CN103697686A - 一种金刚石布拉磨块烧结炉及其烧结工艺 - Google Patents
一种金刚石布拉磨块烧结炉及其烧结工艺 Download PDFInfo
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Abstract
一种金刚石布拉磨块烧结炉及其烧结工艺，烧结炉包括炉体、设置于炉体中的加热电路、多个温度传感器、多个压力传感器、PID调节器和可编程控制器，PID调节器用于接收温度传感器提供的实测温度值和压力传感器提供的压力值，并根据理想气体状态方程将压力值转换成间接温度值，将实测温度值和间接温度值与设定温度值进行比较得出偏差值，对偏差值进行PID运算得出控制量，然后将控制量传递给可编程控制器，可编程控制器与加热电路连接，用于根据PID调节器提供的控制量控制加热电路进行温度调节工作，本发明可精确调节炉体内部温度，并保证炉体内部温度均匀性。
Description
技术领域
本发明涉及一种金刚石布拉磨块烧结炉及其烧结工艺。
背景技术
金刚石布拉磨块主要应用于大理石和花岗岩等石材自动生产线的研磨与抛光，具有锋利度好，磨削力强，磨削效率高，耐磨度好，可承受较大的负荷，能够满足高速磨削和精密磨削技术的要求等显著特性。以金刚石颗粒为磨粒，由多种金属或金属化合物的粉末构成结合剂，经高温烧结而成。
金刚石布拉磨块的烧结过程在井式电阻炉中完成，烧结温度一般控制在900℃以下。炉温的均匀性是保证金刚石布拉磨块质量的重要工艺参数，目前大多数电阻炉温度控制方式不能保证炉内温度实时调整，不能保证温度的均匀性，另外为了提高生产效率，布拉磨块模具在电阻炉中的摆放方式为相互叠加摆放的方式，这种方式严重影响了各布拉磨块的受热均匀性，导致同炉中布拉磨块的质量差异大，影响布拉磨块的质量和成品率。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种可精确调节炉体内部温度，并保证炉体内部温度均匀性的一种金刚石布拉磨块烧结炉。
本发明的目的通过如下技术方案来实现：
一种金刚石布拉磨块烧结炉，包括炉体、设置于炉体中的加热电路，其特征在于：还包括
多个温度传感器，分区布置于炉体内部并与PID调节器输入端连接，用于检测炉体内部各区域温度并传递给PID调节器；
多个压力传感器，分区布置于炉体内部并与PID调节器输入端连接，用于检测炉体内部各区域压力并传递给PID调节器；
PID调节器，与可编程控制器连接，用于接收温度传感器提供的实测温度值和压力传感器提供的压力值，并根据理想气体状态方程将压力值转换成间接温度值，将实测温度值和间接温度值与设定温度值进行比较得出偏差值，对偏差值进行PID运算得出控制量，然后将控制量传递给可编程控制器；
可编程控制器，与加热电路连接，用于根据PID调节器提供的控制量控制加热电路进行温度调节工作。
进一步的，本发明还包括设置于炉体内部的内循环风机，内循环风机与可编程控制器输出端连接，PID调节器可对各实测温度值和各间接温度值进行比较，当任意两温度值之差大于预设值时，PID调节器生成风机启动指令并传递给可编程控制器，可编程控制器根据该指令启动风机，以使炉体内部各区域的温度均匀。
进一步的，本发明还包括用于承载布拉磨块模具的支架，该支架设置有沿垂直方向间隔布置的若干托盘。
本发明的另一个目的是提供一种金刚石布拉磨块烧结工艺，包括如下步骤：
（1）、将装有混合粉末的布拉磨块模具放置在支架的托盘上并送入炉体中，布拉磨块模具在托盘上的排列方式为圆周间隔排列；
（2）、可编程控制器根据预设的温度曲线控制加热电路工作，并通过与可编程控制器连接的PID调节器获取加热电路的控制量，PID调节器根据多个温度传感器获取炉体内部各区域的实测温度值和根据多个压力传感器获取炉体内部各区域的间接温度值，将实测温度值和间接温度值与设定温度值进行比较得出偏差值，对偏差值进行PID运算得出控制量，然后将控制量传递给可编程控制器，可编程控制器根据PID调节器提供的控制量控制加热电路进行温度调节工作。
