SHS陶瓷內襯復合管具有耐磨、耐蝕、耐高溫等性能,將其應用于礦山、電力、煤炭、冶金等行業,可以較好地解決這些行業對物料輸送管道高耐磨性、強耐腐蝕性及抗高溫性等要求,且其制造成本低,生產效率高,因而該技術一投入使用便產生了良好的社會與經濟效益[1,2]。

　　制備SHS陶瓷內襯復合管主要有SHS離心法和SHS重力分離法[3],前者適用于制備大口徑長直管,后者適用于制備小口徑直管及各種異型管,尤其適用于制備物料輸送系統中影響輸送管道使用壽命的關鍵部件———彎頭,并有望取代目前將SHS離心法制備的直管按角度切割再拼合焊接成復合彎管的生產工藝[4]。

　　但是直到目前,利用SHS重力分離技術制備復合彎管的生產工藝仍停留在手工生產方式上,使得生產工藝難以控制,質量不穩定,效率低,成本高。因此研制燃燒合成復合彎管的自動化生產設備已成為該技術推廣的當務之急。

　　本文介紹了一種制備SHS陶瓷內襯復合彎管的自動化生產設備設計與應用,分析了采用該設備制備出的復合彎管的組織與性能,從而為實現該技術的產業化提供了設備保證。

　　2制備復合彎管的原理[5]

　　鋁熱—重力分離SHS法制備復合彎管的原理見圖1。將粒度一定的Fe2O3粉、Al粉及SiO2粉等,按一定比例配制成鋁熱劑,混合烘干后填充于彎管內,點燃鋁熱劑使之發生如式(1)的自蔓延鋁熱反應。反應產生的高溫使生成物Al2O3和Fe熔融,并在未反應物料上部形成熔池。與此同時,按箭頭方向機械旋轉鋼管,使熔池液面(或燃燒波面)始終保持水平位置。在重力作用下,不互熔的兩相熔體Al2O3和Fe分離,Fe沉積于熔池底部,Al2O3浮于上部。隨自蔓延反應燃燒波面自上而下的移動和鋼管向外散熱冷卻,Al2O3陶瓷在鋼管內壁結晶凝固,從而在彎管內形成了一層均勻的氧化鋁陶瓷涂層。需要強調的是保持高溫熔池液面始終處于水平位置是制備復合彎管的關鍵。

　　Fe2O3+2Al=Al2O3+2Fe+836kJ(1)

　　3自動化生產設備工作的技術路線

　　從制備原理看出,設計出的自動化設備必須能自行檢測鋁熱自蔓延反應燃速和高溫熔池液面位置;通過燃速計算、高溫熔池液面位置誤差識別和算法控制等來操縱執行電機按一定方向和速率旋轉,使高溫熔池液面始終處于水平位置,以滿足熔池中Fe與Al2O3不互溶的兩相熔體在重力作用下分離及液態陶瓷涂覆的條件,實現復合彎管燃燒合成的自動化。

　　因此,復合彎管燃燒合成自動化設備主要包括檢測系統與控制系統兩大部分。為此,以89C52單片機為核心智能部件組成檢測與控制系統可解決該問題

　　4檢測系統

　　鋁熱重力分離SHS法制備復合管的燃燒過程遵循層狀反應物燃燒法模型[6]

　　由圖3看出,反應界面區與預熱區存在很大的溫度梯度。從鋁熱—重力分離SHS手工制備復合彎管也看到:燃燒合成過程中,反應熔池在鋼管外表面表現為具有一定寬度的一條亮帶,與周圍尤其與預熱區形成鮮明對比,它隨反應熔池的移動而移動。這就為熔池液面的位置檢測提供了理論和實踐依據。

