热等静压机工作缸内温度场分析控制(韩晟)

1、热等静压机工作缸内温度场分析控制韩晟【摘要】近几十年来，随着科学技术的进步，特别是热等静压技术的发展，等静压技术不再只是粉末冶金的专用技术，它的应用已经扩大到航空航天制造业等生产部门。随着其应用范围的不断扩大，作用和经济效益的不断提高，等静压技术开始越来越受到人们的重视。热等静压应用过程中，炉温的均匀性要求对制品的性能影响很大，因此提出了本课题。首先介绍了热等静压技术的基本应用，回顾了热等静压技术国内外在此方面的研究现状及趋势， 提出了本课题。然后选定了研究对象，通过分析热等静压机工作缸内温度场分布情况，提出了测试方案。同时对试验过程中采集的数据进行分析和整理，对热等静压机工作缸内实际温度场分

2、布进行了验证。关键词：热等静压，炉温，温度均匀性 一、 绪论等静压是粉末冶金领域中的一种技术，已有将近百年的历史。在现代工业生产中，等静压技术主要用于粉料的成型和固结。近几十年来，随着科学技术的进步，特别是热等静压技术的发展，等静压技术不再只是粉末冶金的专用技术，它的应用已经扩大到航空航天制造业等生产部门。随着其应用范围的不断扩大，作用和经济效益的不断提高，等静压技术开始越来越受到人们的重视。其基本概念和分类如下： 在粉末冶金技术领域内，“等静压”(isostatic pressing)一词的实际意义是指在各个方向上对表面密闭的物料同时施加相等的压力状态。根据帕斯卡原理，在一个封闭的容器内，作

3、用在静态液体或气体上的外力所产生的静压力，将均匀的在各个方向上传递，在其所作用的表面上所受到的压力与表面的面积成正比。在等静压技术中，作为传递压力的介质，必须与待压制工件的外轮廓有一个不相渗漏的分接口，只有在这个前提下，采用等静压技术才能达到成型与固结密实的目的。由此可见，流体介质各向同时均等传递压力是等静压技术的基础，而确立物料与压力介质之间互不渗漏的分接口是等静压技术的关键。按成型和固结时温度的高低，通常划分为冷等静压、温等静压、热等静压。热等静压技术是一种在高温和高压同时作用下使物料经受等静压制的工艺技术。它不但用于粉末体的固结，使传统粉末冶金工艺的成型与烧结两步作业合并成一步作业，而且

4、还用于工件的扩散粘结、铸件缺陷的消除和复杂形状零件的制作等。在热等静压制中，一般采用惰性气体(氩、氦)作为压力传递介质。也可以采用液体金属或固体颗粒作热等静压的压力传递介质，同时也可称为是均衡压制。热等静压技术是近20多年来发展起来的，热等静压包封待压物料用的包套通常使用金属或玻璃材料。现代热等静压机大多为冷壁式结构，即加热器安放在高压缸内，工作温度通常为10002200，若采用石墨作发热体，其最高温度可达到2600。工作压力通常为100200MPa。它是将粉末或被压材料(简称“工件”)放置于热等静压机中，升温到烧结温度(通常为材料主成分熔点的23)的同时，对粉末或被压材料施以各向均等的高压压

5、力，使其热致密化到理论密度。是在冷等静压和热压技术的基础上发展起来的综合工艺。将粉末装入包套内(即成为“工件”)，放入带有加热炉的密闭高压炉体内，并抽出包内空气，压入惰性气体(如Ar气)，通电加热，使工件达到烧结温度(此时，气体热膨胀升压)，借助于高温和各向均等的高压使粉末体固结成全致密的材料。热等静压技术的基本特点是：几乎能使粉末材料致密化到理论密度，使金属材料致密化到理论密度的99.99%；由于等静压力作用于高温粉末上，故烧结温度比常规冷压烧结工艺低，得到的制品晶粒细小而均匀，性能良好；用热等静压技术制取的制品，可避免传统冶金工艺中存在的化学成分偏析，并可以制得更高合金含量的优质冶金产品；

