离心铸造的温度控制装置及其方法
阅读说明：本技术 离心铸造的温度控制装置及其方法 (Temperature control device for centrifugal casting and method thereof ) 是由 王青亮 熊浩 刘浩然 于 2021-09-10 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种离心铸造的温度控制装置及其方法,所述装置通过多组温度检测装置检测浇铸时轧辊工作层温度,并通过侧边加热装置以及柱面加热装置对工作层进行温度补偿。所述方法通过柱面和侧面以及中心的浇铸温度进行比对计算,并利用温差大小以调控加热线圈与模具外壁的间距,实现了离心铸造的温度控制,有效解决了在复合轧辊铸造时不同浇铸金属和已成形工作层部分以及工作层自身温差过大的问题。本发明实现了对复合轧辊铸造时不同浇铸金属和已成形工作层部分以及工作层自身的温差调控,可对轧辊工作层的柱面温差以及边部温差有效调控；同时实现了铸造过程中对轧辊工作层温差的精准调控,提升了轧辊工作层的铸造质量。(The invention relates to a temperature control device for centrifugal casting and a method thereof. According to the method, the casting temperatures of the cylindrical surface, the side surface and the center are compared and calculated, and the distance between the heating coil and the outer wall of the mold is regulated and controlled by utilizing the temperature difference, so that the temperature control of centrifugal casting is realized, and the problem that the temperature difference between different casting metals and formed working layer parts and the temperature difference of the working layer are too large during casting of the composite roll is effectively solved. The invention realizes the temperature difference regulation and control of different cast metals, formed working layer parts and working layers during the casting of the composite roll, and can effectively regulate and control the cylindrical surface temperature difference and the edge temperature difference of the working layer of the roll; meanwhile, the temperature difference of the working layer of the roller is accurately regulated and controlled in the casting process, and the casting quality of the working layer of the roller is improved.)
技术领域
本发明涉及离心铸造温度控制技术领域，尤其涉及一种离心铸造的温度控制装置及其方法。
背景技术
常用的复合轧辊是轧辊外层采用高硬度的耐磨材料，而中间芯部为灰铁等高强韧性材料的耐磨辊。复合轧辊工作层具有较高的硬度和耐磨性，而中间芯部又具有较好的韧性、较高的强度和抗折断性能等优点，因而在某些机架上已完全取代了整体浇注的单一材质的轧辊。
