复合弯管燃烧合成的自动化设备设计与应用

    1前言
    SHS陶瓷内衬复合管具有耐磨、耐蚀、耐高温等性能，将其应用于矿山、电力、煤炭、冶金等行业，可以较好地解决这些行业对物料输送管道高耐磨性、强耐腐蚀性及抗高温性等要求，且其制造成本低，生产效率高，因而该技术一投入使用便产生了良好的社会与经济效益[1，2].
    制备SHS陶瓷内衬复合管主要有SHS离心法和SHS重力分离法[3]，前者适用于制备大口径长直管，后者适用于制备小口径直管及各种异型管，尤其适用于制备物料输送系统中影响输送管道使用寿命的关键部件———弯头，并有望取代目前将SHS离心法制备的直管按角度切割再拼合焊接成复合弯管的生产工艺[4].
    但是直到目前，利用SHS重力分离技术制备复合弯管的生产工艺仍停留在手工生产方式上，使得生产工艺难以控制，质量不稳定，效率低，成本高。因此研制燃烧合成复合弯管的自动化生产设备已成为该技术推广的当务之急。
    本文介绍了一种制备SHS陶瓷内衬复合弯管的自动化生产设备设计与应用，分析了采用该设备制备出的复合弯管的组织与性能，从而为实现该技术的产业化提供了设备保证。
    2制备复合弯管的原理[5]
    铝热—重力分离SHS法制备复合弯管的原理见图1.将粒度一定的Fe2O3粉、Al粉及SiO2粉等，按一定比例配制成铝热剂，混合烘干后填充于弯管内，点燃铝热剂使之发生如式（1）的自蔓延铝热反应。反应产生的高温使生成物Al2O3和Fe熔融，并在未反应物料上部形成熔池。与此同时，按箭头方向机械旋转钢管，使熔池液面（或燃烧波面）始终保持水平位置。在重力作用下，不互熔的两相熔体Al2O3和Fe分离，Fe沉积于熔池底部，Al2O3浮于上部。随自蔓延反应燃烧波面自上而下的移动和钢管向外散热冷却，Al2O3陶瓷在钢管内壁结晶凝固，从而在弯管内形成了一层均匀的氧化铝陶瓷涂层。需要强调的是保持高温熔池液面始终处于水平位置是制备复合弯管的关键。
    Fe2O3+2Al=Al2O3+2Fe+836kJ（1）
    3自动化生产设备工作的技术路线
    从制备原理看出，设计出的自动化设备必须能自行检测铝热自蔓延反应燃速和高温熔池液面位置；通过燃速计算、高温熔池液面位置误差识别和算法控制等来操纵执行电机按一定方向和速率旋转，使高温熔池液面始终处于水平位置，以满足熔池中Fe与Al2O3不互溶的两相熔体在重力作用下分离及液态陶瓷涂覆的条件，实现复合弯管燃烧合成的自动化。
    因此，复合弯管燃烧合成自动化设备主要包括检测系统与控制系统两大部分。为此，以89C52单片机为核心智能部件组成检测与控制系统可解决该问题
    4检测系统
    铝热重力分离SHS法制备复合管的燃烧过程遵循层状反应物燃烧法模型[6]
    看出，反应界面区与预热区存在很大的温度梯度。从铝热—重力分离SHS手工制备复合弯管也看到：燃烧合成过程中，反应熔池在钢管外表面表现为具有一定宽度的一条亮带，与周围尤其与预热区形成鲜明对比，它随反应熔池的移动而移动。这就为熔池液面的位置检测提供了理论和实践依据。
    本系统根据辐射测温原理，采用光纤传感技术和红外光电检测技术[7]来实现对反应熔池位置的检测，
    即通过光纤传输，线阵光电二极管接收SHS过程热辐射产生的红外光，输出电信号，经过信号的取样放大和比较，得到与熔池位置相关的数字信号，送单片机进行数据处理。
    由于反应界面区与预热区存在较大的温度梯度，高温熔池在弯管外壁形成了鲜明的亮带，只要设定的基准电压与反应界面区的辐射信号电压相当，就可以区分开反应界面区与预热区。再通过系统默认的液面偏移量来校正，使控制器得到的液面位置与实际液面位置一致。根据得到的熔池液面的位置数，通过与理想位置比较，就获得了熔池位置误差，继而也就得到了位置误差的变化量。
    以平均熔池移动速度作为执行电机旋转的初速度，其误差大小直接关系到控制系统的系统控制误差。因此，平均熔池移动速度的检测和自动修正同样是必不可少的。为了准确地反映整根弯管合成过程中熔池移动的平均速度，通过键盘设定与系统自调整相结合的方法确定反应熔池移动的平均速度。