CN108413770A - 一种真空感应熔炼过程温度实时测控校准系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种真空感应熔炼过程温度实时测控校准系统及方法，包括红外测温装置、可编程序逻辑控制器PLC、中频电源功率控制端口，可编程序逻辑控制器PLC连接中频电源功率控制端口，并根据预设的期望温度值控制真空感应炉的加热功率；红外测温装置对真空感应炉坩埚内熔体的温度进行连续测量，热电偶对对真空感应炉坩埚内熔体的温度进行不连续测量，并将测量的温度信号发送给可编程序逻辑控制器PLC；所述可编程序逻辑控制器PLC根据热电偶所测温度信号进行校准，对真空感应炉的加热功率进行调整。本发明同时发挥了红外测温实时性强以及热电偶测温准确度高的优点，使所需测控的温度数值更加准确，提高了所生产产品的质量。

Description

一种真空感应熔炼过程温度实时测控校准系统及方法
技术领域
本发明属于铸造设备及自动化技术领域，尤其是涉及一种真空感应熔炼过程温度实时测控校准系统及方法。
背景技术
在合金熔炼过程中，对合金成分的精确化以及纯净化的要求越来越高。真空感应熔炼技术是保证合金成分纯净度以及精确度的关键技术。真空感应熔炼工艺包括装料、熔化期、精炼期、浇注等过程，实现真空感应熔炼过程中各阶段温度尤其是精炼温度及浇注温度的精确控制，对最终合金成分的高纯净度及精确度均起着关键的作用。
目前，真空感应熔炼工艺一般由功率(KW)-时间(min)的关系曲线进行控制，图1为典型的工业规模K444合金母合金的真空冶炼工艺曲线(郭建亭，高温合金材料学(中期)P35-44)。熔炼过程中工艺参数的确定一般都是凭借着操作经验，通常以一定大小的加热功率，一定的熔炼时间作为精炼工艺参数，但这对于熔炼过程的温度控制来说的不精确的。因为即使在一定的功率条件下，熔体的温度仍然可能发生变化，而只有当温度发生明显变化后，操作工人才会对加热功率进行手动的调节；显然，这种温度的调节方式是滞后的，且很容易出现温度波动太大的现象，无法保证精炼过程中温度的长时间稳定，无法保证熔炼合金质量的稳定性。而这种不稳定的变化最终也会对合金的熔炼效果产生影响。真空感应炉内的熔体温度难以在线连续实时监测，更无法实现自动控制。
目前，在工业炉的应用中，常用的控温手段是使用热电偶进行测温，采用温控仪表或PLC接收温度信号并输出控制信号给电源以调整工业炉的功率大小，然而由于在金属熔炼的过程中，热电偶若长时间浸入合金液中，热电偶易熔入金属液中，造成测温无法继续进行。所以这种方法不适用于真空感应熔炼技术。
而单独采用红外测温+PLC的控制方式，则只能测控熔体表面的温度数据，在长时间精炼的情况下，红外测温仪本身易受到真空感应炉内蒸汽与灰尘的污染，造成温度测量的偏差，另一方面，熔体表面的浮渣量也会随精炼过程的进行而逐渐变化，造成温度测温的偏差；这两个方面共同作用，会使单独采用红外测温仪无法对温度进行准确的测控。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种真空感应熔炼过程中温度实时控制与校准的方法，解决了真空感应炉温度测控过程中的温度偏移情况。
本发明完整的技术方案包括：
一种真空感应熔炼过程温度实时测控校准系统，包括真空感应炉自动控温子系统和热电偶测温校准子系统；
所述的真空感应炉自动控温子系统包括红外测温装置、可编程序逻辑控制器PLC、中频电源功率控制端口，可编程序逻辑控制器PLC通过AQn端口(AQ表示模拟量输出端口，n为相应端口的通道号，可为0、1、2……)连接中频电源功率控制端口，并根据预设的期望温度值控制真空感应炉的加热功率；所述红外测温装置对真空感应炉坩埚内熔体的温度进行连续测量，并将测量的温度信号发送给可编程序逻辑控制器PLC；
