镍基高温合金单晶叶片成型技术基础研究.pdf

上海交通大学博士后出站报告原创性声明本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。签名：日期:上海交通大学博士后出站报告摘要对于银基高温合金，采用合适的单晶定向凝固工艺可使合金的使用温度提高 3050度、持久性能提高10%-30%。但是，由于单晶制备过程中的各种因素的 干扰，单晶叶片的制备过程中很容易出现各种缺陷，最终造成了目前单晶叶片成 品率低、叶片性能远远低于国外同类产品的现状。而所有这些缺陷的形成，除了合金本身的性能以外，都与单晶叶片的制备过 程具有紧密的联系。因此，如何通过单晶叶片的制备过程的优化实现单晶叶片的 制备成功率与叶片性能的同时提高是单晶叶片制备过程的核心与关键。围绕这一关键，本论文针对银基高温合金单晶叶片的制备过程开展了全面的 研究工作。首先为实现单晶叶片的成功制备，需要设计、制备出合适的定向凝固设备。根据银基高温合金单晶叶片定向凝固的特点,选择了 Tamman-Bridgeman法作为 定向凝固设备的设计路线。并根据实际银基高温合金单晶叶片的尺寸等要求确定 了定向凝固设备的各项设计指标。借鉴现有定向凝固炉的设备特点，通过对熔炼部分、高温加热部分、冷却区 部分、型壳牵引部分、温度测量及控制系统、真空系统等相关部分的考察、论证，设计出了满足银基高温合金单晶叶片定向凝固生长的定向凝固设备。并且基于银 基高温合金单品叶片结构复杂的特点，构建了定向凝固过程自动控制平台。通过 设备热调试，证明设计的定向凝固炉具有稳定的温度场。要获得合格的单晶叶片，首先要形成单个晶核。论文中确定了“自生籽晶法”作为银基高温合金单晶叶片单晶核的形成方案，并设计了相应的螺旋选晶器。由 于叶片截面发生形状改变时很容易产生杂晶，基于这一特点，通过蜡模组合方式 的实验，确定了正置式作为叶片的蜡模组合方式。合格的型壳是叶片制备的先决条件。借鉴经验确定了氧化铝基的浆料配方与 型砂粒度配比，经过涂挂、干燥、脱蜡、焙烧等环节制备了适合单晶浇注用型壳。最后依托设计的定向凝固炉成功完成了银基高温合金单晶叶片的浇注工作。并通过实验初步建立了银基高温合金单晶叶片制备工艺体系：熔体温度1550C,上区预热温度1525C,下区温度1550C,牵引速度2-3mm/min。上海交通大学博士后出站报告对制备的单晶叶片进行分析测试可知所制得的银基高温合金单晶叶片热处 理前一次枝晶间距达到200um,达到国际同期先进水平。晶体取向偏离度最大 3.31,远远优于国际通用的小于10标准。本论文的研究工作将为以后的进一步工作提供重要理论指导，具有非常重要 的理论和实践意义。关键词：银基高温合金，单晶叶片，工艺体系，晶体取向偏离度，一次枝晶 间距上海交通大学博士后出站报告AbstractServiceability temperature would increase 30 to 50C and persistence under high temperature would improve 10%to 30%if the directional solidification process was adaptive to Ni-base high temperature alloys.However,rate of products and main performances of national single crystal blades was lower much than foreign like products because of all kinds of defects generated by disturbances of production process.All of these defects were relating to directional solidification process except for alloys performance.Therefore,the key of production process of single crystal blades was how to heighten rate of products and main performance indexes through the optimization of product