無機(jī)非金屬材料生產(chǎn)中的一些典型控制放法或技術(shù)

1、合 肥 學(xué) 院測量儀表及自動(dòng)化N+2過程考核課程報(bào)告 課程報(bào)告題目無機(jī)非金屬材料生產(chǎn)中的一些典型控制放法或技術(shù)系 別化學(xué)與材料工程系專業(yè)/班級無機(jī)非金屬材料學(xué) 號姓 名 授課老師 材料生產(chǎn)中的典型控制方法摘要：本文主要介紹了材料在工業(yè)中的常見生產(chǎn)方法以及在生產(chǎn)過程中的控制方法與工藝，并分析了各種控制方法的特點(diǎn)和發(fā)展前景。 關(guān)鍵詞：材料、生產(chǎn)制備、過程控制、控制方法引言 材料是直接制造成產(chǎn)品的物質(zhì)，是人類賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)。近幾年來，各種新材料的不斷涌現(xiàn)，帶動(dòng)了包括制備技術(shù)(高分子材料合成和粉體制備技術(shù)等)、成形與加工技術(shù)(如凝固成形、塑性加工和連接技術(shù)等)、改質(zhì)改性技術(shù)(如各種熱處理和三

2、束改性技術(shù)等)、防護(hù)技術(shù)(如涂鍍層處理技術(shù)等)、評價(jià)表征技術(shù)、模擬仿真技術(shù)等在內(nèi)的材料技術(shù)的發(fā)展。為了獲得我們所需要的產(chǎn)品以及實(shí)現(xiàn)對生產(chǎn)的控制必須有完整的控制工藝。1、 材料制備的方法 1.物理方法(1)真空冷凝法 用真空蒸發(fā)、加熱、高頻感應(yīng)等方法使原料氣化或形成等離子體，然后驟冷。其特點(diǎn)純度高、結(jié)晶組織好、粒度可控，但技術(shù)設(shè)備要求高。(2)物理粉碎法 通過機(jī)械粉碎、電火花爆炸等方法得到納米粒子。其特點(diǎn)操作簡單、成本低，但產(chǎn)品純度低，顆粒分布不均勻。(3)機(jī)械球磨法采用球磨方法，控制適當(dāng)?shù)臈l件得到純元素納米粒子、合金納米粒子或復(fù)合材料的納米粒子。其特點(diǎn)操作簡單、成本低，但產(chǎn)品純度低，顆粒分布不

3、均勻。1. 化學(xué)方法(1)氣相沉積法 利用金屬化合物蒸氣的化學(xué)反應(yīng)合成納米材料。其特點(diǎn)產(chǎn)品純度高，粒度分布窄。(2)沉淀法 把沉淀劑加入到鹽溶液中反應(yīng)后，將沉淀熱處理得到納米材料。其特點(diǎn)簡單易行，但純度低，顆粒半徑大，適合制備氧化物。(3)水熱合成法 高溫高壓下在水溶液或蒸汽等流體中合成，再經(jīng)分離和熱處理得納米粒子。其特點(diǎn)純度高，分散性好、粒度易控制。(4)溶膠凝膠法 金屬化合物經(jīng)溶液、溶膠、凝膠而固化，再經(jīng)低溫?zé)崽幚矶杉{米粒子。其特點(diǎn)反應(yīng)物種多，產(chǎn)物顆粒均一，過程易控制，適于氧化物和族化合物的制備。 (5)微乳液法 兩種互不相溶的溶劑在表面活性劑的作用下形成乳液，在微泡中經(jīng)成核、聚結(jié)、團(tuán)

4、聚、熱處理后得納米粒子。其特點(diǎn)粒子的單分散和界面性好，族半導(dǎo)體納米粒子多用此法制備。二、 化工生產(chǎn)中典型控制方法 1、雙位控制2、比例（P）控制 3、積分（I）控制4、微分（D）控制5、數(shù)字控制6、串級控制7、比值控制三、材料成型與控制工程 材料控制工程（材料加工控制及信息化方向）培養(yǎng)具備材料加工基本原理、 計(jì)算機(jī)控制及信息學(xué)科的知識和技能，掌握材料加工成形過程的自動(dòng)化與人工智能、專家信息系統(tǒng)的建立與開發(fā)、機(jī)械零件及工模具的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造、新材料制備與加工、先進(jìn)成形加工技術(shù)與設(shè)備、材料組織與性能的分析及控制等專業(yè)知識，能夠從事材料加工、計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的產(chǎn)品和技術(shù)開發(fā)、設(shè)計(jì)制造、