所述的热电偶测温校准子系统包括热电偶，所述的热电偶对真空感应炉坩埚内熔体的温度进行不连续测量，并将测量的温度信号发送给可编程序逻辑控制器PLC；所述可编程序逻辑控制器PLC根据热电偶所测温度信号进行校准，对真空感应炉的加热功率进行调整。
还包括用于输入操作参数的人机界面，所述人机界面用以预设期望的温度值，并将该温度值发送给可编程序逻辑控制器PLC。
还包括红外温度信号变送输出装置和热电偶温度信号变送输出装置，所述的红外测温装置通过红外温度信号变送输出装置将温度信号发送给可编程序逻辑控制器PLC的第一输入信号端口AIn1端口(AI表示模拟量输入端口，n1为相应端口的通道号，可为01、11、21……)，所述的热电偶通过热电偶信号变送输出装置将温度信号发送给可编程序逻辑控制器PLC的第二输入信号端口AIn2端口(n2为相应端口的通道号，可为02、12、22……)。
所述可编程序逻辑控制器PLC与人机界面通过工业以太网接口进行通信。
所述热电偶为钨铼热电偶。
所述可编程序逻辑控制器PLC，调用其自带的PID模块，对预设的期待温度值与接收的温度信号进行比较，确定数值之差以及差值的变化率，从而确定输出信号的大小，对中频电源的功率进行控制，达到控制温度的效果。
所述的真空感应熔炼过程温度实时测控校准系统进行控温的方法，包括如下步骤：
(1)在人机界面中设置期望达到的温度数值T4，经PID控制器控制中频感应电源功率自动升温控温一定时间后，坩埚中的熔体温度达到一定温度，通过红外测温装置测得熔体温度数值T1，此时，PID控制器接收的温度信号数值为T3，此时T1＝T3＝T4；
(2)将热电偶浸入金属熔体中测量熔体温度，热电偶信号变送输出装置接可编程序逻辑控制器PLC的第二输入信号端口AIn2端口，通过该端口，可以在人机界面中显示热电偶测温装置所测得的温度数值T2。
(3)将热电偶测温装置所测得的温度数值T2，保存在PLC中的相应内存中，并与红外测温装置测得的温度数值相减，得到差值△T＝T2-T1，将该值加在PID控制器接收的温度信号数值上，该值传入PID控制器中，由PID控制器控制中频电源功率控制端口进行温度调整，该值传入PID控制器中，由PID控制器通过PLC的AQn通道输出控制参数，控制中频电源的功率控制端口，对进行温度调整，使熔体温度变化，使PID控制器接收的温度信号稳定到T3+△T；
(4)以一定的时间间隔重复上述步骤(2)-步骤(3)。
步骤(2)中，热电偶测量坩埚内不同位置处熔体的温度，并取上述温度的平均值作为热电偶测温装置所测得的温度数值T2。
热电偶沿分别测量坩埚底部中央处温度TB1、底部侧壁处温度TB2；中部中央处温度TC1、中部侧壁处温度TC2；上部中央处温度TT1、底部侧壁处温度TT2；
可编程序逻辑控制器PLC对上述温度进行处理，得到处理后的热偶测熔体温度T2：
对上述温度进行处理，得到处理后的热偶测熔体温度T2。
所述的一定时间间隔为3-10min。
本发明相对于现有技术的优点在于：
(1)能够全过程实时监控并自动控制真空感应炉熔炼时的熔体温度，并可以对全过程各时间段的温度参数进行电子数据的记录，为制定合金的熔炼工艺参数提供依据；提高了生产效率，降低了工人的劳动强度。
(2)采用红外测温与热电偶测温结合的方式对温度进行测控与校准，同时发挥了红外测温实时性强以及热电偶测温准确度高的优点，使所需测控的温度数值更加准确。
(3)由于提高了熔炼时所需测控温度数值的准确度，提高了所生产产品的质量，降低了废品率。
附图说明
图1是现有工业真空冶炼典型工艺曲线。
图2是本发明真空感应熔炼过程温度实时测控与校准系统的原理示意图。
图3为本发明热电偶与安装板横截面示意图。
