一種燒結金剛石鋸片用鐘罩爐計算機控制系統(tǒng)的研制

李 丹，魏宏濤

(廣州晶體科技有限公司, 廣州 510070)

一種燒結金剛石鋸片用鐘罩爐計算機控制系統(tǒng)的研制

李 丹，魏宏濤

(廣州晶體科技有限公司, 廣州 510070)

針對金剛石鋸片冷壓燒結工藝要求，分析了目前普遍使用的用于金剛石鋸片冷壓燒結的簡易鐘罩爐存在的缺陷，并提出了改進措施，采用西門子1200 PLC實施了對新型用于金剛石鋸片冷壓燒結的鐘罩爐的計算機精確控制，控制算法采用了模糊控制和PID控制多種算法的組合。改進后的鐘罩爐可實現(xiàn)金剛石鋸片冷壓燒結過程的全計算機自動控制，溫度和氣氛場控制均勻，生產(chǎn)效率高，為冷壓金剛石鋸片的質量和勞動生產(chǎn)率的提高提供了硬件保證。

金剛石鋸片；鐘罩爐；計算機控制燒結;PLC

1 前言

金剛石鋸片現(xiàn)已廣泛應用于石材、玻璃、陶瓷、晶體、寶石、鑄鐵等材料的加工以及房屋、道路、橋梁等工程施工中,隨著金剛石鋸片制作技術的不斷進步及成本持續(xù)降低，它的應用領域還在擴大，需求量繼續(xù)增加,目前它已成為金剛石工具的重要組成部分，是消耗金剛石最多的金剛石工具[1]。

金剛石鋸片的生產(chǎn)方法主要采用壓制燒結方法，而壓制燒結方法中冷壓燒結又是主要的。

冷壓燒結方法的工藝流程如下：

鋸片刀頭配料+(清洗后基體)——冷壓成型——燒爐——篩檢——鉸孔——拋光——噴漆——開刃——質檢——包裝——入庫

其中燒結是鋸片制造過程中最重要的工序之一，對鋸片的最終性能起著決定性的影響。

2 金剛石鋸片燒結過程對鐘罩爐控制系統(tǒng)的工藝要求

金剛石鋸片工業(yè)生產(chǎn)最常見的燒結設備為鐘罩爐，其外由3～5mm厚的鐵板圍成罩殼，里面砌上耐火磚，內嵌電阻絲作熱源。鐘罩爐的設計溫度通常為850℃～1000℃[2]。

由于鋸片是用金屬材料制成的，在冷壓鋸片燒結過程中必須隔絕空氣，防止金屬被氧化，這一般采用通入氮氣+氫氣的混合保護性氣體的方法，為了防止氧氣混入造成氣體爆炸，氫氣的含量需控制在爆炸范圍以外。

合理的金剛石鋸片燒結曲線如圖1所示，分升溫、保溫和冷卻三大部分，這是由于液相燒結的特性決定的。

根據(jù)工藝要求，理想的燒結金剛石鋸片用鐘罩爐應具備以下功能：

(1)應具備溫度程控功能，鐘罩爐的升溫、保溫和降溫能按設定程序自動控制；

(2)鐘罩爐內溫度場應均勻，各點溫度偏差應控制在±5℃范圍內，以確保鋸片在各點燒結條件一致，使同爐擺放在不同位置燒結出的鋸片品質相同；

圖1 鐘罩爐鋸片燒結工藝曲線Fig.1 the process curve of saw blade sintering by bell-type furnace

(3)應設計氣體成分和流量控制系統(tǒng)，確保鋸片在燒結過程中鋸片內金屬不被氧化，同時氫氣與氮氣的比例在整個燒結過程中嚴格控制在設定值內，防止保護性氣體燃燒產(chǎn)生爆炸，氣體成分偏差不超過1%；

(4)應具有鋸片冷卻過程冷卻氣體循環(huán)控制系統(tǒng)，以縮短鋸片的冷卻時間，提高設備的效率；

(5)應具備安全報警系統(tǒng)，當設備出現(xiàn)故障能及時報警并自動實施處理故障的安全措施。

3 目前金剛石鋸片燒結用鐘罩爐存在的缺陷

因金剛石鋸片這個行業(yè)屬新型行業(yè)，發(fā)展時間還不長，相應的配套設備的研發(fā)尚存在一定的不足，鐘罩爐相對比較簡單，勞動生產(chǎn)率還不高，歸納下來主要有下列幾點：

(1)密封方面采用不銹鋼內罩沙封方式，裝爐出爐均依賴人工，勞動效率低；

(2)冷卻過程靠出爐后鋸片密閉在罩內自然冷卻，冷卻時間長并且冷卻熱量散發(fā)在車間中惡化了工作環(huán)境，尤其在夏天給車間的防暑降溫增加了負荷；

(3)溫度控制采用簡單的儀表單點控溫，溫度場不均勻，實現(xiàn)不了爐內各點溫度偏差≤±5℃的工藝要求，不能保證爐內不同位置擺放的鋸片燒結溫度的一致性；對產(chǎn)品質量一致性影響較大；

