CN106802254A - 高温度梯度热处理装置及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高温度梯度热处理装置及其使用方法，高温度梯度热处理装置包括：用于对样品棒一端进行加热的加热装置，用于对样品棒另一端进行冷却的冷却槽，用于测量整个样品棒表面温度的温度测量装置，用于调控温度的PID控制器，以及记录实时温度分布的计算机，温度测量装置与计算机连接，PID控制器分别与计算机和加热装置连接。本发明对样品棒一端进行加热，另一端进行冷却，形成了高温度梯度；使用PID控制器实现温度可调控，当温度偏离设定值时可以通过调节加热装置的加热功率来调整温度。

Description

高温度梯度热处理装置及其使用方法

技术领域

本发明属于热处理技术领域，更具体地说，本发明涉及一种高温度梯度热处理装置及其使用方法。

背景技术

热处理是把材料放在一定的介质中加热到适宜的温度，并在此温度中保持一定时间后以不同速度在不同的介质中冷却的手段。

在室温或较高温度下(低于固溶温度)，过饱和固溶体中原本固溶在基体中的固溶体会从基体中析出形成沉淀相，从而导致材料硬度增加，这一现象叫时效硬化现象。为了研究在不同温度下固溶体析出行为，通常需要在不同的温度对材料时效不同时间，然而这需要大量的实验样品和较长的实验周期。

高温度梯度热处理可以对一个样品进行温度连续变化的热处理，通过对高温度梯度实验后样品微观组织变化规律分析可以得到规律性结果，相当于做了一系列的时效实验，大大地节省了时间和精力，提高实验效率。

高温度梯度实现方式通常有电阻加热和电磁感应加热两种，电阻加热是将电阻丝环绕在样品一端，对电阻丝进行通电产生焦耳热，通过热传导的方式来加热样品，然而其热量散失大，周围环境温度也随之升高；通常情况下样品较小时很难形成大的温度梯度；热滞后较大，不易精确控温；电阻丝容易因高温老化而烧断。

电磁感应加热的原理是感应加热电源产生的交变电流通过线圈产生交变磁场，导体置于其中切割交变磁力线，从而在物体内部产生涡流，涡流使物体内部的原子高速无规则运动，原子互相碰撞、摩擦而产生热能，从而起到加热物品的效果。电磁感应加热线圈本身基本不会产生热量，寿命长，无需检修，无维护更换成本，热量聚集于加热体内部，热量利用充分，基本无散失，线圈本身不发热，热阻滞小，温度控制实时准确。

高温度梯度热处理中温度测试装置目前多采用热电偶测温，在样品或者导热模具上连接热电偶来采集温度数据。为了获取样品多个区域的温度，往往需要连接多个热电偶，而这种方式得到的数据点是离散的点分布，无法获得整个样品上的温度分布，而且对于长度较短的样品往往很难连接多个热电偶。

目前现有高温度梯度热处理装置的缺点为：

1)高温度梯度实现方式主要是电阻加热，电阻加热能耗大，温度控制困难，难以形成合适的温度梯度；

2)温度测量主要手段是在样品上连接热电偶，根据热电偶得到的温度数据来测温，需要多个热电偶，当样品较小时连接困难，而且无法得到加热时样品的详细的温度分布；

3)加热过程中，温度梯度难以调控，加热温度难以稳定，缺少对于加热温度的调控系统。

有鉴于此，确有必要提供一种可控、高效的高温度梯度热处理装置及其使用方法。

发明内容

本发明的发明目的在于：提供一种可控、高效的高温度梯度热处理装置及其使用方法，以形成合适的高温度梯度并实现对温度的调控。

为了实现上述发明目的，本发明提供一种高温度梯度热处理装置，其包括：用于对样品棒一端进行加热的加热装置，用于对样品棒另一端进行冷却的冷却槽，用于测量整个样品棒表面温度的温度测量装置，用于调控温度的PID控制器，以及记录实时温度分布的计算机，所述温度测量装置与计算机连接，PID控制器分别与计算机和加热装置连接。

