一种快速反应调节熔体流量的控制装置、控制方法及其应用

1.本发明属于涉及粉末冶金技术领域，特别涉及一种快速反应调节熔体流量的控制装置，控制方法及其应用。


背景技术：

2.雾化是指使用惰性气体或高压水射流作为雾化介质，利用高速气体/水射流冲击金属液并使其快速冷却凝固而获得微细金属基粉末的一种工业制粉技术。
3.在雾化粉末制备过程中，由于倾注/底注设备限制，喷盘上方的金属液液位波动或降低，导致钢水静压力随之变化，难以维持金属液稳定浇注，甚至出现反气与钢液回溅现象，严重影响雾化顺行与安全生产。
4.基础研究表明，稳定的金属液质量流速有利于雾化粉末的一致性，而直接影响金属液质量流速的因素主要包括导液管直径与雾化气压(改变雾化仓内压力分布)，但是在生产过程中导液管直径无法改变，而调整雾化气压则会大幅度改变雾化仓内流场分布并产生其他影响，因此通过其他途径在雾化生产过程中快速反应调节雾化金属液质量流速至关重要。
5.现有技术中存在基于压力去控制金属液质量流速的技术方案，但存在以下几个问题：1，高温对测压传感器产生较大影响，温度的升高使得压力传感器膜片的力学性能产生影响，进而影响测压传感器使用寿命和测量精度；2，位于导液管下端处，熔体被雾化成小液滴还未完全凝固，处于熔化或半凝固状态，此时小液滴容易聚集附着于传感器上，影响传感器的测量精度，且时常会出现在生产过程中信号的丢失以及由于测量数据的误差使得熔体流量控制不够精确的问题；3、控制精度差，当熔炼室内的压力一定时，由于导液管下端的压强与熔体流量相关，基于流量恒定去控制导液管下端压力，使得要达到目标流量的压力可调范围较小，控制系统很难精确对排风扇的功率进行控制从而达到所需的导液管下端压力值。
6.综上所述，一种在雾化生产过程中可实时调整雾化仓内负压程度并保证金属液质量流速稳定的方法对于提高雾化生产效率具有重要的实际意义。


技术实现要素：

7.为解决上述问题，本发明提供了一种快速反应调节熔体流量的控制装置、控制方法及其应用，通过将测压传感器设置在特定位置，并结合本发明提供的控制方法，可以对微小流速波动进行有效控制，提高金属粉末的细粉收得率，降低粒度分布标准差。
8.为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
9.一方面，本发明提供一种快速反应调节熔体流量的控制装置，包括：
10.熔炼模块，所述熔炼模块包括熔炼室，以及设置于所述熔炼室内的坩埚，所述坩埚下方设置有导液管，用以将所述熔体输送至雾化系统及雾化仓；雾化系统及雾化仓，所述雾化系统及雾化仓设置于熔炼模块下方，所述雾化系统用以对熔体进行雾化制粉，所述雾化
仓用以提供雾化制粉的封闭环境；监控系统，包括流量传感器或高度传感器和测压传感器一，所述流量传感器用以检测所述熔体质量，所述高度传感器设置于所述熔炼室内用以检测所述坩埚中熔体的高度；所述测压传感器一用于测量熔炼室内压力；测压及排风系统，包括测压传感器二，排风通道及排风扇，所述测压传感器二位于所述雾化仓室内壁或排风通道内；控制系统，所述控制系统与所述监控系统，测压及排风系统通信连接，所述控制系统接收监控系统的监控数据，测量雾化仓内压力并控制排风扇功率使得熔体流量稳定。
11.进一步的，所述高度传感器为高速摄像机或微波测距仪。
12.进一步的，当测压传感器二位于所述雾化仓室内壁时，所述测压传感器二与所述排风口边部的距离不超过所述排风通道直径2/3。
13.进一步的，所述流量传感器设置于所述导液管下部。
14.另一方面，本发明提供了一种快速反应调节熔体流量的控制装置的控制方法，包括如下步骤：
15.s1，初步构建流体流量、液面高度与雾化仓内压力以及时间、排风扇功率与雾化仓内压力之间的关系公式，并进行冷态实验，以纯净水代替熔体通过多次试验对所述关系公式中的系数进行修正，得到修正后的关系公式；
16.s2，进行热态实验，以热态熔体为基础，对所述修正后的系数进行二次修正，得到最终关系公式；
17.s3，以所述最终关系公式指导上述控制装置进行工业生产。
18.进一步的，所述s1中，
19.所述初步流体流量、液面高度与雾化仓内压力关系公式为：
