CN114160775A - 一种低压铸造铝合金熔体的智能控温系统和智能控温方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种低压铸造铝合金熔体的智能控温系统和控温方法，属于铝合金铸造技术领域，解决了现有熔炼系统浇注前人工测量与控制精度低、低压铸造炉体密封后合金熔体温度不可测、不易控制，造成铸件质量存在波动的问题。该智能控温系统包括电阻炉、温度实时测量单元、加热装置和智能控温单元；智能控温单元分别与温度实时测量单元和加热装置进行信号集成，温度实时测量单元将测量的炉气温度和铝液温度反馈给智能控温单元，智能控温单元能够根据反馈的信息控制加热装置对电阻炉进行加热或停止加热。本发明可以大幅度提升低压浇注铝合金过程中铝合金熔体的控制精度与效率，实现铝合金熔体的稳定控制，进而提高铸件产品质量稳定性。

Description

一种低压铸造铝合金熔体的智能控温系统和智能控温方法

技术领域

本发明涉及铝合金铸造技术领域，尤其涉及一种低压铸造铝合金熔体的智能控温系统和智能控温方法。

背景技术

现有航天、航空类优质铝合金铸件一般采用低、差压铸造工艺进行生产。其中，铝合金熔化与浇注是铸造工艺关键工序，其控制的好坏直接决定着铸件产品的质量。在这个过程中，熔体温度是十分重要的工艺参数。在实际操作过程中，铝合金熔体的温度一般是采用人工手持热电偶测量设备，对熔体进行手动测量。测量完成后，根据工艺参数要求，按照人工经验控制熔体温度。而在浇注时，由于熔体温度无法测量，致使其在一种盲浇的状态下进行铸件浇注。这种测量方法不仅测量精度低，而且控制过程全凭经验，控制效果差。

在控温技术方面，以PID算法为核心的各种形式的直接数字式控制系统，是目前电阻炉温度控制较为普遍的方法。其算法较为简单、鲁棒性好、可靠性好。但在生产过程中，由于传热过程复杂，一般电加热炉都具有非线性、较大滞后性和不对称性等热点，传统的PID控制显现出局限性。

现有技术对电阻炉控温技术应用成功的较少。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种低压铸造铝合金熔体的智能控温系统和智能控温方法，用以解决现有熔炼系统浇注前人工测量与控制精度低、低压铸造炉体密封后合金熔体温度不可测、不易控制，造成铸件质量存在波动的问题。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

本发明提供了一种低压铸造铝合金熔体的智能控温系统，包括电阻炉、温度实时测量单元、加热装置和智能控温单元；

电阻炉内设有熔化坩埚，熔化坩埚内盛有铝液；温度实时测量单元设于电阻炉内，温度实时测量单元用于测量电阻炉的炉气实时温度和铝液实时温度；

智能控温单元分别与温度实时测量单元和加热装置进行信号集成，温度实时测量单元将测量的炉气温度和铝液温度反馈给智能控温单元，智能控温单元能够根据反馈的炉气温度和铝液温度控制加热装置对电阻炉的熔化坩埚内的铝液进行加热或停止加热。

在一种可能的设计中，智能控温单元包括温度监控模块、工况设置模块、工艺参数输入模块、智能控温模块以及数据记录模块；

温度监控模块用于实时显示测量的铝液温度和炉气温度；工况设置模块用于设置炉体、熔化坩埚以及铝液的工况；工艺参数输入模块用于输入预期达到的工艺参数要求；智能控温模块用于自动计算控温参数并控制加热装置；及数据记录模块用于实时记录控温数据。

