测量脉冲电流液面扰动凝固细晶工艺中熔体热历史曲线的装置

摘要

本发明涉及一种测量脉冲电流液面扰动凝固细晶工艺中熔体热历史曲线的装置，属材料加工技术领域。所述装置主要包括脉冲电源、平行电极、电热丝、升降杆、陶瓷管和插头；电热丝经插头连接220V交流电，平行电极连接脉冲电源，升降杆上放置盛有金属块的铸型；首先电热丝发热使金属块熔化；之后升降杆上升，使平行电极插入金属熔体，并对其施加脉冲电流液面扰动处理；同时热电偶也插入熔体中并固定，测得熔体热历史曲线。相比传统测温方法，本发明省去了浇注过程，能更加稳定、准确地测得熔体热历史曲线，为脉冲电流液面扰动凝固细晶工艺提供可靠的熔体热历史数据。

说明书

技术领域

本发明属于材料加工技术领域，特别涉及到一种测量脉冲电流液面扰动凝固细晶工艺中熔体热历史曲线的装置。

技术背景

在现代社会，绝大部分金属零件都是由铸造制成的毛坯或金属锭加工而成，虽然在之后的再加工过程中能够很大程度上改变金属的组织进而优化其性能，但金属在凝固过程中形成的组织特征对后续加工及最终的材料性能仍然影响巨大，因此控制金属材料的凝固过程和凝固组织一直是材料工作者研究的重点，而晶粒细化能够显著提高铸件性能，是改善金属凝固组织最行之有效的方法之一。在已有的研究中，细化金属凝固组织的方法主要有两类：一是物理细化法，如电磁搅拌、低温浇注、机械振动、超声波细化等；二是化学细化法，如添加长大抑制剂和形核剂等。其中物理场处理技术作为一种经济、环保且潜力巨大的技术为人们所广泛关注，这方面的研究已取得诸多成果。

现有外场处理金属凝固组织的技术中，中国专利200710044164.4公开了一种“脉冲电流液面扰动凝固细晶方法”，该发明方法将金属熔化并过热一定温度后浇注进铸型，将两平行电极从熔体上方插入金属液面以下，对金属熔体实施脉冲电流液面扰动处理，最后使金属铸锭的组织得到细化。该方法操作非常简便，且细化效果显著。在工业应用中，该方法可用于冶金工业中的模铸、连铸生产，适合各种金属材料的组织细化，应用前景十分乐观。而为了进一步探究该细晶方法的本质机理，准确测量该细晶方法作用下熔体凝固时的热历史曲线意义重大，但该专利中的装置在具体实施过程中，是通过电阻炉将金属块熔化并保温一定时间，再将金属液浇注到铸型中，而将金属液从电阻炉取出到浇注的这段时间内，金属液在空气中大量散热，导致浇入铸型时其温度已有所降低；并且浇口的高度、位置和金属液充型的方式对熔体内的温度分布同样有显著影响，而在每次浇注的过程中这些手段难以保持一致；另外，传统测温方法中插入热电偶主要有两种手段：一是从铸型侧壁打孔事先将热电偶水平埋入，这种方法的弊端在于：熔体在刚浇注到铸型中时，流动剧烈，温度波动很大，降温速度非常快，因此其测得的温度有较大误差，且存在熔体从热电偶插孔泄露出来的危险。二是待浇注完成后再将热电偶插入熔体中，而当金属液浇入温度相对较低的铸型后，型壁处会迅速形成凝固壳层，且再插入的热电偶也会对所在区域的熔体产生一定激冷作用，这两因素导致所测得的温度相比浇注刚完成时有较大的偏差。综上所述，使用该专利中的装置较难准确获得脉冲电流液面扰动凝固细晶工艺中熔体的温度。而本专利中的装置克服了这些问题，能准确测得脉冲电流液面扰动凝固细晶工艺中熔体内部的热历史曲线，为探究该方法的本质机理提供准确的温度数据。

