CN102202848A - 陶瓷前体挤出批料的双循环控制 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种生产高质量挤出物的控制策略，包括以下步骤：通过直接或间接测量邻近模头的挤出机部件的温度来测量批料温度并将温度数据传输到挤出控制系统以监控陶瓷前体批料的温度，所述挤出控制系统包括主控制器(106)、至少一个从属控制器(110)以及任选的管理控制器。所述管理控制器决定批料温度设定值(102)，从而基于实时温度输入值和存储参数，例如批料组分、工艺生产量、挤出机冷却能力以及类似参数而获得挤出一定类型批料的期望温度。所述主控制器(106)从所述管理控制器接收批料温度设定值，并监控批料温度并依次调节至少一从属控制器(110)，所述从属控制器控制冷却剂(112)流到与批料接触的挤出机(114)的一部分。

Description

陶瓷前体挤出批料的双循环控制

相关申请的交叉引用

本申请要求对申请号为61/110,367、申请日为2008年10月31日的美国临时申请的优选权。

技术领域

本发明涉及通过监测和控制受压通过挤出机模板的批料的温度而控制陶瓷前体批料挤出物形状的装置和方法，所述批料挤出物包括蜂窝过滤体。

背景技术

可能出现陶瓷成型挤出体在形状上的局部缺陷。

发明内容

本发明的一方面是一种控制陶瓷前体挤出物形状的方法，所述方法包括以下步骤：通过经由挤出机的至少一个圆筒以及设置在所述挤出机出口的挤出机模头挤出陶瓷前体批料而形成挤出物，圆筒温度能由圆筒冷却剂流调节；测量所述模头的挤出机上游(extruder upstream)内材料的批料温度；测量所述圆筒温度；确定批料温度设定值；根据所述批料温度以及所述批料温度设定值确定圆筒温度设定值；根据圆筒温度设定值以及所测量的圆筒温度确定圆筒冷却剂流设定值；以及通过调节所述圆筒冷却剂流而调节所述挤出机内所述圆筒与所述批料之间的热传导。

在一些实施例中，根据探针如何定位、批料中心和/或批料表面之一或两者的温度，所述批料温度可通过将探针插入批料中被直接测量。在其他实施例中，所述批料温度可间接通过测量邻近所述模头的挤出机的表面温度，即直接或间接与所述批料接触而被测量。在一些实施例中，将邻近所述模头的挤出机的表面设置在挤出机体的末端圆筒与所述模头前面之间。优选地，此表面不直接供给冷却剂。

在一些实施例中，从所述挤出机圆筒到所述批料的热传导被控制在一速度，该速度足够保持所述挤出物中心温度与表面温度间的差别在挤出物温度范围内。在一些实施例中，所述温度范围被选择为使其产生具有相同形状的挤出物，从而导致大量无误差挤出产品以及对产品再加工需要的减小。在一些实施例中，在这里披露的所述方法和装置的差别带来所述挤出物中心温度与所述表面温度间的温差不小于约1℃且不大于约3℃。

在这里披露的一些实施例中，提供一种调节传热量进出所述批料的方法，所述传热量足以保持所述挤出物的中心温度在目标第一温度范围内。在一些实施例中，所述挤出物的中心温度不小于31℃且不大于37℃。在一些实施例中，进出所述批料的热传导被调节以保持所述挤出物的表面温度在第二目标温度范围内。在一些实施例中，所述表面温度不小于27℃且不大于34℃。

在本文披露的一些实施例中，提供一种调节传热量进出所述批料的方法，从而足以使挤出物离开所述模头中心部的流速大于挤出物离开所述模头外部的流速。在一些实施例中，这导致形成基本相同的挤出物外观，导致更少的浪费和更高质量的挤出物。在一些实施例中，使用这些控制挤出物中心和表面温度的方法还可消除对为所述模板外表增加模头罩具(die mask)以弥补所述模板的不足的需要，所述不足导致挤出物中出现无法接受的缺陷。

在本文披露的一些实施例中，提供一种调节传热量从所述挤出机圆筒组件进出所述批料的方法，从而足以使挤出物离开所述模头中心部的流速小于挤出物离开所述模头外部的流速。在一些实施例中，这导致形成基本相同的挤出物外观，导致更少的浪费和更高质量的挤出物。此方法还可消除对为所述模板表面增加模头罩具以弥补所述模板的不足的需要，所述不足导致挤出物中出现无法接受的缺陷。

在本文披露的一些实施例中，提供一种控制陶瓷前体挤出物形状的方法，包括以下步骤：通过经由挤出机圆筒以及经由设置在所述挤出机出口的挤出机模头挤出陶瓷前体批料而形成挤出物，其中所述圆筒温度设定值为主控制器的输出值，而所述批料温度以及批料温度设定值被提供为对所述主控制器的输入值。在一些实施例中，冷却剂流速设定值为从属控制器的输出值，而所述圆筒温度设定值以及圆筒温度测定值提供为所述从属控制器的输入值。在一些实施例中，所述批料温度设定值为管理控制器(supervisory controller)的输出值。所述管理控制器接收工艺输入值。

在本文披露的其他实施例中，所述工艺输入值包括参数：例如批料组分、所述批料的进料速度、挤出物几何形状或模头特征以及类似参数或其组合。所述管理控制器可提供所述批料温度设定值、主控制器参数、从属控制器参数或圆筒权重因数，或其组合。

在本文披露的一方面中，所述挤出机设置有多个圆筒冷却剂流。在一些实施例中，所述批料温度通过测量邻近所述挤出机内批料的结构的温度而确定。所述批料温度设定值由测量所述挤出物的中心温度和表面温度而确定。

