CN112024834A - 用于钢锭生产的4d打印系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供用于钢锭生产的4D打印系统，包括：流量控制模块，用于生成控制数据，将所述控制数据发送至所述中心处理模块；液位模块，用于采集液位数据，将所述液位数据发送至所述中心处理模块；打印设备控制模块，用于生成打印数据，将所述打印数据发送至所述中心处理模块；中心处理模块，用于接收控制数据、液位数据和打印数据，进行处理分析。适用于钢水作为增材材料的用于钢锭生产的4D打印系统，本系统安全稳定且更适合4D打印过程的控制。并且本系统安全性能高，同时具有安防和存储安全保护功能。

Description

用于钢锭生产的4D打印系统

技术领域

本发明属于钢锭制备技术领域，尤其涉及用于钢锭生产的4D打印系统。

背景技术

钢水经盛钢包注入铸模凝固形成钢锭。钢液在炼钢炉中冶炼完成后，必须铸成一定形状的锭或坯才能进行加工。用铸模铸成钢锭的工艺过程简称为铸锭。钢锭至今仍是轧钢生产的主要原料。钢锭质量的优劣、锭型的状况以及其重量大小对轧钢生产有着十分重要的作用。

3D打印即快速成型技术的一种，又称增材制造，它是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。然而金属粉存在生产难度高、技术被国外垄断、造价高等缺陷，尤其在制造大尺寸、简单结构等钢锭时，很难产生实际收益。

4D打印，比3D打印多了时间维度，为此申请人将增材制造材料选为常用的钢水，结合时间维度的凝固变形，从而钢锭的打印由3D变为4D。然后现有技术中还没有钢锭4D打印技术，因此无与之配套使用的4D打印系统。

发明内容

为了对披露的实施例的一些方面有一个基本的理解，下面给出了简单的概括。该概括部分不是泛泛评述，也不是要确定关键/重要组成元素或描绘这些实施例的保护范围。其唯一目的是用简单的形式呈现一些概念，以此作为后面的详细说明的序言。

本发明采用如下技术方案：

在一些可选的实施例中，用于钢锭生产的4D打印系统，包括：

流量控制模块，用于生成控制数据，将所述控制数据发送至所述中心处理模块；

液位模块，用于采集液位数据，将所述液位数据发送至所述中心处理模块；

打印设备控制模块，用于生成打印数据，将所述打印数据发送至所述中心处理模块；

中心处理模块，用于接收控制数据、液位数据和打印数据，进行处理分析。

其中，警报模块；

所述中心处理模块将接收到的控制数据、液位数据和打印数据与设定数据进行比对，若存在不同，则发送警报信息至所述警报模块。

其中，包括，第一温度采集单元、第二温度采集单元、流量采集单元和转速采集单元；

所述第一温度采集单元采集钢包内钢水温度数据，将所述钢包内钢水温度数据发送至流量控制模块；

所述第二温度采集单元采集料管内钢水温度数据，将所述料管内钢水温度数据发送至流量控制模块；

所述流量采集单元采集流量控制阀流量数据，将所述流量控制阀流量数据发送至流量控制模块；

所述转速采集单元采集底板转速数据，将所述底板转速数据发送至流量控制模块；

所述流量控制模块将接收到的钢包内钢水温度数据、料管内钢水温度数据、流量控制阀流量流量数据、底板转速数据合并生成控制数据，并根据控制数据控制所述流量控制阀工作。

其中，包括，升降控制单元、转动控制单元和XY轴移动控制单元；

所述升降控制单元采集升降参数，将所述升降参数发送至打印设备控制模块；

所述转动控制单元采集转速参数，将所述转速参数发送至打印设备控制模块；

所述XY轴移动控制单元采集位置参数，将所述位置参数发送至打印设备控制模块；

所述打印设备控制模块将接收到的升降参数、转速参数、位置参数合并生成打印数据，并根据打印数据控制所述底板工作。

其中，核验模块；

所述核验模块分别与转动控制单元、转速采集单元连接，采集底板转速数据和转速参数，获得底板转速数据和转速参数的差值，若差值大于设定值则所述核验模块发送急停指令至流量控制阀，驱动所述流量控制阀关闭。

