CN106501301A - 球铁炉前热分析-共晶膨胀快速检测装置及检测方法 - Google Patents
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Abstract
为了实现球铁球化孕育效果炉前快速评价，本文公开了一种新型热分析-共晶膨胀双曲线检测装置及检测方法，其组成包括：圆柱形干型砂取样器2，所述取样器由通过预紧弹簧14柔性连接的固定半套16和可动半套17围合，所述取样器内有一竖直放置的K型热电偶4和一水平放置的膨胀杆7，所述热电偶用于测量样杯内铁水热节点处的冷却曲线，所述膨胀杆一端与固定半套上的螺钉3接触连接，另一端则与一线性位移传感器9的测量杆接触连接用于传递试样热中心直径方向的线性位移量。所述测量杆由一始终处于压缩状态的弹簧8约束，确保螺钉3、膨胀杆7和线性位移传感器测量杆之间的紧密接触连接。本发明用于铸造和冶金领域。
Description
技术领域
本发明属于冶金和铸造领域的发明创造，具体涉及一种球铁炉前热分析-共晶膨胀双曲线快速检测装置及检测方法。
背景技术
对球化铁水的凝固过程净体积变化分析表明：初始收缩发生在奥氏体结晶区。共晶反应发生后，由于析出球形石墨，净体积逐渐转为膨胀。由于球铁为共晶或微亚共晶成分，所以共晶反应占据凝固区间的大部时段，由此结晶石墨的数量和形态决定了膨胀的总体效应。凝固后期，石墨体积膨胀开始降低，随后净体积逐渐转变为收缩，缩陷大多发生在这一时期。球铁的共晶膨胀比灰铸铁大得多，应用共晶凝固的净体积收支平衡可以直接反应凝固特征，如石墨形态，基体组织和铸件的完整性。曾经发展了多种用于测试铁水凝固过程中体积效应的实验方法，主要分为直接法和间接法。直接法测试难度较大，不适于铸造生产现场。而在一个方向或多个方向同时测量凝固试样的线位移量等间接方法，具有结构简单和代表性强的特点，近年来得到广泛的研究与应用。由于球铁凝固过程的膨胀效应为石墨化膨胀所致，共晶膨胀量大小与铁水碳当量CE有关，而单独应用共晶膨胀率不能细分碳当量CE不同的铁水的球化效果。一般引入冷却曲线判定铁水碳当量CE以及确定共晶反应区域，共同进行球化孕育效果评价与缩陷形成倾向预测。另外，降低热分析过程中一次性测试样杯的成本也是实际应用中追求的主要目标。
在已有测试方法的基础上，提出了一种利用线性位移传感器在一圆柱形干型砂样杯内，可同时测量冷却曲线和通过热节点直径上水平摆放膨胀杆的单向位移变化曲线，理论分析表明该位移量代表试样共晶膨胀效应总的线性位移量。获得的冷却曲线和共晶膨胀位移曲线可用于球铁凝固过程和球化孕育效果综合分析。在应用过程中，对膨胀杆的自身热膨胀/收缩效应进行了补偿，因此其测试精度较高。
发明内容
本发明的目的是提供一种结构简单、测试精确、成本低廉为主要特征的球铁炉前热分析-共晶膨胀双曲线快速检测装置及检测方法。
上述发明的目的通过以下的技术方案实现：
球铁炉前热分析-共晶膨胀双曲线快速检测装置，其组成包括：圆柱形干型砂取样器，所述取样器由通过预紧弹簧柔性连接的固定半套和可动半套围合，所述取样器内有一竖直放置的热电偶和一水平放置的膨胀杆，所述热电偶用于测量样杯内铁水热节点处的冷却曲线，所述膨胀杆一端与固定半套上的螺钉接触连接，另一端则与一线性位移传感器的测量杆接触连接用于传递试样热中心直径方向的位移量，所述测量杆由一始终处于压缩状态的弹簧约束，确保螺钉、膨胀杆和位移传感器测量杆之间的紧密接触连接。
