CN103966404A

CN103966404A - 一种适用于板条形金属试样热处理的直接电阻加热设备

Info

Publication number: CN103966404A
Application number: CN201410214136.2A
Authority: CN
Inventors: 朱鸣芳; 冯赛; 戴挺; 孙召亮
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2014-05-20
Filing date: 2014-05-20
Publication date: 2014-08-06

Abstract

本发明提供了一种适用于板条形金属试样热处理的直接电阻加热设备，一种适用于板条形金属试样热处理的直接电阻加热设备，包括保温壳体、设于保温壳体内的主体、控制装置；主体包括底板、固定于底板上的固定加热电极、滑动加热电极、固定于底板上的滑动装置、张力装置，滑动加热电极固定于滑动装置上，张力装置与滑动加热电极底部连接；控制装置包括变压器以及依次连接的热电偶、数据采集装置、计算机控制***、档位选择模块、可控硅控制器、可控硅，可控硅与变压器原边连接，变压器副边分别与固定加热电极、滑动加热电极连接。该设备允许热处理的试样尺寸大且可有效预防导电试样的变形，控温精确性、重复性、保温温度精确性优异、效率高。

Description

一种适用于板条形金属试样热处理的直接电阻加热设备

技术领域

本发明属于钢铁生产设备领域，特别涉及一种适用于板条形金属试样热处理的直接电阻加热设备。

背景技术

我国钢铁企业的热处理实验设备研究温度控制不精确，一般只能进行空冷、随炉冷却和水淬，无法满足复杂、精确的冷却控制要求。而退火是一种对金属材料、非金属材料的热处理工艺，指的是将金属缓慢加热到一定温度，保持足够时间，然后以适宜速度冷却；其目的是降低硬度，改善切削加工性，消除残余应力，稳定尺寸，减少变形与裂纹倾向，细化晶粒，调整组织，消除组织缺陷。由此可见，退火工艺对产品的最终性能有着重要的影响，通过对退火工艺的模拟研究可以有效地降低产品成本，优化退火工艺，改善产品性能。

目前国内外在退火实验研究方面普遍采用热处理炉、热模拟试验机以及专门的连续退火模拟装置。普通热处理炉(如电阻炉、盐浴炉等)是我国钢铁企业的退火实验研究的最主要的设备之一，其缺点是冷却速度很难精确控制，一般只能进行空冷、随炉冷却和水淬，无法满足复杂、精确的冷却控制要求；而热力模拟试验机热循环过程控制较好，不足之处是试样小，不能进行后续拉伸和深冲实验，另一不足是不能开展退火过程表面反应方面的研究；而连续退火模拟装置，需要成卷的原料，实验成本高，周期长，并且工艺参数调整不灵活。

发明内容

发明目的：为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于一种适用于板条形金属试样热处理的直接电阻加热设备。

技术方案：本发明提供的一种适用于板条形金属试样热处理的直接电阻加热设备，包括保温壳体、设于保温壳体内的主体、控制装置；所述主体包括底板、固定于底板上的固定加热电极、滑动加热电极、固定于底板上的滑动装置、张力装置，所述滑动加热电极固定于滑动装置上，所述张力装置与滑动加热电极底部连接；控制装置包括变压器以及依次连接的热电偶、数据采集装置、计算机控制***、档位选择模块、可控硅控制器、可控硅，可控硅与变压器原边连接，变压器副边分别与固定加热电极、滑动加热电极连接。

作为改进，保温壳体包括盒体、上盖、设于壳体和上盖内的耐高温隔热涂层。

作为另一种改进，所述盒体包括主盒体和平行设置于主盒体内的盒体端筋板；所述上盖包括盖顶板、设于盖顶板相对边上的压条板、设于盖顶板顶部的手柄和设于盖顶板底部的盖筋板。