其中，包括，安防子系统；

所述安防子系统包括，入门登记单元、出门登记单元、人员存档单元、安防中心单元；

所述安防中心单元分别与入门登记单元、出门登记单元、人员存档单元连接；

所述入门登记单元将入门人员信息发送至安防中心单元；

所述出门登记单元将出门人员信息发送至安防中心单元；

所述安防中心单元将接收到的入门人员信息与出门人员信息进行比对获得在位人员信息，并将在位人员信息发送至人员存档单元；

所述人员存档单元将在位人员信息存储，并将在位人员信息与存档信息进行比对，若不同则发送预警信息至中心处理模块；

所述中心处理模块接收到预警信息后分别向流量控制模块和打印设备控制模块发送停止指令，并向流量控制阀发送急停指令。

其中，还包括，区块链网络及存储器；

所述安防子系统将在位人员信息发送至存储器中进行存储；

中心处理模块将液位数据、控制数据、流量数据、打印数据发送至存储器中进行存储；

所述存储器设有身份验证模块及上传模块；

所述身份验证模块用于验证身份信息，验证通过则将身份信息通过上传模块上传至区块链网络中。

本发明所带来的有益效果：适用于钢水作为增材材料的用于钢锭生产的4D打印系统，本系统安全稳定且更适合4D打印过程的控制。并且本系统安全性能高，同时具有安防和存储安全保护功能。

附图说明

图1是本发明用于钢锭生产的4D打印系统的结构框图；

图2是打印设备结构示意图；

图3是本发明钢包主体结构示意图；

图4是本发明钢包主体的仰视图；

图5是本发明钢包主体的俯视图；

图6是现有技术中钢锭内的偏析分布照片；

图7现有技术中钢锭内缩孔、疏松及杂物缺陷示意照片。

具体实施方式

以下描述和附图充分地展示出本发明的具体实施方案，以使本领域的技术人员能够实践它们。其他实施方案可以包括结构的、逻辑的、电气的、过程的以及其他的改变。实施例仅代表可能的变化。除非明确要求，否则单独的部件和功能是可选的，并且操作的顺序可以变化。一些实施方案的部分和特征可以被包括在或替换其他实施方案的部分和特征。

在一些说明性的实施例中，大部分工艺采用的材料普遍是粉末和丝材，其中粉末材料最为常见，粉末材料对颗粒的形状和粒度分布都有较高的要求，成形件对金属粉末中的含氧量和含碳量有着密切的联系，用雾化的方法对金属粉末进行制备，能够使粉末材料的粒度分布较为均匀，但是成本很高。增材制造要通过原材料之间的互相结合才能完成，因此在进行这项工作时，往往会出现一些物理变化和化学变化，金属材料在成形过程中，一般需要进行快速融化和快速凝固这一过程，由于操作过程中温度时而过高时而过低，导致零件表面会出现小孔或者裂纹。常规增材制造在成形件的尺寸和精确度这两个方向有很大的难度，当前，铺粉设备一般较为单一，由于光束对粉末材料的控制只能局限在一定范围内，要有效提高光学部件的精度。另外，铺粉增材制造技术不同于传统中其他的涂层技术，其中任何一个环节的平整度都会影响成型件的整体质量，因此，需要通过完善设备对其进行优化。