6、可以直接得到形状复杂的大型冶金部件(如飞机涡轮盘、蜂窝构件等)，与传统冶金工艺比较，节约原材料，减少冶金或机加工过程，节约能源，从而降低产成本；使用热等静压技术生产有毒粉末或放射性材料时，由于包套是密闭的，可以大大地减少对操作人员的危害，改善劳动条件。粉末热等静压技术可以制得无残留孔隙，如全致密的高速钢、高温合金等制品。目前最大用户是汽车工业，如用于北美汽车的粉末冶金零件达到1000种以上。福特公司每辆车粉末冶金零件平均已达17.5kg，已有使用2500万件粉末锻造(PF)发动机连杆无一损坏的记录，正在迅速取代传统的铸造和锻造的连杆。在一些特殊材料的生产中，如高温合金、高速钢、不锈钢、特种铝合

7、金等，热等静压粉末冶金工业性大规模生产方法已比较成熟。最大的粉末高温合金涡轮盘，直径约为1m。单重数百公斤的核电站热能主回路高压耐蚀阀体、直径达1m的薄壁高温合金无缝管与超大复合无缝管等，都是用热等静压粉末冶金方法制备的。最大的粉末高速钢锭重为3吨。热等静压工艺设备投资大，只对具有特殊性能要求的高合金产品才能显示其优越性。此外还可利用热等静压技术还可用来消除铸件、锻件的内部疏松、孔洞和裂纹等缺陷，也可将使用中产生内缺陷的旧铸、锻件进行热等静压修复。热等静压机广泛用于对精密铸造铸件的致密化HIP处理。HIP处理的目标是排除铸件中封闭气孔。不同材料铸件的温度、压力和时间处理参数不同。通过融解偏析和

8、消除气孔，HIP改进了材料组织一致性。增强了产品抗低周疲劳、高周疲劳和应力断裂特性。尤其适用于航空、航天发动机的关键铸件致密化处理。钛合金铸件几乎不可能做到没有气孔，但利用金属高温、高压惰性气体环境下塑性变形、蠕变和扩散连接效应，可做到完全去除气孔，因在高温下氧被溶解，被封闭的气孔处不再有氧化物夹杂存在。二、 热等静压机内部温度梯度如（图1）所示，在具有连续温度场的物体内，过任意一点P温度变化率最大的方向位于等温线的法线方向上。称过点P的最大温度变化率为温度梯度(temperaturegradient)，用gradt表示。通过温度梯度的概念，可用来表示温度场内的变化趋势。图1热等静压机内部温度

9、梯度分布体现了炉体内部的温度分布均匀性情况，通过温度梯度可了解加热炉内部温度的分成及温度的传导方向。通过对温度梯度的研究，有助于改进设计，提高加热炉温度分布的均匀性，并减少能耗，降低发热功率。三、 研究背景热等静压机属于高温高压的高科技设备，是一种特种工艺设备，它是现代工业发展不可缺少的设备。特别是热等静压机在军工行业的应用，如钛合金铸件处理、粉未治金涡轮盘的制作、航空、航天、核工业特种材料的制作等都离不开热等静压机。因此在发达国家，热等静压备列为关键技术装备，但是发达国家在热等静压技术方面对我国的出口却有着严格的限制。因此热等静压机作为热等静压技术的核心设备，只能立足于国产化。热等静压严格意

10、义上来讲属于特种热处理设备，温度的均匀性对于制件的性能有着重要的意义。而热等静压机加热炉内部充满超高压气体介质，与常规加热炉相比，温度场的分布情况要复杂得多。热等静压机加热炉内部既有辐射传热，还有气体的对流传热及传导传热，而常规加热炉则主要是辐射传热。同时热等静压机加热炉的隔热屏为倒杯状结构，上部没有开口，这样温度高的气体介质会集中在隔热屏上部。因此加热炉内温度均匀性实现难度较高。而热区均匀性误差是影响制品密度、性能、晶相和晶粒度等指标的关键性技术参数。因此其均温性保证上与常规加热炉有着本质的区别。本文主要针对热等静压机的加热炉内温度场进行分析和验证，为以后热等静压机的研制提供理论基础。重点在

11、于热等静压机内部的温度传导情况分析、制定设计方案和测量方案，并进行理论和数值分析。四、 研究内容(一) 研究及验证对象的选定以某型号热等静压机作为研究对象。在它的基础上进行研究。主要考虑到该设备热区尺寸大，是目前国内最大的热等静压机，内部温度场分布较小型设备更为复杂，同时该设备主要用于航空钛合金铸件的处理，对温度均匀性要求高，在此基础上进行研究更具有实际意义。研究对象的主要技术参数1. 工作介质：高纯氩气（纯度99.99%）2. 有效热区尺寸： 1250×1500mm3. 最高工作温度： 10004. 最高工作压力： 150MPa5. 升温时间： 常温1000，3h（空炉）6. 热区

