CN210015011U - 检测片状材料受金属熔流热冲击性能的装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种检测片状材料受金属熔流热冲击性能的装置，所述装置包括：样品框，其用于放置待测样品；金属熔流倾倒系统，其位于所述样品框上方，以将金属熔流倾倒至所述样品框上的待测样品；以及红外温度传感器，其朝向样品框设置于样品框下方，用于检测待测样品受金属熔流冲击时待测样品背面的实时温度。本实用新型的检测片状材料受金属熔流热冲击性能的装置可以一次完成ISO9185‑2007需要多次才能完成的检测，极大提高了检测效率。

Description

检测片状材料受金属熔流热冲击性能的装置

技术领域

本实用新型涉及一种检测片状材料受金属熔流热冲击性能的装置，属于材料性能试验仪器领域。

背景技术

金属和非金属的冶炼、铸造行业是一个高度危险的行业，其中发生频率最高的危险来源就是冶炼熔炉中熔融金属因不稳定因素突发的喷溅。

因此在这一行业中，如何穿戴防护服装和如何选择合适的防护服装是安全生产管理中的一个重要组成部分，而选择合适的防护服装最为直接的评估手段就是检测防护服装所采用的防护材料耐受金属熔流热冲击性能。

现今被普遍使用的耐受金属熔流热冲击性能检测方法和标准是IOS9185-2007版。

IOS9185-2007版的测试原理是，采用一片一定厚度的压花PVC膜贴在待测片状材料的背面，以标准规定的高度和冲击角度用规定量的金属熔体，在规定的熔体温度条件下，以规定的角速度旋转盛放金属熔体的坩埚，向待测片状材料倾倒坩埚内的熔体，待熔体倾倒完毕后一定时间内取下样品，观察贴在背面的PVC膜是否有介于粘流转变或熔融转变的变性——原来的压花纹是否变得平滑了，并以此判断是否要增加或减少金属熔体的浇铸量，如此反复试验直至达到能使PVC膜变性的最少金属量。

这个12年前的装置版本在当时自有其优势：简单、低成本，但是在现今其优势已被元器件的高度发展而大幅度削弱，而固有的缺陷被凸显：

1.测试周期长，需要反复浇铸才能获知待测材料耐金属熔体热冲击的损毁阈值；

2.无法得知和记录待测材料热冲击中的热传导经历；

3.最后的判定带有一定程度的主观性，而且判断是在160度左右到180度左右的区间内做出的，PVC膜本身的误差也是一个很大的误差来源；

4.坩埚是定速倾倒，金属熔流在倾倒过程中流速不是确定，而且也无法知道金属熔流在倾倒过程中的流速；

5.金属熔流飞溅试验后的损毁评估也是主观判断的。

因而，如何提供一种检测片状材料受金属熔流热冲击性能的装置及方法，是本领域技术人员需要解决的技术问题。

包括在本实用新型的背景部分中的信息仅仅旨在增加对本实用新型的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是提供一种检测片状材料受金属熔流热冲击性能的装置及方法。

为了解决上述技术问题，本实用新型提供一种检测片状材料受金属熔流热冲击性能的装置，所述装置包括：样品框，其用于放置待测样品；金属熔流倾倒系统，其位于所述样品框上方，以将金属熔流倾倒至所述样品框上的待测样品；以及红外温度传感器，其朝向样品框设置于样品框下方，用于检测待测样品受金属熔流冲击时待测样品背面的实时温度。

优选地，所述装置进一步包括：红外成像传感器，其设置于所述红外温度传感器附近；以及工业相机，其与所述红外成像传感器同轴相对设置于样品框上方，其光轴与样品框垂直并且与红外温度传感器的光轴在待测样品表面相交。

优选地，所述装置进一步包括：测试区域以及样品安装和烧损测定区域，所述测试区域位于金属熔流倾倒系统下方，所述样品安装和烧损测定区域位于所述测试区域附近，所述样品框能够在测试区域以及样品安装和烧损测定区域之间平移；以及激光位移距离传感器，其安装于所述样品安装和烧损测定区域上方，并且所述激光位移距离传感器的激光光轴与样品框垂直，用于测量待测样品的整个表面与激光位移距离传感器之间的垂直距离。

