一种智能铝基材料制备中试平台的制作方法

本实用新型涉及一种中试平台，具体涉及一种智能铝基材料制备中试平台，属于金属材料实验平台技术领域。

背景技术：

铝是仅次于钢铁的第二大金属材料；由于其优良的结构及功能方面的特性，同时结合铝及其合金材料性能的改善和提高，其应用范围不断扩大，随着科技的发展，越来越多的“以铝代钢”“以铝节木”“以铝节铜”等工业铝型材被广泛研发应用，现有技术中，高性能的铝基材料被应用到航天航空、轨道交通、汽车轻量化、电子信息和家电家居等行业；但在铝基材料实验涉及各方面，现有技术中，还没有比较好的实验平台。

技术实现要素：

为解决上述问题，本实用新型提出了一种智能铝基材料制备中试平台，能够完成铝基材各类试验；能够实现各个功能模块独立控制和整个平台的联合控制。

本实用新型的智能铝基材料制备中试平台，包括整机的智能控制系统，所述智能控制系统由plc与wincc上位机构成，所述智能控制系统通信连接有中频熔化装置、电磁搅拌及保温装置、液压开模装置、多功能除气装置和超声波金属熔体处理装置；所述电磁搅拌及保温装置设置于中频熔化装置下位；所述液压开模装置上设置有金属模具；所述金属模具设置于电磁搅拌及保温装置下位；所述多功能除气装置设置于中频熔化装置和电磁搅拌及保温装置上方；所述中频熔化装置上方设置有视频监控系统；所述视频监控系统通信连接到wincc上位机控制系统；中频熔化装置可完成钢、不锈钢、铜、铝、金、银等金属材料的熔炼加热，通过wincc控制系统远程通信方式对中频熔化装置进行控制，中频熔化装置其为4-20ma或0-5v的控制加热方式，保温在720-730℃；设置有多重报警保护装置的功能；可以自动/手动倾翻使铝液倒进下位炉，需要完成中频熔炼装置和电磁搅拌及保温装置的除气工作；通过除气搅拌后，检测铝液的除气效率，除气率≥65％；检验方法为取未除气前铝液和除气后铝液分别进行测氢仪抽真空，通过试样剖面孔洞面积计算除气率；通过除气搅拌后，抽取铝液试样在真空状态下进行凝固，试样剖面的针孔度在1级以上品质；电磁搅拌及保温装置包括炉体，及设置于炉体上的加料装置；输入电压表、输入电流指示、急停等模块；其分为电磁搅拌部分和保温控制部分；触摸屏显示工作频率、工作电流、故障报警、搅拌模式等指示界面；搅拌状态可以通过调整工作频率和工作强度来改变工作的输出电流，从而达到改变搅拌强度的目的；搅拌可分为连续和定时两种模式，2种模式都具有正搅、反搅、正反搅拌的3种搅拌方式；在搅拌状态下，可设置搅拌时间、正搅时间、反搅时间；温控表可进行7段以上程序控制的高功能数字程序调节仪，可设置大小的升、降温度斜率编程及操作十分灵活，且具有跳转(循环)、运行、暂停及停止等可编程/可操作命令；保温控制部分是pid调节方式无超调及无欠调的优良控制特性；设置有四种停电/开机事件处理模式；及具备曲线拟合功能，能获得光滑平顺的曲线控制效果；采用轻量可密集安装型单相晶闸管调整器；通过内部短接线可切换成相位控制方式和零位控制方式(其中零位控制方式为变周期过零触发)；具备电流限制及过流保护功能，保温控制部分具备散热器超温报警功能；其具备wincc监控系统；超声波金属熔体处理装置为外加模块，不改变现有的生产装置和工艺流程，安装操作方便；其能够细化金属晶粒、均匀合金成分，显著改善铸造材料的强度、抗疲劳性，提升材料的综合性能，其主要包括专用电源、专用换能器、专用变幅杆和专用工具头等；其安装简便：通过标准法兰盘对接安装，无需改变现有的生产装置和工艺流程；本平台的金属模具及液压开模装置包括熔炼铝合金金属型铸造的一种非标定制装置，装置主要构成为：金属型模具(带顶杆机构及水冷通道)、液压开模机(含自动顶料机构和液压泵站)和操作平台；金属型模具2套(成型产品尺寸分别为ф150x500和ф100x500)，采用底注加侧注方式，带顶出结构，带冷却水通道；液压开模机采用按钮式电动开、合模，能够自动顶出机构，液压泵站系统压力为25mpa；由于中频熔化装置、电磁搅拌及保温装置、液压开模装置、多功能除气装置和超声波金属熔体处理装置均为现有模块组装构成实验平台，在此不再详述每一模块具体结构。

