CN204807488U - 铸造合金熔体凝固过程的冷却曲线实时监测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种铸造合金熔体凝固过程的冷却曲线实时监测装置，为解决现有设备使用不方便问题，其包括温度信号采集与转换装置；温度信号采集与转换装置的信号输出接口通过数据传输线连接信号处理与可视化监控系统的信号输入接口；温度信号采集与转换装置连接配置底注式铸造模具的热电偶。具有能便捷和直观地获得铸造合金熔体的凝固冷却变化曲线，便于携带、简单实用的优点。

Description

铸造合金熔体凝固过程的冷却曲线实时监测装置

技术领域

本实用新型涉及一种铸造合金熔体监测装置，特别是涉及一种铸造合金熔体凝固过程的冷却曲线实时监测装置。

背景技术

铸造合金是高温合金化程度较高、不容易变形而采用精密铸造成型的合金，适用于熔融状态下充填铸型获得一定形状和尺寸铸件毛坯的合金，广泛应用于机械制造、航空航天、汽车工业等领域中。随着铸造合金技术的快速发展，国内外学者相继聚焦于不同类型合金熔体的熔炼与浇注工艺的研究，尤其注重不同模具材料、模具类型、模具尺寸等诸多因素对最终的合金组织与性能的影响。

铸造合金在凝固时，受摩擦阻力和收缩应力作用，形成缺陷的倾向，与冷却方式、凝固温度、铸造速度、液流分配等工艺参数有关。凝固温度是指液体金属从保温炉浇注入模具后的温度变化，其控制的有效程度是减少组织应力、防止裂纹的重要措施之一，须按合金品种及铸锭规格合理监测凝固温度，否则将造成铸造过程中温度梯度过大，内应力增加，导致开裂等严重后果。

国内外研究机构纷纷采用铸造专业设备用于凝固过程中温度的测试，但价格较为昂贵，且功能繁多，操作复杂，不利于携带，而国内自主开发此类设备的研究较少，与实验室灵活选用智能化温度测试设备不相适应。铸造行业中合金温度的测量，通常采用的方法为目测和快速热电偶插入法两种。快速热电偶插入法中，尽管其温度值可由记录仪记录，但由于快速热电偶只能在插入瞬间测量温度，而不能长时间连续在线测温，故只能在熔炼过程中抽取几点测量，无法掌握整个过程的温度变化情况，且每次测温须进行人工插入操作，每支电偶仅能单次使用，消耗量较大，成本高。因此，研发此类温度测试与检测装置对于便捷解决合金凝固冷却曲线的自动测试问题，揭示凝固理论中初晶相其结晶温度与组织机理关系十分关键。

计算机技术在可视化铸造及其凝固过程的模拟中的应用作用显著。近年来国内外学者相继开发出不同类型的铸造模拟软件，其中第三代模拟软件考虑温度场计算、凝固期间液体流动补缩、重量密度及合金显微组织的影响。特别是第三代模拟软件对合金熔体凝固冷却曲线所反映出相关参数(冷却速率、实时温度变化等)要求日益提高，但目前单靠普通热电偶的“断点式”测量则难以满足可视化铸造的模拟的需求，且不具备智能监测凝固温度曲线功能，目前国内外对自动测量软件的开发研究较少。因此，研发此类温度测试设备亦可对合金铸造和凝固过程中的温度场模拟具有重要的指导意义。故开发此类装置对于实时监测凝固过程温度信号变化、为可视化凝固过程中温度场模拟的顺利实现提供了技术保障，并具有重要的参考价值。

实用新型内容

本实用新型目的在于克服现有技术的上述缺陷，提供一种能便捷和直观地获得铸造合金熔体的凝固冷却变化曲线的铸造合金熔体凝固过程的冷却曲线实时监测装置。

为实现上述目的，本实用新型铸造合金熔体凝固过程的冷却曲线实时监测装置包括温度信号采集与转换装置；温度信号采集与转换装置的信号输出接口通过数据传输线连接信号处理与可视化监控系统的信号输入接口；温度信号采集与转换装置连接配置底注式铸造模具的热电偶。具有能便捷和直观地获得铸造合金熔体的凝固冷却变化曲线，便于携带、简单实用的优点。

作为优化，所述温度信号采集与转换装置包括连接热电偶的热电偶输入模块，所述热电偶输入模块下面配连模拟/数字信号转换模块，所述模拟/数字信号转换模块的数据输出接口通过数据传输线连接信号处理与可视化监控系统的数据输入接口。

