CN113477920A - 一种金属液充填节点监控装置、方法与反重力铸造设备 - Google Patents

Abstract

本申请实施例提供一种金属液充填节点监控装置、方法与反重力铸造设备，涉及反重力铸造技术领域。金属液充填节点监控装置的输出信号传输线的监控端和第一输入信号传输线的监控端分别插入铸型内底部的第一高度位置，连接端连接在一起，第二输入信号传输线的监控端插入铸型内顶部的第二高度位置，连接端与输出信号的连接端连接。当金属液上升至第一高度位置时，输出信号传输线和第一输入信号传输线之间形成通路；当铸型内部的金属液上升至第二高度位置时，输出信号传输线和第二输入信号传输线之间形成通路。该金属液充填节点监控装置、方法与反重力铸造设备，精确监控金属液充填铸型的节点，精确控制反重力铸造工艺过程。

Description

一种金属液充填节点监控装置、方法与反重力铸造设备

技术领域

本申请涉及反重力铸造技术领域，具体而言，涉及一种金属液充填节点监控装置、方法与反重力铸造设备。

背景技术

目前，反重力铸造技术是一种底注式浇注的方法，其工作原理是金属液在外加压力作用下，克服自身重力、型腔内阻力，沿着重力反方向完成充填铸型及凝固的过程。通常金属液储存在下室(熔炼舱)的坩埚内，铸型置入上室(工作舱)内，升液管的底端插入坩埚内，顶端与铸型连接，通过调节上室和下室的压强产生压力差，使坩埚内的金属液通过升液管进入铸型完成充型凝固。

目前，对于反重力铸造技术中金属液充填铸型的节点反馈(比如开始充填和完成充填的节点反馈)主要以前期计算工艺所需建立的上室和下室的压力差值与传感器反馈的实时压力差值进行比较，并结合经验判断节点，再手动输出节点信号。

这种以计算为主，经验为辅来判断反重力铸造工艺过程中节点的方法，无法监控金属液充填节点，实际节点与预想的节点存在时间差，也就无法达到精确控制工艺过程的目标，从而影响工艺过程及得到的铸件质量。

发明内容

本申请实施例的目的在于提供一种金属液充填节点监控装置、方法与反重力铸造设备，精确监控金属液充填铸型的节点，精确控制反重力铸造工艺过程，避免工艺超前或滞后。

第一方面，本申请实施例提供了一种金属液充填节点监控装置，其用于监控反重力铸造设备的铸型内部充填的金属液，金属液充填节点监控装置包括具有监控端和连接端的信号传输线，信号传输线包括输出信号传输线、第一输入信号传输线和第二输入信号传输线，输出信号传输线的监控端和第一输入信号传输线的监控端分别插入铸型内底部的第一高度位置，连接端连接在一起，第二输入信号传输线的监控端插入铸型内顶部的第二高度位置，连接端与输出信号的连接端连接；

金属液充填节点监控装置被配置成当铸型内部的金属液由底部充填至第一高度位置时，输出信号传输线和第一输入信号传输线之间通过金属液形成通路，当铸型内部的金属液由底部充填至第二高度位置时，输出信号传输线和第二输入信号传输线之间通过金属液形成通路。

在上述实现过程中，在反重力铸造设备中设置金属液充填节点监控装置，具体是在铸型内部的不同高度位置布置不同的信号传输线。在金属液由铸型底部向顶部的充填过程中，金属液液面首先会上升至第一高度位置，此时金属液会使输出信号传输线和第一输入信号传输线之间导通形成通路，从而精确反馈金属液充填至第一高度位置的节点；金属液液面接着会上升至第二高度位置，此时金属液会使输出信号传输线和第二输入信号传输线之间导通形成通路，从而精确反馈金属液充填至第二高度位置的节点；根据金属液充填过程中的不同节点，控制金属液的充填与凝固等工艺过程。因此通过本申请实施例的金属液充填节点监控装置，能够精确监控金属液充填铸型的节点，精确控制反重力铸造工艺过程，避免工艺超前或滞后，误差小。

在一种可能的实现方式中，其还包括可编程控制器，以及分别与可编程控制器连接的数字量输入模块、数字量输出模块，数字量输出模块与输出信号传输线的连接端连接，数字量输入模块分别与第一输入信号传输线的连接端、第二输入信号传输线的连接端连接。

