專(zhuān)利名稱(chēng)：高性能鎂合金型坯連鑄生產(chǎn)線成套電氣設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及材料制備電氣機(jī)械和過(guò)程控制技術(shù)領(lǐng)域,具體是一種高強(qiáng)變形鎂合金型坯連鑄生產(chǎn)線用的成套電氣設(shè)備。包括感應(yīng)熔化爐、保溫爐及電磁力攪拌器電氣機(jī)械；鎂 合金真空保護(hù)冶煉、鎂合金熔體傳輸、鎂合金液體變質(zhì)與結(jié)晶及型坯牽引過(guò)程控制。
背景技術(shù)：
得益于電力電子技術(shù)的進(jìn)步，目前感應(yīng)熔煉設(shè)備用功率器件，除晶閘管外還有更 多的選擇，如MOSraT、IGBT、SIT、MCT等自關(guān)斷器件。自關(guān)斷器件的出現(xiàn)，感應(yīng)熔煉換流技術(shù) 由單一的交-直-交變頻方式也朝著交-交直接變頻的“綠色”電源技術(shù)方向擴(kuò)展,交-交 直接變頻的電源系統(tǒng)不需要儲(chǔ)能元件,使系統(tǒng)更緊湊，更節(jié)能，不足的只是自關(guān)斷器件的價(jià) 格相對(duì)高些。交-交直接變頻的電路拓?fù)湫问皆?976年就提出，實(shí)用化則是1979年矩陣 變換器學(xué)術(shù)思想，可歸納為輸出電壓增益問(wèn)題、調(diào)制策略以及開(kāi)關(guān)換流三個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。目前 矩陣式變換器在感應(yīng)熔煉換流技術(shù)中的應(yīng)用，以理論研究居多，有部分實(shí)驗(yàn)室樣機(jī)，實(shí)用化 和工業(yè)化產(chǎn)品未見(jiàn)報(bào)道。三相/單相矩陣變換器驅(qū)動(dòng)感應(yīng)加熱的串聯(lián)諧振電源系統(tǒng)，諧振槽路來(lái)源于負(fù)載 感應(yīng)線圈與電容串聯(lián)，串聯(lián)電容目的是向負(fù)載提供無(wú)功能量提高功率因素，在這樣特定環(huán) 境下的三相/單相矩陣變換器變頻原理也單一了，為工業(yè)化實(shí)際應(yīng)用提供了可能。鄭州大 學(xué)劉平教授指導(dǎo)了研究生王洋2006年5月論文《禾U用IGBT串聯(lián)的感應(yīng)加熱電源研究》；浙 江大學(xué)張仲超教授指導(dǎo)了研究生王劍2006年6月論文《矩陣變換器的研究及其在感應(yīng)加熱 中的應(yīng)用》，研究生蔡家利2007年6月論文《三相—單相矩陣變換器應(yīng)用于串聯(lián)諧振感應(yīng)加 熱的研究》;為三相/單相矩陣變換器應(yīng)用于串聯(lián)諧振感應(yīng)加熱做了一系列理論與實(shí)踐的探 索性研究工作,特別王洋制作了輸出功率達(dá)到IOKW感應(yīng)加熱電源樣機(jī)。以上的試驗(yàn)研究均 沒(méi)有考慮到感應(yīng)熔煉的復(fù)雜工況，與三相/單相的交_交直接變頻的感應(yīng)熔化爐工業(yè)化應(yīng) 用還存在一段距離。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是開(kāi)發(fā)一種高強(qiáng)變形鎂合金型坯連鑄生產(chǎn)線用的成套電氣設(shè)備，確保 鎂合金材料熔化、配制及連鑄生產(chǎn)工藝過(guò)程安全、穩(wěn)定及全程自動(dòng)化，且自身污染小。本發(fā)明另一目的是最少的能源消耗獲得最大生產(chǎn)效率。技術(shù)方案及實(shí)施方式為以上目的采取如下措施，設(shè)計(jì)制造了 160kW鐵坩堝真空感應(yīng)熔化爐，ISOkff鐵坩 堝真空感應(yīng)保溫爐，使用了三相/單相矩陣變換器驅(qū)動(dòng)的串聯(lián)諧振感應(yīng)加熱電源技術(shù)。生 產(chǎn)線全程真空保護(hù)電控技術(shù)，包括加料倉(cāng)中加料測(cè)控作業(yè)、熔化爐和保溫爐的雙真空測(cè)控 作業(yè)、熔體的差壓輸送作業(yè)；還包括螺旋給料、旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)和牽引機(jī)伺服控制作業(yè)。本發(fā)明的特征在于，①生產(chǎn)線控制平臺(tái)②生產(chǎn)線全程真空保護(hù)電控制③生產(chǎn)線感 應(yīng)熔化爐及控制④生產(chǎn)線各工序作業(yè)及伺服控制