本实用新型的智能铝基材料制备中试平台实验过程如下：

1、实验准备：

1)原料准备工作：准备好的铝锭和铝块加入中频炉坩埚内；开模机涂抹脱模剂；

2)上电前准备工作：在启动系统之前，将所有的电源送电完成；

2、控制系统开启后，首先整套设备将进行故障自检工作；

3、自检完毕后，按下系统启动按钮后，系统的控制系统和冷却系统将上电完成；

4、将中频熔化装置的坩埚实时温度上传给plc控制系统，然后plc控制系统通过pid运算输出4-20ma或者0-5v的方式来调整中频电源的实时功率控制温度；同时电磁搅拌保温装置也将温度上传给plc控制系统，然后plc通过pid运算输出4-20ma或者0-5v的方式来调整中频电源的实时功率控制温度；

5、中频熔炼温度达到720-730℃后，保温30分钟(时间可通过wincc系统修订)；电磁搅拌保温装置温度达到720-730℃后，进行保温120分钟(时间可通过wincc系统修订)或无限长；

6、通过视频监控观察铝液的状态且保温时间到达后，plc系统控制除气装置自动到达中频炉的指定位置和坩埚高度进行除气作业约3-5分钟(时间可通过wincc系统修订)；

7、除气完毕后，plc远程控制多功能除气装置自动回位进入待机状态，保温720-730℃，30分钟(时间可通过wincc系统修订)；

8、保温时间再次到达且电磁搅拌保温装置的温度也在规定范围内时，plc向中频熔炼装置发出倾翻倒炉的指令，中频熔炼接到指令后，开始倾翻倒铝液，铝液通过过滤装置实现向电磁搅拌保温装置定点倒水的作业；中频熔炼装置根据情况可选择进入保温待机或者pid自动冷却停机状态；

9、电磁搅拌保温装置受铝后，静止5-10分钟(时间可通过wincc系统修订)，plc向装置发出电磁搅拌开启的信号同时向加料装置发出指令4-20ma的信号，通过wincc来控制搅拌强度和加料的速度。(电磁搅拌保温装置的温度也在规定范围内时)；

10、加料完毕后，再继续精炼搅拌30-60分钟(时间可通过wincc系统修订)；在铸造前30-60分钟(时间可通过wincc系统修订)plc来自动控制金属模具及液压开模装置处于待机受铝及加热保温200-300℃(时间可通过wincc系统修订)的状态；

11、精炼停止后，静止1-2分钟(时间可通过wincc系统修订)后。plc向超声波金属熔体处理装置发生指令，然后执行除气作业。完毕后，自动回位待机；

12、除气完毕后，金属模具及液压开模装置准备完毕，plc发出倾翻倒水的指令，电磁搅拌保温装置开始铸造作业。倒水完毕后，电磁搅拌保温装置根据情况可选择进入保温待机或者pid自动冷却停机状态；

13、铸造作业完毕后，冷却10-20分钟(时间可通过wincc系统修订)后，plc将发出开模指令。开模机得到指令后，顶出铝棒。金属模具及液压开模装置根据情况可选择进入保温待机或者pid自动冷却停机状态；