在本文披露的另一方面中，一种陶瓷前体挤出物控制系统包括：一挤出机，所述挤出机包括挤出机圆筒以及挤出机模头，所述模头设置在所述挤出机的出口处；圆筒冷却装置，所述圆筒冷却装置能够为所述圆筒提供圆筒冷却剂流；批料温度传感器，所述传感器设置在所述模头的挤出机上游内并能够传输批料温度；圆筒温度传感器，所述传感器能传输圆筒温度；主控制器，所述主控制器能够接收所述批料温度以及批料温度设定值作为输入值，并能够传输圆筒温度设定值；以及从属控制器，所述从属控制器能够接收所述圆筒温度设定值以及被测圆筒温度作为输入值，并能传输冷却剂流设定值。在一实施例中，所述控制系统还包括管理控制器，所述管理控制器能够将所述批料温度设定值传输到所述主控制器。

本发明的附加特征和优点将在随后的具体实施方式中进行描述，且对本领域技术人员而言，部分是明显的：从描述文字或通过如本文所述实践本发明而认知，包括随后的具体实施方式、权利要求以及附图。

还将理解的是，前述一般说明和后面对本发明实施例详细说明旨在提供一概要或框架以理解本发明权利要求的性质和特征。包含所述附图以提供对本发明的进一步理解并且合并进来以构成本说明书的一部分。所述附图解释本发明的一些方面和实施例，并与描述文字共同用于解释本发明的原理和实施。

附图说明

图1为挤压机的示意图，该挤压机包括用于扭转螺杆(未示出)的电机、材料输入漏斗、真空出风口、多节冷却圆筒、前端以及模头；

图2为10倍放大轮廓图视图(contour plot)，其示出在33℃的中心温度和31℃表面温度形成的挤出物的形状。

图3为10倍放大轮廓图视图，其示出在36℃的中心温度和33℃表面温度形成的挤出物的形状。

图4为批料温度对使所述材料通过出口所需压力的图表，其示出对于给定的陶瓷前体批料配方的表面和中心温度的选择温度范围，在所述温度范围之内，所述材料的粘性可由温度的改变而被容易地影响。

图5为批料温度对挤出物中心温度的图表，其包括说明两温度之间关系的拟合线。

图6为本文披露的一实施例的示意流程图：双循环温度控制策略，所述策略包括：从属控制器，所述从属控制器调节冷却剂流到挤出机至少一圆筒；以及主控制器，所述主控制器接收关于所述批料温度的数据并控制所述从属控制器以将所述批料温度调节到期望的批料温度。

图7为展示批料温度控制系统的流程图，所述系统包括多个圆筒、每个所述圆筒可为所述挤出机组件提供冷却。

图8为展示本文讨论的温控建筑物的流程图，，所述建筑物包括控制所述主和从属控制循环的管理器。

具体实施方式

一些对挤出批料，包括钛酸铝组合物尺寸的控制可通过使用金属“罩具”或“收缩板”而实现，从而在挤出物离开成型模头时限定出部件的尺寸和形状。所需罩具尺寸由最终部件尺寸规格以及预期部件收缩量而决定，所述预期部件收缩是由于干燥和煅烧所述挤出部件而造成的。挤出部件在形状上的一些局部欠缺可通过利用补偿并修正所述欠缺的罩具而被修正。例如，如果所述挤出部件在其表面上含有隆起，在与所述隆起相同位置具有凹槽的补偿罩具被生产并安装以修正所述欠缺。

此外，用于形成挤出陶瓷型材或部件的金属模头可表现出一定量的模对模流动前端面(flow front)可变性，其中中心的材料可比外围的材料流动更快，所述流动前端面可以是平坦的，或者外围的材料可比中心的材料流动更快。如果所述流动前端面无法接受，所述模头可能需要经历再加工以改变模头，直到其产生可接受的流动前端面。

虽然批料可在控制温度下，例如通过控制挤出机的圆筒温度而被挤出，但一种间接、单循环的批料温度控制方法可能难于调节，并且在许多情况下，可能仅提供对被挤出批料温度的有限控制。在本文披露的一些方面提供能出色控制挤出批料温度的装置和工艺控制方法。

现在将详细参照本发明的实施例，所述实施例的举例以附图进行解释。只要可能，在整个附图中相同的附图标记指代相同或相似的部件。

一实施例包括一种控制陶瓷前体挤出物形状的方法。参见图1，该方法包括以下步骤：通过经由挤出机组件(12)的至少一个圆筒(28)或者一系列圆筒(例如1，2，3，4，5，6，7，8，9)并经由设置在所述挤出机的出口(22)处的挤出机模头(24)挤出陶瓷前体批料(26)而形成挤出物。所述挤出机的至少一圆筒的温度由圆筒冷却剂流调节。典型的挤出机包括电机(14)以驱动挤出机螺杆(未示出)，漏斗(16)以将材料供给到所述挤出机组件内，以及真空出风口(18)以将气体(20)从所述批料排出。所述方法进而包括以下步骤：测量所述挤出机内批料的温度。优选地，所述批料温度在模头的挤出机上游测量，甚至更优选地，与更加位于所述挤出机后部的部分，例如所述批料进入所述挤出机的位置或所述批料被挤出机螺杆转动的位置相比，更接近所述模头。在一实施例中，所述模头的上游与所述圆筒温度都被测量；在一些实施例中，所述圆筒温度在设置有冷却源的圆筒处测量，以便所述圆筒温度可对应于所述批料的温度而改变。所述批料温度可被确定并与存储在所述装置内的所述批料温度设定值相比较。此信息可用于将所述冷却剂流调节到所述挤出机本体内的至少一圆筒，以便所述批料温度为或至少开始集中到所述批料设定值的温度。

