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1 前言
ＳＨＳ陶瓷内衬复合管具有耐磨、耐蚀、耐高温等性能,将其应用于矿山、电力、煤炭、冶金等行业,可以较好地解决这些行业对物料输送管道高耐磨性、强耐腐蚀性及抗高温性等要求,且其制造成本低,生产效率高,因而该技术一投入使用便产生了良好的社会与经济效益[1,2]。
制备ＳＨＳ陶瓷内衬复合管主要有ＳＨＳ离心法和ＳＨＳ重力分离法[3],前者适用于制备大口径长直管,后者适用于制备小口径直管及各种异型管,尤其适用于制备物料输送系统中影响输送管道使用寿命的关键部件———弯头,并有望取代目前将ＳＨＳ离心法制备的直管按角度切割再拼合焊接成复合弯管的生产工艺[4]。
但是直到目前,利用ＳＨＳ重力分离技术制备复合弯管的生产工艺仍停留在手工生产方式上,使得生产工艺难以控制,质量不稳定,效率低,成本高。因此研制燃烧合成复合弯管的自动化生产设备已成为该技术推广的当务之急。
本文介绍了一种制备ＳＨＳ陶瓷内衬复合弯管的自动化生产设备设计与应用,分析了采用该设备制备出的复合弯管的组织与性能,从而为实现该技术的产业化提供了设备保证。
2 制备复合弯管的原理[5]
铝热—重力分离ＳＨＳ法制备复合弯管的原理见图1。将粒度一定的Ｆｅ2Ｏ3粉、Ａｌ粉及ＳｉＯ2粉等,按一定比例配制成铝热剂,混合烘干后填充于弯管内,点燃铝热剂使之发生如式(1)的自蔓延铝热反应。反应产生的高温使生成物Ａｌ2Ｏ3和Ｆｅ熔融,并在未反应物料上部形成熔池。与此同时,按箭头方向机械旋转钢管,使熔池液面(或燃烧波面)始终保持水平位置。在重力作用下,不互熔的两相熔体Ａｌ2Ｏ3和Ｆｅ分离,Ｆｅ沉积于熔池底部,Ａｌ2Ｏ3浮于上部。随自蔓延反应燃烧波面自上而下的移动和钢管向外散热冷却,Ａｌ2Ｏ3陶瓷在钢管内壁结晶凝固,从而在弯管内形成了一层均匀的氧化铝陶瓷涂层。需要强调的是保持高温熔池液面始终处于水平位置是制备复合弯管的关键。
Ｆｅ2Ｏ3+2Ａｌ=Ａｌ2Ｏ3+2Ｆｅ+836ｋＪ(1)
图1 自蔓延铝热-重力分离法制备复合弯管原理图
3 自动化生产设备工作的技术路线
从制备原理看出,设计出的自动化设备必须能自行检测铝热自蔓延反应燃速和高温熔池液面位置;通过燃速计算、高温熔池液面位置误差识别和算法控制等来操纵执行电机按一定方向和速率旋转,使高温熔池液面始终处于水平位置,以满足熔池中Ｆｅ与Ａｌ2Ｏ3不互溶的两相熔体在重力作用下分离及液态陶瓷涂覆的条件,实现复合弯管燃烧合成的自动化。
因此,复合弯管燃烧合成自动化设备主要包括检测系统与控制系统两大部分。为此,以89Ｃ52单片机为核心智能部件组成检测与控制系统可解决该问题,其技术路线如图2所示。
图2 燃烧合成复合弯管设备测控系统技术路线示意图
4 检测系统
铝热重力分离ＳＨＳ法制备复合管的燃烧过程遵循层状反应物燃烧法模型[6],如图3所示。
图3 层状反应物ＳＨＳ过程热分布图
由图3看出,反应界面区与预热区存在很大的温度梯度。从铝热—重力分离ＳＨＳ手工制备复合弯管也看到:燃烧合成过程中,反应熔池在钢管外表面表现为具有一定宽度的一条亮带,与周围尤其与预热区形成鲜明对比,它随反应熔池的移动而移动。这就为熔池液面的位置检测提供了理论和实践依据。
本系统根据辐射测温原理,采用光纤传感技术和红外光电检测技术[7]来实现对反应熔池位置的检测,原理如图4所示。
图4 检测系统原理图
即通过光纤传输,线阵光电二极管接收ＳＨＳ过程热辐射产生的红外光,输出电信号,经过信号的取样放大和比较,得到与熔池位置相关的数字信号,送单片机进行数据处理。