parameters.Around this key,this paper studied the whole product process of Ni-base high temperature alloys single crystal blades.At first,suitable directional solidification furnace was necessary in order to produce single crystal blades.Based on the technological characteristics of single crystal blades,the manufacturing technical route,that is Tamman-Bridgeman technology,was selected.The directional solidification equipment was designed and manufactured referencing ALD furnaces.The equipments designs included following parts:melting part,casting mould preheating part,cooling part,casting ingot pulling part,temperature measuring and control part and so on.The test results of ftimace showed the equipment had stable temperature field.In order to get good single crystal blades,the first step was to generate one crystal nucleus.In the paper“autogenic seed5 method was selected as crystal nucleus formation scheme.And the helix selector was designed.Because the secondary grains generated easily when cross-section shape changed,the upright compound mode was selected through wax compound mode experiments.Then preparing qualified casting mould was important step in single crystal blades produce process.The size formula of slurry and mould sand based on experience and experiment results was determined.And the suitable mould was in上海交通大学博士后出站报告prepared through several steps including coating,drying,dewaxing and roasting.At last,the single crystal blade was cast through designed directorial solidification furnace.And the technical system was built as following through experiment results:melting temperature was 1550 upper preheating temperature was 1525,lower preheating temperature was 1550C,and speed was 2 to 3mm/min.The test results of single crystal blades showed the primary dendritic spacing was 200 P m,reaching the word advanced level.And the max