12、温度均匀性：±10（温度在6001000、压力50MPa，稳态或保温时）7. 温度控制精度： ±18. 压力测量精度： ±1MPa9. 加压时间： 0150MPa，3h（同时升温升压，达到最高工作压力和温度）10. 发热体： 镍铬丝(二) 热等静压机内部温度场分布及热传导情况的理论分析。该型号热等静压机加热炉内部结构和气体介质流动方向如（图2）所示。从图中，由于隔热屏为倒杯状结构，热气会自然向上流动并在上部聚集，同时隔热屏外冷气从下部进入隔热屏内，这种情况使加热炉内气体流动情况异常复杂，采用单区加热的方式是不能满足均匀性要求。图2进一步分析加热炉内部温度传导梯度如

13、（图3）所示，在图中绿色表示对流传导梯度方向，红色为接触传导梯度方向，黑色为辐射传导梯度方向。由于超高压气体的存在，其内部传热方式有气体对流传热、辐射传热、隔热屏各层间接触传导传热三种方式。其中将热量带出隔热屏的传导方式主要是气体对流传热和隔热屏各层间接触传导传热两种方式。图3综合上述分析，必须优化设计隔热屏及形成合理的气体通道，这样才能最大限度地减少隔热屏尺寸，减小工作缸的尺寸以降低成本。同时还须保证隔热屏隔热效果，一方面可减少加热功率、节约能源，另一方面保证隔热屏外温度不超过安全温度，以确保设备的安全。实施方案(三) 研究及数据采集方案的确定1. 研究对象的实施方案经过对加热炉内温度场分布

14、情况认真分析，制定了如（图4）所示的实施方案。将整个加热分为4个加热区，单独进行加热和控温。4个加热区分别为上部加热区、中部加热区、下部加热区、底部加热区，每个加热区单独配置测温热电偶。图4底座加热发热体是为了保证工件底部受热均匀而设置的一区，由电力控制器、变压器、电极、发热体、热电偶、电压传感器、电流传感器等组成。工件就放在底座的工作台上。隔热屏为多层倒杯式结构（见图5）是由耐高温材料和耐高温隔热材料组成的，耐高温材料和耐高温隔热材料根据使用温度、气体介质等不同而使用材料也不同。隔热屏是加热系统中不可缺少的部件，是缠绕缸体正常工作的保障。隔热屏一般分三层，每层用耐高温材料作支撑，两层之间装隔

15、热材料，保证加热系统产生的热量不通过辐射、对流、传导等把热量大量的传到工作缸。图5隔热屏具有如下优点：(1) 隔热屏倒杯式的结构有利于限制气体的热对流，减少热损失。(2) 隔热屏内筒为光滑的不锈耐热钢，可增强辐射作用，有利于保温和制件的加热。(3) 隔热屏为多层结构，利于布置不同的隔热材料，增强隔热效果。l 加热功率的计算加热功率的计算如下所示Po=Ct-0.5F0.9(T/1000)1.55C-热损失系数 C=32t-空炉升温时间 t=4hF-炉膛内表面有效面积m2F=F隔+F底 =13.7m2 Po=220kW P=440kW. 实际取加热功率P=550kWl 功率分布加热炉发热体安装结构

16、在高度方向上共分为46层,分上、中、下和底座4区单独控温.发热体上区10层,中区15层,下区20层和底座1层。具体由下往上各层功率分配为：P1P10=25kW，P11P30=15kW。具体为上区加热功率150kW，中区加热功率150kW，下区加热功率250kW。下区加热功率为250KW，主要是根据加热炉内气体介质流动方向和加热炉内部温度传导梯度分布，下区热损失较大，这样能更好地满足炉内均温性要求。2. 实现数据采集方案温度测量是温度控制的基础，测温热电偶的布置非常关键。系统共分为四区，每区均布置热电偶2支，其中1支热电偶用于控制，另一根热电偶的用于备份和记录仪显示，以确保测量的准确性。此外根据