为保证轧辊在具有较好的轧制性能的同时能够具有较为便宜的价格，轧辊往往采用多层材料组成，其中最外层为工作层，由于其工作硬度的要求，往往采用较为贵重的合金进行制作，轴心部分往往采用具有较好韧性且价格低廉的铸铁，但为保证较好的结合性二者之间往往采用多层金属合金进行连接；目前为止复合轧辊常采用离心复合铸造方法制作，离心复合铸造法一般先通过离心铸造生产工作层，而后进行离心浇铸生产连接层，最后进行芯部浇铸，但由于连接层的金属溶液与工作层金属不相同，二者之间可能存在较大的温差进而因为温差的存在使得已浇铸的工作层发生断裂，影响轧辊的质量，只有减小铸造过程中工作层整体的温度差，才能较好的减少裂纹的出现，现有的离心铸造温度控制装置大多采用火焰灼烧铸造炉外表面进行整体加热，这种方式只能将铸造过程中铸件的整体温度控制在一个较高水平，对于不同温度的金属液浇铸时并不能较好的控制整体温度，还会增加铸造时长，不能保证铸件质量，尤其对于上述的多层复合轧辊，传统的火焰灼烧温度控制法并不能满足生产需求。因此，为解决上述问题急需一种离心铸造的温度控制装置及其方法。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于提供一种离心铸造的温度控制装置及其方法，采用多组温度检测装置测量浇铸时温度变化，并根据相应的温度关系控制侧边加热装置和柱面加热装置对相应部位进行数据化可控式加热，实现了离心铸造的温差控制，有效解决了在复合轧辊铸造时不同浇铸金属和已成形工作层部分以及工作层自身温差过大的问题。
本发明采用的技术方案如下：
本发明所提出的离心铸造的温度控制装置，包括浇铸装置、模具、温度检测装置、卧式铸造支架、侧边加热装置和柱面加热装置；所述浇铸装置设置在模具的一端并与模具内部连通；所述卧式铸造支架分别连接在模具的左右两端下方；所述模具由模具外壁和设置在模具内部的中间层构成；所述温度检测装置均布在中间层下方；所述柱面加热装置均布在模具外壁下方；所述侧边加热装置分别设置在模具外壁的前后两侧；
所述浇铸装置包括浇铸顶箱、浇铸管道和浇铸支架；所述浇铸顶箱设置在浇铸支架的顶部；所述浇铸管道一端与浇铸顶箱底部连通，另一端与中间层连通；
所述温度检测装置包括测温热电偶和无线信号发生器；所述无线信号发生器设置在测温热电偶的底部；所述测温热电偶与中间层底部贴合；所述无线信号发生器位于模具外壁内部；
所述侧边加热装置包括支撑桌板、推进马达、横向移动底座、侧边加热电源、侧边加热线圈和导轨；所述推进马达设置在支撑桌板上表面一侧；所述导轨设置在支撑桌板上表面的另一侧；所述横向移动底座的底部与导轨滑动连接；所述推进马达的输出轴与横向移动底座连接；所述侧边加热电源设置在横向移动底座的上方；所述侧边加热线圈连接在侧边加热电源的顶部；
所述柱面加热装置包括升降马达、升降底座、柱面加热电源和柱面加热线圈；所述升降马达纵向布置，所述升降底座的中部与升降马达输出轴垂直连接；所述柱面加热电源设置在升降底座上方；所述柱面加热线圈连接在柱面加热电源的顶部。
进一步的，所述侧边加热线圈采用同心圆弧式线圈结构。
进一步的，所述柱面加热线圈采用并置圆弧式线圈结构。
离心铸造的温度控制方法，所述方法包括以下步骤：
S1、离心浇铸
将浇铸温度为T℃的金属液倒入浇铸顶箱中，经浇铸管道流入模具空腔，模具外壁带动中间层转动，金属液在离心力的作用下均匀的在中间层内表面凝结，实现复合轧辊的离心铸造；
S2、温度检测
温度检测装置分布在模具外壁内表面，模具外壁的同一个截面上均匀设置三个温度检测装置，同一个截面上的温度检测装置为一组，沿模具外壁轴向均匀布置n组温度检测装置，模具外壁的两内侧面也分别均匀布置三个温度检测装置，测温热电偶贴合中间层，无线信号发生器设置在测温热电偶下方并安装在模具外壁的内部，测量温度时，无线信号发生器将测温热电偶测得的温度传送给计算机，将同一组温度检测装置测得的温度求平均，并根据组别记录为{T1,T2,…,Ti,…,Tn}其中Ti表示第i组温度检测装置测得的平均温度，而后将前后两组温度进行求平均，即中间点平均温度记录为共n-1组，将浇铸温度T与中间点平均温度作差，即记录为由于铸造成形总是小于T，所以不小于零；对于两内侧面温度检测装置测得的平均温度，靠近T1组的温度记为T0，靠近Tn组的温度记为Tn+1，与浇铸温度T作差，分别记为ΔT0，ΔTn+1；
S3、柱面温度调控
对于径向方向的温度控制，每两组温度检测装置中间设置一个柱面加热装置，即对应第i套柱面加热装置，共设置n-1套柱面加热装置，记浇铸金属液与浇铸成形的轧辊工作层柱面不发生断裂的温差范围为(0，Δt′)，令与Δt′作对比，小于Δt′的数值其对应的柱面加热装置不进行加热补温，大于Δt′的数值其对应的柱面加热装置对浇铸成形的柱面进行加热补温直至小于Δt′；
对于轴向方向温度的控制，将中的数值进行平均计算，结果记为令减去结果记作对于对应的柱面加热装置，当其在径向方向温度控制时不进行加热补温，则其在轴向方向温度控制时柱面加热线圈与模具外壁间距不必进行调整，当其在径向方向温度控制时需要进行加热补温时，则其在轴向方向的温度控制需要通过升降马达调控柱面加热线圈与模具外壁之间的间距，控制每单位摄氏度柱面加热线圈需要移动的间距为ΔR，则大于零时，柱面加热线圈向远离模具外壁方向移动间距，当小于零时，柱面加热线圈向靠近模具外壁方向移动间距，当超过柱面加热线圈与模具外壁最大移动间距D时，柱面加热线圈移动距离为D；