图4为本发明热电偶与安装板纵截面示意图。
图5为本发明熔炼7.5kg镍基高温合金的熔炼过程温度曲线。
图中，1为安装板，2为滑槽，3为热电偶，4为定位块，5为第一定位槽，6为第二定位槽。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。
对照图2的真空感应熔炼过程温度实时测控与校准系统，该系统包括真空感应炉自动控温系统以及热电偶测温校准系统。
真空感应炉自动控温系统包括红外测温装置、红外温度信号变送输出装置、可编程序逻辑控制器PLC、用于输入操作参数的人机界面、中频电源功率控制端口，所述的可编程序逻辑控制器PLC采用西门子S7-1500PLC，CPU为1511C-1PN，所述的人机界面型号为西门子KTP700basic-1PN。
其中，PLC的第一输入信号端口AIn1端口接红外温度信号变送输出装置，PLC的输出信号端口AQn端口接中频电源功率控制端口，可编程序逻辑控制器PLC与人机界面通过工业以太网接口进行通信，人机界面中可以设置当前的模式、设置当前所期望达到的温度数值以及显示当前红外测温装置测得的温度数值。所述的PLC输入信号端口与输出信号端口均为西门子PLC的板载模拟量输入/输出端口。
在PLC内部，通过调用其自带的PID模块，来比较PLC中设置的预期温度数值和PID控制器接收的温度信号(即红外温度信号)数值之差以及这个差值的变化率，从而确定PLC输出信号的大小，对中频电源的功率进行控制，进而达到控制温度的效果。
热电偶测温校准系统包括热电偶和热电偶温度信号变送输出装置；其中，热电偶信号变送输出装置接可编程序逻辑控制器PLC的第二输入信号端口AIn2端口，通过该端口，可以在人机界面中显示热电偶测温装置所测得的温度数值。所述的热电偶为钨铼热电偶，其测温范围可达2300℃；所述的PLC输入信号端口为西门子PLC的板载模拟量输入端口。
如图3-4所示，所述热电偶垂直设置，热电偶3位于真空感应炉外的部分安装于定位板1上，所述定位板上设有长方形滑槽2，滑槽上设有第一定位槽5和第二定位槽6，第一定位槽对准坩埚中央位置，即坩埚横向的中间位置，第二定位槽对准坩埚侧壁位置，即坩埚横向的边缘位置，热电偶穿过滑槽且可在滑槽内横向移动并旋转，同时可沿着坩埚纵向前进或后退。热电偶上设有四个定位块4，定位块宽度小于滑槽宽度，可穿过滑槽前进，热电偶旋转后定位块可卡在定位槽内。第一定位块位于滑槽时，热电偶热端位于坩埚外，第二定位块位于滑槽时，热电偶热端位于坩埚中央或侧壁的上部处，第三定位块位于滑槽时，热电偶热端位于坩埚中央或侧壁的中间处，即坩埚纵向的中间位置，第四定位块位于滑槽时，热电偶热端位于坩埚中央或侧壁的底部处。热电偶退回时，第一定位块卡在滑槽上，热电偶热端位于坩埚外。
测温时，首先使热电偶位于滑槽的第一定位槽处，旋转热电偶，首先使第一定位块穿过滑槽并继续前进，第二定位块到达滑槽第一定位槽时，旋转热电偶，将第二定位块卡在第一定位槽上，此时热电偶热端坩埚上部中央处，并测量该处熔体温度，测量完毕旋转热电偶，使第二定位块穿过滑槽并继续前进，第三定位块到达第一定位槽时，旋转热电偶，将第三定位块卡在第一定位槽上，此时热电偶热端坩埚中央中间处，并测量该处熔体温度，测量完毕旋转热电偶，使第三定位块穿过滑槽并继续前进，第四定位块到达滑槽第一定位槽时，旋转热电偶，将第四定位块卡在第一定位槽上，此时热电偶热端坩埚中央底部处，并测量该处熔体温度，测量完毕旋转热电偶，使第四定位块穿过滑槽并后退。
