（机械设计及理论专业论文）镁合金熔炉温控系统的研究与开发.pdf

浙江工业大学硕士学位论文 镁合金熔炉温控系统的研究与开发 摘要 镁合金作为最轻的商用金属结构材料，因其独特的优点被广泛应用于汽车、 摩托车及信息产业、航天航空等领域。随着镁合金需求的增加，镁合金熔炉、压 铸机等关键生产设备的研发也逐渐受到人们的重视。目前国外只有少数几个工业 发达国家具有成熟的设备生产技术，国内个别研究机构和企业实现了镁合金熔化 炉的设计与制造，但是性能与国外产品仍然存在明显差距。浙江省科技厅计划项 目“镁合金绿色再熔技术及熔化保温定量喂料炉研究与开发基于此背景提出， 本文主要研究和开发镁合金熔炉温控系统。 通过分析镁合金熔炉整体系统，明确了温控系统的功能要求。在分析镁合金 熔炼工艺过程的基础上，借助传热模拟分析等手段，分析了熔炉升温阶段的坩埚 热应力情况，确定了合理的升温速率以及镁熔体的温度变化规律，提出了采用 p i d 算法的控制策略和多点测温的方法解决升温速率控制不当和连续浇注中镁 熔液温度波动大等问题的温控系统设计方案。 根据镁合金熔炉温控系统的功能需求，设计了一套基于p c 机和p l c 的控制 系统。该系统以p l c 为主控单元实现对熔炉系统的自动加热控制、数据采集等功 能。同时以p c 机为人机交互平台，应用v b 6 0 开发了上位机监控软件，实现了 上位机与下位机的联机控制以及对整个控制系统的集中监控，简化了操作方式， 降低了设备的故障率，提高了工作效率以及系统的准确性、灵活性。 完成了镁合金熔炉温控系统的硬件配置和软件设计，通过熔铝实验对温控系 统性能进行了测试，验证了加热系统的可行性、基于直接占空比输出控制和p i d 控制的混合控制方式的合理性。根据熔铝实验结果，建立了镁合金熔炉实验系统， 并进行了熔镁升温控制实验，实验结果表明，温控系统达到预期控制目标。 关键词：镁合金，熔炉，温控，p l c ，实验研究 浙江工业大学硕士学位论文 r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to f t e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e mf o r m a g n e s i u ma l l o ym e l 月i n gf u r n a c e a b s t r a ct a st h el i g h t e s tc o m m e r c i a lm e t a l l i cs 仃u d 腑m a t e r i a la tp r e s e n t m a g n e s i u m a l l o yw a sw i d e l yu s e di na u t o m o b i l e ，m o t o r c y c l e ，i t , a e r o s p a c ei n d u s t r i e s e t c b e c a u s eo fi t sd i s t i n g u i s hc h a r a c t e r i s t i c s a sar e s u l to ft h ei n c r e a s i n gd e m a n do n m a g n e s i u ma l l o y , v i t a lp r o d u c t i v ef a c i l i t i e sl i k em a g n e s i u ma l l o ym e l t i n gf u r n a c ea n d d i e - c a s t i n gm a c h i n ea r ea t t r a c t i n gm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n s h o w e v e r , f o rn o wt h e r e a r eo n l yaf e wi n d u s t r i a l l ya d v a n c e dc o u n t r i e sh a v ef u l l y - d e v e l o p e dt e c h n o l o g yt o p r o d u c et h e s ee q u i p m e n t s af e wi n s t i t u t e sa n df i r m sa r ec a p a b l eo fp r o d u c i n gt h e f u r n a c et h o u g h ，p e r f o r m a n c e sa r ef a rb e h i n d u n d e rt h i sc i r c u m s t a n c e , t h es c i e n c e a n dt e c h n o l o g y d e p a r t m e n t o fz h e j i a n gp r o v i n c e s p r o j e c t ， r e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n