復合彎管燃燒合成的自動化設備設計與應用
發布時間：2010-01-14 共2頁
1前言
SHS陶瓷內襯復合管具有耐磨、耐蝕、耐高溫等性能，將其應用于礦山、電力、煤炭、冶金等行業，可以較好地解決這些行業對物料輸送管道高耐磨性、強耐腐蝕性及抗高溫性等要求，且其制造成本低，生產效率高，因而該技術一投入使用便產生了良好的社會與經濟效益[1，2].
制備SHS陶瓷內襯復合管主要有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中影響輸送管道使用壽命的關鍵部件———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合彎管的生產工藝[4].
但是直到目前，利用SHS重力分離技術制備復合彎管的生產工藝仍停留在手工生產方式上，使得生產工藝難以控制，質量不穩定，效率低，成本高。因此研制燃燒合成復合彎管的自動化生產設備已成為該技術推廣的當務之急。
本文介紹了一種制備SHS陶瓷內襯復合彎管的自動化生產設備設計與應用，分析了采用該設備制備出的復合彎管的組織與性能，從而為實現該技術的產業化提供了設備保證。
2制備復合彎管的原理[5]
鋁熱—重力分離SHS法制備復合彎管的原理見圖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，點燃鋁熱劑使之發生如式（1）的自蔓延鋁熱反應。反應產生的高溫使生成物Al2O3和Fe熔融，并在未反應物料上部形成熔池。與此同時，按箭頭方向機械旋轉鋼管，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。隨自蔓延反應燃燒波面自上而下的移動和鋼管向外散熱冷卻，Al2O3陶瓷在鋼管內壁結晶凝固，從而在彎管內形成了一層均勻的氧化鋁陶瓷涂層。需要強調的是保持高溫熔池液面始終處于水平位置是制備復合彎管的關鍵。
Fe2O3+2Al=Al2O3+2Fe+836kJ（1）
3自動化生產設備工作的技術路線
從制備原理看出，設計出的自動化設備必須能自行檢測鋁熱自蔓延反應燃速和高溫熔池液面位置；通過燃速計算、高溫熔池液面位置誤差識別和算法控制等來操縱執行電機按一定方向和速率旋轉，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陶瓷涂覆的條件，實現復合彎管燃燒合成的自動化。
因此，復合彎管燃燒合成自動化設備主要包括檢測系統與控制系統兩大部分。為此，以89C52單片機為核心智能部件組成檢測與控制系統可解決該問題
4檢測系統
鋁熱重力分離SHS法制備復合管的燃燒過程遵循層狀反應物燃燒法模型[6]
看出，反應界面區與預熱區存在很大的溫度梯度。從鋁熱—重力分離SHS手工制備復合彎管也看到：燃燒合成過程中，反應熔池在鋼管外表面表現為具有一定寬度的一條亮帶，與周圍尤其與預熱區形成鮮明對比，它隨反應熔池的移動而移動。這就為熔池液面的位置檢測提供了理論和實踐依據。
本系統根據輻射測溫原理，采用光纖傳感技術和紅外光電檢測技術[7]來實現對反應熔池位置的檢測，
即通過光纖傳輸，線陣光電二極管接收SHS過程熱輻射產生的紅外光，輸出電信號，經過信號的取樣放大和比較，得到與熔池位置相關的數字信號，送單片機進行數據處理。
由于反應界面區與預熱區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，只要設定的基準電壓與反應界面區的輻射信號電壓相當，就可以區分開反應界面區與預熱區。再通過系統默認的液面偏移量來校正，使控制器得到的液面位置與實際液面位置一致。根據得到的熔池液面的位置數，通過與理想位置比較，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。
以平均熔池移動速度作為執行電機旋轉的初速度，其誤差大小直接關系到控制系統的系統控制誤差。因此，平均熔池移動速度的檢測和自動修正同樣是必不可少的。為了準確地反映整根彎管合成過程中熔池移動的平均速度，通過鍵盤設定與系統自調整相結合的方法確定反應熔池移動的平均速度。
SHS陶瓷內襯復合管具有耐磨、耐蝕、耐高溫等性能，將其應用于礦山、電力、煤炭、冶金等行業，可以較好地解決這些行業對物料輸送管道高耐磨性、強耐腐蝕性及抗高溫性等要求，且其制造成本低，生產效率高，因而該技術一投入使用便產生了良好的社會與經濟效益[1，2].
