CN112034895A - 用于大型锻件的钢锭的4d打印流量控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供用于大型锻件的钢锭的4D打印流量控制系统，包括：控制器、第一温度传感器、第二温度传感器、流量计；所述第一温度传感器设置于钢包内；所述第二温度传感器与所述流量计设置于料管上，所述控制器的输入端分别与所述第一温度传感器、所述第二温度传感器和所述流量计连接，所述控制器的输出端与所述流量控制阀连接。本发明所公开流量控制系统专用于钢水作为增材材质的4D打印系统，通过合理的流量控制使得钢水增材在进行分层打印后获得更优质的钢锭。该发明尤其擅长于制作形状简单、无内腔、尺寸大、价格低的大型钢锭。

Description

用于大型锻件的钢锭的4D打印流量控制系统

技术领域

本发明属于钢锭制备技术领域，尤其涉及用于大型锻件的钢锭的4D打印流量控制系统。

背景技术

钢锭通过3D打印可获得更加优质的质量，目前金属增材制造，普遍使用金属粉或金属丝，不仅材料种类有限，成本高企，根本无法应用于常规民品件。因此市场更需要钢锭尺寸大、销售价格相对较低，而内部质量要求又极高的钢锭。据此，为了缩减制造成本，通过4D打印的方式将钢锭进行打印，将增材制造材料选为钢水。但是钢水具有流动性，对其温度、流量的控制需要更加精准，从而才可以获得优质的钢锭。

由于钢水作为增材材质为首创，现有的流量控制系统均为粉状或固体的流量控制系统，因此现今并没有可以适用于大型锻件的钢锭的4D打印流量控制系统，从而导致钢水作为增材材质无法实现打印出高质量的钢锭。

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，用于大型锻件的钢锭的4D打印流量控制系统，包括：

控制器、第一温度传感器、第二温度传感器、流量计；所述第一温度传感器设置于钢包内；所述第二温度传感器与所述流量计设置于料管上，所述控制器的输入端分别与所述第一温度传感器、所述第二温度传感器和所述流量计连接，所述控制器的输出端与所述流量控制阀连接；

其中：

其中Q为当前流量，Q`为设定流量；T_腔为当前时间的钢包内腔的钢水温度，T′_腔为T_腔的上一单位时间的钢包内腔的钢水温度，T″_腔为T′_腔的上一单位时间的钢包内腔的钢水温度；T_管为当前时间的料管内钢水温度，T′_管为T_管的上一单位时间的料管内钢水温度；T″_管为T′_管的上一单位时间的料管内钢水温度；n为设定转速，n′为实际转速；R为当前打印直径，R′为R的上一直径。

其中，还包括：存储器；

所述控制器将第一温度传感器、第二温度传感器和流量计采集到的数据与成品参数发送至存储器内存储。

其中，还包括：用于输入成品参数的输入设备，所述输入设备与所述控制器连接；

所述成品参数包括：

将钢锭制成力学性能试棒所测试的常温力学性能数据和疲劳性能数据；

取钢锭的化学成分试块所检测的化学成分数据和偏析情况数据；

在光学显微镜下，所观察到的金相照片。

其中，还包括，数据获取设备；

当所述数据获取设备需要获取第一温度传感器、第二温度传感器和流量计采集到的数据与成品参数时：

所述数据获取设备采集身份信息，采用哈希算法对身份信息进行计算获得身份信息摘要，使用私钥对身份信息摘要进行加密获得身份信息签名；

所述数据获取设备将身份信息签名和身份信息发送至控制器；

所述控制器将身份信息上传至区块链，并从区块链上获取与身份信息对应的公钥；

所述控制器采用哈希算法对接收到的身份信息进行计算获得新身份信息摘要；

所述控制器使用公钥对身份信息签名进行解密获得再次身份信息摘要；

当新身份信息摘要与再次身份信息摘要相等时，则验证通过，所述控制器将存储器内存储的第一温度传感器、第二温度传感器和流量计采集到的数据与成品参数发送至数据获取设备。

其中，还包括，校验设备；

所述校验设备包括

采集模块，用于采集数据获取设备发送的密码；

验证模块，用于验证所采集的密码是否正确，若正确则向控制器发送二次验证通过信息，若错误则向控制器发送二次验证失败信息；

控制模块，用于当验证所采集的密码错误时，驱动数据获取设备的照相系统进行拍照记录。

其中，还包括，液位计；

所述液位计安装于钢包内，所述液位计与所述控制器连接，将采集到的液位信息发送至所述控制器。

其中，包括，湿度计；

所述湿度计安装于钢包外，所述湿度计与所述控制器连接，将采集到的湿度信息发送至控制器。

其中，还包括，温度计；

所述温度计安装于控制器上，所述温度计与所述控制器连接，将采集到的温度信息发送至控制器。

本发明所公开流量控制系统专用于钢水作为增材材质的4D打印系统，通过合理的流量控制使得钢水增材在进行分层打印后获得更优质的钢锭。该发明尤其擅长于制作形状简单、无内腔、尺寸大、价格低的大型钢锭。