在一实施例中，根据探针如何定位、批料中心和/或批料表面之一或两者的温度，所述批料温度可通过将探针插入批料中以直接测量而被测量。可用于直接测量所述批料温度的装置包括热偶和甚至传统的温度计。由这些装置收集的数据被人工或自动输入到温度控制系统中。还在另一实施例中，所述批料温度间接通过测量所述批料温度而被测量。可用于促成此类测量的装置包括：例如红外热量探测器或固定于与批料接触的所述挤出机表面的温度传感器。在一实施例中，所述批料温度间接通过测量位于领近所述挤出机模板(die plate)的挤出机的表面温度而被测量。再参见图1，所述温度可在所述挤出机本体的最后圆筒之后以及所述模头之前测量。

在一实施例中，对于给定的陶瓷前体配方而测量的间接温度与直接测量的温度之间的关系被确定，然后用于推断所述批料温度，包括例如批料中心温度，通过间接测量所述批料温度并使用所述两温度的已知关系以估计所述批料的中心温度。

在另一实施例中，从所述挤出机圆筒到所述批料的(或从所述批料到所述圆筒的)热传导被控制在足够保持所述批料的中心温度与其表面温度间期望的差别的速度。这里使用的术语“热传导”包括通过从所述材料传热到所属挤出机的至少一圆筒而冷却所述批料的温度。在一实施例中，所述温度的范围被选择为使其产生具有相同形状的挤出物，导致大量无误差产品以及对产品再加工需要的减小。在一实施例中，其中所述挤出物中心温度与所述表面温度间的温差不小于约1℃且不大于约3℃。术语“约”用于表示所述数值正负20％的值，(例如约1℃包括0.8℃到1.2℃的范围)。

一实施例为一种调节传热量进入所述批料的方法，所述传热量足以保持所述挤出物的中心温度在目标第一温度范围内。在一这样的实施例中，所述挤出物的中心温度不小于31℃且不大于37℃。在一实施例中，传导到所述批料的热量被调节以保持所述挤出物的表面温度在第二目标温度范围内。在一这样的实施例中，所述表面温度不小于27℃且不大于34℃。在另一实施例中，所述表面温度不小于27℃且不大于35℃。

一实施例为一种调节传到所述批料热量的方法，从而足以使挤出物离开所述模头中心部的流速大于挤出物离开所述模头外部的流速。在一实施例中，这导致形成基本相同的挤出物外观，导致更少的浪费和更高质量的挤出物。使用此方法还可消除对为所述模板表面增加模头罩具从而弥补在所述模板中的不足的需要，所述不足导致挤出物中出现无法接受的缺陷。

另一实施例为一种调节热量从所述挤出机圆筒组件传到所述批料的方法，从而足以使挤出物离开所述模头中心部的流速小于挤出物离开所述模头外部的流速。在一实施例中，这导致形成基本相同的挤出物外观，导致更少的浪费和更高质量的挤出物。使用此方法还可消除对为所述模板表面增加模头罩具以弥补了在所述模板中的不足的需要，所述不足导致挤出物中出现无法接受的缺陷。

又一实施例为一种控制陶瓷前体挤出物形状的方法，包括以下步骤：通过经由挤出机圆筒以及通过设置在所述挤出机出口的挤出机模头挤出陶瓷前体批料而形成挤出物，其中所述圆筒温度设定值为主控制器的输出值，而所述批料温度以及批料温度设定值被提供为对所述主控制器的输入值。在一实施例中，所述设定值为从属控制器的输出值，所述批料温度设定值以及被测批料温度被提供为所述从属控制器的输入值。在另一实施例中，冷却剂流速设定值和/或阀位置(valve position)为从属控制器的输出值，而所述圆筒温度设定值以及被测圆筒温度提供为所述从属控制器的输入值。在一实施例中，所述批料温度设定值为管理控制器的输出值。所述管理控制器接收工艺输入值。

在另一实施例中，所述工艺输入值包括参数：例如批料组成、所述批料的进料速度、挤出物几何形状、模头特征以及类似参数，或其组合。在一实施例中，所述管理控制器提供所述批料温度设定值、主控制器参数、从属控制器参数、圆筒权重因数以及类似参数，或其组合。

在本文披露的一方面中，所述挤出机设置有多个圆筒冷却剂流。在一实施例中，所述批料温度通过测量邻近所述模头且位于所述挤出机内的结构温度而确定。所述批料温度设定值通过测量所述挤出物的中心温度和表面温度而确定。

在本文披露的另一方面中，一种陶瓷前体挤出物控制系统包括：挤出机，所述挤出机包括挤出机圆筒以及挤出机模头，所述模头设置在所述挤出机的出口处；圆筒冷却装置，所述圆筒冷却装置能够为所述圆筒提供圆筒冷却剂流；批料温度传感器，所述传感器设置在所述模头的挤出机上游内并能够传输批料温度；圆筒温度传感器，所述传感器能传输圆筒温度；主控制器，所述主控制器能够接收所述批料温度以及批料温度设定值作为输入值，并能够传输圆筒温度设定值；以及从属控制器，所述从属控制器能够接收所述圆筒温度设定值以及被测圆筒温度作为输入值，并能传输冷却剂流设定值。在一实施例中，所述控制系统还包括管理控制器，所述管理控制器能够将所述批料温度设定值传输到所述主控制器。

对于能被挤压以形成挤出物的大多数并非全部陶瓷前体批料，有最佳中心和表面温度。对于给定的批料配方，位于或接近所述最佳温度时成型的挤出物将通常比那些在低于最佳温度成型的挤出物具有更少的缺陷。现在参照图2和3，这些为由钛酸铝形成挤出物的放大10倍轮廓图，从而说明所述挤出物形状的变化。现在参照图2，此轮廓图30示出当所述挤出物由批料在33℃的中心温度和31℃表面温度通过模头而成型时，材料34从理想轮廓32，36和38离开而朝向所述轮廓短轴显著移动。这表示为“A”流动前端面。现在参照图3，其为当相同的钛酸铝在36℃的批料中心温度和33℃的批料表面温度被挤压通过相同模头时产生的轮廓图40。在这些批料温度下成型的挤出物的轮廓44更平滑(即沿所述轮廓的短轴有更少的材料积聚)且更接近近似于所述理想挤出物形状42，46和48。这些图解释出挤出物中心和表面温度对挤出物的形状具有非常重要的影响。