[0020][0021]
p3＝f(x
p
,x
t
,p2)
[0022]
式中，p1为熔炼室内流体表面压力，p2为导液管下方压力，p3为雾化仓内压力，ρ为流体密度，g为重力加速度，ha为坩埚内液面高度，hb为导液管长度，u为导液管末端金属液流速，αa为坩埚内流体动能修正系数，αb为导液管中流体动能修正系数，fa为坩埚阻尼系数，fb为导液管中阻尼系数，λ为局部阻尼系数，da为坩埚当量直径，db为导液管当量直径，sa为坩埚中流体横截面积，sb为导液管中流体横截面积，du/dt为流体流速随时间的变化率，x
p
为雾化压力，x
t
为雾化介质温度。
[0023]
进一步的，通过冷态实验，确定αa、αb，fa，fb及λ系数与熔炼室内壁材质参数、导液管材质参数、导液管直径、雾化压力与雾化介质温度之间的关系。
[0024]
进一步的，所述s1中，所述时间、排风扇功率与雾化仓内压力关系公式为：
[0025]
p3＝f(w,t,x
p
,x
t
)
[0026]
式中，所述t为排风扇所需时间，w为排风扇功率。
[0027]
进一步的，所述s2中，所述二次修正为，通过热态实验确定冷态实验中修正后的系数与金属液粘度及金属液过热度之间的关系。
[0028]
另一方面，根据上述控制方法的应用，所述方法应用于气雾化或气水联合雾化工艺中。
[0029]
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果包括：本发明通过将测压传感器二
设置于雾化仓室内壁或排风通道内，优选的，当测压传感器二位于所述雾化仓室内壁时，测压传感器二与所述排风口边部的距离不超过所述排风通道直径2/3，上述两位置可以解决背景技术中涉及的三个技术问题，由于远离金属雾化喷嘴区域，大部分液滴处于凝固状态，不会附着于测压传感器的测压面上，且上述两位温度相对较低，且雾化仓壁设置水冷通道是一种公知常识，因此，测压传感器不会受到温度的影响；尤其解决上述第三个问题，由于雾化仓室内壁或排风通道内流场稳定，且具有类似于放大作用，即导液管下端的压力与雾化仓壁或排风通道内的压力具有一定的函数关系，经过放大后便于控制系统对排风系统的控制，尤其对于3d 打印制粉领域，因此可以对熔体流量的微小流速波动进行控制，可以大大降低细粉收得率及降低粒度分布标准差。
附图说明
[0030]
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0031]
图1为本发明实施例1提供的快速反应调节熔体流量的控制装置的结构示意图；
[0032]
图2为本发明实施例1提供的基于流量变化所对应的导液管下方压力及雾化仓内压力调整值的曲线图；
[0033]
图3为本发明实施例2提供的快速反应调节熔体流量的控制装置的结构示意图；
[0034]
图4为本发明实施例3提供的快速反应调节熔体流量的控制装置的控制流程图；
[0035]
图5为现有技术条件下生产粉末粒度分布情况；
[0036]
图6为本发明实施例提供的采用本发明提供的快速反应调节雾化熔体流速方法生产粉末粒度分布情况。
[0037]
附图标记：1-快速反应调节熔体流量的控制装置；10-熔炼模块；11
‑ꢀ
熔炼室；12-坩埚；13-导液管；14-熔体；21-雾化仓；22-雾化系统；31-测压传感器一；32-流量传感器；33-高度传感器；41-测压传感器二；42-排风通道；43-排风扇；50-控制系统。
具体实施方式
[0038]
下面将结合本技术实施例中附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本技术实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本技术的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本技术的范围，而是仅仅表示本技术的选定实施例。基于本技术的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
[0039]
