D0I:10.13374/j.issn1001053x.2001.03.041 第23卷第3期 北京·科技大学学报 VoL.23 No.3 2001年6月 Journal of University of Science and Technology Beijing June 2001 弯管一次合成设备 林涛 果世驹 殷声 郭志猛 隋延安 北京科技大学材料科学与工程学院，北京100083 摘要研制了用于弯管一次合成的设备.该设备由三部分组成：主体部分、控制部分和监视 部分，主体部分包括电动机、减速箱、安装盘和机架；控制部分包括温度检测仪、调速器和计算 机；监视部分包括电视和摄像头.使用该设备可实现弯管一次合成过程的全自动控制，并合成 出325mm的陶瓷复合弯管. 关键词SHS;铝热反应；自动化 分类号TF12 弯管一次合成中的“一次”是区别于SHS 瓷和金属的相对密度的差异，二者相分离，陶瓷 离心法制备陶瓷复合弯管而言的？，它指整个 浮在上面，金属沉在下面，陶瓷与弯管壁接触冷 弯管只需单独一次合成过程.此合成过程采用 却凝固形成陶瓷衬层；与此同时，驱动弯管绕其 SHS-重力法.对SHS-重力法已经进行了一些 弯曲中心旋转，使熔池始终处于水平位置，直到 基础性研究，从现有的报导看，已合成出 整个弯管合成完毕. Φ273mm的陶瓷复合弯管.但要使陶瓷复合弯 由此可见，弯管一次合成的关键是控制弯 管在工业上获得应用，还需要相配套的设备.本 管旋转速度与铝热剂燃烧速度二者之间的匹 文介绍本研究小组研制的一套自动控制合成过 配，以使熔池始终处于水平位置. 程的合成设备 基于上述要求，自行设计了弯管一次合成 设备.图2是弯管一次合成设备的组成原理图， 1设备的组成原理 设备由主体部分、控制部分和监视部分组成. SHS-重力法合成陶瓷复合弯管的原理是日 监视器 本学者佐多延博等人首先提出的)，过程如图1 摄像头 所示：把混好的铝热剂装入弯管内，然后用钨丝 安装盘 点燃铝热剂；铝热反应的放热使反应产物（陶瓷 计算机 弯头 诚速箱 和金属)均处于熔融状态，并形成熔池，由于陶 温度检测仪 钢管 钢管 陶瓷 图2弯管一次合成设备组成原理图 钨丝 陶瓷、 Fig.2 Components of the device for synthesizing the 熔融陶瓷 composite elbow 熔融金属 铝热剂 2设备的主体部分 钢管 主体部分的功能是固定弯管，并在合成弯 铝热剂 管时提供旋转的动力.该部分包括电动机、减速 图1弯管一次合成过程示意图 箱、安装盘和机架. Fig.1 Schematic of synthesizing the composite elbow by 工业交流电动机为普通鼠笼电机，常用的 SHS-gravitational process 有4极、6极和8极，即便是8极电机其转速也 收稿日期200102-12林涛男，31岁，讲师，博士生 *国家863高科技资助项目CNo.715-009-0130) 高达760rmin.而弯管合成时铝热剂燃烧的蔓
第 卷 第 期 年 月 北 京 、 科 技 大 学 学 报 公 伽宜， 湘 及 。 川。 、 弯管一次合成设备 林 涛 果世驹 殷 声 郭志猛 隋延安 北京科技大学材料科学与工程学院 ，北京 摘 要 研制了用 于弯管一次合成的设备 该设备 由三部分组成 主体部分 、 控制部分和监视 部分 主体部分包括电动机 、 减速箱 、 安装盘和机架 控制部分包括温度检测仪 、 调速器和计算 机 监视部分包括 电视和摄像头 使用该设备可实现弯管一次合成过程 的全 自动控制 ， 并合成 出今 的陶瓷复合弯管 关健词 铝热反应 自动化 分类号 吓 弯管一次合成 中的 “ 一次 ” 是 区别于 离心 法制备 陶瓷复合弯管而言 的 ‘月， 它指整个 弯管只 需单独 一次合成过程 