钢锭质量的优劣对锻造生产有着十分重要的作用。钢锭是装备中关键结构件的基础坯料，传统钢锭是由钢水经盛钢包注入铸模凝固形成。

大型钢锭存在各种偏析、缩孔疏松以及沉积锥夹杂物等缺陷，见图6、图7，严重影响了钢锭的内在质量，大大降低了钢锭的合格率以及材料的利用率。

如图6宏观偏析是铸造钢锭的主要缺陷之一，凝固过程中的溶质再分配是产生宏观偏析的根本原因。宏观偏析严重影响钢锭的组织和性能，且难以通过锻造、热处理等后续工艺消除。特别是大型钢锭，宏观偏析导致整体利用率低，造成极大浪费。宏观偏析可使由钢锭不同部位轧制出来的钢材在机械性能和物理性能上产生很大的差异，甚至出现各向异性性，降低金属收得率，影响钢材制品的有效利用和使用寿命。如钢锭中硫的偏析能破坏金属的连续性，轧制或锻造时引起钢坯的热脆，轧制钢板时甚至引起夹层废品，严重影响钢板的冷弯性能。硫的偏析往往还是承受交变载荷的零部件引起疲劳断裂的主要根源之一。磷的偏析能使钢材制品产生冷脆性，并促进钢的回火脆性。宏观偏析将一直残留到最后产品中，危害产品的使用性能，甚至造成隐患。为了减少偏析、缩孔疏松及沉积锥夹杂物等缺陷对锻件质量的影响，常规做法是将钢锭切头去尾，仅留下的中间较均匀的一段使用。质量要求高的锻件，切除量更大，钢锭的材料利用率甚至低于45％。为了解决上述技术问题：

如图1-5所示，用于钢锭生产的4D打印系统，包括：

流量控制模块，用于生成控制数据，将所述控制数据发送至所述中心处理模块；

液位模块，用于采集液位数据，将所述液位数据发送至所述中心处理模块；

打印设备控制模块，用于生成打印数据，将所述打印数据发送至所述中心处理模块；

中心处理模块，用于接收控制数据、液位数据和打印数据，进行处理分析。

处理分析包括但不限于：中心处理模块将接收到的控制数据、液位数据和打印数据与设定数据进行比对，若存在不同，则发送警报信息至所述警报模块，所述警报模块在接收到警报信息时，发送警报信息，引起工作人员注意，及时检查是否出现生产故障，由于钢水具有高温，极易发生危险，因此警报模块可通过声音、振动、光等方式进行提醒。中心处理模块将液位数据与设定液位数据进行比对，若低于设定液位数据，则证明钢包内的钢水不足，因此需要及时停止打印，中心处理模块发送停止指令给流量控制模块，流量控制模块控制流量控制阀关闭。

还包括，第一温度采集单元、第二温度采集单元、流量采集单元和转速采集单元；

所述第一温度采集单元采集钢包内钢水温度数据，将所述钢包内钢水温度数据发送至流量控制模块；

所述第二温度采集单元采集料管内钢水温度数据，将所述料管内钢水温度数据发送至流量控制模块；

所述流量采集单元采集流量控制阀流量数据，将所述流量控制阀流量数据发送至流量控制模块；

所述转速采集单元采集底板转速数据，将所述底板转速数据发送至流量控制模块；底板转速数据实际上为底板的实际转速。

所述流量控制模块将接收到的钢包内钢水温度数据、料管内钢水温度数据、流量控制阀流量流量数据、底板转速数据合并生成控制数据，并根据控制数据控制所述流量控制阀工作。

其中，升降控制单元、转动控制单元和XY轴移动控制单元；

所述升降控制单元采集升降参数，将所述升降参数发送至打印设备控制模块；升降参数为升降机构22对底板3升降高低的参数。

所述转动控制单元采集转速参数，将所述转速参数发送至打印设备控制模块；转速参数为旋转装置7控制底板3产生的转速。转速参数实际上为底板的设定转速。

所述XY轴移动控制单元采集位置参数，将所述位置参数发送至打印设备控制模块；位置参数为机械滑台8的运动参数，通过位置参数的设置，机械滑台8将底板3运动到参数所设定的位置。

所述打印设备控制模块将接收到的升降参数、转速参数、位置参数合并生成打印数据，并根据打印数据控制所述底板工作，包括但不限于控制底板3平面运动，升降运动、以及转动等。

钢包1、操作台2、底板3和喷头组件4；所述钢包1通过料管5与所述喷头组件4连接；所述底板3安装于所述操作台2上，所述喷头组件4通过导轨组件6设置于所述底板3上方。钢包1用于承装增材制造材料，本专利独创的将增材制造材料选为钢水熔体。在操作台2的台柜21内还设置旋转装置7，所述旋转装置7与升降机构22连接，使得旋转装置7可驱动升降机构22转动，从而带动底板3转动。本申请中，旋转装置7的目的是驱动升降机构22旋转，升降机构22的目的是用来将底板3进行升降，因此旋转装置7和升降机构22都是较为常见的机械结构，通过购买成品或者按需求去厂家定制均可，再次对其结构不做具体限定，且不进行赘述。在操作台的台柜内还可以设置机械滑台8，所述旋转装置7安装于机械滑台8上；机械滑台8带动旋转装置7、升降机构22以及底板3一同运动。