作为另一种改进，所述滑动装置包括导轨和与导轨配合的滑动轴承，所述导轨固定于底板上，滑动加热电极固定于滑动轴承上。

作为另一种改进，所述张力装置包括螺杆、套接在螺杆上的弹簧、设于弹簧底部的螺帽。

有益效果：

具体而言，相对于现有技术，具有以下突出的优势：

1)相比于箱式电阻炉，直接电阻加热设备为金属板材试样提供一个稳定的热环境，可实现精确控制保温温度和时间、加热和冷却速度，其控温精确性和重复性更优异；

2)相比于箱式电阻炉，直接电阻加热设备硬件***可及时检测***问题，便于拆卸和维修；软件***便于调试和检测问题，软件运行效率高、运行速度快；

3)相比于箱式电阻炉，直接电阻加热设备自动性能更好，不需实验人员手工记录，可提高实验的精确性、节省实验时间、提高效率；

4)相比于箱式电阻炉，直接电阻加热设备具有张力***，可有效防止热处理试样的变形，保证热处理试样后续的显微组织和力学性能分析测试的制样要求。

附图说明

图1为上盖的结构示意图。

图2为上盖的仰视图。

图3为盒体的结构示意图。

图4为主体的结构示意图。

图5为该装置局部放大图。

图6为控制装置结构示意图。

图7为数据采集装置的采集原理图。

图8为数据采集卡AD双端输入连接方法；

图9为数据采集卡DA模拟量输出的信号连接方法；

图10为数据采集卡DO数字量输出的信号连接方法；

图11为档位选择模块的自动模式下电路原理图；

图12为档位选择模块的档位切换模块程序框图；

图13为档位选择模块的手动模式下2v控制电路原理图；

图14为可控硅控制器电路原理图；

图15为温度控制和测量***的原理图；

图16为数据采集模块流程图；

图17为数据采集模块程序框图；

图18为温度控制模块程序框图；

图19为箱式电阻炉保温5min时，14次重复试验实际控制效果图；

图20为本发明直接电阻加热设备保温5min时，7次重复试验实际控制效果图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做出进一步说明。

适用于板条形金属试样热处理的直接电阻加热设备，包括保温壳体1、设于保温壳体1内的主体2、控制装置3。

所述保温壳体1，见图1-3，包括盒体11、上盖12、设于壳体11和上盖12内的耐高温隔热涂层，盒体11包括主盒体111和平行设置于主盒体111内的盒体端筋板112；所述上盖12包括盖顶板121、设于盖顶板121相对边上的压条板122、设于盖顶板121顶部的手柄123和设于盖顶板底部的盖筋板124。

所述主体2，见图4，包括底板21、固定于底板21上的固定加热电极22、滑动加热电极23、固定于底板21上的滑动装置24、张力装置25，所述滑动加热电极23固定于滑动装置24上，所述张力装置25与滑动加热电极23底部连接。具体而言，所述滑动装置24包括导轨241和与导轨241配合的滑动轴承242，所述导轨241固定于底板21上，滑动加热电极23固定于滑动轴承242上；所述张力装置25包括螺杆251、套接在螺杆251上的弹簧252、设于弹簧252底部的螺帽253，螺杆251与滑动电极底部连接，张力装置利用连接到可滑动的电极基座上的螺杆251，在螺杆251上套上弹簧252，然后用螺帽253对弹簧252进行压缩，从而对试样4加载荷。

固定加热电极22、滑动加热电极23分别与铜排26、过渡电极27连接，再连接于变压器37两端，见图5。具体地，变压器37次级线圈的两个输出端分别与过渡电极27连接，过渡电极27通过铜排26与固定加热电极22、滑动加热电极23连接，试样(4)的两端通过张力装置(25)与固定加热电极22、滑动加热电极23紧密接触，形成电流回路。

控制装置3，见图6，包括变压器37以及依次连接的热电偶31、数据采集装置32、计算机控制***33、档位选择模块34、可控硅控制器35、可控硅36，可控硅36与变压器37原边连接，变压器37副边分别与固定加热电极22、滑动加热电极23连接。电流互感器(38)设于变压器37副边电路上。

380v交流电通过变压器(37)之后，变压器(37)将380V转变为0-8V，以小电压加在试样(4)两端，并对试样(4)加热，热电偶(31)可以实时地测出试样(4)上面的温度，通过数据采集装置32反馈到计算机控制***(33)中，通过档位选择模块(34)计算出下一时刻的输出电压，通过控制可控硅控制器(35)的导角，利用可控硅(36)调节变压器(37)初级线圈的匝数，从而达到调控次级电压的效果，进而达到控制试样4温度的目的。加热电流的大小通过电流互感器(38)测量。

更具体的，本发明提供的控制装置3，包括：

一.数据采集装置32：指从传感器和其它待测设备等模拟和数字被测单元中自动采集非电量或者电量信号，送到上位机中进行分析处理。所采集信号包括电流、电压和温度，数据采集装置将采集到的信号经滤波、放大，送至A/D转换器，再以数字量形式送入计算机，其采集原理见图7。