所述的球铁炉前热分析-共晶膨胀双曲线快速检测方法，铁水浇入取样器样杯内，待样杯内各部分升温达到热平衡后，膨胀杆处于样杯内的部分受热软化，在热节点位置表面甚至有轻微的熔化，但是整体仍有足够的强度和刚度保持传递线位移的功能，在铁水冷却过程中，由于膨胀杆两端温度低，首先在膨胀杆表面出现激冷结晶且在两端与样杯壁激冷层和柱状晶区连接在一起，膨胀杆上的激冷结晶层越靠近样杯壁越厚，也就越结实，这样膨胀杆在凝固结晶刚开始时，就被自身的激冷层和样杯壁上的激冷层及柱状晶区紧紧包覆成为一体，在后续的凝固过程中，膨胀杆所传递的位移量即包含了剩余铁水共晶凝固过程直径方向的膨胀量。
所述的球铁炉前热分析-共晶膨胀双曲线快速检测方法，当试样内部发生共晶反应析出石墨球，试样体积膨胀，直径随之变大，此时连接动模和定模的预紧弹簧被进一步压缩，由于共晶阶段试样外壳已经具有足够的强度与膨胀杆包覆成一体，包覆在试样内的部分膨胀杆处于软化状态与试样同步伸缩，预紧弹簧产生的弹力并不能阻碍试样的共晶膨胀，动模在导向槽和导向螺栓的约束下，只能随试样同步沿着膨胀杆轴线方向移动，膨胀杆长度的改变量包含了试样径向尺寸的增减，由于膨胀杆一端受固定螺钉约束，而样杯外围两半套为柔性连接，也不束缚试样膨胀，所以，试样直径总变化量全部移向单侧位移传感器测量端，这样铁水共晶膨胀总位移量即可实现在单方向测量，于此同时，处于热节中心的热电偶记录下来铁水的凝固冷却曲线，依据冷却曲线和共晶膨胀曲线及其特征值可以分析铁水的凝固特性并判定铁水球化孕育效果。
所述的球铁炉前热分析-共晶膨胀双曲线快速检测方法，在共晶反应阶段，膨胀杆被凝固试样包覆的部分长度与试样同时伸缩，对测量结果没有影响，膨胀杆未被试样包覆的部分长度可以通过化学成分查得其线膨胀系数，由线膨胀系数可准确计算出这部分膨胀杆在测量过程中的自身线膨胀量，在位移传感器测量结果中减去所述膨胀杆的自身线膨胀量即可精确获得凝固试样的共晶位移膨胀量。
所述的球铁炉前热分析-共晶膨胀双曲线快速检测方法，由于采用贯通式膨胀杆检测试样膨胀量，且样杯与膨胀杆之间摩擦力很小,可以认为在试样共晶凝固过程中砂型样杯对膨胀杆的伸缩没有作用，从根本上消除了砂型样杯变形对位移信号采集的影响。
本发明的有益效果：
1.本发明的取样器结构简单，可同时测量凝固试样的冷却曲线和共晶膨胀量。采用一只位移传感器单方向测量样杯内凝固试样的共晶反应线位移总膨胀量。减少多方向测量引入的检测误差，这对于获得准确的测量结果至关重要，是精确提取小试样共晶膨胀线位移微弱信号的关键所在。
2.本发明采用贯通膨胀杆检测试样膨胀量，从根本上避免砂型样杯变形对位移信号采集的影响，同时对可能影响共晶膨胀线位移信号的膨胀杆外露部分进行补偿校正，保证了试样膨胀量检测的准确性。
3.本发明使用普通粘土干砂型作为取样器样杯，配套可自由伸缩的的金属外罩，即可保证测试精度，又能大幅度降低测试成本，因此便于推广应用。
附图说明：
图1是本发明的测试装置结构主视图。
图2是图1中测试装置俯视图。
图3是凝固过程中试样/砂型界面受力分析图
图4是利用所设计装置测得典型共晶成分球铁的冷却曲线-共晶膨胀线曲线。
图5是对应图3测试试样热节点处石墨形态照片。
实施例
1
球铁炉前热分析-共晶膨胀双曲线快速检测装置，其组成包括：圆柱形干型砂取样器2，所述取样器由通过预紧弹簧14柔性连接的固定半套16和可动半套17围合，所述取样器内有一竖直放置的热电偶4和一水平放置的膨胀杆7，所述热电偶用于测量样杯内铁水热节点处的冷却曲线，所述膨胀杆一端与固定半套上的螺钉3接触连接，另一端则与一线性位移传感器9的测量杆接触连接用于传递试样热中心直径上的位移量。所述测量杆由一始终处于压缩状态的弹簧8约束，确保螺钉3、膨胀杆7和位移传感器测量杆之间的紧密接触连接。本发明用于铸造和冶金领域。