高性能鎂合金型坯連鑄生產(chǎn)線在控制平臺(tái)協(xié)調(diào)下工作，三級(jí)控制策略，即控制平臺(tái)一現(xiàn)場(chǎng)管理一工序作業(yè)?？刂破脚_(tái)F設(shè)的現(xiàn)場(chǎng)管理是一個(gè)工序或幾個(gè)工序的組合，本發(fā) 明中的現(xiàn)場(chǎng)管理的中心是圍繞熔化工序或保溫工序，其他工序配合完成指定的任務(wù)；工序 是借助電氣機(jī)械完成的最基本作業(yè)，控制電氣的設(shè)備按照指定程序運(yùn)行完成生產(chǎn)線自動(dòng)化 過(guò)程。工序作業(yè)的現(xiàn)場(chǎng)安放數(shù)量不等,類(lèi)型不同的傳感器來(lái)返回當(dāng)前的運(yùn)行狀況,帶無(wú)線收 發(fā)功能的傳感器可將運(yùn)行狀況同時(shí)報(bào)送現(xiàn)場(chǎng)管理和控制平臺(tái)。三級(jí)控制中，每一級(jí)控制都 有自己權(quán)屬空間。圖la,高性能鎂合金型坯連鑄生產(chǎn)線控制流程圖，描敘了型坯連鑄生產(chǎn)線的組織 方式。控制平臺(tái)是一臺(tái)具有無(wú)線收發(fā)能力的穩(wěn)定工控機(jī),無(wú)線收發(fā)硬件接口和控制平臺(tái)軟 件均為自主研發(fā)，控制軟件幵發(fā)平臺(tái)VB6. 0，圖Ib是控制平臺(tái)應(yīng)用的一個(gè)實(shí)例頁(yè)面。圖2,生產(chǎn)線全程真空的組織管理及電控制。系統(tǒng)中共設(shè)置4種壓力，分別為蒸發(fā) 壓(指原材料油污、水汽蒸發(fā)和浮塵揮發(fā)時(shí)的壓力)、熔煉壓(指真空屏障的壓力)、坩堝 壓(指液體鎂合金不蒸發(fā)的壓力)及導(dǎo)流壓。蒸發(fā)壓通常不變；熔煉壓和坩堝壓與冶煉的 鎂合金材料性質(zhì)有關(guān)，材料一定熔煉壓也不變化；導(dǎo)流壓在導(dǎo)流期間是變化的，非導(dǎo)流時(shí)保 護(hù)保溫坩堝中的液體。比較前三者絕對(duì)壓力可知，坩堝壓最高，蒸發(fā)壓最低。用一臺(tái)真空泵 產(chǎn)生蒸發(fā)壓力,借助儲(chǔ)能罐,通過(guò)減壓方式得到熔煉壓和導(dǎo)流壓,坩堝壓可從熔煉壓減壓得 至IJ?？紤]到冶煉過(guò)程中鎂液蒸發(fā)壓隨溫度發(fā)生的變化,控制電氣中配備電動(dòng)V型球閥實(shí)時(shí) 調(diào)整。導(dǎo)流壓通過(guò)減壓閥與電動(dòng)V型球閥組合得到導(dǎo)流要求的壓力。為適應(yīng)測(cè)溫和測(cè)壓力 的需要，自主研制了非接觸測(cè)溫、絕對(duì)壓力測(cè)量雙功能無(wú)線傳感器，同時(shí)測(cè)量熔化坩堝和保 溫坩堝的壓力和溫度。圖3a, 160kff三相/單相串聯(lián)諧振鐵坩堝真空感應(yīng)熔化爐變頻及調(diào)功原理圖。圖 3b，雙單片機(jī)現(xiàn)場(chǎng)管理的硬件系統(tǒng)電原理圖。由圖3b-l三相/單相變頻功率模塊組件，在 三相工頻輸入到單相中頻輸出的變流中，使用了 12只1200A/1700V的大功率IGBT。12只 IGBT均分在三相電源上構(gòu)成為三相橋,2只共e的IGBT構(gòu)成上半橋,程序上設(shè)計(jì)為允許工 作在正半周的工頻電流通過(guò)；2只共C的IGBT構(gòu)成下半橋,允許工作在負(fù)半周的工頻電流 通過(guò)；—丨二半橋與下半橋間的快速熔斷器是同相短路時(shí)保護(hù)IGBT的最后保護(hù)措施。三相橋的 兩公共端分別與串聯(lián)在其上的感應(yīng)圈負(fù)載和補(bǔ)償電容相連。在工頻側(cè)加入LC濾波器減輕 感應(yīng)熔化爐高次諧波對(duì)供電源造成的干擾。