在基本低于最佳中心和表面温度下成型的挤出物引入的另一缺陷是挤出物的成型为具有“C”前端面、材料沿所述轮廓图长轴的不均衡积聚(未示出例子)。具有“A”或“C”前端面缺陷的挤出物可通过适当控制所述挤出物的中心和表面温度而避免。因此，在其胶凝点(gel point)以下控制给定陶瓷前体批料配方的中心和表面温度可对所述挤出物的形状产生重要的影响。

各种方面/实施例涉及将批料温度保持在挤出物表面和中心温度的特殊运行窗口内的装置和方法，所述挤出物表面和中心温度的特殊运行窗口改善挤出部件的形状。例如，当挤出特定批料，例如一些含钛酸铝(Al₂TiO₅)的配方，所述挤出物的中心温度理想地位于约31℃与约37℃之间。挤出物表面温度理想地位于约27℃和约34℃之间。对于一些配方的此材料，该温度产生高质量的挤出物。在一些情况下，表面到中心温度增加1℃到3℃对于挤出部件是期望的。

对于一种批料配方，所述批料目标表面和中心挤出温度可通过根据毛细管流变测试测量批料表面和中心温度对粘度的影响(例如参见图4所示的一实施例)而决定。图4为对应特定批料的温度与压力(对粘度的量度)图。关系涉及批料的配方并受例如配方中粘合剂类型和数量、水分含量、基本组分以及类似的因素的影响。

仍参照图4，所述目标表面温度优选保持在外围温度范围(50)内且所述目标中心温度优选保持在中心温度范围(52)内。对于图4所示的实施例，在约27℃到约36℃之间此配方的粘度对于批料温度的改变非常敏感。大多数陶瓷前体批料还将表现出一定温度范围，在所述温度范围中，温度的小变化可能引起粘度的大变化。此温度范围可在将给定材料用于形成挤出物以及相应挤出机参数设置之前确定。本文披露的一些实施例包括：决定合适的温度范围，在所述温度范围内根据温度对给定材料流变性影响的研究挤出给定的配方。在一些条件下，这些方法可用于控制挤出物流前端面的形状。在一些利用包括堇青石和/或钛酸铝的批料形成具有纤维素粘结剂的材料的实施例中，我们已发现中心温度减去表面温度的温差在-10℃到+15℃之间，从而获得合适的通过蜂窝模头的可挤压性。我们还已发现在批料的温度位于或接近于所述压力-温度曲线(图4)的较高斜率区域时相对于所述表面温度增加所述中心温度是有利的。

本发明披露的一些实施例包括利用对挤出机的现有温度控制而改进挤出部件形状的装置和方法。我们观察到仅控制圆筒温度不总是足以控制所述挤出机圆筒内批料的温度。圆筒温度控制仅能直接控制圆筒自身的温度，而批料温度通过圆筒钢与被挤压通过那些圆筒的批料之间的热交换而被间接控制。部分由于引入批料性能的改变，圆筒与批料之间的所述热交换性能可动态地改变。影响圆筒与批料之间温差的因素包括热交换的效率、批料与圆筒保持接触的停留时间、周围环境温度等。这样，，仅单独将圆筒温度控制到恒定设定值无法总保持恒定的批料温度因为挤压过程中受到各种各样的步骤干扰，包括来自原材料性能，设备磨损，批料组分，环境条件等等的变化。

本文披露的又一实施例提供一种控制挤出物温度的新控制系统，例如根据批料温度调节圆筒冷却的双循环系统。这些方法提供对模头表面上批料挤出温度更好的控制并促成挤出物的成型具有更一致的形状。

更好的批料温度控制的一优点是：其可避免对挤出机模头的修改以矫正模头内可形成缺陷挤出物的小缺陷的需要。改进的批料温度控制的另一优点是：其可避免对罩具的需要，所述罩具有时用于矫正模板内的小缺陷，所述小缺陷否则将缺陷引入挤压物内。目前，对于宽范围的收缩目标需要模头罩具，每个收缩目标需要所有的补偿选项。罩具是昂贵的，且在它磨损且必须更换之前，罩具可仅持续24小时左右。此外，模头再加工以及罩具安装增加了挤出机停机时间，减少了工作效率。对挤出物温度的合适选择和控制促成对一些具有不希望流动前端面特征的模头的利用，从而消除了昂贵的模头再加工和/或避免了制作并安装矫正罩具到所述模头的表面。减少或消除对矫正罩具的需要降低了生产高质量挤出物，例如蜂窝过滤体的复杂性和花费。

材料温度是关键的工艺变量，其改变直接涉及到批料流变能力的改变，所述流变能力决定挤出工序的稳定性以及挤出物的质量。例如，甲基纤维素在一些陶瓷前体批料配方中用作暂时粘合剂而加入挤出工序中。当被加热到其胶凝温度时，典型甲基纤维素配方的粘度改变。为了保持这样配方的温度低于其胶凝温度并控制其粘度和流动性能，严格控制批料的中心和表面温度是合乎需要的。因此，本文披露的一方面涉及一种在陶瓷挤出工艺中控制材料温度的工艺控制策略。