此合成过程采用 乐重力法 对 宇重力法 已 经进行 了一些 基 础 性 研 究 ， 从 现 有 的报 导 看 ， 已合 成 出 似 的陶瓷复合弯管 但要使陶瓷复合弯 管在工业上 获得应用 ， 还需要相配套的设备 本 文介绍本研究小组研制 的一套 自动控制合成过 程 的合成设备 设备的组成原理 一重力 法合成陶瓷复合弯管的原理是 日 本学者佐多延博等人首先提 出 的【刀， 过程如图 所示 把混好的铝热剂装人弯管 内 ， 然后用 钨丝 点燃铝热剂 铝热反应 的放热使反应产物 陶瓷 和金属 均处于熔融状态 ， 并形成熔池 ， 由于 陶 瓷和金属 的相对密度 的差异 ， 二者相分离 ， 陶瓷 浮在上 面 ， 金属沉在下面 ， 陶瓷与弯管壁接触冷 却凝固形成陶瓷衬层 与此同时 ， 驱动弯管绕其 弯曲中心旋转 ， 使熔池始终处于水平位置 ， 直到 整个弯管合成完毕 由此可见 ， 弯管一次合成 的关键是控制 弯 管旋转 速度 与铝 热剂 燃烧速度 二者之 间 的 匹 配 ， 以使熔池 始终处 于水平位置 基于上述要求 ， 自行设计 了弯管一次合成 设备 ， 图 是弯管一次合成设备的组成原理 图 ， 设备 由主体部分 、 控制部分和监视部分组成 监视器 调速器 电 机 计算机 钨丝 钢管 陶瓷 熔融金属 钢管 图 弯管一次合成设备组成原理图 坛 图 弯管一次合成过程示意图 一 收稿 日期 林涛 男 ， 岁 ， 讲师 ， 博士生 国家 高科技资助项 目伽 一 一 设备的主体部分 主体部分 的功能是 固定弯管 ， 并在合成弯 管时提供旋转 的动力 该部分包括 电动机 、 减速 箱 、 安装盘 和机架 工业交流 电动机为普通 鼠笼 电机 ， 常用 的 有 极 、 极和 极 ， 即便是 极 电机其转速也 高达 而弯管合成时铝热剂燃烧 的蔓 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．2001．03．041
Vol.23 No.3 林涛等：弯管一次合成设备 ·247· 延速度一般在10mm/s左右，按较小的管径 陶瓷内村弯管合成控制系统 中108mm计算，弯管的旋转速度约为0.6rmin, 年 控制模式电机我向带助 减速比应为1267.因此设计的减速箱减速比较 750 大.考虑到自锁性，选用涡轮、涡杆减速结构.而 探头1 850 每级涡轮、涡杆减速比最大约为40，所以应采 探头 用两级涡轮、涡杆减速.实际设计的每级涡轮、 600 探头 涡杆减速比为36，这样两级涡轮、涡杆减速比 2.5 转速 为1296. 管稻159 012345速选强 开始停止 安装盘用于固定弯管.弯管在安装盘上固 文件 控制模式电机转向 帮助 定时，应使其弯曲中心与安装盘的中心重合，使 T平 自动 保存 反转 安装盘带动弯管绕其弯曲中心旋转.不同规格 吴军头为 回故 穷 的弯管有不同的弯曲半径，国标规定的弯管中 图3弯管一次合成控制软件界面 心弯曲半径R与弯管公称直径D的关系为 Fig.3 Software for controlling the synthesis of the com- R=1.5D.安装盘的半径r应满足>1.5D+1/2d,其 posite elbow 中d为弯管的直径.在安装盘上呈辐射式铣四 或路径保存合成过程；“打印”子菜单用于打印 条槽，这样可以用卡子方便地固定不同角度、不 合成过程记录的数据.“控制模式”菜单中，选择 同直径的弯管 “自动”时，弯管合成过程由程序控制自动完成； 主体部分安装在车间地面1m以下.因为 选择“手动”时，配合软件下方的“速度选择”， 在弯管合成临近结束时，铝热剂反应生成的熔 手动调节转速，用于装、卸弯管，及设备检修时 融金属和一小部分残余的熔融陶瓷从管的末端 的调整；“回放”子菜单用于显示某次合成过程. 