CN113351838B - 一种用于钛合金铸锭制备的气体冷却装置、控制系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于钛合金铸锭制备的气体冷却装置，包括电极杆，所述电极杆下方固定连接有自耗电极，所述自耗电极位于炉室中，所述炉室通过密封圈扣在水冷结晶器的法兰上，所述水冷结晶器放置在熔化站内，所述水冷结晶器底部对称设置有第一通孔与第二通孔，所述第一通孔通过柔性管道连接至真空压力传感器用于压力测量，所述第二通孔通过柔性管道连接至真空电磁阀用于通入气体。该装置通过在结晶器底部充入气体，在铸锭和结晶器之间缝隙形成冷却介质，同时检测充入气体的压力及流量，从而减轻或消除了偏析，提高表面质量和铸锭成分均匀性。

Description

一种用于钛合金铸锭制备的气体冷却装置、控制系统及控制 方法

技术领域

本发明属于有色金属加工设备装置技术领域，具体涉及一种用于钛合金铸锭制备的气体冷却装置、控制系统及控制方法。

背景技术

钛合金由于其低密度、高强度、良好的耐腐蚀性能、优异的生物相容性等特点已广泛的在航空航天、船舶、化工、生物医疗等领域应用。目前，钛合金铸锭普遍采取真空自耗电弧熔炼技术生产，其铸锭冷却结晶依靠结晶器外侧的循环水进行换热冷却，随着熔炼锭型逐步增大，单纯水冷已无法满足快速凝固要求，轻则造成铸锭表面质量变差，需进行车削扒皮降低成品率，重则引起铸锭内部均匀性变差，引起成分偏析等冶金缺陷。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提出一种用于钛合金铸锭制备的气体冷却装置及控制方法，解决了现有技术中存在的大规格钛合金铸锭制备成分均匀性控制难喝表面质量差的问题。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种用于钛合金铸锭制备的气体冷却装置，其特征在于，包括电极杆，所述电极杆下方固定连接有自耗电极，所述自耗电极位于炉室中，所述炉室通过密封圈扣在水冷结晶器的法兰上，所述水冷结晶器放置在熔化站内，所述水冷结晶器底部对称设置有第一通孔与第二通孔，所述第一通孔通过柔性管道连接至真空压力传感器用于压力测量，所述第二通孔通过柔性管道连接至真空电磁阀用于通入气体。

进一步地，所述第一通孔与第二通孔均通过不锈钢管道与柔性管道连接，所述不锈钢管道与柔性管道之间连接有真空快速接头。

进一步地，所述柔性管道上还依次设置有质量流量控制器、压力开关、真空球阀和气瓶，气体通过第二通孔通入水冷结晶器中，填充至铸锭与水冷结晶器之间的缝隙形成导热介质，真空压力传感器用于监测缝隙中的压力变化，反馈给PLC控制器。

一种用于钛合金铸锭制备的气体冷却装置的控制系统，所述控制系统包括安装在工控机上的人机界面，所述人机界面通过以太网与位于通讯模块上的RJ45接口连接，所述通讯模块通过背板与PLC控制器相连接，所述通讯模块通过DP连接器与第一I/O从站连接，所述第一I/O从站通过DP连接器与第二I/O从站连接，其中，所述第一I/O从站通过背板分别连接第一AI通道、第一DO通道以及第一DI通道，所述第二I/O从站通过背板分别连接第二AI通道和第二DO通道，所述第二I/O从站通过DP连接器与质量流量控制器连接，所述第一AI通道上连接有称重信号模块，所述第一DO通道上连接有报警输出模块，所述第一DI通道上连接有熔炼开始信号模块，所述第二AI通道与真空压力传感器连接，所述第二DO通道与真空电磁阀连接。