在一种可能的设计中，温度实时测量单元包括炉气温度测量装置和铝液温度测量装置；

炉气温度测量装置安装于电阻炉的炉膛内，炉气温度测量装置用于实时测量炉气温度并反馈给智能控温单元；

铝液温度测量装置插入熔化坩埚内的铝液中，铝液温度测量装置用于实时测量铝液温度并反馈给智能控温单元。

在一种可能的设计中，炉气温度测量装置采用第一铠装热电偶，铝液温度测量装置采用第二铠装热电偶。

在一种可能的设计中，加热装置包括坩埚电阻加热组件和加热控制电子元器件；

坩埚电阻加热组件设于电阻炉内，并用于对熔化坩埚加热；加热控制电子元器件设于控制柜内，用于控制坩埚电阻加热组件对熔化坩埚加热或停止加热。

在一种可能的设计中，坩埚电阻加热组件包括多个电阻加热丝；

加热控制电子元器件包括电流测量器件、电压测量器件和电压控制元器件。

在一种可能的设计中，第一铠装热电偶上设有第一测量点，第一测量点距离电阻加热丝的距离为100mm以上；

第二铠装热电偶上设有第二测量点，第二测量点位于熔化坩埚中下部，且与熔化坩埚内升液管的距离100mm～150mm。

在一种可能的设计中，第二铠装热电偶外套设有耐热陶瓷保护套。

另一方面，本发明还提供了一种低压铸造铝合金熔体的智能控温方法，采用上述的智能控温系统，智能控温方法包括以下步骤：

步骤1、实时获取tn时刻的炉气实时温度T(tn)；

步骤2、计算得到设定工况下的tn时刻的炉气控制温度T1(tn)；

步骤3、判断炉气实时温度T(tn)与tn时刻的炉气控制温度T1(tn)的大小；

若T(tn)＜T1(tn)，则启动加热装置，对铝液体进行加热；

若T(tn)＞T1(tn)，则关闭加热装置，对铝液体停止加热；

若T(tn)＝T1(tn)时，关闭加热装置，对铝液体停止加热，此时，在该炉气控制温度T1(tn)下能够使得铝液加热到工艺控制温度T4；

n为时刻序号。

进一步地，在步骤2中，计算得到tn时刻的炉气控制温度T1(tn)的方法为：

△T1(tn)＝T1(tn)－T2 (1)

△T2(tn)＝T4－T3(tn) (2)

△T2(tn)＝△T1(tn)*β (3)

其中，T1(tn)为tn时刻的炉气控制温度，℃；

T2为设定的炉气平衡温度，℃；

T3(tn)为tn时刻的铝液实时温度，℃；

T4为铝液的工艺控制温度，℃；

β为温度控制系数，确定工况下为常数。

与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：

(1)现有技术中一般在浇注前，通过人工的方式在铝液中插入热电偶进行测量铝液的温度，该测量方式不仅造成对铝液温度的控制精度低，而且由于只监控铝液温度，并未监控炉气温度，导致铝液的温度控制不准确；与现有技术相比，本发明通过设置温度实时测量单元，同时监控炉气温度和铝液温度，利用炉气温度反应速度快、控制准确的优势，通过“以炉气控铝液”和“总热量输入控制”综合作用，弥补铝液温度控制存在迟滞性的问题。

(2)现有技术中，由于铸造炉浇注时炉体密封，其内部的温度不可测并且不易控制；另外，对于多品种不同铸件连续浇注时，一方面由于升液管中铝液频繁升降，另一方面，不同铸件浇注温度有差异，造成温度快速控制难度较大，因此导致铸造炉内的铝液温度不易控制。与现有技术相比，本发明通过智能温度控制软件自动控制和自学习功能，能够实现铝液温度控制的快速收敛，较好地实现铝液温度控制准确性。

(3)本发明通过提高铝液温度控制准确性，可有效提高铸件产品质量稳定性，避免人为操作因素带来的不利影响。

(4)实际铝液加热控温的物理模型十分复杂，受到的影响因素繁多，很难通过计算获得加热转换系数的具体值。本发明采用模糊控制思想，将模型简化为炉气温差和铝液温差的关系。实际确定β参数时，先根据实际工况给出经验值，并利用控温过程数据不断进行迭代优化，可根据已完成的温度控温曲线对控温参数进行优化确定优化值。

(5)本发明还可以实现对类似工况条件的铝液温度快速收敛，获得推荐值，即若存在类似工况，可以按照铝液的质量、炉气质量等相关参数进行比例计算，基于获得的确定工况下的温度控制系数获得类似工况下的温度控制系数推荐值。

