CN104878188A - 一种可实现铝带气垫式热处理的实验装置及实验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种铝带气垫式热处理的实验装置及实验方法,包括机械系统和电气系统两部分；所述机械系统由开卷机、入口导向辊、气垫式加热装置、气垫式冷却装置、出口导向辊和卷取机组成，所述电气系统由传动系统、仪表控制系统、PLC系统和界面系统组成，实施正常铝带热处理试验时，机械系统和电气系统相互配合，实现铝带气垫式漂浮加热、气垫式漂浮冷却、张力控制、速度控制功能。本发明解决了铝带气垫式热处理生产线连续性、稳定性要求高，无法满足热处理试验工艺需要，以及现有铝带气垫式热处理试验装置无法真实模拟实际生产条件、控制精度低等问题，满足了铝带热处理过程中真实生产条件模拟和复杂热处理工艺实现的需要。
Description
技术领域
本发明属于铝合金带材热处理技术领域，涉及一种可实现铝带气垫式热处理的实验装置及实验方法。
背景技术
铝合金带材热处理产品广泛应用到汽车、航空航天、轨道交通等行业，是国家重要的基础原材料。由于铝带密度小、表面质量要求高、热处理工艺复杂且条件苛刻，其连续热处理生产线必须采用气垫式加热和冷却。然而，工业生产用气垫式热处理设备连续性、工艺稳定性、自动化程度要求高，无法满足铝合金带材热处理工艺研发需要，而实验室采用小规格热风循环炉和水槽模拟实际生产条件，精度差、可比性低，无法获得可信的、接近实际生产的数据。目前，尚未出现能完全模拟实际生产条件的铝合金带材热处理实验装置及实验方法。
现有专利中，专利CN102703676A，公开了一种用于铝卷材及铝箔材热处理的气垫炉淬火系统，该系统由淬火区和气冷区组成，实现铝带气垫式冷却。该系统用于工业生产线上，设备运行要求高、操作复杂，无法适用于实验室小规模试验或中试试验，且只具备冷却功能。
专利CN202380048U，公开了一种铝带加热与支撑的装置，通过循环风机及加热装置实现铝带上下表面加热和铝带漂浮。该专利为单纯的铝带加热装置，并未涉及铝带的前后处理和铝带的冷却，也未涉及铝合金带材热处理工艺实验内容，与本申请内容没有关系。
专利CN202380052U，公开了一种用于带材加热的输送喷箱，用于支撑铝带加热。该喷箱结构、参数与本专利差别较大，工作原理也有较大差别，无法满足铝合金带材热处理工艺试验需要，与本申请内容没有关系。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的问题，提供能满足铝合金带材热处理工艺的气垫式热处理实验装置和实验方法。
上述目的是通过下述方案实现的：
一种可实现铝带气垫式热处理的实验装置，所述实验装置包括试验台，其特征在于，在所述试验台上依次安装有气垫式加热装置（4）和气垫式冷却装置（5），在所述试验台的两侧分别安装有入口导向辊（4）和出口导向辊（4），所述铝带通过开卷机（2）和卷取机（7）带动穿过所述气垫式加热装置（4）和气垫式冷却装置（5）；所述实验装置还包括电气控制系统，该电气控制系统包括传动系统、仪表控制系统、PLC系统、界面系统和人机交互终端，所述PLC系统用于控制传动系统，所述人机交互终端通过界面系统获得并显示所述传动系统和仪表控制系统的测量数据，并且所述人机交互终端用于给PLC系统设定数据。
根据上述实验装置，其特征在于，所述气垫式加热装置（4）包括上轴流风机（8）、下轴流风机（8’）、上加热器（9）、下加热器（9’）、上气垫喷嘴（12）、下气垫喷嘴（12’）、上导流装置（11）、下导流装置（11’），所述上轴流风机（8）和下轴流风机（8’）周向产生的高速气体经加热器加热，由上导流装置（11）和下导流装置（11’）导入所述上气垫喷嘴（12）和下气垫喷嘴（12’），所述上气垫喷嘴（12）和下气垫喷嘴（12’）交错布置。
