用于确定液态含铁金属中碳当量、碳和硅的百分比的装置和方法

摘要

本发明涉及一种用于确定液态含铁金属中碳当量、碳和硅的百分比的装置和方法。本发明的装置包括耐热的杯形结构(2)、空腔(1)、热电偶金属丝(4)、石英管(3)、基座(6)、碲(5)、支架(7)、补偿电缆(9)和电子设备(8)。本发明的方法包括以下步骤；a.将样品注入耐热杯；b.记录样品的最大温度并允许其降温到固化温度；c.确定液相线温度，这个温度与碳当量的百分比成反比例，使用算法给出碳当量的百分比；d.使用算法确定固相线温度；e.使用电子设备(8)基于算法确定碳和硅的百分比。本发明涉及使用耐热杯在更加迅速的时间内检测液态含铁金属的成分。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于确定液态含铁金属(liquid ferrous metal)中碳当 量、碳和硅的百分比的装置和方法。更具体地，本发明涉及使用耐热杯在 更加迅速的时间内检测液态含铁金属的成分。

背景和现有技术

用于碳当量、碳和硅的百分比检测的现有的热分析要求大约180秒并 消耗200-325gm金属。热分析包括在受控条件下测量与分析液态金属的 冷却模式。当液态金属注入杯中时，存储如杯所记录的最大温度并进一步 扫描缓慢冷却过程。在冷却期间，当第一晶核凝固时，其失去动能，发生 热稳定(thermal arrest)，这在冶金学上称为液相线温度(TL)。这个温度 与碳当量(CE)的百分比成反比，有助于确定CE的百分比的值。进一 步冷却时，借助于在杯的基座处的碲涂层，样品被冷淬并转变到白口铁而 不是灰口铁。这样给出了固化温度(TS)。对TL和TS的检测有助于检 测碳和硅的百分比。

所使用的现有的杯是圆形的或正方形的，使得能容纳225-325gm液 态金属来测试。碲粘在杯的底部或涂覆在杯的全部内表面。用来测量温度 的热电偶金属丝是22SWG的厚K型(CR-AL)金属丝。

美国专利3404570公开了用于通过以下方式确定导电材料样品中硅 的浓度的方法和装置：注入的材料样品以在该样品中存在温度梯度的方式 冷却，在该材料样品中，测量样品中在温度梯度方向分隔开的两个点中的 每一点的由样品产生的温度和热电偶电动势(thermocouple force)。在预 先确定的温差下，在上述两点之间的电动势的差的大小代表组分的浓度。

然而，这个方法是复杂并耗时的。

本发明简单迅速并只花费50秒到180秒。在本发明中找到成分的原 理是通过热分析，而不是现有技术的传导性测量。

美国专利第3546921号公开了一种方法，其通过添加碳稳定剂，如 Bi、B、Ce等，来产生过共晶的铸铁的熔融试样的冷却曲线中的初始热稳 定，其被发明来获得稳定的可辨别的热稳定。

然而，这个方法仅仅用于只通过确定液相线温度来只确定碳当量。这 个发明没有确定金属中碳的百分比和硅的百分比。

本发明确定称为固相线温度的另一个热稳定。此外，确定了两个另外 的元素，也就是碳和硅，而不是现有技术只确定碳当量。

美国专利第4059996号通过公开与空腔的底壁接触的一块状(a blob) 材料，提出了对其它技术的改进。该块状材料包括碳化物形成促进材料 (carbide formation promoting material)并优选与用于释出氢气的材料混 合。耐热材料帮助阻止碳化物形成促进材料迅速烧起来以及与熔融金属过 快地混合。如此释出的氢气用来在金属中产生湍流，帮助碳化物形成材料 到达杯的每个角落，并因此在整个杯上实现形成碳化物。

关于这个方法的问题是由于湍流引起的，当填充杯时观察温度下降， 而杯的填充是一项须有技巧的工作。必须进行停止和重复的注入练习以阻 止沸腾的金属从杯中出来。所有这些的目的是使冷淬剂在整个杯上均匀分 布。