本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书实施例以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为本发明的低压铸造铝合金熔体的智能控温系统原理图；

图2为本发明的低压铸造铝合金熔体的智能控温方法的流程示意图；

图3为采用本发明的智能控温系统的温度控温曲线；

图4为采用现有的PID算法的温度控温曲线。

附图标记：

1-电阻炉；2-熔化坩埚；3-升液管；4-第一铠装热电偶；5-第二铠装热电偶；6-电阻加热丝；7-温度实时测量单元；8-智能控温单元；9-加热装置。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本发明的一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。

本发明针对优质铝合金熔体浇注时对温度监测及控制的需求，针对现有熔炼系统浇注前人工测量与控制精度低、低压铸造炉体密封后致使铝合金熔体温度不可测以及对于多品种不同铸件连续浇注时，一方面由于升液管3中铝液频繁升降，另一方面，不同铸件浇注温度有差异，造成温度快速控制难度较大导致铝合金熔体温度不易控制，上述三个原因造成铸件质量存在波动的问题，解决优质铝合金熔体智能控温关键技术难题，形成一套优质铝合金熔体智能控温系统，最终实现对优质铝合金熔体温度的实时在线测温及快速精确控制，进一步提高铸件合格率。

需要说明的是，现有技术中，由于铸造炉低压浇注时炉体密封，其内部的温度不可测；另外，对于不同品种的铸件连续浇注时，一方面由于升液管3中铝液频繁升降，另一方面，不同铸件浇注温度有差异，造成温度快速控制难度较大，因此导致铸造炉内的铝液温度不易控制，以上两方面导致低压铸造炉体内合金熔体温度不可测、不易控制，从而造成铸件质量存在波动的问题。

一方面，本发明还提供了一种低压铸造铝合金熔体的智能控温系统，包括电阻炉1、温度实时测量单元7、加热装置9和智能控温单元8；电阻炉1内设有熔化坩埚2，熔化坩埚2内盛有铝液；温度实时测量单元7设于电阻炉1内，温度实时测量单元7用于测量电阻炉1的炉气实时温度和铝液实时温度；智能控温单元8分别与温度实时测量单元7和加热装置9进行信号集成，温度实时测量单元7将测量的炉气温度和铝液温度反馈给智能控温单元8，智能控温单元8能够根据反馈的炉气温度和铝液温度控制加热装置9对电阻炉1的熔化坩埚2内的铝液进行加热或停止加热。

具体地，如图2所示，电阻炉1包括炉体，在炉体内设有熔化坩埚2，熔化坩埚2内设有铝液和升液管3，在低压铸造充型过程中，升液管3的作用是作为铝液在压力作用下进入铸型的通道。温度实时测量单元7设于电阻炉1内，该温度实时测量单元7能够实时测量炉气温度和铝液温度，并将测得的炉气实时温度和铝液实时温度反馈给智能控温单元8，智能控温单元8根据反馈的信息进行计算，求取炉气控制温度T1(tn)，并控制加热装置9对电阻炉1进行加热或停止加热，在对电阻炉1加热时，待电阻炉1的炉气实时温度T(tn)升高至炉气控制温度T1(tn)时，停止对电阻炉1加热。

需要说明的是，在利用智能控温单元8进行温度控制时，通过第一铠装热电偶4采集炉气实时温度T(tn)和通过第二铠装热电偶5采集铝液实时温度T3(tn)，智能控温单元8通过设置坩埚大小、铝液重量(坩埚大小、铝液重量为已知参数)等不同工况条件，通过式(8)计算温度控制系数β。