deviation degree of crystal orientation was 3.31 ,far exceeding the word common standard of less than 10.Researches in this paper would give important theory guiding to following single crystal blades produce work.The study jobs had important significance in theory and practice.Key Words:Ni-base high-temperature alloys,single crystal blade,technical system,deviation degree of crystal orientation,primary dendritic spacingIV上海交通大学博士后出站报告摘要.IAbstract.Ill第一章、绪论 11.1 航空用单晶高温合金的研究现状.11.1.1 单晶高温合金概述.11.1.2 单晶高温合金发展特点.21.2 锲基高温合金单晶叶片的制备.41.2.1 单晶高温合金母合金的制备.61.2.2 银基高温合金单晶叶片的成型技术.91.2.2.1 定向凝固技术.91.2.2.2 定向凝固技术的工艺参数与单晶质量的关系.121.2.3 单晶叶片截面尺寸与工艺参数的关系.151.2.3.1 截面变化对枝晶生长过程的影响.161.2.3.2 截面变化对一次枝晶间距的影响.161.3 单晶叶片成型设备设计及过程控制.171.3.1 定向凝固设备的基本要素.171.3.2 单晶叶片成型过程控制现状.181.3.3 冶金过程控制的趋势.191.4 本论文研究的主要内容.20第二章 银基高温合金单晶叶片制备设备设计.222.1 单晶形成过程及基本原理.222.2 银基高温合金单晶叶片定向凝固设备设计方案.232.2.1 定向凝固设备设计要点.232.2.2 定向凝固设备整体构成.252.2.3 定向凝固设备设计技术指标.252.3 定向凝固设备设计.262.3.1 熔炼及旋转浇注系统.262.3.2 定向热流区系统.282.3.2.1 热端.29233定向抽拉系统.302.3.4数据测量与控制系统.312.3.4.1 数据测量系统.3123.4.2 控制系统.322.3.7 炉体及水冷系统.362.3.8 安全保护措施.362.5本章小结.39第三章 银基高温合金单晶叶片制备.413.1 银基高温合金单晶叶片单晶核的形成.413.1.1 单晶核形成方案设计.41上海交通大学博士后出站报告3.1.3 选晶器选晶结果验证.443.2 型壳的制备.443.2.1 蜡模压制与组合.453.2.2 涂料与撒沙.473.2.3 脱蜡、焙烧.493.3 锲基高温合金实心单晶叶片浇注.503.4 银基高温合金空心单晶叶片的试制.523.4 本章小结.54第四章银基高温合金单晶叶片工艺体系的建立及实验结果分析.554.1 定向凝固过程工艺参数概述.554.2 工艺参数的设计.564.3 锲基高温合金单晶叶片性能参数测试分析.58431金相及缺陷分析.584.3.2 一次枝晶间距.594.3.3 晶体取向偏离度.614.4 本章小结.63第五章结论及展望.64致谢.66参与项目及成果.67参考文献.68上海交通大学博士后出站报告第一章、绪论1.1 航空用单晶高温合金的研究现状2007年2月26日我国确定了包括大飞机在内的国家中长期科学和技术发 展规划纲要十六个重大科技专项。其中，大型运输机项目计划在西安实施，而 大型客机项目则落户于上海，中国商用飞机公司已于2008年5月11日在上海挂 牌。上海市在大型民机自主研制若干重大技术问题研究和上海航空发动机 发展战略研究中均把航空发动机作为重点之一。大飞机项目的关键是发动机，上海曾于八十年代研制了我国第一架大飞机运-10,使我国一举成为继美、苏、英、法之后，第五个研制出100吨级大飞机的国家，但当时由于技术力量所限，运-10使用了国外采购配套的发动机。发展航空发动机的核心是材料问题，航空 发动机用材料的研发不仅是制约航空发动机研发的瓶颈问题，也是关系到整个大 飞机项目能否顺利实施的重大问题关键所在。