Rogowski線圈分別采集工頻側(cè)橋路的電流，得 到三相工頻電壓的換相點(diǎn)；測(cè)量感應(yīng)線圈電流的霍爾傳感器,獲得中頻諧振電流的過(guò)零點(diǎn)。 感應(yīng)爐工作期間，輸入電壓與諧振電流完全同相且功率因素為1時(shí)，得到滿功率輸出；不完 全同相或功率因素不等于1則功率降低。為在整個(gè)感應(yīng)熔化期間補(bǔ)償功率因素到1，系統(tǒng)中 串聯(lián)的補(bǔ)償電容其中一部分可調(diào)，選用小功率IGBT作開(kāi)關(guān)器件。圖3b-2、圖3b-3是以熔化 爐為中心，由雙單片機(jī)構(gòu)成的現(xiàn)場(chǎng)管理系統(tǒng)，圖3b-2ADuC841單片機(jī)負(fù)責(zé)采集工頻電壓換 相點(diǎn)，中頻電流過(guò)零點(diǎn)，接收控制平臺(tái)協(xié)調(diào)指令，綜合處理后，向圖3b-4發(fā)出請(qǐng)求，驅(qū)動(dòng)功 率元件工作獲得功率；在圖3b 7中的無(wú)線收發(fā)模塊主要是遇到災(zāi)難事件，如漏爐第一時(shí)間 停止加熱功率；圖3b 3AI)UC812單片機(jī)負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)加料作業(yè)(見(jiàn)加料工序)，通過(guò)圖3b-6與 控制平臺(tái)保持緊密的聯(lián)系,熔化爐熔化狀況可通過(guò)圖3b-6USB接口記錄到U盤(pán)中，為熔煉的 最佳方案選擇提供技術(shù)資料。加料工序，電氣機(jī)械為1臺(tái)蝸桿減速機(jī)和1臺(tái)升降機(jī),2臺(tái)套加料設(shè)備。減速機(jī)用于啟閉爐料進(jìn)倉(cāng)門(mén)和爐料轉(zhuǎn)運(yùn)，作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；升降機(jī)啟閉爐料出倉(cāng)門(mén)，作直線運(yùn)動(dòng)。初始狀 況，進(jìn)、出倉(cāng)門(mén)關(guān)閉；加料小車(chē)停加料位；圖2，快速排放閥11得電，換向閥14、15失電；此時(shí) 加料倉(cāng)氣壓與倉(cāng)外相同。運(yùn)動(dòng)節(jié)拍為，圖2-12減速機(jī)正轉(zhuǎn)(開(kāi)進(jìn)倉(cāng)門(mén))一減速機(jī)暫停(等 待加料)一開(kāi)關(guān)動(dòng)作(加料完畢)—減速機(jī)反轉(zhuǎn)(關(guān)進(jìn)倉(cāng)門(mén))一圖2換向閥15線包得電 保持(倉(cāng)內(nèi)達(dá)蒸發(fā)壓)一圖2換向閥14線包得電保持(倉(cāng)內(nèi)達(dá)熔化壓)一圖2-13升降機(jī) 正轉(zhuǎn)(幵出倉(cāng)門(mén)、預(yù)熱)，減速機(jī)反轉(zhuǎn)(加料小車(chē)到運(yùn)動(dòng)，給料)，減速機(jī)正轉(zhuǎn)(加料小車(chē)返 回加料位)一升降機(jī)反轉(zhuǎn)(關(guān)出倉(cāng)門(mén))—換向閥14線包失電一快速排放閥得電，完成了一 次加料作業(yè)。熔化工序，電氣機(jī)械為熔化爐,2臺(tái)套熔化設(shè)備,感應(yīng)圈和爐殼冷卻變頻供水裝置。
依據(jù)三相/單相矩陣變換原理，對(duì)鐵坩堝中的金屬原材料提供滿功率升溫熔化，配制的中 間合金或工作合金液體提供低功率保溫和較低頻率的攪拌。根據(jù)熔化工序參數(shù),經(jīng)控制平 臺(tái)協(xié)調(diào)，大功率用電設(shè)備實(shí)現(xiàn)分時(shí)使用電源，具體是在2臺(tái)熔化爐及1臺(tái)保溫爐之間分時(shí)使 用。在熔化工序中共有7只傳感器,雙波長(zhǎng)非接觸溫度傳感器測(cè)量金屬熔體的溫度、非接觸 測(cè)量液面高得到金屬熔體重量、漏爐檢測(cè)傳感器用于災(zāi)害發(fā)生、溫度與壓力組合傳感器監(jiān) 測(cè)熔化壓和感應(yīng)圈溫度的變化、感應(yīng)圈出水口和爐殼出水口分別采用非接觸測(cè)溫傳感器， 與變頻器組成變頻供水的伺服機(jī)構(gòu)。