CN106679417A - 金属材料加热系统及其加热控制方法 - Google Patents

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张旭民
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赵科新
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Abstract

本发明公开了一种金属材料加热系统和方法。金属材料加热系统包括加热容器、加热元件、温度传感器以及控制器，其中加热容器用于容纳待加热的金属材料，加热元件用于加热该加热容器内的金属材料，以及控制器用于控制加热元件。控制器设置成在温度传感器检测到金属材料达到预定温度之前，控制加热元件以恒定功率加热金属材料。在温度传感器检测到金属材料达到预定温度之后，根据温度传感器检测到的金属材料温度，控制加热元件以不同功率加热金属材料至金属材料达到预定温度。本发明的金属材料加热系统和方法能够快速地将金属材料加热到预定温度并避免温度过冲。

Description

金属材料加热系统及其加热控制方法
技术领域
本发明涉及金属压铸领域，尤其涉及金属压铸领域中金属材料的加热，特别是非晶金属材料的加热。
背景技术
目前，在高频感应加热领域，目前大多数采取的主要控制方式有两种：1)、利用人工判断金属材料加热程度，手动调节加热输出功率大小；2)、利用红外传感器+定时器方式控制加热时间，到达预定时间停止加热。这两种控温方案我们称之为开环控制。这种控制方式的优点是控制简单，缺点是不精确，在控温要求高的场合中，开环控制不适用。
另一种加热控制方式是闭环控制。闭环控制是将控制的结果反馈回来与目标值比较，并根据它们的偏差自动调节控制系统，也就是说根据加热金属材料的实际温度变化来自动调整输出功率的大小，达到精确控温的效果。
在金属压铸领域，由于对金属材料的温度控制要求高，因此常采用红外闭环控制。在对金属物料进行加热熔化时，初始状态的物料通常为块状物料或堆积在一起。在物料熔化过程中，通常是物料的一部分先熔化而达到一定温度，而另一部分尚未熔化而处于较低的温度。此时，对于红外闭环控制，如果温度传感器检测到先熔化的物料的温度，则控制系统可能会给出物料已经完全熔化的信息，并降低功率，这会导致加热时间长。另一种情况是，如果温度传感器检测到尚未熔化的物料的温度，则控制系统可能会给出所有物料均尚未熔化，因此加大功率，这会导致先熔化的部分物料温度过冲，即材料被加热到过高(超过其所需)的温度。物料被加热到过高的温度会导致以下几种后果：1)、物料的稳定时间变长，由此生产时间变长；2)、物料的成分可能会发生化学变化或受损，从而产品品质受损；3)、功率损失。这在要求快速加热的情形中尤其明显。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够对金属材料，尤其是非晶金属材料快速加热并避免温度过冲的加热方法和加热系统。
为实现上述目的，本发明提供了一种金属材料的加热控制方法，所述方法包括以下步骤：
A、将预定量的金属材料置于加热容器中；
B、在加热的初始阶段，采用开环控制对所述金属材料进行加热；以及
C、在加热的第二阶段，通过闭环控制方式对所述金属材料进行加热。
一实施例中，所述方法还包括：在步骤C中将所述金属材料加热至预定温度之后，转入步骤D，在步骤D中，以恒定功率加热所述金属材料。
一实施例中，步骤D中，所述加热容器从一个位置移动到另一个位置。
一实施例中，当步骤B中所述金属材料被加热至预定温度时，转至执行步骤C；或者，步骤B中，采用温度传感器检测所述金属材料的温度，当所述温度传感器检测到所述金属材料的温度低于闭环控制介入温度时，以恒定功率加热所述金属材料，且当步骤B中所述金属材料的温度达到所述闭环控制介入温度时，转至执行步骤C。
一实施例中，步骤B通过在预定时间期间内，以恒定功率加热所述金属材料来实现；或者当步骤B中将所述金属材料加热至完全熔化时，转至执行步骤C。
一实施例中，步骤B的加热功率比步骤C的加热功率高。
一实施例中，所述金属材料的加热方式为感应加热。
一实施例中，所述加热容器为坩埚，所述加热元件为感应线圈，所述感应线圈缠绕在所述坩埚的外壁上，以及所述金属材料为非晶金属材料。
根据本发明的另一方面，提供了一种金属材料加热系统，所述金属材料加热系统包括加热容器、加热元件、温度传感器以及控制器，其中所述加热容器用于容纳待加热的金属材料，所述加热元件用于加热所述加热容器内的金属材料，以及所述控制器用于控制所述加热元件，其中，所述控制器设置成在所述温度传感器检测到所述金属材料达到预定温度之前，控制所述加热元件以恒定功率加热所述金属材料；以及在所述温度传感器检测到所述金属材料达到所述预定温度之后，根据所述温度传感器检测到的金属材料温度，控制所述加热元件以不同功率加热所述金属材料至所述金属材料达到预定温度。
一实施例中，所述加热容器为坩埚，所述加热元件为感应线圈，所述感应线圈缠绕在所述坩埚的外壁上，以及所述金属材料为非晶金属材料。
根据本发明的又一方面，提供了一种金属材料加热系统，所述金属材料加热系统包括加热容器、加热元件、温度传感器以及控制器，其中所述加热容器用于容纳待加热的金属材料，所述加热元件用于加热所述加热容器内的金属材料，以及所述控制器用于控制所述加热元件，其中，所述控制器设置成从所述金属材料开始加热起在预定时间内，控制所述加热元件以恒定功率加热所述金属材料，以及在经过所述预定时间之后，根据所述温度传感器检测到的金属材料温度，控制所述加热元件以不同功率加热所述金属材料至所述金属材料达到预定温度。