提高涡轮进气温度是提高航空发动机推力的主要途径，涡轮叶片需要在高温 和燃气冲刷下承受载荷长期工作，提高涡轮进气温度对涡轮叶片提出了很苛刻的 要求，因此有“一代叶片材料决定一代发动机”的说法。“囤1.1.1 单晶高温合金概述高温合金材料因具有优异的组织结构长期热稳定性与优良的抗高温蠕变、疲 劳，以及抗高温氧化和热腐蚀等综合性能，在航空发动机以及工业燃气轮机中获 得了大量的应用。据报道，在先进航空发动机中，高温合金用量占材料总用量的 40%60%。因此，在新的形势下，虽然为高温合金的应用提供了广阔的领域，但对高温合金材料的性能也提出了全新的要求和挑战。而银基高温合金由于其优 异的高温性能成为目前航空发动机和涡轮机叶片的首选材料。止综观银基高温合金的发展历程，银基高温合金作为叶片材料的使用温度从二 十世纪四十年代的700C已提高到现在的接近1150C。为了满足不断提高的耐热 性要求，铸造高温合金叶片的发展在经历了等轴品、定向柱状晶和单晶三个阶段上海交通大学博士后出站报告之后，单晶银基高温合金由于具有最好的高温性能，成为目前制造航空发动机及 燃气轮机核心叶片的主要材料。【山1.1.2 单晶高温合金发展特点到目前为止,单晶合金已经发展了五代,典型高温合金的成分见表1T所示。表1-1典型单晶高温合金的牌号及成份High-temperature AlloysTable 1-1 Trademark and Constituent of Typical Single Crystal合金成份(wt.%)NiCrCoMoWTaHfAlTiReRuIstDD3bal.9.553.85.2-5.92.1-2ndRene N5bal.782570.156.2-3-CMSX-4bal.6.590.666.50.15.613-DD6bal.3.88.51.570.60.15.8 Re、Co、W、Ru。上述合金元素的加入虽然使 合金的性能有了提高，但也使单晶高温合金的熔炼过程变得更为复杂。因为上述 合金元素极易氧化、烧损，不但使元素损失，还将有害的非金属夹杂引入铸锭。而非金属夹杂物是影响金属材料疲劳性能的最重要不利因素，一旦夹杂物进入铸 锭，则后续加工工序无法消除，导致生产的叶片材料报废，或存在巨大的安全隐 患，因此，高温合金的熔炼过程是制备高性能叶片材料的关键步骤之一。在这一 步骤中，在保证合金元素不被烧损的同时，还要尽最大可能净化熔体，尽可能去 除熔体中的非金属夹杂物（包括氧化夹杂）以及杂质元素。对高温合金材料而言，其纯净度问题主要涉及以下三个方面：1）尽可能低的O、N、H、S等杂质元素的含量（P的含量有待进一步研究）；2）尽可能低的Pb,Bi,Sn,Sb等低熔点有害元素含量；3）尽可能低的非金属夹杂物含量和尽可能低的非金属夹杂物尺寸；此外，由于叶片材料的制备是从母合金重熔开始，因此，采用各种工艺方法 精炼的母合金铸锭还在宏观偏析和微观偏析方面提出更高的要求，即尽可能低的 微观偏析和基本消除宏观偏析，这在母合金精炼阶段就必须解决。为解决上述难题，目前国际上开发出多种熔炼技术和重熔技术，以尽最大可 能去除高温合金熔体中的非金属夹杂物及杂质。不同熔炼技术的特点如表2所示：6上海交通大学博士后出站报告表1-2不同熔炼技术的特点Table 1-2 Characteristics of Different Melting Technology电弧炉电弧炉+真空熔炼真空感应炉等离子炉合金适应性差好很好很好合金化很好很好很好很好过热好好很好很好耐火材料反应差差差差炉渣（熔渣）处理好好差好成分控制好好很好很好气体去除很差好很好好碳脱氧差很好很好好去硫很好好差好杂质挥发很差好很好差显微洁净度很差好很好很好凝固控制很差很差很差很差然而，经过熔炼工序后的合金，其成分及纯净度一般仍不能满足要求，因此,人们开发出多种重熔精炼技术，进一步将合金熔体纯净度提高，典型的重熔技术 特点如表1-3所示：目前国际的主流技术为三次熔炼法（triple melting）即利用真空感应熔炼（VIM）配合电渣重熔（ESR）以及真空电弧熔炼（VAR）。通过以上的数次精 炼以后能把合金中的氧，氮，氢等含量降至10X10-6以内，硫磷等元素的含量 在5X10-5以内，以及其他的一些夹杂物有害元素都在严格的控制范围之内。但 其中的一些关键性技术仍然掌握在国外，我国目前还难以达到这一目标，造成生 产的毛坯中有大量的报废，以及产品的性能远远逊于国际主流水平。