CN111142600B - 一种用于真空气雾化制粉过程中的粉末收集冷却自动控制系统 - Google Patents

一种用于真空气雾化制粉过程中的粉末收集冷却自动控制系统 Download PDF

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Abstract

本发明针对真空气雾化制粉过程中的粉末收集冷却环节，给出一套自动化控制系统设计方法。根据真空气雾化工艺单元的自动控制要求，设计自动控制系统。确保高温金属粉末依次经过冷却腔体、过渡料仓、粉末收集罐时更少地与氧气接触，保证产品的质量。作为真空气雾化制粉的中间环节，装置通过建立冷却温度与冷却液流量的相关模型，可以根据整个生产过程的批次密度，来调整冷却速度以适应不同的工况，根据筛分环节的运行状态暂存一个批次的粉末，从而合理调度生产，沟通制粉环节和筛分罐装环节，保障生产过程的平稳安全。经过调试确保装置在低能耗下稳定运行，金属粉末成品满足设计要求。

Description

一种用于真空气雾化制粉过程中的粉末收集冷却自动控制 系统
技术领域
本发明涉及金属粉末制备与工业自动化技术的交叉领域，具体涉及3D打印用钛合金金属粉末真空气雾化制粉过程的自动控制系统设计。
背景技术
金属粉末作为金属3D打印设备的原材料，对成形零件质量影响较大。在真空气雾化制粉生产过程中，金属料棒经过加热熔炼，满足气雾化条件后，雾化成为高温金属粉末，经过收集，再输送到振动筛、气流分级机进行筛分罐装制成成品。收集冷却环节在雾化环节和筛分环节之间，此环节中将高温金属粉末在隔绝氧气的条件下降低到室温，输送到粉末收集装置，这一过程反应缓慢影响整个工艺生产的连续性，为提高生产效率快速将高温金属粉末在不影响品质的情况下快速降低到室温成为该工艺过程实践中亟待解决的问题。
在真空气雾化制金属粉末领域，很少有专利专门针对粉末收集冷却这个中间环节做优化，在实际生产过程中该环节冷却速度缓慢，自动化程度不高，是制约金属粉末生产效率的一个难题。
发明内容
本发明针对真空气雾化制粉过程中的粉末收集冷却环节，给出一套自动控制系统设计方案，首先阐述工艺流程：
上一级经过真空气雾化制成的高温金属粉末沿管线输送到粉末收集冷却装置，直接进入冷却腔体进行冷却，达到设定温度时，开启阀门，使冷却完成的粉末进入过渡料仓，过渡料仓中的料位传感器检测到粉料完全进入过渡料仓后，开启阀门，使粉料进入粉末收集罐，完成整个过程。
本发明通过检测冷却腔体的温度、气体压力、上一级制粉环节的批次密度、过渡料仓的料位、下一级筛分环节的工况等参数，通过PLC设计程序控制电磁阀(14、16、18、19)、插板阀(4、5、18、20)、变频器(12)、水泵(13)、罗茨泵(21)等执行机构，实现对冷却液流量、冷却腔体气体压力、粉料流动的控制。
粉料流动通过第一、第二气动插板阀控制回路实现控制。第一气动插板阀回路中温度传感器检测高温金属粉末的温度，记录实时温度轨迹，当第一次检测到高于500°的高温时，系统将这一时刻记录为高温金属粉末进料的开始时间，随着冷却的进行，粉料温度逐渐降低，当粉料降低到设定温度时，系统记录这一时刻为金属粉末冷却完成时间。金属粉末冷却完成，气动插板阀打开，粉料由冷却腔体进入过渡料仓，计时器经过一段时间，插板阀关闭；第二气动插板阀回路中料位传感器检测金属粉末进入过渡料仓后，在下一级筛分环节处于等待工作状态时，气动插板阀打开，粉料由过渡料仓进入粉末收集罐，当下一级筛分关节处于工作状态时，过渡料仓暂存一个批次的粉料，待筛分环节工作完毕后，打开气动插板阀，计时器经过一段时间，插板阀关闭。
冷却液流量通过冷却液流量控制回路实现控制。检测上一级制粉环节的批次投入密度，当批次密度提高时，控制水泵，增大冷却液的流量，提高冷却效率，出料速度，当批次密度降低时，降低冷却液流量，节省能量。
冷却腔体气体压力通过抽真空控制回路和充氩气控制回路实现控制。当在粉料进入冷却收集装置前，将装置抽成真空状态，降低装置内的氧含量，使高温粉末经过装置时的不易氧化，从而提高金属粉末的品质，最终提高3D打印产品的机械性能，除此之外，气路控制将平衡装置内各个环节的气压，使整个粉料冷却收集环节中上一级的气压始终略大于下一级气压，使粉料向下一级输送更加容易，防止由于压差导致粉末倒流回上级单元。当高温粉料进入冷却收集装置时，打开罗茨泵、插板阀，将冷却腔体抽成真空状态，控制系统检测真空度到达标准后，关闭插板阀、罗茨泵，此时冷却腔体与上一级产生压差，让粉料更容易进入冷却装置，当一个批次的粉料全部进入装置，再打开插板阀，将氩气充入冷却腔体，防止高温粉末氧化，控制整个装置压差，使冷却腔体内的气压略大于大气压，再关闭插板阀，从而使金属粉末顺利向下一级输送，防止由于压差导致粉末倒流回到上级单元。