并且，本流量控制系统的数据更加安全。

附图说明

图1是本发明结构简图；

图2是现有技术中钢锭内的偏析分布照片；

图3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2、图3，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2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所示，用于大型锻件的钢锭的4D打印流量控制系统，包括：

控制器、第一温度传感器、第二温度传感器、流量计；所述第一温度传感器设置于钢包内；所述第二温度传感器与所述流量计设置于料管上，所述控制器的输入端分别与所述第一温度传感器、所述第二温度传感器和所述流量计连接，所述控制器的输出端与所述流量控制阀连接；控制器通过控制流量控制阀来控制流量大小。

其中：

其中Q为当前流量，Q`为设定流量，设定流量可为7.4cm³/s；T_腔为当前时间的钢包内腔的钢水温度，T′_腔为T_腔的上一单位时间的钢包内腔的钢水温度，T″_腔为T′_腔的上一单位时间的钢包内腔的钢水温度，一个单位时间可设定为10s；T_管为当前时间的料管内钢水温度，T′_管为T_管的上一单位时间的料管内钢水温度；T″_管为T′_管的上一单位时间的料管内钢水温度；n为设定转速，设定转速可为6rad/min，n′为实际转速；R为当前打印直径，R′为R的上一直径。设定转速和实际转速指的是用于4D打印的底板的转速。

其中钢包为承装钢水器皿。流量指的是从料管内排出的钢水流量，由流量计测量。料管与钢包连接，用于将钢包内的钢水排出至底板上，流至底板上的钢水凝固后形成钢锭。转速指的是底板转动的速度。由于钢包移动具有风险，因此通过底板转动，使得料管流入到底板上不同位置，底板转动一圈，则料管在底板上排出的钢水形成一个环形，底板进行移动，使得料管位于环形内侧，继续转动底板，使得在环形的内侧形成第二个环形，以此类推，直至将本层打印完毕。继续打印直至打印至所需高度。

其中，还包括：存储器；

所述控制器将第一温度传感器、第二温度传感器和流量计采集到的数据与成品参数发送至存储器内存储。

其中，还包括：用于输入成品参数的输入设备，所述输入设备与所述控制器连接；输入设备可为键盘、触摸屏幕等输入设备。

所述成品参数包括：

将钢锭制成力学性能试棒所测试的常温力学性能数据和疲劳性能数据；

取钢锭的化学成分试块所检测的化学成分数据和偏析情况数据；

在光学显微镜下，所观察到的金相照片。

为了保证数据安全，使得数据流出有据可查，还包括，数据获取设备；

当所述数据获取设备需要获取第一温度传感器、第二温度传感器和流量计采集到的数据与成品参数时：

所述数据获取设备采集身份信息，采用哈希算法对身份信息进行计算获得身份信息摘要，使用私钥对身份信息摘要进行加密获得身份信息签名；

所述数据获取设备将身份信息签名和身份信息发送至控制器；

所述控制器将身份信息上传至区块链，并从区块链上获取与身份信息对应的公钥；区块链中存储正确的身份信息，以及与该身份信息对应的公钥，区块链中存储的信息可认为是正确的且没有被篡改的。控制器将身份信息上传至数据链后被存储，若发生问题可以随时查看是谁曾经想要获取数据，且这个信息无法删除修改，具有不可篡改的特性。

所述控制器采用哈希算法对接收到的身份信息进行计算获得新身份信息摘要；

所述控制器使用公钥对身份信息签名进行解密获得再次身份信息摘要；

当新身份信息摘要与再次身份信息摘要相等时，则验证通过，所述控制器将存储器内存储的第一温度传感器、第二温度传感器和流量计采集到的数据与成品参数发送至数据获取设备。若新身份信息摘要与再次身份信息摘要不相等时，则验证无法通过，数据获取设备无法获取任何数据。

其中，还包括，校验设备；

所述校验设备包括：

采集模块，用于采集数据获取设备发送的密码；

验证模块，用于验证所采集的密码是否正确，若正确则向控制器发送二次验证通过信息，若错误则向控制器发送二次验证失败信息；当控制器接收到二次验证失败信息后，则断开与所述数据获取设备的连接，且拒绝向数据获取设备发送任何信息。优选的方式为先由验证模块验证密码，再由控制器验证当新身份信息摘要与再次身份信息摘要是否相等。提高整体数据安全。