现在参照图5，对于给定的陶瓷前体批料配方以及给定的挤出机结构，挤出物中心温度(60)和批料温度(62)被测量并绘图；所述批料温度与挤出物中心温度很好地相关。对于此种特殊批料，与两种温度所收集数据拟合的线(66)具有1.13的斜率、10.08的截距以及约0.8226的R²值。这些结果表明：挤出物中心温度与批料温度可彼此相关联。现在参照图8，一旦这两种温度之间的关系确定，可编程挤出机管理控制器132以处理批料温度，即使这些温度是间接收集的，并且使用这些温度推断所述批料中心温度并相应调节所述从属(110a，110b，110c，110d)和主(106)控制器，从而保持挤出物表面和中心温度在特定温度范围内。

现在参照图6，一实施例为基于温度控制策略(70)的挤出物，所述策略使用双循环控制策略。其中内循环(从属控制器86)通过调节冷却流速(88)或冷却阀开与关而控制所述圆筒温度。外循环(主控制器78)通过调节内循环圆筒温度设定值而控制所述批料挤出物温度。如果所述圆筒温度控制在作用范围内(即不超出控制能力)，批料温度很好地对圆筒温度设定值的改变作出响应，且所述响应对于给定批料、产品类型和运行条件，例如给料速度、电机速率等是可重复的。此可重复性说明自动控制批料挤出物温度的可行性。

图6为示意图，其示出了按照本文披露的一实施例的陶瓷批料挤出物温度控制系统(70)。希望(或目标)批料温度或温度范围(72)被选择并输入到所述系统中。主控制器(78)通过汇接点(74)接收关于批料温度(92)的输入值，所述批料温度通过直接或间接监测所述批料温度或邻近模板(未示出)的挤出机(90)的一部分得到。所述主控制器(78)设置圆筒温度设定值(80)并经信号(80)调节运行，发送至汇接点(82)作为从属控制器(86)的输入值，所述从属控制器自身控制冷却流(88)至所述挤出机(90)的至少一圆筒(未示出)。所述挤出机上的温度传感器在冷却控制(未示出)下设置于例如圆筒上，在所述模板和挤出物前端很好地收集关于挤出机本体(90)温度的数据并将此信息(94)作为一输入值(84)提供给所述从属控制器(86)，需要时所述从属控制器提供或抑制冷却流(88)进入所述挤出机圆筒(90)，从而产出具有希望温度的挤出物。

图7为一种实施例的示意图，其中示出双循环批料温度控制系统，所述系统包括单个主控制器(106)以及多于一个的从属控制器(例如110a，110b，110c，110d)，每个从属控制器控制到特定圆筒(未示出)的冷却流(112a，112b，112c，112d)，所述圆筒为挤出机(114)组件的一部分。输入所述主控制器(106)的输入值(104)包括临近模头(未示出)的批料挤出物(118)的温度以及批料温度设定值或设定范围(102)，所述批料挤出物的温度被直接或间接测量。基于所述设定值与批料温度输入值之间的差异，所述主控制器106通过发信号(108a，108b，108c，108d)到至少一个所述从属控制器(110a，110b，110c，110d)而有选择地启动，所述从属控制器依次在其控制下向挤出机(114)圆筒提供冷却。每个从属控制器具有相关权重函数(f2，f3，f8，f9)。这些因素分别调节各圆筒之间在冷却效率上的差异。此外，每个从属控制器经圆筒温度传感器接收关于其各自圆筒的温度信息，所述传感器通过温度报告(116a，116b，116c，116d)传送到所述从属控制器。所述控制系统包括在各从属控制器(110a，110b，110c，110d)控制下的圆筒冷却流速和冷却阀开/关。

现在参照图8，给出了一种类似于图7所示系统的批料挤出物温度控制系统(130)。再参照图8，此实施例还包括挤出管理控制器(132)。在此实施例中，所述挤出管理控制器(132)接收和/或存储输入(134)参数，例如批料组成、产品类型、进料速度、模具构造、周围环境温度以及类似参数并处理此输入以计算批料温度设定值(102)。所述挤出机管理控制器(132)计算并直接发送输出值(108)到权重因数(f2，f3，f8和f9)，所述权重因数可按照各种运行参数(134)调整这些因数。所述管理控制器(132)还产生并根据各种运行参数(134)直接发送控制信号(136)到所述主控制器(106)。所述管理控制器还计算并通过汇接点(104)输出批料温度设定值(102)到所述主控制器(106)，所述主控制器(106)通过圆筒权重因数(f2，f3，f8和f9)依次控制所述从属控制器(110a，110b，110c，110d)，所述从属控制器(110a，110b，110c，110d)调节冷却流(112a，112b，112c，112d)进入所述挤出机组件(114)内的圆筒。

仍参照图8，在一实施例中所述管理控制器(132)还计算和调整所述权重函数(f2，f3，f8和f9)，并将它们提供为输入值(138)。所述管理控制器(132)还计算对所述主控制器(106)运行的调整并将其提供给所述主控制器(106)作为输入值(136)，所述主控制器(106)依次调节所述从属控制器(110a，110b，110c，110d)。所述挤出机管理控制器(132)还可产生一系列参数(140)，所述参数被发送到所述从属控制器(110a，110b，110c，110d)并可用于调整从属控制器如何运行。由于圆筒温度对所述批料挤出物温度的影响对于不同圆筒而不同，根据所述挤出物温度控制器的输出值，一些权重函数或因数可用于不同的圆筒。此外，所述挤出物温度控制器(130)内的权重函数和参数以及单独圆筒温度控制器的因数依赖于工艺条件。因此，另一实施例为挤出温度管理器(132)，构建所述管理器以计算并传输特定指令到所述系统的各部分，所述各部分包括所述主控制器(106)和从属控制器(110a，110b，110c，110d)以及用于根据各因素进行每次运行的各权重函数(f2，f3，f8，f9)，所述因素包括输入的运行方案，所述运行方案包括关于材料、产品、硬件、工艺条件等的信息134。