该自动控制系统由上位机、信号采集单元、数据处理单元和执行机构四部分组成，上位机与数据处理单元连接，信号采集单元采集温度、料位、气体压力等现场参数，执行机构与数据处理单元连接，由泵、电磁阀、变频器、插板阀等组成。
附图说明
图1为真空气雾化制粉粉料收集冷却装置结构示意图。
图2为粉料收集冷却装置自动控制系统控制流程图。
图3为粉料收集冷却装置自动控制系统结构图。
图中：1为冷却腔体、2为过渡料仓、3为粉末收集罐、4为气动插板阀、5为气动插板阀、6为氩气气站、7为冷却腔体温度传感器、8为冷却腔体气体压力传感器、9为上一级批次密度情况、10料位传感器、11为下一级筛分环节工况、12为变频器、13为水泵、14为电磁阀、15为筛分环节工况控制、16为电磁阀、17为电磁阀、18为气动插板阀、19为电磁阀、20为插板阀、21为罗茨泵。
具体实施方式
实施案例：根据粉末收集冷却系统的工艺流程，整个控制系统有如下几个部分，上级粉末喷嘴、冷却腔体、过渡料仓、插板阀、粉末收集罐、气路控制单元。
根据系统设备用电需求，设计电气控制方案，并在西门子S7-200smart PLC中对上述控制系统进行程序实现。同时，绘制MCGS过程监控画面，并与PLC进行通信，对各主要现场参数进行监控。
在高温钛粉末进入粉末收集冷却装置之前，通过控制整个气雾化制粉流程的PLC确认雾化室金属粉末雾化正常，雾化室压力正常，达到工艺要求。整个系统进行下一步金属粉末收集冷却环节。
将冷却腔体上的插板阀打开，连通上抽气通道，通过罗茨泵抽真空，降低冷却腔体中的氧含量，保证金属粉末进入装置后不会降低品质，完成金属粉末收集冷却的前期准备工作。
雾化完成后的金属粉末通过旋风分离机进入装置的冷却腔体中，受真空气雾化制粉装置规模的影响，一个批次生产下来在收集冷却环节能收到35kg钛粉，雾化后的钛粉温度将超过1000摄氏度左右，腔体内采用热电偶作为温度传感器，记录温度数据，温度数据采集进入PLC模块，温度数据会有一定的波动，对PLC判断降温状态的开始造成干扰，降温状态开始后，PLC将记录降温所需时间以及冷却液流量，记录历史数据，以建立冷却液流量与降温效率的关系模型。
当金属粉末温度达到25摄氏度时，PLC确认金属粉末冷却完成，控制电磁阀打开气路，驱动插板阀气缸，打开插板阀，连通冷却腔体和过渡料仓，金属粉末进入过渡料仓。当料位音叉检测到金属粉末时，PLC确认金属粉末进入过渡料仓且下一级筛分环节处于等待工作状态时，驱动电磁阀打开气路，打开插板阀，连通过渡料仓和粉末收集罐。
设换热器中冷却液吸收和冷却腔体中的粉料释放的热量分别为QE、QO，则热量平衡为：
QE＝QO (1)
设CP1、CP2分别为金属和冷却液的比热容，为恒定值，T1、T2分别为金属粉末进入冷却环节前后的温度，t2、t1分别为冷却液进入冷却环节前后的温度，qV1表示金属粉末的流量，一个批次的金属粉末量是恒定值，qv2表示冷却液流量
qV1ρ1CP1(T1-T2)＝qv2ρ2CP2(t2-t1) (2)
从上述公式可得，冷却液流量越大，冷却金属粉末的量越大。控制冷却液流量实现自动调度生产，提高效率。
调整冷却液流量以控制降温速度，适应不同的批次投入速度，通过历史数据库与实际工况，考虑到温度系统的滞后性，调整降温速度，用以配合上下级生产过程，协调整个生产过程，提高生产效率，减少材料、能量损耗。当批次间间隔缩短时，提高冷却液流量，增强降温效率，粉末收集冷却时间缩短，提前冷却下一批次的粉末，当下一级筛分罐装环节超负荷运行，过渡料仓可暂时储存一个批次的粉末，等待下一级工况正常，同时降低冷却液流量，节省能量。
粉末收集罐将从过渡料仓来的金属粉末收集完成，输送到下一级环节，经过设计改造后的粉末收集冷却装置将原本60分钟的冷却时间降低到了10分钟，通过流量检测与冷却时间关联的历史数据库，冷却时间还有减少的空间。于此同时，整个环节的金属粉末增氧量控制在200ppm以下，达到工艺要求的情况下，提高了生产效率。