17、加热炉的结构特点和空间，在炉内还设置了10只测量热电偶，用于测量炉内各点的温度情况，以检测整个炉内温度分布的均匀性。图6具体的热电偶分布详见图6。从图中可见，参于加热控制的热电偶共有6只，2只为1组，分别负责上、中、下3个热区的温度的采集，由于测量热电偶安装在一起，只能代表炉内某一点的温度值，并不能反映整个加热炉内的温度分布情况。因此如图7所示，在加热炉内部安装了9只热电偶，3只为1组共3组，沿圆周方向均布。其中每组的3只热电偶分别负责该点上、中、下3个热区的温度值采集。同时在加热炉底部安装了一只测量热电偶，这样相当于在炉内共有10个测量点，测量点分布范围能够保证炉体内部温度测量的要求，通过上

18、述测量数据的采集，就能了解加热炉内部真实的温度场分布情况。三、 控制系统方案根据目前研究对象的特点，具有占地面积大，控制器件多、加热功率高达数百千瓦等特点，传统的集中控制系统显露出很多缺点，在抗干扰、电器布线、控制系统灵活性方面难以得到完美的解决方案。因此经综合考虑，决定采用分布式网络控制系统，采用西门子公司（Siemens）的S7-400可编程序控制器作为主控，下属每个子站使用西门子公司（Siemens）的S7-300可编程序控制器控制。通过开放的标准化现场总线PROFIBUS-DP网络连接各个部件，构成单主从工作方式。对现场的控制部件实行在线调试、诊断。通过MPI网络与上位机实现数据共享，

19、对设备进行监控。整个系统配置一台工控机，使用西门子公司（Siemens）的WINCC软件对设备进行监控，具体结构示意图见图7。图7从图8的控制系统框图中可见，整个控制系统由1个主站和3个子站组成，在主站通过PROFIBUS-DP连接计算机监控系统，具有如下特点1) 子站1安装在控制间内，采用OP7面板实现人机界面的交互，实现设备各参数的输入和显示。2) 子站2安装在设备主机附近，主要用于设备辅助动作的控制。采用TP177面板实现人机界面的交互，实现设备各参数实时显示，方便操作人员在现场也能监控设备的运行情况。3) 子站3安装在设备大功率变压器附近，它距离大功率变压器和大功率气体增压设备的位置近

20、，方便设备的布线。采用OLM光钎链路模块连接各子站，提高整个系统的抗干扰性能。四、 控温实施方案热等静压机加热炉内部充满超高压气体介质，与常规真空炉相比，热场的分布情况要复杂得多。热等静压机加热炉内部既有幅射传热，还有气体的对流传热，而真空炉则主要是幅射传热。同时热等静压机加热炉的隔热屏为倒杯状结构，上部没有开口，这样温度高的气体介质会集中在隔热屏上部，按单区加热的方式均温性显然达不到要求。因此考虑到以上因素，将整个加热炉分为上、中、下、底部四个热区进行加热和控制，在加热功率方面下区功率大于中、上区的功率，同时每个热区设置两个测温热电偶进行温度的测量和控制，（其中一只作为测量偶，另一只作为备用

21、偶，不参与控制，只显示在记录仪上，两只热电偶切换快速方便）这样每区能够根据其所在热区的实际温度单独进行加热控制，这样能够很好地解决加热炉内温度差要求。下区功率大于中、上区的功率，同时每个热区设置两个测温热电偶进行温度的测量和控制，这样每区能够根据其所在热区的实际温度单独进行加热控制，这样能够很好地解决加热炉内温度差要求。图8图8所示为加热控制系统框图，根据每区热电偶测量信号，反馈至PLC经PID调节后输出控制信号，反馈至电力控制器，再控制电力控制器进一步调节变压器输出，调节每区的加热功率，以保证升温与保温过程中的炉温均匀性。五、 基于西门子S7 PLC的温度控制 热等静压设备加热炉内部充有大量

22、超高压气氛，内部情况复杂，内部既有辐射传热和传导传热，还有气体的对流传热，很难推出理论数学模型。因此在实际应用过程中，PID控制方式的选择目前选择的是经验法整定参数方式，通过SIMENS FM355模块进行PID控制。 图9图9所示是单个热区的控制线路图，从图中可知，热电偶采集的信号反馈至PLC的西门子FM355模块，经FM355模块PID变换后控制电力控制器，来控制发热体的加热功率。FM355模块是实现温度PID控制的关键器件，是用于通用闭环控制任务的4通道闭环控制模块，可用于温度、压力和流量控制，具有方便用户的温度控制器在线自优化和实用的控制器结构，其4个模拟输出端（FM355C）或8个数