进一步的，步骤（2）包括当PID调节器获取的任意两温度值之差大于预设值时，PID调节器生成风机启动指令并传递给可编程控制器，可编程控制器根据该指令启动内循环风机，以使炉体内部各区域的温度均匀。
进一步的，在托盘上的相邻两布拉磨块模具之间的间隙大于单个布拉磨块模具的体积。
进一步的，相邻两托盘上的布拉磨块模具交错排列。
进一步的，所述温度曲线为：加热2小时至温度为200℃，然后保温0.5小时；再加热1小时至温度为300℃，然后保温0.5小时；再加热1小时至温度为500℃，然后保温0.5个小时；再加热1小时至温度为800℃，然后保温2小时，使布拉磨块模具内的混合粉末烧结为金刚石布拉磨块。
本发明具有如下有益效果：
本发明在通过温度传感器获取实测温度值的同时，还通过压力传感器获取压力值，并根据理想气体状态方程将压力值换算成间接温度值，通过实测温度和间接温度的冗余技术，更为准确地反馈炉体内部的各区域温度，确保控制的有效性和可靠性。
PID调节器将获取的实测温度值和间接温度值与设定温度值进行比较得出偏差值，对偏差值进行PID运算得出控制量，然后将控制量传递给可编程控制器，可编程控制器根据PID调节器提供的控制量控制加热电路进行温度调节工作。
在炉体内部设置内循环风机，并设置成当任意两温度值之差大于预设温度值时，启动风机进行工作，以保证炉体内部各区域的温度均匀性。
在金刚石布拉磨块的烧结工艺中，本发明提供的支架和布拉磨块模具的排列方式，可最大限度应用有限炉内空间，并使烧结体-空气隙分布均一化，能够减小烧结体对炉内温度场均匀分布的影响，有利于温度的均匀分布；布拉磨块模具的排列方式结合本发明提供的特定温度曲线，可生产出质量均一、成品率高、质量好的布拉磨块。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
图1为本发明的功能模块图。
图2为本发明温度传感器的空间分布图。
图3为本发明压力传感器的空间分布图。
图4为本发明的控制原理图。
图5为本发明提供的支架及布拉磨块模具的排列图。
图6为托盘上布拉磨块模具的排列图。。
图7为本发明的温度曲线图。
具体实施方式
参照图1至图7所示，一种金刚石布拉磨块烧结炉，包括炉体（图中未示出）、加热电路6、温度传感器2、压力传感器4、PID调节器3、内循环风机5、PLC可编程控制器1和支架，其中，烧结炉为井式电阻炉，其炉体和加热电路6为现有技术，在这里不再详细说明。
温度传感器2设置于炉体内部，共有八个，采用Ⅱ级工业用镍铬—镍硅（K型）铠装热电偶，热电偶的分布如图2所示，a、b、c、d、e、f、g、h代表八个温度传感器，各热电偶以互为对比测量的方式测量各个区域的温度，a与b互为参照，测量在同一水平面内的温度，b与c互为参照，测量竖直平面内温度，以此类推，从而精确地获取炉体内部各区域的温度，温度传感器2与PID调节器3输入端连接，用于检测炉体内部各区域温度并传递给PID调节器3；
压力传感器4设置于炉体内部，共有三个，压力传感器4的分布方式如图3所示，i、j、k代表三个压力传感器4，压力传感器4与PID调节器3输入端连接，用于检测炉体内部各区域压力并传递给PID调节器3，PID调节器3通过理想气体状态方程将压力传感器4提供的压力值换算成间接温度值。
PID调节器3与可编程控制器1连接，用于接收温度传感器2提供的实测温度值和压力传感器4提供的压力值，并根据理想气体状态方程将压力值转换成间接温度值，将实测温度值和间接温度值与设定温度值进行比较得出偏差值，对偏差值进行PID运算得出控制量，然后将控制量传递给可编程控制器1。
可编程控制器1的输出端分别与加热电路6和内循环风机5连接，用于根据PID调节器3提供的控制量控制加热电路6进行温度调节工作和控制内循环风机5工作，PID调节器3可对各实测温度值和各间接温度值进行比较，当任意两温度值之差5℃时，PID调节器3生成风机启动指令并传递给可编程控制器1，可编程控制器1根据该指令启动内循环风机6，炉体内部气体在内循环风机6作用下循环流动使各区域的温度均匀。