控制模块，用于当验证所采集的密码错误时，驱动数据获取设备的照相系统进行拍照记录是谁操作数据获取设备。

其中，还包括，液位计；

所述液位计安装于钢包内，所述液位计与所述控制器连接，将采集到的液位信息发送至所述控制器。若液位信息小于设定值，则控制器控制流量控制阀关闭。

其中，包括，湿度计；

所述湿度计安装于钢包外，所述湿度计与所述控制器连接，将采集到的湿度信息发送至控制器。若湿度信息位于设定区间外，则控制器控制流量控制阀关闭。

其中，还包括，温度计；

所述温度计安装于控制器上，所述温度计与所述控制器连接，将采集到的温度信息发送至控制器。若温度信息大于设定值，则控制器控制流量控制阀关闭。

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 (8)

1.用于大型锻件的钢锭的4D打印流量控制系统，其特征在于，包括：

控制器、第一温度传感器、第二温度传感器、流量计；所述第一温度传感器设置于钢包内；所述第二温度传感器与所述流量计设置于料管上，所述控制器的输入端分别与所述第一温度传感器、所述第二温度传感器和所述流量计连接，所述控制器的输出端与所述流量控制阀连接；

其中：

其中Q为当前流量，Q`为设定流量；T_腔为当前时间的钢包内腔的钢水温度，T′_腔为T_腔的上一单位时间的钢包内腔的钢水温度，T″_腔为T′_腔的上一单位时间的钢包内腔的钢水温度；T_管为当前时间的料管内钢水温度，T′_管为T_管的上一单位时间的料管内钢水温度；T″_管为T′_管的上一单位时间的料管内钢水温度；n为设定转速，n′为实际转速；R为当前打印直径，R′为R的上一直径。

2.如权利要求1所述的用于大型锻件的钢锭的4D打印流量控制系统，其特征在于，还包括：存储器；

所述控制器将第一温度传感器、第二温度传感器和流量计采集到的数据与成品参数发送至存储器内存储。

3.如权利要求2所述的用于大型锻件的钢锭的4D打印流量控制系统，其特征在于，还包括：用于输入成品参数的输入设备，所述输入设备与所述控制器连接；

所述成品参数包括：

将钢锭制成力学性能试棒所测试的常温力学性能数据和疲劳性能数据；

取钢锭的化学成分试块所检测的化学成分数据和偏析情况数据；

在光学显微镜下，所观察到的金相照片。

4.如权利要求3所述的用于大型锻件的钢锭的4D打印流量控制系统，其特征在于，还包括，数据获取设备；

当所述数据获取设备需要获取第一温度传感器、第二温度传感器和流量计采集到的数据与成品参数时：

所述数据获取设备采集身份信息，采用哈希算法对身份信息进行计算获得身份信息摘要，使用私钥对身份信息摘要进行加密获得身份信息签名；

所述数据获取设备将身份信息签名和身份信息发送至控制器；

所述控制器将身份信息上传至区块链，并从区块链上获取与身份信息对应的公钥；

所述控制器采用哈希算法对接收到的身份信息进行计算获得新身份信息摘要；

所述控制器使用公钥对身份信息签名进行解密获得再次身份信息摘要；

当新身份信息摘要与再次身份信息摘要相等时，则验证通过，所述控制器将存储器内存储的第一温度传感器、第二温度传感器和流量计采集到的数据与成品参数发送至数据获取设备。

5.如权利要求4所述的用于大型锻件的钢锭的4D打印流量控制系统，其特征在于，还包括，校验设备；

所述校验设备包括

采集模块，用于采集数据获取设备发送的密码；

验证模块，用于验证所采集的密码是否正确，若正确则向控制器发送二次验证通过信息，若错误则向控制器发送二次验证失败信息；

控制模块，用于当验证所采集的密码错误时，驱动数据获取设备的照相系统进行拍照记录。

6.如权利要求4所述的用于大型锻件的钢锭的4D打印流量控制系统，其特征在于，还包括，液位计；

所述液位计安装于钢包内，所述液位计与所述控制器连接，将采集到的液位信息发送至所述控制器。

7.如权利要求5所述的用于大型锻件的钢锭的4D打印流量控制系统，其特征在于，还包括，湿度计；

所述湿度计安装于钢包外，所述湿度计与所述控制器连接，将采集到的湿度信息发送至控制器。

8.如权利要求5所述的用于大型锻件的钢锭的4D打印流量控制系统，其特征在于，还包括，温度计；

所述温度计安装于控制器上，所述温度计与所述控制器连接，将采集到的温度信息发送至控制器。

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