CN106925180A - 一种温降速度可控的自动搅拌装置及工艺方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种温降速度可控的自动搅拌装置及工艺方法，该装置包括底板、安装在底板上的井式炉和旋转搅拌机构、安装在旋转搅拌机构上并用于控制降温速度的保温机构、以及与旋转搅拌机构、保温机构电连接的控制器；所述保温机构对浆料均匀降温，所述旋转搅拌机构对浆料均匀搅拌。工作时，电动缸驱动悬臂上升、旋转和下降，使搅拌器从原始位置到达炉体上方并置入坩埚内，同时保温盖压紧炉口与炉体构成较为密封的环境，该密封环境为后续降温控制提供可控条件，另外，螺旋式散热管环绕在坩埚外，在管内通入空气后将坩埚内的热量带走，从而获得均匀散热的效果并且实现降温速度可控可调的目的。本发明还具有结构简单、操作方便、容易实现温控的优点。
Description
技术领域
本发明涉及机械搅拌设备领域，尤其涉及一种用于半固态浆料制备的，采用机械旋转搅拌的，温降速度可控的自动搅拌装置及采用该搅拌装置的搅拌降温工艺。
背景技术
半固态成形技术，是指破坏金属凝固过程中的连续枝晶网格骨架，得到分散悬浮着碎晶的悬浊液，通过流变或触变成形得到铸件或锻件。因而具备了液态成形和固态成形的优良特点：流动成形性好、成形抗力小、铸件内部致密度高以及力学性能近似于锻造成形。半固态浆料的制备是半固态成形的关键。组织均匀、晶粒细小、圆整度高的半固态浆料能保证半固态成形件获得较高的力学性能。
旋转机械搅拌制浆法，是利用搅拌器自身的旋转引入剪切外力，使得熔体周向流动，而流体层之间存在速度差，凝固形成的树枝状晶被剪切破碎，获得破碎枝晶。在剪切外力以及均匀的温度场下，破碎的枝晶继续球化、熟化，得到半固态浆料。枝状晶的破碎是在合金液的凝固过程中进行的，而铝合金的固液相线温度差一般为。同时，搅拌温度过高，无剪切效果；温度过低，浆料粘度过大，剪切效果差，以及需要扭矩较大。因此，对搅拌温度区间的精确自动控制尤为重要。熔体温降速度快，破碎的枝晶球化率低，晶粒尺寸较大，剪切效果差，同时需要的剪切力大，搅拌过程熔体易形成大湍流，易裹气；而熔体温降速度慢，剪切时间长，效率低，破碎的枝晶球化长大，晶粒尺寸较大。因此，控制熔体的温降速度尤为关键。
传统机械搅拌制浆一般在随炉冷却或开盖冷却的状态下搅拌，金属液冷却速度比较单一，不能实现搅拌过程自动控制，以及不能结合各种金属液的凝固结晶特点以制定出更合理的制浆工艺。因此，设计一种温降速度可控的机械搅拌制备半固态浆料自动控制装置具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种用于制备半固态浆料的，温降速度可控的旋转式自动搅拌装置。
本发明的另一目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于上述自动搅拌装置的用于搅拌降温的工艺方法。
本发明的目的通过下述技术方案实现：
一种温降速度可控的自动搅拌装置，该搅拌装置主要包括固定安装的底板、安装在底板上的井式炉和旋转搅拌机构、安装在旋转搅拌机构上并用于控制降温速度的保温机构、以及与旋转搅拌机构、保温机构电连接的控制器。所述保温机构在旋转搅拌机构的驱动下压紧井式炉的炉口，并在控制器的控制下对炉内浆料进行均匀降温。所述旋转搅拌机构在控制器的驱动下对浆料进行均匀搅拌。
具体的，所述井式炉主要包括炉体、用于盛放浆料的坩埚、用于加热浆料的电阻式加热元件、以及用于测量炉体温度的第一热电偶。所述炉体设有一炉膛，所述坩埚放置在炉体的炉膛内，所述加热元件设置在炉体内，并环绕在炉膛内，所述第一电热偶设置在炉体内，与控制器电连接，控制器通过接受第一热电偶的反馈信息控制浆料的升温温度和速度。
