金属凝固过程线收缩率及热应力测量方法及装置

摘要

本发明涉及一种金属凝固过程中线收缩率及热应力测量方法及装置。本发明能够解决当前黑色金属凝固收缩率及热应力测量方法中温度不均匀及测试困难的问题。该方法是：试样在坩埚内原位熔化后凝固，可实现不同冷却条件下的凝固；降温过程中试样均匀凝固，轴向温度梯度低，测量的线收缩率及热应力值准确；凝固过程中线收缩率及热应力可通过应力传感器和位移传感器同时测量，实现连续实时测量，与实际凝固过程对应。本发明可以准确合理地测量金属的凝固收缩特性，对确定铸造及连铸工艺和相关设备参数的改善、促进铸坯、铸件质量和成材率有重要意义。

说明书

技术领域

    本发明涉及一种研究不同冷却条件下金属凝固过程线收缩率及热应力测量的方法及装置，属于金属凝固过程物性测量领域。

背景技术

本发明主要涉及铸造和连铸等凝固技术领域。金属的凝固过程中会出现凝固收缩现象，随着凝固进行，金属的体积会改变，与其接触的物体或金属本身产生应力作用，有时候会导致铸件的热裂及冷裂现象。

线收缩率及热应力的测量通常是使用线收缩和热裂仪。将金属液浇注到铸型里凝固，可以实现凝固线收缩和热应力的测量。但是这种方法存在轴向温度梯度过大、试样梯度凝固的缺陷，测量值不能与试样温度精确对应。尤其对于黑色金属，高熔点的特点造成浇注温度难于精确控制和试样具有更高的轴向温度梯度，导致其线收缩率和热应力难以准确测量。因此在一般生产中，往往通过计算获取近似值。

计算钢的凝固收缩率的方法有两种：一是利用热膨胀系数计算，而通常都取热膨胀系数为常数；另一种是奥氏体取2.2×10^-5K^-1而铁素体取1.55×10^-5K^-1。这两种方法计算得到的数据很难和实际生产相吻合，主要原因是钢凝固后降温过程往往有固态相变，进而导致体积变化，而固态相变与冷却速率相关，因此线收缩率及热应力与冷却速率有内在关系，用常数计算的结果不能适用于不同冷速的凝固过程。

发明内容

本发明的目的是针对已有技术存在的缺陷，提供一种可靠的金属凝固过程线收缩率及热应力测量方法及装置，能可靠的实现金属凝固过程中线收缩率及热应力的测量；适用于黑色和有色金属及其合金凝固过程。

为达到上述目的，本发明的构思是：

本发明采用，一种金属凝固收缩率及热应力的精确测量装置，通过原位熔化及凝固方法并结合位移传感器和应力传感器同时测量收缩率及热应力，解决当前金属凝固线收缩率及热应力测量中温度不均匀及测试困难的问题。

根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案：

一种金属凝固过程中线收缩率及热应力测量方法，将金属料盛放于坩埚中，坩埚固定于水平支架上，将坩埚置于真空或特定气氛保护下的加热炉内加热；金属达到预设熔化温度并保温后，移开加热炉，测量线收缩率及热应力的传感器通过传动机构与金属液充分接触，测量不同冷却速率下金属的凝固特性。其特征如下：

1）试样在坩埚内原位熔化后凝固，可实现不同冷却条件下的凝固；

2）降温过程中试样均匀凝固，轴向温度梯度低，测量的线收缩率及热应力值准确；

3）凝固过程中线收缩率及热应力可通过应力传感器和位移传感器同时测量，实现连续实时测量，与实际凝固过程对应。

本发明对应开发的一套精确测量凝固过程中收缩率及热应力的装置。该装置包括加热及气氛保护系统、坩埚、控温及温度采集系统、线收缩率及热应力采集系统、传动系统，数据显示及处理系统，其装置特征如下：

1）所述加热及气氛保护系统：该系统主体为硅钼棒箱式气氛保护电阻炉；在加热体可承受范围内，可任意设定加热曲线；该电阻炉通过滑轮安装于导轨上，由所述传动系统驱动，实现水平移动，使固定安装在坩埚支架上的坩埚从电阻炉的炉口移进和移出；

2）所述控温及温度采集系统：该系统由热电偶组和温控模块组成，通过温控模块编制加热程序并采集温度，实现电阻炉温度的精确控制和热电偶组温度数据的采集；

3）所述线收缩率及热应力采集系统：该系统由一个应力传感器、一个位移传感器分别与导杆连接构成一个位移及应力传感器，可以同时测量线收缩率及热应力。在该位移及应力传感器外侧有隔热保护装置，保证该传感器电子元件的正常工作。

4）所述传动系统：该系统包括传感器运动系统及电阻炉运动系统两部分；所述传感器运动系统连接所述导杆用于将测量传感器的导杆及热电偶组降至从电阻炉炉口移出的坩埚所在位置，使导杆插入金属液体内部；所述电阻炉运动系统用于控制电阻炉在加热完成后，迅速移至真空室另一侧，电阻炉移开后，传感器运动系统使导杆及热电偶下降，开始采集线收缩率及热应力；

5）所述数据显示及处理系统：由所述热电偶连接位移及应力传感器，该传感器通过一个数据显示模块连接一个数据梳理模块，所述数据显示模块将热电偶、应力传感器和位移传感器得到的位移及应力转化为数字信号，直观的显示出来；所述数据处理模块计算出对应温度及冷却速率下的线收缩率及热应力。

