理时的冷却方法。

背景技术

众所周知，很多大型主轴锻件形状的特殊性且质量要求较高。在锻造工序过程中，热处理工艺是其中非常重要的工序，其组织性能情况直接关系到工件的使用寿命和安全。

锻件热处理是通过加热、保温和冷却等操作来改变钢的内部组轮从而得到所要求性能的一种工艺。这种工艺是金属加工中的重要工序之一。其目的是消除锻件缺陷，如锻造时由于终锻温度过高或过低，出现晶粒粗大，魏氏组织或带状组织等)；并为后续工序如机械加工及最终热处理作组织难备；更重要的是热处理能显著提高钢的力学性能，增加机械零件的强度和寿命充分发挥锻件强度、硬度等潜力，因此它是赋于零件最终性能的关键工序。同一成分的钢，采用不同热处理操作，就能得到不同的组织和性能。根据加热和冷却方法不同，热处理工艺可分为退火、正火、淬火、间火、形变热处理等。无论哪一种热处理工艺，都要经历加热、保温、冷却三个过程。

在热处理冷却过程中，随工艺的要求不同，冷却方式也不同，如空冷，水冷，油冷，风冷等。空冷过程工艺简单，是很多热处理工艺采用的冷却手段，但其最大缺点在于冷却过程不可控，不能满足精确冷却控制的需要。水冷、油冷方式也存在冷却过程不可控制的问题，而且存在成本高、对于大型锻件不易实现等问题。风冷的过程目前主要采用鼓风机的形式进行。采用一台或几台鼓风机从各角度对工件进行吹风，从而达到快速冷却的作用。但该方式也存在其缺点，即冷却过程也很难控制，在需要严格按照冷却曲线进行的条件下，就会出现较大的温度偏差。

发明内容

本发明的目的在于提供一种利用一种自动冷却设备，使大型锻件热处理后能够按照既定冷却曲线进行冷却，使工件内部组织及力学性能达到使用要求的工艺方法，该方法可实现大型轴类的热处理冷却，可用于需通过风冷的大型锻件热处理过程，可实现大型锻件内部组织细化、保证宏观力学性能符合要求，组织性能的均匀性得到有效保证。

实现本发明目的的技术解决方案为：本发明大型锻件加热自动冷却设备，包括大型锻件、PLC调速及控制系统、温度传感器、变位机，PLC调速及控制系统包括PLC可编程逻辑控制器、变频器、交流接触器和鼓风机，变频器与PLC可编程逻辑控制器连接，交流接触器的一端与鼓风机连接，另一端与变频器连接，温度传感器贴于大型锻件之上，温度传感器与PLC调速及控制系统连接，温度传感器的温度信号输入至PLC可编程逻辑控制器，其输出信号输入至变频器，降温用鼓风机摆放于大型锻件周围，大型轴类锻件置于变位机上，使大型锻件各处均匀降温。

本发明大型锻件加热自动冷却方法，设备启动前，大型锻件经加热后移出加热炉，鼓风机围绕大型锻件均匀摆放，工作时利用PLC可编程逻辑控制器的编程系统将冷却曲线输入到PLC可编程逻辑控制器中，大型锻件降温时，采用温度传感器实时监测大型锻件表面的温度变化，将信号输送给PLC可编程逻辑控制器，经PLC可编程逻辑控制器内部处理计算大型锻件的冷却速度，发出信号并通过变频器调节鼓风机的转速，大型锻件随变位机进行旋转，使大型锻件温度按照冷却曲线进行冷却，另一方面，PLC可编程逻辑控制器根据所测得的温度冷却速度状况，自动对参与工作的鼓风机数量进行控制，确保实现冷却过程。

本发明与现有技术相比，其显著优点：(1)能够使大型轴类锻件各部分的冷却过程按照工艺规程规定的曲线进行，实现精确冷却；(2)冷却系统由数台至数十台鼓风机、变位机与自动控制系统构成，能够自动按照冷却曲线进行；(3)设备能够根据具体的轴类锻件直径、长度、截面直径变化情况设置鼓风机的位置、数量、距离；(4)能够依据实际传感的温度变化情况，调整各位置鼓风输出风量的大小，以满足冷却曲线的要求，适用于各类风冷锻件；(5)整个控制系统由可编程控制器、电机变频驱动器、旋转装置、风扇组成，由可编程控制器进行控制，工作过程稳定、可靠。