具体的，所述旋转搅拌机构主要包括电动缸、悬臂、电机、同步单元、搅拌轴和搅拌器。所述电动缸与悬臂固定连接，驱动悬臂上下升降和圆周转动。所述电机安装在悬臂的一端，所述搅拌轴安装在悬臂的另一端，所述电机通过同步单元与搅拌轴传动连接。所述搅拌器安装在搅拌轴上，与搅拌轴固定连接。所述控制器分别与电动缸和电机电连接，驱动搅拌器圆周转动和旋转搅拌。工作时，电动缸启动并驱动悬臂上升；然后电动缸驱动悬臂旋转，使搅拌器转到坩埚的正上方；接着电动缸驱动悬臂下降，使搅拌器置入坩埚内，并使保温盖压紧炉口；最后电机驱动搅拌器搅拌浆料，散热管对浆料均匀降温。
具体的，所述保温机构主要包括保温盖、散热管和用于探测浆料温度的第二热电偶。所述保温盖固定设置在搅拌轴上，悬臂下降时将保温盖压紧在井式炉的炉口上。所述散热管的两端固定在保温盖上，散热管两端的端口与外部换热装置连接，而散热管的中间部分则环绕在坩埚上，对坩埚内的浆料进行降温。所述第二热电偶安装在保温盖上，第二热电偶的探测部向下延伸至浆料液面下。所述保温盖、散热管和第二电热偶为一体的模块，跟随悬臂做上升、旋转和下降运动。
进一步的，为了让浆料上下对流，本发明所述搅拌器包括搅拌主轴以及设置在搅拌主轴上的搅拌叶片，所述搅拌叶片分层设置，本发明提供的搅拌叶片分为三层设置，其中上层搅拌叶片朝下，中间层和下层叶片朝上安装。这种分层不同朝向的结构有助于浆料搅拌更充分、更均匀，而且不容易形成漩涡、湍流，也不容易产生裹气，可以明显提高半固态浆料的品质。
作为本发明的优选方案，所述坩埚采用具有良好导热性和耐高温性的石墨坩埚，石墨坩埚在高温使用过程中的热膨胀系数小，对急热、急冷具有一定的抗应变性能，对酸、碱性溶液的抗腐蚀性较强，具有优良的化学稳定性。
作为本发明的优选方案，由于螺旋式散热管能够完全包裹住坩埚，使坩埚内浆料的温度场均匀分布，有助于浆料的均匀散热，对于浆料温度的精确控制十分有用；另外，螺旋式散热管有利于散热介质在散热管内的流动，减少流动阻力，提高换热效率，因此本发明所述散热管采用螺旋式散热管。
作为本发明的优选方案，所述同步单元包括第一同步轮、第二同步轮、以及连接第一同步轮与第二同步轮的同步带。所述第一同步轮安装在电机输出轴上，所述第二同步轮与搅拌轴固定连接，所述同步带连接第一同步轮与第二同步轮，当电机转动时，把动力传递到搅拌轴上，使搅拌器转动搅拌。
进一步的，由于井式炉内温度高达七八百度，当使用过程中出现故障时，需要等待搅拌轴冷却后才能更换，因此，本发明所述搅拌轴采用两段式设计，主要包括旋转杆和旋转连接杆，所述旋转杆安装在悬臂上，与第二同步轮连接。所述旋转连接杆一端与搅拌器固定连接，另一端通过联轴器与旋转杆连接。这样设计是将驱动部分与搅拌部分分开，方便更换零件。
作为本发明的优选方案，由于半固态浆料制备的生产环境恶劣，对自动搅拌装置的控制大脑要求较高，因此本发明所述控制器采用可靠性高、抗干扰能力强的PLC控制系统，该PLC控制系统使用和编程方便、功能强大、维修方便，非常适合用于工控场合。
本发明的另一目的通过下述技术方案实现：
一种采用温降速度可控的自动搅拌装置的工艺方法，该工艺方法包括如下具体步骤：
步骤S1:根据工艺要求，启动井式炉对坩埚内的浆料进行加热升温；
步骤S2:将炉内温度升至浆料的液相线以上50度，并使浆料完全熔化，升温过程中，控制器不断收集第一电热偶的测量数据，并实时控制发热元件的加热功率；
步骤S3:对浆料保温30分钟，然后随炉降温至液相线，打开并取出炉盖；
步骤S4:电动缸启动，驱动悬臂上升并旋转至炉体上方，接着，电动缸驱动悬臂下降，使安装在悬臂上的搅拌器、第二热电偶和散热管置入炉体内(搅拌器和第二电热偶置入坩埚中，散热管置入炉内围绕在坩埚外帮助坩埚散热)，同时保温盖压紧炉口，与炉体配合形成较为密闭的环境，这样的设计有助于精确控制降温速度，使降温曲线尽量按照工艺要求变化；
步骤S5:等待浆料自然降至指定温度后，控制器启动电机，驱动搅拌器进行搅拌，同时控制散热管对浆料均匀散热；
步骤S6:在搅拌降温过程中，控制器一方面控制电机不断搅拌，另一方面控制进入散热管的空气流量和流速，从而控制浆料的降温速度，并通过第二电热偶反馈的测量数据将浆料降至指定温度后，电机停止搅拌，电动缸驱动悬臂上升、旋转、下降至原位，半固态浆料制备完成。
