CN109536755B - 一种铝合金熔体含气量智能控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种铝合金熔体含气量的智能控制,所述系统包括含气量快速分析系统、熔体品质修正系统、自动精炼系统。含气量快速分析系统实时采集铝合金熔体的氢含量，将数据输入品质修正系统，修正系统经计算对比，分析获得匹配的精炼参数，将精炼参数输入自动精炼系统，对熔体进行自动精炼，循环修正控制、直至含气量合格，该系统可有效控制铝合金熔体含气量达到工艺要求值，并实现精炼成本最小，在降低铝合金铸件针孔度、气孔缺陷的同时，提高铝合金铸件的合格率。
Description
技术领域
本发明属于铝合金铸造技术领域，具体涉及一种铝合金熔体含气量的智能控制。
背景技术
氢在固体铝中的溶解度约为在液态中1/20，铝合金铸件凝固时氢气析出，形成针孔或气孔。因此，在铝合金熔体制备过程中，需将铝熔体中的氢含量降至最低，可有效控制针孔等缺陷，提高铸件内部质量。铝合金精炼时，一方面通过氩气析氢，氩气在铝液中几乎不溶解，氢气附着氩气从熔体表面逸出；另一方面采用精炼剂，通过氢气附着渣表面逸出；同时借助精炼机对熔体进行搅拌，使铝液中溶解的氢气更好地与氩气、精炼剂接触、吸附并析出。目前，现有铝合金熔体含气量控制技术普遍采用炉前制备断口，通过人工经验判断精炼效果，熔体品质控制精度差，因熔体含气量超标常导致铸件针孔、缩孔缺陷超标，铸件合格率低，生产成本高。
发明内容
本发明的一种铝合金熔体含气量的智能控制，首先获得铝合金熔体实时含气量，结合熔体重量、精炼温度等条件，采用相应的控制算法，获得精炼剂加入量、氩气流量、搅拌速度、精炼时间等精炼参数，通过精炼机作用铝合金熔体，实现熔体含气量的有效控制，降低铸件针孔度、气孔等缺陷，提高内部质量。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
铝合金熔体含气量的智能控制系统包括含气量快速分析系统、熔体品质修正系统、自动精炼系统。含气量快速分析系统实时采集铝合金熔体的氢含量，将数据输入品质修正系统，修正系统经计算对比，确定是否满足质量指标要求，满足则定时循环测氢，否则将比对结果传输至熔体品质修正系统，生成匹配的精炼参数，将精炼参数输入自动精炼系统，对熔体进行修正，循环控制、直至含气量合格。自动精炼系统是精炼执行机构。
含气量快速分析系统通过机械手从熔体中取样，并检测含气量，获取熔体含气量实时数据，并将数据输入熔体品质修正系统。
熔体品质修正系统将获得的含气量实时数据，结合熔体重量、熔体温度，计算获得品质修正工艺参数，并将工艺参数输入自动精炼系统。品质修正工艺参数计算过程如下。
预知参数：WAl：铝液重量，kg；CH：实测氢含量，ml/g；CHt：目标氢含量，ml/g；Pra：精炼剂单价，元/kg；Pr：精炼综合成本单价(含能源、工时等)，元/min；V1：铝液中氢含量随精炼时间变化的下降速率，ml/min；V2：铝液中氢含量随搅拌速度变化的下降速率，ml/(r/min*min)；V3：铝液中氢含量随精炼剂浓度变化的下降速率，ml/(kg*min)。
决策变量：Tr：精炼时间，min；Ss：搅拌速度，r/min；Wr：精炼剂加入量，kg。
目标函数：
minC＝Cra+Cr＝Pra×Wr+Pr×Tr
式中：C：精炼总成本，元；Cra：精炼剂成本，元；Cr：精炼综合成本(含能源、工时等)，元。
精炼总成本由精炼剂成本与精炼综合成本(含能源、人工、工时等)两部分组成，其中精炼剂成本Cra等于精炼剂单价Pra乘以精炼剂加入量Wr，精炼综合成本Cr等于精炼综合成本单价Pr乘以精炼时间Tr。
约束条件：
CH×1000×WAl-f1(Tr)-f2(Ss)-f3(Wr)≤CHt×1000×(WAl+Wr)
可知：
式中f1(Tr)，f2(Ss)，f3(Wr)分别为铝液中氢含量随精炼时间、搅拌速度、精炼剂加入量变化的函数。
自动精炼系统获得工艺参数后，启动精炼机，对熔体进行精炼。粉料精炼剂通过流量计，结合漏斗振动加入，氩气通过气体流量计按固定速度密度加入，通过自动精炼机频率控制搅拌速度，当达到工艺要求的精炼时间，精炼机自动停止。
通过循环控制，直至铝合金熔体含气量达到工艺要求值，含气量智能控制系统停止工作，熔体静置后浇注。
采用本发明可有效控制铝合金熔体含气量达到工艺要求值，并实现精炼成本最小，在降低铝合金铸件针孔度、气孔缺陷的同时，提高铝合金铸件的合格率。
附图说明
图1铝合金熔体含气量智能控制系统示意图。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明进行具体的描述，有必要在此指出的是以下实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域技术人员可以根据上述本发明内容对本发明作出一些非本质的改进和调整。
