專利名稱：金屬凝固過程線收縮率及熱應(yīng)力測量方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種研究不同冷卻條件下金屬凝固過程線收縮率及熱應(yīng)力測量的方法及裝置，屬于金屬凝固過程物性測量領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
本發(fā)明主要涉及鑄造和連鑄等凝固技術(shù)領(lǐng)域。金屬的凝固過程中會出現(xiàn)凝固收縮現(xiàn)象，隨著凝固進(jìn)行，金屬的體積會改變，與其接觸的物體或金屬本身產(chǎn)生應(yīng)力作用，有時(shí)候會導(dǎo)致鑄件的熱裂及冷裂現(xiàn)象。線收縮率及熱應(yīng)力的測量通常是使用線收縮和熱裂儀。將金屬液澆注到鑄型里凝固，可以實(shí)現(xiàn)凝固線收縮和熱應(yīng)力的測量。但是這種方法存在軸向溫度梯度過大、試樣梯度 凝固的缺陷，測量值不能與試樣溫度精確對應(yīng)。尤其對于黑色金屬，高熔點(diǎn)的特點(diǎn)造成澆注溫度難于精確控制和試樣具有更高的軸向溫度梯度，導(dǎo)致其線收縮率和熱應(yīng)力難以準(zhǔn)確測量。因此在一般生產(chǎn)中，往往通過計(jì)算獲取近似值。計(jì)算鋼的凝固收縮率的方法有兩種一是利用熱膨脹系數(shù)計(jì)算，而通常都取熱膨脹系數(shù)為常數(shù)；另一種是奧氏體取2. 2X KT5IT1而鐵素體取I. 55X 10- -10這兩種方法計(jì)算得到的數(shù)據(jù)很難和實(shí)際生產(chǎn)相吻合，主要原因是鋼凝固后降溫過程往往有固態(tài)相變，進(jìn)而導(dǎo)致體積變化，而固態(tài)相變與冷卻速率相關(guān)，因此線收縮率及熱應(yīng)力與冷卻速率有內(nèi)在關(guān)系，用常數(shù)計(jì)算的結(jié)果不能適用于不同冷速的凝固過程。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對已有技術(shù)存在的缺陷，提供一種可靠的金屬凝固過程線收縮率及熱應(yīng)力測量方法及裝置，能可靠的實(shí)現(xiàn)金屬凝固過程中線收縮率及熱應(yīng)力的測量；適用于黑色和有色金屬及其合金凝固過程。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的構(gòu)思是
本發(fā)明采用，一種金屬凝固收縮率及熱應(yīng)力的精確測量裝置，通過原位熔化及凝固方法并結(jié)合位移傳感器和應(yīng)力傳感器同時(shí)測量收縮率及熱應(yīng)力，解決當(dāng)前金屬凝固線收縮率及熱應(yīng)力測量中溫度不均勻及測試?yán)щy的問題。根據(jù)上述發(fā)明構(gòu)思，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案
一種金屬凝固過程中線收縮率及熱應(yīng)力測量方法，將金屬料盛放于坩堝中，坩堝固定于水平支架上，將坩堝置于真空或特定氣氛保護(hù)下的加熱爐內(nèi)加熱；金屬達(dá)到預(yù)設(shè)熔化溫度并保溫后，移開加熱爐，測量線收縮率及熱應(yīng)力的傳感器通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與金屬液充分接觸，測量不同冷卻速率下金屬的凝固特性。其特征如下
1)試樣在坩堝內(nèi)原位熔化后凝固，可實(shí)現(xiàn)不同冷卻條件下的凝固；
2)降溫過程中試樣均勻凝固，軸向溫度梯度低，測量的線收縮率及熱應(yīng)力值準(zhǔn)確；
3)凝固過程中線收縮率及熱應(yīng)力可通過應(yīng)力傳感器和位移傳感器同時(shí)測量，實(shí)現(xiàn)連續(xù)實(shí)時(shí)測量，與實(shí)際凝固過程對應(yīng)。
本發(fā)明對應(yīng)開發(fā)的一套精確測量凝固過程中收縮率及熱應(yīng)力的裝置。該裝置包括加熱及氣氛保護(hù)系統(tǒng)、坩堝、控溫及溫度采集系統(tǒng)、線收縮率及熱應(yīng)力采集系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)，數(shù)據(jù)顯示及處理系統(tǒng)，其裝置特征如下