t o fe c o - f r i e n d l ym ga l l o yr e - m e l t i n gt e c h n i q u e & q u a n t i t a t i v e p o u r i n gf u r n a c ew a sp r o p o s e d t h i sp a p e rf o c u s e so nt h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n t o ft e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e mf o rm a g n e s i u ma l l o ym e l t i n gf u m a c e f u n c t i o n a ld e m a n df o rt e m p e r a t ec o n t r o ls y s t e mw a sc o n f i r m e da c c o r d i n gt o t h et h o r o u g h a n a l y s i so ne n t i r es y s t e mo fm a g n e s i u ma l l o ym e l t i n gf u r n a c e b a s e d o nt h ea n a l y s i so nt h et e c h n i c a lp r o c e d u r eo fm a g n e s i u ma l l o ym e l t i n gap r o p e rh e a t r a t ew a sc a l c u l a t e da n dt h em e l tt e m p e r a t u r ef l u c t u a t i o np a t t e r nw a ss t u d i e d ，v i a c o m p u t e rs i m u l a t i o no nt h e r m a lc o n d u c t i v i t ya n dt h e r m a ls t r e s so ft h ec r u c i b l ed u r i n g h e a t i n g - u pp r o c e d u r e t h e nas y s t e md e s i g ns c h e m ec o n s i s t sb yp i da l g o r i t h mc o n t r o l s t r a t e g y a n dm u l t i p l e p o i n tt e m p e r a t u r ed e t e c t w a st h e na d o p t e dt os t a b i l i z e i m p r o p e rh e a t i n gr a t ea n dt od a l t o wm e l tt e m p e r a t u r ef l u c t u a t i o nd u r i n gp o u r i n g p r o c e d u r e ac o n t r o ls y s t e mc o n s i s t e db yap ca n dp l cw a sd e s i g n e di nd e m a n do f t e m p e r a t u r ec o n t r 0 1 p l ci su s e dt oa u t o m a t i c a l l yc o n t r o lh e a t i n gr a t ea n dg a t h e rd a t a 1 i 浙江工业大学硕士学位论文 o nt h eo t h e rh a n d ，t h ep cp e r f o r m sa st h eu s e r si n t e r f a c e t h em o n i t o rs o f t w a r e w h i c hc o n n e c t st h eh o s tc o m p u t e ra n dp l ca n dc o n t r o l st h ew h o l es y s t e mw a s d e v e l o p e di nv i s u a lb a s i c6 0 t h e r e f o r e ，h u m a no p e r a t i o nw a ss i m p l i f i e d ，f a i l u r er a t e w a sr e d u c e da n dt h es y s t e m sp r e c i s i o na n df l e x i b i l i t yw a si n c r e a s e d a f t e rs o f t w a r ea n dh a r d w a r ed e s i g n , a l u m i n u mm e l t i n ge x p e r i m e