支架用于承载布拉磨块模具8，该支架由立柱71和若干托盘72组成，托盘72沿垂直方向间隔布置在立柱71上。
本烧结加热温控的理论基础如下：
理想气体状态方程在容积一定下的温度-压力函数关系和电能转化为热能并借助辐射与对流的传热方式。
（1）由理想气体状态方程
PV=nRT
式中，n为炉内气体的物质的量，R为常数。
已知电阻炉内体积为定值，电阻炉密闭，炉内气体物质的量不变，则炉内气体的压强P与温度T成正比，随着炉内温度的升高，压强也在不断升高。当烧结体与周围进行热辐射、热交换时，通过压力传感器测量炉内的压强，并通过理想气体状态方程转换为温度值，以此来配合热电偶测得的温度值共11个测量值来判断并控制炉内温度的均匀性，更加可靠。
（2）在电阻炉内部，通过电热元件将电能转化为热能并借助辐射与对流的传热方式加热工件，通常可以用一下模型描述
式中，X—电阻炉内温升(指炉内温度与室温温差)；K—放大系数；τ0—纯滞后时间；t—加热时间；T—时间系数；V—控制电压。
工件表面获得热量后，随即以导热的方式向心部传递。在工件加热时，其内部温度分布随时间而不断变化，其导热过程属于不稳定导热。工件表面和心部的温度变化情况决定于工件表面与周围介质的换热和工件内部的导热过程。工件加热计算的主要问题是：确定被加热件内部温度分布随时间的变化规律。
温度控制采用PID控制技术即按偏差的比例、积分和微分进行控制。实际温度控制的PID算式为：
Pout(t)=Kp*e(t)+Ki*∑e(t)+Kd*(e(t)-e(t-1))
式中，e(t)——实际测量温度与设定温度的偏差；Pout(t)——调节器输出的控制量；Kp是比例调节参数；Ki是积分调节参数；Kd是微分调节参数；
这三个基本参数Kp、Ki、Kd在实际控制中的作用：
（a）、比例调节作用：是按比例反应系统的偏差，系统一旦出现了偏差，比例调节立即产生调节作用用以减少偏差。比例作用大，可以加快调节，减少误差，但是过大的比例，使系统的稳定性下降，甚至造成系统的不稳定。
（b）、积分调节作用：是使系统消除稳态误差，提高无差度。因为有误差，积分调节就进行，直至无误差，积分调节停止，积分调节输出一常值。积分作用的强弱取决于积分时间常数Ti(Ki=1/Ti)，Ti越小，积分作用越强，反之Ti大则积分作用弱，加入积分调节可使系统稳定性下降，动态响应变慢。
（c）、微分调节作用：微分作用反映系统偏差信号的变化率，具有预见性，能预见偏差变化的趋势，因此能产生超前的控制作用，在偏差还没有形成之前，已被微分调节作用消除。因此，可以改善系统的动态性能。在微分时间选择合适的情况下，可以减小超调，减少调节时间。微分作用对噪声干扰有放大作用，因此过强的加微分调节，对系统抗干扰不利。此外，微分反应的是变化率，而当输入没有变化时，微分作用输出为零。
（3）本智能温控的实现技术是压力控制（间接温控）和热电偶控制（直接温控）冗余技术，确保控制的有效性和可靠性。
具体工作方式如下：
（1）、将装有混合粉末的布拉磨块模具8放置在支架的托盘72上并送入炉体中，布拉磨块模具8在托盘72上的排列方式为圆周间隔排列，在托盘72上的相邻两布拉磨块模具8之间的间隙大于单个布拉磨块模具8的体积，具体为一个托盘72上设置五个布拉磨块模具，相邻两托盘72上的布拉磨块模具8交错排列。
（2）、可编程控制器1根据预设的温度曲线控制加热电路6工作，并通过PID调节器3获取加热电路6的控制量，PID调节器3根据八个温度传感器2获取炉体内部各区域的实测温度值和根据三个压力传感器4获取炉体内部各区域的间接温度值，将实测温度值和间接温度值与设定温度值进行比较得出偏差值，对偏差值进行PID运算得出控制量，然后将控制量传递给可编程控制器1，可编程控制器1根据PID调节器3提供的控制量控制加热电路6进行温度调节工作。
当PID调节器3获取的任意两温度值之差大于5℃时，PID调节器3生成风机启动指令并传递给可编程控制器1，可编程控制器1根据该指令启动内循环风机5，以使炉体内部各区域的温度均匀。