7上海交通大学博士后出站报告表1-3不同重熔精炼技术的技术特点TechnologyTable 1-3 Technological Feature of DifTerent Remelting and Refinement真空自耗重熔电渣重熔电子束炉重熔等离子炉重熔工作压力(mmHg)10-276010-310-1-760反应气体处理可能不可能不可能可能炉渣(熔渣)使用不用用不用可用最大钢锭直径(mm)15002500800250最大钢锭重量(ton)65160181热源电弧渣电阻电子束等离子弧电流种类直流交流或直流直流直流或交流电能消耗(kWh/kg)0.71.71.51-2-温度情况稍许过热不能控制稍许过热不能控制过热能控制过热能控制熔池表面温度(C)1750=Z)+2 x(3 g+3z)=Dw+2x3z(2-2)式中：26上海交通大学博士后出站报告(2-3)A：感应器内径D：珀期内径跳：用堪壁厚运隔热层和绝缘层厚度，根据经验一般取58mmDwi堪堪外径根据上述取值可以计算出感应器内径为160mm。感应器高度计算：为了减小由于电动力产生的“驼峰”高度，金属液面要高 于感应器顶部约12匝的高度，可按下式来估算：%=/-（0.81.3）Ht式中：i：感应器高度，mH：液态炉料高度，m 驼峰高度，根据式（2-4）获得，mPxlO-s 值 1 dh,而式中：P：供给炉料的有功功率，kw,根据式（2-5）获得 从：熔体相对导磁率，对于刚玉取1 D：生期内径，mHz液态炉料被感应器包围部分的高度，取0.9H力：熔体电阻率，Q m f：电源频率，Hz Pr：熔体密度，kg/m3(2-4)360(%.(2-5)式中：力炉：电炉昼夜生产能力，7：金属或合金加热到浇注温度时的热燃量，KJ/kg,根据式（2-6）获得热：电炉热效率，根据经验取0.7 0.82,：熔化时间，力1=4/（“4）+9饵+（%）(2-6)27上海交通大学博士后出站报告式中：K：杂质及合金化系数，根据经验取L05。固、。液：金属固态和液态时的比热，kJ/（kg.K）t始、“、/浇：金属在初始、熔化、浇注时的温度，Kq烙：金属的熔化潜热，kJ 1kg将相关数据代入上述各式中计算出感应器的高度为180mmo同时为操作平 稳，在布置感应器时，应使感应器下平面低于生瑞底20mm,这样感应器上平面 即低于液面24m。生提被感应器包围部分的高度即为160mm。（三）、炉子热功率计算：尸=”（2-7）以式中：耳：有效热功率以：炉子热效率，根据经验取0.8将式（2-5）的结果代入式（2-7）计算后可确定炉子的热功率为50kWo2.3.2定向热流区系统定向热流区系统是整个定向凝固设备的关键部位，能否获得理想的温度梯度 和稳定的温度场都取决于这一部分。定向热流区由热端和冷端两大部分组成，通 过热端和冷端之间的温度差来形成一个稳定的定向热流区。定向热流区示意图如 图2-1所示。11保温层尸g.加热元件绝热层；耳；冷却水图2-1定向热流区示意图Figure 2-1 Sketch Map of Directional Heat Flow Field28上海交通大学博士后出站报告2.3.2.1 热端考虑到模壳预热区和模壳二区即定向凝固热端需在1500C以上长时间工 作，普通的加热体很难满足要求，因此加热体采用碳/碳复合材料。外层设有复 合碳毡保温材料，模壳预热区和模壳二区之间的绝缘瓷件涂有保温涂料，双温区 加热体和保温材料与炉体为相对固定方式，两套加热器的四根水冷铜电极由炉体 后侧引出。同时为了获得理想的温度梯度，在热端和冷端之间需要采用一定的绝热措施 以保证尽可能的阻断热端和冷端之间的热交换。因此，在模壳二区和冷却器之间 设计了涂有高温保温涂料的瓷件作为隔断。加热及保温结构见附图2-1.功率计算：两区均按热负荷进行功率的计算，具体计算按以下经验公式】进行：式中：P：炉子额定功率，AVK：功率储备系数，根据经验取1.21.3。总：炉子最大热负荷，kJ/h,按炉子最高工作温度下的总耗热量计算根据炉子热平衡计算理论可知，炉子需要供给的热量应该等于炉子散失的热 量。在保温炉中，炉子的热量散失是通过耐火材料、保温材料及炉壳散失的。在 计算中将其统称为通过炉壁的散热损失，根据炉壁外表面温度来确定其散失的热 流，具体通过下式来进行计算：。总=3向攀七=3.6。