n t sw e r e c o n d u c t e dt ot e s tt h ep e r f o r m a n c eo ft h et e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e m t h ef e a s i b i l i t y o fh e a t i n gs y s t e m ，t h eh y b r i dc o n t r o ls t r a t e g yu s i n gp i dc o n t r o la n dd u t yc y c l eo u t p u t c o n t r o lw a sp r o v e dr a t i o n a l m a g n e s i u mh e a t i n gc o n t r o le x p e r i m e n t sw e r ep e r f o r m e d o na ne x p e r i m e n t a lf u r n a c es y s t e mw h i c hw a sb u i l tb a s e do nt h er e s u l t sf r o m a l u m i n u mm e l t i n ge x p e r i m e n t s i tc a nb ec o n c l u d e df r o mr e s u l t so fm a g n e s i u m m e l t i n ge x p e r i m e n t st h a tt h et e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e md e s i g n e da n dd e v e l o p e di n t h i sr e s e a r c hh a sa c h i e v e dt h ee x p e c t e dt a r g e t sa n dt h ep r o j e c t sq u e s ti nt h ep r e s e n t s t a g eh a sb e e nc o m p l e t e d k e yw o r d s ：m a g n e s i u ma l l o y , m e l t i n gf u r n a c e ，t e m p e r a t u r ec o n t r o l ，p l c ， e x p e r i m e n ts t u d y i i i 浙江工业大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究工作 所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文不包含其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江工业大学或其它教育机构的 学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中 以明确方式标明。本人承担本声明的法律责任。 作者签名： m 、鲕眵废日期：叫年f 月乡9 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人授权浙江工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密曰。 ( 请在以上相应方框内打“寸) 作者签名：缸，矽透 导师签名：】衲忆 日期州年夕月；。e 1 日期：蛾弋年岁月7 。e t 浙江工业大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 研究背景 近年来，随着能源短缺和环境污染问题的突出，资源和环境已成为2 1 世纪 可持续发展的首要问题。在现代工业发展中，钢铁、铝等金属材料的消耗也与日 俱增，但据统计，全球铁、铝等资源的储藏量只够使用1 0 0 3 0 0 年，因此寻求 一种新的替代材料已成为刻不容缓的事情【1 4 1 。 镁是一种轻质工程材料，世界镁矿资源极其丰富，镁元素在地壳表层中含量 为2 3 ，在盐湖及海洋中的含量也十分巨大。我国是镁的资源大国，菱镁矿储 量居世界首位，约2 7 亿吨，占全球储量的2 2 5 e 5 1 。同时，镁合金作为工业金 属材料，具有一系列独特的性能优点【6 - 7 】： 1 ) 重量轻。镁的密度为铝的2 3 ，是钢的1 4 ，是目前实用金属结构材料中 比重最小的金属，因此在追求轻量化的行业中具有很好的前景。 2 ) 比强度高，略低于比强度最高的纤维增强材料。比刚度与铝合金、钢铁 基本持平，却远高于工程塑料。 3 ) 耐冲击、高阻尼和吸震、减震性能佳。镁合金具有极好的吸收能量的能 力，可吸收震动和噪音，其阻尼性比铝合金大数十倍，减震效果显著。 4 ) 机械加工性好，具有良好的铸造性能。可压铸制造形状复杂的零部件和 厚度超薄的外壳件，最薄可达0 4 5 m m 。 5 ) 散热性好，镁合金的导热能力是a b s 树脂的3 5 0 , - - , 4 0 0 倍，是笔记本电脑 外壳的最佳选择。 