钢包1包括：

由上至下依次为包沿砖101、渣线砖102、包壁砖103及包底砖104；

所述包底砖103开设排出口110，所述排出口110安装流量控制阀111，流量控制阀用于控制钢包内钢水流出速度；

所述包底砖103包括：耐冲击部113、环侧部123、排口部133；耐冲击部113用于在向钢包灌装钢水时，保证钢包持久耐用，抗钢水冲击。

所述耐冲击部113位于钢包1的底部中心位置；所述环侧部123设置于耐冲击部113的外侧，内侧与耐冲击部113连接，外侧与包壁砖103的内侧壁连接；所述耐冲击部113的砖体为实心砖；所述环侧部123的砖体为空心砖，减轻整体钢包重量；所述耐冲击部113的下表面设有网状金属支撑体114，所述网状金属支撑体114的边缘呈散射状伸出若干连接件115与所述包壁砖103的外侧壁连接；所述排口部133位于所述环侧部123内，所述排出口110开设在所述排口部133。

为了进一步提高整体系统的安全，避免生产事故，造成人员损伤，还包括核验模块；

所述核验模块分别与转动控制单元、转速采集单元连接，采集底板转速数据和转速参数，获得底板转速数据和转速参数的差值，该差值代表底板实际转速和设定转速的误差值，因为存在控制精度等问题，因此底板的实际转速和设定转速会存在转速差，若差值过大，则证明打印设备存在故障，此时持续流出钢水会导致钢水外溢，因此若差值大于设定值则所述核验模块发送急停指令至流量控制阀，驱动所述流量控制阀关闭。

为了进一步提高安全，避免安全事故的发生，还包括安防子系统；

所述安防子系统包括，入门登记单元、出门登记单元、人员存档单元、安防中心单元；入门登记单元用于登记进入厂房的工人信息，出门登记单元用于登记出厂房的工人信息，使得人员进出均有据可查。

所述安防中心单元分别与入门登记单元、出门登记单元、人员存档单元连接；

所述入门登记单元将入门人员信息发送至安防中心单元；

所述出门登记单元将出门人员信息发送至安防中心单元；

所述安防中心单元将接收到的入门人员信息与出门人员信息进行比对获得在位人员信息，获得目前为止都有哪些工人在打印厂房内，并将在位人员信息发送至人员存档单元进行存档，作为工作人员的备份，在发生事故或情况时候做到有据可查；

所述人员存档单元将在位人员信息存储，并将在位人员信息与存档信息进行比对，若不同则发送预警信息至中心处理模块，看是否存在不该在该日或该时间段存在的无关工作人员，做到及时疏散及排查；

所述中心处理模块接收到预警信息后分别向流量控制模块和打印设备控制模块发送停止指令，并向流量控制阀发送急停指令，从而做到人员不齐不开工、人员不对不开工，保证开工安全。

由于各种实际数据对于后期改进制造工艺具有巨大作用，因此数据的保密尤为重要。而数据平常还需要若干技术人员查看，因此将数据完全封存不可能，只能做到将查阅数据的人员进行记录，且保证该记录不可以被删改因此还包括，区块链网络及存储器；

所述安防子系统将在位人员信息发送至存储器中进行存储；

中心处理模块将液位数据、控制数据、流量数据、打印数据发送至存储器中进行存储；

所述存储器设有身份验证模块及上传模块；

所述身份验证模块用于验证身份信息，验证通过则将身份信息通过上传模块上传至区块链网络中。区块链网络被认为的不可串改且安全的，因此将身份信息上传到区块链网络中，即可做到数据的查看有据可查。