制備SHS陶瓷內襯復合管主要有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中影響輸送管道使用壽命的關鍵部件———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合彎管的生產工藝[4].
但是直到目前，利用SHS重力分離技術制備復合彎管的生產工藝仍停留在手工生產方式上，使得生產工藝難以控制，質量不穩定，效率低，成本高。因此研制燃燒合成復合彎管的自動化生產設備已成為該技術推廣的當務之急。
本文介紹了一種制備SHS陶瓷內襯復合彎管的自動化生產設備設計與應用，分析了采用該設備制備出的復合彎管的組織與性能，從而為實現該技術的產業化提供了設備保證。
2制備復合彎管的原理[5]
鋁熱—重力分離SHS法制備復合彎管的原理見圖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，點燃鋁熱劑使之發生如式（1）的自蔓延鋁熱反應。反應產生的高溫使生成物Al2O3和Fe熔融，并在未反應物料上部形成熔池。與此同時，按箭頭方向機械旋轉鋼管，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。隨自蔓延反應燃燒波面自上而下的移動和鋼管向外散熱冷卻，Al2O3陶瓷在鋼管內壁結晶凝固，從而在彎管內形成了一層均勻的氧化鋁陶瓷涂層。需要強調的是保持高溫熔池液面始終處于水平位置是制備復合彎管的關鍵。
Fe2O3+2Al=Al2O3+2Fe+836kJ（1）
3自動化生產設備工作的技術路線
從制備原理看出，設計出的自動化設備必須能自行檢測鋁熱自蔓延反應燃速和高溫熔池液面位置；通過燃速計算、高溫熔池液面位置誤差識別和算法控制等來操縱執行電機按一定方向和速率旋轉，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陶瓷涂覆的條件，實現復合彎管燃燒合成的自動化。
因此，復合彎管燃燒合成自動化設備主要包括檢測系統與控制系統兩大部分。為此，以89C52單片機為核心智能部件組成檢測與控制系統可解決該問題
4檢測系統
鋁熱重力分離SHS法制備復合管的燃燒過程遵循層狀反應物燃燒法模型[6]
看出，反應界面區與預熱區存在很大的溫度梯度。從鋁熱—重力分離SHS手工制備復合彎管也看到：燃燒合成過程中，反應熔池在鋼管外表面表現為具有一定寬度的一條亮帶，與周圍尤其與預熱區形成鮮明對比，它隨反應熔池的移動而移動。這就為熔池液面的位置檢測提供了理論和實踐依據。
本系統根據輻射測溫原理，采用光纖傳感技術和紅外光電檢測技術[7]來實現對反應熔池位置的檢測，
即通過光纖傳輸，線陣光電二極管接收SHS過程熱輻射產生的紅外光，輸出電信號，經過信號的取樣放大和比較，得到與熔池位置相關的數字信號，送單片機進行數據處理。
由于反應界面區與預熱區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，只要設定的基準電壓與反應界面區的輻射信號電壓相當，就可以區分開反應界面區與預熱區。再通過系統默認的液面偏移量來校正，使控制器得到的液面位置與實際液面位置一致。根據得到的熔池液面的位置數，通過與理想位置比較，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。
以平均熔池移動速度作為執行電機旋轉的初速度，其誤差大小直接關系到控制系統的系統控制誤差。因此，平均熔池移動速度的檢測和自動修正同樣是必不可少的。為了準確地反映整根彎管合成過程中熔池移動的平均速度，通過鍵盤設定與系統自調整相結合的方法確定反應熔池移動的平均速度。