保溫工序，電氣機(jī)械為保溫爐，主要用于混合攪拌來(lái)自2個(gè)熔爐的中間合金或工 作合金熔體。保溫爐的功率儲(chǔ)備很大，目的是當(dāng)生產(chǎn)線遇到意外故障或停電意外事件時(shí)，冷 爐料的熔化升溫。保溫工序中所用的傳感系統(tǒng)與熔化工序相同，此外在該工序中加入直讀 光譜分析手段監(jiān)控鎂合金成分的實(shí)時(shí)變化,通過(guò)微調(diào)機(jī)構(gòu)補(bǔ)充調(diào)整化學(xué)成分。變質(zhì)工序、結(jié)晶工序及牽引工序，電氣機(jī)械為螺旋給料機(jī)、旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)磁力攪拌器和 牽引機(jī)。結(jié)晶器的冷卻能力決定牽引速度的快慢，牽引速度影響變質(zhì)、孕育劑給料速度和攪 拌磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)速度，因此現(xiàn)場(chǎng)管理將協(xié)調(diào)三者之間的權(quán)重,求得最合理工作方案。結(jié)晶器出 口型坯溫度是重要的控制量，變質(zhì)給料速度、旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)、結(jié)晶器與攪拌器冷卻水、牽引速度 及牽引輪的壓緊裝置均采用變頻供電方式，完成伺服控制作業(yè)。具有的優(yōu)點(diǎn)和有益效果1.自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的控制平臺(tái)軟件，協(xié)調(diào)2臺(tái)熔化爐與1臺(tái)保溫爐大功率電氣設(shè)備 的分時(shí)使用，針對(duì)性強(qiáng)、先進(jìn)性好。2.雙單片機(jī)現(xiàn)場(chǎng)管理硬件系統(tǒng),雙單片機(jī)在軟件設(shè)計(jì)上相互鏡像,在--定的條件 下具有自修復(fù)功能，減少錯(cuò)誤，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。3.借助儲(chǔ)能罐和減壓閥，用一臺(tái)真空泵產(chǎn)生多種壓力，簡(jiǎn)單適用，維護(hù)方便。4.非接觸測(cè)溫、絕對(duì)壓力測(cè)量雙功能無(wú)線傳感器,使測(cè)量工作便捷和緊湊。5.經(jīng)調(diào)試運(yùn)行,高性能鎂合金型坯連鑄生產(chǎn)線運(yùn)行良好,成套電氣設(shè)備工作正常， 由于關(guān)鍵技術(shù)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，該技術(shù)可以向不同功率連鑄生產(chǎn)線延伸。


圖1高性能鎂合金型坯連鑄生產(chǎn)線控制平臺(tái)工作流程圖(a)及程序界面(b)圖2真空全程保護(hù)過(guò)程控制3160kW三相/單相串聯(lián)諧振鐵坩堝真空感應(yīng)熔化爐，變頻及調(diào)功(a),電原理圖(b)。
權(quán)利要求
高性能鎂合金型坯連鑄生產(chǎn)線成套電氣設(shè)備，包括①生產(chǎn)線控制平臺(tái)②生產(chǎn)線全程真空保護(hù)電控制③生產(chǎn)線感應(yīng)熔化爐及控制④生產(chǎn)線各工序作業(yè)及伺服控制本發(fā)明的特征在于，一臺(tái)具有硬件無(wú)線收發(fā)接口的工控機(jī)(winXP操作系統(tǒng))，裝載自主研發(fā)控制軟件(VB6.0開(kāi)發(fā)平臺(tái))，將主要的6個(gè)工序作業(yè)組合為四個(gè)現(xiàn)場(chǎng)管理獨(dú)立模式運(yùn)行。
2.根據(jù)權(quán)利1所述的高性能鎂合金型坯連鑄生產(chǎn)線成套電氣設(shè)備,其特征在于所述 的生產(chǎn)線控制平臺(tái)圖la，是控制與決策中心，采用三級(jí)控制，控制平臺(tái)一現(xiàn)場(chǎng)管理一工序作 業(yè)。