根据上述实验装置，其特征在于，所述气垫式冷却装置（5）包括上轴流风机（8）、下轴流风机（8’）、上换热器（10）、下换热器（10’）、上气垫喷嘴（12）、下气垫喷嘴（12’）、上导流装置（11）、下导流装置（11’），所述上轴流风机（8）和下轴流风机（8’）周向产生的高速气体经换热器冷却，由上导流装置（11）和下导流装置（11’）导入所述上气垫喷嘴（12）和下气垫喷嘴（12’），所述上气垫喷嘴（12）和下气垫喷嘴（12’）交错布置。
根据上述实验装置，其特征在于，所述传动系统依据所述PLC系统给定的控制数据对开卷机和卷取机电机、气垫式加热装置和冷却装置轴流风机电机实施闭环控制，进而结合PLC系统控制铝带速度、张力、加热过程和冷却过程；仪表控制系统采集实验装置实验过程中的机械数据和工艺数据，包括铝带的行进速度、张力、温度、加热参数、漂浮参数、冷却参数，并将这些数据反馈给PLC系统；PLC系统依据实验员在界面系统人机交互终端上设定的数据或仪表控制系统反馈的数据，与仪表控制系统共同对实验过程工艺数据实施闭环控制；界面系统收集PLC系统、传动系统、仪表控制系统检测数据、控制数据，并显示到人机交互终端上。
一种使用上述实验装置的实验方法，其特征在于，通过控制气垫式加热装置和气垫式冷却装置喷嘴内压力控制铝带漂浮高度和稳定性，通过控制气垫式加热装置加热器的加热功率控制铝带加热速度和加热温度，通过控制气垫式冷却装置换热器的换热效率控制铝带冷却速度和终冷温度，通过控制铝带行进速度控制铝带加热和冷却的时间，通过控制开卷机和卷取机输出转矩控制实验过程中铝带的张力。
根据上述实验方法，其特征在于，通过控制气垫式加热装置和气垫式冷却装置循环轴流风机的频率控制气垫式加热装置和气垫式冷却装置喷嘴内压力，轴流风机频率可由PLC系统根据铝带工艺加热温度、加热速度、冷却温度和冷却速度，通过驱动控制程序自动设定和控制，或由实验员在界面系统人机交互终端上设定，并由PLC控制。
根据上述实验方法，其特征在于，通过控制开卷机和卷取机电机转速控制铝带行进速度，依据铝带加热和冷却时间，由PLC系统计算电机转速基准值，或由实验员在界面系统人机交互终端上设定电机转速基准值，依据开卷机和卷取机上铝带卷径，由PLC系统计算电机转速的修正值，电机转速实际值=基准值+修正值。
根据上述实验方法，其特征在于，实验过程中铝带张力由开卷机和卷取机共同提供，通过PLC系统计算或实验员在界面系统人机交互终端上设定铝带张力，并由PLC系统将控制数据下发给传动系统，传动系统调节开卷机和卷取机电机电流控制电机输出转矩，实现张力闭环控制。
本发明的有益效果：本发明将气垫式加热和冷却方式引入到铝合金带材热处理实验过程中，研制出了实验装置和实验方法，解决了铝合金带材热处理生产线无法进行工艺实验，以及现有实验装置无法真实模拟实际生产条件、控制精度低、实验数据不可靠等问题，实现了基于实际生产条件的铝合金带材热处理工艺研发。
附图说明
图1是本发明中的铝带气垫式热处理实验装置机械系统的布置图；
图2是本发明中的铝带气垫式加热装置和气垫式冷却装置结构示意图；
图3是本发明中的铝带气垫式热处理实验装置电气系统结构示意图。
具体实施方式
参见图1-图3，本发明的实验装置包括试验台，在试验台上依次安装有气垫式加热装置4和气垫式冷却装置5，在试验台的两侧分别安装有入口导向辊4和出口导向辊4，铝带通过开卷机2和卷取机7带动穿过气垫式加热装置4和气垫式冷却装置5；实验装置还包括电气控制系统，该电气控制系统包括传动系统14、仪表控制系统15、PLC系统16、界面系统17和人机交互终端18， PLC系统16用于控制传动系统，人机交互终端18通过界面系统17获得并显示传动系统14和仪表控制系统15的测量数据，并且人机交互终端18用于给PLC系统16设定数据。