皿外一空)/(2-9)0总=/+a对式中：外表面对空气的辐射给热系数，W/(n)2.K)a对：外表面对空气的对流给热系数，W/(m2./C)以：炉壁外表面温度，K片：炉壁周围空气的温度，K计算的散热面积，m229上海交通大学博士后出站报告将相关数据代入上述方程式中可以计算出高温区上下两区的功率分别为 25KW 和 50KW,23.2.2冷端定向热流区冷端由结晶器和冷却器两部分构成。结晶器为不锈钢双层水冷同 心轴结构，顶端设有铜结晶台，下端与数控工作台相连，内部设有10组测温通 讯管，以保证模壳上的测温点的数据导出。金属注入型壳后，首先在结晶台上进 行冷却凝固，通过结晶器内的循环水进行一次散热。冷却器为不锈钢材料制成，与炉体为相对固定形式，并与加热保温系统为同 轴定位，其结构形式为双重冷却：内层为空冷或Ga-In-Sn合金液态金属冷却，外层为水冷。内层Ga-In-Sn合金还设有同位溢流器。型壳在该部分可通过辐射 散热或液态金属导热进行二次散热。冷端结构示意图如图2-2所示。图2-2冷端结构示意图Figure 2-2 Sketch Map of Cold-end2.3.3 定向抽拉系统单晶生长下拉系统采用“一轴两驱”的精密数控直线导轨机构，并设有单独 的电控装置（可与总工控机系统连接），保证了结晶器组件和模壳的位移精度与 速度精度。电机1驱动结晶器组件和模壳下降，行程350mln,可按预定速度程序 运行，也可按控速热电偶给出的温度型号，经工控机系统计算后给出抽拉速度，运行速度范围为0.5um/secImm/sec,电机2驱动结晶器组件和模壳以 100mm/sec上升和下降、点动，与电机1实现无缝切换。30上海交通大学博士后出站报告2.3.4 数据测量与控制系统2.3.4.1 数据测量系统本设备数据测量系统包括两部分：单纯数据采集系统与参与过程闭环控制的 数据测量系统。数据采集系统主要包括温度数据和辅助数据（如水压、真空等）两部分的数 据采集。温度数据通过热电偶测量所需位置温度数据，通过补偿导线将所采集数 据从炉膛内导出至数据显示或记录设备，通过数据记录设备接收的数据可通过数 据接口导出进行数据分析。在工控系统中除了上述温度数据的测量记录外，尚可 实现压力（包括真空压力、水压、气压）、位置（包括各阀门、炉门、珀烟倾转 角度、结晶器）的全程实时采集监控，并通过数据库系统记录数据，供查询分析。数据测量系统主要是通过对模壳的表面温度进行测量，并将所测量的温度数 据引入闭环控制系统作为控制变量参与单晶生长过程的闭环控制。由于在整个的 单晶生长过程中型壳是一直在移动的，因此普通的热电偶定点测量实施过程中非 常不便。在这种情况下，非接触式的红外温度测量仪是动态地测量移动的型壳温 度的一种比较理想的方案。红外测温仪根据原理可分为单色测温仪和双色测温仪（又称辐射比色测温 仪）。单色测温仪是以光强与被测物表面温度的线性关系来标定温度，因此，在 进行测温时，被测目标面积应充满测温仪视场，否则会出现误差。建议被测目标 尺寸超过视场大小的50%为好。如果目标尺寸小于视场，背景辐射能量就会进 入测温仪干扰测温读数。而且被测表面与测温仪间的测量通路上存在烟雾、尘埃 会阻挡光线，导致被测辐射能量衰减，对测量结果产生影响，因此环境条件的干 扰往往会引起测温的误差。对于双色测温仪（又称辐射比色测温仪），其温度是 由两个独立的波长带内辐射能量的比值来确定的。因此当被测目标很小，不充满 视场，测量通路上存在烟雾、尘埃、阻挡对辐射能量有衰减时，都不会对测量结 果产生影响。数据表明，甚至在能量衰减了 95%的情况下，仍能保证要求的测 温精度。对于细小而又处于运动或震动之中的目标或测量难以接近、条件恶劣或 靠近电磁场的目标，双色测温仪是最佳选择。显然，在本课题中动态地测量移动 的型壳表面温度应该选用双色测温仪（又称辐射比色测温仪）。为了获得精确的温度读数，测温仪与测试目标之间的距离必须在合适的范围31上海交通大学博士后出站报告之内，所谓“光点尺寸（spot size）”就是测温仪测量点的面积。根据焦距调 焦范围的大小，红外测温仪分为标准型（SF型）和近焦距型（CF型）两大类。光点尺寸的计算根据图2-3通过式2-10获得。Fig.2-3 Map of Infrared Radiation Thermometers Spot Definition式中：S:光点直径；Eh测量距离；O:S：测温仪的距离系数根据测温仪原理，并考虑到实际的温度数值和炉体的实际尺寸，选择了量程 在1000C 3000C的Raytek的MR1SCSF型号的双色红外测温仪作为温度的检 测元件。