排出，这样的高温熔融产物落在地上会四处飞 “电机转向”菜单中，选择“正转”和“反转”设置 溅，造成极大的安全隐患 安装盘的转向；选择“空”用于调整变频器自身 的某些工作参数.“帮助”菜单中，“目录”子菜 3设备的控制和监视部分 单中包含软件的使用说明；“关于”子菜单显示 控制部分的功能是检测铝热剂的燃烧前 版权信息.菜单下方的是3个探头的温度显示 沿，并控制电动机的转速，以保持燃烧前沿在合 和输出转速显示（包括数字显示和曲线显示）. 成过程中始终处于水平位置.控制部分是弯管 位于软件界面底部左边的是弯管直径的输入窗 一次合成设备的关键部分，包括温度检测仪、调 口；中间的是转速档位选择，用于“手动”控制模 速器和计算机. 式；点击右边的“开始”和“停止”按钮用于启动 温度检测仪选用红外测温仪，四个测温探 和中止程序执行.参考图4，控制软件的执行过 头，其中一个备用.探头检测合成过程中弯管的 程为：弯管装完铝热剂后，使其一个端口处于水 外表面温度，其输出信号经整定后送入AD、D/ 平位置.测温探头1与上述弯管的端口平齐，铝 A接口板，由计算机处理. 热剂引燃后向下蔓延，处于燃烧前沿的弯管被 调速器选用交流变频器，带有标准输入接 快速加热到较高温度.当铝热剂蔓燃到探头2 口，接收计算机的输出控制信号，调节电动机的 位置时，测温探头输出温度信号由测温仪处理， 转速.计算机至少能运行WN95,带有AD、D/ 计算机通过AD,D/A接口板采集温度信号，程 A接口板 序计算出燃烧经过探头1,2的速度，并输出相 控制软件使用VC开发，运行于WN9X平 应的信号，由AD,D/A接口板输出到变频器，启 台上，软件界面示于图3.最上方的是软件名称 动电动机，弯管开始旋转.在随后的过程中，程 “陶瓷内衬弯管合成控制系统”，其下方是软件 序对前3个探头检测到的温度进行判断，当3 的主要功能菜单，“文件”菜单中，“打开”子菜 个探头的温度继续维持探头2>探头1>探头 单用于打开某一次合成过程记录的数据，包括 3时，保持当前的转速；当探头的温度关系变为 温度和转速；“保存”子菜单用于保存当前的合 探头1>探头2>探头3时，当前转速较快，减 成过程；“另存为”子菜单可以用另一个文件名 小输出信号，降低转速；当探头的温度关系变为
一 林涛等 弯管一 次合成设备 一 延 速 度 一 般在 左 右 ， 按较小 的管径 拟 计算 ， 弯管 的旋转速度约为 ， 减速 比应为 因此设计的减速箱减速 比较 大 考虑到 自锁性 ， 选用 涡轮 、 涡杆减速结构 而 每级涡 轮 、 涡杆减速 比最大约 为 ， 所 以应采 用 两级 涡轮 、 涡 杆减速 实 际设计 的每级涡 轮 、 涡 杆减速 比为 ， 这样两级涡 轮 、 涡杆减速 比 为 安装盘用 于 固定弯管 弯管在安装盘上 固 定时 ， 应使其弯 曲中心 与安装盘的中心 重合 ， 使 安装盘带动弯管绕其弯 曲中心 旋转 不 同规格 的弯管有不 同的弯 曲半径 ， 国标规定 的弯管 中 心 弯 曲半 径 与 弯管公 称 直径 的关 系为 安装盘 的半径 应满足 ， 其 中 为弯管 的直径 在安装盘上呈辐射式铣 四 条槽 ， 这样可 以用卡子方便地 固定不 同角度 、 不 同直径 的弯管 主体部分安装在车间地面 以下 因为 在弯管合成临近结束时 ， 铝热剂反应生成 的熔 融金属 和一小部分残余的熔融 陶瓷从管的末端 排 出 ， 这样 的高温熔融产物落在地上会 四处 飞 溅 ， 造成极大 的安全隐患 「淘瓷内衬弯管合成控制系统 文件 控制模式 电机转向 帮助 口巫口 一 巫国 、 、 一洲尸、 一一 声 巨巫口 一 匣】 匹匹习 一 巫习 匹工〕 … 一 【亘国 、 介甲尸、 、 － 、 詹州 碑山撰 开始 停川 入 尸一入 尸一 “ 尸、 一一 一 、 一 、 一了一 文件 控制模式 电机转向 帮助 打开 自动 正转 目录 保存 