附图说明

图1是本发明的大型锻件加热自动冷却设备示意图。

图2是本发明的变频调速系统控制示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

结合图1，本发明大型锻件加热自动冷却设备，包括热处理后受冷的大型锻件1、PLC调速及控制系统、温度传感器3若干、变位机5，PLC调速及控制系统包括PLC可编程逻辑控制器2、变频器6、交流接触器7和鼓风机4若干，变频器6与PLC可编程逻辑控制器2连接，交流接触器7的一端与鼓风机4连接，另一端与变频器6连接，温度传感器3贴于大型锻件1之上，温度传感器3与PLC调速及控制系统连接，温度传感器3的温度信号输入至PLC可编程逻辑控制器2，其输出信号输入至变频器6，降温用鼓风机4摆放于大型锻件1周围，大型轴类锻件1置于变位机5上，使大型锻件1各处均匀降温。

结合图1，本发明大型锻件加热自动冷却设备，包括热处理后受冷的大型锻件1，PLC调速及控制系统，温度传感器3若干，以及与鼓风机4若干组成。工作时大型锻件经加热后，移出加热炉，移至风冷场地，此时根据锻件的大小以及冷却曲线的要求，确定鼓风机的数量，一般来说，锻件的尺寸越大，冷却曲线斜率越大(冷却速度越大)，要求的鼓风机数量越多。鼓风机摆放的位置应围绕大型锻件尽量均匀，以利于锻件整体均匀冷却，特别是针对大型锻件的重要部位，必须有鼓风机近距离摆放，以利于按照冷却曲线进行降温。工作时，利用PLC的编程系统将冷却曲线输入到PLC2中，降温时，采用温度传感器3实时监测大型锻件表面的温度变化，输送给PLC2，PLC2发出信号，通过变频器调节鼓风机4转速，使大型锻件1温度能够按照冷却曲线进行冷却。另一方面，PLC2根据所测得的温度冷却速度状况，自动对参与工作的鼓风机4数量进行控制，确保实现精确冷却过程。整个大型轴类锻件置于变位机5之上，在冷却的时候变位机5旋转带动大型轴类旋转，以利于整个轴类进行均匀冷却。在变位机5转台上涂有耐高温材料，提高使用寿命。整个设备的控制核心在于PLC设备，通过高压变频控制，电机软启软停，有效风机、电机堵转烧毁，实现设备安全运行。

本发明大型锻件加热自动冷却设备，温度传感器3的数量为1-2个，变频器5的数量为1-2个，鼓风机4的数量为1-11个。

本发明大型锻件加热自动冷却方法，设备启动前，大型锻件经加热后移出加热炉，鼓风机4围绕大型锻件1均匀摆放，工作时利用PLC可编程逻辑控制器的编程系统将冷却曲线输入到PLC可编程逻辑控制器2中，大型锻件1降温时，采用温度传感器3实时监测大型锻件1表面的温度变化，将信号输送给PLC可编程逻辑控制器2，经PLC可编程逻辑控制器2内部处理计算大型锻件1的冷却速度，发出信号并通过变频器6调节鼓风机4的转速，大型锻件1随变位机5进行旋转，使大型锻件1温度按照冷却曲线进行冷却，另一方面，PLC可编程逻辑控制器2根据所测得的温度冷却速度状况，自动对参与工作的鼓风机4数量进行控制，确保精确实现冷却过程。

本发明大型锻件加热自动冷却方法，在初始状态，鼓风机4处于停转状态，变频器6处于非工作状态，交流接触器7处于关闭状态，开始启动后，PLC可编程逻辑控制器2根据大型锻件1的冷却曲线及温度传感器3检测到的冷却速度，输出信号至变频器6，变频器6通过交流接触器7输出信号至鼓风机4，控制鼓风机4的转速，从而达到精确控制冷却速度的目的。

另一方面从图1中温度传感器3实时监测大型锻件体温度的变化，温度信号传送给PLC2，PLC2根据内部程序进行比较与运算，在线输出信号至变频器6，通过交流接触器7控制交流电机转速，也就是说，该过程是通过温度传感器向进行温度信号反馈控制，PLC2通过模拟通道接口接受信号，通过计算温度信号降温速度，从而进行输出信号最终控制鼓风机4转速，从而使降温曲线能够按照设定曲线进行。

此外，该发明设备不仅可以进行实时控制各电机的转速，还可以根据现场的要求灵活地决定参与工作的电机的数量。具体地是当两路温度传感信号经由模拟通道进入PLC2后，PLC2根据所设程序进行合理判断，当所有电机降到最低转速后，如果降温速度仍达不到规定的要求，此时，由PLC2通过开关信号I/O直接向交流接触器7发出信号，直接按照设定关掉其中某些鼓风机甚至全部关停；当降温速度开始减小至小于设定速度时，鼓风机4重新启动；反之，当各鼓风机全速开动，仍然达不到系统要求的降温速度，则会显示报警声光信号。