在上述实现过程中，通过数字量输出模块可以输出电压给输出信号传输线，反重力铸造工艺开始后，金属液向铸型内充填的过程中，该电压通过形成通路的第一输入信号传输线或第一输入信号传输线输出至数字量输入模块，再反馈给可编程控制器，从而完成反重力铸造工艺过程中金属液充填铸型不同节点的精确监控，根据不同节点能够精确控制反重力铸造工艺过程。

在一种可能的实现方式中，信号传输线的连接端均位于铸型外部。

在上述实现过程中，由于精密铸造浇注前需对模壳及升液管进行预热，以保证浇注效果，位于铸型外部的信号传输线可以承受至少1000℃的高温加热，适合高温合金的精密铸造工艺亦可用于连接设置其他预热要求在1000℃以内的精密铸造工艺设备。

在一种可能的实现方式中，信号传输线还包括至少一根第三输入信号传输线，所有第三输入信号传输线的监控端插入铸型内部位于第一高度位置和第二高度位置之间的不同高度位置，连接端与输出信号的连接端连接；当铸型内部的金属液由底部充填至第三输入信号传输线监控端插入的高度位置时，输出信号传输线和第三输入信号传输线之间通过金属液形成通路。

在上述实现过程中，通过在第一高度位置和第二高度位置之间的不同高度位置增设不同的第三输入信号传输线，当金属液上身至对应高度位置时，同样能够形成通路从而反馈该节点，通过增加节点反馈能够实现反重力铸造工艺过程更为复杂的控制。

在一种可能的实现方式中，信号传输线为熔点>1000℃的金属材料线；可选地，信号传输线为熔点>1000℃的镍基金属线。

在上述实现过程中，模壳预热的温度一般不大于1000℃，采用熔点大于1000℃的金属材料线能够适应模壳预热环境，而且还能够导电形成通路。

在一种可能的实现方式中，反重力铸造设备还包括用于输送金属液的升液管，升液管由铸型内部底面插入铸型内部，铸型内底部是指距离升液管顶端-20mm～20mm的位置；铸型内顶部是指距离铸型内部顶面0～20mm的位置。

在上述实现过程中，在铸型根据铸型及铸造工艺控制需求设置节点位置，即信号传输线监控端的高度位置。

在一种可能的实现方式中，采用密封粘结材料对信号传输线的插入端与铸型之间进行粘接；密封粘结材料的原料按质量分数计包括：40％～70％补埚料、25％～55％水玻璃和5％碳化硅。

在上述实现过程中，密封粘结材料的密封效果好，避免铸型内部的金属液因设置信号传输线而发生渗漏。

第二方面，本申请实施例提供了一种基于第一方面提供的金属液充填节点监控装置的金属液充填节点监控方法，在金属液由铸型底部充填至内部，并由底部上升至顶部的过程中，当金属液上升至第一高度位置时，输出信号传输线和第一输入信号传输线之间形成通路，并输入反馈信号；当铸型内部的金属液上升至第二高度位置时，输出信号传输线和第二输入信号传输线之间形成通路，并输入反馈信号；根据反馈信号控制金属液充填过程。

在上述实现过程中，能够精确监控金属液充填铸型的节点，并输入反馈信号，从而根据反馈信号精确控制反重力铸造工艺过程。

在一种可能的实现方式中，根据反馈信号控制金属液充填过程的方法为：根据反馈信号确定金属液充填节点并调节金属液继续充填的速率至预定速率，以满足不同节点的金属液充填速率要求。

在上述实现过程中，根据反馈信号确定金属液充填节点并调节金属液继续充填的速率至预定速率，以满足反重力铸造工艺过程中不同节点需要按照不同充填速率的需求。

在一种可能的实现方式中，根据反馈信号控制金属液充填过程的方法为：根据金属液上升至第一高度位置的时间间隔计算金属液的充填速率，根据金属液从第一高度位置上升至第二高度位置的时间间隔计算金属液的充填速率，根据计算得到的金属液的充填速率调整金属液继续充填的速率。

在上述实现过程中，根据不同节点之间的时间间隔能够计算金属液的实际充填速率，并根据该实际充填速率及时调整金属液继续充填的速率。

第三方面，本申请实施例提供了一种反重力铸造设备，其包括铸型和第一方面提供的金属液充填节点监控装置，所有信号传输线的监控端插入铸型内部的不同高度位置。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本申请第一实施例提供的一种金属液充填节点监控装置的结构示意图；