　　本系統根據輻射測溫原理,采用光纖傳感技術和紅外光電檢測技術[7]來實現對反應熔池位置的檢測,

　　即通過光纖傳輸,線陣光電二極管接收SHS過程熱輻射產生的紅外光,輸出電信號,經過信號的取樣放大和比較,得到與熔池位置相關的數字信號,送單片機進行數據處理。

　　由于反應界面區與預熱區存在較大的溫度梯度,高溫熔池在彎管外壁形成了鮮明的亮帶,只要設定的基準電壓與反應界面區的輻射信號電壓相當,就可以區分開反應界面區與預熱區。再通過系統默認的液面偏移量來校正,使控制器得到的液面位置與實際液面位置一致。根據得到的熔池液面的位置數,通過與理想位置比較,就獲得了熔池位置誤差,繼而也就得到了位置誤差的變化量。

　　以平均熔池移動速度作為執行電機旋轉的初速度,其誤差大小直接關系到控制系統的系統控制誤差。因此,平均熔池移動速度的檢測和自動修正同樣是必不可少的。為了準確地反映整根彎管合成過程中熔池移動的平均速度,通過鍵盤設定與系統自調整相結合的方法確定反應熔池移動的平均速度。

　　5控制系統

　　鋁熱—重力分離SHS法制備復合彎管過程是一個復雜的燃燒合成過程,受反應物料配方、裝料密度、預熱處理工藝和彎管幾何尺寸等多種因素的影響,熔池移動速度的精確數學模型難以建立。

　　本系統以智能控制原理為基礎,首次將模糊邏輯理論[8,9]與重力分離SHS技術相結合,以熔池位置誤差和誤差變化作為模糊控制器輸入,定時器時間常數作為控制器輸出,根據實踐經驗指定控制規則,按照Mamdani推理方法,運用重心法進行模糊判斷,設計出相應的模糊控制器,來實現對熔池液面位置的控制。

　　對控制器性能的改進,一方面通過系統參數自調整,另一方面通過實驗比較優化模糊控制.

　　自蔓延合成彎管機控制系統原理圖

　　為保證反應時間和控制精度,采用步進電機作為執行電機,用步進驅動器來驅動,對電機功率要求不高。

　　6陶瓷內襯復合彎管的組織性能

　　用上述自動化設備所制備出的陶瓷內襯復合彎管的實物照片。管材為20碳鋼,弧度為90°,曲率半徑為160mm。由圖可見,內襯陶瓷層壁厚均勻(約為1.5mm),且與鋼管結合良好。由于彎管是冷加工成型,彎弧處存在明顯的機械變形,使其截面形狀顯現出不規則圓形,而該處內襯陶瓷層截面也以同樣形狀出現,從而證明該自動化設備運行可靠有效。

　　經對樣品陶瓷層進行X射線衍射分析,見圖7。發現陶瓷層中存在著α-Al2O3基體相和FeO·Ａl2O3尖晶石亞穩相,SiO2以石英相結構存在。α-Al2O3基體以樹枝晶沿鋼管徑向向心分布,FeO·Ａl2O3尖晶石相構成枝晶晶界,SiO2石英相存在于枝晶晶界上

　　陶瓷復合彎管的力學性能為:陶瓷層孔隙率4.0%～6.0%、陶瓷層顯微硬度(1531±102)HVO.2、壓潰強度(430±20)MPa、抗剪強度(直管段)16.7MPa。

　　由于在彎管弧彎處存在著明顯的機械變形,故抗壓剪強度只能以直管段的抗壓剪強度予以參考。

　　7結論

　　1)根據輻射測溫原理,用“光闌→光纖→光敏二極管陣列→放大器→比較器→單片機”組成的檢測系統,檢測復合彎管燃燒合成過程中熔池液面位置和應用模糊控制原理,用單片機系統軟件,通過步進電機→減速機→彎管夾具系統,控制復合彎管燃燒合成過程中熔池液面位置,其方案可行,計算簡單,易于實現。

　　2)用該自動化生產設備制備出的復合彎管內襯陶瓷壁厚均勻,質量穩定,其組織性能可以滿足工程需要。

　　3)應用由光纖光電傳感器和以單片機為核心智能部件的模糊控制器組成的燃燒合成復合彎管設備,不僅能滿足生產需要,而且可以減輕勞動強度,具有結構簡單、操作方便、適用范圍廣、成本低、控制精度較高等優點,適用于陶瓷復合彎管的批量生產。