作为优化，所述上下配置的热电偶输入模块和模拟/数字信号转换模块下方配置直流稳压驱动电源，所述模拟/数字信号转换模块通过电源连接导线连接直流稳压驱动电源。

作为优化，上下依次配置的热电偶输入模块和模拟/数字信号转换模块及直流稳压驱动电源配装在便携式箱体内。

作为优化，所述便携式箱体顶部有可用于观测热电偶输入模块工作状态的方形窗口。即便携式箱体顶端设置可用于观测热电偶输入模块工作状态的方形窗口。

作为优化，所述便携式箱体侧面设有可供连接多组热电偶的端口和RS-232数据传输接口，可实现5通道数据输出；所述便携式箱体是顶部配手提带的方箱。所述方箱具体为长方体箱，所述长方体箱配有顶开枢门或侧开枢门。所述枢门与门边框之间配置有锁固机构。

作为优化，所述可供连接多组热电偶的端口和RS-232数据传输接口分别是热电偶输入模块和模拟/数字信号转换模块露出所述便携式箱体侧面的端口。即箱体侧面设有可供连接多组热电偶的端口和RS-232数据传输接口，可实现5通道数据输出。

作为优化，所述便携式箱体侧面设有过载保护的三相交流电源插口；所述直流稳压驱动电源为24伏直流稳压驱动电源。同时箱体侧面设有过载保护的三相交流电源插口。

作为优化，所述热电偶输入模块为ADAM-4118热电偶输入模块；所述热电偶为K型热电偶。

作为优化，所述模拟/数字信号转换模块为具有数据转换功能的ADAM-4520模块；所述信号处理与可视化监控系统为安装有AdvantechAdam/Apax.NET控制系统软件的计算机控制系统。

所述便携式箱体优选为集成组装便携式箱体，其是将热电偶输入模块和模拟/数字信号转换模块依靠螺钉连接在一起，并固定于铝合金型材腔体上部，两个模块间采用导线连接，用于模块驱动的24V直流稳压电源固定于型腔底面，随后采用RS-232数据传输线与计算机控制系统连接且输出测试信号，并在型腔前后加盖铝合金盖板，且在其中后侧盖板上预置设有过载保护的三相交流电源插口，即完成型腔内集成组合。

本实用新型包括集合而成的测试装置箱体，一侧有可供连接K型热电偶的端口，可实现5通道同时输出，并于箱顶设有ADAM-4118热电偶输入模块指示灯可视窗口，以确定工作通道。箱体一侧留有ADAM-4520数据采集模块同计算机连接的数据线端口。并同时设有开关，以保证装置的使用寿命。多通道的同时输出实现了铸造合金熔体不同位置凝固冷却过程的实时监测，并为验证宽大铸型同一高度多个位置的凝固冷却一致性提供了条件。

使用时，将底注式铸造模具中热电偶的初始温度模拟信号采集到ADAM-4118热电偶输入模块，随后在24V稳压直流电源驱动下利用具有数据转换功能的ADAM-4520模块将温度模拟信号转化为数字信号，并与计算机AdvantechAdam/Apax.NET软件控制系统建立联系，最终可视化监测和输出，同时各模块部分采用导线进行连接。

基于K型热电偶对于铸造合金熔体凝固冷却过程中不同温度信号的不同敏感度机理，建立凝固冷却过程中温度信号的实时监测平台，得到合金熔体的连续凝固冷却曲线，通过计算曲线各点斜率获得可应用于模拟可视化铸造的合金熔体冷却速率，为实时监测凝固过程温度信号和指导可视化凝固过程中温度场模拟的顺利实现，提供了技术保障。

ADAM-4118热电偶输入模块是通过与K型热电偶连接直接浸入合金熔体中测试其内部温度实现的，ADAM-4118模块设置每0.3s采集一次温度信号，且另一端与ADAM-4520数据采集模块连接，将温度信号转化为电信号输出至计算机。ADAM-4520数据采集模块包括24V稳压直流电源驱动。ADAM-4520数据采集模块另一端与计算机相连接，利用相应软件记录不同时刻的实时温度。后期利用绘图软件，结合所采集温度数据绘制成图，计算相应时刻合金熔体冷却凝固速率，为模拟可视化铸造提供参考。

本实用新型的优点是与美国OMEGA仪器仪表有限公司生产的TC-08热电偶数据采集模块相比简单实用，成本低，实验平台便于操作，且无需购置配套专用热电偶，可有效降低生产成本，且为可视化铸造提供了定量的实验数据参考。