参见图2（图2中将加热装置和换热器用一张图表示），气垫式加热装置4包括上轴流风机8、下轴流风机8’、上加热器9、下加热器9’、上气垫喷嘴12、下气垫喷嘴12’、上导流装置11、下导流装置11’，所述上轴流风机8和下轴流风机8’周向产生的高速气体经加热器加热，由上导流装置11和下导流装置11’导入所述上气垫喷嘴12和下气垫喷嘴12’，所述上气垫喷嘴12和下气垫喷嘴12’交错布置。
气垫式冷却装置5包括上轴流风机8、下轴流风机8’、上换热器10、下换热器10’、上气垫喷嘴12、下气垫喷嘴12’、上导流装置11、下导流装置11’，上轴流风机8和下轴流风机8’周向产生的高速气体经换热器冷却，由上导流装置11和下导流装置11’导入上气垫喷嘴12和下气垫喷嘴12’，上气垫喷嘴12和下气垫喷嘴12’交错布置。
参见图3，传动系统14依据PLC系统16给定的控制数据对开卷机3和卷取机电机6、气垫式加热装置4和气垫式冷却装置5轴流风机电机实施闭环控制，进而结合PLC系统16控制铝带速度、张力、加热过程和冷却过程；仪表控制系统15采集实验装置实验过程中的机械数据和工艺数据，包括铝带的行进速度、张力、温度、加热参数、漂浮参数、冷却参数，并将这些数据反馈给PLC系统16；PLC系统16依据实验员在界面系统17人机交互终端18上设定的数据或仪表控制系统反馈的数据，与仪表控制系统15共同对实验过程工艺数据实施闭环控制；界面系统17收集PLC系统16、传动系统14、仪表控制系统15检测数据、控制数据，并显示到人机交互终端18上。
下面结合附图对试验方法进行描述。
实施例1
本实施例提供本发明铝带气垫式热处理实验装置操作技术方案。
如图1、图2所示，首先开启气垫式加热装置4的轴流风机8，风机以一定频率转动后，开启加热器9，热风由导流系统11导入上气垫喷嘴12和下气垫喷嘴13，热风由气垫喷嘴喷出后，沿径向回流到轴流风机8中，实现热风循环。仪表控制系统15检测气垫式加热装置4内的热风温度，直至达到工艺温度后，保持该状态。其次开启气垫式冷却装置5的轴流风机8，风机以一定频率转动后，开启换热器10（图2所示气垫式加热装置4和气垫式冷却装置5结构和配置相同，唯一不同之处是气垫式加热装置4采用加热器9加热气体，气垫式冷却装置5采用换热器10冷却气体），冷风由导流系统11导入上气垫喷嘴12和下气垫喷嘴13，冷风由气垫喷嘴喷出后，沿径向回流到轴流风机8中，实现冷风循环。气垫式加热装置4和气垫式冷却装置5开启后，将预先准备好的铝卷手动装入开卷机2，手动穿带经入口导向辊3、气垫式加热装置4、气垫式冷却装置5、出口导向辊6，手动缠绕至卷取机7上。依据实验员由人机交互终端18输入的或依据PLC系统16计算出的铝带1张力，传动系统14和PLC系统16闭环控制开卷机2和卷取机7电机输出转矩，建立静张力。静张力建立后，依据实验员由人机交互终端18输入的或依据PLC系统16计算出的铝带1行进速度，传动系统14和PLC系统16闭环控制开卷机2和卷取机7电机转速，铝带1由开卷机2开卷，按照工艺速度依次经过气垫式加热装置4加热、气垫式冷却装置5冷却后，由卷取机7卷取。
实验结束后，首先关闭气垫式加热装置4的加热器9和气垫式冷却装置5的换热器10，轴流风机8保持开启状态，一方面快速降低气垫式加热装置4内温度，另一方面保持铝带1出气垫式冷却装置5后温度低于50℃。此时，开卷机2和卷取机7仍保持工作状态。当气垫式加热装置内温度降至400℃以下，开卷机2和卷取机7停止转动，开卷机2反转以卸除铝带1张力。铝带1张力卸除后，在开卷机2处人工剪断铝带。之后，卷取机7正向转动，将剩余的铝带1经入口导向辊3、气垫式加热装置4、气垫式冷却装置5、出口导向辊6，完全卷取至卷取机7上。至此，实验完毕。