进一步地，所述人机界面使用组态软件开发包括：RECIPE选择界面、RECIPE修改界面、熔炼界面、报警参数界面、趋势曲线模块、报表界面、控制程序。

进一步地，所述RECIPE选择界面包括RECIPE调取模块；所述RECIPE修改界面包括RECIPE添加、删除、修改、查看、数据库连接模块；所述熔炼界面包括熔炼过程的动画仿真模块、实时状态模块、熔炼参数显示模块；所述报警参数界面包括系统参数设定模块和熔炼参数报警设置模块；所述趋势曲线界面包括熔炼过程参数实时曲线显示和历史曲线查询；所述报表界面包括日期、铸锭编号等方式查询导出或者打印。

进一步地，该控制方法包括如下步骤：

S1、起弧阶段：熔炼开始信号模块接收到外围运行命令后，人机界面开始运行起弧阶段工艺程序模块，PLC控制器打开真空电磁阀，同时通过RJ45接口接收人机界面的流量设定值，经运算后通过与实际流量值进行比较，最终实现对充入气体流量的控制；

S2、稳定熔化阶段：称重信号模块读取的铸锭重量值经过第一AI通道将信号通过DP连接器送往PLC控制器进行处理，达到设定值后，PLC控制器通过RJ45接口将结果返回至人机界面执行稳定熔化阶段工艺程序块；PLC控制器接收人机界面的压力设定值，通过与来自真空压力传感器的实际压力值比较，实际压力与工艺设定压力比较后进行控制运算，运算结果作为流量的给定，流量给定至质量流量控制器开度，最终控制压力，形成闭环；

S3、热封顶阶段：经稳定熔炼阶段，当铸锭重量达到设定值时，人机界面切换程序到进入热封顶阶段，控制系统切换至流量控制，PLC控制器的流量控制程序块工作，这个过程中，人机界面中的设定流量曲线为斜坡递增曲线，当自耗电极重量达到限制值时，系统自动切断电源，热封顶停止，进入熔末冷却阶段。

S4、熔末冷却阶段：熔末冷却阶段采用保持固定流量值模式，此时根据时间控制方式，人机界面中的RECIPE流程程序执行时间控制当实际时间到达设定时间时，关闭真空电磁阀，报警提示操作人员手动关闭气瓶，真空球阀结束工作。

进一步地，所述步骤S1中起弧阶段工艺采用流量控制方法，所述步骤S2中稳定熔化阶段工艺采用压力控制方法。

进一步地，所述步骤S1之前还包括如下步骤：

S01、首先在人机界面的Recipe中输入三个阶段不同工艺参数；

S02、真空压力传感器通过位于第二I/O从站上的第二AI通道将坩埚内部实际压力值送入PLC控制器处理；

S03、当坩埚内部实际压力值满足要求后，依次打开气瓶、真空球阀、在人机界面上打开真空电磁阀。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

通过在钛合金铸锭制备过程中增加一套气体冷却装置，在钛合金熔炼过程中，通过在结晶器底部充入气体，在铸锭和结晶器之间缝隙形成冷却介质，同时检测充入气体的压力及流量，辅以合适的工艺参数，实现钛合金制备由传统水冷方式升级为水冷+气冷的双冷却方式，从而大程度增加冷却强度，减小铸锭熔池深度，从而减轻或消除了偏析，提高表面质量和铸锭成分均匀性。

本发明中，通过以下参照附图对本发明的示例性实施例的详细描述，本发明的其它特征及其优点将会变得清楚。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，与说明书一起用于解释本发明的原理。

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一种用于钛合金铸锭制备的气体冷却装置的结构图；

图2为本发明一种用于钛合金铸锭制备的气体冷却装置的控制系统的框图；

其中：1、电极杆；2、自耗电极；3、炉室；4、水冷结晶器；5、熔化站；6、第一通孔；7、第二通孔；8、柔性管道；9、真空压力传感器；10、真空电磁阀；11、真空快速接头；12、质量流量控制器；13、压力开关；14、真空球阀；15、气瓶；16、人机界面；17、RJ45接口；18、通讯模块；19、PLC控制器；20、DP连接器；21、第一I/O从站；22、第一AI通道；23、第一DO通道；24、第一DI通道；25、第二I/O从站；26、第二AI通道；27、第二DO通道；28、铸锭；29、称重信号模块；30、报警输出模块；31、熔炼开始信号模块；