S4、侧面温度调控
模具外壁的两侧面分别设置有侧边加热装置，对于T0对应的侧边加热装置，记浇铸金属液与浇铸成形的轧辊工作层的侧边不发生断裂的温差范围为(0，Δt")，当T-T0小于Δt"时其对应的侧边加热装置不工作，当大于Δt"时其对应的侧边加热装置工作，控制每单位摄氏度侧边加热线圈需要移动的间距为Δr，在侧边加热装置工作时，令当ΔT0大于零时，推进马达带动侧边加热线圈向远离模具外壁侧面的方向移动ΔT0*Δr，当ΔT0小于零时，侧边加热线圈向靠近模具外壁侧面的方向移动ΔT0*Δr，当ΔT0*Δr超过侧边加热线圈与模具外壁的侧面最大移动间距d时，侧边加热线圈移动距离为d，Tn+1对应的侧边加热装置与上述T0对应的侧边加热装置做相同处理。
进一步的，所述同一组的温度检测装置均匀分布在同一圆周上且不局限设置三个温度检测装置。
进一步的，所述测温热电偶通过导热硅脂类的化合物贴合在中间层外表面；所述温度检测装置与中间层以及模具外壁之间的间隙通过导热硅脂类化合物填充；所述无线信号发生器向计算机传送测温热电偶测得的温度以及相应组别信息，计算机根据收信到的组别将温度信息分组计算。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
1、本发明的装置通过侧面加热装置在铸造过程中对轧辊工作层侧面进行加热，通过柱面加热装置对铸造过程中轧辊工作层柱面进行加热，通过多组温度检测装置实时监测铸造过程中工作层的温度，并根据温度关系调控侧面加热装置以及柱面加热装置，实现了对复合轧辊铸造时不同浇铸金属和已成形工作层部分以及工作层自身的温差调控，并能够对轧辊工作层的柱面温差以及边部温差的进行有效调控；
2、本发明的方法通过多组温度检测装置实时监测铸造过程中轧辊工作层的温度数据，并根据温度数据进行温度变化计算，根据计算及对比结果给出了一套侧面加热装置以及柱面加热装置对相应温度区域的调控方案，实现了铸造过程中对轧辊工作层温差的精准调控，提升了轧辊工作层的铸造质量。
附图说明
图1是本发明装置的整体结构示意图；
图2是图1的局部剖面结构示意图；
图3是图1中侧边加热装置的结构示意图；
图4是图1中柱面加热装置的结构示意图；
图5是图2中温度检测装置的结构示意图；
图6是本发明方法的操作流程示意图。
其中，附图标记：1-浇铸装置；101-浇铸顶箱；102-浇铸管道；103-浇铸支架；2-模具外壁；3-温度检测装置；301-测温热电偶；302-无线信号发生器；4-中间层；5-卧式铸造支架；6-侧边加热装置；601-支撑桌板；602-推进马达；603-横向移动底座；604-侧边加热电源；605-侧边加热线圈；606-导轨；7-柱面加热装置；701-升降马达；702-升降底座；703-柱面加热电源；704-柱面加热线圈。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
需要说明的是，在本发明的描述中，术语“上”、“下”、“顶部”、“底部”、“一侧”、“另一侧”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作。
参见附图1至5，给出了本发明所提出的离心铸造的温度控制装置的一个实施例的具体结构。所述装置包括浇铸装置1、模具、温度检测装置3、卧式铸造支架5、侧边加热装置6和柱面加热装置7；所述浇铸装置1设置在模具的一端并与模具内部连通；所述卧式铸造支架5分别连接在模具的左右两端下方；所述模具由模具外壁2和设置在模具内部的中间层4构成；所述温度检测装置3均布在中间层4的下方；所述柱面加热装置7均布在模具外壁2的下方；所述侧边加热装置6分别设置在模具外壁2的前后两侧下方。
其中，所述浇铸装置1包括浇铸顶箱101、浇铸管道102和浇铸支架103；所述浇铸顶箱101设置在浇铸支架103的顶部；所述浇铸管道102一端与浇铸顶箱101底部连通，另一端与中间层4内腔连通。
所述温度检测装置3包括测温热电偶301和无线信号发生器302；所述无线信号发生器302设置在测温热电偶301的底部；所述测温热电偶301和无线信号发生器302均位于模具外壁2的内部，且所述测温热电偶301与中间层4底部贴合。
所述侧边加热装置6包括支撑桌板601、推进马达602、横向移动底座603、侧边加热电源604、侧边加热线圈605和导轨606；所述推进马达602设置在支撑桌板601上表面一侧；所述导轨606设置在支撑桌板601上表面的另一侧；所述横向移动底座603的底部与导轨606滑动连接；所述推进马达602的输出轴与横向移动底座603固定连接；所述侧边加热电源604设置在横向移动底座603的上方；所述侧边加热线圈605连接在侧边加热电源604的顶部，由侧边加热电源604供电加热；所述推进马达602可推动横向移动底座603，从而使横向移动底座603可带动侧边加热电源604以及侧边加热线圈605沿导轨606前进或后退；本实施例中，所述侧边加热线圈605采用竖向的同心圆弧式线圈结构。