本发明选用数据采集卡为阿尔泰公司PCI2006数据采集卡。

该数据采集卡各类信号连接方法：采用双端输入方式，其连接见图8-10所示，16路模拟输入信号正端接到AI0-AI15端，其模拟输入信号负端接到AI16-AI31端，现场设备与PCI2006板共用模拟地AGND。

PCI2006数据采集卡各接口引脚的选择：该设备共要求3路模拟信号输入(电流、电压和温度)、1路模拟信号输出和4路数字信号输出。其中，为了提高抗干扰能力，3路模拟信号输入采用双端输入的方式。PCI2006数据采集卡的引脚有3个，分别是AD、DA模拟量输入输出连接器62芯D型插头CN1、DI数字量信号输入连接器P1和DO数字量信号输出连接器P2。表1为各路信号选取的引脚。

表1设备引用引脚号及其功能

二.档位选择模块34：

档位选择模块(34)主要是由档位切换电路组成的。

在自动模式中，采用了继电器回路来实现类似的功能。具体的方案是利用计算机输出的0V/5V开关量信号实现控制继电器常开和常闭脚的切换，从而控制220V电路的通断。继电器电路原理如图11所示。其中用到的电子元器件有：二极管IN4007S、三极管9013(NPN)、10K电阻和HK4100F-DC5V-SHG继电器。

档位切换模块具体的程序框图如图12所示。通过控制档位切换的继电器电路可以达到控制电压档位为切换的目的。档位切换继电器电路是由PCI2006输出的数字量信号(即DO2、DO4、DO6、DO8)控制的，档位调节程序中采用了单选开关和条件结构，实现了4个数字量输出口最多只能有一个输出5V的限制功能。

在手动控制模式中，以2V控制电路为例，其他电压下同理，见图13。

三.可控硅控制器35：见图14。

四.计算机控制***33：

该计算机控制***33的软件***的实现是在LabVIEW平台下完成的。根据***功能，***分为四个模块：数据采集模块、档位选择模块、数据处理模块、数据管理模块，各模块的功能如表2所示。控制***采用档位选择模块参数整定。图15为温度控制和测量***的原理图，热电偶传来的温度信号传到温度变送器，然后再送至A/D转换器。A/D转换器将检测到的电压或电流信号(模拟量)转换成计算机能够识别的等效数字量。这些数字量在经过计算机的特定处理后输出结果，通过D/A转换器变为电压或电流信号，送到执行机构即可控硅。通过调节可控硅的触发角的开口度，调节次级线圈电压的大小，达到调节变压器次级线圈的电流大小的目的，从而控制试样温度的变化。

表2各模块的功能

1)主程序及界面设计：主程序主要包括3个选择操作，设定热处理温度曲线、开始热处理控制和退出。前面板上方还有工具栏，工具栏下方有单步运行按钮、连续运行按钮、停止按钮和暂停按钮，这4个按钮可控制程序的运行和停止。热处理过程主要包括4个操作步骤，第一步是单击连续运行按钮，使程序连续运行起来；第二步是单击热处理温度曲线，将会跳出预设温度曲线窗口，设定预设温度曲线即设定金属板材试样的温度随热处理时间的关系；第三步是单击开始热处理控制按钮，加热处理过程界面将会跳出，选择电压档位后，热处理过程就可以开始。在热处理界面中，在热处理过程中可以显示出试样的电压和电流大小、每秒采集的点数、实际温度、预设温度、PID参数，实际温度曲线和预设温度曲线。第四步是单击退出按钮，退出热处理控制。当实验结束后，***会自动保存实验中的数据。在实验过程中可以退出(暂停)热处理控制，点击退出(暂停)按钮即可。

2)数据采集模块：本发明中数据采集模块主要用于模拟信号输入部分。在采集程序模块中，采集到的信号为试样的温度、电压和电流。图16为数据采集模块流程图。图17为数据采集模块程序框图。

3)数据处理模块：温度控制模块是整个程序中最重要的一部分，该程序核心部分是PID算法，程序还包括设定采集速度、输入PID参数、载入预设温度等功能。采集到的温度、电压和电流经过一系列的运算，可得到下一步的输出电压。程序通过条件语句实现。图18为温度控制模块程序框图。