23、字输出端（FM355S）用于执行元件。FM355的控制器结构可用于固定设定点控制、串联控制、比例控制和3分量控制；根据所选择的控制器结构，几个控制器还可以结合到一个结构中。其控制器还具有五种不同的操作方式：手动、自动、安全方式、跟随方式和后备方式。其采样时间根据模拟输入端和补偿输入端的分辨率而定：12位的为20ms100ms，14位的为100ms500ms。图10 FM355控制器原理图在模拟量的控制中，经常用到PID运算来执行PID回路的功能，PID回路指令使这一任务的编程和实现变得非常容易n。如果一个PID回路的输出M（t）是时间的函数，则可以看作是比例项、积分项和微分项三部分之和。即：以

24、上各量都是连续量，第一项为比例项，最后一项为微分项，中间两项为积分项。其中!是给定值与被控制变量之差，即回路偏差。"#为回路的增益。用数字计算机处理这样的控制算式，连续的算式必须周期采样进行离散化，同时各信号也要离散化，公式如下：公式中包含9个用来控制和监视PID运算的参数，在PID指令使用时构成回路表，回路表的格式见表1。表1 PID回路表参数地址偏移量数据格式I/O类型描述过程变量当前值PVn0双字，实数I过程变量，0.0-1.0给定值4双字，实数I给定值，0.0-1.0输出值8双字，实数I/O输出值，0.0-1.0增益12双字，实数I比例常数，正、负采样时间16双字，实数I单位

25、为秒，正数积分时间20双字，实数I单位为分钟，正数微分时间24双字，实数I单位为分钟，正数积分项前值28双字，实数I/O积分项前值，0.0-1.0过程变量前值32双字，实数I/O最近一次PID变量值用可编程序控制器控制PID回路时，要把实际测量输入量、设定值和回路表中的其他输入参数进行标准化处理，即用程序转化为PLC能够识别和处理的数据的标准，例如把从AIW采集来的16位整数转化为0.0-1.0之间的标准化实数。标准化实数又分为双极性（围绕0.5上下变化）和单极性（以0.0为起点在0.0和1.0之间的范围内变化）两种。程序执行时把各个标准化实数量用离散化PID算式进行处理，产生一个标准化的实数

26、运算结果，这一结果同样也要用程序将其转化为相应的16位整数，然后周期性将其传送到指定的AQW，用以驱动模拟量的输出负载，实现控制。六、 实验数据的采集和处理经过多次升温、升压试验，得到了一些实验数据，对加热炉的整体情况有了清楚的认识。由于该设备的电气控制系统配置了基于西门子WinCC计算机监控系统，能够同时采集多路数据在计算机中，因此数据的采集比较方便。下面是从计算机监控系统中摘录的一些数据：表2：加热炉内部圆周9个检测点温度检测记录表上区温度中区温度下区温度测量点1测量点2测量点3测量点1测量点2测量点3测量点1测量点2测量点320020320220420020020220319729729

27、8300298294295295298291394394398395389391390393386490490494490484487486489481565564568564559560559563555635633638634628630627633624705704709704697700697703694775774779775767770766773763829829833829821824820827817932933936933925938923931920928931933931923925921928918表3：升温过程中控制热电偶温度及加热炉底部温度检测记录表设定温度（）上

28、区控温热偶检测温度（）中区控温热偶检测温度（）下区控温热偶检测温度（）底部热偶检测温度（）屏外温度（）备 注19019019218918942升温过程28628628628628345升温过程38338137336836149升温过程42342242442141751升温过程50650650650650153升温过程57557557457557056升温过程64464464364463859升温过程71371371371370661升温过程78278278278277363升温过程82782782882781566升温过程89989989989988867升温过程920922924921908

29、68保温过程（开始）表3：升温过程中控制热电偶温度及加热炉底部温度检测记录表（续）设定温度（）上区控温热偶检测温度（）中区控温热偶检测温度（）下区控温热偶检测温度（）底部热偶检测温度（）屏外温度（）备 注92092092192090968保温过程（15min后）92092092092091168保温过程（30min后）92092092092091268保温过程（40min后）92092092092091368保温过程（60min后）92092092092091468保温过程（75min后）92092092092091568保温过程（105min后）通过以上数据的采集，从中可发现，炉体各测量点的温度基本保持一致，各点温度的差值在整个升温过程中约10，满足设备的要求。同时从中可发现炉体下部热损失较大，底部热电