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图及实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例1：

如图1-2所示，本发明提供了一种用于钛合金铸锭制备的气体冷却装置，包括电极杆1，所述电极杆1下方固定连接有自耗电极2，所述自耗电极2位于炉室3中，所述炉室3通过密封圈扣在水冷结晶器4的法兰上，所述水冷结晶器4放置在熔化站5内，所述水冷结晶器4底部对称设置有第一通孔6与第二通孔7，所述第一通孔6通过柔性管道8连接至真空压力传感器9用于压力测量，所述第二通孔7通过柔性管道8连接至真空电磁阀10用于通入气体。

进一步地，所述第一通孔6与第二通孔7均通过不锈钢管道与柔性管道8连接，所述不锈钢管道与柔性管道8之间连接有真空快速接头11。

进一步地，所述柔性管道8上还依次设置有质量流量控制器12、压力开关13、真空球阀14和气瓶15，气体通过第二通孔7通入水冷结晶器4中，填充至铸锭28与水冷结晶器4之间的缝隙，形成导热介质，加速热量的传导，真空压力传感器9用于监测缝隙中的压力变化，反馈给PLC控制器19，PLC控制器19通过Profibus总线用于调节质量流量控制器12从而控制进气的流量。

一种用于钛合金铸锭制备的气体冷却装置的控制系统，所述控制系统包括安装在工控机上的人机界面16，所述人机界面16通过以太网与位于通讯模块18上RJ45接口17连接，所述通讯模块18通过背板与PLC控制器19相连接，所述通讯模块18通过DP连接器20与第一I/O从站21连接，所述第一I/O从站21通过DP连接器20与第二I/O从站25连接，其中，所述第一I/O从站21通过背板分别连接第一AI通道22、第一DO通道23以及第一DI通道24，所述第二I/O从站25通过背板分别连接第二AI通道26和第二DO通道27，所述第二I/O从站25通过DP连接器20与质量流量控制器12连接，所述第一AI通道22上连接有称重信号模块29，所述第一DO通道23上连接有报警输出模块30，所述第一DI通道24上连接有熔炼开始信号模块31，所述第二AI通道26与真空压力传感器9连接，所述第二DO通道27与真空电磁阀10连接。

进一步地，所述人机界面16使用组态软件开发包括：RECIPE选择界面、RECIPE修改界面、熔炼界面、报警参数界面、趋势曲线模块、报表界面、控制程序。

进一步地，所述RECIPE选择界面包括RECIPE调取模块；所述RECIPE修改界面包括RECIPE添加、删除、修改、查看、数据库连接模块；所述熔炼界面包括熔炼过程的动画仿真模块、实时状态模块、熔炼参数显示模块；所述报警参数界面包括系统参数设定模块和熔炼参数报警设置模块；所述趋势曲线界面包括熔炼过程参数实时曲线显示和历史曲线查询；所述报表界面包括日期、铸锭编号等方式查询导出或者打印。

一种用于钛合金铸锭制备的气体冷却装置的控制方法，该控制方法包括如下步骤：

S1、起弧阶段：首先在人机界面16的Recipe中输入三个阶段不同工艺参数；真空压力传感器9通过位于第一I/O从站21上的第一AI通道22，将坩埚内部实际压力值送入PLC控制器19处理，当坩埚内部实际压力值满足要求后，依次打开气瓶15、真空球阀14、在人机界面16上打真空电磁阀10；

首先通过人机界面16的RECIPE选择界面调取所需工艺，在人机界面16的RECIPE修改界面核对所选取工艺参数，如数据不同则进行修改，如数据相同则切换至熔炼界面，熔炼开始信号31接收到外围运行命令后，通过第一DI通道24将信号通过DP连接器20经Profibus总线送往PLC控制器19的运行条件程序模块，人机界面16开始运行起弧阶段工艺程序块，PLC控制器19首先通过Profibus总线打开第二DO通道27上连接的真空电磁阀10，同时通过RJ45接口17接收人机界面16的流量设定值，经运算后通过与实际流量比较，通过Profibus总线经DP连接器20送入质量流量控制器12，通过调节开度最终实现对充入气体流量的控制，起弧阶段工艺采用流量控制方法；