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本技术的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0040]
实施例1
[0041]
本发明提供了一种快速反应调节熔体流量的控制装置1，如图1所示，包括：
[0042]
熔炼模块10，所述熔炼模块包括熔炼室11，以及设置于所述熔炼室11 内的坩埚12，所述坩埚下方设置有导液管13，用以将所述熔体14输送至雾化系统22及雾化仓21。
[0043]
可以理解的是，雾化系统包括雾化喷盘，所述雾化介质可以为气体也可以为气水联合，适用于多种工艺；上述导液管13可以与坩埚12独立设置，以便后续对坩埚或导液管进行更换，也可以将导液管和坩埚一体成形。
[0044]
雾化系统22及雾化仓21，所述雾化系统22及雾化仓21设置于熔炼模块10下方，所述雾化系统用以对熔体14进行雾化制粉，所述雾化仓21用以提供雾化制粉的封闭环境。
[0045]
监控系统，包括测压传感器一31和高度传感器33，所述高度传感器 33设置于所述熔炼室内用以检测所述坩埚中熔体的高度，所述测压传感器一用于检测熔炼室11内的压强。本实施例中，高度传感器优选为高速摄像头，也可以为微波测距仪或其他可以测量液面高度的传感器。通过测压传感器一31和高度传感器33将相关监测数据实时传递至控制系统50。
[0046]
优选的，所述高度传感器33和测压传感器一设置于熔炼室壳体上或在满足测量精度的条件下向外突出于熔炼室壳体设置，避免了温度及高温烟气对传感器的影响，增加了传感器的使用寿命和测量精度。由于高度传感器33实时测量流体液面的高度，因此可以计算出液面的下降速度是否匀速，即导液管的熔体流量是否稳定，本实施例适用于间歇式生产方式，即在生产过程液面持续下降。
[0047]
测压及排风系统，包括测压传感器二41，排风通道42及排风扇43，所述测压传感器二41位于所述雾化仓21室内壁或排风通道42内。
[0048]
优选的，本实施例中的测压传感器二与排风口边部的距离不超过所述排风通道直径的2/3或将传感器二直接设置于所述排风通道内。
[0049]
控制系统50，所述控制系统与所述监控系统，测压及排风系统通信连接，所述控制系统接收监控系统的监控数据，测量雾化仓内压强并控制排风扇功率使得熔体流量稳定。
[0050]
本实施例中，所述控制系统基于高度传感器传递的实时数据判定熔体流量是否稳定，当熔体流量偏差一定值时，则控制系统50对排风扇的功率进行控制，控制雾化仓内的压力和熔炼室内的压力差，保证熔体流量稳定，具体地，当熔炼室压力一定时，该排风扇功率大小直接受计算机控制系统控制，通过改变排风扇功率大小可调控雾化腔室内压力，进而调控金属液质量流速。其中，当计算机控制系统判断钢液质量流速即将超出预设质量流速波动阈值范围内时，计算机控制系统通过内置调节程序调节雾化仓内压力。即需要减小钢液质量流速时，排风扇功率减小，导液管下方压力增加，钢液质量流速得以降低；需要增大钢液质量流速时，排风扇功率增大，导液管下方压力减小，钢液质量流速得以增加。控制系统50设有金属液流速自动调节程序，该程序基于金属液质量流速、液面高度与导液管下方压力间的固有关系，通过雾化过程中每一时刻测得的压力与液面高度数据，预测下一时刻金属液质量流速变化情况，当预测金属液质量流速即将超过压力阈值时作出相应判断并针对性调节排风扇功率。
[0051]
本实施例未对雾化系统的雾化介质进口以及排风扇雾化介质出口的连接方式进行限定，通常情况下，排风扇的出气口经过对气体净化之后再通过输送管道将雾化介质输送到物化系统的雾化介质进口。
[0052]
可以理解的是，雾化系统内由于雾化介质压力较大，压力的波动会导致气体流场