(4)保護性氣體供氣系統(tǒng)未設計氫氣和氮氣的流量和混合氣體成分控制，只裝設了簡單的手動閥門控制，不能按工藝需求實現(xiàn)保護性氣體的流量和成分的實時控制，不能實現(xiàn)保護氣氛的最優(yōu)控制，燒結生產(chǎn)過程脫離不了人工操作，實現(xiàn)不了鋸片燒結生產(chǎn)過程的自動化，保護氣體消耗高，因缺乏爐膛氣體成分的實時監(jiān)測，生產(chǎn)過程存在安全隱患；

(5)未設計計算機控制系統(tǒng)，生產(chǎn)過程自動控制水平不高。

4 新型金剛石鋸片燒結用鐘罩爐計算機控制系統(tǒng)的設計

鑒于目前國內金剛石冷壓燒結用鐘罩爐存在的上述缺陷，我們設計了一套全新的計算機控制的金剛石冷壓燒結用鐘罩爐，對現(xiàn)有金剛石冷壓燒結用鐘罩爐進行了改進，鐘罩爐燒結區(qū)分上中下三區(qū)設置加熱回路，在每個加熱區(qū)放置一根測溫熱電偶檢測溫度；配置氣氛控制系統(tǒng)，氮氣和氫氣流量采用質量流量控制器檢測并通過PLC對氣氛根據(jù)設定值實施精確控制，同時通過氣氛分析儀對氣體成分進行在線檢測，與流量控制器構成閉環(huán)控制，確保鐘罩爐保護性氣體成分始終控制在設定值：配置冷卻過程冷卻氣體循環(huán)控制系統(tǒng)，加裝一臺水冷式管殼式換熱器，通過風機將保護性氣體引到換熱器降溫后再循環(huán)回到爐內，通過變頻控制循環(huán)風機轉速可控制循環(huán)氣體流量從而達到根據(jù)工藝設定的降溫曲線由計算機自動控制冷卻速度的目的。

新型金剛石鋸片燒結用鐘罩爐計算機控制系統(tǒng)框圖見圖2，上位機采用工業(yè)控制計算機，下位機采用西門子1200PLC，上下位機之間通過MPI網(wǎng)絡通訊線連接。爐膛溫度、爐膛壓力和氫氣及氮氣流量及混合氣體成分通過傳感器轉變成對應的4～20mA電信號送入PLC模擬量輸入模塊。燒結臺車和循環(huán)冷卻風機等控制信號直接送入PLC開關量輸入模塊。PLC模擬量輸出模塊輸出4～20mA信號分別控制三個溫區(qū)對應的可控硅功率控制模塊，爐膛氣體壓力調節(jié)閥，氮氣流量調節(jié)閥，氫氣流量調節(jié)閥，驅動冷卻循環(huán)風機電機的變頻器等對應的執(zhí)行機構。PLC數(shù)字量輸出模塊直接輸出開關量控制燒結臺車升降電機的運行和冷卻循環(huán)風機的運行。全套控制軟件采用西門子T1A博途軟件開發(fā)。上位機設計有友好的人機對話界面、數(shù)據(jù)記錄、趨勢圖、報警及用戶管理。

圖2 新型金剛石鋸片燒結用鐘罩爐計算機控制系統(tǒng)框圖Fig.2 The computer control system block diagram of the new type bell-type furnace for diamond saw blade sintering

5 爐膛溫度的計算機控制

爐膛溫度計算機控制框圖見圖3，溫度程控曲線由操作者在上位機上設定，采用數(shù)據(jù)通訊方法下載到下位機PLC，爐膛各區(qū)溫度用K分度熱電偶檢測，通過變送器轉換成對應的4～20mA信號輸入PLC，PLC根據(jù)輸入的設定溫度與下位機反饋的實測溫度的偏差值進行可控硅輸出功率的調整，控制算法采用模糊控制算法以適應溫度控制這種大滯后系統(tǒng)的控制要求。經(jīng)實際運行調試，熱電偶檢測的爐膛溫度與設定的溫度值的偏差，控制精度可以達到≤1℃。

爐膛降溫過程，在高溫段還需要補充加熱功率時，沿用圖3的溫度控制框圖，當轉入到全靠循環(huán)風冷的冷卻階段后，切換到圖4所示循環(huán)氣體冷卻控制。

圖3 爐腔溫度計算機控制框圖Fig.3 The block diagram of the computer control of furnace chamber temperature

圖4 爐膛溫度循環(huán)風冷卻過程計算機控制框圖Fig.4 The block diagram of the computer control of furnace chamber temperature circulating air cooling process

通過控制循環(huán)冷卻風量來使爐膛溫度的實際值與設定值之間的偏差控制在≤1℃的范圍內。

6 爐膛氣氛的計算機控制

為了保護鋸片在燒結過程中不被氧化，鋸片在鐘罩爐內燒結過程中必須通入保護性氣體，采取的措施是通入氫氣和氮氣混合的保護性氣體，由于氫氣是可燃性氣體，其爆炸極限為4.0%～75.6%(體積濃度)，因此設計了精確的保護性氣體氫氣濃度控制系統(tǒng)，其控制框圖見圖5。