23.4.2控制系统本设备采用工控机远程控制及本地控制两套控制系统，以可编程序控制器作 为主要控制单元，以实现操作过程的程序控制和自动保护。在自动控制系统中，可编程序控制器和数显真空仪表一起，实现各种泵阀开 关动作的定值或定时控制及必要的联锁保护;采用智能温控仪表,设定程序升温、保温曲线，并与测温传感器构成闭环控制系统，实现程序的自动控温。计算机系统：在控制系统中计算机系统是整个控制过程的心脏部分。所有的 数据都需要在计算机系统中进行计算和分析，并且根据数据的分析来产生各个执 行元件的运动指令。只有计算机系统将这些指令传送出去才能完成各个执行元件 的动作。也才能有效的运行整个控制系统，从而实现生产过程的实时闭环控制。根据计算机系统的目标功能，控制系统中计算机主要需要完成的功能有以下 几个方面：数据的接收;32上海交通大学博士后出站报告 数据的显示；数据的计算分析；指令的产生；指令的发送。应用软件的选择及设计思路；在本项目的应用程序的设计中，通过比较相关 的商业软件，选择某商业应用的组态软件作为平台，在这一平台上通过各个子程 序的添加来完成整个应用程序。组态一词来源于英文单词Configuration,“组态软件”作为一个专业术 语，到目前为止，并没有一个统一的定义【划。从组态软件的内涵上说，组态软 件是指在软件领域内，操作人员根据应用对象及控制任务的要求，配置（包括对 象的定义、制作和编辑，对象状态特征属性参数的设定等）用户应用软件的过程,也就是把组态软件可视为“应用程序生成器”.网，是完成系统硬件与软件沟 通、建立现场与监控层沟通的人机界面的软件平台.伴随着集散型控制系统DCS（Distributed Control System）的出现，组态软件已引入工业控制系统。由这种 软件构建的系统既提高了系统的成套速度，又保证了系统软件的成熟性和可靠 性，使用起来方便灵活，而且便于修改和维护。现在的各类组态软件，从总体结构上看一般都是由系统开发环境（或称组态 环境）与系统运行环境两大部分组成。系统开发环境是自动化工程设计师为实施 其控制方案，在组态软件的支持下进行应用程序的系统生成工作所必须依赖的工 作环境，通过建立一系列用户数据文件，生成最终的图形目标应用系统，供系统 运行环境运行时使用。系统运行环境是将目标应用程序装入计算机内存并投入实 时运行时使用的，是直接针对现场操作使用的。而系统开发环境和系统运行环境 之间的联系纽带就是实时数据库。因此，以组态软件为平台进行开发的话，要完 成一个完整的工程就需要从以下几个方面对系统进行开发与配置：文件（包括界 面、命令语言等）、数据库、设备、系统配置和SQL访问等。而从另一个方面来 说，组态软件又是一种通过各个单元的组合来获得一个完整的系统的开发平台。它可以将一个完整的工程分割成多个小单元单独来进行设计，从而大大减小了单 个单元的设计难度，并且可以根据实际需要，很简单地添加新单元。在定向凝固 连铸过程控制上，根据这一特点，在设计中采用了单元化设计的方法，通过对单 上海交通大学博士后出站报告个单元进行开发与配置后，再组成一个完整的系统的设计思路。定向凝固过程的单元化设计：根据定向凝固过程的控制系统的要求，将整个 控制系统分为以下几大部分：数据记录部分、伺服控制部分、真空系统、系统辅 助部分。各个部分再加以细化后，构成一个完整的系统。人机界面：人机对话界面是指人类用户与计算机系统之间的通信媒体或手 段，它是人机双向信息交换的支持软件和硬件。而在工业现场控制中，现场 控制器是由专业技术人员和设备维护人员监管的，他们对人机对话界面上能反映 的实时数据信息量及其类型、设备运行状态情况很关心，对控制操作希望能够简 单、快捷、及时、准确和方便，对于突发故障事件，要求能迅速切换设备和切除 报警。所以在设计面向工业现场底层控制的人机对话界面时，应遵循的如下设计 原则：（1）将用户界面操作化繁为简。简短的操作命令，便于快速输入和执行控 制信息。简化人机交互对话步骤，如默认一些正常运行时的常用参数值。根据设 备操作和运行规律，捆绑式输入各组控制参数。必要时屏蔽和捆包一些在运行操 作时进行的参数传递和对话细节，而在维护或诊断时可根据一定步骤解开或细查 这些参数和对话细节。（2）尽量将所控制的设备对象的重要参数信息直接反映在主界面上，并且 按照人机交互频率及其重要性要求，排布它们在界面上的显示位置。对象的动态 变化重要参数和实时采集的数据信息，宜以图表的形式显示在界面上以便于直观 地实时监视和控制。