发明内容

针对现有技术的不足之处，本发明的目的是提供一种测量脉冲电流液面扰动凝固细晶工艺中熔体热历史曲线的装置，测量装置简便易行，测得数据更为准确可靠。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明包括：包括：铸型、铸型固定系统、升降杆、滑座、导轨、丝杆、螺母座、电动机、陶瓷管、平行电极、固定系统和滑轮，陶瓷管放置于顶板上，平行电极由固定系统所固定，并置于陶瓷管上，丝杆的上端连接在固定板上，并可自由转动，丝杆的下端和电动机的从动件连接，导轨、升降杆和丝杆穿过滑座并位于同一平面，滑座上固定有螺母座，螺母座和丝杆相互啮合，升降杆的下端和滑座相固定，升降杆的上端和铸型固定系统相固定，盛有金属熔体的铸型放置于铸型固定系统内，升降杆穿过固定板中心的孔洞，顶板中心打洞便于铸型穿过，当电动机控制丝杆转动时，螺母座即带着滑座沿导轨上升或下降，使盛有金属熔体的铸型能够在电热丝和陶瓷管内上下自由穿梭，滑轮固定于整套装置底板下，便于整套装置的移动。脉冲电源连接平行电极，电热丝通过控制器再经由插头连接220v交流电。控制器连接电热丝和埋入其内部的控温热电偶，可实时检测和控制电热丝的温度；且控制器连接电动机，能够控制电动机转速，从而调整滑座升降速度。温度测试分析系统由测温热电偶、温度采集记录系统和固定系统构成，所述测温热电偶固定在固定系统上，且其信号输出端与所述温度采集记录系统的信号接收端连接，当平行电极对金属熔体施加脉冲电流液面扰动处理时，所述温度采集记录系统实时监控待测的金属熔体内部检测点的温度测量值，并输出温度测量信息。铸型位于电热丝内时，电热丝通电发热使金属块熔化；之后升降杆上升，铸型进入陶瓷管内并使平行电极和测温热电偶插入熔体，脉冲电源通过平行电极对金属熔体施加脉冲电流液面扰动处理；脉冲电流液面扰动施加过程中，测温热电偶不断将熔体内部监测点的温度信息传送给温度采集记录系统，温度采集记录系统连续记录在脉冲电流液面扰动凝固细晶工艺中金属熔体内部检测点的温度信息，并绘制金属熔体的热历史曲线。

上述脉冲电源优选的工作参数为：峰值电流为10-5000A，脉冲宽度为5μs-50ms，作用频率为0.02-1KHz。

上述滑轮的数量最好至少为三个，并且最好都带有制动系统。

上述滑座的升降速度最好为0.5-32cm/s,且最好连续可调。 

上述电热丝外部最好包裹绝热材料外套。

上述铸型最好采用金属铸型、石墨坩埚、陶瓷坩埚或砂型。

上述铸型固定系统最好采用不锈钢、铜、氧化铝或石墨。

上述陶瓷管的高度最好为5-50cm，厚度最好为0.5-5cm，直径最好为0.5-30cm。

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：本发明的优点如下：

（1）本发明提供了一种测量脉冲电流液面扰动凝固细晶工艺中熔体热历史曲线的装置，省去了浇注步骤，避免了每次实验中由于金属液出炉到浇注过程中损失热量，以及浇注和金属液充型的方式难以保持一致而导致的熔体内部温度的偏差。从而更准确地测得脉冲电流液面扰动工艺中熔体内部的热历史曲线。

（2）本发明所提供的装置，避免了铸型对金属液产生的激冷作用，以及热电偶在浇注后才插入的这一时间差以及热电偶的激冷作用而导致的熔体内部温度偏差，克服了传统测温法测得的热历史曲线误差较大这一缺点，从而更准确地测得脉冲电流液面扰动处理下金属熔体的热历史曲线。

附图说明

图1为一种测量脉冲电流液面扰动凝固细晶工艺中熔体热历史曲线的装置结构示意图。

图中：1.顶板，2.电热丝，3.绝热材料外套，4.控温热电偶，5.固定板，6.导轨，7.控制器，8.插头，9.陶瓷管，10.平行电极，11.固定系统，12.测温热电偶，13.温度采集记录系统，14.脉冲电源，15.铸型，16.金属熔体，17. 铸型固定系统，18.升降杆，19.螺母座，20.滑座，21.丝杆，22.电动机，23.滑轮。