实施例
2
球铁炉前热分析-共晶膨胀双曲线快速检测方法，铁水浇入取样器样杯内，待样杯内各部分升温达到热平衡后，膨胀杆处于样杯内的部分受热软化，在热节点位置表面甚至有轻微的熔化，但是整体仍有足够的强度和刚度保持传递线位移的功能，在铁水冷却过程中，由于膨胀杆两端温度低，首先在膨胀杆表面出现激冷结晶且在两端与样杯壁激冷层和柱状晶区连接在一起，膨胀杆上的激冷结晶层越靠近样杯壁越厚，也就越结实，这样膨胀杆在凝固结晶刚开始时，就被自身的激冷层和样杯壁上的激冷层及柱状晶区紧紧包覆成为一体，在后续的凝固过程中，膨胀杆所传递的位移量即包含了剩余铁水共晶凝固过程中直径方向的膨胀量。
所述的球铁炉前热分析-共晶膨胀双曲线快速检测方法，当试样内部发生共晶反应析出石墨球，试样体积膨胀，直径随之变大，此时连接动模和定模的预紧弹簧被进一步压缩，由于共晶阶段试样外壳已经具有足够的强度与膨胀杆包覆成一体，包覆在试样内的部分膨胀杆处于软化状态与试样同步伸缩，预紧弹簧产生的弹力并不能阻碍试样共晶膨胀，动模在导向槽和导向螺栓的约束下，只能随试样同步沿着膨胀杆轴线方向移动，膨胀杆长度变化包含了试样径向尺寸的增减，由于膨胀杆一端受固定螺钉约束，而样杯外围两半套为柔性连接，并不束缚试样膨胀，所以，试样的直径总变化量全部移向单侧位移传感器测量端，这样铁水共晶膨胀总位移量即可实现单方向测量，于此同时，处于热节中心的热电偶记录下来铁水的凝固冷却曲线，依据冷却曲线-共晶膨胀曲线及其特征值可以分析铁水凝固特性并判定铁水球化孕育效果。
所述的球铁炉前热分析-共晶膨胀双曲线快速检测方法，在共晶反应阶段，膨胀杆被凝固试样包覆的部分长度与试样同时伸缩，对测量结果没有影响，膨胀杆未被试样包覆的部分长度可以通过化学成分查得其线膨胀系数，由线膨胀系数计算出这部分膨胀杆在测量过程中的自身线膨胀量，在位移传感器测量结果中减去所述膨胀杆的自身线膨胀量即可精确获得凝固试样的共晶位移膨胀量。
所述的球铁炉前热分析-共晶膨胀双曲线快速检测方法，由于采用贯通式膨胀杆检测试样膨胀量，且样杯与膨胀杆之间摩擦力很小，可以认为在试样共晶凝固过程中砂型样杯对膨胀杆的伸缩没有作用，从根本上消除了砂型样杯变形对位移信号采集的影响。
实施例
3
实施例1或2所述的球铁炉前热分析-共晶膨胀双曲线快速检测方法：
以典型共晶成分球铁的冷却-共晶膨胀线位移双曲线检测分析为例，将球化铁水浇入取样器样杯内，热电偶实时测试试样温度，这时由膨胀杆自身受热膨胀产生显著的位移增量。最大测试温度T max出现之后，砂型内达到热平衡，随后试样温度开始下降，此时试样稍有收缩。试样到达共晶开始温度T ES后，位移量稍有增加，直到共晶过冷温度TE low出现后，大量共晶石墨开始形核并迅速长大，试样膨胀量迅速增加，大约在最大共晶温度回升速率（0.17℃/s）附近出现一个位移量增加拐点。在之后的共晶凝固范围内，位移一直增加，但是增加速率减小。在凝固点T S附近，位移量转为下降。整个测试过程大约2.5min，共晶回升温度R为4.9℃，共晶反应历时125sec.。如图4所示，由于在共晶反应范围内温度变化不大，经膨胀杆自膨胀补偿后，位移曲线与未经补偿曲线基本重合。但是经仔细查实，未经补偿共晶凝固最大位移量显示为232μm，补偿后共晶凝固最大位移增量显示为266μm，两者相差34μm。说明共晶膨胀位移曲线经补偿后，其精度进一步提高。共晶膨胀开始到最大膨胀量历时120sec.，线位移膨胀率ε为0.89%。图5为取自对应图4测试曲线试样的热节点附近的石墨形态照片，其球化率为89%。由此，经球铁铸造现场多组实验，找出球化效果共晶膨胀和热分析特征值双参数综合评价数学模型，即可将该装置用于炉前控制。