示例

现在参照图1，例如挤出机(12)可包括八或九个圆筒。在此例中，所述批料温度控制是基于圆筒(2)到圆筒(9)的自动温度控制，圆筒(1)用于进料，圆筒(4)用于产生真空，而圆筒(9)被设置为模头之前的最后一个圆筒。在此布置中，不同圆筒上设定值的改变将对批料温度产生不同的影响。图8示出完整的批料温度控制系统的结构，其中不同权重函数(f2，f3，f8，f9)用于不同的圆筒温度控制回路。再参照图1，位于所述真空圆筒(4)之后的圆筒可用于将冷却传输到所需挤出物以控制批料温度。所需冷却量取决于多种因素，例如备用长度(其由螺杆设计决定)、批料特性、进料速度、环境温度、圆筒构造和热容量以及类似因素。可根据批料温度对每个单独圆筒温度设定值变化的响应而使用不同的权重因数(例如f2，f3，f8和f9)。在此布置中，部分由于圆筒(2，3和4)与模头24之间的距离，控制圆筒(2，3和4)的温度并不直接影响批料的温度。因此，这些圆筒温度设定值可按需调整，从而将圆筒的冷却能力最优化以保持批料温度在特定温度范围内。因此，根据位于所述真空圆筒后圆筒的冷却效率，其设定值在运行中可被不同地调整。

我们还在我们的实验和生产运行中观察到：相对于加热和冷却以及挤出机性能，不同材料和产品类型表现出不同的系统动力学。因此，即使有可能，也很难开发将服务于所有可以想象的工艺条件的通用系列的控制参数。在本文披露的一些实施例中，这通过提供挤出管理控制器而解决，所述管理控制器可将各种因素考虑进来，例如工作配方、产品类型、进料速度、模具数量以及其他工艺安装参数。接下来，所述管理控制器可为批料温度控制器、圆筒温度控制器以及各种权重函数或因数计算一系列合适的控制参数。所述系统可通过例如调整内控制循环对批料温度改变的反应而被调整为适应这些区别，所述批料温度改变由外控制循环检测。挤出温度管理控制系统的模式图在图8中示出。在一些实施例中，本文披露的方法或系统可有助于减小或消除对挤出模具昂贵的再加工的需要。因此，一方面，本文披露了一种挤出生的陶瓷体的方法，所述方法包括：提供含有纤维素粘结剂的陶瓷前体批料；驱使所述批料通过挤出机圆筒并通过设置在所述圆筒下游的挤出机模头；在所述模头的圆筒上游测量邻近所述圆筒中心的材料的批料中心温度以及邻近所述圆筒壁部材料的批料外围温度；调节所述批料的温度，包括保持在所述模具的圆筒上游的批料的中心温度，以便所述中心温度在中心温度下限与中心温度上限之间，且在所述挤出机圆筒内的批料处于第一粘滞状态，在该状态中，所述批料能流过所述挤出机模头，其中所述中心温度上限对应于第二粘滞状态，在该状态中，所述批料不再能流过所述挤出机模具。在一些实施例中，所述批料表现出压力—温度状态，所述状态由压力—温度曲线描述，例如图4所示的曲线，包括：第一区域(标记为1^st)以及第二区域(标记为2^nd)，所述第一区域具有-30psi/℃到+15psi/℃之间的斜率，所述第二区域具有大于30psi/℃的斜率。在一些实施例中，在所述第二区域中的压力随着温度的增加而持续增加。在一些实施例中，所述第二区域中的斜率随着温度递增而持续增加。在一些实施例中，所述第二区域具有大于30psi/℃而小于300psi/℃的斜率。在图4中，所述中心温度的上、下限分别被标记为50’和50”。

在一些实施例中，所述第二粘滞状态对应于斜率大于300psi/℃的曲线的一部分。

在一些实施例中，所述模具的圆筒上游内批料的中心温度被保持在中心温度范围内，所述范围与所述压力—温度曲线的所述第二区域至少部分重叠。

在一些实施例中，所述模具的圆筒上游内批料的外围温度被保持在外围温度范围内，所述范围与所述压力—温度曲线的所述第一区域至少部分重叠。

在一些实施例中，所述模具的圆筒上游内批料的外围温度被保持在外围温度范围内，所述范围与所述压力—温度曲线的所述第二区域至少部分重叠。

所述陶瓷前体批料可为含有一种或多种陶瓷材料的材料，或者在烘烤或烧结时形成陶瓷材料。例如，所述陶瓷前体批料可包括一种或多种含有陶瓷的材料或一种或多种形成陶瓷的材料，所述材料选自下组：堇青石、钛酸铝、二氧化钛、多铝红柱石、尖晶石、氧化铝、二氧化硅、二氧化铈、氧化锆、磷酸锆、铝酸钙、铝酸镁、假蓝宝石、钙钛矿、氧化镁、锂辉石、β锂辉石、金刚砂、一碳化锆、碳化钛、碳化钽、碳化钨、氮化铝、氮化硅、氮化硼、氮化钛、沸石以及其组合物和复合物。

在一些实施例中，所述中心温度下限在25到35℃之间。在一些实施例中，所述中心温度上限在30到45℃之间。

在一些实施例中，所述批料中心温度(TC)与所述批料外围温度(TP)之间的差别(TC-TP)保持在不小于-8且不大于+16℃。

在一些实施例中，所述批料中心温度(T℃)与所述批料外围温度(TP)之间的差别(TC-TP)保持在不小于-4且不大于+16℃。

在一些实施例中，所述批料中心温度(TC)与所述批料外围温度(TP)之间的差别(TC-TP)保持在不小于0且不大于+16℃。

在一些实施例中，所述中心温度上限与所述中心温度下限之间的差别在4到8℃之间。

在一些实施例中，调节所述批料温度的步骤包括调节所述挤出机圆筒与所述批料之间的热传导。在一些实施例中，调节所述批料温度的步骤还包括调节所述挤出机螺杆与所述批料之间的热传导。在这些实施例的一些中，所述批料经所述挤出机螺杆被加热。