采用上述技术方案后，本实用新型铸造合金熔体凝固过程的冷却曲线实时监测装置具有能便捷和直观地获得铸造合金熔体的凝固冷却变化曲线，便于携带、简单实用、数据采集准确性高、稳定可靠、成本低且易于操作等优势，为合金熔体的可视化铸造奠定一定的实验基础。

附图说明

图1为本实用新型铸造合金熔体凝固过程的冷却曲线实时监测装置结构示意图；

1-底注式铸造模具；2-热电偶；3-RS-232数据传输线；4-热电偶输入模块；5-计算机控制系统；6-自组装便携式箱体；7-连接导线；8-24V直流稳压驱动电源；9-模拟/数字信号转换模块。

图2为底注式模具预热后浇铸纯铝的中部熔体的凝固冷却曲线变化图；

图3为底注式模具预热后浇铸Al-2wt.％Fe合金的中部熔体的凝固冷却曲线变化图。

具体实施方式

如图1所示，本实用新型铸造合金熔体凝固过程的冷却曲线实时监测装置包括温度信号采集与转换装置；温度信号采集与转换装置的信号输出接口通过数据传输线3连接信号处理与可视化监控系统5的信号输入接口；温度信号采集与转换装置连接热配置底注式铸造模具3的热电偶2。

具体是所述温度信号采集与转换装置包括连接热电偶2的热电偶输入模块4，所述热电偶输入模块4下面配连模拟/数字信号转换模块9，所述模拟/数字信号转换模块9的数据输出接口通过数据传输线3连接信号处理与可视化监控系统5的数据输入接口。

更具体是所述上下配置的热电偶输入模块4和模拟/数字信号转换模块9下方配置直流稳压驱动电源，所述模拟/数字信号转换模块通过电源连接导线连接24伏直流稳压驱动电源8。

优选上下依次配置的热电偶输入模块4和模拟/数字信号转换模块9及直流稳压驱动电源8配装在顶部配手提带、有可用于观测热电偶输入模块工作状态的方形窗口的便携式箱体6内。

所述便携式箱体6侧面设有过载保护的三相交流电源插口。

所述便携式箱体6侧面设有可供连接多组热电偶的端口和RS-232数据传输接口，可实现5通道数据输出；所述便携式箱体6是方箱。所述方箱具体为长方体箱，所述长方体箱配有顶开枢门或侧开枢门。所述枢门与门边框之间配置有锁固机构。

更优选所述可供连接多组热电偶的端口和RS-232数据传输接口分别是热电偶输入模块4和模拟/数字信号转换模块9露出所述便携式箱体6侧面的端口。

具体是所述热电偶输入模块4为ADAM-4118热电偶输入模块；所述热电偶2为K型热电偶。所述模拟/数字信号转换模块9为具有数据转换功能的ADAM-4520模块；所述信号处理与可视化监控系统5为安装有AdvantechAdam/Apax.NET控制系统软件的计算机控制系统。优选所述信号处理与可视化监控系统5为安装有AdvantechAdam/Apax.NET控制系统软件和Origin绘图软件的计算机控制系统。

即本实用新型包括K型热电偶，24V稳压直流电源，ADAM-4118热电偶输入模块，ADAM-4520数据采集模块以及Origin绘图软件。K型热电偶与ADAM-4118热电偶输入模块连接，感应两探头温度差值并输出模拟电压信号，通过导线传给ADAM-4520数据采集和转换模块，此模块一端与直流电源相连接，以提供驱动，另一端与计算机终端连接将电信号转化为数字信号进行输出。计算机同时启动AdvantechAdam/Apax.NET软件，进行数据采集与记录，最终用Origin软件绘制成图。

具体操作时，首先将本实用新型装置与平稳地面放置，确保测试期间信号稳定。将热电偶端头固定于模具欲测位置，避免贴壁，从而进行实时温度监测。同时接通电源选择ADAM-4118输出通道，设定每秒采集300个数据点。计算机启动AdvantechAdam/Apax.NET软件，进行数据记录。以均匀缓慢的速度将合金熔体注入模具内，同时监测计算机曲线变化，待温度下降至300℃左右时，断开热电偶连接，完成浇铸。利用采集数据进行曲线输出，最后根据所得冷却凝固曲线各时刻对应点的斜率求得冷却速率，为铸造模拟提供必要实验参数。为验证该装置的多通道测试的温度一致性，采用在位于底注式(反重力)铸造模具同一高度四点进行冷却温度实时监测。结果如下：