本发明的工作过程和原理是：工作时，电动缸驱动悬臂上升、旋转和下降，使搅拌器从原始位置到达炉体上方并置入坩埚内，同时保温盖压紧炉口与炉体构成较为密封的环境，该密封环境为后续降温控制提供可控条件，另外，螺旋式散热管环绕在坩埚外，在管内通入空气后将坩埚内的热量带走，从而获得均匀散热的效果并且实现降温速度可控可调的目的。本发明还具有结构简单、操作方便、容易实现温控的优点。
与现有技术相比，本发明还具有以下优点：
(1)本发明所提供的温降速度可控的自动搅拌装置采用基于PLC控制系统的控制器对搅拌和降温过程实时控制，使搅拌更均匀、降温更合理、控制更精确。
(2)本发明所提供的温降速度可控的自动搅拌装置采用保温盖将炉口压紧，从而构成相对密封的炉体，尽量减少外界对炉内温度的影响，为实现精确降温提供有利支持。
(3)本发明所提供的温降速度可控的自动搅拌装置采用螺旋式散热管环绕在坩埚上，对坩埚内的浆料进行均匀降温，并通过第二电热偶实时反映浆料温度，从而获得更好的温控效果，实现浆料温度可控、降温速度可调的目的。
(4)本发明所提供的温降速度可控的自动搅拌装置采用电动缸驱动悬臂通过上升、旋转、下降的方式将搅拌器从初始位置移动到炉内进行搅拌和降温操作，全过程实现自动化，减少了人工的参与环节，节省了人工操作，从而降低生产成本，提高生产效率。
附图说明
图1是本发明所提供的温降速度可控的自动搅拌装置的结构示意图。
上述附图中的标号说明：
1-底板，2-电动缸，3-电机，4-悬臂，5-第一同步轮，6-同步带，7-第二同步轮，8-第一电热偶，9-第二电热偶，10-坩埚，11-炉体，12-加热元件，13-旋转杆，14-旋转连接杆，15-搅拌器，16-保温盖，17-散热管。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明作进一步说明。
实施例1：
如图1所示，本发明公开了一种温降速度可控的自动搅拌装置，该搅拌装置主要包括固定安装的底板1、安装在底板1上的井式炉和旋转搅拌机构、安装在旋转搅拌机构上并用于控制降温速度的保温机构、以及与旋转搅拌机构、保温机构电连接的控制器。所述保温机构在旋转搅拌机构的驱动下压紧井式炉的炉口，并在控制器的控制下对炉内浆料进行均匀降温。所述旋转搅拌机构在控制器的驱动下对浆料进行均匀搅拌。
具体的，所述井式炉主要包括炉体11、用于盛放浆料的坩埚10、用于加热浆料的电阻式加热元件12、以及用于测量炉体11温度的第一热电偶。所述炉体11设有一炉膛，所述坩埚10放置在炉体11的炉膛内，所述加热元件12设置在炉体11内，并环绕在炉膛内，所述第一电热偶8设置在炉体11内，与控制器电连接，控制器通过接受第一热电偶的反馈信息控制浆料的升温温度和速度。
具体的，所述旋转搅拌机构主要包括电动缸2、悬臂4、电机3、同步单元、搅拌轴和搅拌器15。所述电动缸2与悬臂4固定连接，驱动悬臂4上下升降和圆周转动。所述电机3安装在悬臂4的一端，所述搅拌轴安装在悬臂4的另一端，所述电机3通过同步单元与搅拌轴传动连接。所述搅拌器15安装在搅拌轴上，与搅拌轴固定连接。所述控制器分别与电动缸2和电机3电连接，驱动搅拌器15圆周转动和旋转搅拌。工作时，电动缸2启动并驱动悬臂4上升；然后电动缸2驱动悬臂4旋转，使搅拌器15转到坩埚10的正上方；接着电动缸2驱动悬臂4下降，使搅拌器15置入坩埚10内，并使保温盖16压紧炉口；最后电机3驱动搅拌器15搅拌浆料，散热管17对浆料均匀降温。
具体的，所述保温机构主要包括保温盖16、散热管17和用于探测浆料温度的第二热电偶。所述保温盖16固定设置在搅拌轴上，悬臂4下降时将保温盖16压紧在井式炉的炉口上。所述散热管17的两端固定在保温盖16上，散热管17两端的端口与外部换热装置连接，而散热管17的中间部分则环绕在坩埚10上，对坩埚10内的浆料进行降温。所述第二热电偶安装在保温盖16上，第二热电偶的探测部向下延伸至浆料液面下。所述保温盖16、散热管17和第二电热偶9为一体的模块，跟随悬臂4做上升、旋转和下降运动。