（3）减少和避免二级菜单操作和控制。现场控制的实时性要求很高，二级 菜单不利于提高系统响应速度。在现场操作人员能够且较容易接受的情况下，适 宜于以减少界面上图标的数量和大小来换取直接监控对象的参数可能性及数量。（4）对于突发事件设置界面显示或提示优先权，宜采用受事件激发弹出式 对话窗口界面的交互方式，事件解决优先权的设置结合工艺重要性要求和顺序进 行。（5）协调操作界面的显示模式。在实际设备运行过程中，通常会出现的一 种矛盾情况是：熟练操作人员（如岗位操作手）希望用多种控制语言输入方式，以求快捷和及时，而其他技术人员（如监管人员、维护人员或岗位新手）希望多 34上海交通大学博士后出站报告用图标对话方式，以求直观方便和减少记忆指令。因此科学合理的协调上述两种 界面操作方式的配合是非常重要的一环，必要时要设计以图标+对话操作为主的 交互界面与以控制命令语句输入为主的交互界面的二重用户界面，用户可以根据 需要进行切换操作。(6)设置安全操作保护措施。现场控制器直接面向生产和设备，通常为了 快速启动、控制和运行，所设置的控制口令简短，访问权限和密码较少，因而容 易产生误操作，直接危及生产安全和可靠性。为此连锁控制和保护诊断输入应在 交互界面设计中得到重要体现。对于不符合正常运行操作或逻辑顺序的控制信息 输入要给出提示或警告信息，按分类和级别拒绝执行或等待进一步确认后才执 行。(7)设置系统安全运行保护措施。现场控制中，要突出超驰控制的安全保 护措施，根据事故发生的原因及类别执行自动切手动、优先减、禁止增和禁止减 等逻辑操作，将该控制系统转换到预先设定好/一些安全状态上。根据上述这些原则，并结合前述的各个单元，设计出了人机对话界面，如图图2-4控制系统人机界面Figure 2-4 Human-computer Interface of Control System35上海交通大学博士后出站报告23.5真 空系统根据设计指标，本设备的真空系统配置为1套莱宝真空三级机组，主要由1 台 DIP-8000 油扩散泵、1 台 RUVAC-WAU-1001 真空罗茨泵、1 台 SOGEVAC-SV-300 真空机械泵、高真空气动挡板阀、电磁压差阀、电磁充放气阀、真空管道、数显 真空计等组成。2.3.6 电源系统本设备熔炼电源选用新型IGBT中频电源，特点是：电效率高、噪音低、热 效率高、氧化烧损少，随时停开机，功率可调，能实现自动控制。可连续稳定生 产。电源冷却形式采用水冷。预热电源选用可控硅调压电源，其中包括：交流变压器；可控硅触发装置。其工作原理是：市网三相交流电源通过可控硅调压，然后由变压器变成低压交流 电，输出功率的调整靠触发装置改变可控硅的导通角来实现。该电源具有自动控 温接口，可实现温度自动控制。2.3.7 炉体及水冷系统炉体、炉门采用双层水冷结构，内外层均采用不锈钢制造，为便于炉门的安 装与开启，炉体形状设计为三分之二柱体，平顶平底，内径约为750mm高度约为 1300mm；炉体主体表面采用亚光处理。同时在炉顶上设有红外测温、移动测温及 视察窗装置可监控熔炼及浇注情况。水冷系统由上水管、回水收集器、各种不锈钢阀门、抗震电接点压力表等组 成，并配备水压、失压断水、关键回路水温超温报警及连锁保护等装置。总进水 设有球阀、排水设有法兰，只需和用户循环水系统接口连接即可。同时上水、回 水在用户安装现场可根据用户需求做分级处理。硬管和软管的连接处应按规范加 工管嘴，防止脱落及漏水。2.3.8 安全保护措施在发生事故时如何保护人身安全，设备安全以及环境是一个设备必须考虑的 36上海交通大学博士后出站报告问题。与此同时还应在有事故苗子时及时报警，预告操作者尽早采取补救措施，避免事故发生或使事故造成的损失降低到最低限度。安全措施包括设备安全和操 作人员的安全二部分。设备安全措施主要是指，在设备发生故障时，确保设备得 到最大限度的保护，将故障的损失降到最小程度；操作人员的安全则是指，要求 在设备发生故障时，不允许发生任何涉及到操作人员的人身安全的问题。事故紧 急处理保护措施主要有：停电保护：（1）停电时，炉壳、线圈以及所有需要强制冷却的部位不应停水；（2）设置备用电源。停水保护：要有应急水箱的设置；型壳失效保护：当拉制过程中出现漏液造成定向牵引系统出现故障时 应及时报警并切断加热电源：超温断偶保护：当温度失控或热电偶断了时，应及时报警并切断电源（该功能由控温仪表设置完成）；报警指示功能