6 ) 良好的防电磁波干扰性能，作为计算机、手机等产品的外壳，可降低电 磁波对人体的辐射危害。 7 ) 再生性好，可完全回收再利用，属于理想的绿色环保材料。 基于以上优点，镁合金在各工业领域的应用迅猛增长，尤其是在汽车、摩托 车工业以及信息产业等领域得到了日益广泛的应用。同时随着镁合金产品制造产 业的发展，作为镁合金产品制造的关键设备，镁合金熔化炉、压铸机以及回收再 浙江工业大学硕士学位论文 造设备的研究开发得到了国内外研究机构和企业的广泛重视。但由于镁合金易氧 化燃烧、压铸温度高、热容量小等特点，使镁合金产品生产和回收设备的开发具 有一定难度，常规轻合金熔化炉和压铸机难以满足镁合金产品生产的需要。目前 只有少数几个工业发达国家可以生产。尽管国内有几家企业的镁合金熔化炉投入 生产，但是在节能、定量喂料精度、温度控制精度、熔炼质量方面仍与国外产品 存在较大的差距。因此，加强镁合金再熔工艺的研究，开发绿色环保的用于镁合 金产品制造和回收的镁合金熔化炉成为当务之急。 浙江省科技厅计划项目“镁合金绿色再熔技术及熔化保温定量喂料炉研究与 开发”基于此背景提出。该项目主要是对熔化保温系统、气体保护系统、定量浇 注系统等进行研究与开发，其技术路线如图卜l 所示。 图1 - 1 项目研发技术路线图 本文的主要任务是进行镁合金熔化保温定量喂料炉( 以下简称镁合金熔炉) 温控系统的研究与开发，为浙江省科技厅计划项目的其中一个子项目。相关技术 参数要求如表1 - 1 所示： 2 浙江工业大学硕上学位论文 表1 - 1 项目技术指标 i 参数名称熔炉容量熔化率温度控制精度 i 指标1 5 0 k g6 0 k g h5 1 2 镁合金熔炉研究现状 1 2 1镁合金熔炉整体技术研究现状 目前，美国、挪威、加拿大、俄罗斯、奥地利和挪威的镁合金生产技术处于 世界领先水平 8 】。美国、加拿大、德国、奥地利等西方国家主要提供以混合气体 保护、电阻坩埚炉熔化为主体的成套系统，或从事镁合金锭的生产；俄罗斯拥有 成熟的镁合金生产技术，主要采用燃气反射炉和工频感应熔炼炉。现代化的镁合 金专业生产厂趋向于采用大型自动化的无溶剂熔炼系统，以确保产品质量、产品 一致性及提高生产率【9 】。 国内清华大学网、重庆硕龙公司【l o 】等少数公司或研究机构已具有生产镁合金 熔铸成套系统的技术，并应用于企业的大规模生产，但是性能与国外产品仍然存 在一定差距。多数企业技术落后、小而分散，生产设备缺乏自动化、集成化。 1 2 2 镁合金熔炉温控技术研究现状 镁合金熔炉控制技术从功能上分主要包括镁合金的阻燃保护、熔炉温度控 制、定量输送控制三个部分，其中镁合金熔炉的温控技术是镁合金熔炼的一个关 键技术。熔炉温度控制精度是衡量熔炉好坏的一个非常重要的技术指标。熔炉常 与压铸机等相关设备配套使用，而镁合金压铸生产对镁合金熔体的浇注温度非常 敏感，熔炉向压铸设备提供的熔液温度的精度会对压铸件质量产生很大影响。目 前，熔炉温度控制技术主要包括加热系统、控制系统硬件组成、控制策略三方面。 加热系统 镁合金熔炉早期就己采用电阻炉，成本较低且能效较高，同时不需要水冷。 随着加热元件的性能提高，同时加热元件的布局方式由串联线状发展到并联线 状，也随之出现了新型电炉【1 1 】。现在感应电炉得到了广泛应用，其生产效率高， 加热均匀，但与电阻炉相比，在熔炉保温性能、电耗指标及合金元素熔炼损耗控 制等方面均有一定的差距【9 】。 浙江工业大学硕士学位论文 为了确保熔炉使用寿命长、安全可靠、准确控制、维护方便，压铸熔炉普遍 采用电热加热控温模式，加热元件按结构可分为“集束式 和“螺旋管式 两类。 重庆硕龙科技有限公司熔炉均采用螺旋管式加热元件。在镁合金熔炉中，对于控 温手段普遍采用p i d 控温技术，重庆硕龙公司自主开发了“多点协同智能控温技 术 ，有效抑制了浇注室熔体温度波动【l o 】。 王翠梅、姜朝群【1 2 】提出对电阻加热炉分区布置卡口式加热器的方法对一铝、 镁合金模锻件循环空气电阻加热炉进行改造，使得加热炉在缩小温差、炉温均匀 等方面取得了不错的效果。 控制系统硬件组成 控制系统的硬件组成对系统的稳定性、可靠性、准确性等方面有很大关联。 其中，主控单元和监控单元的组成尤为重要。在现有成熟产品中，多以p l c 为主 控单元，以触摸屏或工控机作为监控单元，两者以通讯方式实现联机控制1 3 d 5 1 。 表1 - 2 中给出了国内外主流熔炉的关键功能技术对比【l o l 。 表1 - 2国产镁合金熔炉与进口产品的主要功能及部分特征比较 组成部分r a u c h 熔炉 s t r i k ow e s t o f f e n 熔炉si n o s t ( 重庆硕龙) 熔炉 熔炉结构单炉双室坩埚，低碳双炉双坩埚，低碳钢单炉双室坩埚，低碳钢 钢耐热钢叔金属复耐热钢舣金属复合钢板耐热钢双金属复合钢板 合钢板焊接焊接焊接 温度调控系统电加热、热偶+ p l c 控电加热、热偶+ p l c 控制电加热、热偶+ p l c 控制系 制系统系统统 定量浇注螺旋泵的转速及转动时低( 氩气) 压浇注，容螺旋泵的转速及转动时 间复合定量，辅助液位检积定量间复合定量，辅助液位检 测测 熔体防氧保护n z + s f 6 混合气体保护n 2 + s f 6 混合气体保护n z + s f s 混合气体保护 浇注定位三维机械式定位系统按需设计的固定式浇管三维电液复合定位系统 从表1 - 2 可见，温控系统主要采用电加热元件加热，热电偶测温，再加上稳定 可靠的p l c 控制系统来实现温度控制。 