在一些实施例中，调节所述批料温度的步骤进一步包括保持所述批料外围温度在外围温度下限与外围温度上限之间。在一些实施例中，所述外围温度上限低于所述中心温度上限。在一些实施例中，所述外围温度下限低于所述中心温度下限。在一些实施例中，所述外围温度上限低于所述中心温度下限。在一些实施例中，所述外围温度上限高于所述中心温度下限。在一些实施例中，所述外围温度下限在19到30℃之间。在一些实施例中，所述外围温度上限在30到45℃之间。在一些实施例中，所述中心温度下限在20到35℃之间。在一些实施例中，所述中心温度上限在30到70℃之间。在一些实施例中，所述中心温度上限在30到45℃之间。在一些实施例中，所述外围温度下限在20到30℃之间，所述外围温度上限在30到35℃之间，所述中心温度下限在30到35℃之间。，所述中心温度上限在35到40℃之间。在一些实施例中，所述外围温度上限与外围温度下限之间的差别在4到10℃之间。在一些实施例中，所述陶瓷前体批料为形成堇青石的批料，而所述中心温度上限与中心温度下限之间的差别在4到8℃之间，所述外围温度上限与外围温度下限之间的差别在4到10℃之间。在一些实施例中，所述陶瓷前体批料为形成钛酸铝的批料，而所述中心温度上限与中心温度下限之间的差别在4到8℃之间，所述外围温度上限与外围温度下限之间的差别在4到10℃之间。在一些实施例中，所述批料外围温度保持在大于等于20℃而小于等于45℃，所述批料中心温度保持在大于等于25℃而小于等于65℃。在一些实施例中，所述批料外围温度保持在大于等于27℃而小于等于35℃，所述批料中心温度保持在大于等于25℃而小于等于65℃。在图4中，所述外围温度的上、下限分别被标记为52’和52”。

对于本领域技术人员将显而易见的是，对本发明可进行各种修改和变形而不脱离本发明的精神和范围。因此，只要在所附权利要求及其等同物的范围内，确定本发明覆盖这些发明的修改和变形。

Claims (54)

1.一种控制陶瓷前体挤出物形状的方法，所述方法包括以下步骤：通过经由挤出机的圆筒以及设置在所述挤出机出口的挤出机模头挤出陶瓷前体批料而形成所述挤出物，圆筒温度能通过圆筒冷却剂流调节；测量所述模头的挤出机上游内材料的批料温度；测量所述圆筒温度；确定批料温度设定值；根据所述批料温度以及所述批料温度设定值确定圆筒温度设定值；根据圆筒温度设定值以及所测量的圆筒温度确定圆筒冷却剂流设定值；通过调节所述圆筒冷却剂流从而调节所述挤出机内所述圆筒与所述批料之间的热传导。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：调节热传导，从而足以保持所述挤出物的中心温度与表面温度之间的差别在挤出物温度范围内。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于：所述挤出物的中心温度与表面温度之间的差不小于1℃且不大于3℃。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于：调节热传导，从而足以保持所述挤出物的中心温度在第一温度范围内。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于：所述中心温度不小于31℃且不大于37℃。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于：调节热传导，从而足以保持所述挤出物的表面温度在第二温度范围内。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于：所述表面温度不小于27℃且不大于34℃。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于：调节热传导，从而足以使挤出物离开所述模头中心部的流速大于挤出物离开所述模头外部的流速。

9.如权利要求1所述的方法，其特征在于：调节热传导，从而足以使挤出物离开所述模头中心部的流速小于挤出物离开所述模头外部的流速。

10.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述圆筒温度设定值为主控制器的输出值，而所述批料温度以及批料温度设定值被提供为所述主控制器的输入值。

11.如权利要求1所述的方法，其特征在于：冷却剂流速的设定值或阀门位置为从属控制器的输出值，而所述圆筒温度设定值以及被测圆筒温度被提供为所述从属控制器的输入值。

12.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述批料温度设定值为管理控制器的输出值。

13.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述管理控制器接收工艺输入值。

14.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述工艺输入值包括批料组成、所述批料的进料速度、挤出物几何形状或模头特征或其组合。

15.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述管理控制器提供所述批料温度设定值、主控制器参数、从属控制器参数或圆筒权重因数，或其组合。

16.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述挤出机设置有多个圆筒冷却剂流。

17.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述批料温度通过测量所述挤出机内邻近批料的结构的温度而确定。

18.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述批料温度设定值由测量所述挤出物的中心温度和表面温度而确定。

19.一种陶瓷前体挤出物控制系统，其包括：挤出机，所述挤出机包括挤出机圆筒以及设置在挤出机出口的挤出机模头；圆筒冷却装置，所述圆筒冷却装置能够为所述圆筒提供圆筒冷却剂流；批料温度传感器，所述传感器设置在所述模头的挤出机上游并能够传输批料温度；圆筒温度传感器，所述传感器能传输圆筒温度；主控制器，所述主控制器能够接收所述批料温度以及批料温度设定值作为输入值，并能够传输圆筒温度设定值；以及从属控制器，所述从属控制器能够接收所述圆筒温度设定值和被测圆筒温度作为输入值，并能传输冷却剂流设定值。

20.如权利要求19所述的方法，进一步包括管理控制器，所述管理控制器能够将所述批料温度设定值传输到所述主控制器。

21.一种挤出生陶瓷体的方法，所述方法包括：提供含有纤维素粘结剂的陶瓷前体批料；驱使所述批料通过挤出机圆筒并通过设置在所述圆筒下游的挤出机模头；在所述模头的圆筒上游测量邻近所述圆筒中心的材料的批料中心温度以及邻近所述圆筒壁部的材料的批料外围温度；调节所述批料的温度，包括保持所述在模头的圆筒上游内的批料的中心温度，以使所述中心温度在中心温度下限与中心温度上限之间，且在所述挤出机圆筒内的批料处于第一粘滞状态，在该状态中，所述批料能流过所述挤出机模头，其中所述中心温度上限对应于第二粘滞状态，在该状态中，所述批料不再能流过所述挤出机模头。