实施例2
本实施例提供本发明铝带气垫式热处理实验方法操作技术方案。
如图1、图2和图3所示，实验开始前，气垫式加热装置4、气垫式冷却装置5处于开启状态，铝带1穿带完毕，建立张力后，按实验员由人机交互终端18输入的或依据PLC系统16计算出的铝带1行进速度行进。此时，铝带1按照实验员由人机交互终端18输入的铝带加热速度、铝带加热温度、铝带冷却速度、铝带冷却温度、铝带加热时间、铝带冷却时间、铝带漂浮高度进行铝带气垫式热处理实验。实验结果由仪表控制系统15检测，并反馈至界面系统17，界面检测系统17记录实验数据，并显示到人机交互终端18上。
当需要改变铝带热处理实验工艺条件时，依据下述方法操作。
需要改变铝带1漂浮高度时，若选择人机交互终端18上的“手动”按钮，实验员在人机交互界面18上输入气垫式加热装置4和气垫式冷却装置5轴流风机8电机频率，PLC系统16依据由界面系统17传递的人工设定频率，向传动系统14提供控制数据，传动系统14控制气垫式加热装置4和气垫式冷却装置5轴流风机转速，进而控制热风在气垫式加热装置4上气垫喷嘴12和下气垫喷嘴13内的压力，以及冷风在气垫式冷却装置5上气垫喷嘴12和下气垫喷嘴13内的压力，实现铝带1漂浮高度控制；若选择人机交互终端18上的“自动”按钮，实验员在人机交互界面18上输入改变后的铝带1加热温度、铝带1加热速度、铝带1冷却温度、铝带1冷却速度，PLC系统16依据由界面系统17传递的上述工艺参数，计算气垫式加热装置4和气垫式冷却装置5轴流风机8电机频率，并按照选择“手动”按钮的工作流程，向传动系统14提供控制数据，完成铝带1漂浮高度的控制。
需要改变铝带1加热温度和加热速度时，实验员在人机交互界面18上输入改变后的铝带1加热温度和铝带1加热速度，PLC系统16依据由界面系统17传递的上述工艺参数，计算气垫式加热装置4加热器9加热功率，与仪表控制系统15共同完成加热器9加热功率的闭环控制，实现铝带1加热温度和加热速度的控制。
需要改变铝带1冷却温度和冷却速度时，实验员在人机交互界面18上输入改变后的铝带1冷却温度和铝带1冷却速度，PLC系统16依据由界面系统17传递的上述工艺参数，计算气垫式冷却装置5换热器10换热效率，与仪表控制系统15共同完成换热器10换热效率的闭环控制，实现铝带1冷却温度和冷却速度的控制。
需要改变铝带1加热时间和冷却时间时，实验员在人机交互界面18上输入改变后的铝带1加热时间和铝带1冷却时间，PLC系统16依据由界面系统17传递的上述工艺参数，计算开卷机2和卷取机7电机转速，向传动系统14提供控制数据，传动系统14控制开卷机2和卷取机7电机转速，进而控制铝带1行进速度，实现铝带1加热时间和冷却时间控制。
需要改变铝带1张力时，实验员在人机交互界面18上输入改变后的铝带1张力，PLC系统16依据由界面系统17传递的铝带张力设定值，计算开卷机2和卷取机7电机输出转矩，向传动系统14提供控制数据，传动系统14控制开卷机2和卷取机7电机输出转矩，实现铝带1张力控制。
上述铝带热处理实验工艺条件的改变可单独实施，也可同时实施。
Claims (8)