图2为使用该装置所测得的脉冲电流液面扰动处理下纯铝熔体轴线上不同深度两点的热历史曲线。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例：测量脉冲电流液面扰动处理下纯铝熔体轴线上不同深度两点的热历史曲线。

本发明装置如图1所示包括：铸型15、铸型固定系统17、升降杆18、滑座20、导轨6、丝杆21、螺母座19、电动机22、陶瓷管9、平行电极10、固定系统11和滑轮23，陶瓷管9放置于顶板1上，所述平行电极10由固定系统11所固定，并置于陶瓷管9上，所述丝杆21的上端连接在固定板5上，并可自由转动，所述丝杆21的下端和电动机22的从动件连接，导轨6、升降杆18和丝杆21穿过滑座20并位于同一平面，滑座20上固定有螺母座19，螺母座19和丝杆21相互啮合，升降杆18的下端和滑座20相固定，升降杆18的上端和铸型固定系统17相固定，盛有金属熔体16的铸型15放置于铸型固定系统17内，升降杆18穿过固定板5中心的孔洞，顶板1中心打洞便于铸型15穿过，当电动机22控制丝杆21转动时，螺母座19即带着滑座20沿导轨6上升或下降，使盛有金属熔体16的铸型15能够在电热丝2和陶瓷管9内上下自由穿梭，所述滑轮23固定于整套装置底板下。脉冲电源14连接平行电极10，电热丝2通过控制器7再经由插头8连接220v交流电；脉冲电源14的参数为：峰值电流为10-5000A，脉冲宽度为5μs-50ms，作用频率为0.02-1KHz。控制器7连接电热丝2和埋入其内部的控温热电偶4，可实时检测和控制电热丝2的温度；且控制器7连接电动机22，能够控制电动机22转速，从而调整滑座20升降速度。温度测试分析系统由测温热电偶12、温度采集记录系统13和固定系统11构成，所述测温热电偶12固定在固定系统11上，且其信号输出端与所述温度采集记录系统13的信号接收端连接，当平行电极10对金属熔体16施加脉冲电流液面扰动处理时，所述温度采集记录系统13实时监控待测的金属熔体16内部检测点的温度测量值，并输出温度测量信息。

所使用的平行电极材料为不锈钢，包裹电热丝的绝热材料外套为石棉，厚度为30cm，陶瓷管高度为20cm，厚度为3cm，直径为25cm，铸型选用石墨坩埚，规格为Φ110×Φ70×105，脉冲电源参数为峰值电流为10-5000A，脉冲宽度为5μs-50ms，作用频率为0.02-1KHz。

利用本发明及其专用装置，完成了针对纯铝所做的实验，其实验情况及结果叙述如下：

将805克纯铝块置入石墨坩埚内，操作控制器使升降杆升到陶瓷管上端，移开固定系统，将石墨坩埚放在铸型固定系统上，控制石墨坩埚降到电热丝内部，并将固定系统（上固定有平行电极和测温热电偶）放回陶瓷管上，操作控制器，设定升温程序，通过220V交流电对电热丝导入交变电流，40分钟后电热丝到达690℃并保温二十分钟，确保石墨坩埚内的铝块熔化且熔体的温度和电热丝相当，之后操作控制器使石墨坩埚以10cm/s的速度上升至陶瓷管内的预定高度，使固定在固定系统上的平行电极和两只测温热电偶插入熔体之中（两只测温热电偶处于熔体轴线位置，且测温端头分别距离熔体液面3cm和5cm）。并通过脉冲电源对平行电极导入参数为10K_iHz，10h_iA，40b_iμs（本专利中K_i、h_i、b_i均为设备参数，不随实验条件的改变而改变）的脉冲电流，从而对金属熔体实施脉冲电流液面扰动处理，通过温度采集记录系统获得纯铝熔体轴线深度分别为3cm和5cm的两点的温度及其实时变化，测得更准确可靠的脉冲电流液面扰动处理下纯铝熔体轴线上不同深度两点的热历史曲线，如图2所示。