参照图7所示，温度曲线为：加热2小时至温度为200℃，然后保温0.5小时；再加热1小时至温度为300℃，然后保温0.5小时；再加热1小时至温度为500℃，然后保温0.5个小时；再加热1小时至温度为800℃，然后保温2小时，当保温时间到，混合粉末完成烧结，停止电阻炉断开电源，不再加热，进行炉冷。
500℃时，结合剂开始融化，经过一定时间到达700℃，金刚石磨粒开始被浸润，被结合剂包覆连接起来；温度进一步升高到达800℃，保温2个小时，金刚石磨粒与结合剂完成烧结，具有良好的结合力。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，故不能以此限定本发明实施的范围，即依本发明申请专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆应仍属本发明专利涵盖的范围内。
Claims (8)
1.一种金刚石布拉磨块烧结炉，包括炉体、设置于炉体中的加热电路，其特征在于：还包括
多个温度传感器，分区布置于炉体内部并与PID调节器输入端连接，用于检测炉体内部各区域温度并传递给PID调节器；
多个压力传感器，分区布置于炉体内部并与PID调节器输入端连接，用于检测炉体内部各区域压力并传递给PID调节器；
PID调节器，与可编程控制器连接，用于接收温度传感器提供的实测温度值和压力传感器提供的压力值，并根据理想气体状态方程将压力值转换成间接温度值，将实测温度值和间接温度值与设定温度值进行比较得出偏差值，对偏差值进行PID运算得出控制量，然后将控制量传递给可编程控制器；
可编程控制器，与加热电路连接，用于根据PID调节器提供的控制量控制加热电路进行温度调节工作。
2.根据权利要求1所述的一种金刚石布拉磨块烧结炉，其特征在于：还包括设置于炉体内部的内循环风机，内循环风机与可编程控制器输出端连接，PID调节器可对各实测温度值和各间接温度值进行比较，当任意两温度值之差大于预设值时，PID调节器生成风机启动指令并传递给可编程控制器，可编程控制器根据该指令启动风机，以使炉体内部各区域的温度均匀。
3.根据权利要求1所述的一种金刚石布拉磨块烧结炉，其特征在于：还包括用于承载布拉磨块模具的支架，该支架设置有沿垂直方向间隔布置的若干托盘。
4.一种金刚石布拉磨块烧结工艺，包括如下步骤：
（1）、将装有混合粉末的布拉磨块模具放置在支架的托盘上并送入炉体中，布拉磨块模具在托盘上的排列方式为圆周间隔排列；
（2）、可编程控制器根据预设的温度曲线控制加热电路工作，并通过与可编程控制器连接的PID调节器获取加热电路的控制量，PID调节器根据多个温度传感器获取炉体内部各区域的实测温度值和根据多个压力传感器获取炉体内部各区域的间接温度值，将实测温度值和间接温度值与设定温度值进行比较得出偏差值，对偏差值进行PID运算得出控制量，然后将控制量传递给可编程控制器，可编程控制器根据PID调节器提供的控制量控制加热电路进行温度调节工作。
5.根据要求4所述的一种金刚石布拉磨块烧结工艺，其特征在于：步骤（2）包括当PID调节器获取的任意两温度值之差大于预设值时，PID调节器生成风机启动指令并传递给可编程控制器，可编程控制器根据该指令启动内循环风机，以使炉体内部各区域的温度均匀。
6.根据要求4所述的一种金刚石布拉磨块烧结工艺，其特征在于：在托盘上的相邻两布拉磨块模具之间的间隙大于单个布拉磨块模具的体积。
7.根据要求4所述的一种金刚石布拉磨块烧结工艺，其特征在于：相邻两托盘上的布拉磨块模具交错排列。
8.根据要求4或5或6或7所述的一种金刚石布拉磨块烧结工艺，其特征在于：所述温度曲线为：加热2小时至温度为200℃，然后保温0.5小时；再加热1小时至温度为300℃，然后保温0.5小时；再加热1小时至温度为500℃，然后保温0.5个小时；再加热1小时至温度为800℃，然后保温2小时，使布拉磨块模具内的混合粉末烧结为金刚石布拉磨块。
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