22.如权利要求21所述的方法，其特征在于：所述批料表现出压力—温度状态，所述状态由压力—温度曲线描述，所述曲线包括：具有-30psi/℃到+15psi/℃之间斜率的第一区域，具有大于30psi/℃斜率的第二区域。

23.如权利要求22所述的方法，其特征在于：所述第二区域中的斜率随着温度增加而持续增加。

24.如权利要求22所述的方法，其特征在于：所述第二区域具有大于30psi/℃而小于300psi/℃的斜率。

25.如权利要求22所述的方法，其特征在于：所述第二粘滞状态对应的弯曲部分斜率大于300psi/℃。

26.如权利要求22所述的方法，其特征在于：所述模头的圆筒上游内的批料的中心温度被保持在中心温度范围内，所述范围与所述压力—温度曲线的所述第二区域至少部分重叠。

27.如权利要求22所述的方法，其特征在于：所述模头的圆筒上游内的批料的外围温度被保持在外围温度范围内，所述范围与所述压力—温度曲线的所述第一区域至少部分重叠。

28.如权利要求22所述的方法，其特征在于：所述模头的圆筒上游内的批料的外围温度被保持在外围温度范围内，所述范围与所述压力—温度曲线的所述第二区域至少部分重叠。

29.如权利要求21所述的方法，其特征在于：所述陶瓷前体批料含有一种或多种含陶瓷的材料，或一种或多种形成陶瓷的材料，所述材料选自下组：堇青石、钛酸铝、二氧化钛、多铝红柱石、尖晶石、氧化铝、二氧化硅、二氧化铈、氧化锆、磷酸锆、铝酸钙、铝酸镁、假蓝宝石、钙钛矿、氧化镁、锂辉石、β锂辉石、金刚砂、一碳化锆、碳化钛、碳化钽、碳化钨、氮化铝、氮化硅、氮化硼、氮化钛、沸石以及其组合物和复合物。

30.如权利要求21所述的方法，其特征在于：所述中心温度下限在25到35℃之间。

31.如权利要求21所述的方法，其特征在于：所述中心温度上限在30到45℃之间。

32.如权利要求21所述的方法，其特征在于：所述批料中心温度(TC)与所述批料外围温度(TP)之间的差别(TC-TP)保持在不小于-8且不大于+16℃。

33.如权利要求21所述的方法，其特征在于：所述批料中心温度(TC)与所述批料外围温度(TP)之间的差别(TC-TP)保持在不小于-4且不大于+16℃。

34.如权利要求21所述的方法，其特征在于：所述批料中心温度(TC)与所述批料外围温度(TP)之间的差别(TC-TP)保持在不小于0且不大于+16℃。

35.如权利要求21所述的方法，其特征在于：所述中心温度上限与所述中心温度下限之间的差别在4到8℃之间。

36.如权利要求21所述的方法，其特征在于：调节所述批料温度的步骤包括调节所述挤出机圆筒与所述批料之间的热传导。

37.如权利要求21所述的方法，其特征在于：调节所述批料温度的步骤还包括调节所述挤出机螺杆与所述批料之间的热传导。

38.如权利要求37所述的方法，其特征在于：所述批料经所述挤出机螺杆被加热。

39.如权利要求21所述的方法，其特征在于：调节所述批料温度的步骤包括保持所述批料外围温度在外围温度下限与外围温度上限之间。

40.如权利要求39所述的方法，其特征在于：所述外围温度上限低于所述中心温度上限。

41.如权利要求39所述的方法，其特征在于：所述外围温度下限低于所述中心温度下限。

42.如权利要求39所述的方法，其特征在于：所述外围温度上限低于所述中心温度下限。

43.如权利要求39所述的方法，其特征在于：所述外围温度上限高于所述中心温度下限。

44.如权利要求39所述的方法，其特征在于：所述外围温度下限在19到30℃之间。

45.如权利要求39所述的方法，其特征在于：所述外围温度上限在30到45℃之间。

46.如权利要求39所述的方法，其特征在于：所述中心温度下限在20到35℃之间。

47.如权利要求39所述的方法，其特征在于：所述中心温度上限在30到70℃之间。

48.如权利要求39所述的方法，其特征在于：所述中心温度上限在30到45℃之间。

49.如权利要求39所述的方法，其特征在于：所述外围温度下限在20到30℃之间，所述外围温度上限在30到35℃之间，所述中心温度下限在30到35℃之间，所述中心温度上限在35到40℃之间。

50.如权利要求39所述的方法，其特征在于：所述外围温度上限与外围温度下限之间的差别在4到10℃之间。

51.如权利要求39所述的方法，其特征在于：所述陶瓷前体批料为形成堇青石的批料，而所述中心温度上限与中心温度下限之间的差别在4到8℃之间，所述外围温度上限与外围温度下限之间的差别在4到10℃之间。

52.如权利要求39所述的方法，其特征在于：所述陶瓷前体批料为形成钛酸铝的批料，而所述中心温度上限与中心温度下限之间的差别在4到8℃之间，所述外围温度上限与外围温度下限之间的差别在4到10℃之间。

53.如权利要求39所述的方法，其特征在于：所述批料外围温度保持在大于等于20℃并小于等于45℃，所述批料中心温度保持在大于等于25℃并小于等于65℃。

54.如权利要求39所述的方法，其特征在于：所述批料外围温度保持在大于等于27℃并小于等于35℃，所述批料中心温度保持在大于等于25℃并小于等于65℃。

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