在本发明中，不产生湍流。碳化物形成材料因为杯的较小容量而无需 外力就被混合。这样避免了在温度1400℃的高温下产生有害氢气并避免 了金属飞溅出杯。

美国专利第4515485号也描述了对美国专利第4059996号的改进，其 通过使用以更佳受控形式释出的氢气来将冷淬剂混合在杯的各处。

然而这并没有完全解决与因氢气的产生而导致的金属沸腾以及金属 飞溅相关联的问题。

本发明减少了杯的容量从而不必在液态金属中产生湍流，由此，从根 本消除了产生湍流的原因。

美国专利第4274284号描述改进用来测量杯的温度的铬镍铝镍热电 偶的响应时间的方法。快速响应时间对于如这里描述的热稳定的精确测量 是非常必要的。热电偶受持续的热应力直到分析完成。

这需要使用更厚规格(gauge)的热电偶，从而产生响应时间并使金 属丝成本更高，以及使测量成本更高。因为测量所需的时间长，金属丝的 规格要大以承受更多的热应力。

然而，热电偶保持暴露在液态金属中，由此，金属污染热电偶，这妨 碍了准确性。

在本发明中，样品的容量减少到50到180gm，而不是现有技术所需 的200-325gm。由于较短的取样时间，热电偶必须承受热应力的时间减少。 由于较短的暴露时间，能够使用较细的热电偶。其次，较细的金属丝具有 较小的延迟以及因此更佳的响应时间。因此，通过减小金属丝的直径，自 动达到了现有技术减小温度延迟的目的。本发明允许使用较细热电偶，由 此减少了取样成本。所使用的石英管(3)消除了含碳材料的污染，这是 现有技术的另一目的。

美国专利第6739750号通过借助于探针式取样容器减少所需的时间 而提供了一种用于熔融金属的热分析的取样容器。该容器的容量取决于对 冷却率的测量准确性的限制。要求冷却率更加接近于(如图3B中提到的 0到0.20)。在所述方法中，大约30mm的常规的直径减小到大约20mm， 50mm的常规深度减小到36mm或更小。

使用这种技术涉及到使用最小空腔深度被限制为36mm的昂贵的探 针式样品。

利用本发明，通过硬件和算法，测量直到3℃的冷却率而不是0.20℃， 这消除了现有技术中深度36mm或更多的限制。

美国专利第5720553号描述了使用金属插入物，代替冷淬剂来充当散 热材料(heat sink)，由此促进白固化(white solidification)。

然而测量的成本是高的，且该技术涉及浸入式取样，而这对于在各处 的测量并非优选。

本发明使用冷淬剂和低容量的样品金属，用于促进白固化。

现有技术的缺陷

1、金属凝固成一块块灰口铁和白口铁，严重地妨碍了测试的准确性。

2、金属的注入温度非常高。烧掉一定数量的碲，由此影响了测试质 量。

3、热电偶受持续的热应力直到分析完成。

4、金属较长时间保持在熔炉中，导致电/功率的损失并使金属的质量 衰退。

5、热分析需要更多时间。

6、用于分析所需的金属数量更多。

7、所需的冷淬剂数量更多。

发明内容简述

本发明的主要目的是提供：

A)一种使用由树脂涂覆的砂制造的耐热杯的方法，所述耐热杯具有 50到180gm容量，而不是现有技术需要的200-325gm量。

B)用于确定碳、硅和碳当量的百分比的硬件。

本发明的另一目的是通过减小树脂涂覆的杯的大小来增加冷却率。容 量越小，表面积与重量的比率越高，因此获得更高的冷却率。

本发明的又一目的是在注入温度中获得平衡，使得所需的温度和时间 可用于冷淬剂的混合并同时获得最大冷却率。

本发明的意图是，通过减小杯的尺寸来减小从杯的中心到边的距离， 从而减少冷淬材料短时间内在杯的每个角落混合所需的时间。

本发明的目标是，与需要180秒的现有技术比较节省时间，比如50 到80秒，以及节省空腔里使用的用于热分析的金属。

发明优点

1、金属凝固为白口铁，这是因为通过减小杯的尺寸以及由此减小液 态金属的容量，冷却率增加，这有助于测试的准确性。

2、由于更快的冷却率，分析所需的时间减少，因此，热电偶上的应 力持续较短的时间。

3、因为改变了杯的尺寸，所以冷淬材料(碲)在杯的每个角落混合 所需的时间减少。

4、金属在熔炉中保持较短的持续时间，由此节省了电/功率，并有助 于维持金属的质量。

5、分析所需的金属的量更少并因此减少金属的损耗。

6、减少使灰口铁转变到白口铁的冷淬剂的量。

7、因此本发明提供用于液态含铁金属的热分析的便利和迅速方法。

发明描述

根据用于液态含铁金属的热分析的本发明，提供用于确定在液态含铁 金属中的成份的浓度的装置和方法。更具体地，本发明涉及使用电子设备 确定碳、硅和碳当量的百分比的方法和装置。