本领域技术人员还应当理解，结合本文的实施例描述的各种说明性的逻辑框、模块、电路和算法步骤均可以实现成电子硬件、计算机软件或其组合。为了清楚地说明硬件和软件之间的可交换性，上面对各种说明性的部件、框、模块、电路和步骤均围绕其功能进行了一般地描述。至于这种功能是实现成硬件还是实现成软件，取决于特定的应用和对整个系统所施加的设计约束条件。熟练的技术人员可以针对每个特定应用，以变通的方式实现所描述的功能，但是，这种实现决策不应解释为背离本公开的保护范围。

Claims (7)

1.用于钢锭生产的4D打印系统，其特征在于，包括：

流量控制模块，用于生成控制数据，将所述控制数据发送至所述中心处理模块；

液位模块，用于采集液位数据，将所述液位数据发送至所述中心处理模块；

打印设备控制模块，用于生成打印数据，将所述打印数据发送至所述中心处理模块；

中心处理模块，用于接收控制数据、液位数据和打印数据，进行处理分析。

2.如权利要求1所述的用于钢锭生产的4D打印系统，其特征在于，还包括，警报模块；

所述中心处理模块将接收到的控制数据、液位数据和打印数据与设定数据进行比对，若存在不同，则发送警报信息至所述警报模块。

3.如权利要求2所述的用于钢锭生产的4D打印系统，其特征在于，还包括，第一温度采集单元、第二温度采集单元、流量采集单元和转速采集单元；

所述第一温度采集单元采集钢包内钢水温度数据，将所述钢包内钢水温度数据发送至流量控制模块；

所述第二温度采集单元采集料管内钢水温度数据，将所述料管内钢水温度数据发送至流量控制模块；

所述流量采集单元采集流量控制阀流量数据，将所述流量控制阀流量数据发送至流量控制模块；

所述转速采集单元采集底板转速数据，将所述底板转速数据发送至流量控制模块；

所述流量控制模块将接收到的钢包内钢水温度数据、料管内钢水温度数据、流量控制阀流量流量数据、底板转速数据合并生成控制数据，并根据控制数据控制所述流量控制阀工作。

4.如权利要求3所述的用于钢锭生产的4D打印系统，其特征在于，还包括，升降控制单元、转动控制单元和XY轴移动控制单元；

所述升降控制单元采集升降参数，将所述升降参数发送至打印设备控制模块；

所述转动控制单元采集转速参数，将所述转速参数发送至打印设备控制模块；

所述XY轴移动控制单元采集位置参数，将所述位置参数发送至打印设备控制模块；

所述打印设备控制模块将接收到的升降参数、转速参数、位置参数合并生成打印数据，并根据打印数据控制所述底板工作。

5.如权利要求4所述的用于钢锭生产的4D打印系统，其特征在于，还包括，核验模块；

所述核验模块分别与转动控制单元、转速采集单元连接，采集底板转速数据和转速参数，获得底板转速数据和转速参数的差值，若差值大于设定值则所述核验模块发送急停指令至流量控制阀，驱动所述流量控制阀关闭。

6.如权利要求5所述的用于钢锭生产的4D打印系统，其特征在于，还包括，安防子系统；

所述安防子系统包括，入门登记单元、出门登记单元、人员存档单元、安防中心单元；

所述安防中心单元分别与入门登记单元、出门登记单元、人员存档单元连接；

所述入门登记单元将入门人员信息发送至安防中心单元；

所述出门登记单元将出门人员信息发送至安防中心单元；

所述安防中心单元将接收到的入门人员信息与出门人员信息进行比对获得在位人员信息，并将在位人员信息发送至人员存档单元；

所述人员存档单元将在位人员信息存储，并将在位人员信息与存档信息进行比对，若不同则发送预警信息至中心处理模块；

所述中心处理模块接收到预警信息后分别向流量控制模块和打印设备控制模块发送停止指令，并向流量控制阀发送急停指令。

7.如权利要求5所述的用于钢锭生产的4D打印系统，其特征在于，还包括，区块链网络及存储器；

所述安防子系统将在位人员信息发送至存储器中进行存储；

中心处理模块将液位数据、控制数据、流量数据、打印数据发送至存储器中进行存储；

所述存储器设有身份验证模块及上传模块；

所述身份验证模块用于验证身份信息，验证通过则将身份信息通过上传模块上传至区块链网络中。

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