图2为本申请第二实施例提供的一种金属液充填节点监控装置的结构示意图。

图标：01-铸型；02-升液管；100-金属液充填节点监控装置；110-输出信号传输线；120-第一输入信号传输线；130-第二输入信号传输线；140-可编程控制器；150-数字量输出模块；160-数字量输入模块；200-金属液充填节点监控装置；210-第三输入信号传输线。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行描述。

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本申请实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本申请的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

第一实施例

请参看图1，本实施例提供的一种金属液充填节点监控装置100，其用于监控反重力铸造设备的铸型01内部充填的金属液，反重力铸造设备还包括用于输送金属液的升液管02，升液管02由铸型01内部底面插入铸型01内部。金属液充填节点监控装置100包括信号传输线、可编程控制器140(PLC)，以及数字量输入模块160(DI)、数字量输出模块150(DQ)。信号传输线至少具有两个端部：监控端和连接端，信号传输线分为输出信号传输线110、第一输入信号传输线120和第二输入信号传输线130，其中，输出信号传输线110的监控端和第一输入信号传输线120的监控端分别插入铸型01内底部的第一高度位置A并能够与上升至此位置的金属液接触，二者的连接端分别接入可编程控制器140的数字量输出模块150与数字量输入模块160中所对应的实现相应功能的信号输出点与信号接收点，具体是数字量输出模块150与输出信号传输线110的连接端连接(输出信号传输线110的连接端接入数字量输出模块150的预设点位接线端子处)，第一输入信号传输线120的连接端与数字量输入模块160连接(第一输入信号传输线120的连接端和第二输入信号传输线130的连接端分别接入数字量输入模块160的预设点位接线端子处)，数字量输入模块160和数字输出模块之间通过PLC连接；第二输入信号传输线130的监控端插入铸型01内顶部的第二高度位置B并能够与上升至此位置的金属液接触，连接端与输出信号的连接端连接，接入可编程控制器140的数字量输入模块160中所对应的实现监控第二高度位置功能的信号接收点，具体是第二输入信号传输线130的连接端与数字量输入模块160连接(第二输入信号传输线130的连接端接入数字量输入模块160的预设点位接线端子处)。

金属液充填节点监控装置100被配置成当铸型01内部的金属液由底部充填至第一高度位置时，输出信号传输线110和第一输入信号传输线120之间通过金属液形成通路，当铸型01内部的金属液由底部充填至第二高度位置时，输出信号传输线110和第二输入信号传输线130之间通过金属液形成通路。形成通路的线路将输出信号传输线110的电信号传入可编程控制器140的数字量输入模块160中分别监控A、B高度位置功能的电信号接收点，以供可编程控制器140内的程序进行布尔判断。

本申请实施例中，信号传输线的连接端均位于铸型01外部，具体地，输出信号传输线110的连接端、第一输入信号传输线120的连接端和第二输入信号传输线130的连接端均位于铸型01外部，可编程控制器140(PLC)，以及数字量输入模块160(DI)、数字量输出模块150(DQ)也均位于铸型01外部。

本申请实施例中，可编程控制器140输出电压信号给数字量输出模块150，数字量输出模块150，数字量输出模块150输出电压信号给输出信号传输线110，输出信号传输线110再通过金属液与第一输入信号传输线120或第二输入信号传输线130连通后，电压信号再通过第一输入信号传输线120或第二输入信号传输线130传输给数字量输入模块160，最后输入至可编程控制器140，实现信号反馈。

本申请实施例中铸型01内底部是指距离升液管02顶端-20mm～20mm的位置；铸型01内顶部是指距离铸型01内部顶面0～20mm的位置。即第一高度位置A是指距离升液管02顶端-20mm～20mm的位置，第二高度位置B是指距离铸型01内部顶面0～20mm的位置，本实施例中，第一高度位置A是指距离升液管02顶端1.5mm的位置，第二高度位置B是指距离铸型01内部顶面1.5mm的位置。