由于反应界面区与预热区存在较大的温度梯度,高温熔池在弯管外壁形成了鲜明的亮带,只要设定的基准电压与反应界面区的辐射信号电压相当,就可以区分开反应界面区与预热区。再通过系统默认的液面偏移量来校正,使控制器得到的液面位置与实际液面位置一致。根据得到的熔池液面的位置数,通过与理想位置比较,就获得了熔池位置误差,继而也就得到了位置误差的变化量。
以平均熔池移动速度作为执行电机旋转的初速度,其误差大小直接关系到控制系统的系统控制误差。因此,平均熔池移动速度的检测和自动修正同样是必不可少的。为了准确地反映整根弯管合成过程中熔池移动的平均速度,通过键盘设定与系统自调整相结合的方法确定反应熔池移动的平均速度。
5 控制系统
铝热—重力分离ＳＨＳ法制备复合弯管过程是一个复杂的燃烧合成过程,受反应物料配方、装料密度、预热处理工艺和弯管几何尺寸等多种因素的影响,熔池移动速度的精确数学模型难以建立。
本系统以智能控制原理为基础,首次将模糊逻辑理论[8,9]与重力分离ＳＨＳ技术相结合,以熔池位置误差和误差变化作为模糊控制器输入,定时器时间常数作为控制器输出,根据实践经验指定控制规则,按照Ｍａｍｄａｎｉ推理方法,运用重心法进行模糊判断,设计出相应的模糊控制器,来实现对熔池液面位置的控制。
对控制器性能的改进,一方面通过系统参数自调整,另一方面通过实验比较优化模糊控制方案。控制系统原理如图5所示。
图5 自蔓延合成弯管机控制系统原理图
为保证反应时间和控制精度,采用步进电机作为执行电机,用步进驱动器来驱动,对电机功率要求不高。
6 陶瓷内衬复合弯管的组织性能
图6为用上述自动化设备所制备出的陶瓷内衬复合弯管的实物照片。管材为20碳钢,弧度为90°,曲率半径为160ｍｍ。由图可见,内衬陶瓷层壁厚均匀(约为1.5ｍｍ),且与钢管结合良好。由于弯管是冷加工成型,弯弧处存在明显的机械变形,使其截面形状显现出不规则圆形,而该处内衬陶瓷层截面也以同样形状出现,从而证明该自动化设备运行可靠有效。
图6 陶瓷内衬复合弯管照片
经对样品陶瓷层进行Ｘ射线衍射分析,见图7。发现陶瓷层中存在着α-Ａｌ2Ｏ3基体相和ＦｅＯ·Ａｌ2Ｏ3尖晶石亚稳相,ＳｉＯ2以石英相结构存在。α-Ａｌ2Ｏ3基体以树枝晶沿钢管径向向心分布,ＦｅＯ·Ａｌ2Ｏ3尖晶石相构成枝晶晶界,ＳｉＯ2石英相存在于枝晶晶界上,见图8。
图7 内衬陶瓷Ｘ射线衍射图谱
图8 内衬陶瓷显微组织
陶瓷复合弯管的力学性能为:陶瓷层孔隙率4.0%～6.0%、陶瓷层显微硬度(1531±102)ＨＶＯ.2、压溃强度(430±20)ＭＰａ、抗剪强度(直管段)16.7ＭＰａ。
由于在弯管弧弯处存在着明显的机械变形,故抗压剪强度只能以直管段的抗压剪强度予以参考。
7 结论
1)根据辐射测温原理,用“光阑→光纤→光敏二极管阵列→放大器→比较器→单片机”组成的检测系统,检测复合弯管燃烧合成过程中熔池液面位置和应用模糊控制原理,用单片机系统软件,通过步进电机→减速机→弯管夹具系统,控制复合弯管燃烧合成过程中熔池液面位置,其方案可行,计算简单,易于实现。
2)用该自动化生产设备制备出的复合弯管内衬陶瓷壁厚均匀,质量稳定,其组织性能可以满足工程需要。
3)应用由光纤光电传感器和以单片机为核心智能部件的模糊控制器组成的燃烧合成复合弯管设备,不仅能满足生产需要,而且可以减轻劳动强度,具有结构简单、操作方便、适用范围广、成本低、控制精度较高等优点,适用于陶瓷复合弯管的批量生产。
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