1.一种可实现铝带气垫式热处理的实验装置，所述实验装置包括试验台，其特征在于，在所述试验台上依次安装有气垫式加热装置（4）和气垫式冷却装置（5），在所述试验台的两侧分别安装有入口导向辊（4）和出口导向辊（4），所述铝带通过开卷机（2）和卷取机（7）带动穿过所述气垫式加热装置（4）和气垫式冷却装置（5）；所述实验装置还包括电气控制系统，该电气控制系统包括传动系统、仪表控制系统、PLC系统、界面系统和人机交互终端，所述PLC系统用于控制传动系统，所述人机交互终端通过界面系统获得并显示所述传动系统和仪表控制系统的测量数据，并且所述人机交互终端用于给PLC系统设定数据。
2.根据权利要求1所述的实验装置，其特征在于，所述气垫式加热装置（4）包括上轴流风机（8）、下轴流风机（8’）、上加热器（9）、下加热器（9’）、上气垫喷嘴（12）、下气垫喷嘴（12’）、上导流装置（11）、下导流装置（11’），所述上轴流风机（8）和下轴流风机（8’）周向产生的高速气体经加热器加热，由上导流装置（11）和下导流装置（11’）导入所述上气垫喷嘴（12）和下气垫喷嘴（12’），所述上气垫喷嘴（12）和下气垫喷嘴（12’）交错布置。
3.根据权利要求1所述的实验装置，其特征在于，所述气垫式冷却装置（5）包括上轴流风机（8）、下轴流风机（8’）、上换热器（10）、下换热器（10’）、上气垫喷嘴（12）、下气垫喷嘴（12’）、上导流装置（11）、下导流装置（11’），所述上轴流风机（8）和下轴流风机（8’）周向产生的高速气体经换热器冷却，由上导流装置（11）和下导流装置（11’）导入所述上气垫喷嘴（12）和下气垫喷嘴（12’），所述上气垫喷嘴（12）和下气垫喷嘴（12’）交错布置。
4.根据权利要求1所述的实验装置，其特征在于，所述传动系统依据所述PLC系统给定的控制数据对开卷机和卷取机电机、气垫式加热装置和冷却装置轴流风机电机实施闭环控制，进而结合PLC系统控制铝带速度、张力、加热过程和冷却过程；仪表控制系统采集实验装置实验过程中的机械数据和工艺数据，包括铝带的行进速度、张力、温度、加热参数、漂浮参数、冷却参数，并将这些数据反馈给PLC系统；PLC系统依据实验员在界面系统人机交互终端上设定的数据或仪表控制系统反馈的数据，与仪表控制系统共同对实验过程工艺数据实施闭环控制；界面系统收集PLC系统、传动系统、仪表控制系统检测数据、控制数据，并显示到人机交互终端上。
5.一种使用权利要求1-4的实验装置的实验方法，其特征在于，通过控制气垫式加热装置和气垫式冷却装置喷嘴内压力控制铝带漂浮高度和稳定性，通过控制气垫式加热装置加热器的加热功率控制铝带加热速度和加热温度，通过控制气垫式冷却装置换热器的换热效率控制铝带冷却速度和终冷温度，通过控制铝带行进速度控制铝带加热和冷却的时间，通过控制开卷机和卷取机输出转矩控制实验过程中铝带的张力。
6.根据权利要求5所述的实验方法，其特征在于，通过控制气垫式加热装置和气垫式冷却装置循环轴流风机的频率控制气垫式加热装置和气垫式冷却装置喷嘴内压力，轴流风机频率可由PLC系统根据铝带工艺加热温度、加热速度、冷却温度和冷却速度，通过驱动控制程序自动设定和控制，或由实验员在界面系统人机交互终端上设定，并由PLC控制。
7.根据权利要求5所述的实验方法，其特征在于，通过控制开卷机和卷取机电机转速控制铝带行进速度，依据铝带加热和冷却时间，由PLC系统计算电机转速基准值，或由实验员在界面系统人机交互终端上设定电机转速基准值，依据开卷机和卷取机上铝带卷径，由PLC系统计算电机转速的修正值，电机转速实际值=基准值+修正值。
8.根据权利要求5所述的实验方法，其特征在于，实验过程中铝带张力由开卷机和卷取机共同提供，通过PLC系统计算或实验员在界面系统人机交互终端上设定铝带张力，并由PLC系统将控制数据下发给传动系统，传动系统调节开卷机和卷取机电机电流控制电机输出转矩，实现张力闭环控制。
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