1)所述加熱及氣氛保護(hù)系統(tǒng)該系統(tǒng)主體為硅鑰棒箱式氣氛保護(hù)電阻爐；在加熱體可承受范圍內(nèi)，可任意設(shè)定加熱曲線；該電阻爐通過滑輪安裝于導(dǎo)軌上，由所述傳動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)水平移動(dòng)，使固定安裝在坩堝支架上的坩堝從電阻爐的爐口移進(jìn)和移出；
2)所述控溫及溫度采集系統(tǒng)該系統(tǒng)由熱電偶組和溫控模塊組成，通過溫控模塊編制加熱程序并采集溫度，實(shí)現(xiàn)電阻爐溫度的精確控制和熱電偶組溫度數(shù)據(jù)的采集；
3)所述線收縮率及熱應(yīng)力采集系統(tǒng)該系統(tǒng)由一個(gè)應(yīng)力傳感器、一個(gè)位移傳感器分別 與導(dǎo)桿連接構(gòu)成一個(gè)位移及應(yīng)力傳感器，可以同時(shí)測量線收縮率及熱應(yīng)力。在該位移及應(yīng)力傳感器外側(cè)有隔熱保護(hù)裝置，保證該傳感器電子元件的正常工作。4)所述傳動(dòng)系統(tǒng)該系統(tǒng)包括傳感器運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)及電阻爐運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)兩部分；所述傳感器運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)連接所述導(dǎo)桿用于將測量傳感器的導(dǎo)桿及熱電偶組降至從電阻爐爐口移出的坩堝所在位置，使導(dǎo)桿插入金屬液體內(nèi)部；所述電阻爐運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)用于控制電阻爐在加熱完成后，迅速移至真空室另一側(cè)，電阻爐移開后，傳感器運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)使導(dǎo)桿及熱電偶下降，開始采集線收縮率及熱應(yīng)力；
5)所述數(shù)據(jù)顯示及處理系統(tǒng)由所述熱電偶連接位移及應(yīng)力傳感器，該傳感器通過一個(gè)數(shù)據(jù)顯示模塊連接一個(gè)數(shù)據(jù)梳理模塊，所述數(shù)據(jù)顯示模塊將熱電偶、應(yīng)力傳感器和位移傳感器得到的位移及應(yīng)力轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，直觀的顯示出來；所述數(shù)據(jù)處理模塊計(jì)算出對應(yīng)溫度及冷卻速率下的線收縮率及熱應(yīng)力。該裝置主要參數(shù)為加熱溫度為室溫 1600°C，溫度采集頻率1000Hz。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比較，具有如下顯而易見的突出實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著進(jìn)步 金屬，特別是鋼的凝固過程中，線收縮率及熱應(yīng)力對于連鑄過程中是很重要的參數(shù)。本
發(fā)明可以準(zhǔn)確合理地測量金屬的凝固收縮特性，對確定鑄造及連鑄工藝和相關(guān)設(shè)備參數(shù)的改善、促進(jìn)鑄坯、鑄件質(zhì)量和成材率有重要意義。


圖I是本發(fā)明設(shè)備主體示意圖(不包含控制和氣路部分)。圖2是本發(fā)明設(shè)備測量時(shí)(坩堝移出電阻爐)主體示意圖。圖3是本發(fā)明測量傳感器分布示意圖。圖4是圖3的俯視圖。圖5是本發(fā)明所用坩堝示意圖。圖6是圖5的俯視圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例結(jié)合

如下
實(shí)施例一