控制策略 温度控制是一个过程控制，由于热惯性的影响，一般很难直接实现准确的控 制。在工业控制过程中，常常加入定的控制策略以便实现较优的控制。 常用控制策略有p i d 控制、模糊控制、智能控制等多种控制方式。在温度控制 4 浙江工业大学硕士学位论文 中，许多研究人员多采用以p i d 算法为基础的控制策略，并以此为基础做了相关 的算法改进及应用【1 6 - 2 0 。 除了以上几方面，研究方法对于系统的研究和开发也是极为重要的一方面。 在熔炉温控研究中，许多研究人员偏向于理论研究、模拟仿真。一般先通过对温 度模型进行数学建模，进而利用模拟仿真软件如m a t l a b 等对模型进行仿真分析， 最后将理论研究在实际中进行求证【2 1 之5 1 。但熔炉温度控制过程是多参量非线性， 其数学模型难以精确建立【2 6 1 。因此，对熔炉的控制策略研究如p i d 参数整定等主 要通过实验研究完成。 熔炉温控技术的成效最终体现在熔炉熔化率、控温精度等方面，如表卜3 t 2 7 。2 9 1 所示。在容量相近的镁合金熔炉里，国内在某单项技术指标上已逐步接近国际水 平，但从熔化率、温度控制精度综合比较，国内技术水平与国外相比还存在着一 定差距。 表1 3 国内外典型熔炉温度控制精度比较 公司熔炉型号 熔炉容量k g 温度精度 c 熔化率k g h r a u c hm d 0 7 0 e1 8 557 0 硕龙 s u 2 0 02 0 0 5 8 0 镁特威m t c 7 5 h a2 6 077 5 1 3 研究目的与意义 镁合金相关产业的发展使国内外对镁合金需求量急剧增加，同时熔炼技术及 相关设备的研发也成为一个必然趋势。世界上部分发达国家对镁合金相关技术研 究已达到较高水平，但国内在此方面研究却比较欠缺，生产设备多采用国外进口 的高成本设备。因此，即使我国镁矿储藏量丰富，却只是以原材料的方式简单输 出到国外。所以，加强镁合金相关技术的研究对我国镁合金产品及相关产业发展 意义重大。 在制造镁合金产品的相关设备中，镁合金熔化保温定量喂料炉是关键设备。 镁合金熔炼浇注过程中的温度控制对镁合金产品质量及生产安全性都有很大影 响，是一个关键技术。但国内部分镁合金熔炉产品在控制方面还存在以下问题： 自动化程度低、集成度不高； 系统稳定性、可靠性差； 5 浙江工业大学硕士学位论文 控制精度不高，尤其是熔炉温度控制难以满足某些压铸产品对浇注熔液温 度精度要求较高的需求，同时一定程度上也造成了能源的浪费。 因此，本文主要针对镁合金熔炉温控研究，以提高熔炉温度控制精度为目标， 开发一套熔炉温度控制系统。通过该研究希望能促进国内熔炉温度控制技术的研 发，同时也以此带动镁合金生产压铸设备的研发，从而促进镁在各相关行业中的 应用。 1 4 研究内容与技术路线 本文研究内容是镁合金熔炉项目的一个子项目。根据项目进展需求，研究开 发一套适用于镁合金熔炉的温控系统，技术路线如图1 - 2 所示。 图1 2 本文技术路线图 6 浙江工业大学硕士学位论文 根据技术路线，本文主要完成以下内容： 1 ) 了解镁合金熔炉的总体功能，明确熔炉温控系统功能需求。分析镁合金 熔炼工艺过程，对升温熔化阶段坩埚受热情况进行模拟分析，确定合理的升温速 率。针对温控实现过程中的技术难点，提出解决方法； 2 ) 根据熔炉温控功能需求及控制方案，展开控制系统软硬件设计与实现， 包括硬件选型、控制线路设计及软件程序编写等； 3 ) 搭建熔铝实验系统对温控系统性能进行测试，同时对加热系统、测温点 布局、控制策略等进行研究，并相应提出改进方案； 4 ) 根据熔铝实验研究结果，对实验系统进行改进，重新搭建熔镁实验系统。 根据项目进展要求，完成阶段性熔镁升温控制目标。 1 5 论文框架 根据研究内容及技术路线，本论文共分六章，整体论文框架如图i - 3 所示。 第三章镁合金熔炉 温控系统设计与实现 第四章镁合金熔炉 熔铝温控实验研究 图1 - 3 论文结构框架 7 浙江工业大学硕士学位论文 1 6 本章小结 本章首先介绍了本课题提出的背景一镁合金由于其众多独特优点，而被广泛 应用于各个领域，并引发了对镁合金生产设备需求。浙江省科技厅计划项目“镁 合金绿色再熔技术及熔化保温定量喂料炉研究与开发”基于此背景提出，而本文 的熔炉温控系统研发是该项目的一个子项目。本章进而介绍了镁合金熔化炉的国 内外研究现状，针对国内熔炉设备研究情况，阐明了本课题的研究目的与意义。 根据项目进展需求及当前熔炉温控现状的分析，确定了本文的具体研究内容和技 术路线，并构建了本文的论文结构框架。 8 浙江工业大学硕士学位论文 第2 章镁合金熔炉温控系统分析 2 1镁合金熔炉系统 2 1 1 镁合金熔炉总体功能 根据镁合金工业生产的需求，一个全自动化的镁合金熔炉系统一般由预热 自动进料系统、熔化保温系统、定量喂料系统、气体保护系统、控制系统和支承 系统等几个部分组成，其功能结构如图2 1 所示。 