CN112014266A - 一种高温金属熔体动态流动性测试装置及金属熔体流动测量方法 - Google Patents

一种高温金属熔体动态流动性测试装置及金属熔体流动测量方法 Download PDF

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刘海宁
吴家栋
徐智帅
翟启杰
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Abstract

本发明公开了一种高温金属熔体动态流动性测试装置及金属熔体流动测量方法，该装置包括浇口、浇道、缓冲池、流形槽、水平工作台、精密电磁感应测量仪和高速摄影机等组成，缓冲池与浇道和流动形槽相连，在流形槽底部放置若干个长方形的永恒磁体，在流形槽上部覆盖一块透明的石英玻璃板；测量方法包括记录不同位置磁通密度波动的峰值和波动时间，从而得到高温金属熔体流过两块磁铁之间的平均流动速度ν1和流过每一块磁铁的流动速度ν2，同时，实时测得任意时刻高温金属熔体表面的流动速度ν3，将ν1、ν2和ν3进行耦合，获得金属流体的实时流动速度。该方法能够准确测量高温金属熔体的流动性，从而为铸造行业提供一定的理论和实验支持。

Description

一种高温金属熔体动态流动性测试装置及金属熔体流动测量 方法
技术领域
本发明属于金属流动性测量方法领域，尤其涉及一种高温金属熔体动态流动性测试装置及金属熔体流动测量方法。
背景技术
铸造是金属材料重要的成形方式，金属材料的流动性直接关系到铸件质量的好坏。随着经济的发展，人们对材料性能的要求也越来越高，而准确把握高温金属熔体的流动性对于铸件的质量起着重要的作用。高温金属熔体的流动性与其成分、温度、杂质含量和相关物理性质有关，液态金属的流动性用浇注流动性试样的方法进行测量。现有技术中多用于检测铝合金高温金属熔体的流动性，而对钢铁材料所形成的高温金属熔体流动性检测涉及较少，且大多数流动性只能检测高温金属熔体的静态流动性，无法对高温金属熔体(主要钢液)瞬时流速进行定量检测。为此，有必要设计一种结构简单、易于测量钢铁熔体动态流动性的装置，并能准确测量钢铁熔体的瞬时流动速度。
发明内容
发明目的：本发明的第一目的是提供一种能够方便准确地检测高温金属液的流动性的测试装置；
本发明的第二目的是提供采用上述测量装置进行金属熔体流动测量方法。
技术方案：本发明高温金属熔体动态流动性测试装置，包括浇口杯及设于浇口杯下端的砂型；其中，砂型上设有缓冲池，缓冲池的右侧设有与其相连通的流形槽，该流形槽的下方沿其长度方向并列设有若干磁体，流形槽的上方通过设置石英玻璃板进行覆盖。
优选的，该装置采用的磁体的强度为0～100mT，设定的数量为50～100个。磁体布置于除浇口杯覆盖区域外的整个流形槽正下方，磁体离流形槽的垂直距离小于1cm，磁体之间的距离位于1cm之内。
进一步说，本发明装置的浇口杯内设有与缓冲池相对应的浇道，浇道的右侧并与该浇道上表面相齐平处设有第一低坝，第一低坝右侧并低于该第一低坝设有浇口；浇道的左侧并与高于该浇道设有第一高坝，第一高坝左侧并低于该第一高坝设有溢流池。优选的，浇道的轴线和缓冲池的轴线相重合。
更进一步说，本发明装置还包括监控磁通密度变化的电磁感应测量仪以及监控除浇口杯覆盖区域外整个流形槽内熔体流动过程的摄影机。所涉及装置中的浇口杯和砂型分别通过设于其上的定位锁扣相固定。浇口杯的侧壁上设有第一把手，砂型的侧壁上设有第二把手。
本发明采用上述测试装置进行金属熔体流动的测量方法，包括如下步骤：
(1)输入相邻磁铁间距和待测高温金属熔体的电导率，测定不同位置磁通密度波动的峰值和波动时间，并根据如下式(1)获得不同时间段内高温金属熔体的瞬时流速：
Figure BDA0002730893220000021
式中，D为永恒磁体之间的距离，t为与D对应的永恒磁体磁场发生波动的时间差；
(2)根据如下式(2)和式(3)，获得高温金属熔体流过任一磁体时的流动速度ν2：
J＝σν2×B (2)
Figure BDA0002730893220000022
式中：J为感应电流密度；σ为高温金属熔体电导率；B为磁通密度；μ0为常数，其值为4π×10-7Tm/A；i为电流；向量ds是长度的微分元素；r是从电流元件指向传感器位置的矢量；
(3)记录高温金属熔体表面的流动速度变化，并根据如下式(4)获得高温金属熔体不同的表面瞬时流速ν3：
Figure BDA0002730893220000023
式中：Yj为第j帧图像的世界坐标系中位置，Yi为第i帧图像的世界坐标系中位置，且i＜j，f为高速摄像机摄像头的频率；
(4)耦合ν1、ν2和ν3，获得高温金属熔体整体流动速度ν。
有益效果：与现有技术相比，本发明的显著效果为：该测量装置结合特有的测量方法，进而既能够测量非透明高温金属熔体的表面流速，也能够准确测量金属的整体流速，且该装置制造、安装和使用方便，工作可靠，成本低，可用于实践教学和新材料流动性测试。
附图说明
图1为高温金属熔体动态流动性装置结构主视图；
图2为高温金属熔体动态流动性装置结构俯视图；
图3为本发明测量方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步详细说明。需说明的是本发明的高温金属熔体主要针对的是钢液。