參照圖廣圖6，本金屬凝固過程中線收縮率及熱應(yīng)力測量方法。將金屬料盛放于坩堝中，坩堝固定于水平支架上，將坩堝置于真空或設(shè)定氣氛保護(hù)下的加熱爐內(nèi)加熱；金屬達(dá)到預(yù)設(shè)熔化溫度并保溫后，移開加熱爐，測量線收縮率及熱應(yīng)力的傳感器通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與金屬液充分接觸，測量不同冷卻速率下金屬的線收縮率及熱應(yīng)力。其特征在于
1)試樣(13、14)在坩堝(7)內(nèi)原位熔化后凝固，可實(shí)現(xiàn)不同冷卻條件下的凝固；
2)降溫過程中試樣均勻凝固，軸向溫度梯度低，測量的線收縮率及熱應(yīng)力值準(zhǔn)確；
3)凝固過程中線收縮率及熱應(yīng)力可分別通過位移傳感器(12)和應(yīng)力傳感器(11)同時(shí)測量，實(shí)現(xiàn)連續(xù)實(shí)時(shí)測量，與實(shí)際凝固過程對應(yīng)。實(shí)施例二
參照圖廣圖6，本金屬凝固過程中收縮率及熱應(yīng)力的測量裝置，主要包括加熱及氣氛保護(hù)系統(tǒng)、控溫及溫度采集系統(tǒng)、線收縮率及熱應(yīng)力采集系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)，數(shù)據(jù)顯示及處理系統(tǒng)等五個(gè)系統(tǒng)。采用該裝置進(jìn)行金屬凝固過程中收縮率及熱應(yīng)力測量方法如下
I、將待測金屬試樣制成合適大小的塊體，盛放在熱應(yīng)力試樣坩堝(13)、收縮率試樣坩堝(14)中，此兩個(gè)樣品i甘堝尺寸為長200mm,寬IOmm,高20mm。兩個(gè)樣品i甘堝(13、14)防止在坩堝保溫層底座(15)上構(gòu)成坩堝(7)，坩堝(7)固定于水平固定的坩堝支架(6)上。整個(gè)坩堝開始置于真空或者特殊氣氛保護(hù)下的硅鑰棒電阻爐(5)恒溫區(qū)內(nèi)。2、試樣按照升溫曲線加熱至完全融化后，在設(shè)定的溫度保溫30分鐘。3、通過電阻爐的傳動(dòng)系統(tǒng)，將電阻爐(5)沿著導(dǎo)軌(9)，推至真空室的右側(cè)，同時(shí)整個(gè)傳感器運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)在傳感器運(yùn)動(dòng)導(dǎo)向桿(I)的傳動(dòng)下，下移至圖2所示位置。熱電偶組
(3)及收縮率傳感器導(dǎo)桿和熱應(yīng)力傳感器導(dǎo)桿(4)插入熔化的金屬溶液中。4、根據(jù)測量要求，通過控制冷卻氣體流量來改變冷卻強(qiáng)度。通過熱電偶組(3)及應(yīng)力傳感器(11)和位移傳感器(12)將凝固過程中的溫度、收縮率及熱應(yīng)力傳感到數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，通過數(shù)據(jù)處理實(shí)時(shí)顯示凝固過程中各個(gè)參數(shù)變化。5、完全冷卻后，取出樣品，并更換熱電偶及傳感器的導(dǎo)桿。本發(fā)明可以精確并連續(xù)的測量出金屬凝固過程中的線收縮率及熱應(yīng)力變化，對于合理確定連鑄工藝及鑄造工藝設(shè)備參數(shù)及提高鑄坯、鑄件質(zhì)量具有重要意義。實(shí)施例三
參照圖廣圖6，本金屬凝固過程中收縮率及熱應(yīng)力的測量裝置，應(yīng)用于上述方法進(jìn)行測量，包括加熱及氣氛保護(hù)系統(tǒng)、坩堝(7)、控溫及溫度采集系統(tǒng)、線收縮率及熱應(yīng)力采集系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)顯示及處理系統(tǒng)，其特征如下
1)所述加熱及氣氛保護(hù)系統(tǒng)該系統(tǒng)主體為硅鑰棒箱式氣氛保護(hù)電阻爐(5);在加熱體可承受范圍內(nèi)，可任意設(shè)定加熱曲線；該電阻爐(5)通過滑輪(8)安裝于導(dǎo)軌(9)上，由所述傳動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)水平移動(dòng)，使固定安裝在坩堝支架(6)上的坩堝(7)從電阻爐(5)的爐口移進(jìn)和移出；
2)所述控溫及溫度采集系統(tǒng)該系統(tǒng)由熱電偶組(3)和溫控模塊組成，通過溫控模塊編制加熱程序并采集溫度，實(shí)現(xiàn)電阻爐(5)溫度的精確控制和熱電偶組(3)溫度數(shù)據(jù)的采集;