图2 - 1 熔炉总体功能结构图 由图2 - 1 可见，熔炉系统中各子系统相互关联，各子系统具体功能如下： 预热进料系统对欲投入熔炉的镁合金进行预热、干燥，以便提高熔炉的 热利用率、熔化效率，降低生产事故。镁合金的投料质量和温度对镁合金熔液的 温度、液位波动都有一定的影响【l o 】； 熔化保温系统是将镁合金熔化，并将纯净的镁熔液保温后等待向压铸设 备喂料。镁熔液的温度波动过大将影响镁合金喂料温度精度，进而对压铸产品的 质量产生影响； 定量喂料系统是方便熔炉与压铸系统配套使用，根据各种压铸系统和产 品的需求，向压铸系统供应定量高品质镁合金熔液。定量喂料所取的镁熔液温度 和质量受熔炉内镁熔液温度和液位高度控制精度的影响，同时喂料动作也对熔炉 9 浙江工业大学硕士学位论文 内的镁熔液造成一定影响，因此定量喂料系统和熔化保温系统是相互影响的； 气体保护系统是考虑到镁的化学性质活泼，为避免镁合金在熔化过程中 因易燃而发生安全事故。气体保护的启动和关闭以及气体流量的大小等与镁合金 熔液的温度紧密相关； 支承系统承载着整个熔炉结构，为使熔炉能适应各种工作环境提供了移 动、升降等功能； 控制系统是集合了对以上几个系统的综合控制，相当于整个熔炉的控制 中枢神经。 由上述可知，预热进料系统、气体保护系统以定量喂料系统都与镁合金温度 控制紧密相关，熔化保温系统中镁熔液的温度控制是控制系统中的核心部分。温 控系统的实现不仅单纯地涉及镁合金温度控制，同时还要考虑气体保护系统和定 量浇注系统等功能需求。 2 1 2 镁合金熔炉结构形式 在早期，熔炉结构形式比较单一，多是单炉单室结构。虽然单炉单室的结构 形式在加工、整体控温等方面比较方便实现，但由于镁合金熔化保温集中在一室 中进行，其纯净度较低，且控制精度也较低。因此，为提高熔液纯净度和控制精 度，目前设计的熔炉多采用单炉多室或双炉双室的结构形式【3 0 1 。 本文中涉及的熔炉采用单炉双室结构，其结构示意图如图2 2 所示。 图2 - 2 熔炉结构示意图 由上图可见，坩埚分为两室，镁合金投料在熔化室内熔化，经由隔板上的过 滤器流向取料室，并在取料室内保温，等待定量浇注系统向压铸机等外围设备供 l o 浙江工业大学硕士学位论文 料；熔化室和保温室之间为一装有过滤器的隔板，用于过滤从熔化室流向取料室 的镁熔液中的杂质，以提高浇注用镁熔液纯度。 除熔炉的结构形式外，熔炉的加热系统和测温系统对温控系统有着很大的影 响。加热系统包括加热元件、加热方式及加热元件的布局等。目前，熔炉的加热 方式包括燃气加热、电感应加热、电阻加热等方式。其中，电阻加热方式由于加 热方式简单，对设备要求低而被广泛采用【1 1 1 。根据加热元件及其布局方式的不同， 可对熔炉实现温度整体控制或分区域控制。整体控制在一定程度上可以实现熔炉 整体加热均匀，但控制方式过于单一、不能灵活调整；分区域控制方式相对复杂， 但可以根据需求灵活实现局部温度调整。本文中加热系统采用电阻加热方式，并 对熔化室和取料室进行分区域控制。 测温系统包括测温元件的选择及其分布方式。不同的测温元件其测温精度、 响应时间均有不同，对温控系统的控温精度有着直接的影响。测温元件的分布位 置直接影响温控系统对被控对象的测温准确性。 此外，熔炉保温层的设计、定量泵等元件对熔炉温度控制也有一定的影响。 2 2 镁合金熔炼工艺过程分析 镁合金熔炉温控系统主要实现对镁合金在熔炼过程中的温度控制。镁合金熔 炼的一般工艺流程为“预热一熔化一转运一保温一喂料 ，而根据镁合金熔炼的 实际操作工况，熔炼过程主要分为两个阶段：升温熔化阶段、连续浇注阶段。以 下对这两个工况过程及镁熔液的温度变化规律进行分析。 2 2 1 镁合金熔炼工况 升温熔化阶段 升温熔化阶段，是指熔炉进入连续浇注阶段前的准备阶段，一般是在熔炉内 无镁料的情况下，将大量的镁合金投入熔炉内使其一次性升温熔化。在升温熔化 过程中，不仅镁合金在不断升温熔化，而且熔炉整体包括坩埚、保温层以及支架 等皆处于受热升温状态。升温速率过慢将造成工时浪费，难以维持镁合金升温， 而升温速率过快将导致坩埚等结构因受到热效应超过其承受范围而损坏。因此， 从考虑熔炉寿命和生产安全角度出发，应合理地控制加热升温速率。 浙江工业大学硕士学位论文 连续浇注阶段 连续浇注阶段是熔炉的长期工作状态。在此阶段，将向熔炉内不断投入镁合 金，同时熔炉也要向外围的压铸机等设备间歇性提供镁熔液。( 在此过程中投入、 取出镁合金的动作，以下分别简称为投、取料。) 投、取料动作会造成镁合金熔 液的温度、液面波动，影响浇注熔液温度精度及其喂料精度，进而对压铸件质量 产生影响。因此，如何降低此过程中熔液温度波动是温度控制的一个研究重点。 2 2 2 升温熔化阶段坩埚热应力模拟分析 为了更加准确的确定熔炉内的温度变化规律，应用分析软件a n s y s w o r k b e n c h 对升温熔化阶段坩埚进行传热模拟分析，研究坩埚在不同升温速率下 的热应力情况，从而确定合理的升温速率，指导熔镁实验研究。 1 建立分析模型 升温熔化阶段热系统包括坩埚、镁锭、加热源等，为了方便对坩埚受热情况 分析，对模型进行简化，提出以下假设和条件设置： 1 ) 传热分析主要考虑坩埚的受热情况，因此忽略镁锭的重力作用及镁锭、 其它结构元件与加热源之间的热传递，而将热系统看成只有加热源与坩埚之间传 热的一个封闭系统，将热作用集中在坩埚上。 