14、取出铝棒，实验完毕。

进一步地，所述中频熔化装置其出料口设置有铝液过滤装置。

本实用新型与现有技术相比较，本实用新型的智能铝基材料制备中试平台，能够完成金属熔炼工艺实验、金属材料除气净化实验、金属材料的电磁复合试验、金属材料的超声处理试验及金属压铸成型试验；通过plc控制系统将主要装备有中频熔化装置、多功能除气装置、电磁搅拌保温装置、超声波金属熔体处理装置、金属模具及液压开模装置远传到wincc监控系统进行操作与控制，实现了生产制备工艺的智能化；各个功能模块将各自的数字量信号、模拟量信号、报警信号及影像资料全部上传到西门子plc控制系统后，进行信号的处理与识别，实现自动控制的功能；同时又保留了各组成部门独立控制的功能。

附图说明

图1是本实用新型的整体结构示意图。

具体实施方式

实施例1：

如图1所示的智能铝基材料制备中试平台，包括整机控制的智能控制系统1，所述智能控制系统由plc与wincc上位机构成，所述智能控制系统通信连接有中频熔化装置2、电磁搅拌及保温装置3、液压开模装置4、多功能除气装置5和超声波金属熔体处理装置6；所述电磁搅拌及保温装置3设置于中频熔化装置2下位；所述液压开模装置4上设置有金属模具9；所述金属模具设置于电磁搅拌及保温装置3下位；所述多功能除气装置5设置于中频熔化装置2和电磁搅拌及保温装置3上方；所述中频熔化装置2上方设置有视频监控系统7；所述视频监控系统7通信连接到plc控制系统1；中频熔化装置2可完成钢、不锈钢、铜、铝、金、银等金属材料的熔炼加热，通过plc控制系统远程通信方式对中频熔化装置2进行控制，中频熔化装置2其为4-20ma或0-5v的控制加热方式，保温在720-730℃；设置有多重报警保护装置的功能；可以自动/手动倾翻使铝液倒进下位炉，需要完成中频熔炼装置和电磁搅拌及保温装置3的除气工作；通过除气搅拌后，检测铝液的除气效率，除气率≥65％；检验方法为取未除气前铝液和除气后铝液分别进行测氢仪抽真空，通过试样剖面孔洞面积计算除气率；通过除气搅拌后，抽取铝液试样在真空状态下进行凝固，试样剖面的针孔度在1级以上品质；电磁搅拌及保温装置3包括炉体，及设置于炉体上的加料装置；输入电压表、输入电流指示、急停等模块；其分为电磁搅拌部分和保温控制部分；触摸屏显示工作频率、工作电流、故障报警、搅拌模式等指示界面；搅拌状态可以通过调整工作频率和工作强度来改变工作的输出电流，从而达到改变搅拌强度的目的；搅拌可分为连续和定时两种模式，2种模式都具有正搅、反搅、正反搅拌的3种搅拌方式；在搅拌状态下，可设置搅拌时间、正搅时间、反搅时间；温控表可进行7段以上程序控制的高功能数字程序调节仪，可设置大小的升、降温度斜率编程及操作十分灵活，且具有跳转(循环)、运行、暂停及停止等可编程/可操作命令；保温控制部分是pid调节方式无超调及无欠调的优良控制特性；设置有四种停电/开机事件处理模式；及具备曲线拟合功能，能获得光滑平顺的曲线控制效果；采用轻量可密集安装型单相晶闸管调整器；通过内部短接线可切换成相位控制方式和零位控制方式(其中零位控制方式为变周期过零触发)；具备电流限制及过流保护功能，保温控制部分具备散热器超温报警功能；其具备wincc监控系统；超声波金属熔体处理装置6为外加模块，不改变现有的生产装置和工艺流程，安装操作方便；其能够细化金属晶粒、均匀合金成分，显著改善铸造材料的强度、抗疲劳性，提升材料的综合性能，其主要包括专用电源、专用换能器、专用变幅杆和专用工具头等；其安装简便：通过标准法兰盘对接安装，无需改变现有的生产装置和工艺流程；本平台的金属模具及液压开模装置4包括熔炼铝合金金属型铸造的一种非标定制装置，装置主要构成为：金属型模具(带顶杆机构及水冷通道)、液压开模机(含自动顶料机构和液压泵站)和操作平台；金属型模具2套(成型产品尺寸分别为ф150x500和ф100x500)，采用底注加侧注方式，带顶出结构，带冷却水通道；液压开模机采用按钮式电动开、合模，能够自动顶出机构，液压泵站系统压力为25mpa；由于中频熔化装置2、电磁搅拌及保温装置3、液压开模装置4、多功能除气装置5和超声波金属熔体处理装置6均为现有模块组装构成实验平台，在此不再详述每一模块具体结构。