Claims (7)

1.一种用于真空气雾化制粉过程中的粉末收集冷却自动控制系统，其工艺流程单元分别包括：上级粉末喷嘴、冷却腔体、过渡料仓、插板阀、粉末收集罐、气路控制单元，针对上述工艺流程单元，给出一套自动化装置及控制系统设计方法，该方法包括以下步骤：
(1)上级粉末喷嘴单元自动控制：自动控制旋风分离机启停速度，将经过真空气雾化的高温金属粉末注入冷却腔体进行冷却；
(2)冷却腔体单元自动控制：将输送的高温金属粉末分批储存，通过内置换热器直接与金属粉末接触进行换热，流出支路设置温度传感器检测冷却水温，设置调速水泵以控制冷却液流量；根据上一级真空气雾化制粉环节的批次密度调整冷却液流量，监测换热回路运行工况，控制系统记录温度轨迹判断冷却腔体内粉末的冷却情况，驱动电磁阀(16)打开，同时启动气动插板阀(4)打开，高压气体进入气动插板阀(4)气缸，金属粉末进入过渡料仓；
(3)过渡料仓单元自动控制：过渡料仓暂存金属粉末，当料位传感器检测到金属粉末后，控制系统自主判断过渡料仓状态，驱动电磁阀(14)打开出口阀口，高压气体进入气动插板阀(5)气缸，使金属粉末进入粉末收集装置；
(4)插板阀自动控制：气动插板阀(4)在控制系统检测到冷却腔体内的高温金属达到室温后打开，将冷却腔体与过渡料仓连通，使粉末进入过渡料仓，气动插板阀(5)在控制系统检测确认下一级筛分环节工况和过渡料仓中存在金属粉末后打开，使过渡料仓与粉末收集装置连通，金属粉末由过渡料仓进入粉末收集罐；
(5)粉末收集罐自动控制：将冷却达到室温的金属粉末快速地收集至收粉罐，当气动插板阀(5)打开时，金属粉末快速收集至收粉罐中，控制单元驱动电磁阀(14，16)，连通气路的另一支路，高压气体作用于气动插板阀(4，5)气缸，使气动插板阀(4，5)关闭；
(6)气路控制单元：当粉末冷却收集装置作为独立单元使用时需要进行气路控制，在粉料进入冷却收集装置前将装置抽成真空状态，去除装置内的空气后，再充入氩气，降低装置内的氧含量，使高温粉末经过装置时不易氧化，气路控制将平衡装置内各个环节的气压，使整个粉料冷却收集环节中上一级的气压始终略大于下一级气压，使粉料向下一级输送更加容易，防止由于压差导致粉末倒流回上级单元。
2.根据权利要求1所述的粉末收集冷却自动控制系统，其特征在于：所述的粉末收集冷却自动控制系统包括：气动插板阀(4)控制回路、气动插板阀(5)控制回路、冷却液流量控制回路、抽真空控制回路、充氩气控制回路。
3.根据权利要求2所述的粉末收集冷却自动控制系统，其特征在于：所述的气动插板阀(4)控制回路包括：温度传感器(7)、PLC、电磁阀(16)、气动插板阀(4)；温度传感器(7)安装在冷却腔体(1)的底部和中部，电磁阀(16)安装在气路上，气动插板阀(4)连接冷却腔体(1)和过渡料仓(2)，PLC安装在控制柜中；温度传感器(7)信号传入PLC，PLC输出控制电磁阀(16)，电磁阀(16)控制气路从而驱动气动插板阀(4)。
