復(fù)合彎管燃燒合成的自動(dòng)化設(shè)備設(shè)計(jì)與應(yīng)用

　　SHS陶瓷內(nèi)襯復(fù)合管具有耐磨、耐蝕、耐高溫等性能,將其應(yīng)用于礦山、電力、煤炭、冶金等行業(yè),可以較好地解決這些行業(yè)對(duì)物料輸送管道高耐磨性、強(qiáng)耐腐蝕性及抗高溫性等要求,且其制造成本低,生產(chǎn)效率高,因而該技術(shù)一投入使用便產(chǎn)生了良好的社會(huì)與經(jīng)濟(jì)效益[1,2]。

　　制備SHS陶瓷內(nèi)襯復(fù)合管主要有SHS離心法和SHS重力分離法[3],前者適用于制備大口徑長(zhǎng)直管,后者適用于制備小口徑直管及各種異型管,尤其適用于制備物料輸送系統(tǒng)中影響輸送管道使用壽命的關(guān)鍵部件———彎頭,并有望取代目前將SHS離心法制備的直管按角度切割再拼合焊接成復(fù)合彎管的生產(chǎn)工藝[4]。

　　但是直到目前,利用SHS重力分離技術(shù)制備復(fù)合彎管的生產(chǎn)工藝仍停留在手工生產(chǎn)方式上,使得生產(chǎn)工藝難以控制,質(zhì)量不穩(wěn)定,效率低,成本高。因此研制燃燒合成復(fù)合彎管的自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備已成為該技術(shù)推廣的當(dāng)務(wù)之急。

　　本文介紹了一種制備SHS陶瓷內(nèi)襯復(fù)合彎管的自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備設(shè)計(jì)與應(yīng)用,分析了采用該設(shè)備制備出的復(fù)合彎管的組織與性能,從而為實(shí)現(xiàn)該技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化提供了設(shè)備保證。

　　2制備復(fù)合彎管的原理[5]

　　鋁熱—重力分離SHS法制備復(fù)合彎管的原理見圖1。將粒度一定的Fe2O3粉、Al粉及SiO2粉等,按一定比例配制成鋁熱劑,混合烘干后填充于彎管內(nèi),點(diǎn)燃鋁熱劑使之發(fā)生如式(1)的自蔓延鋁熱反應(yīng)。反應(yīng)產(chǎn)生的高溫使生成物Al2O3和Fe熔融,并在未反應(yīng)物料上部形成熔池。與此同時(shí),按箭頭方向機(jī)械旋轉(zhuǎn)鋼管,使熔池液面(或燃燒波面)始終保持水平位置。在重力作用下,不互熔的兩相熔體Al2O3和Fe分離,Fe沉積于熔池底部,Al2O3浮于上部。隨自蔓延反應(yīng)燃燒波面自上而下的移動(dòng)和鋼管向外散熱冷卻,Al2O3陶瓷在鋼管內(nèi)壁結(jié)晶凝固,從而在彎管內(nèi)形成了一層均勻的氧化鋁陶瓷涂層。需要強(qiáng)調(diào)的是保持高溫熔池液面始終處于水平位置是制備復(fù)合彎管的關(guān)鍵。

　　Fe2O3+2Al=Al2O3+2Fe+836kJ(1)

　　3自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備工作的技術(shù)路線

　　從制備原理看出,設(shè)計(jì)出的自動(dòng)化設(shè)備必須能自行檢測(cè)鋁熱自蔓延反應(yīng)燃速和高溫熔池液面位置;通過(guò)燃速計(jì)算、高溫熔池液面位置誤差識(shí)別和算法控制等來(lái)操縱執(zhí)行電機(jī)按一定方向和速率旋轉(zhuǎn),使高溫熔池液面始終處于水平位置,以滿足熔池中Fe與Al2O3不互溶的兩相熔體在重力作用下分離及液態(tài)陶瓷涂覆的條件,實(shí)現(xiàn)復(fù)合彎管燃燒合成的自動(dòng)化。

　　因此,復(fù)合彎管燃燒合成自動(dòng)化設(shè)備主要包括檢測(cè)系統(tǒng)與控制系統(tǒng)兩大部分。為此,以89C52單片機(jī)為核心智能部件組成檢測(cè)與控制系統(tǒng)可解決該問(wèn)題

　　4檢測(cè)系統(tǒng)

　　鋁熱重力分離SHS法制備復(fù)合管的燃燒過(guò)程遵循層狀反應(yīng)物燃燒法模型[6]

　　由圖3看出,反應(yīng)界面區(qū)與預(yù)熱區(qū)存在很大的溫度梯度。從鋁熱—重力分離SHS手工制備復(fù)合彎管也看到:燃燒合成過(guò)程中,反應(yīng)熔池在鋼管外表面表現(xiàn)為具有一定寬度的一條亮帶,與周圍尤其與預(yù)熱區(qū)形成鮮明對(duì)比,它隨反應(yīng)熔池的移動(dòng)而移動(dòng)。這就為熔池液面的位置檢測(cè)提供了理論和實(shí)踐依據(jù)。

　　本系統(tǒng)根據(jù)輻射測(cè)溫原理,采用光纖傳感技術(shù)和紅外光電檢測(cè)技術(shù)[7]來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)反應(yīng)熔池位置的檢測(cè),

　　即通過(guò)光纖傳輸,線陣光電二極管接收SHS過(guò)程熱輻射產(chǎn)生的紅外光,輸出電信號(hào),經(jīng)過(guò)信號(hào)的取樣放大和比較,得到與熔池位置相關(guān)的數(shù)字信號(hào),送單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