本实用新型的智能铝基材料制备中试平台实验过程如下：

1、实验准备：

1)原料准备工作：准备好的铝锭和铝块加入中频炉坩埚内；开模机涂抹脱模剂；

2)上电前准备工作：在启动系统之前，将所有的电源送电完成；

2、控制系统开启后，首先整套设备将进行故障自检工作；

3、自检完毕后，按下系统启动按钮后，系统的控制系统和冷却系统将上电完成；

4、将中频熔化装置2的坩埚实时温度上传给plc控制系统，然后plc控制系统通过pid运算输出4-20ma或者0-5v的方式来调整中频电源的实时功率控制温度；同时电磁搅拌保温装置也将温度上传给plc控制系统，然后plc通过pid运算输出4-20ma或者0-5v的方式来调整中频电源的实时功率控制温度；

5、中频熔炼温度达到720-730℃后，保温30分钟(时间可通过wincc上位机控制系统修订)；电磁搅拌保温装置温度达到720-730℃后，进行保温120分钟(时间可通过wincc上位机控制系统修订)或无限长；

6、通过视频监控观察铝液的状态且保温时间到达后，plc系统控制除气装置自动到达中频炉的指定位置和坩埚高度进行除气作业约3-5分钟(时间可通过wincc上位机控制系统修订)；

7、除气完毕后，plc远程控制多功能除气装置5自动回位进入待机状态，保温720-730℃，30分钟(时间与温度可通过wincc上位机控制系统修订)；

8、保温时间再次到达且电磁搅拌保温装置的温度也在规定范围内时，plc向中频熔炼装置发出倾翻倒炉的指令，中频熔炼接到指令后，开始倾翻倒铝液，铝液通过过滤装置实现向电磁搅拌保温装置定点倒水的作业；中频熔炼装置根据情况可选择进入保温待机或者pid自动冷却停机状态；

9、电磁搅拌保温装置受铝后，静止5-10分钟(时间可通过wincc上位机控制系统修订)，plc向装置发出电磁搅拌开启的信号同时向加料装置发出指令4-20ma的信号，通过wincc上位机来控制搅拌强度和加料的速度。(电磁搅拌保温装置的温度也在规定范围内时)；

10、加料完毕后，再继续精炼搅拌30-60分钟(时间可通过wincc上位机控制系统修订)；在铸造前30-60分钟(时间可通过wincc上位机控制系统修订)plc来自动控制金属模具及液压开模装置4处于待机受铝及加热保温200-300℃(温度可通过wincc上位机控制系统修订)的状态；

11、精炼停止后，静止1-2分钟(时间可通过wincc上位机控制系统修订)后。plc向超声波金属熔体处理装置6发生指令，然后执行除气作业。完毕后，自动回位待机；

12、除气完毕后，金属模具及液压开模装置4准备完毕，plc发出倾翻倒水的指令，电磁搅拌保温装置开始铸造作业。倒水完毕后，电磁搅拌保温装置根据情况可选择进入保温待机或者pid自动冷却停机状态；

13、铸造作业完毕后，冷却10-20分钟(时间可通过wincc上位机控制系统修订)后，plc将发出开模指令。开模机得到指令后，顶出铝棒。金属模具及液压开模装置4根据情况可选择进入保温待机或者pid自动冷却停机状态；

14、取出铝棒，实验完毕。

其中，所述中频熔化装置2其出料口设置有铝液过滤装置8。

上述实施例，仅是本实用新型的较佳实施方式，故凡依本实用新型专利申请范围所述的构造、特征及原理所做的等效变化或修饰，均包括于本实用新型专利申请范围内。