S2、稳定熔化阶段：称重信号模块29读取的铸锭重量值经过第一AI通道22将信号通过DP连接器20经Profibus总线送往PLC控制器19的模拟量程序模块进行处理，达到设定值后，PLC控制器19通过RJ45接口17将结果返回至人机界面16执行稳定熔化阶段工艺程序块；真空压力传感器9读取的真空压力值经第二AI通道26将信号通过DP连接器20经Profibus总线送往PLC控制器19的模拟量程序块进行处理，PLC控制器19接收人机界面16的压力设定值，通过PLC控制器19的压力控制程序模块进行运算，运算结果作为流量的给定，Profibus总线经DP连接器送入质量流量控制器12，最终控制压力，形成闭环；当人机界面16的压力设定值和真空压力传感器9读取的真空压力值超出人机界面16的报警参数界面设定的阈值，PLC控制器19的报警程序块会输出报警信号通过第一I/O从站21的第一DO通道23输出至报警输出模块30，采用压力控制方法，实际压力值比较时，控制回路变成双闭环控制，流量控制为内环，压力控制为外环。

S3、热封顶阶段：经稳定熔炼阶段，当铸锭重量达到设定值时，人机界面16切换程序到进入热封顶阶段，控制系统切换至流量控制，PLC控制器19的流量控制程序块工作，这个过程中，人机界面16中的设定流量曲线为斜坡递增曲线，当自耗电极重量达到限制值时，系统自动切断电源，热封顶停止，进入熔末冷却阶段。

S4、熔末冷却阶段：熔末冷却阶段采用保持固定流量值模式，此时根据时间控制方式，人机界面16中的RECIPE流程程序执行时间控制当实际时间到达设定时间时，关闭真空电磁阀10，报警提示操作人员手动关闭气瓶15，真空球阀14结束工作。

以上所述仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。

应当理解的是，本发明并不局限于上述已经描述的内容，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (6)

1.一种用于钛合金铸锭制备的气体冷却装置的控制系统，其特征在于，用于气体冷却装置，所述气体冷却装置包括电极杆（1），所述电极杆（1）下方固定连接有自耗电极（2），所述自耗电极（2）位于炉室（3）中，所述炉室（3）通过密封圈扣在水冷结晶器（4）的法兰上，所述水冷结晶器（4）放置在熔化站（5）内，所述水冷结晶器（4）底部对称设置有第一通孔（6）与第二通孔（7），所述第一通孔（6）通过柔性管道（8）连接至真空压力传感器（9）用于压力测量，所述第二通孔（7）通过柔性管道（8）连接至真空电磁阀（10）用于通入气体，所述第一通孔（6）与第二通孔（7）均通过不锈钢管道与柔性管道（8）连接，所述不锈钢管道与柔性管道（8）之间连接有真空快速接头（11），所述柔性管道（8）上还依次设置有质量流量控制器（12）、压力开关（13）、真空球阀（14）和气瓶（15），气体通过第二通孔（7）通入水冷结晶器（4）中，填充至铸锭（28）与水冷结晶器（4）之间的缝隙形成导热介质，真空压力传感器（9）用于监测缝隙中的压力变化，反馈给PLC控制器（19）；