以及雾化效果的紊乱，尤其对于粉体的粒径和质量影响大，需要将雾化介质压力设为定值，但即使设为定值后，雾化仓内的压力场以及流场分布不均匀，即不同位置的压力值不同，且由于同一位置但由于雾化介质流动方向变化对于测压传感器的测量产生较大影响，现有技术中为了获得准确的测量数据，将测压传感器二直接设置于导液管下端，但存在以下几个问题：1，高温对测压传感器产生较大影响，温度的升高使得压力传感器膜片的力学性能产生影响，影响测压传感器使用寿命和测量精度；2，位于导液管下端处，熔体被雾化成小液滴还未完全凝固，处于熔化或半凝固状态，此时小液滴容易聚集附着于传感器上，影响传感器的测量精度，且时常会出现在生产过程中信号的丢失以及由于测量数据的误差使得熔体流量控制不够精确；3、控制精度差，当熔炼室内的压力一定时，由于导液管下端的压强与熔体流量相关，基于流量恒定去控制导液管下端压力，使得要达到目标流量的压力可调范围较小，控制系统很难精确对排风扇的功率进行控制从而达到所需的导液管下端压力值。而本发明通过将测压传感器二设置于雾化仓室内壁或排风通道内，优选的，当测压传感器二位于所述雾化仓室内壁时，测压传感器二与所述排风口边部的距离不超过所述排风通道直径2/3，上述两位置可以解决上述三个问题，由于远离金属雾化喷嘴区域，大部分液滴处于凝固状态，不会附着于测压传感器的测压面上，且上述两位温度相对较低，且雾化仓壁设置水冷通道是一种公知常识，因此，测压传感器不会受到温度的影响；尤其解决上述第三个问题，由于雾化仓室内壁或排风通道内流场稳定，且具有类似于放大作用，即导液管下端的压力与雾化仓壁或排风通道内的压力具有一定的函数关系，经过放大后便于控制系统对排风系统的控制，尤其对于3d打印制粉领域，因此可以对熔体流量的微小流速波动进行控制，如图2所示当雾化介质温度和压力一定的条件下，测压传感器二设置于排风口上部且距离所述排风口边部2/3 排风通道直径处，基于流量变化所对应的导液管下方压力及雾化仓内压力调整值的曲线图，可以看出导液管下端处的压力被放大了三倍左右，因此可以对熔体流量的微小流速波动进行更好的控制，可以大大提高细粉收得率及降低粒度分布标准差。熔炼室内气流稳定性好，所以设置测压传感器一不存在上述问题。
[0053]
实施例2
[0054]
本发明提供了一种快速反应调节熔体流量的控制装置1，如图3所示，与实施例不同的是，本实施例中的监控系统，包括测压传感器一31和流量传感器32，所述流量传感器用以检测所述熔体流速。
[0055]
具体地，所述流量传感器32设置于导液管下部，该实施方式适用于坩埚中熔体液面高度恒定的情况，因此无需设置高度传感器。
[0056]
控制系统50，基于流量传感器32传递的实时数据判定熔体流量是否稳定，当流量偏差一定值时，则控制系统50对排风扇的功率进行控制，控制雾化仓内的压力和熔炼室内的压力差，保证熔体流量稳定。
[0057]
实施例3
[0058]
本发明提供了一种快速反应调节熔体流量的控制装置的控制方法，如图4所示，包括，
[0059]
s1，初步构建流体流量、液面高度与雾化仓内压力以及时间、排风扇功率与雾化仓内压力之间的关系公式，并进行冷态实验，以纯净水代替熔体通过多次试验对所述关系公式中的系数进行修正，得到修正后的关系公式。
[0060]
所述初步流体流量、液面高度与雾化仓内压力关系公式为：
[0061][0062]
p3＝f(x
p
,x
t
p2)
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(2)
[0063]
式中，p1为熔炼室内流体表面压力，p2为导液管下方压力，p3为雾化仓内压力，具体为测压传感器设置于雾化仓室内壁或排风通道内特定位置处的压力，ρ为流体密度，g为重力加速度，ha为坩埚内液面高度，hb为导液管长度，u为导液管末端流体流速，αa为坩埚内流体动能修正系数，αb为导液管中流体动能修正系数，fa为坩埚阻尼系数，与坩埚相对粗糙度有关，fb为导液管中阻尼系数，与导液管相对粗糙度有关，λ为局部阻尼系数，与接口结构有关，da为坩埚当量直径，db为导液管当量直径，sa为坩埚中流体横截面积，sb为导液管中流体横截面积，du/dt为流体流速随时间的变化率， x
p
为雾化压力，x
t
为雾化介质温度。
[0064]
通过上述公式1和公式2可以消除p2得到p1和p3之间的关系。
[0065]
通过冷态实验，确定αa、αb，fa，fb及λ系数与熔炼室内壁材质参数、导液管材质参数、导液管直径、雾化压力与雾化介质温度之间的关系。
[0066]