该装置主要参数为：加热温度为室温~1600℃，温度采集频率1000Hz。

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进步：

金属，特别是钢的凝固过程中，线收缩率及热应力对于连铸过程中是很重要的参数。本发明可以准确合理地测量金属的凝固收缩特性，对确定铸造及连铸工艺和相关设备参数的改善、促进铸坯、铸件质量和成材率有重要意义。

附图说明

图1是本发明设备主体示意图（不包含控制和气路部分）。

图2 是本发明设备测量时（坩埚移出电阻炉）主体示意图。

图3是本发明测量传感器分布示意图。

图4 是图3的俯视图。

图5是本发明所用坩埚示意图。

图6是图5的俯视图。

具体实施方式

本发明的优选实施例结合附图说明如下：

实施例一：

参照图1~图6，本金属凝固过程中线收缩率及热应力测量方法。将金属料盛放于坩埚中，坩埚固定于水平支架上，将坩埚置于真空或设定气氛保护下的加热炉内加热；金属达到预设熔化温度并保温后，移开加热炉，测量线收缩率及热应力的传感器通过传动机构与金属液充分接触，测量不同冷却速率下金属的线收缩率及热应力。其特征在于：

1）试样(13、14)在坩埚(7)内原位熔化后凝固，可实现不同冷却条件下的凝固；

2）降温过程中试样均匀凝固，轴向温度梯度低，测量的线收缩率及热应力值准确；

3）凝固过程中线收缩率及热应力可分别通过位移传感器(12)和应力传感器(11)同时测量，实现连续实时测量，与实际凝固过程对应。

实施例二

参照图1~图6，本金属凝固过程中收缩率及热应力的测量装置，主要包括加热及气氛保护系统、控温及温度采集系统、线收缩率及热应力采集系统、传动系统，数据显示及处理系统等五个系统。采用该装置进行金属凝固过程中收缩率及热应力测量方法如下：

1、将待测金属试样制成合适大小的块体，盛放在热应力试样坩埚 (13)、收缩率试样坩埚(14) 中，此两个样品坩埚尺寸为长200mm，宽10mm，高20mm。两个样品坩埚(13、14)防止在坩埚保温层底座(15)上构成坩埚(7)，坩埚(7)固定于水平固定的坩埚支架(6)上。整个坩埚开始置于真空或者特殊气氛保护下的硅钼棒电阻炉(5)恒温区内。

2、试样按照升温曲线加热至完全融化后，在设定的温度保温30分钟。

3、通过电阻炉的传动系统，将电阻炉(5)沿着导轨(9)，推至真空室的右侧，同时整个传感器运动系统在传感器运动导向杆(1)的传动下，下移至图2所示位置。热电偶组(3)及收缩率传感器导杆和热应力传感器导杆(4)插入熔化的金属溶液中。

4、根据测量要求，通过控制冷却气体流量来改变冷却强度。通过热电偶组(3)及应力传感器(11)和位移传感器(12)将凝固过程中的温度、收缩率及热应力传感到数据处理系统，通过数据处理实时显示凝固过程中各个参数变化。

5、完全冷却后，取出样品，并更换热电偶及传感器的导杆。

本发明可以精确并连续的测量出金属凝固过程中的线收缩率及热应力变化，对于合理确定连铸工艺及铸造工艺设备参数及提高铸坯、铸件质量具有重要意义。

实施例三：

参照图1~图6，本金属凝固过程中收缩率及热应力的测量装置，应用于上述方法进行测量，包括加热及气氛保护系统、坩埚(7) 、控温及温度采集系统、线收缩率及热应力采集系统、传动系统、数据显示及处理系统，其特征如下：

1）所述加热及气氛保护系统：该系统主体为硅钼棒箱式气氛保护电阻炉(5)；在加热体可承受范围内，可任意设定加热曲线；该电阻炉(5)通过滑轮(8)安装于导轨(9)上，由所述传动系统驱动，实现水平移动，使固定安装在坩埚支架(6)上的坩埚(7)从电阻炉(5)的炉口移进和移出；

2）所述控温及温度采集系统：该系统由热电偶组(3)和温控模块组成，通过温控模块编制加热程序并采集温度，实现电阻炉(5)温度的精确控制和热电偶组(3)温度数据的采集；

3）所述线收缩率及热应力采集系统：该系统由一个应力传感器(11)、一个位移传感器(12)分别与导杆(4)连接构成一个位移及应力传感器(2)，可以同时测量线收缩率及热应力。在该位移及应力传感器(2)外侧有隔热保护装置，保证该传感器(2)电子元件的正常工作。

4）所述传动系统：该系统包括传感器运动系统(1)及电阻炉运动系统两部分；所述传感器运动系统(1)连接所述导杆(4)用于将测量传感器的导杆(4)及热电偶组(3)降至从电阻炉(5)炉口移出的坩埚(7)所在位置，使导杆(4)插入金属液体内部；所述电阻炉运动系统用于控制电阻炉(5)在加热完成后，迅速移至真空室另一侧，电阻炉(5)移开后，传感器运动系统(1)使导杆(4)及热电偶(3)下降，开始采集线收缩率及热应力；

5）所述数据显示及处理系统：由所述热电偶(3)连接位移及应力传感器(2)，该传感器(2)通过一个数据显示模块连接一个数据梳理模块，所述数据显示模块将热电偶组(3)、应力传感器(11)和位移传感器(12)得到的位移及应力转化为数字信号，直观的显示出来；所述数据处理模块计算出对应温度及冷却速率下的线收缩及热应力。

     本装置加热温度为室温~1600℃，温度采集频率1000Hz。