　　由于反應(yīng)界面區(qū)與預(yù)熱區(qū)存在較大的溫度梯度,高溫熔池在彎管外壁形成了鮮明的亮帶,只要設(shè)定的基準(zhǔn)電壓與反應(yīng)界面區(qū)的輻射信號(hào)電壓相當(dāng),就可以區(qū)分開反應(yīng)界面區(qū)與預(yù)熱區(qū)。再通過(guò)系統(tǒng)默認(rèn)的液面偏移量來(lái)校正,使控制器得到的液面位置與實(shí)際液面位置一致。根據(jù)得到的熔池液面的位置數(shù),通過(guò)與理想位置比較,就獲得了熔池位置誤差,繼而也就得到了位置誤差的變化量。

　　以平均熔池移動(dòng)速度作為執(zhí)行電機(jī)旋轉(zhuǎn)的初速度,其誤差大小直接關(guān)系到控制系統(tǒng)的系統(tǒng)控制誤差。因此,平均熔池移動(dòng)速度的檢測(cè)和自動(dòng)修正同樣是必不可少的。為了準(zhǔn)確地反映整根彎管合成過(guò)程中熔池移動(dòng)的平均速度,通過(guò)鍵盤設(shè)定與系統(tǒng)自調(diào)整相結(jié)合的方法確定反應(yīng)熔池移動(dòng)的平均速度。

　　5控制系統(tǒng)

　　鋁熱—重力分離SHS法制備復(fù)合彎管過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜的燃燒合成過(guò)程,受反應(yīng)物料配方、裝料密度、預(yù)熱處理工藝和彎管幾何尺寸等多種因素的影響,熔池移動(dòng)速度的精確數(shù)學(xué)模型難以建立。

　　本系統(tǒng)以智能控制原理為基礎(chǔ),首次將模糊邏輯理論[8,9]與重力分離SHS技術(shù)相結(jié)合,以熔池位置誤差和誤差變化作為模糊控制器輸入,定時(shí)器時(shí)間常數(shù)作為控制器輸出,根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)指定控制規(guī)則,按照Mamdani推理方法,運(yùn)用重心法進(jìn)行模糊判斷,設(shè)計(jì)出相應(yīng)的模糊控制器,來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)熔池液面位置的控制。

　　對(duì)控制器性能的改進(jìn),一方面通過(guò)系統(tǒng)參數(shù)自調(diào)整,另一方面通過(guò)實(shí)驗(yàn)比較優(yōu)化模糊控制.

　　自蔓延合成彎管機(jī)控制系統(tǒng)原理圖

　　為保證反應(yīng)時(shí)間和控制精度,采用步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行電機(jī),用步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器來(lái)驅(qū)動(dòng),對(duì)電機(jī)功率要求不高。

　　6陶瓷內(nèi)襯復(fù)合彎管的組織性能

　　用上述自動(dòng)化設(shè)備所制備出的陶瓷內(nèi)襯復(fù)合彎管的實(shí)物照片。管材為20碳鋼,弧度為90°,曲率半徑為160mm。由圖可見,內(nèi)襯陶瓷層壁厚均勻(約為1.5mm),且與鋼管結(jié)合良好。由于彎管是冷加工成型,彎弧處存在明顯的機(jī)械變形,使其截面形狀顯現(xiàn)出不規(guī)則圓形,而該處內(nèi)襯陶瓷層截面也以同樣形狀出現(xiàn),從而證明該自動(dòng)化設(shè)備運(yùn)行可靠有效。

　　經(jīng)對(duì)樣品陶瓷層進(jìn)行X射線衍射分析,見圖7。發(fā)現(xiàn)陶瓷層中存在著α-Al2O3基體相和FeO·Ａl2O3尖晶石亞穩(wěn)相,SiO2以石英相結(jié)構(gòu)存在。α-Al2O3基體以樹枝晶沿鋼管徑向向心分布,FeO·Ａl2O3尖晶石相構(gòu)成枝晶晶界,SiO2石英相存在于枝晶晶界上

　　陶瓷復(fù)合彎管的力學(xué)性能為:陶瓷層孔隙率4.0%～6.0%、陶瓷層顯微硬度(1531±102)HVO.2、壓潰強(qiáng)度(430±20)MPa、抗剪強(qiáng)度(直管段)16.7MPa。

　　由于在彎管弧彎處存在著明顯的機(jī)械變形,故抗壓剪強(qiáng)度只能以直管段的抗壓剪強(qiáng)度予以參考。

　　7結(jié)論

　　1)根據(jù)輻射測(cè)溫原理,用“光闌→光纖→光敏二極管陣列→放大器→比較器→單片機(jī)”組成的檢測(cè)系統(tǒng),檢測(cè)復(fù)合彎管燃燒合成過(guò)程中熔池液面位置和應(yīng)用模糊控制原理,用單片機(jī)系統(tǒng)軟件,通過(guò)步進(jìn)電機(jī)→減速機(jī)→彎管夾具系統(tǒng),控制復(fù)合彎管燃燒合成過(guò)程中熔池液面位置,其方案可行,計(jì)算簡(jiǎn)單,易于實(shí)現(xiàn)。

　　2)用該自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備制備出的復(fù)合彎管內(nèi)襯陶瓷壁厚均勻,質(zhì)量穩(wěn)定,其組織性能可以滿足工程需要。

　　3)應(yīng)用由光纖光電傳感器和以單片機(jī)為核心智能部件的模糊控制器組成的燃燒合成復(fù)合彎管設(shè)備,不僅能滿足生產(chǎn)需要,而且可以減輕勞動(dòng)強(qiáng)度,具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、適用范圍廣、成本低、控制精度較高等優(yōu)點(diǎn),適用于陶瓷復(fù)合彎管的批量生產(chǎn)。