需要说明的是，炉气控制温度设置的阀值小于等于900℃，一方面是为了保证铝液的质量，另一方面是为了保证电阻炉1炉体以及加热元器件的正常工作。

为了实现智能控温，本发明的智能控温单元8包括温度监控模块、工况设置模块、工艺参数输入模块、智能控温模块以及数据记录模块；其中，温度实时测量单元7将测量的铝液实时温度T3(tn)和炉气实时温度T(tn)反馈给智能控温单元8的温度监控模块，温度监控模块用于实时显示该铝液实时温度T3(tn)和炉气实时温度T(tn)；工况设置模块用于设置炉体、熔化坩埚2以及铝液的工况，例如，设置炉气平衡温度T2，炉气平衡温度T2高于对应时刻的铝液实时温度5℃～25℃，在该温度下铝液温度可保持基本稳定；工艺参数输入模块用于输入预期达到的工艺参数要求，例如，设置铝液的工艺控制温度T4；智能控温模块通过式(8)计算该工况下的温度控制系数β并控制加热装置9；数据记录模块用于实时记录控温数据，控温数据包括铝液实时温度T3(tn)和炉气实时温度T(tn)，通过记录铝液实时温度T3(tn)和炉气实时温度T(tn)，并在已知铝液的工艺控制温度T4的情况下，能够得到铝液和炉气的温度控温曲线，对于类似工况条件的铝液温度调控，可以将该温度控温曲线作为参考依据。

需要强调的是，本发明利用第一铠装热电偶4监控炉气温度，同时利用第二铠装热电偶5监控铝液温度，利用炉气温度反应速度快、控制准确的优势，通过“以炉气控铝液”和“总热量输入控制”综合作用，弥补铝液温度控制存在迟滞性的问题。

对于智能控温单元8，在一个完整的控温过程中，对加热装置9停止加热阶段的炉气温度变化(炉气温度差值△T1(tn)＝T1(tn)-T2)与铝液温度变化情况(铝液温度差值△T2(tn)＝T4-T3(tn))进行分析，根据△T2(tn)＝△T1(tn)*β获得温度控制系数β，作为该工况条件下的系统推荐值。同时，根据铝液保温过程的铝液实际温度T3(tn)的波动情况，调整炉气平衡温度T2的数值，作为该工况条件下的优化推荐值。

对相同工况下的多个控温过程获得的温度控制系数β，取其平均值作为优化值。当设置了一个新的工况，智能控温单元8能够根据相类似的工况给出温度控制系数β的推荐值，当有部分工况参数值相同时，可根据有差异的工况参数值进行比例计算，获得系统的温度控制系数β推荐值。

对相同工况下的多个控温过程获得的炉气平衡温度T2，取其平均值作为优化值。当设置了一个新的工况，智能控温单元8能够根据相类似的工况给出炉气平衡温度T2的推荐值，当有部分工况参数值相同时，可根据有差异的工况参数值进行比例计算，获得系统的炉气平衡温度T2推荐值。

需要指出的是，本发明的温度实时测量单元7包括炉气温度测量装置和铝液温度测量装置；炉气温度测量装置安装于电阻炉1的炉膛内，该炉气温度测量装置用于实时测量炉气温度并反馈给智能控温单元8；铝液温度测量装置插入熔化坩埚2内的铝液中，铝液温度测量装置用于实时测量铝液温度并反馈给智能控温单元8。

需要说明的是，本发明的炉气温度测量装置采用第一铠装热电偶4，铝液温度测量装置采用第二铠装热电偶5，其中，第一铠装热电偶4横向设于电阻炉1的炉膛中，第二铠装热电偶5竖向插在熔化坩埚2的铝液中。

为了对熔化坩埚2进行加热，加热装置9包括坩埚电阻加热组件和加热控制电子元器件；坩埚电阻加热组件设于电阻炉1内，并用于对熔化坩埚2加热；加热控制电子元器件设于控制柜内，用于控制坩埚电阻加热组件对熔化坩埚2加热或停止加热。

为了对熔化坩埚2加热，本发明的坩埚电阻加热组件包括多个电阻加热丝6；加热控制电子元器件包括电流测量器件、电压测量器件和电压控制元器件。

具体地，本发明的多个电阻加热丝6分布在电阻加热炉炉体内侧，当电阻丝被通入电流后，电阻丝释放的热量开始对炉气进行加热，并将热量传导至熔化坩埚2及其内部的铝液；加热控制电子元器件包括电流测量器件、电压测量器件和电压控制元器件，其中，电流测量器件用于测量电阻加热丝6的电流大小；电压测量器件用于测量电阻加热丝6的电压大小；电压控制元器件用于控制电阻加热丝6的电压大小。