4)数据管理模块：数据管理模块包括预设温度的输入和数据的存储。预设温度的输入即为设定热处理温度曲线，是热处理的第一步，数据存储模块主要实现测试过程中数据的存储。预设温度输入是供设备使用者输入预设温度-时间曲线用的，其具有的基本功能有：逐点输入、清除、预设曲线保存、excel文件导入。专利选用LabVIEW中的事件结构，每个功能对应了时间结构中的一个事件，在点选了相应功能的按钮后就转入相应的程序中。在本专利中，要求将时间、温度数据存储以方便后续的数据分析。LabVIEW可以读写文本文件、数据表文件、二进制文件和测试数据文件。LabVIEW中有很丰富的文件操作函数库，可以方便地进行文件的读写操作本程序就利用写入电子表格控件实现了这一功能。

实验过程按如下步骤进行：安装热电偶——给试样施加张力——加保温盒上盖——开启实验设备——选择手动或自动模式——开始加热——保温——冷却——金属板材试样的性能检测。

试样4利用大电流低电压变压器37进行电阻加热。试样通电加热时，其自身电阻发热,使其温度升高。同时，试样还要与周围环境和通水电极夹钳以辐射、对流以及导热等方式进行热交换，产生热量损失。稳态热平衡计算式为

P_elec＝P_rad+P_conv+P_cond

其中，电流通过样品产生的电功率为Pelec，辐射散热为Prad，自然对流散热为Pconv，样品与水冷电极压持部分的热传导为Pcond。结合实验室实际情况以及实验室常用材料的规格，最终确定变压器的额定功率为：50kw，电压档位分为2V、4V、6V、8V。

使用普通低碳低合金钢板，金属板材试样长*宽(20cm*8cm)。金属板材试样在800℃保温5min，以金属板材试样正中间的点为基准，测量了金属板材试样该位置上的温度。图19、20所示分别为多次重复试验箱式电阻炉和本发明设备保温5min实际控制效果图，其中图19(a)为箱式电阻炉第1-7次重复试验结果，图19(b)为箱式电阻炉第8-14次重复试验结果，图20(a)为本发明设备第1-4次重复试验结果，图20(b)为本发明设备第5-7次重复试验结果。实验结果表明，箱式电阻炉控温精确性差，保温期间温差小于10℃，重现性差；本发明设备可精确控温，且效果好，保温期间温差小于3℃，重现性好。

Claims

1.一种适用于板条形金属试样热处理的直接电阻加热设备，其特征在于：包括保温壳体(1)、设于保温壳体(1)内的主体(2)、控制装置(3)；所述主体(2)包括底板(21)、固定于底板(21)上的固定加热电极(22)、滑动加热电极(23)、固定于底板(21)上的滑动装置(24)、张力装置(25)，所述滑动加热电极(23)固定于滑动装置(24)上，所述张力装置(25)与滑动加热电极(23)底部连接；控制装置(3)包括变压器(37)以及依次连接的热电偶(31)、数据采集装置(32)、计算机控制***(33)、档位选择模块(34)、可控硅控制器(35)、可控硅(36)，可控硅(36)与变压器(37)原边连接，变压器(37)副边分别与固定加热电极(22)、滑动加热电极(23)连接。

2.根据权利要求1所述的一种适用于板条形金属试样热处理的直接电阻加热设备，其特征在于：保温壳体(1)包括盒体(11)、上盖(12)、设于壳体(11)和上盖(12)内的耐高温隔热涂层。

3.根据权利要求2所述的一种适用于板条形金属试样热处理的直接电阻加热设备，其特征在于：所述盒体(11)包括主盒体(111)和平行设置于主盒体(111)内的盒体端筋板(112)；所述上盖(12)包括盖顶板(121)、设于盖顶板(121)相对边上的压条板(122)、设于盖顶板(121)顶部的手柄(123)和设于盖顶板底部的盖筋板(124)。

4.根据权利要求1所述的一种适用于板条形金属试样热处理的直接电阻加热设备，其特征在于：所述滑动装置(24)包括导轨(241)和与导轨(241)配合的滑动轴承(242)，所述导轨(241)固定于底板(21)上，滑动加热电极(23)固定于滑动轴承(242)上。

5.根据权利要求1所述的一种适用于板条形金属试样热处理的直接电阻加热设备，其特征在于：所述张力装置(25)包括螺杆(251)、套接在螺杆(251)上的弹簧(252)、设于弹簧(252)底部的螺帽(253)。