本申请实施例中，所有信号传输线材质相同，均为熔点>1000℃的耐高温金属材料线；例如，信号传输线为熔点>1000℃的镍基金属线。在铸型01内部插设了信号传输线后，采用密封粘结材料对信号传输线的插入端与铸型01之间进行粘接；密封粘结材料的原料按质量分数计包括：40％～70％补埚料、25％～55％水玻璃和5％碳化硅。本实施例采用的密封粘结材料按质量分数是由65％补埚料、30％水玻璃和5％碳化硅混合而成。

本实施例还提供一种基于上述的金属液充填节点监控装置100的金属液充填节点监控方法，在金属液由铸型01底部充填至内部，并由底部上升至顶部的过程中，当金属液上升至第一高度位置时，输出信号传输线110和第一输入信号传输线120之间形成通路，并给可编程控制器140的数字量输入模块160输入反馈信号(例如电压的数字量信号)；当铸型01内部的金属液上升至第二高度位置时，输出信号传输线110和第二输入信号传输线130之间形成通路，并给可编程控制器140输入反馈信号(例如电压的数字量信号)；根据反馈信号控制金属液充填过程。控制金属液充填过程通常包括控制金属液充填启停和控制金属液充填速率。

在实际反重力铸造工艺过程中，金属液充填铸型01的不同区域需要采用不同的充填速率才能达到比较好的铸型01效果，本申请实施例在不同区域的分界位置设置反馈节点，再根据节点的反馈信号控制金属液在该节点的下一个区域的充填效率。根据反馈信号控制金属液充填过程的方法一般为：根据反馈信号确定金属液充填节点并调节金属液继续充填的速率至预定速率，亦或开启例如工作舱降温系统等，以满足不同节点的金属液充填速率要求以及不同节点铸造工艺中其他功能的实现。

本实施例的金属液充填节点监控方法具体包括以下步骤：

步骤1：通过数字量输出模块150(DQ)的预设点位接线端子处输出24V电压给连接的输出信号传输线110，高温合金反重力铸造工艺过程开始后，金属液从升液管02向铸型01内充填；

步骤2：当金属液由升液管02充填至第一高度位置A时，与数字量输入模块160(DI)的预设点位接线端子处和数字量输出模块150(DQ)的预设点位接线端子处相连的输出信号传输线110和第一输入信号传输线120通过铸型01内的金属液实现通路，此时反馈第一个信号给可编程控制器140(PLC)，可编程控制器140接到第一个反馈信号时调整金属液的上升速率。

步骤3：当金属液充填至第二高度位置时，与数字量输出模块150的预设点位接线端子处和与数字量输入模块160的预设点位接线端子处相连的输出信号传输线110和第二输入信号传输线130通过铸型01内金属液实现通路，此时反馈第二个信号给可编程控制器140，可编程控制器140接到第二个反馈信号时降低金属液的上升速度，并开始后续工艺流程的控制，从而完成高温合金反重力铸造工艺过程节点的精确控制。

第二实施例

请参看图2，本实施例提供的一种金属液充填节点监控装置200，其结构与第一实施例的结构大致相同，不同之处在于：信号传输线还包括两根第三输入信号传输线210，所有所述第三输入信号传输线210的监控端插入所述铸型01内部位于所述第一高度位置A和所述第二高度位置B之间的不同高度位置C、D，连接端与所述输出信号的连接端连接，接入可编程控制器140的数字量输入模块160中所对应完成实现监控C、D高度位置功能的信号接收点；当所述铸型01内部的金属液由底部充填至所述第三输入信号传输线210监控端插入的高度位置时，所述输出信号传输线110和所述第三输入信号传输线210之间通过所述金属液形成通路。

在采用上述的金属液充填节点监控装置200进行金属液充填节点监控方法的过程中，根据所述反馈信号控制金属液充填过程的方法为：

根据金属液从进入铸型01内部上升至第一高度位置A的时间间隔计算金属液的充填速率，根据计算得到的金属液的充填速率调整金属液继续充填至高度位置C的速率。

根据金属液从第一高度位置A上升至高度位置C的时间间隔计算金属液的充填速率，根据计算得到的金属液的充填速率调整金属液继续充填至高度位置D的速率。

根据金属液从高度位置C上升至高度位置D的时间间隔计算金属液的充填速率，根据计算得到的金属液的充填速率调整金属液继续充填的速率，直至填充完毕，实现高温合金反重力铸造工艺过程节点的精确控制。