与现有技术相比，通过设置加热控制电子元器件，在智能控温系统的控制下，能够对电阻加热丝6的电流、电压进行实时精确控制。

为了测量炉气温度，本发明的第一铠装热电偶4上设有第一测量点，第一测量点距离电阻加热丝6的距离为100mm以上。将第一测量点与电阻加热丝6的距离控制在100mm以上的目的是确保第一铠装热电偶4测量的准确性同时确保第一铠装热电偶4不被损坏。

为了测量铝液浇注时的浇注温度并保证温度测量数值的稳定性，本发明的第二铠装热电偶5上设有第二测量点，第二测量点位于熔化坩埚2中下部，且与熔化坩埚2内升液管3的距离100mm～150mm。

具体地，将第二铠装热电偶5上的第二测量点与升液管3的距离控制在100mm～150mm的范围内的目的是：一方面，固定第二测量点，使每次测量的测量点相同，保证了测量的准确性；另一方面，第二铠装热电偶5的第二测量点距离升液管3的距离较近，其能够较好的反应浇注铝液的温度；另外，第二测量点与升液管3的距离可以避免浇注过程对第二铠装热电偶5的影响，保证了测量的数据的精确性。

由于第二铠装热电偶5无法长时间浸泡在高温铝液中，本发明为了避免第二铠装热电偶5与熔化坩埚2内的高温铝液接触，本发明在第二铠装热电偶5的外侧套设有耐热陶瓷保护套，利用该耐热陶瓷保护套将第二铠装热电偶5与高温铝液隔离起来，最终避免了第二铠装热电偶5长时间浸泡在高温铝液中。

另一方面，本发明提供了一种低压铸造铝合金熔体的智能控温方法，如图1所示，包括以下步骤：

步骤1、实时获取tn时刻的炉气实时温度T(tn)；

步骤2、计算得到设定工况下的tn时刻的炉气控制温度T1(tn)；

步骤3、判断炉气实时温度T(tn)与tn时刻的炉气控制温度T1(tn)的大小；

若T(tn)＜T1(tn)，则启动加热装置9，对铝液体进行加热；

若T(tn)＞T1(tn)，则关闭加热装置9，对铝液体停止加热；

若T(tn)＝T1(tn)，则关闭加热装置9，对铝液体停止加热；

当T(tn)＝T1(tn)时，在该炉气控制温度T1(tn)条件下可使得铝液加热到工艺控制温度T4；其中，n为时刻序号。

与现有技术相比，本发明同时监控炉气温度和铝液温度，通过炉气温度进而控制铝液温度，提高了铝液温度控制的准确性，可有效提高铸件产品质量稳定性，避免人为操作因素带来的不利影响。

在上述步骤2中，计算得到tn时刻的炉气控制温度T1(tn)的方法为：

△T1(tn)＝T1(tn)－T2 (1)

△T2(tn)＝T4－T3(tn) (2)

△T2(tn)＝△T1(tn)*β (3)

其中，T1(tn)为tn时刻的炉气控制温度，℃；

T2为设定的炉气平衡温度，℃；

T3(tn)为tn时刻的铝液实时温度，℃；

T4为铝液的工艺控制温度，℃；

β为温度控制系数，确定工况下为常数。

上述公式中，T2为设定的炉气平衡温度，为已知值，n时刻的铝液实时温度T3(tn)可通过测量装置实时获取，铝液的工艺控制温度T4为铝液的目标温度，为已知值，因此，可以计算得到tn时刻的炉气控制温度T1(tn)。

与现有技术相比，本发明利用炉气温度反应速度快、控制准确的优势，通过“以炉气控铝液”和“总热量输入控制”综合作用，弥补铝液温度控制存在迟滞性的问题。

在上述步骤2中，设定工况下，基于炉气的可转换热量与铝液应输入热量的关系，确定β常数的方法为：

炉气可转换热量Q1(tn)：

Q1(tn)＝m1*c1*△T1(tn) (4)