其中，PID控制器(Proportion Integration Differentiation)即为比例-积分-微分控制器，是一个在工业控制应用中常见的反馈回路部件，根据PID控制原理对整个控制系统进行偏差调节，从而使被控变量的实际值与工艺要求的预定值一致。

作为本发明高温度梯度热处理装置的一种改进，所述样品棒的直径为3-10mm，长度为40-80mm。

作为本发明高温度梯度热处理装置的一种改进，所述加热装置为感应加热装置。

作为本发明高温度梯度热处理装置的一种改进，所述加热装置为激光加热装置。

作为本发明高温度梯度热处理装置的一种改进，所述温度测量装置为红外热像仪，测量整个样品棒表面的温度。

作为本发明高温度梯度热处理装置的一种改进，所述冷却槽采用的冷却剂为水或液氮。

作为本发明高温度梯度热处理装置的一种改进，所述冷却槽下部设有冷却剂入口，上部设有冷却剂出口，进入管与冷却剂入口连通并直通至冷却槽内液面的位置，进入管的顶部设有样品棒固定装置，所述样品棒一端安装在样品棒固定装置内。

作为本发明高温度梯度热处理装置的一种改进，所述样品棒固定装置包括底部封闭且侧壁设有通孔的圆柱套筒和中间设有通孔的固定柱，所述固定柱置于圆柱套筒内部，所述样品棒安装在固定柱中间的通孔内。

作为本发明高温度梯度热处理装置的一种改进，所述圆柱套筒顶部圆周设有环形凸台，环形凸台的外径大于进入管的直径。

作为本发明高温度梯度热处理装置的一种改进，所述冷却槽采用循环水冷却样品棒。

一种本申请所述高温度梯度热处理装置的使用方法，其包括以下步骤：

1)将样品预加工成直径为3-10mm，长度为40-80mm的样品棒，然后将样品棒下端固定在冷却槽中样品棒固定装置内；

2)打开冷却槽冷却剂入口阀门，调节流量大小，对样品棒预冷却2-5min；

3)打开计算机、温度测量装置和PID控制器，打开计算机中数据采集软件，并调整温度测量装置，使其能够测量到整个样品棒表面的温度；

4)打开加热装置，对样品棒上端进行加热，计算机通过温度测量装置可获得样品棒加热过程中的实时温度分布图。

作为本发明高温度梯度热处理的使用方法的一种改进，所述计算机从实时温度分布图中可获得样品棒的实测最高温度值。

作为本发明高温度梯度热处理的使用方法的一种改进，所述计算机预先设定一最高温度值，当实测最高温度值与设定的最高温度值有偏差时，PID控制器通过改变加热装置的功率来调节加热温度。

相对于现有技术，本发明具有以下有益技术效果：

1)对样品棒一端进行加热，另一端进行冷却，形成了高温度梯度；

2)使用感应加热装置进行加热，减少热量损失，样品棒升温快，加热可达到的温度高达2000℃以上，冷却槽端样品温度升高较小(低于100℃)；

3)使用红外热像仪记录样品表面的温度变化，可通过计算机实时记录不同时刻的温度分布图；

4)使用PID控制器实现温度可调控，当温度偏离设定值时可以通过调节加热装置的加热功率来调整温度。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式，对本发明进行详细说明，其中：

图1为本发明高温度梯度热处理装置的结构示意图。

图2为图1中圆柱套筒的结构示意图。

图3为图1中固定柱的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的发明目的、技术方案及其技术效果更加清晰，以下结合附图和具体实施方式，对本发明进行进一步详细说明。应当理解的是，本说明书中描述的具体实施方式仅仅是为了解释本发明，并非为了限定本发明。

本发明提供了一种高温度梯度热处理装置，其包括：用于对样品棒一端进行加热的加热装置，用于对样品棒另一端进行冷却的冷却槽，用于测量整个样品棒表面温度的温度测量装置，用于调控温度的PID控制器，以及记录实时温度分布的计算机，温度测量装置与计算机连接，PID控制器分别与计算机和加热装置连接。

