CN112872361A - 一种基于熔体温度的钛及钛合金液体精加工连锁精密调控方法 - Google Patents

一种基于熔体温度的钛及钛合金液体精加工连锁精密调控方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于熔体温度的钛及钛合金液体精加工连锁精密调控方法,包括以下步骤:A、将钛放入真空中或者惰性气体保护气氛下进行熔炼,前一级熔融状态下的钛液流入水冷铜坩埚内,坩埚四周外部装有冷却水,及时带走钛液的温度,在坩埚表面形成一层保护壳,钛液不直接与水冷坩埚接触;B、在坩埚上部装安装等离子枪,利用等离子枪的加热使得坩埚上层中间那部分的钛液保持熔融状态;C、水冷铜坩埚的出口处设有金属液体溢出的导流口,流出的金属液体通过气雾化喷嘴进入雾化室冷却得到高质量的钛粉,本发明采用的控制方法能够提高钛粉加工质量。

Description

一种基于熔体温度的钛及钛合金液体精加工连锁精密调控 方法
技术领域
本发明涉及钛液保温技术领域,具体为一种基于熔体温度的钛及钛合金液体精加工连锁精密调控方法。
背景技术
钛是灰色的过渡金属,其特征是重量轻、强度高、有良好的抗腐蚀能力。由于其稳定的化学性质,良好的耐高温、耐低温、抗强酸、抗强碱,以及高强度、低密度,被美誉为“太空金属”。钛最常见的化合物是二氧化钛(俗称钛白粉),其他化合物还包括四氯化钛及三氯化钛。钛是一种高活性金属,在熔融状态下几乎会与所有已知的耐火材料发生化学反应生成化合物。因此,需要对熔融后的钛液进行保温处理。
目前进行保温一般采用流体媒介温度控制器,流体媒介温度控制器是利用感温流体热胀冷缩及液体不可压缩的原理而实现自动调节。当控制温度升高时感温液体膨胀产生的推力将热媒关小,以降低输出温度;当控制温度降低时感温液体收缩,在复位装置的作用下将热媒开大,以提高输出温度,从而使被控制的温度达到和保持在所设定的温度范围内。该控制方法控制精度低,无法有效的提高后续钛粉加工质量,因此,有必要进行改进。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于熔体温度的钛及钛合金液体精加工连锁精密调控方法,以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的,本发明提供如下技术方案:一种基于熔体温度的钛及钛合金液体精加工连锁精密调控方法,包括以下步骤:
A、将钛放入真空中或者惰性气体保护气氛下进行熔炼,前一级熔融状态下的钛液流入水冷铜坩埚内,坩埚四周外部装有冷却水,及时带走钛液的温度,在坩埚表面形成一层保护壳,钛液不直接与水冷坩埚接触;
B、在坩埚上部装安装等离子枪,利用等离子枪的加热使得坩埚上层中间那部分的钛液保持熔融状态;
C、水冷铜坩埚的出口处设有金属液体溢出的导流口,流出的金属液体通过气雾化喷嘴进入雾化室冷却得到高质量的钛粉。
优选的,所述步骤C中金属液体雾化规律如下述公式:
Figure BDA0002895836810000021
式中:μ——金属熔体的粘度;V——颗粒体积;R,r——分别为球形颗粒和圆柱状液滴的半径,r/R=10;
Figure BDA0002895836810000022
式中ρm——熔体密度;
σ——表面张力;
T1—一熔体温度;
Cp——材料热容;
hc——传热系数;
ΔHm——熔解热;
dm——颗粒直径;
Tm——金属熔点;
Tg——雾化气体温度;
τsph——液滴的球化时间;
τsol——凝固时间。
优选的,当τsph>τsol时,雾化粉末为球形,当τsph<τsol时,凝固后的粉末颗粒为不规则状。
优选的,其中的T1采用装在坩埚上部的红外线测温仪得到,为了得到球形钛粉,需要让等离子枪的加热功率根据反馈回来的熔体温度进行自我调剂,调节方法采用模糊PID控制,并且熔体保持适当的过热度有利于熔体的流动,其中,模糊PID控制方法如下:
a、采集坩埚的温度,将获取到的温度经微分处理后输入模糊推理控制器,模糊推理控制器对输入量偏差e和偏差变化率ec进行处理,输出模糊推理后的结果;