3)所述線收縮率及熱應(yīng)力采集系統(tǒng)該系統(tǒng)由一個(gè)應(yīng)力傳感器(11)、一個(gè)位移傳感器
(12)分別與導(dǎo)桿(4)連接構(gòu)成一個(gè)位移及應(yīng)力傳感器(2)，可以同時(shí)測量線收縮率及熱應(yīng)力。在該位移及應(yīng)力傳感器(2)外側(cè)有隔熱保護(hù)裝置，保證該傳感器(2)電子元件的正常
工作。、
4)所述傳動(dòng)系統(tǒng)該系統(tǒng)包括傳感器運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)(I)及電阻爐運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)兩部分；所述傳感器運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)(I)連接所述導(dǎo)桿(4)用于將測量傳感器的導(dǎo)桿(4)及熱電偶組(3)降至從電阻爐(5)爐口移出的坩堝(7)所在位置，使導(dǎo)桿(4)插入金屬液體內(nèi)部；所述電阻爐運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)用于控制電阻爐(5)在加熱完成后，迅速移至真空室另一側(cè)，電阻爐(5)移開后，傳感器運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)(I)使導(dǎo)桿(4)及熱電偶(3)下降，開始采集線收縮率及熱應(yīng)力；
5)所述數(shù)據(jù)顯示及處理系統(tǒng)由所述熱電偶(3)連接位移及應(yīng)力傳感器(2)，該傳感器
(2)通過一個(gè)數(shù)據(jù)顯示模塊連接一個(gè)數(shù)據(jù)梳理模塊，所述數(shù)據(jù)顯示模塊將熱電偶組(3)、應(yīng)力傳感器(11)和位移傳感器(12)得到的位移及應(yīng)力轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，直觀的顯示出來；所 述數(shù)據(jù)處理模塊計(jì)算出對應(yīng)溫度及冷卻速率下的線收縮及熱應(yīng)力。本裝置加熱溫度為室溫 1600°C，溫度采集頻率1000Hz。
權(quán)利要求
1.一種金屬凝固過程中線收縮率及熱應(yīng)力測量方法； 將金屬料盛放于坩堝中，坩堝固定于水平支架上，將坩堝置于真空或設(shè)定氣氛保護(hù)下的加熱爐內(nèi)加熱；金屬達(dá)到預(yù)設(shè)熔化溫度并保溫后，移開加熱爐，測量線收縮率及熱應(yīng)力的傳感器通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與金屬液充分接觸，測量不同冷卻速率下金屬的線收縮率及熱應(yīng)力； 其特征在于 1)試樣(13、14)在坩堝(7)內(nèi)原位熔化后凝固，可實(shí)現(xiàn)不同冷卻條件下的凝固； 2)降溫過程中試樣均勻凝固，軸向溫度梯度低，測量的線收縮率及熱應(yīng)力值準(zhǔn)確； 3)凝固過程中線收縮率及熱應(yīng)力可分別通過位移傳感器(12)和應(yīng)力傳感器(11)同時(shí)測量，實(shí)現(xiàn)連續(xù)實(shí)時(shí)測量，與實(shí)際凝固過程對應(yīng)。
2.一種金屬凝固過程中線收縮率及熱應(yīng)力測量裝置用于權(quán)利要求I所述的金屬凝固過程中線收縮率及熱應(yīng)力測量方法進(jìn)行測量，包括加熱及氣氛保護(hù)系統(tǒng)、坩堝(7)、控溫及溫度采集系統(tǒng)、線收縮率及熱應(yīng)力采集系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)顯示及處理系統(tǒng)，其特征如下 1)所述加熱及氣氛保護(hù)系統(tǒng)該系統(tǒng)主體為硅鑰棒箱式氣氛保護(hù)電阻爐(5);在加熱體可承受范圍內(nèi)，可任意設(shè)定加熱曲線；該電阻爐(5)通過滑輪(8)安裝于導(dǎo)軌(9)上，由所述傳動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)水平移動(dòng)，使固定安裝在坩堝支架(6)上的坩堝(7)從電阻爐(5)的爐口移進(jìn)和移出； 