下面以实施例来详细描述本发明大型锻件加热自动冷却方法及设备。

结合图1和图2，以直径600mm的大型轴类锻件热处理后冷却为例，其尺寸如图3所示。控制系统可编程控制器选择西门子(SIEMENS)S7-300 PLC2、TP270触摸屏、北京赛亿凌科技有限公司STT-F温度传感器3，操作界面友好，参数显示直观，故障声光报警，自动、手动两种状态无忧切换。控制系统核心采用国际上享有盛誉的罗宾康(ROBICON)的完美无谐波高压变频器6，从本质上解决了以往高压大功率变频器应用中存在的诸多问题，如对电网的谐波污染，输入功率因数低，电机发热严重，转距脉动，DV/DT影响电机绝缘等。

首先将该主轴1进行800℃、7小时保温，然后将主轴吊出热处理炉，进行风冷。鼓风机4选用2kW交流鼓风机，按照图1所示位置进行摆放，将降温曲线采用编程输入PLC2，包括温度传感器3的温度信号中断等，其输出为控制变频器6信号，进而控制鼓风机4。工作时按动PLC上启动按钮，鼓风机按照初始速度旋转对主轴锻件1进行降温，同时温度传感器3将测得的温度信号作为中断输送至PLC2的模拟I/O口，PLC2将测得的降温曲线与给定降温曲线进行比较，在线输出调频信号至变频器6，使鼓风机4的转速进行调节，从而使降温曲线按照给定曲线进行。另一方面，启动PLC控制器2按钮的同时，发信号给旋转装置带动大型轴类1旋转，使轴类各部位风冷降温更加均匀。如降温速度在给定最小转速时仍超标，则PLC2将自动切断交流接触器7直至温度降低速度回到正常值继续进行变频调速。

Claims (6)

1.一种大型锻件加热自动冷却设备，其特征在于：包括大型锻件[1]、PLC调速及控制系统、温度传感器[3]、变位机[5]，PLC调速及控制系统包括PLC可编程控制器[2]、变频器[6]、交流接触器[7]和鼓风机[4]，变频器[6]与PLC可编程逻辑控制器[2]连接，交流接触器[7]的一端与鼓风机[4]连接，另一端与变频器[6]连接，温度传感器[3]贴于大型锻件[1]之上，温度传感器[3]与PLC调速及控制系统连接，温度传感器[3]的温度信号输入至PLC可编程逻辑控制器[2]，其输出信号输入至变频器[6]，降温用鼓风机[4]摆放于大型锻件[1]周围，大型轴类锻件[1]置于变位机[5]上，使大型锻件[1]各处均匀降温。

2.根据权利要求1所述的大型锻件加热自动冷却设备，其特征在于：温度传感器[3]的数量为1-2个。

3.根据权利要求1所述的大型锻件加热自动冷却设备，其特征在于：变频器[5]的数量为1-2个。

4.根据权利要求1所述的大型锻件加热自动冷却设备，其特征在于：鼓风机[4]的数量为1-11个。

5.一种大型锻件加热自动冷却方法，其特征在于：所述设备启动前，大型锻件经加热后移出加热炉，鼓风机[4]围绕大型锻件[1]均匀摆放，工作时利用PLC可编程逻辑控制器的编程系统将冷却曲线输入到PLC可编程逻辑控制器[2]中，大型锻件[1]降温时，采用温度传感器[3]实时监测大型锻件[1]表面的温度变化，将信号输送给PLC可编程逻辑控制器[2]，经PLC可编程逻辑控制器[2]内部处理计算大型锻件[1]的冷却速度，发出信号并通过变频器[6]调节鼓风机[4]的转速，大型锻件[1]随变位机[5]进行旋转，使大型锻件[1]温度按照冷却曲线进行冷却，另一方面，PLC可编程逻辑控制器[2]根据所测得的温度冷却速度状况，自动对参与工作的鼓风机[4]数量进行控制，确保实现冷却过程。

6.根据权利要求1所述的大型锻件加热自动冷却方法，其特征在于：在初始状态，鼓风机[4]处于停转状态，变频器[6]处于非工作状态，交流接触器[7]处于关闭状态，开始启动后，PLC可编程逻辑控制器[2]根据大型锻件[1]的冷却曲线及温度传感器[3]检测到的冷却速度，输出信号至变频器[6]，变频器[6]通过交流接触器[7]输出信号至鼓风机[4]，控制鼓风机[4]的转速，从而控制冷却速度。

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