b、将模糊推理的结果直接输入去伪控制器,经去伪控制器的处理后得到PID控制器的3个参数Kp、Ki、Kd;
c、PID控制器通过去伪控制器的输出与实际输入得到最终的控制变量u,用于对坩埚进行温度控制。
优选的,所述步骤C中钛粉的平均粒径控制公式如下:
Figure BDA0002895836810000031
Figure BDA0002895836810000032
式中We——韦伯数;
ρm——熔体的密度;
σm——熔体的表面张力;
Δv——熔体和气流之间的相对速度;
d0—-导液管的内径;
dm——粉末的平均粒径;
k——由喷嘴决定的经验常数;
vm——熔体粘度;
vs——雾化气流的粘度;
M——金属熔体质量流速;
A——和雾化气流的质量流速。由Lubanska公式可知,在雾化条件为定值的条件下,提高气体速度(高的韦伯数),降低金属液体流量可减小金属粉末的平均粒径dm
与现有技术相比,本发明的有益效果是:本发明采用的控制方法能够提高钛粉加工质量;采用模糊PID控制方法,在具备可靠性和快速性的同时,又具有高鲁棒性和强适应性,并能消除传统温控方法存在的温度控制不确定时滞,从而确保坩埚具有良好的动、静态特性,保证精确控温。
附图说明
图1为本流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
请参阅图1,本发明提供一种技术方案:一种基于熔体温度的钛及钛合金液体精加工连锁精密调控方法,包括以下步骤:
A、将钛放入真空中或者惰性气体保护气氛下进行熔炼,前一级熔融状态下的钛液流入水冷铜坩埚内,坩埚四周外部装有冷却水,及时带走钛液的温度,在坩埚表面形成一层保护壳,钛液不直接与水冷坩埚接触;
B、在坩埚上部装安装等离子枪,利用等离子枪的加热使得坩埚上层中间那部分的钛液保持熔融状态;
C、水冷铜坩埚的出口处设有金属液体溢出的导流口,流出的金属液体通过气雾化喷嘴进入雾化室冷却得到高质量的钛粉。
本发明中,步骤C中金属液体雾化规律如下述公式:
Figure BDA0002895836810000041
式中:μ——金属熔体的粘度;V——颗粒体积;R,r——分别为球形颗粒和圆柱状液滴的半径,r/R=10;
Figure BDA0002895836810000051
式中ρm——熔体密度;
σ——表面张力;
T1——熔体温度;
Cρ——材料热容;
hc——传热系数;
ΔHm——熔解热;
dm——颗粒直径;
Tm——金属熔点;
Tg——雾化气体温度;
τsph——液滴的球化时间;
τsol——凝固时间。
本发明中,当τsph>τsol时,雾化粉末为球形,当τsph<τsol时,凝固后的粉末颗粒为不规则状。
本发明中,其中的T1采用装在坩埚上部的红外线测温仪得到,为了得到球形钛粉,需要让等离子枪的加热功率根据反馈回来的熔体温度进行自我调剂,调节方法采用模糊PID控制,并且熔体保持适当的过热度有利于熔体的流动,其中,模糊PID控制方法如下:
a、采集坩埚的温度,将获取到的温度经微分处理后输入模糊推理控制器,模糊推理控制器对输入量偏差e和偏差变化率ec进行处理,输出模糊推理后的结果;
b、将模糊推理的结果直接输入去伪控制器,经去伪控制器的处理后得到PID控制器的3个参数Kp、Ki、Kd;
c、PID控制器通过去伪控制器的输出与实际输入得到最终的控制变量u,用于对坩埚进行温度控制。
本发明中,步骤C中钛粉的平均粒径控制公式如下:
Figure BDA0002895836810000061
Figure BDA0002895836810000062
式中We——韦伯数;
ρm——熔体的密度;
σm——熔体的表面张力;
Δv——熔体和气流之间的相对速度;
d0——导液管的内径;
dm——粉末的平均粒径;
k——由喷嘴决定的经验常数;
vm——熔体粘度;
vg——雾化气流的粘度;
M——金属熔体质量流速;