进一步的，为了让浆料上下对流，本发明所述搅拌器15包括搅拌主轴以及设置在搅拌主轴上的搅拌叶片，所述搅拌叶片分层设置，本发明提供的搅拌叶片分为三层设置，其中上层搅拌叶片朝下，中间层和下层叶片朝上安装。这种分层不同朝向的结构有助于浆料搅拌更充分、更均匀，而且不容易形成漩涡、湍流，也不容易产生裹气，可以明显提高半固态浆料的品质。
作为本发明的优选方案，所述坩埚10采用具有良好导热性和耐高温性的石墨坩埚10，石墨坩埚10在高温使用过程中的热膨胀系数小，对急热、急冷具有一定的抗应变性能，对酸、碱性溶液的抗腐蚀性较强，具有优良的化学稳定性。
作为本发明的优选方案，由于螺旋式散热管17能够完全包裹住坩埚10，使坩埚10内浆料的温度场均匀分布，有助于浆料的均匀散热，对于浆料温度的精确控制十分有用；另外，螺旋式散热管17有利于散热介质在散热管17内的流动，减少流动阻力，提高换热效率，因此本发明所述散热管17采用螺旋式散热管17。
作为本发明的优选方案，所述同步单元包括第一同步轮5、第二同步轮7、以及连接第一同步轮5与第二同步轮7的同步带6。所述第一同步轮5安装在电机3输出轴上，所述第二同步轮7与搅拌轴固定连接，所述同步带6连接第一同步轮5与第二同步轮7，当电机3转动时，把动力传递到搅拌轴上，使搅拌器15转动搅拌。
进一步的，由于井式炉内温度高达七八百度，当使用过程中出现故障时，需要等待搅拌轴冷却后才能更换，因此，本发明所述搅拌轴采用两段式设计，主要包括旋转杆13和旋转连接杆14，所述旋转杆13安装在悬臂4上，与第二同步轮7连接。所述旋转连接杆14一端与搅拌器15固定连接，另一端通过联轴器与旋转杆13连接。这样设计是将驱动部分与搅拌部分分开，方便更换零件。
作为本发明的优选方案，由于半固态浆料制备的生产环境恶劣，对自动搅拌装置的控制大脑要求较高，因此本发明所述控制器采用可靠性高、抗干扰能力强的PLC控制系统，该PLC控制系统使用和编程方便、功能强大、维修方便，非常适合用于工控场合。
本发明还公开了一种采用温降速度可控的自动搅拌装置的工艺方法，该工艺方法包括如下具体步骤：
步骤S1:根据工艺要求，启动井式炉对坩埚10内的浆料进行加热升温；
步骤S2:将炉内温度升至浆料的液相线以上50度，并使浆料完全熔化，升温过程中，控制器不断收集第一电热偶8的测量数据，并实时控制发热元件的加热功率；
步骤S3:对浆料保温30分钟，然后随炉降温至液相线，打开并取出炉盖；
步骤S4:电动缸2启动，驱动悬臂4上升并旋转至炉体11上方，接着，电动缸2驱动悬臂4下降，使安装在悬臂4上的搅拌器15、第二热电偶和散热管17置入炉体11内(搅拌器15和第二电热偶9置入坩埚10中，散热管17置入炉内围绕在坩埚10外帮助坩埚10散热)，同时保温盖16压紧炉口，与炉体11配合形成较为密闭的环境，这样的设计有助于精确控制降温速度，使降温曲线尽量按照工艺要求变化；
步骤S5:等待浆料自然降至指定温度后，控制器启动电机3，驱动搅拌器15进行搅拌，同时控制散热管17对浆料均匀散热；
步骤S6:在搅拌降温过程中，控制器一方面控制电机3不断搅拌，另一方面控制进入散热管17的空气流量和流速，从而控制浆料的降温速度，并通过第二电热偶9反馈的测量数据将浆料降至指定温度后，电机3停止搅拌，电动缸2驱动悬臂4上升、旋转、下降至原位，半固态浆料制备完成。
本发明的工作过程和原理是：工作时，电动缸2驱动悬臂4上升、旋转和下降，使搅拌器15从原始位置到达炉体11上方并置入坩埚10内，同时保温盖16压紧炉口与炉体11构成较为密封的环境，该密封环境为后续降温控制提供可控条件，另外，螺旋式散热管17环绕在坩埚10外，在管内通入空气后将坩埚10内的热量带走，从而获得均匀散热的效果并且实现降温速度可控可调的目的。本发明还具有结构简单、操作方便、容易实现温控的优点。
实施例2：