如图1及图2所示，本发明高温金属熔体流动性的测量装置，从上至下包括浇口杯1及砂型2，浇口杯1和砂型2通过分别设于其上的定位锁扣12相连接固定。浇口杯1和砂型2上还均设有把手13。
其中，浇口杯1内设有浇道9，位于浇道9右侧并与浇道9上表面平齐的第一低坝A，位于第一低坝A右侧并低于第一低坝A的浇口；位于浇道9左侧并高于浇道9的第一高坝B，位于第一高坝B左侧并低于第一高坝B的溢流池11。
砂型2包括与浇道9相对应的缓冲池3，与缓冲池3连通并位于缓冲池3右侧的流形槽4，缓冲池3与浇口杯1相对应且两者的轴线相重合。流形槽4的上方设有石英玻璃板6，下方设有50～100个永恒磁体5，该永恒磁体5的强度为 0～100mT，其布置于除浇口杯1覆盖区域外的整个流形槽4正下方，磁体5离流形槽4的垂直距离小于1cm，磁体5之间的距离位于1cm之内。
除上述之外，本发明的测量装置包括水平工作台14、监控磁通密度变化的非接触式电磁感应测量仪7以及位于砂型2上方、监控除浇口杯1覆盖区域外整个流形槽4内熔体流动过程的摄影机8，且该摄像机8固定于流形槽4的正上方，到流形槽4的垂直距离为50cm。
本发明采用上述装置进行测量的方法，其流程图如下图3所示，包括如下步骤：
(1)将上述测量装置放置于水平工作台上，通过水平调节器调整整个装置的水平度；
(2)将高温金属熔体均匀注入浇口，待浇口中的高温金属熔体液面超过第一低坝处时，高温金属熔体将沿浇道进入缓冲池，实时调节高温金属熔体的注入速度，防止高温金属熔体液面高过第二高坝，待缓冲池中熔体的液面与流形槽平齐时，高温金属熔体将沿流形槽向前移动，通过非接触式精密电磁感应测量仪测定不同位置磁通密度波动的峰值和波动时间，并通过公式(1)获得不同时间段内高温金属熔体的瞬时流速：
Figure BDA0002730893220000041
其中，D为永恒磁体之间的距离，t为与D对应的永恒磁体磁场发生波动的时间差，ν1高温金属熔体的瞬时流速。
(3)同时，根据如下式(2)和式(3)，获得高温金属熔体流过任一磁体时的流动速度ν2：
J＝σν2×B (2)
Figure BDA0002730893220000042
其中，J为感应电流密度，σ为高温金属熔体电导率，ν2为流速，B为磁通密度，μ0为常数，其值为4π×10-7Tm/A，i为电流，向量ds是长度的微分元素，r是从电流元件指向传感器位置的矢量。
(4)同时，高速摄影机实时记录高温金属熔体表面的流动速度的变化情况，并根据如下式(4)获得高温金属熔体不同的表面瞬时流速ν3：
Figure BDA0002730893220000043
其中，Yj为第j帧图像的世界坐标系中位置，Yi为第i帧图像的世界坐标系中位置，且i＜j，f为高速摄像机摄像头的频率。
(5)通过采用origin软件耦合ν1、ν2和ν3，获得高温金属熔体整体流动速度ν，即金属熔体的瞬时流动速度ν，并以时间为横坐标，速度为纵坐标，获得相应的关系曲线图。
实施例1测量M2高速钢钢液流动性
(1)将M2高速钢钢液流动性的测量装置放置在水平工作台上，通过水平调节器将整个装置的水平度调节到指定数值；
(2)将M2高速钢钢液均匀注入浇口，待浇口中的M2高速钢钢液液面超过第一低坝处时，M2高速钢钢液将沿浇道进入缓冲池，实时调节M2高速钢钢液的注入速度，防止M2高速钢钢液液面高过第一高坝，待缓冲池中M2高速钢钢液的液面与流形槽平齐时，M2高速钢钢液将沿流形槽向前移动，通过非接触式精密电磁感应测量仪测定不同位置磁通密度波动的峰值和波动时间，并在计算机中记录，通过公式(1)～(3)则可获得不同时间段内M2高速钢钢液瞬时流速ν1和ν2。
(3)高速摄影机记录实时记录M2高速钢钢液表面的流动速度的变化情况，通过对高速摄影机的记录结果进行分析，通过公式(4)即可获得全过程任意时刻的瞬时流速ν3。
(4)采用origin软件耦合ν1、ν2和ν3，获得高温金属熔体整体流动速度ν。
此外，将砂型中凝固后的M2高速钢钢取出，测量流形槽中M2高速钢钢的长度，还可获得M2高速钢钢的相对静态流动性。
实施例2测量42CrMo钢钢液流动性
(1)将42CrMo钢液流动性的测量装置放置在水平工作台上，通过水平调节器将整个装置的水平度调节到指定数值；
(2)将42CrMo钢液均匀注入浇口，待浇口中的42CrMo钢液液面超过第一低坝处时，42CrMo钢液将沿浇道进入缓冲池，实时调节42CrMo钢液的注入速度，防止42CrMo钢液液面高过第一高坝，待缓冲池中42CrMo钢液的液面与流形槽平齐时，42CrMo钢液将沿流形槽向前移动，通过非接触式精密电磁感应测量仪测定不同位置磁通密度波动的峰值和波动时间，并在计算机中记录，通过公式(1)～(3)则可得到不同时间段内M2高速钢钢液瞬时流速ν1和ν2。
(3)高速摄影机记录实时记录M2高速钢钢液表面的流动速度的变化情况，通过对高速摄影机的记录结果进行分析，通过公式(4)即可获得全过程任意时刻的瞬时流速ν3。
(4)采用origin软件耦合ν1、ν2和ν3，获得高温金属熔体整体流动速度ν。
此外，将砂型中凝固后的42CrMo钢取出，测量流形槽中42CrMo钢的长度，还可获得42CrMo钢的相对静态流动性。