2)所述控溫及溫度采集系統(tǒng)該系統(tǒng)由熱電偶組(3)和溫控模塊組成，通過溫控模塊編制加熱程序并采集溫度，實(shí)現(xiàn)電阻爐(5)溫度的精確控制和熱電偶組(3)溫度數(shù)據(jù)的采集; 3)所述線收縮率及熱應(yīng)力采集系統(tǒng)該系統(tǒng)由一個(gè)應(yīng)力傳感器(11)、一個(gè)位移傳感器(12)分別與導(dǎo)桿(4)連接構(gòu)成一個(gè)位移及應(yīng)力傳感器(2)，可以同時(shí)測量線收縮率及熱應(yīng)力； 在該位移及應(yīng)力傳感器(2)外側(cè)有隔熱保護(hù)裝置，保證該傳感器(2)電子元件的正常工作； 4)所述傳動(dòng)系統(tǒng)該系統(tǒng)包括傳感器運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)(I)及電阻爐運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)兩部分；所述傳感器運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)(I)連接所述導(dǎo)桿(4)用于將測量傳感器的導(dǎo)桿(4)及熱電偶組(3)降至從電阻爐(5)爐口移出的坩堝(7)所在位置，使導(dǎo)桿(4)插入金屬液體內(nèi)部；所述電阻爐運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)用于控制電阻爐(5)在加熱完成后，迅速移至真空室另一側(cè)，電阻爐(5)移開后，傳感器運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)(I)使導(dǎo)桿(4)及熱電偶(3)下降，開始采集線收縮率及熱應(yīng)力； 5)所述數(shù)據(jù)顯示及處理系統(tǒng)由所述熱電偶(3)連接位移及應(yīng)力傳感器(2)，該傳感器(2)通過一個(gè)數(shù)據(jù)顯示模塊連接一個(gè)數(shù)據(jù)梳理模塊，所述數(shù)據(jù)顯示模塊將熱電偶組(3)、應(yīng)力傳感器(11)和位移傳感器(12)得到的位移及應(yīng)力轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，直觀的顯示出來；所述數(shù)據(jù)處理模塊計(jì)算出對應(yīng)溫度及冷卻速率下的線收縮率及熱應(yīng)力。
3.按照權(quán)利要求2所述的金屬凝固過程中線收縮率及熱應(yīng)力測量裝置，其特征在于加熱溫度為室溫 1600°C，溫度采集頻率IOOOHz。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種金屬凝固過程中線收縮率及熱應(yīng)力測量方法及裝置。本發(fā)明能夠解決當(dāng)前黑色金屬凝固收縮率及熱應(yīng)力測量方法中溫度不均勻及測試?yán)щy的問題。該方法是試樣在坩堝內(nèi)原位熔化后凝固，可實(shí)現(xiàn)不同冷卻條件下的凝固；降溫過程中試樣均勻凝固，軸向溫度梯度低，測量的線收縮率及熱應(yīng)力值準(zhǔn)確；凝固過程中線收縮率及熱應(yīng)力可通過應(yīng)力傳感器和位移傳感器同時(shí)測量，實(shí)現(xiàn)連續(xù)實(shí)時(shí)測量，與實(shí)際凝固過程對應(yīng)。本發(fā)明可以準(zhǔn)確合理地測量金屬的凝固收縮特性，對確定鑄造及連鑄工藝和相關(guān)設(shè)備參數(shù)的改善、促進(jìn)鑄坯、鑄件質(zhì)量和成材率有重要意義。
文檔編號G01N25/02GK102661966SQ20121015092
公開日2012年9月12日 申請日期2012年5月16日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月16日
發(fā)明者仲紅剛, 孫卿卿, 曹欣, 李仁興, 翟啟杰, 陳湘茹 申請人:上海大學(xué)