5、質(zhì)量控制、經(jīng)營管理等方面的高級工程技術(shù)人才。主要學(xué)習(xí)材料科學(xué)基礎(chǔ)、材料成型原理、材料組織與性能控制原理、先進(jìn)材料加工技術(shù)、現(xiàn)代材料表面工程學(xué)、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造、模具CAD/CAM、計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬技術(shù)、控制工程基礎(chǔ)、數(shù)控原理與編程、檢測技術(shù)與控制工程基礎(chǔ)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與專家信息系統(tǒng)在材料加工中的應(yīng)用、材料加工企業(yè)管理及計(jì)算機(jī)信息系統(tǒng)、材料加工品質(zhì)分析與控制、材料微觀分析及計(jì)算機(jī)圖像處理。畢業(yè)后可在電子信息產(chǎn)品制造業(yè)、機(jī)械制造行業(yè)、汽車制造業(yè)等領(lǐng)域從事各種材料加工與制備、計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)應(yīng)用于材料加工工藝與控制、工模具的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造、技術(shù)與產(chǎn)品研發(fā)、質(zhì)量控制、經(jīng)營管理、商品檢驗(yàn)及技術(shù)監(jiān)督

6、等方面的工作，亦可在教育科研、商業(yè)貿(mào)易和專業(yè)咨詢等部門廣泛就業(yè)。四、材料加工的自動(dòng)控制 材料是直接制造成產(chǎn)品的物質(zhì)，是人類賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)。近幾 年來，各種新材料的不斷涌現(xiàn)，帶動(dòng)了包括制備技術(shù)(高分子材料合成和粉體制備技術(shù)等)、成形與加工技術(shù)(如凝固成形、塑性加工和連接技術(shù)等)、改質(zhì)改性技術(shù)(如各種熱處理和三束改性技術(shù)等)、防護(hù)技術(shù)(如涂鍍層處理技術(shù)等)、評價(jià)表征技術(shù)、模擬仿真技術(shù)等在內(nèi)的材料技術(shù)的發(fā)展。 通過改變和控制材料的外部形狀和內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)，將材料制造成為人類社會(huì)所需要的各種零部件和產(chǎn)品的過程成為材料加工，也成為材料成型制造。把材料加工成產(chǎn)品的方法有好多種，第一類方法，如液態(tài)澆

7、鑄，塑性變形加工等，不僅使材料的形狀發(fā)生了改變，而且材料的內(nèi)部組織和性能也發(fā)生了巨大變化，這一類方法稱為材料加工或者材料成型，又因?yàn)檫@一類加工需要在一定的溫度下進(jìn)行，因而通常稱這一類加工方法為熱加工；另一類加工方法，如車，削，刨等切削加工，加工的目的只是獲得一定的形狀、尺寸和表面光潔度，這種加工一般在常溫下，甚至在強(qiáng)制冷卻到常溫下進(jìn)行，所以習(xí)慣上稱之為冷加工。五、典型控制方法1. 流體輸送設(shè)備的控制（1） 離心泵的控制 泵和壓縮機(jī)是生產(chǎn)過程用來輸送流體或者提高流體壓頭的一種重要的機(jī)械設(shè)備，泵是液體的輸送設(shè)備，壓縮機(jī)是氣體的輸送設(shè)備。由于離心力的作用,使葉輪通道內(nèi)的液體被排出時(shí),葉輪進(jìn)口處在負(fù)壓

8、情況之下,液體即被吸進(jìn)。 工作特性：對于一個(gè)離心泵，其壓頭H和流量Q及轉(zhuǎn)速n之間的關(guān)系，稱為泵的機(jī)械恃性，以經(jīng)驗(yàn)公式表示則為：H=K1n2-K2Q2式中，K1、k2比例系數(shù)。 管路特性：考慮管網(wǎng)特性一一管網(wǎng)中流體和管網(wǎng)中阻力的關(guān)系:管路兩端靜壓差相應(yīng)的壓頭hp 將液體提升一定高度所需的壓頭h1管路摩擦損耗壓頭hf控制閥兩端壓頭hv管路特性:hp+h1+hf+hv當(dāng)流量系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，泵的特性曲線與管路特性曲線的交點(diǎn)，就是離心泵的工作點(diǎn)。 （2） 往復(fù)泵的控制 往復(fù)泵及直接旋轉(zhuǎn)泵它們均是正位移形式的容積泵，是常見的流體輸送設(shè)備，多用于流量較小、壓頭要求較高的場合。 往復(fù)泵提供的理論流量可按下式計(jì)

9、算：Q=60nFS（m3/h） Q理論流量,單位m3/h；n每分鐘的往復(fù)次數(shù)；F汽缸的截面積，單位m2；S活塞沖程，單位m。 從泵體角度來說，影響往復(fù)泵出口流量變化的僅有n、F、S等三個(gè)參數(shù)，通過改變這三個(gè)參數(shù)來控制流量，泵的排出流量幾乎與壓頭無關(guān)，因此不能在出口管線上安裝控制閥控制流量，否則，一旦閥門關(guān)閉，泵容易損壞。采用的流量控制方案有以下三種。 1改變回流量-改變旁路控制閥的開度大小來改變回流量的大小，達(dá)到穩(wěn)定出口流量的目的。這種利用旁路返回來控制流量，雖然消耗功率較大，但由于控制方案簡單所以應(yīng)用較廣。2改變原動(dòng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速-當(dāng)原動(dòng)力機(jī)用蒸汽機(jī)或汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)，只要改變蒸汽量便可控制轉(zhuǎn)速，從而