如图1所示，本实施例根据本发明的工艺方法将A356铝合金置于井式炉的石墨坩埚10内熔炼至液相线以上50摄氏度完全熔化，保温30min后，随炉冷却至液相线附近，取开炉盖(分体式)。电动缸2推杆上升、旋转、下降。搅拌器15、螺旋散热管17、保温盖16、外接热电偶从初始位置到达指定位置。外接热电偶测得熔体温度，并将温度信息传回PLC控制系统。保温盖16与炉膛配合形成较为密闭的环境，炉膛内部温降速度很低。待到熔体温度降到指定值，电机3启动。电机3通过同步带6结构传递扭矩，驱动搅拌器15对坩埚10内的熔体进行搅拌，同时空气以一定流速流进螺旋散热管17，带走炉内热量。基于PLC控制系统，对通气机构伺服控制，实时改变散热管17内空气的流速以调控炉内浆料的温降速度。熔体温度降至指定温度，电机3停止搅拌。电机3完全停止后，电动缸2推杆上升、旋转、下降，回复至初始位置。半固态浆料制备完成。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种温降速度可控的自动搅拌装置，其特征在于，包括底板、安装在底板上的井式炉和旋转搅拌机构、安装在旋转搅拌机构上并用于控制降温速度的保温机构、以及与旋转搅拌机构、保温机构电连接的控制器；所述保温机构对浆料均匀降温，所述旋转搅拌机构对浆料均匀搅拌；
所述井式炉包括炉体、用于盛放浆料的坩埚、电阻式加热元件、以及用于测量炉体温度的第一热电偶；所述坩埚放置在炉体内，所述加热元件环绕在炉体内，所述第一电热偶设置在炉体内，与控制器电连接；
所述旋转搅拌机构包括电动缸、悬臂、电机、同步单元、搅拌轴和搅拌器；所述电动缸与悬臂固定连接，驱动悬臂圆周转动；所述电机安装在悬臂的一端，所述搅拌轴安装在悬臂的另一端，所述电机通过同步单元与搅拌轴传动连接；所述搅拌器安装在搅拌轴上；所述控制器分别与电动缸和电机电连接，驱动搅拌器圆周转动和旋转搅拌；
所述保温机构包括保温盖、散热管和用于探测浆料温度的第二热电偶；所述保温盖固定设置在搅拌轴上，所述散热管的两端固定在保温盖上，与外部换热装置连接，中间部分环绕在坩埚上；所述第二热电偶安装在保温盖上，其探测部延伸至坩埚内。
2.根据权利要求1所述的温降速度可控的自动搅拌装置，其特征在于，所述搅拌器包括搅拌主轴以及设置在搅拌主轴上的搅拌叶片，所述搅拌叶片分层设置。
3.根据权利要求1所述的温降速度可控的自动搅拌装置，其特征在于，所述坩埚采用石墨坩埚。
4.根据权利要求1所述的温降速度可控的自动搅拌装置，其特征在于，所述散热管采用螺旋式散热管。
5.根据权利要求1所述的温降速度可控的自动搅拌装置，其特征在于，所述同步单元包括第一同步轮、第二同步轮、以及连接第一同步轮与第二同步轮的同步带；所述第一同步轮安装在电机输出轴上，所述第二同步轮与搅拌轴固定连接。
6.根据权利要求1所述的温降速度可控的自动搅拌装置，其特征在于，所述搅拌轴包括旋转杆和旋转连接杆，所述旋转杆安装在悬臂上，通过联轴器与旋转连接杆连接。
7.一种采用温降速度可控的自动搅拌装置的工艺方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1:启动井式炉对坩埚内的浆料进行加热升温；
步骤S2:升温至浆料的液相线以上50度，并使其完全熔化；
步骤S3:保温30分钟后，随炉降温至液相线，取开炉盖；
步骤S4:电动缸驱动悬臂上升，旋转至炉体上方，下降，将搅拌器、第二热电偶和散热管置入炉体内，同时保温盖压紧炉口；
步骤S5:等待浆料降至指定温度，启动电机，驱动搅拌器进行搅拌，同时散热管对浆料均匀散热；
步骤S6:浆料降至指定温度，电机停止搅拌，电动缸驱动悬臂上升、旋转、下降至原位，半固态浆料制备完成。
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- 2017-03-24 CN CN201710182746.2A patent/CN106925180A/zh active Pending
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