αa＝f(x1,x2,x3,x
p
,x
t
)
ꢀꢀ
(3)
[0067]
αb＝f(x1,x2,x3,x
p
,x
t
)
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(4)
[0068]
fa＝f(x1,x2,x3,x
p
,x
t
)
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(5)
[0069]
fb＝f(x1,x2,x3,x
p
,x
t
)
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(6)
[0070]
λ＝f(x1,x2,x3,x
p
,x
t
)
ꢀꢀ
(7)
[0071]
其中x1与x2分别为熔炼室内壁材质参数和导液管材质参数，材质参数为基于不同耐火材料制成的坩埚和导液管，如镁砂，粘土，石墨，石英，刚玉，陶瓷；x3为导液管直径；x
p
为雾化压力；x
t
为雾化介质温度，具体为将雾化介质输入到雾化喷盘时的雾化压力和雾化介质温度，上述参数均为已知常数。
[0072]
所述时间、排风扇功率与雾化仓内压力关系公式为：
[0073]
p3＝f(w,t,x
p
,x
t
)
ꢀꢀ
(8)
[0074]
式中，所述t为排风扇所需时间，w为排风扇功率。
[0075]
s2，进行热态实验，以热态熔体为基础，对所述修正后的系数进行二次修正，得到最终关系公式。
[0076]
所述二次修正为，通过热态实验确定冷态实验中修正后的系数与金属液粘度x6及金属液过热度x7之间的关系。
[0077]
αa'＝f(x1,x2,x3,x
p
,x
t
,x6,x7)
ꢀꢀ
(9)
[0078]
αb'＝f(x1,x2,x3,x
p
,x
t
,x6,x7)
ꢀꢀ
(10)
[0079]
fa'＝f(x1,x2,x3,x
p
,x
t
,x6,x7)
ꢀꢀ
(11)
[0080]
fb'＝f(x1,x2,x3,x
p
,x
t
,x6,x7)
ꢀꢀ
(12)
[0081]
λ'＝f(x1,x2,x3,x
p
,x
t
,x6,x7)
ꢀꢀ
(13)
[0082]
s3，以所述最终关系公式指导实施例1和实施例2中的快速反应调节熔体流量的控制装置进行工业生产。
[0083]
该方法基于流体流速、液面高度与导液管下方压力间的固有关系，通过雾化过程中每一时刻测得的压力与液面高度数据，预测下一时刻金属液质量流速变化情况，当预测
金属液质量流速即将超过相对应的压力阈值时作出相应判断并针对性调节排风扇功率；或通过雾化过程中每一时刻测得的流体流速，当流体流速大于流速阈值时做出相应判断并针对性调节排风扇功率。
[0084]
对于导液管直径为0.5-3.5mm应用本技术实施例提出的快速反应调节雾化熔体流速方法所得到的金属粉末，和采用基于压差控制的现有技术公开的方法生产的金属粉末做对比，将生产粉末的粒径分布分别如图5和6 所示。图5为现有技术条件下生产粉末粒度分布情况，粉末中值粒径为40.45 微米，粒度分布标准差高达2.03，细粉收得率仅为33％(《25微米)；图6 为采用本发明提供的快速反应调节雾化熔体流速方法，通过稳定控制金属液质量流速，粉末的中值粒径下降至25.56微米，粒度分布标准差降低至 1.61，细粉收得率提高至50％以上。可以看出来，使用本发明生产的金属粉末可以大大提高金属粉末质量，得益于该方法可以对微小流速波动进行有效控制。
[0085]
本实施例通过冷态实验和热态试验的组合最终实现对工业生产的指导，可以大量减少热态实验的次数，降低了项目研发成本并提高了试验过程的安全性；其次，我方基于研发过程中的经验总结及实施效果，得到了上述系数以及影响上述系数的参数，并结合实施例1和2的快速反应调节熔体流量的控制装置，可以大大提高金属粉末的质量。
[0086]
以上所述仅为本技术的实施例而已，并不用于限制本技术的保护范围，对于本领域的技术人员来说，本技术可以有各种更改和变化。凡在本技术的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的保护范围之内。