加热装置可采用感应加热装置，感应加热装置对样品棒的上端进行加热，相比于电阻加热方式，可减少热量损失，而且样品棒上端升温快；冷却槽对样品棒的下端进行冷却，使样品棒下端的温度升高较小，形成高温度梯度对样品棒进行时效热处理。

加热装置也可以采用激光加热装置，优点是热量集中，可以在极短时间内达到较高温度，效果好。

温度测量装置可采用红外热像仪，其能够测量到整个样品棒表面的温度，并通过计算机对样品棒表面温度分布进行实时记录。

PID控制器(Proportion Integration Differentiation)即为比例-积分-微分控制器，是一个在工业控制应用中常见的反馈回路部件，根据PID控制原理对整个控制系统进行偏差调节，从而使被控变量的实际值与工艺要求的预定值一致。本实施例中，PID控制器分别与计算机和感应加热装置连接。

红外热像仪连接计算机，计算机上安装相关软件采集不同时刻红外热像仪测量的温度数值，从获得的温度数值中可以获取样品棒的实测最高温度值，计算机预设一最高温度值，计算机获取实测最高温度值后并与设定的最高温度值进行对比，并将结果反馈给PID控制器，PID控制器通过调节感应加热装置的功率来调节加热温度。

请参照图1所示，本实施例高温度梯度热处理装置包括感应加热装置10、冷却槽20、红外热像仪30、PID控制器40和计算机50。

冷却槽20内采用水作为冷却剂，冷却槽20下部侧壁具有冷却水入口21，上部侧壁具有冷却水出口22，冷却槽20的冷却剂也可选用液氮等其他冷却剂，冷却槽20也可根据实际需要改造成循环水冷却样品棒60。

冷却槽20中间设有与冷却水入口21连通的进入管23，进入管23直通至冷却槽20内液面的位置，进入管23顶部设有与之活动连接的样品棒固定装置24，样品棒固定装置24包括底部封闭的圆柱套筒25和中间开具圆形通孔的固定柱26，请参照图2和图3所示，圆柱套筒25的侧壁上开具有通孔252，用于使冷却水进入到样品棒固定装置24并对样品棒60进行冷却，圆柱套筒25顶部圆周设有环形凸台254，圆柱套筒25通过环形凸台254固定在进入管23的顶部，将固定柱26放置进圆柱套筒25内部，将样品棒60插进固定柱26中间的通孔内，从而使样品棒60固定。

红外热像仪30连接计算机50，PID控制器40分别连接感应加热装置10与计算机50，感应加热装置10对样品棒60的一端进行加热，冷却槽20对样品棒60的另一端进行冷却，以形成高温度梯度。

本实施例高温度梯度热处理装置的使用方法如下：

根据实际需要将样品预先加工成直径为3-10mm，长度为40-80mm的样品棒60，样品棒60下端插进样品棒固定装置24的固定柱26的通孔内，使之固定，打开冷却水入口22阀门，并调节水流大小，对样品棒60下端预冷却2-5min。

打开计算机50、红外热像仪30和PID控制器40的电源，调整红外热像仪30的镜头至合适位置，使其能够测量到整个样品棒60表面的温度，调整结束后，打开感应加热装置10的电源，使其对样品棒60的上端进行加热，红外热像仪30实时测量样品棒60表面的温度，并通过计算机50记录实时温度分布，计算机50可获得样品棒60加热过程中实时温度分布图，从温度分布图中可以获取样品棒60的实测最高温度值。

计算机30预先设定一最高温度值，当获取到的实测最高温度值低于设定的最高温度值时，PID控制器40通过增大感应加热装置10的功率，使实际温度升至设定的最高温度值，当获取到的实测最高温度值高于设定的最高温度值时，PID控制器40通过减小感应加热装置10的功率，使实际温度降至设定的最高温度值，以此来实现对整体温度的调控。