丰动 反转 羊千 另二俘去 回放 方 扣「印 设备的控制和监视部分 控 制部 分 的 功 能 是 检测 铝 热 剂 的 燃 烧前 沿 ， 并控制 电动机 的转速 ， 以保持燃烧前沿在合 成过程 中始终处于水平位置 控制部分是弯管 一次合成设备 的关键部分 ， 包括温度检测仪 、 调 速器和计算机 温度检测 仪选用 红外测 温仪 ， 四个测 温探 头 ， 其 中一个备用 探头检测合成过程 中弯管的 外表面温度 ， 其输 出信号经整定后送人 心 、 接 口 板 ， 由计算机处理 调 速器选用 交流变频器 ， 带有标准输入接 口 ， 接收计算机的输 出控制信号 ， 调节 电动机 的 转速 计算机至少能运行 刃呵 ， 带有 刃 、 接 口 板 控制软件使用 开发 ， 运行于 平 台上 ， 软件界面示 于 图 最上方 的是软件名称 “ 陶瓷 内衬弯管合成控制系统 ” ， 其下方是软件 的主要 功能菜单 ， “ 文件 ” 菜单 中 ， “ 打开 ” 子菜 单用 于打开某一次合成过程记录的数据 ， 包括 温度 和转速 “ 保存 ” 子菜单用 于保存 当前 的合 成过程 “ 另存为 ” 子菜单可 以用 另一个文件名 图 弯管一次合成控制软件界面 或路径保存合成过程 “ 打印 ” 子菜单用 于 打印 合成过程记录的数据 “ 控制模式 ” 菜单 中 ， 选择 “ 自动 ” 时 ， 弯管合成过程 由程序控制 自动完成 选择 “ 手动 ” 时 ， 配合软件下方 的 “ 速度选择 ” ， 手动调 节转速 ， 用 于装 、 卸弯管 ， 及设备检修时 的调整 “ 回放 ” 子菜单用于显示某次合成过程 “ 电机转 向 ” 菜单 中 ， 选择 “ 正转 ” 和 “ 反转 ” 设置 安装盘 的转 向 选择 “ 空 ” 用 于调 整变频器 自身 的某些工作参数 “ 帮助 ” 菜单 中 ， “ 目录 ” 子菜 单 中包含软件 的使用说 明 “ 关于 ” 子菜单显示 版权信息 菜单下 方 的是 个探头 的温度显示 和输 出转速显 示 包括数字显示 和 曲线显示 位于软件界面底部左边 的是弯管直径 的输人窗 口 中间 的是转速档位选择 ， 用 于 “ 手动 ” 控制模 式 点击右边 的 “ 开始 ” 和 “ 停止 ” 按钮用 于启动 和 中止程序执行 参考 图 ， 控制软件 的执行过 程为 弯管装完铝 热剂后 ， 使其一个端 口 处于水 平位置 测温探头 与上述弯管的端 口 平齐 铝 热剂引燃后 向下蔓延 ， 处 于燃烧前沿 的弯管被 快速加热 到较高温度 当铝 热剂蔓燃到探头 位置时 ， 测温探头输 出温度信号 由测温仪处理 ， 计算机通过 月〕 ， 接 口 板采集温度信号 ， 程 序计算 出燃烧经过探头 ， 的速度 ， 并输 出相 应 的信号 ， 由 ， 接 口 板输 出到变频器 ， 启 动 电动机 ， 弯管开始旋转 在 随后 的过程 中 ， 程 序对前 个探头检测 到的温度进行判 断 ， 当 个探头 的温度 继续维持探头 探头 探头 时 ， 保持 当前的转速 当探头 的温度关系变为 探头 探头 探头 时 ， 当前转速较快 ， 减 小输 出信号 ， 降低转速 当探头的温度关系变为
·248· 北京科技大学学报 2001年第3期 开始) 探头3>探头2>探头1时，当前转速较慢，增 大输出信号，提高转速.当程序记录的弯管旋转 输人管径 达到90°时，程序输出停止信号，电动机停止旋 转.弯管合成完毕. 采集探头买 12,3 监视部分包括摄像头和电视机，便于远距 的温度 离操作，提高了合成设备的人身安全性 no 探头2 4结论 >探头1 本设备的研制成功，实现了弯管一次合成 yes 过程的全自动控制，并且使用本设备合成出了 输出转速 L-) 325mm的陶瓷复合弯管.经一年多的使用，表 明本设备具有高度的可靠性和稳定性， 参考文献 探头2 no 探头3 】殷声，叶宏煜，郭志猛，等.