综上所述，本申请实施例的金属液充填节点监控装置、方法与反重力铸造设备能够精确监控金属液充填铸型的节点，精确控制反重力铸造工艺过程，避免工艺超前或滞后。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请的保护范围，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种金属液充填节点监控装置，其用于监控反重力铸造设备的铸型内部充填的金属液，其特征在于，所述金属液充填节点监控装置包括具有监控端和连接端的信号传输线，所述信号传输线包括输出信号传输线、第一输入信号传输线和第二输入信号传输线，所述输出信号传输线的监控端和所述第一输入信号传输线的监控端分别插入所述铸型内底部的第一高度位置，连接端连接在一起，所述第二输入信号传输线的监控端插入所述铸型内顶部的第二高度位置，连接端与所述输出信号的连接端连接；

所述金属液充填节点监控装置被配置成当所述铸型内部的金属液由底部充填至所述第一高度位置时，所述输出信号传输线和所述第一输入信号传输线之间通过所述金属液形成通路，当所述铸型内部的金属液由底部充填至第二高度位置时，所述输出信号传输线和所述第二输入信号传输线之间通过所述金属液形成通路。

2.根据权利要求1所述的金属液充填节点监控装置，其特征在于，其还包括可编程控制器，以及分别与所述可编程控制器连接的数字量输入模块、数字量输出模块，所述数字量输出模块与所述输出信号传输线的连接端连接，所述数字量输入模块分别与第一输入信号传输线的连接端、第二输入信号传输线的连接端连接。

3.根据权利要求1或2所述的金属液充填节点监控装置，其特征在于，所述信号传输线的连接端均位于所述铸型外部。

4.根据权利要求1所述的金属液充填节点监控装置，其特征在于，所述信号传输线还包括至少一根第三输入信号传输线，所有所述第三输入信号传输线的监控端插入所述铸型内部位于所述第一高度位置和所述第二高度位置之间的不同高度位置，连接端与所述输出信号的连接端连接；当所述铸型内部的金属液由底部充填至所述第三输入信号传输线监控端插入的高度位置时，所述输出信号传输线和所述第三输入信号传输线之间通过所述金属液形成通路。

5.根据权利要求1所述的金属液充填节点监控装置，其特征在于，所述信号传输线为熔点>1000℃的金属材料线；可选地，所述信号传输线为熔点>1000℃的镍基金属线。

6.根据权利要求1所述的金属液充填节点监控装置，其特征在于，所述反重力铸造设备还包括用于输送金属液的升液管，所述升液管由所述铸型内部底面插入所述铸型内部，所述铸型内底部是指距离升液管顶端-20mm～20mm的位置；铸型内顶部是指距离铸型内部顶面0～20mm的位置。

7.根据权利要求1所述的金属液充填节点监控装置，其特征在于，采用密封粘结材料对信号传输线的插入端与所述铸型之间进行粘接；所述密封粘结材料的原料按质量分数计包括：40％～70％补埚料、25％～55％水玻璃和5％碳化硅。

8.一种基于权利要求1至7中任一项所述的金属液充填节点监控装置的金属液充填节点监控方法，其特征在于，在金属液由铸型底部充填至内部，并由底部上升至顶部的过程中，当金属液上升至第一高度位置时，输出信号传输线和所述第一输入信号传输线之间形成通路，并输入反馈信号；当所述铸型内部的金属液上升至第二高度位置时，所述输出信号传输线和所述第二输入信号传输线之间形成通路，并输入反馈信号；根据所述反馈信号控制金属液充填过程。

9.根据权利要求8所述的金属液充填节点监控方法，其特征在于，根据所述反馈信号控制金属液充填过程的方法为：根据所述反馈信号确定金属液充填节点并调节金属液继续充填的速率至预定速率，以满足不同节点的金属液充填速率要求；

或者，根据所述反馈信号控制金属液充填过程的方法为：根据金属液上升至第一高度位置的时间间隔计算金属液的充填速率，根据金属液从第一高度位置上升至第二高度位置的时间间隔计算金属液的充填速率，根据计算得到的金属液的充填速率调整金属液继续充填的速率。

10.一种反重力铸造设备，其特征在于，其包括铸型和如权利要求1至7中任一项所述的金属液充填节点监控装置，所有所述信号传输线的监控端插入所述铸型内部的不同高度位置。

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