2 ) 加热源是均匀分布在坩埚两个大侧面，且加热源与坩埚之间的间隙 ( 5 0 m m ) 相对于坩埚整体尺寸( 8 5 0 3 5 0 5 7 0 m m ) 较小，坩埚两受热外壁的温 度与加热源自身温度接近。因此，将加热源直接作用于坩埚的两个直接加热外壁， 且热源均匀。 3 ) 坩埚结构中包含了出料管，为了充分体现坩埚主体结构的受热变形情况， 在模型中忽略了出料管结构，而保留了出料口。 4 ) 坩埚通过法兰面支撑在外围支架上，模型中将作用力简化了，直接给法 兰面增加了无摩擦约束。 5 ) 坩埚采用q 2 3 5 b ，其材料的物理性能设置值如表2 1 【3 1 抛】所示。 1 2 新江i n 大学硕学位论文 表2 - lq 2 3 5 b 物理性能参数 物理性能参数 数值 比热窖( k “g ) 7 6 6 导热系数w ( m - ) 5 5 屈服极限m a 强度极i s 勘m p a 基于以上假设，建立坩埚受热分析模型并划分网格如图2 _ 3 所示。 ( a ) 模拟的阿格划分 b j 模型的热栋加载 图2 - 3 分析模型 浙扛i 业大学颂士学位论文 2 模拟方案 在镁台金熔炼过程中时，升温速率对坩埚的热应力有很大影响。本文以2 5 至4 5 0 c 的升温过程为研究对象，对不同升温速率下坩埚热应力情况进行模拟 分析，建立模拟分析方案如表2 _ 2 所示，具体的升温雎线如图争4 所示。 表2 吨坩埚受热分折模拟方案 方案号升温速事变化( h )加热总时问m 7 0 ( 6 1 ) 8 0 ( 53 ) 9 0 ( 47 2 ) 1 0 0 ( 4 豁) 58 0 ( 2s ) - 6 0 ( 35 ) 68 0 ( 3 ) 一7 0 ( 2 6 4 ) 8 0 ( 3 ) 一7 0c 2 ) 一6 0 ( 0 7 5 ) 洼：裹中8 0 ( 2 5 ) 呻6 0 ( 35 ) 表示阻，h 速率加热2 5 小时后，再改变速率以6 0 c h 进行3 5 小时加热其它类推。 囤2 _ 4 坩埚受热分析模拟方案升温曲线 3 模拟结果分析 通过模拟分析得到7 个方案的终止时刻温度分布图和热应力图结果分别如 浙扛工业大学硕学位论文 图2 - 5 图2 - i i 所示。 日= i i = 。 ( 8 ) 温度分布圈 = = m h k ( a ) 等效应力图 图2 - 5 方案i 模拟结果 浙江i 业大学硕学位论文 i = 乒 _ 篡i h 日黧。 照 ( 8 ) 温度分布图 l ( b ) 等效应力图 图2 - 6 方案2 模拟结果 浙旺i 业大学硬士学位论文 一：= - 口： i 塞。 c a ) 温度分布图 ( b ) 等效应力图 圈2 - 7 方案3 模拟结果 浙江工业大学硕士学位论文 日篡。 照 ( a ) 温度分布图 昭 浙江工业大学颈士学位论文 匪 孵。 口：= 口兰。 ( a ) 温度分布图 ( b ) 等效应力图 图2 - 9 方案5 模拟结果 浙江i n 大学颈学位论文 匪 譬翟z ：= ： 巴篡。 照。 a ) 温度分布图 _ _ 1 _ 一 ( b ) 等效应力图 图2 1 0 方案6 模拟结果 折江工业大学颈士学位论文 8 蕃 睡 8 蓍“ 照 ( & ) 温度分布图 _ _ t ( b ) 等效应力图 圈2 - i l 方案7 模拟结果 一 浙江工业大学硕士学位论文 由以上结果图片可见，各个方案最终得到温度分布和等效应力图是相近的。 坩埚的温度分布与距离加热源的远近成一定梯度，越远温度越低，坩埚法兰面和 出料口位置的温度相对较低。坩埚的大侧面热应力变化不大，而两个小侧面的热 应力变化较明显，尤其出料口附近是最大热应力集中处，且其值的大小与升温速 率变化有很大关联。对各方案的最大、最小温度值及等效应力统计如表2 3 所示。 表2 3 各模拟方案结果数据统计 方案号砌a x c t m i n ( v 0 n m i s e s ) m a x m p a( v o n m i s e s ) m i n m p a l 4 5 04 2 1 1 46 3 3 9 80 0 7 6 24 5 04 1 9 1 46 7 7 5o 0 8 l 34 5 0 4 1 5 3 57 6 0 1 50 0 9 1 44 5 04 1 1 5 28 4 3 6 5o 1 0 1 5 4 5 04 2 5 2 55 4 4 2 60 0 6 5 64 5 04 2 3 0 15 9 3 0 9 0 0 7 1 74 5 04 2 5 9 l5 2 7 4 90 0 6 4 结合表2 2 、表2 3 可知，根据最大等效热应力最小化、工时两个指标综合 考虑，则可将方案结果分为三个等级。首先，方案5 、6 、7 采用变速率的方式进 行加热，其升温速率均在6 0 - - 8 0 h 之间，最终坩埚的最大、最小温度值的差值 相对较小，坩埚的整体温度分布较均匀，最大等效热应力相应地较小，且其均小 于6 0 m p a ，但其加热工时相对稍长，约为6 小时。其次，方案l 、2 的升温速率 分别为7 0 、8 0 h ，其最大热应力都比方案5 、6 、7 高，而比方案3 、4 低，但 方案1 的工时也要约6 1 小时，而方案2 的工时只需约5 3 小时，因此方案1 、2 从综合考虑是同一等级的。