所述柱面加热装置7包括升降马达701、升降底座702、柱面加热电源703和柱面加热线圈704；所述升降马达701纵向布置，所述升降底座702的中部与升降马达701输出轴垂直固定连接；所述柱面加热电源703设置在升降底座702的上方；所述柱面加热线圈704连接在柱面加热电源703的顶部，由柱面加热电源703供电加热；所述升降马达701可推动升降底座702，从而使升降底座702可带动柱面加热电源703以及柱面加热线圈704竖向升降；本实施例中，所述柱面加热线圈704采用横向的并置圆弧式线圈结构。
离心铸造的温度控制方法，所述方法包括以下步骤：
S1、离心浇铸
将浇铸温度为T℃的金属液倒入浇铸顶箱中，经浇铸管道流入模具空腔，模具外壁带动中间层转动，金属液在离心力的作用下均匀的在中间层内表面凝结，实现复合轧辊的离心铸造；
S2、温度检测
温度检测装置3分布在模具外壁2内表面，模具外壁2的同一个截面上均匀设置三个温度检测装置3，同一个截面上的温度检测装置3为一组，沿模具外壁2轴向均匀布置n组温度检测装置3；不同组的温度检测装置3不必设置在同一母线上，但同一组的温度检测装置3需均匀分布在同一圆周上且不局限设置三个温度检测装置；模具外壁2前后两侧的内侧面也分别均匀布置三个温度检测装置3，测温热电偶301贴合中间层4，无线信号发生器302设置在测温热电偶301下方并安装在模具外壁2的内部；测温热电偶301通过导热硅脂类的化合物贴合在中间层4外表面；所述温度检测装置3与中间层4以及模具外壁2之间的间隙通过导热硅脂类化合物填充；所述无线信号发生器302向计算机传送测温热电偶301测得的温度以及相应组别信息，计算机根据收信到的组别将温度信息分组计算；测量温度时，无线信号发生器302将测温热电偶测得的温度传送给计算机，将同一组温度检测装置3测得的温度求平均，并根据组别记录为{T1,T2，…，Ti，…，Tn}其中Ti表示第i组温度检测装置3测得的平均温度，而后将前后两组温度进行求平均，即中间点平均温度记录为共n-1组，将浇铸温度T与中间点平均温度作差，即记录为由于铸造成形总是小于T，所以不小于零；对于两内侧面温度检测装置3测得的平均温度，靠近T1组的温度记为T0，靠近Tn组的温度记为Tn+1，与浇铸温度T作差，分别记为ΔT0，ΔTn+1；
S3、柱面温度调控
对于径向方向的温度控制，每两组温度检测装置3中间设置一个柱面加热装置7，即对应第i套柱面加热装置，共设置n-1套柱面加热装置，记浇铸金属液与浇铸成形的轧辊工作层柱面不发生断裂的温差范围为(0，Δt′)，令与Δt′作对比，小于Δt′的数值其对应的柱面加热装置7不进行加热补温，大于Δt′的数值其对应的柱面加热装置7对浇铸成形的柱面进行加热补温直至小于Δt′；
对于轴向方向温度的控制，将中的数值进行平均计算，结果记为令减去结果记作对于对应的柱面加热装置7，当其在径向方向温度控制时不进行加热补温，则其在轴向方向温度控制时柱面加热线圈704与模具外壁2间距不必进行调整，当其在径向方向温度控制时需要进行加热补温时，则其在轴向方向的温度控制需要通过升降马达701调控柱面加热线圈704与模具外壁2之间的间距，控制每单位摄氏度柱面加热线圈需要移动的间距为ΔR，则大于零时，柱面加热线圈704向远离模具外壁2方向移动间距，当小于零时，柱面加热线圈704向靠近模具外壁2方向移动间距，当超过柱面加热线圈704与模具外壁2最大移动间距D时，柱面加热线圈704移动距离为D；
S4、侧面温度调控
模具外壁2的两侧面分别设置有侧边加热装置6，对于T0对应的侧边加热装置，记浇铸金属液与浇铸成形的轧辊工作层的侧边不发生断裂的温差范围为(0，Δt")，当T-T0小于Δt"时其对应的侧边加热装置6不工作，当大于Δt"时其对应的侧边加热装置6工作，控制每单位摄氏度侧边加热线圈605需要移动的间距为Δr，在侧边加热装置6工作时，令当ΔT0大于零时，推进马达602带动侧边加热线圈605向远离模具外壁2侧面的方向移动ΔT0*Δr，当ΔT0小于零时，侧边加热线圈605向靠近模具外壁2侧面的方向移动ΔT0*Δr，当ΔT0*Δr超过侧边加热线圈605与模具外壁2的侧面最大移动间距d时，侧边加热线圈605移动距离为d，Tn+1对应的侧边加热装置6与上述T0对应的侧边加热装置6做相同处理。
以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
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