实施例1
本实施例采用铝合金熔体含气量智能控制系统制备ZL114A铝合金熔体，熔体熔化总量800kg，熔体氢含量要求控制在0.20ml/100gAl以下。铝锭及中间合金锭全部熔化后，升温至精炼温度720℃，通过机械手，获取铝合金熔体，采用含气量快速分析系统，获得初次氢含量为1.2ml/100gAl。
熔体品质修正系统将获得的含气量数据，分析判断为含气量不合格，结合熔体重量、熔体温度，计算获得精炼工艺参数：精炼剂加入量为960g，氩气流量2.1L/min，搅拌时间6min。
自动精炼系统获得精炼工艺参数后，按计算获得的精炼工艺参数自动启动精炼机对熔体精炼，精炼结束后，机械手再次取样，经含气量快速分析系统分析熔体含气量，结果为0.18ml/100gAl，判断为合格，含气量控制系统暂停工作，熔体进入静置待浇注。
采用该控制系统制备的ZL114A铝合金熔体浇注的铸件，经X射线探伤检验，针孔度达到1级，内部质量达到I类铸件标准。
实施例2
本实施例采用铝合金熔体含气量智能控制系统制备ZL305铝合金熔体，熔体熔化总量1200kg，熔体氢含量要求控制在0.10ml/100gAl以下。铝锭及中间合金锭全部熔化后，升温至精炼温度730℃，通过机械手，获取铝合金熔体，采用含气量快速分析系统，获得初次氢含量为0.85ml/100gAl。
熔体品质修正系统将获得的含气量数据，分析判断为含气量不合格，结合熔体重量、熔体温度，计算获得精炼工艺参数：精炼剂加入量为1800g，氩气流量2.3L/min，搅拌时间10min。
自动精炼系统获得精炼工艺参数后，按计算获得的精炼工艺参数自动启动精炼机对熔体精炼，精炼结束后，机械手再次取样，经含气量快速分析系统分析熔体含气量，结果为0.07ml/100gAl，判断为合格，含气量控制系统暂停工作，熔体进入静置待浇注。
采用该控制系统制备的ZL305铝合金熔体浇注的铸件，经X射线探伤检验，针孔度达到1级，无气孔缺陷，内部质量达到I类铸件标准。
Claims (3)
1.一种铝合金熔体含气量智能控制系统，其特征在于，该系统包括含气量快速分析系统、熔体品质修正系统、自动精炼系统；含气量快速分析系统实时采集铝合金熔体的氢含量，将数据输入熔体品质修正系统，修正系统经计算对比，确定是否满足质量指标要求，满足则定时测氢，否则将比对结果传输至熔体品质修正系统，生成匹配的精炼参数，将精炼参数输入自动精炼系统，对熔体进行修正，循环控制、直至含气量合格；自动精炼系统是精炼执行机构；
熔体品质修正系统将获得的含气量实时数据，结合熔体重量、熔体温度，计算获得品质修正工艺参数，并将工艺参数输入自动精炼系统；
熔体品质修正工艺参数计算过程如下；
预知参数：WAl：铝液重量，单位为kg；CH：实测氢含量，单位为mL /g；CHt：目标氢含量，单位为mL /g；Pra：精炼剂单价，单位为元/kg；Pr：精炼综合成本单价，单位为元/min；V1：铝液中氢含量随精炼时间变化的下降速率，单位为mL /min；V2：铝液中氢含量随搅拌速度变化的下降速率，单位为mL /(r/min*min)；V3：铝液中氢含量随精炼剂浓度变化的下降速率，单位为mL /(kg*min)；
决策变量：Tr：精炼时间，单位为min；Ss：搅拌速度，单位为r/min；Wr：精炼剂加入量，单位为kg；
目标函数：
minC＝Cra+Cr＝Pra×Wr×Pr×Tr
式中：C：精炼总成本，单位为元；Cra：精炼剂成本，单位为元；Cr：精炼综合成本，单位为元；
精炼总成本由精炼剂成本与精炼综合成本两部分组成，其中精炼剂成本Cra等于精炼剂单价Pra乘以精炼剂加入量Wr，精炼综合成本Cr等于精炼综合成本单价Pr乘以精炼时间Tr；
约束条件：
CH×1000×WAl-f1(Tr)-f2(Ss)-f3(Wr)≤CHt×1000×(WAl+Wr)
可知：
式中f1(Tr)，f2(Ss)，f3(Wr)分别为铝液中氢含量随精炼时间、搅拌速度、精炼剂加入量变化的函数；
通过预知参数，结合目标函数、约束条件，计算获得精炼时间、搅拌速度、精炼剂加入量等具体工艺参数。
2.如权利要求1所述的铝合金熔体含气量智能控制系统，其特征在于，含气量快速分析系统通过机械手从熔体中取样，并检测含气量，获取熔体含气量实时数据，并将数据输入熔体品质修正系统。
3.如权利要求1所述的铝合金熔体含气量智能控制系统，其特征在于，自动精炼系统获得工艺参数后，启动精炼机，对熔体进行精炼；粉料精炼剂通过流量计，结合漏斗振动加入，氩气通过气体流量计按固定速度密度加入，通过自动精炼机频率控制搅拌速度，当达到工艺要求的精炼时间，精炼机自动停止；通过循环控制，直至铝合金熔体含气量达到工艺要求值，含气量智能控制系统停止工作，熔体静置后浇注。
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