10、控制往復(fù)泵的出口流量。如果泵是由電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)時(shí)，可直接對電動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速，或在電動(dòng)機(jī)和泵的聯(lián)接變速機(jī)構(gòu)上進(jìn)行控制。 3改變往復(fù)泵的沖程-計(jì)量泵常用改變沖程來進(jìn)行流量控制。沖程的調(diào)整可在停泵時(shí)進(jìn)行，也有可在運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下進(jìn)行。2. 傳熱設(shè)備的控制（1） 、換熱器的控制 換熱器自動(dòng)控制的目的是保證換熱器出口的工藝介質(zhì)溫度恒定在給定值上。若不考慮傳熱過程中的熱損失，則熱流體失去的熱量應(yīng)等于冷流體獲得的熱量，可用下列熱量平衡方程式：Q=G1C1（T1o-T1i）=G2C2（T2i-T2o） Q傳熱速率，J/S；G質(zhì)量流量，/h；C流體的平均定壓比熱容，J/（）；T溫度，。 式中的下標(biāo)1為冷流體，2為載熱體；i

11、為入口；o為出口 傳熱過程中傳熱的速率可按下式計(jì)算：Q=KFmTm式中： K傳熱系數(shù)，W/（m2）或；W/（m2K）; Fm傳熱面積,m2； Tm平均溫差,或K。 與冷熱流體出口、入口的溫度有關(guān)。 控制換熱器介質(zhì)出口溫度，可通過改變換熱器的熱負(fù)荷，常常采用以下幾種控制方案： 1控制載熱體流量2控制載熱體旁路流量 3將工藝介質(zhì)分路（2） 蒸汽加熱器的控制 在蒸汽加熱器(steamheater)內(nèi)蒸汽冷凝，由汽態(tài)變成液態(tài),放出熱量，傳給工藝介質(zhì)。在一般情況下,用蒸汽作為載熱體。在低溫時(shí)也可用乙烯、丙烯等烴類蒸氣作載熱體。 傳熱速率關(guān)系式為：Q=KFmTm 蒸汽加熱器的被控變量是工藝介質(zhì)的出口溫度T

12、1o，常用的操縱變量從以上內(nèi)在關(guān)系出發(fā)有兩種：一是將控制閥裝在蒸汽入口管線上，改變進(jìn)入加熱器的蒸汽流量G；二是將控制閥裝在凝液出口管線上，改變冷凝有效面積。 （3） 低溫冷卻劑的控制1控制冷劑的流量2控制傳熱面積3控制汽化壓力（4） 加熱爐的控制 在生產(chǎn)過程中有各式各樣的加熱爐，按工藝用途來分有加熱用的爐子及加熱-反應(yīng)用的爐子兩類。對于加熱用爐子，工藝介質(zhì)受熱升溫或同時(shí)進(jìn)行氣化，其工藝介質(zhì)溫度的高低，會(huì)直接影響后一工序的工況和產(chǎn)品質(zhì)量，同時(shí)當(dāng)爐子溫度過高時(shí)會(huì)使物料在加熱爐內(nèi)分解，甚至造成結(jié)焦，而燒壞爐管。加熱爐平穩(wěn)操作可以延長爐管使用壽命,因此加熱爐出口溫度必須嚴(yán)加控制。 影響加熱爐出口溫度的

13、干擾因素有：工藝介質(zhì)進(jìn)料的流量、溫度、組分，燃料方面有燃料油（或氣）的流量、壓力、成分,燃料油的霧化情況，空氣過量情況，噴嘴的阻力，煙囪抽力等等。3. 精餾塔的控制 （一）要求： 1)質(zhì)量指標(biāo)塔頂或塔底產(chǎn)品之一應(yīng)保證合乎規(guī)定的純度,另一產(chǎn)品成分亦應(yīng)維持在規(guī)定范圍內(nèi)。 2)物料平衡,能量平衡以保證塔的平穩(wěn)操作，當(dāng)然塔壓是否恒定，對塔的平穩(wěn)操作有很大影響。 3)約束條件為了使塔正常操作，必須滿足一些約束條件。例如：塔內(nèi)部氣相速度限。 太低會(huì)使氣液接觸不好,塔板效率降低，太高會(huì)產(chǎn)生液泛現(xiàn)象，將完全破壞塔的操作。塔本身還有最高壓力限，越過這個(gè)壓力，容器的安全就沒有保障。 （二）精餾塔的干擾因素1)進(jìn)料量F波動(dòng)的影響2)進(jìn)料成分波動(dòng)的影響3)進(jìn)料溫度波動(dòng)的影響 4)塔的蒸氣速度和加熱量波動(dòng)的影響5)回流量及冷劑量波動(dòng)的影響 6)塔頂（或塔底）產(chǎn)品量的影響（三）精餾塔的基本控制1提餾段溫度控制2精餾段溫度控制四：鍋爐設(shè)備的控制 鍋爐設(shè)備的主要控制系統(tǒng)有三個(gè)。1,鍋爐汽包液位控制2,蒸汽過熱系統(tǒng)的控制3,鍋爐燃燒系統(tǒng)的控制6、 材料控制的發(fā)展前景 進(jìn)入2l世紀(jì)后，材料加工控制技術(shù)的發(fā)展面臨環(huán)保、資源