Claims (10)

1.一种高温金属熔体动态流动性测试装置，其特征在于：该装置包括浇口杯(1)及设于浇口杯(1)下端的砂型(2)；其中，砂型(2)上设有缓冲池(3)，缓冲池(3)的右侧设有与其相连通的流形槽(4)，该流形槽(4)的下方沿其长度方向并列设有若干磁体(5)，流形槽(4)的上方通过设置石英玻璃板(6)进行覆盖。
2.根据权利要求1所述高温金属熔体动态流动性测试装置，其特征在于：该测试装置还包括监控磁体(5)的磁通密度变化的电磁感应测量仪(7)以及监控除浇口杯(1)覆盖区域外整个流形槽(4)内熔体流动过程的摄影机(8)。
3.根据权利要求1所述高温金属熔体动态流动性测试装置，其特征在于：所述磁体(5)的强度为0～100mT，数量为50～100个。
4.根据权利要求1所述高温金属熔体动态流动性测试装置，其特征在于：所述磁体(5)布置于除浇口杯(1)覆盖区域外的整个流形槽(4)正下方，磁体(5)离流形槽(4)的垂直距离小于1cm，磁体(5)之间的距离位于1cm之内。
5.根据权利要求2所述高温金属熔体动态流动性测试装置，其特征在于：所述摄像机(8)固定于流形槽(4)的正上方，到流形槽(4)的垂直距离为50cm。
6.根据权利要求1所述高温金属熔体动态流动性测试装置，其特征在于：所述浇口杯(1)内设有与缓冲池(3)相对应的浇道(9)，浇道(9)的右侧并与该浇道(9)上表面相齐平处设有第一低坝(A)，第一低坝(A)右侧并低于该第一低坝(A)设有浇口(10)；浇道(9)的左侧并与高于该浇道(9)设有第一高坝(B)，第一高坝(B)左侧并低于该第一高坝(B)设有溢流池(11)。
7.根据权利要求4所述高温金属熔体动态流动性测试装置，其特征在于：所述浇道(9)的轴线和缓冲池(3)的轴线相重合。
8.根据权利要求1所述高温金属熔体动态流动性测试装置，其特征在于：所述浇口杯(1)和砂型(2)分别通过设于其上的定位锁扣(12)相固定。
9.根据权利要求1所述高温金属熔体动态流动性测试装置，其特征在于：所述浇口杯(1)的侧壁和砂型(2)的侧壁上均设有把手(13)。
10.采用权利要求1的测试装置进行金属熔体流动的测量方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)输入相邻磁铁间距和待测金属熔体的电导率，测定不同位置磁通密度波动的峰值和波动时间，并根据如下式(1)获得不同时间段内高温金属熔体的瞬时流速：
Figure FDA0002730893210000021
式中，D为磁体之间的距离，t为与D对应的磁体磁场发生波动的时间差；
(2)根据如下式(2)和式(3)，获得高温金属熔体流过任一磁体时的流动速度ν2：
J＝σν2×B (2)
Figure FDA0002730893210000022
式中：J为感应电流密度；σ为高温金属熔体电导率；B为磁通密度；μ0为常数，其值为4π×10-7Tm/A；i为电流；向量ds是长度的微分元素；r是从电流元件指向传感器位置的矢量；
(3)记录高温金属熔体表面的流动速度变化，并根据如下式(4)获得高温金属熔体不同的表面瞬时流速ν3：
Figure FDA0002730893210000023
式中：Yj为第j帧图像的世界坐标系中位置，Yi为第i帧图像的世界坐标系中位置，且i＜j，f为高速摄像机摄像头的频率；
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