圖5 鐘罩爐保護性氣體比值控制框圖Fig.5 The block diagram of the protective gas ratio control

氣氛控制曲線設定值由操作者在上位機設定，氫氣和氮氣的實際流量由高精度的質量流量控制器測定和控制，控制算法采用數(shù)字PID控制算法，測定的氫氣和氮氣流量與輸入的設定值進行比較，偏差值送入PLC控制對應的氫氣和氮氣質量流量控制器的調節(jié)閥，將實際流量控制在設定值。實際檢測這套控制系統(tǒng)的氫氣和氮氣流量的實際值與設定值之間的偏差可以控制在≤0.5%設定值的范圍以內。氫氣和氮氣的比值根據(jù)設定的氫氣百分比，由上位機計算出對應氫氣流量的氮氣流量作為氮氣流量的設定值。在上位機設置了安全報警和緊急處理程序。當氫氣濃度接近爆炸極限時，發(fā)出聲光報警。當氫氣濃度距離氫氣爆炸極限1%濃度的范圍之內，自動切斷氫氣以保證設備和操作人員的安全。

7 鐘罩爐爐腔壓力的計算機控制

鐘罩爐爐腔壓力控制在微正壓，以避免外部空氣的滲入，造成鋸片的氧化。鐘罩爐爐膛壓力控制框圖見圖6。

圖6 鐘罩爐爐膛壓力控制框圖Fig.6 The block diagram of furnace pressure control

爐膛壓力控制曲線由操作者從上位機上輸入，爐膛氣體壓力由壓力變送器檢測送入PLC，爐膛壓力控制由爐膛氣體排空調節(jié)閥控制，控制算法采用數(shù)字PID控制算法，具體PID值可在上位機上設定。實測的氣體壓力控制精度可以達到設定值的±1%。

8 新型金剛石鋸片燒結用鐘罩爐達到的效果

采用先進的計算機控制技術對傳統(tǒng)金剛石鋸片燒結用鐘罩爐進行了改進，實現(xiàn)了鋸片燒結全過程的計算機自動化控制，整個燒結過程由西門子1200PLC根據(jù)操作者從上位機輸入的溫度、壓力、和氣氛程控曲線自動完成。采用三區(qū)溫度控制方法，用測溫環(huán)實際測定的整個爐膛內的各點溫度偏差值可以達到±3℃，爐膛氣體壓力偏差值小于設定值的0.5%，氣氛氫氣濃度偏差小于設定值的1%，鋸片的裝爐和卸爐全部采用機械化，并對氫氣防爆設計了計算機控制的安全保護系統(tǒng)。與目前金剛石鋸片行業(yè)使用的傳統(tǒng)鋸片燒結用鐘罩爐相比，極大地提高了自動化程度，降低了傳統(tǒng)金剛石鋸片燒結的人工成本，顯著縮短了鋸片的燒結時間，大幅度提高了設備的生產(chǎn)效率，并且由于鐘罩爐溫度場一致性的顯著改善。全面提升了金剛石鋸片的燒結質量和一致性。

[1] 段隆臣,潘秉鎖,方小紅.金剛石工具的設計與制造[M].武漢：中國地質大學出版社有限責任公司,2013：106．

[2] 段隆臣,潘秉鎖,方小紅.金剛石工具的設計與制造[M].武漢：中國地質大學出版社有限責任公司,2013：195．

Development of Computer Control System of Bell-Type Furnace for Diamond Saw Blade Sintering

LI Dan, WEI Hong-tao

(GuangzhouCrystalTechnologyCo.,Ltd.,Guangzhou510070,China)

In view of the requirement of cold-press sintering process of diamond saw blade, the existing defects of the currently widely used simple bell-type furnace for diamond saw blade cold-press sintering have been analyzed and the improvement measures been proposed. Accurate computer control of the new type of bell-type furnace for diamond saw blade cold-press sintering has been implemented by Siemens 1200 PLC. Control algorithm combines multiple algorithmics such as fuzzy control and PID control. Full automatic computer control of the diamond saw blade cold-press sintering process can be achieved by the improved bell-type furnace. The temperature and atmosphere field of the furnace are controlled uniformly with high production efficiency, which provides hardware assurance for the quality of cold-press diamond saw blade and improvement of the labor productivity.

diamond saw blade; bell-type furnace; computer-controlled sintering; PLC

2017-03-24

李丹(1966-),女，本科，1987年畢業(yè)于中南大學，廣州晶體科技有限公司從事研發(fā)和管理工作，主要研究方向為金剛石系列工具制造。先后承擔、參與并完成多項科技計劃項目。E-mail:dandanli66@126.com

李 丹，魏宏濤.一種燒結金剛石鋸片用鐘罩爐計算機控制系統(tǒng)的研制[J].超硬材料工程，2017，29(3)：31-35.

TQ164

A

1673-1433(2017)03-0031-05