铝液应输入热量Q2(tn)：

Q2(tn)＝m2*c2*△T2(tn) (5)

Q2(tn)＝α*Q1(tn) (6)

根据(4)、(5)和(6)得到：

△T2(tn)＝△T1(tn)*(m1*c1*α/(m2*c2)) (7)

得到：

β＝(m1*c1*α)/(m2*c2) (8)

其中，α为加热转换系数，需要注意的是，加热转换系数α是根据坩埚大小、铝液重量、浇注状态或熔化状态的不同工况条件根据经验设定的。其中：

c1为炉气的比热容，单位为J/(kg.℃)；

c2为铝液的比热容，单位为J/(kg.℃)；

m1为炉气的质量，单位为kg；

m2为铝液的质量，单位为kg。

需要说明的是，实际上受介质和设备的影响，炉气的可转换热量q1与铝液应输入热量q2之间存在加热转换系数α，在坩埚大小、铝液重量、浇注状态或熔化状态、浇注设备等工况条件确定的情况下，加热转换系数α为确定的值，即为常数。也就是说，在工况一定的情况下，式(8)中各个参数可认为都是固定的，因而β也是固定的，确定工况下为常数。

在上述步骤2中，计算得到tn时刻的炉气控制温度T1(tn)的方法为：

T1(tn)＝△T2(tn)/β+T2；

T1(tn)＝(T4－T3(tn))/β+T2；

其中，T2为设定的炉气平衡温度，℃；

T3(tn)为tn时刻的铝液实时温度，℃；

T4为铝液的工艺控制温度，℃；

β为温度控制系数，确定工况下β为常数，β的取值范围为0.025-0.075。需要说明的是，实际确定β参数时，可先根据实际工况给出经验值，并利用控温过程数据进行自学习，不断进行迭代优化，确定优化值。

需要说明的是，在上述步骤2中，设定的炉气平衡温度T2高于铝液温度5℃～25℃。

需要说明的是，在上述步骤2中，每隔5s-10s测一次炉气控制温度T1(tn)。

需要强调的是，本发明的炉气控制温度T1(tn)≤900℃；当计算得到的T1(tn)＞900℃时，则将T1(tn)取值900℃，并按该温度对炉气进行控温。

需要说明的是，在上述步骤1中，实时获取tn时刻的炉气实时温度T(tn)方法为：将炉气温度测量装置置于电阻炉1的炉膛内，炉气温度测量装置能够测量tn时刻的炉气实时温度T(tn)并将炉气实时温度T(tn)反馈至温度监控模块。

需要指出的是，在上述步骤2中，tn时刻的铝液实时温度T3(tn)的获取方法为：将铝液温度测量装置插入电阻炉1内的熔化坩埚2内的铝液中，铝液温度测量装置能够测量tn时刻的铝液实时温度T3(tn)并将铝液实时温度T3(tn)反馈至温度监控模块。

需要强调的是，为了精确测量炉气实时温度和精确测量铝液实时温度，本发明的炉气温度测量装置采用第一铠装热电偶4，铝液温度测量装置采用第二铠装热电偶5；第一铠装热电偶4横向设于电阻炉1的炉膛中，第二铠装热电偶5竖向插在熔化坩埚2的铝液中。

实施例1

本实施例中β为温度控制系数，根据经验选定温度控制系数β为0.05。

假设铝液实时温度T3为700℃，设定炉气平衡温度T2高于铝液工艺控制温度15℃，即炉气平衡温度T2为715℃，在该温度下铝液温度可保持基本稳定。

若要将铝液温度提升5℃，即△T2＝5℃，即铝液的工艺控制温度T4＝705℃，其对应的炉气平衡温度T2为720℃。设定控温开始为t0时刻，控温结束为t1时刻。则控温初始阶段t0时刻的炉气温度差值△T1(t0)的计算过程及结果为：