装置：

本发明的装置在附图1中示出。图2表现电子设备的结构图。

本发明的装置由炉缸或模或耐热的杯形结构(2)、空腔(1)、热电偶 金属丝(4)、石英管(3)、基座(6)、碲(5)、支架(7)、补偿电缆(9) 和电子设备(8)组成。

耐热的杯形结构或模具(2)由树脂涂覆的砂制造。由于其天然的耐 热性，砂能够承受1050℃到1400℃的高温。杯形结构(2)的直径和高度 分别是大约20mm到40mm和10mm到25mm，使得杯中金属的重量大约 是50到180gm。

K类型的(CR-AL)22到24swg热电偶金属丝(4)用来测量温度。 石英管壳(3)在杯形结构(2)中水平安装，使得其覆盖CR-AL金属丝 (4)。石英管(3)避免液态含铁金属与热电偶金属丝(4)的接触并消除 污染的可能。用耐热剂密封石英管(3)，使得从杯(2)的开口没有泄露。

冷淬剂，例如铋、硼、铈、铅、镁和碲(5)，与耐热粘合剂混合，粘 在杯的底部作为冷淬剂。使用的冷淬剂的量为0.20到0.50gm(重量的0.2％ 到0.6％)。

耐热杯(2)具有合适的基座(6)，使其安装到支架(7)。这个支架 然后经由补偿电缆(9)传送信号到电子设备(8)，用于进一步分析碳、 硅和碳当量的百分比。

能够感测在高冷却率的热稳定点的电子设备(8)通过补偿电缆(9) 连接到支架(7)。这个电子设备(8)按照算法找到液相线温度和固相线 温度，储存、转变并在显示器上显示碳当量、碳和硅的相应百分比值。

电子设备(8)包括信号调节硬件(8a)、模数转换器(8b)、输入输 出处理器(8c)、显示器(8d)和数字信号处理器(8e)。

方法：

液态含铁金属样品注入杯(2)的空腔(1)中。杯(2)所记录的最 大温度存储在电子设备(8)里并进一步扫描冷却。当奥氏体开始沉淀时 所释放的热量在冷却曲线上产生等温稳定(isothermal arrest)。在杯中的 固化期间，释放出潜热。由于自然冷却的效果和潜热的释放，达到热平衡 并获得热稳定。这个温度被称为液相线温度(TL)。根据本发明找到的稳 定点(arrest)由于较快的冷却率而较微弱。这个稳定点微弱是由于样品 重量较小以及因此可用来使温度稳定的潜热较低的缘故。液相线温度与碳 当量(CE)的百分比成反比，由此，经验地确定CE的百分比值。

样品在借助于从空腔的里面涂覆在杯(2)的底部的冷淬剂(5)而被 冷淬，样品转变到白口铁。当所有液态金属凝固时，获得另一个热稳定。 这个温度被称为固相线温度(TS)。分析完成所需的时间大约是50秒到 80秒。

任何的物质具有固定的凝固点的属性。但本发明所考虑的铸铁、球黑 铸铁(S.G Iron)、可锻铸铁除外。通常地，本发明所考虑的铁凝固，在断 裂时显示灰结构(grey structure)。在这种情况下，取决于晶核形成，具 有相同成分的铁在不同温度凝固。晶核形成越多，凝固点越高。但是当允 许快速冷却时，其凝固，呈现白断口(white fracture)。这称为亚稳固化。 如果允许其在亚稳固化温度凝固，具有相同成分的铁在唯一的温度凝固。

通用铁碳状态图/铁碳硅状态图对于白固化的不同液相线温度和固相 线温度的值显示了不同固化成分。

本发明利用亚稳固化。使用冷淬剂使金属快速冷却。这使亚稳固化发 生。仪器感测铁的固化温度。固化温度与其相应成分的不同值的表格输入 在仪器中。算法搜索存储的液相线温度值和固相线温度值，并找出碳当量 百分比和碳百分比的相应的值。