方案3 、4 的升温速率分别为9 0 、1 0 0 h ，其工时 只需不到5 小时，但升温速率过快导致其最大等效应力却比其它方案高了很多， 易对坩埚的寿命和生产安全造成很大危害。因此，将方案3 、4 归为第三个等级， 同时在生产中应尽量避免采用高于8 0 h 的升温速率进行加热。 综上所述，在升温熔化阶段，其合理的升温速率范围为6 0 8 0 。c h ，且较理 想的升温熔化温控曲线的范围应如图2 1 2 所示。 浙江工业大学硕士学位论文 图2 1 2 升温熔化阶段较理想的升温温控曲线范围 2 2 3 温度变化规律分析 熔体温度控制贯穿整个镁合金熔炼过程，根据升温熔化阶段和连续浇注阶段 这两个工况过程将镁熔体温度模型分为两个阶段。 1 升温熔化阶段 根据前述坩埚热应力模拟分析结果，结合镁合金的热物理性能特性( 见表 2 4 t 3 3 】) ，在不同的温度阶段需要不断调整加热升温速度，可将整个升温熔化阶段 大致分为以下几个小阶段，如图2 1 3 所示。 表2 - 4a z 9 1 d 热物理性能参数 物理性能参数数值 比热容( k j k g ) 1 1 7 0 导热系数w ( m ) 7 4 8 液相线温度 5 9 5 固相线温度 4 7 0 预热阶段：镁合金从常温( 2 0 c ) 情况下开始加热，加热到固相线温度 附近( 5 0 0 ) 。此阶段中，镁合金尚未熔化，其实际测温不能反映其温度变化， 因此测得的温度是以炉膛温度为准，从侧面反映熔炉的温度变化。 熔化阶段：从镁合金固相线温度到镁合金液相线温度( 6 0 0 c ) ，此阶段 浙江工业大学硕士学位论文 镁合金处于固液两相之间，此时部分镁合金已熔化，测温以坩埚内镁熔体温度为 准。 潜热阶段：镁合金已熔化，但要继续升温必须持续吸热一段时间，如吸 热保温在6 2 0 。 持续升温阶段：从镁合金潜热期( 6 2 0 c ) 后到镁合金继续熔化升温阶段 ( 6 5 0 ) ，此阶段是为了提高镁熔体的温度以增加其流动性，同时使熔体温度接 近浇注时所需温度。 t c 6 8 0 6 5 0 6 2 0 6 0 0 5 0 0 图2 1 3 升温熔化阶段温度变化示意图 在镁合金升温熔化阶段，加热元件不断向坩埚及其内的镁合金传热，炉膛温 度升温相对较快，而坩埚内镁合金升温相对平稳，整体温度呈上升趋势。此时， 熔炉整体尚未达到热平衡状态。 2 连续浇注阶段 连续浇注阶段是熔炉长期工作的状态，期间不断进行投、取料操作。此阶段， 熔炉炉膛温度与坩埚以及镁合金之间的热交换处于一定的平衡状态，但投、取料 操作对镁熔液液面波动和温度稳定性有较大影响。 连续浇注阶段期间，为了保证镁熔体的流动性和浇注温度，镁熔液温度要维 浙江工业大学硕士学位论文 持在一定的高温范围，如6 5 0 - - 一6 8 0 之间。为了保证熔炉向压铸机等设备的定 量喂料，熔炉内的镁合金投取料量在一定时间内必须达到一个平衡，即一定时间 内投料量与取料量大致相等。投、取料工作基本上是一个周期性的过程，因此只 需研究一个周期内投取料过程中温度变化情况即可。在熔炉实际工作中，熔炉的 工作取料时间即压铸机的浇注间隔时间是根据产品的需求改变，因此其周期也是 不一样的。但不论投料，还是取料在时间上都具有一定的规律，因此可取投、取 料大概时间间隔的一个公倍数作为一个研究周期。 根据项目设计的熔炉容量为1 5 0 k g ，其配套的2 0 0 吨级压铸机的产品压铸频 率为1 次( 1 2 分钟) ，每次浇注质量范围为0 5 一2 k g 次。项目研究取压铸频 率1 次分钟，浇注质量为1 k 次，投料频率为1 次5 分钟，投料质量为5 k g 次， 以1 0 分钟为一个周期，投料2 次，而取料1 0 次，投、取料量均为l o k g 。 在一个周期内投取料对镁熔液温度变化影响的简易模型如图2 1 4 所示。 取料 一个周期t 内投取料动作 jlljljillijilj 0 123 4 5 6789 1 ( 投料 t 6 5 0 t m i n t m i n ( b ) 图2 1 4 连续浇注阶段温度随投取料周期变化简易模型 从上图可以看出，一个周期中可能出现以下几种情况： 只有投料动作，未进行取料； 平稳加热熔化期从一次投( 取) 料后到下次取( 投) 料的时间段，整 浙江工业大学硕士学位论文 个周期中可能重复几次； 只有取料动作，未进行投料一取料量与取料间隔时间由外围压铸机决定； 取料和投料同时进行一这是可能会出现的情况，此时温度波动将可能是 最大的。 连续浇注阶段中投取料的示意图如图2 1 4 a 所示。假设在投取料前，原熔体 处于基本热平衡的情况下，增加投料时，镁合金量增加，而此时外围的加热功率 在瞬时未能及时变化，从而造成镁合金升温所需热量不足，因此投料后一定时间 内熔体温度下降，但过后，功率提升促使熔体温度回升，并可能由于加热的惯性 作用使温度超过原来的平衡状态。取料时，镁熔体量减少，而功率瞬时未能变化， 因此一定时间内镁熔体继续升温，但过后，降低功率使镁熔体回复到热平衡状态 同时也可能由于功率过低而导致最后功率不足，而使温度低于原热平衡状态。故 而整个周期的温度波动情况近似呈图2 1 4