△T1(t0)＝(T4－T3(t0))/β；

△T1(t0)＝(705℃-700℃)/0.05；

△T1(t0)＝100℃；

该时刻的炉气控制温度T1(t0)为：

T1(t0)＝△T1(t0)+T2

T1(t0)＝100℃+720℃＝820℃。

此时，将炉气控制温度T1(t0)设定为820℃，利用智能控温单元8控制加热装置9对电阻炉1进行加热，炉气实时温度开始上升。设置控制频率为每8s一次，再次重复上述过程，重新获得新的炉气控制温度，并按照新的炉气控制温度进行控温，实现加热终点时刻的铝液实时温度T3(t1)升至705℃。

在整个控温过程中，在某个tm时刻，若炉气实时温度升至最高值780℃便开始停止加热，即此时的炉气控制温度T1(tm)也为780℃，此时测得的铝液实时温度T3(tm)为702℃。随着炉气温度下降至炉气平衡温度T2，铝液实时温度T3(t1)也达到工艺控制温度T4。则在降温过程中，实际炉气温度差值△T1为：

△T1＝T1(tm)-T2＝780℃-720℃＝60℃；

实际铝液温度差值△T2为：

△T2＝T4-T3(tm)＝705℃-702℃＝3℃；

则实际温度控制系数β为：

β＝△T2/△T1＝3℃/60℃＝0.05。

这说明温度控制系数β设定合理。

需要说明的是，理想状态下的温度控温曲线为加热装置9全功率加热，当炉气实时温度T(tm)到达炉气控制温度T1(tm)的tm时刻后停止加热，随着炉气温度的下降，铝液温度便升至其工艺控制温度T4，在整个控温过程中，炉气实时温度T2(tn)和铝液实时温度T3(tn)的变化情况参见图3的温度控温曲线。

实施例2

在上述实施例1中，若实际温度控制系数β＝△T2/△T1＝2.5℃/50℃＝0.05估值不准确，在某个tm时刻，若炉气实时温度升至最高值770℃便开始停止加热，即此时的炉气控制温度T1(tm)也为770℃，此时测得的铝液实时温度T3(tm)为702.5℃。随着炉气温度下降至炉气平衡温度T2，铝液实时温度T3(t1)将工艺控制温度T4，变为705.5℃。则在降温过程中，实际炉气温度差值△T1为：

△T1＝T1(tm)-T2＝770℃-720℃＝50℃；

实际铝液温度差值△T2为：

△T2＝T4-T3(tm)＝705.5℃-702.5℃＝3℃；

则实际温度控制系数β为：

β＝△T2/△T1＝3℃/50℃＝0.06。

则修订该工况条件下温度控制系数β为0.06。

若在保温阶段，当炉气温度稳定至720℃时，实际铝液温度在706℃波动，则说明炉气平衡温度略高，相应下调该工况下炉气平衡温度，下调推荐值为14℃。

对照例1

现有技术采用PID算法为核心的直接数字式控制系统，一般直接采用热电偶插入铝液中监控铝液温度进行控制。如图4所示，当实测的铝液温度低于设定的工艺温度时，PID控制器控制加热系统进行加热。但由于其直接测量与控制的是铝液温度，当铝液实时温度逼近工艺控制温度时，虽然此时加热功率会下降，但此时由于炉气实际温度很高，导致铝液温度控制存在较大滞后性，铝液实际温度容易超出工艺控制温度精度范围。

对照例1提供的直接数字式控制系统存在的优点及弊端是：其算法较为简单、鲁棒性好、可靠性好。但在生产过程中，由于传热过程复杂，一般电加热炉都具有非线性、较大滞后性和不对称性等热点，传统的PID控制显现出局限性。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种低压铸造铝合金熔体的智能控温系统，其特征在于，包括电阻炉、温度实时测量单元、加热装置和智能控温单元；

所述电阻炉内设有熔化坩埚，所述熔化坩埚内盛有铝液；所述温度实时测量单元设于所述电阻炉内，所述温度实时测量单元用于测量所述电阻炉的炉气实时温度和铝液实时温度；

所述智能控温单元分别与温度实时测量单元和加热装置进行信号集成，所述温度实时测量单元将测量的炉气温度和铝液温度反馈给所述智能控温单元，所述智能控温单元能够根据反馈的炉气温度和铝液温度控制加热装置对电阻炉的熔化坩埚内的铝液进行加热或停止加热。