随后使热电偶横向滑动到滑槽的第二定位槽处，旋转热电偶，首先使第一定位块穿过滑槽并继续前进，第二定位块到达滑槽第二定位槽时，旋转热电偶，将第二定位块卡在第二定位槽上，此时热电偶热端坩埚上部侧壁处，并测量该处熔体温度，测量完毕旋转热电偶，使第二定位块穿过滑槽并继续前进，第三定位块到达第二定位槽时，旋转热电偶，将第三定位块卡在第二定位槽上，此时热电偶热端坩埚侧壁中间处，并测量该处熔体温度，测量完毕旋转热电偶，使第三定位块穿过滑槽并继续前进，第四定位块到达滑槽第二定位槽时，旋转热电偶，将第四定位块卡在第二定位槽上，此时热电偶热端坩埚侧壁底部处，并测量该处熔体温度，测量完毕旋转热电偶，使第四定位块穿过滑槽并后退。
真空感应熔炼过程中温度实时测控与校准的方法：
(1)在人机界面中设置期望达到的温度数值T4，经PID控制器控制中频感应电源功率自动升温控温一定时间后，坩埚中的熔体温度达到一定温度，通过红外测温装置测得熔体温度数值T1，此时，PID控制器接收的温度信号数值为T3，此时T1＝T3＝T4；
如前所述，红外测温只能测控熔体表面的温度数据，在长时间精炼的情况下，红外测温仪本身易受到真空感应炉内蒸汽与灰尘的污染以及熔体表面的浮渣量变化的影响，造成温度测量的偏差，此时红外测温仪所测的温度与坩埚内部的熔体温度有一定的偏差，并不能完成精准测控。
(2)将热电偶浸入金属熔体中测量熔体温度，热电偶信号变送输出装置接可编程序逻辑控制器PLC的第二输入信号端口AIn2端口，通过该端口，可以在人机界面中显示热电偶测温装置所测得的温度数值。具体的，热电偶相对坩埚以特定的方向运动，以测量坩埚内不同位置处熔体的温度。
优选的是，热电偶沿分别测量坩埚底部中央处温度TB1、底部侧壁处温度TB2；中间中央处温度TC1、中间侧壁处温度TC2；上部中央处温度TT1、底部侧壁处温度TT2；
可编程序逻辑控制器PLC对上述温度进行处理，得到处理后的热偶测熔体温度T2：
由于感应加热过程中，坩埚内熔体部的温度场较复杂，熔体由于感应加热而获得热量，同时熔体和坩埚壁接触产生传导换热，坩埚外壁与对感应炉产生辐射换热，坩埚壁内部产生传导换热，熔体表面与外部空间产生辐射换热，即使是熔体内部，由于电磁场的分布不均匀，各处所获得温度也并不一致，因而熔体内部也存在对流和传导换热。在这种情况下，要想准确测量评价熔体内部的温度是非常困难的。因而本发明采用多点测量，计算平均值的方法，增加了测温的准确度。
(3)将热电偶测温装置所测得的温度数值T2，保存在PLC中的相应内存中，并与红外测温装置测得的温度数值相减，得到差值△T＝T2-T1，将该值加在PID控制器接收的温度信号数值上，该值传入PID控制器中，由PID控制器通过PLC的AQn通道输出控制参数，控制中频电源的功率控制端口，对进行温度调整，使熔体温度变化，使PID控制器接收的温度信号稳定到T3+△T；
(4)以一定的时间间隔(如3-10min)重复上述步骤，直到热电偶所测得的熔体实际温度与设定温度相符。
同时根据上面的多次控温调节过程，本发明还获得了一种控温方法，具体为对多次控温调节过程中，在热电偶所测熔体温度与设定温度差在-10℃内时，对此时真空感应熔炼炉所采用的功率进行采样，分别记为P1，P2，P3……PN，N为采样获得的功率数量(如采用了320KW，325KW，350KW，即共3个功率)，每个功率所采用的次数分别记为A1，A2，A3……AN，通过如下公式得到单个功率Pi对应的权重xi，
并采用各权重计算各功率的平均值：
在热电偶所测得的熔体实际温度稳定于设定温度后，采用上述功率对熔体进行保温。
具体实施例1：
使用上述温度实时测控校准系统对7.5kg的镍基高温合金进行熔炼。
真空感应炉自动控温系统包括红外测温装置、红外温度信号变送输出装置、可编程序逻辑控制器PLC、用于输入操作参数的人机界面、中频电源功率控制端口，所述的可编程序逻辑控制器PLC采用西门子S7-1500PLC，CPU为1511C-1PN，所述的人机界面型号为西门子KTP700basic-1PN。