陶瓷内衬钢管的研究.北 京科技大学学报，1994,16(4)：335 yes 探头1 yes 诚速 2林涛，果世驹，郭志猛，等.铝热-重力分离法制备陶 头2 保持速度 >探头 瓷复合锅管.北京科技大学学报，2000,22：238 3佐多延博，小田原修，浅野修，等.金属管状体刀七ラ no 转过90° 三以夕又ラ亻二少方法.日本专利，公开特许公报， yes 探头3 昭61-76681,1988 >探头2 yes 加速 结束 >探头】 图4弯管一次合成控制软件流程图 Fig.4 Flowchart of the controlling software Device for Producing Ceramic Lined Steel Elbow by SHS-Gravitational Process LIN Tao,GUO Shiju,YIN Sheng,GUO Zhimeng,SUI Yan'an Material Science and Engineering School,UST Beijing,Beijing 100083,China ABSTRACT A new device that is used to produce ceramic lined steel elbow by SHS-gravitational process has been developed.The device composes of three parts:main part,control part and watch part.There are mo- tor,decelerating case,mounting plate and base in the main part,temperature detector,rate adjuster and com- puter in the control part,and composes of monitor and camera in the watch part.The device can auto-control the synthesizing process of the composite elbow.The composite elbow with the diameter of 325 mm and the curve angle of 90 is produced. KEY WRODS SHS:thermite reaction;automation
一 北 京 科 技 大 学 学 报 年 第 期 开始 米集探头 ， ， 的温度 输出转速 乙心 一 九 保持速度 结束 探头 探头 探头 时 ， 当前转速较慢 ， 增 大输出信号 ， 提高转速 当程序记录的弯管旋转 达到 时 ， 程序输 出停止信号 ， 电动机停止旋 转 弯管合成完毕 监视部分包括摄像头和 电视机 ， 便于远距 离操作 ， 提高 了合成设备 的人身安全性 结论 本设备的研制成功 ， 实现 了弯管一次合成 过程 的全 自动控制 ， 并且使用本设备合成 出了 帕 的 陶瓷复合弯管 经一年多的使用 ， 表 明本设备具有高度 的可靠性 和稳定性 参 考 文 献 殷声 ， 叶宏煌 ， 郭志猛 ， 等 陶瓷 内衬钢管的研究 北 京科技大学学报 ， ， 一 林涛 ， 果世驹 ， 郭志猛 ， 等 铝热一重力分离法制备陶 瓷复合钢管 北京科技大学学报 ， ， 佐多延博 ， 小 田原修 ， 浅野修 ， 等 金属管状体刃 七 于 之 ， 夕又 于 才二 夕 丫方法 日本专利 ， 公开特许公报 ， 昭 · ， 图 有管一次合成控制软件流程圈 】 】 叮 一 五石 ， ’， ’ 双 ， ， ， ， ， 一 洲油 ， ， ， ， 记 ， ， 肋 比 一 田旧 切四 硒卫