3.根據(jù)權(quán)利2所述控制平臺(tái),其特征在于協(xié)調(diào)大功率設(shè)備分時(shí)使用電源,無(wú)線連接各 工序的無(wú)線設(shè)備,提出容錯(cuò)尺度。
4.根據(jù)權(quán)利2所述現(xiàn)場(chǎng)管理，其特征在于現(xiàn)場(chǎng)管理1(2)=加料工序1 (2) +熔化工序 1 (2)，現(xiàn)場(chǎng)管理3 =保溫工序，現(xiàn)場(chǎng)管理4 =變質(zhì)工序+結(jié)晶工序+牽引工序，共四個(gè)獨(dú)立 管理系統(tǒng)。
5.根據(jù)權(quán)利1所述的高性能鎂合金型坯連鑄生產(chǎn)線成套電氣設(shè)備,其特征在于所述 的生產(chǎn)線全程真空保護(hù)電控制(圖2)，用一臺(tái)真空泵借助儲(chǔ)能罐及通過(guò)減、調(diào)壓電控制手 段，得到全程真空保護(hù)及導(dǎo)流傳輸用的4種壓力。
6.根據(jù)權(quán)利4所述現(xiàn)場(chǎng)管理1(2),其特征在于雙單片機(jī)控制模式用的硬件及嵌入軟 件,一片單片機(jī)用于獲得中頻加熱功率和災(zāi)難事件的處理，另一片單片機(jī)與控制平臺(tái)保持 信息交換，兩單片機(jī)的重要數(shù)據(jù)相互備份。
7.根據(jù)權(quán)利1所述的高性能鎂合金型坯連鑄生產(chǎn)線成套電氣設(shè)備,其特征在于所述 的生產(chǎn)線感應(yīng)熔化爐及控制，電功率模塊160kW,變頻原理三相工頻到單相中頻，負(fù)載鐵坩 堝，單相中頻電壓串聯(lián)感應(yīng)圈和補(bǔ)償電容,組成串聯(lián)諧振。
8.根據(jù)權(quán)利7所述電功率模塊，其特征在于12只1200A/1700V的大功率IGBT，每4只 為一組，通過(guò)輸入相線與感應(yīng)圈負(fù)載串聯(lián)，從程序上將其中2只共e的IGBT定義為上半橋， 2只共c的IGBT構(gòu)成下半橋,上半橋與下半橋間設(shè)置快速熔斷器。
9.根據(jù)權(quán)利1所述的高性能鎂合金型坯連鑄生產(chǎn)線,其特征在于所述的牽引機(jī)(圖 1-7)，雙水平輥式牽引，牽引機(jī)到結(jié)晶器距離可調(diào)，兩牽引機(jī)之間距離在O-Im范圍可調(diào)，用 三相變頻調(diào)速方式驅(qū)動(dòng)牽引輥，用三相變頻調(diào)速螺旋升降機(jī)將壓緊力通過(guò)壓輥傳遞到型 坯,型坯出口溫度和型坯牽引速度組成閉環(huán)控制系統(tǒng)。
全文摘要
高性能鎂合金型坯連鑄生產(chǎn)線成套電氣設(shè)備，涉及材料制備電氣機(jī)械和過(guò)程控制技術(shù)領(lǐng)域，用于高性能鎂合金型坯連鑄生產(chǎn)線電氣自動(dòng)化?？刂破脚_(tái)硬件為工控機(jī)，軟件用VB6.0開(kāi)發(fā)，協(xié)調(diào)四個(gè)雙單片機(jī)控制的現(xiàn)場(chǎng)管理模塊，協(xié)調(diào)大功率用電設(shè)備分時(shí)使用電源，無(wú)線連接各工序中的無(wú)線設(shè)備，錯(cuò)誤發(fā)生時(shí)提出容錯(cuò)尺度。借助于儲(chǔ)能罐，通過(guò)減、調(diào)壓電控制手段從一臺(tái)真空泵獲得到全程真空保護(hù)及導(dǎo)流傳輸用的4種壓力。設(shè)計(jì)制造了160kW三相/單相矩陣變換變流的串聯(lián)諧振鐵坩堝中頻熔化爐，功率器件為12只1200A/1700V的IGBT組成三相橋，上半橋與下半橋間放置快速熔斷器。變質(zhì)、結(jié)晶和牽引工序及電氣設(shè)備的水冷均采用變頻伺服過(guò)程控制。
文檔編號(hào)H05B6/06GK101846994SQ20091022234
公開(kāi)日2010年9月29日 申請(qǐng)日期2009年11月16日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月16日
發(fā)明者王仁輝 申請(qǐng)人:王仁輝