Claims (5)
1.球铁炉前热分析-共晶膨胀双曲线快速检测装置，其组成包括：圆柱形干型砂取样器，所述取样器由通过预紧弹簧柔性连接的固定半套和可动半套围合，所述取样器内有一竖直放置的热电偶和一水平放置的膨胀杆，所述热电偶用于测量样杯内铁水热节点处的冷却曲线，所述膨胀杆一端与固定半套上的螺钉接触连接，另一端则与一线性位移传感器的测量杆接触连接用于传递试样热中心直径方向的位移量，所述测量杆由一始终处于压缩状态的弹簧约束，确保螺钉、膨胀杆和位移传感器测量杆之间的紧密接触连接。
2.一种权利要求1所述的球铁炉前热分析-共晶膨胀双曲线快速检测方法，其特征是：铁水浇入取样器样杯内，待样杯内各部分升温达到热平衡后，膨胀杆处于样杯内的部分受热软化，在热节点位置表面甚至有轻微的熔化，但是整体仍有足够的强度和刚度保持传递线位移的功能，在铁水冷却过程中，由于膨胀杆两端温度低，首先在膨胀杆表面出现激冷结晶且在两端与样杯壁激冷层和柱状晶区连接在一起，膨胀杆上的激冷结晶层越靠近样杯壁越厚，也就越结实，这样膨胀杆在凝固结晶刚开始时，就被自身的激冷层和样杯壁上的激冷层及柱状晶区紧紧包覆成为一体，在后续的凝固过程中，膨胀杆所传递的位移量即包含了剩余铁水共晶凝固过程的直径膨胀量。
3.根据权利要求2所述的球铁炉前热分析-共晶膨胀双曲线快速检测方法，其特征是：当试样内部发生共晶反应析出石墨球，试样体积膨胀，直径亦随之变大，此时连接动模和定模的预紧弹簧被进一步压缩，由于共晶阶段试样外壳已经具有足够的强度与膨胀杆包覆成一体，包覆在试样内的部分膨胀杆处于软化状态与试样同步伸缩，预紧弹簧产生的弹力并不能阻碍共晶膨胀时试样直径方向的尺寸改变，动模在导向槽和导向螺栓的约束下，只能随试样同步沿着膨胀杆轴线方向移动，膨胀杆长度的改变量包含了试样径向尺寸的增减，由于膨胀杆一端受固定螺钉约束，而样杯外围两半套为柔性连接，也不能束缚试样膨胀，所以，试样直径的总涨大量全部移向单侧位移传感器测量端，这样铁水共晶膨胀总位移量即可实现在单方向测量，于此同时，处于热节中心的热电偶记录下来铁水的凝固冷却曲线，依据凝固冷却曲线和共晶膨胀曲线及其特征值可分析铁水凝固特性并判定铁水球化孕育效果。
4.根据权利要求2或3所述的球铁炉前热分析-共晶膨胀双曲线快速检测方法，其特征是：在共晶反应阶段，膨胀杆被凝固试样包覆的部分长度与试样同时伸缩，对测量结果没有影响，膨胀杆未被试样包覆的部分长度可以通过化学成分查得其线膨胀系数，由线膨胀系数可准确计算出这部分膨胀杆在测量过程中的自身线膨胀量，在位移传感器测量结果中减去所述膨胀杆的自身线膨胀量即可更精确获得凝固试样的共晶位移膨胀量。
5.根据权利要求2或3所述的球铁炉前热分析-共晶膨胀双曲线快速检测方法，其特征是：所述的球铁炉前热分析-共晶膨胀双曲线快速检测方法，由于采用贯通式膨胀杆检测试样膨胀量，且样杯与膨胀杆之间摩擦力很小，可以认为在试样共晶凝固过程中砂型样杯对膨胀杆的伸缩没有作用，从根本上消除了砂型样杯变形对位移信号采集的影响。
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