A雾化气流的质量流速。由Lubanska公式可知,在雾化条件为定值的条件下,提高气体速度(高的韦伯数),降低金属液体流量可减小金属粉末的平均粒径dm
由上述公式可以知道经由气雾化喷嘴后得到的钛粉平均粒径,降低金属液体流量可以减小粉末平均粒径,所以需要由算法来控制等离子枪的加热,钛的熔点在1678℃,可以将熔体温度范围取高一点进行控制,温度取在合理范围内进行控制。等离子枪的运动轨迹采用椭圆形,正好处于中间宽,两边窄,金属液体可以顺着导流口流下去。等离子枪设有位置检测开关,保证了坩埚的安全。
综上所述,本发明采用的控制方法能够提高钛粉加工质量;采用模糊PID控制方法,在具备可靠性和快速性的同时,又具有高鲁棒性和强适应性,并能消除传统温控方法存在的温度控制不确定时滞,从而确保坩埚具有良好的动、静态特性,保证精确控温。
对于本领域技术人员而言,显然本发明不限于上述示范性实施例的细节,而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下,能够以其他的具体形式实现本发明。因此,无论从哪一点来看,均应将实施例看作是示范性的,而且是非限制性的,本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定,因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (5)

1.一种基于熔体温度的钛及钛合金液体精加工连锁精密调控方法,其特征在于:包括以下步骤:
A、将钛放入真空中或者惰性气体保护气氛下进行熔炼,前一级熔融状态下的钛液流入水冷铜坩埚内,坩埚四周外部装有冷却水,及时带走钛液的温度,在坩埚表面形成一层保护壳,钛液不直接与水冷坩埚接触;
B、在坩埚上部装安装等离子枪,利用等离子枪的加热使得坩埚上层中间那部分的钛液保持熔融状态;
C、水冷铜坩埚的出口处设有金属液体溢出的导流口,流出的金属液体通过气雾化喷嘴进入雾化室冷却得到高质量的钛粉。
2.根据权利要求1所述的一种基于熔体温度的钛及钛合金液体精加工连锁精密调控方法,其特征在于:所述步骤C中金属液体雾化规律如下述公式:
Figure FDA0002895836800000011
式中:μ——金属熔体的粘度;V——颗粒体积;R,r——分别为球形颗粒和圆柱状液滴的半径,r/R=10;
Figure FDA0002895836800000012
式中ρm——熔体密度;
σ——表面张力;
T1——熔体温度;
Cp——材料热容;
hc——传热系数;
ΔHm——熔解热;
dm——颗粒直径;
Tm——金属熔点;
Tg——雾化气体温度;
τsph——液滴的球化时间;
τsol——凝固时间。
3.根据权利要求2所述的一种基于熔体温度的钛及钛合金液体精加工连锁精密调控方法,其特征在于:当τsph>τsol时,雾化粉末为球形,当τsph<τsol时,凝固后的粉末颗粒为不规则状。
4.根据权利要求2所述的一种基于熔体温度的钛及钛合金液体精加工连锁精密调控方法,其特征在于:其中的T1采用装在坩埚上部的红外线测温仪得到,为了得到球形钛粉,需要让等离子枪的加热功率根据反馈回来的熔体温度进行自我调剂,调节方法采用模糊PID控制,并且熔体保持适当的过热度有利于熔体的流动,其中,模糊PID控制方法如下:
a、采集坩埚的温度,将获取到的温度经微分处理后输入模糊推理控制器,模糊推理控制器对输入量偏差e和偏差变化率ec进行处理,输出模糊推理后的结果;
b、将模糊推理的结果直接输入去伪控制器,经去伪控制器的处理后得到PID控制器的3个参数Kp、Ki、Kd;
c、PID控制器通过去伪控制器的输出与实际输入得到最终的控制变量u,用于对坩埚进行温度控制。
5.根据权利要求1所述的一种基于熔体温度的钛及钛合金液体精加工连锁精密调控方法,其特征在于:所述步骤C中钛粉的平均粒径控制公式如下:
Figure FDA0002895836800000021
Figure 4
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