其中，PLC的第一输入信号端口AI0端口接红外温度信号变送输出装置，PLC的输出信号端口AQ0端口接中频电源功率控制端口，可编程序逻辑控制器PLC与人机界面通过工业以太网接口进行通信，人机界面中可以设置当前的模式、设置当前所期望达到的温度数值以及显示当前红外测温装置测得的温度数值。所述的PLC输入信号端口与输出信号端口均为西门子PLC的板载模拟量输入/输出端口。
在PLC内部，通过调用其自带的PID模块，来比较PLC中设置的预期温度数值和PID控制器接收的温度信号(即红外温度信号)数值之差以及这个差值的变化率，从而确定PLC输出信号的大小，对中频电源的功率进行控制，进而达到控制温度的效果。
热电偶测温校准系统包括热电偶和热电偶温度信号变送输出装置；其中，热电偶信号变送输出装置接可编程序逻辑控制器PLC的第二输入信号端口AI1端口，通过该端口，可以在人机界面中显示热电偶测温装置所测得的温度数值。所述的热电偶为钨铼热电偶，其测温范围可达2300℃；所述的PLC输入信号端口为西门子PLC的板载模拟量输入端口。
真空感应熔炼过程中温度实时测控与校准的方法：
(1)在人机界面中设置期望达到的温度数值T4为1600℃，经PID控制器控制中频感应电源功率自动升温控温一定时间后，坩埚中的熔体温度达到一定温度，通过红外测温装置测得熔体温度数值T1＝1600℃，此时，PID控制器接收的温度信号数值为T3＝1600℃，此时T1＝T3＝T4；
如前所述，红外测温只能测控熔体表面的温度数据，在长时间精炼的情况下，红外测温仪本身易受到真空感应炉内蒸汽与灰尘的污染以及熔体表面的浮渣量变化的影响，造成温度测量的偏差，此时红外测温仪所测的温度与坩埚内部的熔体温度有一定的偏差，并不能完成精准测控。
(2)将热电偶浸入金属熔体中测量熔体温度，热电偶信号变送输出装置接可编程序逻辑控制器PLC的第二输入信号端口AIn2端口，通过该端口，可以在人机界面中显示热电偶测温装置所测得的温度数值。热电偶分别测量坩埚底部中央处温度TB1＝1605℃、底部侧壁处温度TB2＝1594℃；中间中央处温度TC1＝1620℃、中间侧壁处温度TC2＝1613℃；上部中央处温度TT1＝1563℃、底部侧壁处温度TT2＝1545℃；可编程序逻辑控制器PLC对上述温度进行处理，得到处理后的热偶测熔体温度T2＝1590℃：
(3)将热电偶测温装置所测得的温度数值T2＝1590℃，保存在PLC中的相应内存中，并与红外测温装置测得的温度数值相减，得到差值△T＝T2-T1，△T＝-10℃，将该值加在PID控制器接收的温度信号数值上，该值传入PID控制器中，由PID控制器控制中频电源功率控制端口进行温度调整，使熔体温度变化，使PID控制器接收的温度信号稳定到T3+△T＝1590℃；
(4)在精炼期以5min为时间间隔重复上述步骤，完成精炼过程，并在添加合金元素后再次精炼时及浇注期对所需的温度参数进行相应的校准，完成整个熔炼过程。整个熔炼过程的温度曲线如图5所示。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (10)

1.一种真空感应熔炼过程温度实时测控校准系统，其特征在于，包括真空感应炉自动控温子系统和热电偶测温校准子系统；
所述的真空感应炉自动控温子系统包括红外测温装置、可编程序逻辑控制器PLC、中频电源功率控制端口，可编程序逻辑控制器PLC连接中频电源功率控制端口，并根据预设的期望温度值控制真空感应炉的加热功率；所述红外测温装置对真空感应炉坩埚内熔体的温度进行连续测量，并将测量的温度信号发送给可编程序逻辑控制器PLC；