4.根据权利要求2所述的粉末收集冷却自动控制系统，其特征在于：所述的气动插板阀(5)控制回路包括：料位传感器(10)、PLC、电磁阀(14)、气动插板阀(5)；料位传感器(10)安装在过渡料仓(2)中部，电磁阀(14)安装在气路上，气动插板阀(5)连接过渡料仓(2)和粉末收集罐(3)，PLC安装在控制柜中；料位传感器(10)信号传入PLC，PLC开关量输出控制电磁阀(14)，电磁阀(14)控制气路从而驱动气动插板阀(5)。
5.根据权利要求2所述的粉末收集冷却自动控制系统，其特征在于：所述的冷却液流量控制回路包括：变频器(12)、水泵(13)、PLC；PLC安装在控制柜中，变频器(12)连接水泵(13)，水泵(13)安装在冷却液回路中；PLC模拟量输出控制变频器(12)，变频器(12)通过水泵(13)控制冷却液流量，设换热器中冷却液吸收和冷却腔体中的粉料释放的热量分别为QE、QO，则热量平衡为：
QE＝QO (1)
设CP1、CP2分别为金属和冷却液的比热容，为恒定值，T1、T2分别为金属粉末进入冷却环节前后的温度，t2、t1分别为冷却液进入冷却环节前后的温度，qV1表示金属粉末的流量，一个批次的金属粉末量是恒定值，qv2表示冷却液流量
qV1ρ1CP1(T1-T2)＝qv2ρ2CP2(t2-t1) (2)
从上述公式(2)可得，冷却液流量越大，冷却金属粉末的量越大；控制冷却液流量实现自动调度生产，提高效率。
6.根据权利要求2所述的粉末收集冷却自动控制系统，其特征在于：所述的抽真空控制回路包括：压力传感器(8)、PLC、电磁阀(17)、气动插板阀(18)、罗茨泵(21)；压力传感器(8)安装在冷却腔体(1)中，PLC安装在控制柜中，电磁阀(17)通过气路与气动插板阀(18)相连，气动插板阀(18)控制抽真空管道，管道末端安装罗茨泵(21)；压力传感器(8)信号传入PLC，PLC开关量输出控制电磁阀(17)，电磁阀(17)控制气路从而驱动气动插板阀(18)，PLC开关量输出控制罗茨泵(21)。
7.根据权利要求2所述的粉末收集冷却自动控制系统，其特征在于：所述的充氩气控制回路包括：压力传感器(8)、PLC、电磁阀(19)、气动插板阀(20)、氩气气站(6)；压力传感器(8)安装在冷却腔体(1)中，PLC安装在控制柜中，电磁阀(19)通过气路与气动插板阀(20)相连，气动插板阀(20)控制充气管道，管道末端连接氩气气站(6)；压力传感器(8)信号传入PLC，PLC开关量输出控制电磁阀(19)，电磁阀(19)控制气路从而驱动气动插板阀(20)。
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