一种离心铸造冷却设备及其控制方法与流程

本发明涉及离心铸造设备，具体涉及一种离心铸造冷却设备及其控制方法。

背景技术：

1、离心铸造是制造厚壁金属管件的关键工艺。在离心铸造过程中，液态金属被浇注进高速旋转的圆筒形模具中，在离心力作用下沿模具内壁紧贴并凝固成型，现有的离心铸造冷却技术在金属凝固收缩、模具受热膨胀以及局部温度不均的共同作用下，铸件与模具内壁之间极易产生局部微小气隙，导致界面接触状态恶化。气隙的形成会导致该区域界面热阻剧烈增加、换热效率显著下降，进而引发局部过热、晶粒粗大乃至缩孔等缺陷。现有的冷却控制方法多采用静态、单向的常规定额冷却，既无法通过热扰动手段主动甄别气隙异常，更无法针对气隙区域实施“先降温放松/协调变形、后强化冷却”的热机械主动协调控制。这导致一旦产生界面间隙，局部的换热恶化过程将不可逆转，严重影响了厚壁管件的组织均匀性与综合力学性能，为此，我们提出一种离心铸造冷却设备及其控制方法。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提供了一种离心铸造冷却设备及其控制方法，克服了现有技术的不足，设计合理，结构紧凑，解决了背景技术中提出的问题。

2、为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：

3、一种离心铸造冷却设备，包括：

4、外壳；

5、模具本体，同轴设置于外壳内，用于承载浇注后的液态金属并在离心驱动下高速旋转；

6、分区冷却组件，固定安装于外壳上且在模具本体旋转过程中保持静止，用于沿模具本体轴向划分为若干独立冷却区域并向模具本体外壁喷吹冷却介质；

7、温度检测组件，包括设置于外壳上的第一温度传感器以及埋设于模具本体壁内部靠近内表面的第二温度传感器；

8、控制单元，与分区冷却组件及温度检测组件电性连接，用于根据第一温度传感器和第二温度传感器采集的温度反演计算界面热阻，并在判断存在界面换热异常时，通过独立控制各冷却区域的冷却强度实施热机械主动协调冷却。

9、优选的，外壳与模具本体之间周设有若干个环挡，环挡将模具本体沿轴向分隔为若干个独立冷却区域。

10、优选的，分区冷却组件包括多根分别延伸至不同独立冷却区域内的冷却管、设置于冷却管端部的水气混合喷嘴，以及与控制单元电性连接的比例控制阀。

11、优选的，模具本体壁内部开设有容纳槽与线槽，容纳槽内设有耐热保护层，第二温度传感器包裹于耐热保护层内且其探针延伸至容纳槽内壁；

12、模具本体固定于转轴上，转轴上套接有导电滑环，第二温度传感器的导线穿过线槽并与导电滑环电性连接。

13、优选的，模具本体采用耐热合金钢材料制成，内径为400mm，壁厚为80mm，旋转角速度为50～60rad/s。

14、优选的，离心铸造冷却设备的控制方法，包括以下步骤：

15、步骤一、数据采集与界面热阻反演：通过第一温度传感器采集模具外壁温度，通过第二温度传感器采集靠近模具内壁区域温度 ；控制单元建立径向非稳态导热模型反演推出模具内壁等效温度  及单位面积热流，并结合凝固壳体侧等效温度  计算得到对应冷却区域的界面热阻；

16、步骤二、换热异常判断：控制单元判断当前冷却区域的界面热阻 是否大于预设阈值 ；若 ，则判定该区域存在界面换热下降异常；

17、步骤三、热机械主动协调控制：当判定存在界面换热异常时，控制单元降低该区域的冷却强度促使凝固壳体产生热机械协调变形以恢复与模具的紧密贴合；待界面换热状态恢复后，再提高该区域的冷却强度进行强化冷却。

18、优选的，径向非稳态导热模型的导热微分方程为：

19、

20、其中，为模具材料密度， 为模具材料比热容，λ为模具材料导热系数；

21、单位面积热流  的计算公式为：

22、

23、其中，为第二温度传感器采集的靠近模具内壁区域温度，为第一温度传感器采集的模具外壁温度，为第一温度传感器与第二温度传感器之间的等效距离；

24、界面热阻 的计算公式为：

25、其中，为根据所述导热微分方程结合  和  反演推出的模具内壁等效温度，为根据铸造材料热物性参数与凝固潜热释放模型反演获得的凝固壳体侧等效温度。

26、优选的，步骤二中还包括热响应参数标定与主动热扰动判定，过程为：

27、预实验阶段求得界面贴合良好时的热响应参数平均值 与标准偏差 ，设定阈值 ；

28、实时检测阶段，控制单元控制比例控制阀（22）使冷却介质流量产生幅度为10～20%的改变并持续5～30s，按如下公式计算热响应参数 ：

29、

30、其中为温度响应时间， 为扰动初始温差， 为扰动后温差；

31、当实时满足时，判定该区域存在界面换热异常。

32、优选的，步骤三中降低冷却强度的过程为：初始冷却压力为0.5～0.6mpa，当检测到界面换热异常时，将该区域冷却压力降低至0.15mpa并保持10～20s；

33、在降低冷却强度期间，凝固壳体产生的径向协调变形量 的计算公式为：

34、

35、其中，为热膨胀系数， 为温度变化量，r 为铸件半径，为高温协调变形量。

36、优选的，步骤三中强化冷却的过程为：

37、当检测到对应区域的界面热阻恢复至 且热响应参数恢复至时，判定界面换热恢复；

38、控制单元控制比例控制阀（22）将该区域的冷却压力提高至0.8～1.0mpa进行后续强化凝固。

39、本发明提供了一种离心铸造冷却设备及其控制方法。具备以下有益效果：

40、1、针对离心铸造过程中铸件高速旋转导致无法在凝固壳体内部直接安装测温元件的难题，本发明通过第一温度传感器与第二温度传感器分别采集模具外壁与近内壁处的温度数据，并建立径向非稳态导热模型。通过温度响应精准反演得到铸件与模具之间的界面热阻rc及热响应状态，为后续冷却参数的动态闭环调节提供了科学精确的数据支撑。

41、2、本发明引入主动热扰动检测机制，能够精准识别凝固收缩、热变形引起的界面换热下降（）。在判断存在换热异常时，通过主动降低对应区域的冷却强度，促使凝固壳体产生微量热机械协调变形，使铸件与模具重新紧密贴合；待界面换热效率恢复后再开启强化冷却。该机制有效消除了因间隙隔离导致的局部过热与铸造缺陷，保证了换热过程的稳定高效。

1.一种离心铸造冷却设备，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1的一种离心铸造冷却设备，其特征在于：

3.根据权利要求1的一种离心铸造冷却设备，其特征在于：

4.根据权利要求1的一种离心铸造冷却设备，其特征在于：

5.根据权利要求1的一种离心铸造冷却设备，其特征在于：

6.一种如权利要求1-5任一离心铸造冷却设备的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

7.根据权利要求6的一种离心铸造冷却设备的控制方法，其特征在于：

8.根据权利要求6的一种离心铸造冷却设备的控制方法，其特征在于：

9.根据权利要求6的一种离心铸造冷却设备的控制方法，其特征在于：

10.根据权利要求6或8的一种离心铸造冷却设备的控制方法，其特征在于，步骤三中强化冷却的过程为：