使用以下公式计算硅的百分比值：

碳当量的百分比＝碳的百分比+(1/3)*硅的百分比。

本发明中所考虑的较小量的样品比常规的样品量更快冷却。因此本发 明使用能够处理更快冷却率的仪器。

由于处于测试的样品的量较小，因而测量到较快的冷却率。本发明中 使用的硬件和算法能处理0到3℃/秒的冷却率，同时找到液相线温度和 固相线温度。

这里详细描述使用硬件和算法用于完整过程的方法。

1、当液态金属注入杯(2)时，杯(2)里面的热电偶开始加热并产 生毫伏级的信号。

2、使用各种元件，如滤波器和电容器，来实现对毫伏级的信号的信 号调节(8a)。

3、使用高分辨率的模数转换器(8b)将模拟信号转换到数字信号， 从而输入输出处理器(8c)能处理它。

4、使用输入输出处理器(8c)将冷却过程的所有点存储在一个数组 里。

5、使用信号处理器(8e)引擎产生曲线。对中间点进行内插，以使 曲线平滑。

6、用数字信号处理器(8e)引擎获得在平滑的冷却曲线的各点的瞬 时冷却率，也就是一阶导数，并将冷却率值存储在另一数组里。

7、由数字信号处理器(8e)引擎应用滤波，以通过内插来拟合一阶 导数图表的平滑曲线。

8、找到平滑的一阶导数曲线的各点的二阶导数并将二阶导数值存储 在另一数组里。

9、由数字信号处理器(8e)引擎应用滤波，以通过内插来拟合二阶 导数图表的平滑曲线并将获得的值存储在另一数组里。

10、借助于数字信号处理器(8e)引擎，找到平滑的二阶导数曲线的 各点的三阶导数，并将三阶导数值存储在另一数组里。

11、通过使用数字信号处理器(8e)引擎找到冷却率曲线、一阶导数 曲线和二阶导数曲线的最大点、最小点和过零点。

12、使用以上提到的点检测液相线温度和固相线温度。

液相线点和固相线点检测：当包含碳和硅的铁凝固时，其是在一定的 温度范围内完成凝固，而不是在特定的凝固点凝固的。当材料注入杯(2) 时，电子设备(8)感测最大温度。当允许材料冷却时，最初该材料在最 大冷却率开始冷却。当温度达到固化温度时，一些分子开始凝固以沉淀成 奥氏体并因此释放固化的潜热。材料的自然冷却的结果和潜热的估值减小 凝固金属的冷却率。依赖于关于凝固金属可用的潜热的量，冷却率开始下 降、到达最低水平并开始再次上升。最低的所达到的冷却率的温度是液相 线温度。因为读数作为时间与温度存储，所以这些点的一阶导数就是冷却 率，二阶导数是冷却率的变化率。因此当二阶导数通过零点时，就获得了 冷却率曲线上的最小值。相应的温度是液相线温度。

根据相同原理找到固相线温度。当材料进一步冷却时，其达到材料完 全成为固体的温度。该材料再次释放热，冷却率再次下降。感测冷却率中 的这种变化并锁定为固相线温度。

使用算法，电子设备(8)的输入输出处理器(8c)能够测量、处理、 分析使用从0到3℃/秒的冷却率，来检测液相线温度和固相线温度。

13、使用铁碳状态图将温度和相应碳当量的百分比以及碳的百分比的 经验表格存储在输入输出处理器里。输入输出处理器(8c)通过使用液相 线温度找到相应的碳当量的值并将该值显示在电子设备(8)上。

14、使用输入输出处理器(8c)利用以下公式找到硅的百分比。

碳当量的百分比＝碳的百分比+(1/3)*硅的百分比。

15、输入输出处理器(8c)发送碳的百分比值、硅的百分比值、液相 线温度和固相线温度并在电子设备(8)的显示器(8d)上显示这些值。

在这个硬件和算法里的重要处理本质上在于步骤5，其中应用了滤波 并产生平滑曲线拟合。这个算法确保了工作在较高冷却率时获得较为精确 的值。此算法能够检测高达3℃/秒的冷却率的液相线温度和固相线温度， 同时找到液相线温度和固相线温度。

这里提供优选实施方式的详细描述；然而，应理解本发明可实施为各 种形式。因此这里公开的特定细节不应解释为限制性的，而是作为权利要 求的依据和教授本领域技术人员在实质上任何适当详细的系统、结构或主 题中使用本发明的代表性依据。

如以上所描述的本发明的实施方式和这里公开的方法将会使本领域 技术人员想到进一步的更改和变更。可进行这样进一步的更改和变更而不 背离本发明的精神和范围；这由以下权利要求的范围界定。