本发明的金属材料加热系统和方法能够快速地将金属材料加热到预定温度并避免温度过冲，其尤其适于非晶金属产品的压铸。
附图说明
图1是本发明的金属材料加热系统的系统框图。
图2是本发明的金属材料加热控制方法的控制流程框图。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明的较佳实施例进行详细说明，以便更清楚理解本发明的目的、特点和优点。应理解的是，附图所示的实施例并不是对本发明范围的限制，而只是为了说明本发明技术方案的实质精神。
术语解释
闭环控制：将控制的结果反馈回来与目标值比较，并根据它们的偏差自动调节控制系统，也就是说根据加热金属材料的实际温度变化来自动调整输出功率的大小，达到精确控温的效果。目前，行业中闭环控制方式是普遍采用的控温方式，以”PID控制”最为普遍。它通过温度传感器的模拟量信号将实时温度(PV值)反馈给温控器，温控器根据接收到模拟量信号自动参照内部已预设的温度值(SV值)进行内部对比计算，控制被控对象的功率输出大小(MV值)，这也就是我们在温控领域内俗称的“PID控制”。
开环控制：开环控制相对于闭环控制，不将控制的结果反馈回来影响当前控制的系统。在控制电源加热时，按下启动通过人工肉眼观察金属材料加热程度是否达到要求，然后关闭这种方式即为开环控制。
图1是本发明的金属材料加热系统的系统框图。如图1所示，金属材料加热系统10包括加热容器1、红外测温仪2、控制器3以及感应电源4，其中加热容器1上布置有感应线圈。红外测温仪2布置成检测加热容器1内的金属材料的温度。控制器3根据红外测温仪2所检测到的温度来控制感应电源4，从而感应电源输出相应的电流给感应线圈来加热金属材料。这里，可以加热容器可以为坩埚等任何合适的容器。红外测温仪2可以是目前已知或待开发的任何合适的红外测温仪，例如雷泰ENDURANCE，或者红外测温仪可以由任何合适的温度传感器来替代。控制器3为可编程控制器，可以采用已知或待开发任何合适的控制器，例如研华ADAM-5560KW。感应电源4可以为任何合适的感应电源，例如上海巴玛克AtecF通用型感应电源。感应线圈和感应电源用于对加热容器内的金属材料进行加热，加热方式为感应加热。通常，感应线圈缠绕在加热容器外部，并与感应电源电连接。
以下结合图2详细说明上述的金属材料加热系统的控制流程。
总地来说，上述系统的控制流程包括开环控制阶段和闭环控制阶段，以及可选地在闭环控制阶段之后的另一开环控制阶段。具体地，如图2所示，在采用上述系统对金属材料(即特定形式的金属材料)进行加热时，在开始阶段，先采用开环恒流控制。在开环控制阶段中，红外测温仪测得金属材料温度将金属材料的实时温度反馈给可编程控制器。控制器判断当前温度是否低于闭环控制介入温度(例如目标温度的80％)，如果低于闭环控制介入温度，则系统自动选择恒电流开环控制模式，控制感应电源以恒定的电流输出给金属材料进行加热。这里，电流设定值为系统预先设定值。
在金属材料温度高于闭环控制介入温度(但低于目标温度)后，控制器切换为红外闭环控制，进入闭环控制阶段。在闭环控制阶段，控制器根据反馈温度(PV)与设定温度(SV)偏差由内部参数(PID参数，即比例、积分、微分)计算控制输出值(MV值)(此过程即为PID闭环控制)，控制感应电源直至金属材料达到设定的目标温度。
在有些场合中，当金属材料达到设定的目标温度后，可能需要将金属材料从一个位置移动至另一位置，同时使得金属材料保持在设定的目标温度。此时，系统可以转至开环控制，即以恒定的功率或电流输出给金属材料加热。
上述控制流程中，在开环控制阶段，可以采用较高的功率或电流输出来对金属材料进行加热，实现快速加热的目的。同时，在金属材料加热到预定温度，即闭环控制介入温度之后，可以采用相对较低的功率或电流来对金属材料进行加热，或者根据需要采用相应的功率来对金属材料进行加热，有效避免了红外闭环加热中的温度过冲(及超调)现象。
上述的开环控制和闭环控制之间的转换条件也可以通过设定预定时间或者通过检测金属材料的状态来实现。具体地，一实施例中，控制系统可以设置成在开环控制经过预定时间后，转入闭环控制。上述的预定时间可以根据经验公式算出。另一实施例中，控制系统可以设置成在开环控制下加热的金属材料处于熔化状态但尚未达到目标温度时，转入闭环控制。这里，金属材料的状态可以通过相应的传感器测出，也可以通过目测得到。从开环控制转入闭环控制可以自动进行，也可以手动进行。
本发明的金属材料加热系统和金属材料加热方法采用开环控制结合红外闭环PID控制来加热熔化金属材料，相比于纯粹的开环控制，可以更精确地控制温度，而相比于纯粹的闭环控制，可以更快速地熔料并且解决温度过冲的问题。这在压铸非晶金属产品时尤其有利，因为其要求快速加热熔化达到目标温度，且不能超过目标温度太多。
上述的金属材料加热系统和金属材料加热方法尤其适于压铸机，特别是用于压铸非晶金属产品的压铸机。这种压铸机通常设有真空炉、压射系统以及模具，金属材料的熔化通常在真空环境下完成，压铸也在真空环境下进行。例如，在真空炉内设有熔炼坩埚，熔炼坩埚外围绕有感应线圈，金属材料置于熔炼坩埚内，并通过感应方式来加热。
以上已详细描述了本发明的较佳实施例，但应理解到，在阅读了本发明的上述讲授内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改。这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