2.根据权利要求1所述的低压铸造铝合金熔体的智能控温系统，其特征在于，所述智能控温单元包括温度监控模块、工况设置模块、工艺参数输入模块、智能控温模块以及数据记录模块；

所述温度监控模块用于实时显示测量的铝液温度和炉气温度；所述工况设置模块用于设置炉体、熔化坩埚以及铝液的工况；所述工艺参数输入模块用于输入预期达到的工艺参数要求；所述智能控温模块用于自动计算控温参数并控制加热装置；所述及数据记录模块用于实时记录控温数据。

3.根据权利要求2所述的低压铸造铝合金熔体的智能控温系统，其特征在于，所述温度实时测量单元包括炉气温度测量装置和铝液温度测量装置；

所述炉气温度测量装置安装于所述电阻炉的炉膛内，所述炉气温度测量装置用于实时测量炉气温度并反馈给所述智能控温单元；

所述铝液温度测量装置插入所述熔化坩埚内的铝液中，所述铝液温度测量装置用于实时测量铝液温度并反馈给所述智能控温单元。

4.根据权利要求3所述的低压铸造铝合金熔体的智能控温系统，其特征在于，所述炉气温度测量装置采用第一铠装热电偶，所述铝液温度测量装置采用第二铠装热电偶。

5.根据权利要求4所述的低压铸造铝合金熔体的智能控温系统，其特征在于，所述加热装置包括坩埚电阻加热组件和加热控制电子元器件；

所述坩埚电阻加热组件设于所述电阻炉内，并用于对熔化坩埚加热；所述加热控制电子元器件设于控制柜内，用于控制所述坩埚电阻加热组件对熔化坩埚加热或停止加热。

6.根据权利要求5所述的低压铸造铝合金熔体的智能控温系统，其特征在于，所述坩埚电阻加热组件包括多个电阻加热丝；

所述加热控制电子元器件包括电流测量器件、电压测量器件和电压控制元器件。

7.根据权利要求6所述的低压铸造铝合金熔体的智能控温系统，其特征在于，所述第一铠装热电偶上设有第一测量点，所述第一测量点距离所述电阻加热丝的距离为100mm以上；

所述第二铠装热电偶上设有第二测量点，所述第二测量点位于所述熔化坩埚中下部，且与熔化坩埚内升液管的距离100mm～150mm。

8.根据权利要求4所述的低压铸造铝合金熔体的智能控温系统，其特征在于，所述第二铠装热电偶外套设有耐热陶瓷保护套。

9.一种低压铸造铝合金熔体的智能控温方法，其特征在于，采用权利要求1至8所述的智能控温系统，所述智能控温方法包括以下步骤：

步骤1、实时获取tn时刻的炉气实时温度T(tn)；

步骤2、计算得到设定工况下的tn时刻的炉气控制温度T1(tn)；

步骤3、判断炉气实时温度T(tn)与tn时刻的炉气控制温度T1(tn)的大小；

若T(tn)＜T1(tn)，则启动加热装置，对铝液体进行加热；

若T(tn)＞T1(tn)，则关闭加热装置，对铝液体停止加热；

若T(tn)＝T1(tn)时，关闭加热装置，对铝液体停止加热，此时，在该炉气控制温度T1(tn)下能够使得铝液加热到工艺控制温度T4；

n为时刻序号。

10.根据权利要求9所述的低压铸造铝合金熔体的智能控温方法，其特征在于，在所述步骤2中，计算得到tn时刻的炉气控制温度T1(tn)的方法为：

△T1(tn)＝T1(tn)－T2 (1)

△T2(tn)＝T4－T3(tn) (2)

△T2(tn)＝△T1(tn)*β (3)

其中，T1(tn)为tn时刻的炉气控制温度，℃；

T2为设定的炉气平衡温度，℃；

T3(tn)为tn时刻的铝液实时温度，℃；

T4为铝液的工艺控制温度，℃；

β为温度控制系数，确定工况下为常数。

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