本实施例高温度梯度热处理装置通过感应加热装置10对样品棒60的上端进行加热，冷却槽20对其下端进行冷却，形成合适的高温度梯度，并通过PID控制器40可实时对样品棒60加热温度进行调控，因此具有高效、可控和实用的优点。

结合以上对本发明的详细描述可以看出，相对于现有技术，本发明至少具有以下有益技术效果：

1)对样品棒一端进行加热，另一端进行冷却，形成了高温度梯度；

2)使用感应加热装置进行加热，减少热量损失，样品棒升温快，加热可达到的温度高达2000℃以上，冷却槽端样品温度升高较小(低于100℃)；

3)使用红外热像仪记录样品表面的温度变化，可通过计算机实时记录不同时刻的温度分布图；

4)使用PID控制器实现温度可调控，当温度偏离设定值时可以通过调节加热电源的加热功率来调整温度。

根据上述原理，本发明还可以对上述实施方式进行适当的变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。

Claims (13)

1.一种高温度梯度热处理装置，其特征在于，包括：用于对样品棒一端进行加热的加热装置，用于对样品棒另一端进行冷却的冷却槽，用于测量整个样品棒表面温度的温度测量装置，用于调控温度的PID控制器，以及记录实时温度分布的计算机，所述温度测量装置与计算机连接，PID控制器分别与计算机和加热装置连接。

2.根据权利要求1所述高温度梯度热处理装置，其特征在于，所述样品棒的直径为3-10mm，长度为40-80mm。

3.根据权利要求1所述高温度梯度热处理装置，其特征在于，所述加热装置为感应加热装置。

4.根据权利要求1所述高温度梯度热处理装置，其特征在于，所述加热装置为激光加热装置。

5.根据权利要求1所述高温度梯度热处理装置，其特征在于，所述温度测量装置为红外热像仪，测量整个样品棒表面的温度。

6.根据权利要求1所述高温度梯度热处理装置，其特征在于，所述冷却槽采用的冷却剂为水或液氮。

7.根据权利要求1所述高温度梯度热处理装置，其特征在于，所述冷却槽下部设有冷却剂入口，上部设有冷却剂出口，进入管与冷却剂入口连通并直通至冷却槽内液面的位置，进入管的顶部设有样品棒固定装置，所述样品棒一端安装在样品棒固定装置内。

8.根据权利要求7所述高温度梯度热处理装置，其特征在于，所述样品棒固定装置包括底部封闭且侧壁设有通孔的圆柱套筒和中间设有通孔的固定柱，所述固定柱置于圆柱套筒内部，所述样品棒安装在固定柱中间的通孔内。

9.根据权利要求8所述高温度梯度热处理装置，其特征在于，所述圆柱套筒顶部圆周设有环形凸台，环形凸台的外径大于进入管的直径。

10.根据权利要求1所述高温度梯度热处理装置，其特征在于，所述冷却槽采用循环水冷却样品棒。

11.一种权利要求1-10所述高温度梯度热处理装置的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)将样品预先制成样品棒，然后将样品棒下端固定在冷却槽中样品棒固定装置内；

2)打开冷却槽冷却剂入口阀门，调节流量大小，对样品棒预冷却2-5min；

3)打开计算机、温度测量装置和PID控制器，打开计算机中数据采集软件，并调整温度测量装置，使其能够测量到整个样品棒表面的温度；

4)打开加热装置，对样品棒上端进行加热，计算机通过温度测量装置可获得样品棒加热过程中的实时温度分布图。

12.根据权利要求11所述高温度梯度热处理装置的使用方法，其特征在于，所述计算机从实时温度分布图中可获得样品棒的实测最高温度值。

13.根据权利要求12所述高温度梯度热处理装置的使用方法，其特征在于，所述计算机预先设定一最高温度值，当实测最高温度值与设定的最高温度值有偏差时，PID控制器通过改变加热装置的功率来调节加热温度。