所述的热电偶测温校准子系统包括热电偶，所述的热电偶对真空感应炉坩埚内熔体的温度进行不连续测量，并将测量的温度信号发送给可编程序逻辑控制器PLC；所述可编程序逻辑控制器PLC根据热电偶所测温度信号进行校准，对真空感应炉的加热功率进行调整。
2.根据权利要求1所述的一种真空感应熔炼过程温度实时测控校准系统，其特征在于，还包括用于输入操作参数的人机界面，所述人机界面用以预设期望的温度值，并将该温度值发送给可编程序逻辑控制器PLC。
3.根据权利要求1或2所述的一种真空感应熔炼过程温度实时测控校准系统，其特征在于，还包括红外温度信号变送输出装置和热电偶温度信号变送输出装置，所述的红外测温装置通过红外温度信号变送输出装置将温度信号发送给可编程序逻辑控制器PLC的第一输入信号端口，所述的热电偶通过热电偶信号变送输出装置将温度信号发送给可编程序逻辑控制器PLC的第二输入信号端口。
4.根据权利要求1或3所述的一种真空感应熔炼过程温度实时测控校准系统，其特征在于，所述可编程序逻辑控制器PLC与人机界面通过工业以太网接口进行通信。
5.根据权利要求1或4所述的真空感应熔炼过程温度实时测控校准系统，其特征在于，所述热电偶为钨铼热电偶。
6.根据权利要求1或5所述的一种真空感应熔炼过程温度实时测控校准系统，其特征在于，所述可编程序逻辑控制器PLC，调用其自带的PID模块，对预设的期待温度值与接收的温度信号进行比较，确定数值之差以及差值的变化率，从而确定输出信号的大小，对中频电源的功率进行控制，达到控制温度的效果。
7.一种权利要求1-6任一项所述的真空感应熔炼过程温度实时测控校准系统进行控温的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)在人机界面中设置期望达到的温度数值T4，经PID控制器控制中频感应电源功率自动升温控温一定时间后，坩埚中的熔体温度达到一定温度，通过红外测温装置测得熔体温度数值T1，此时，PID控制器接收的温度信号数值为T3，此时T1＝T3＝T4；
(2)将热电偶浸入金属熔体中测量熔体温度，热电偶信号变送输出装置接可编程序逻辑控制器PLC的第二输入信号端口，通过该端口，可以在人机界面中显示热电偶测温装置所测得的温度数值T2。
(3)将热电偶测温装置所测得的温度数值T2，保存在PLC中的相应内存中，并与红外测温装置测得的温度数值相减，得到差值△T＝T2-T1，将该值加在PID控制器接收的温度信号数值上，该值传入PID控制器中，由PID控制器控制中频电源功率控制端口进行温度调整，使熔体温度变化，使PID控制器接收的温度信号稳定到T3+△T；
(4)以一定的时间间隔重复上述步骤(2)-步骤(3)，对熔体温度进行调整。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，步骤(2)中，热电偶测量坩埚内不同位置处熔体的温度，并取上述温度的平均值作为热电偶测温装置所测得的温度数值T2。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，热电偶沿分别测量坩埚底部中央处温度TB1、底部侧壁处温度TB2；中部中央处温度TC1、中部侧壁处温度TC2；上部中央处温度TT1、底部侧壁处温度TT2；
可编程序逻辑控制器PLC对上述温度进行处理，得到处理后的热偶测熔体温度T2：
对上述温度进行处理，得到处理后的热偶测熔体温度T2。
10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，步骤(4)中，所述的一定时间间隔为3-10min。
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