Claims (10)

1.一种金属材料的加热控制方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
A、将预定量的金属材料置于加热容器中；
B、在加热的初始阶段，采用开环控制对所述金属材料进行加热；以及
C、在加热的第二阶段，通过闭环控制方式对所述金属材料进行加热。
2.根据权利要求1所述的加热控制方法，其特征在于，所述方法还包括：在步骤C中将所述金属材料加热至预定温度之后，转入步骤D，在步骤D中，以恒定功率加热所述金属材料。
3.根据权利要求1所述的加热控制方法，其特征在于，当步骤B中所述金属材料被加热至预定温度时，转至执行步骤C；或者，步骤B中，采用温度传感器检测所述金属材料的温度，当所述温度传感器检测到所述金属材料的温度低于闭环控制介入温度时，以恒定功率加热所述金属材料，且当步骤B中所述金属材料的温度达到所述闭环控制介入温度时，转至执行步骤C。
4.根据权利要求1所述的加热控制方法，其特征在于，步骤B通过在预定时间期间内，以恒定功率加热所述金属材料来实现；或者当步骤B中将所述金属材料加热至完全熔化时，转至执行步骤C。
5.根据权利要求1所述的加热控制方法，其特征在于，步骤B的加热功率比步骤C的加热功率高。
6.根据权利要求1-5任一项所述的加热控制方法，其特征在于，所述金属材料的加热方式为感应加热。
7.根据权利要求1-5任一项所述的加热控制方法，其特征在于，所述加热容器为坩埚，所述加热元件为感应线圈，所述感应线圈缠绕在所述坩埚的外壁上，以及所述金属材料为非晶金属材料。
8.一种金属材料加热系统，所述金属材料加热系统包括加热容器、加热元件、温度传感器以及控制器，其中所述加热容器用于容纳待加热的金属材料，所述加热元件用于加热所述加热容器内的金属材料，以及所述控制器用于控制所述加热元件，其特征在于，所述控制器设置成在所述温度传感器检测到所述金属材料达到预定温度之前，控制所述加热元件以恒定功率加热所述金属材料；以及在所述温度传感器检测到所述金属材料达到所述预定温度之后，根据所述温度传感器检测到的金属材料温度，控制所述加热元件以不同功率加热所述金属材料至所述金属材料达到预定温度。
9.根据权利要求8所述的金属材料加热系统，所述加热容器为坩埚，所述加热元件为感应线圈，所述感应线圈缠绕在所述坩埚的外壁上，以及所述金属材料为非晶金属材料。
10.一种金属材料加热系统，所述金属材料加热系统包括加热容器、加热元件、温度传感器以及控制器，其中所述加热容器用于容纳待加热的金属材料，所述加热元件用于加热所述加热容器内的金属材料，以及所述控制器用于控制所述加热元件，其特征在于，所述控制器设置成从所述金属材料开始加热起在预定时间内，控制所述加热元件以恒定功率加热所述金属材料，以及在经过所述预定时间之后，根据所述温度传感器检测到的金属材料温度，控制所述加热元件以不同功率加热所述金属材料至所述金属材料达到预定温度。
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