浅谈六面顶液压机电液控制模式

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伴随着大吨位六面顶液压机在行业内成为主流设备，38、40等不同规格大腔体合成工艺已进入推广应用阶段，与28、30等小腔体工艺不同，腔体的增大改变了合成腔内压力、温度场的状态，怎样优化压力和温度控制模式，充分发挥大腔体的优势，已成为各金刚石厂的首要课题；而作为设备制造商，在提供大吨位主机的同时，如何提供配套合理的电液控制系统，也是面临的重要任务。
( k; ?! D9 n. b1 }本文试就合成腔的压力、温度场进行分析，结合当前通用的几种控制模式进行对比，提出符合大腔体合成工艺要求的六面顶液压机整体解决方案。
1 D0 e7 Y' T; |7 U$ ]4 ?0 g1.压力控制
合成腔体的扩大，必然使因传压损失而形成的合成棒外壳与芯部的压力差加大，即压力场的压力梯度加大；同时，金刚石的生长过程也导致压力场的变化：众所周知，高温高压下以叶腊石为传压介质的石墨转化为金刚石过程中包含一系列的相变过程：叶腊石矿物相变产生蓝晶石和柯石英、石墨相变产生金刚石，由于这些相变的产物比重大，产生相变前后的体积收缩，造成合成腔内部压力下降；而且，由于叶腊石在相变后因摩擦系数和强度均增大而呈刚性，影响了传压和补压的效果，这些都造成腔体内更大的压力梯度，而优质金刚石单晶的生长需要相对稳定的压力条件，因此，如何更好的降低压力梯度，是大腔体工艺面临的挑战。
公知的理想压力控制模式可按下图1所示：

+ R- i" ^+ r" o; W1）升压曲线可控，这样可以配合加热曲线有效控制压力梯度
  x+ E9 v) Z" b8 v4 g2）保压阶段压力曲线递增，减小因合成相变造成的传压梯度增大
3）卸压速度可控，兼顾高低压时卸压速度的不同要求
目前，有以下几种压力控制模式在应用：
3 N) Q& r* j* g( t& p" a1.1传统的压力控制模式
. f% z, y2 y# H/ F2 A) t此模式下压力波动较大，完全是一种粗放型的控制模式，不适于大腔体合成工艺。如图2所示。
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1.2 变频保压控制模式
此模式保持了保压阶段压力的恒定，但忽视了对合成相变导致的压力梯度进行补偿。如图3所示。

( y, U7 F- y. S* r9 A+ [) a$ ~1.3 被动的递增补压模式
如图4所示。此为原始的递增补压模式，通过设定保压压力降至设定值，按设定增量补压，为被动式。实际上在保压阶段，压机补压次数是有限的，且与压机高压密封的失效相关，因此并没有真正实现通过递增补压来弥补压力梯度的目的。
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1.4 主动的递增保压模式
( S* I$ w! l. U! H如图5所示。通过设定压力增量和时间间隔（补压次数），来实现递增补压，因此为主动的递增补压模式。采用变频保压的形式可以控制每个设定时间间隔内的压力降为最小。不过，由于压机保压性能一般均较好，因此在设定时间间隔内的压力降可以忽略不计。
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1.5 采用比例阀的压力控制模式
  w9 q- R( G* }& K4 v9 k* g; m8 j5 Q8 f比例阀的原理是通过按设定曲线控制电流或电压，从而按比例连续的控制比例电磁铁的推力和位移量，达到控制系统的压力和流量的目的。在系统中采用比例压力阀或比例泵，不仅能在保压阶段实现系统压力连续递增，并且也能实现在升压阶段的升压速度连续可控，即实现了压力的全程曲线控制。可以说，这是最可能接近理想的控制模式，如图6所示。

  n6 d7 K: K& W: E+ @( s: M! ?2.温度控制
合成腔内温度场的建立是通过直流电加热实现的，无论是控制电流还是电压，最终还是以加热功率的变化来实现温升。由于热量是靠合成料棒电阻自发热产生，即便是石墨衬管等的辅助措施也仅起到了保温的作用，因此，其温度梯度因散热而生，温度应为自棒芯向外递减，并且这种温差在加热与散热条件不变的情况下，应与合成棒直径大小无关。基于这种推理，合成腔体的扩大，提供了一个可以形成更均衡与稳定的温度场的客观条件，或者说，在大腔体中符合优质金刚石生长所需温度条件的空间比例将更大。
5 }; H& O9 u* N# o' c' K' |8 n+ i; Y合成腔温度的变化受两种因素影响：其一是加热，其二是散热。
目前，以加热功率控制为基础的控制模式有两种：


' W5 S5 S- T7 K其一为恒功率模式，加热功率处于一种恒定状态，如图7所示，相应的加热量曲线如图8：随着时间的延长，加热量正比例增加；
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$ i/ ~6 U( k+ k+ A; A其二为变功率模式，加热功率可根据设定曲线变化，如图9所示，相应的加热曲线如图10：随着时间的延长，加热量非正比例增加。
随着加热曲线的变化，存在着散热曲线，在自由加热和散热地情况下，两条曲线必然相交，即存在加热与散热的平衡点：此点以后的时间内，热量不在增加，也不减少，处于一种保温状态。如图11所示。

2 Y2 B# \3 t& [4 d) K+ O在合成实际生产中，常出现合成棒芯部与外部温差大影响金刚石生长的现象，这种保温状态的出现将消除这种温差。
通过适时、适量的调整加热功率，可能使在合成周期内出现或接近这一平衡点，而只有具备变加热量输出功能的电控系统才提供了这种条件。
; g( ~4 T, D2 r3.结束语
( k+ y7 r* r& K, G! P+ A, Q( y综合上述分析与对比，提供符合大腔体中优质金刚石单晶生长的温度、压力条件的六面顶液压机，至少应具备如下功能：
1）具备主动的递增保压功能，以有效降低压力梯度，其中采用比例阀控制的控压模式是较为理想的液压控制系统。
2）电加热系统具有宽幅的变加热量输出功能，为调整保温状态的出现提供条件。
. ?! l8 S* i: S$ [* @3）具有至少1800T的合成吨位，以满足40腔体合成工艺的压力条件，毕竟大腔体天生的温度场优势是小腔体所无法比拟的。【MechNet】
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