所述控制系统包括安装在工控机上的人机界面（16），所述人机界面（16）通过以太网与位于通讯模块（18）上的RJ45接口（17）连接，所述通讯模块（18）通过背板与PLC控制器（19）相连接，所述通讯模块（18）通过DP连接器（20）与第一I/O从站（21）连接，所述第一I/O从站（21）通过DP连接器（20）与第二I/O从站（25）连接，其中，所述第一I/O从站（21）通过背板分别连接第一AI通道（22）、第一DO通道（23）以及第一DI通道（24），所述第二I/O从站（25）通过背板分别连接第二AI通道（26）和第二DO通道（27），所述第二I/O从站（25）通过DP连接器（20）与质量流量控制器（12）连接，所述第一AI通道（22）上连接有称重信号模块（29），所述第一DO通道（23）上连接有报警输出模块（30），所述第一DI通道（24）上连接有熔炼开始信号模块（31），所述第二AI通道（26）与真空压力传感器（9）连接，所述第二DO通道（27）与真空电磁阀（10）连接。

2.根据权利要求1所述的控制系统，其特征还在于，所述人机界面（16）使用组态软件开发包括：RECIPE选择界面、RECIPE修改界面、熔炼界面、报警参数界面、趋势曲线模块、报表界面、控制程序。

3.根据权利要求2所述的控制系统，其特征在于，所述RECIPE选择界面包括RECIPE调取模块；所述RECIPE修改界面包括RECIPE添加、删除、修改、查看、数据库连接模块；所述熔炼界面包括熔炼过程的动画仿真模块、实时状态模块、熔炼参数显示模块；所述报警参数界面包括系统参数设定模块和熔炼参数报警设置模块；所述趋势曲线模块包括熔炼过程参数实时曲线显示和历史曲线查询；所述报表界面包括日期、铸锭编号方式查询导出或者打印。

4.根据权利要求1所述的一种用于钛合金铸锭制备的气体冷却装置的控制系统的控制方法，其特征在于，所述控制方法包括如下步骤：

S1、起弧阶段：熔炼开始信号模块（31）接收到外围运行命令后，人机界面（16）开始运行起弧阶段工艺程序模块，PLC控制器（19）打开真空电磁阀（10），同时通过RJ45接口（17）接收人机界面（16）的流量设定值，经运算后通过与实际流量值进行比较，最终实现对充入气体流量的控制；

S2、稳定熔化阶段：称重信号模块（29）读取的铸锭重量值经过第一AI通道（22）将信号通过DP连接器（20）送往PLC控制器（19）进行处理，达到设定值后，PLC控制器（19）通过RJ45接口（17）将结果返回至人机界面（16）执行稳定熔化阶段工艺程序块；PLC控制器（19）接收人机界面（16）的压力设定值，通过与来自真空压力传感器（9）的实际压力值比较，实际压力与工艺设定压力比较后进行控制运算，运算结果作为流量的给定，流量给定至质量流量控制器开度，最终控制压力，形成闭环；

S3、热封顶阶段：经稳定熔炼阶段，当铸锭重量达到设定值时，人机界面（16）切换程序到进入热封顶阶段，控制系统切换至流量控制，PLC控制器（19）的流量控制程序块工作，这个过程中，人机界面（16）中的设定流量曲线为斜坡递增曲线，当自耗电极重量达到限制值时，系统自动切断电源，热封顶停止，进入熔末冷却阶段；

S4、熔末冷却阶段：熔末冷却阶段采用保持固定流量值模式，此时根据时间控制方式，人机界面（16）中的RECIPE流程程序执行时间控制，当实际时间到达设定时间时，关闭真空电磁阀（10），报警提示操作人员手动关闭气瓶（15），真空球阀（14）结束工作。

5.根据权利要求4所述的控制方法，其特征在于，所述步骤S1中起弧阶段工艺采用流量控制方法，所述步骤S2中稳定熔化阶段工艺采用压力控制方法。

6.根据权利要求4所述的控制方法，其特征在于，所述步骤S1之前还包括如下步骤：

S01、首先在人机界面（16）中输入三个阶段不同工艺参数；

S02、真空压力传感器（9）通过位于第二I/O从站（25）上的第二AI通道（26）将坩埚内部实际压力值送入PLC控制器（19）处理；

S03、当坩埚内部实际压力值满足要求后，依次打开气瓶（15）、真空球阀（14）、在人机界面（16）上打开真空电磁阀（10）。

Images