图2是底注式模具预热后浇铸纯铝的中部熔体的凝固冷却曲线变化。图中曲线1，2，3，4均为模具预热后中部熔体的冷却曲线，且4支热电偶同时工作。从图中可以清晰的看到，浇铸开始时，4支热电偶感应温度均迅速上升至650℃.并进入平台阶段。一段时间后，温度开始以较快的速度下降。至400℃左右，温度曲线趋于平稳，下降速度较为均匀。从浇铸开始阶段至熔体冷却结束，4条曲线均大致重合。

图3为底注式模具预热后浇铸Al-2wt.％Fe合金的中部熔体的凝固冷却曲线变化。图中曲线1，2，3，4均为模具预热后中部熔体的冷却曲线，且4支热电偶同时工作。从图中可以清晰的看到，浇铸开始时，4支热电偶感应温度均迅速上升至650℃又迅速下降至630℃左右。并进入平台阶段。一段时间后，温度开始以较快的速度下降。至380℃左右，温度曲线趋于平稳，下降速度较为均匀。从浇铸开始阶段至熔体冷却结束，4条曲线均大致重合。

综上，上述实验验证了铸造合金熔体冷却过程中的温度一致性，并实现了利用该装置的多通道同步监测的功能。

本实用新型包括温度信号采集与转换装置、信号处理与可视化监控系统、集成组装便携式箱体及底注式浇铸模具。其中温度信号采集与转换装置包括热电偶模拟信号输入模块、模拟/数字信号转换模块和稳压直流驱动电源；信号处理与可视化监控系统以计算机控制AdvantechAdam/Apax.NET软件及Origin绘图软件为基础，通过多通道热电偶监测合金熔体凝固过程的温度变化，并可视化显示出冷却曲线变化。便携式箱体是自主设计并集成组装的铝合金框架，巧妙地将凝固冷却曲线测试装置的各部分系统整合。本实用新型利用自组装模块实现凝固冷却曲线监测功能，有效地为中小型铸造试验质量监控降低成本，实现多类型铸造合金熔体在冷却凝固过程中温度曲线的自动测试功能。

采用上述技术方案后，本实用新型铸造合金熔体凝固过程的冷却曲线实时监测装置具有能便捷和直观地获得铸造合金熔体的凝固冷却变化曲线，便于携带、简单实用、数据采集准确性高、稳定可靠、成本低且易于操作等优势，为合金熔体的可视化铸造奠定一定的实验基础。

Claims (10)

1.一种铸造合金熔体凝固过程的冷却曲线实时监测装置，包括温度信号采集与转换装置；其特征在于温度信号采集与转换装置的信号输出接口通过数据传输线连接信号处理与可视化监控系统的信号输入接口；温度信号采集与转换装置连接配置底注式铸造模具的热电偶。

2.根据权利要求1所述监测装置，其特征在于所述温度信号采集与转换装置包括连接热电偶的热电偶输入模块，所述热电偶输入模块下面配连模拟/数字信号转换模块，所述模拟/数字信号转换模块的数据输出接口通过数据传输线连接信号处理与可视化监控系统的数据输入接口。

3.根据权利要求2所述监测装置，其特征在于所述上下配置的热电偶输入模块和模拟/数字信号转换模块下方配置直流稳压驱动电源，所述模拟/数字信号转换模块通过电源连接导线连接直流稳压驱动电源。

4.根据权利要求3所述监测装置，其特征在于上下依次配置的热电偶输入模块和模拟/数字信号转换模块及直流稳压驱动电源配装在便携式箱体内。

5.根据权利要求4所述监测装置，其特征在于所述便携式箱体顶部有可用于观测热电偶输入模块工作状态的方形窗口。

6.根据权利要求4所述监测装置，其特征在于所述便携式箱体侧面设有可供连接多组热电偶的端口和RS-232数据传输接口，可实现5通道数据输出；所述便携式箱体是顶部配手提带的方箱。

7.根据权利要求6所述监测装置，其特征在于所述可供连接多组热电偶的端口和RS-232数据传输接口分别是热电偶输入模块和模拟/数字信号转换模块露出所述便携式箱体侧面的端口。

8.根据权利要求4所述监测装置，其特征在于所述便携式箱体侧面设有过载保护的三相交流电源插口；所述直流稳压驱动电源为24伏直流稳压驱动电源。

9.根据权利要求2-8任一所述监测装置，其特征在于所述热电偶输入模块为ADAM-4118热电偶输入模块；所述热电偶为K型热电偶。

10.根据权利要求2-8任一所述监测装置，其特征在于所述模拟/数字信号转换模块为具有数据转换功能的ADAM-4520模块；所述信号处理与可视化监控系统为安装有AdvantechAdam/Apax.NET控制系统软件的计算机控制系统。