优选地，所述金属熔流倾倒系统包括：坩埚，其用于容纳金属熔流；可编程变速转动驱动器，其通过驱动轴与所述坩埚连接，所述驱动轴的转动轴线与所述坩埚的倾倒边缘相切；电机，其与所述可编程变速转动驱动器连接，以驱动所述可编程变速转动驱动器；红外测温探头，其设置在所述坩埚的上方，用于检测坩埚内金属熔流的实时温度；以及激光测距传感器，其设置在所述坩埚的上方，用于测定坩埚的倾倒边缘与待测样品表面之间的竖直距离。

优选地，所述装置进一步包括数据处理系统，其能够将红外温度传感器所检测的待测样品受金属熔流冲击时待测样品背面的实时温度进行模数转换处理。

此外，本实用新型还提供一种检测片状材料受金属熔流热冲击性能的方法，所述方法包括：1)将待测样品装入样品框；2)以预定的速度转动坩埚倾倒金属熔流；3)采集红外温度传感器所测得的待测样品受金属熔流冲击时待测样品背面的实时温度；以及4)当红外温度传感器所测得的待测样品受金属熔流冲击背面的实时温度达到设定值的时候，停止金属熔流的倾倒。

优选地，将待测样品装入样品框的步骤包括：在样品安装和烧损测定区域将待测样品装入样品框，用激光位移距离传感器对待测样品表面做逐行或逐列扫描以获得与激光位移距离传感器之间的垂直距离，然后将待测样品平移至测试区域；在停止金属熔流的倾倒之后，将待测样品平移回到样品安装和烧损测定区域等待第二次激光位移距离传感器对待测样品表面做逐行或逐列扫描以获得待测样品表面与激光位移距离传感器之间的垂直距离。

优选地，将待测样品平移回到样品安装和烧损测定区域之后，再次用激光位移距离传感器对待测样品表面做逐行或逐列扫描以获得待测样品表面与激光位移距离传感器之间的垂直距离，将同一位置点的前后距离差值记录为待测材料受热冲击后的形变指标，以及待测材料受热冲击后的烧损量。

优选地，所述预定的速度是服从预定函数的变角速度。

优选地，在执行步骤3)的时候，用红外成像传感器采集红外图像数据，用工业相机采集图像数据，用红外测温探头检测坩埚内金属熔流的实时温度，以及用激光测距传感器测定坩埚的倾倒边缘与待测样品表面之间的竖直距离。

本实用新型具有以下优点：

1.可以连续地实时地输出并记录熔体温度，因为测温点就位于高温金属熔体熔流下落起始点；

2.可以连续地实时地输出并记录高温熔流冲击点背面的温度；

3.可以根据熔体温度和高温熔流冲击点背面的温度的差值知道热传导过程；

4.可以根据需要调节高温熔流的倾倒流速，倾倒流速可以是恒定流速也可以是变速，为更深入地探究材料特性提供了极大的方便，由此带来的一个更大的好处是可以一次完成ISO9185-2007需要多次才能完成的检测，极大提高了检测效率；

5.可以知道在高温熔流冲击下沿片状材料平面的实时温度梯度分布，对研究材料的热传导特性有极大的学术价值；

6.对高温熔流造成的烧损评估完全是基于数据说明的，可以同时说明与高温熔流热冲击有关的烧损点数、总烧损量、烧损面积、最大烧损深度、片状材料的变形量、片状材料表面留存金属状态，以及待测材料受热冲击后的形变指标和烧损量。

本实用新型的方法和装置具有其它的特性和优点，这些特性和优点从并入本文中的附图和随后的实施方案中将是显而易见的，或者将在并入本文中的附图和随后的实施方案中进行详细陈述，这些附图和实施方案共同用于解释本实用新型的特定原理。

附图说明

为了可以很好地理解本实用新型，现在参考所附附图，以示例的方式来描述本实用新型的各种形式，在这些附图中：

图1是根据本实用新型的检测片状材料受金属熔流热冲击性能的装置的立体图；

图2是根据本实用新型的检测片状材料受金属熔流热冲击性能的装置的侧视图；

图3是根据本实用新型的检测片状材料受金属熔流热冲击性能的装置的样品框的示意图；

图4是根据本实用新型的检测片状材料受金属熔流热冲击性能的装置的高温熔体倾倒系统的立体图；

图5是根据本实用新型的检测片状材料受金属熔流热冲击性能的装置的高温熔体倾倒系统的侧视图。

应当理解，附图不一定是按照比例绘制，而是呈现各种特征的简化表示，以对本实用新型的基本原理进行说明。本实用新型所包括的具体设计特征(包括例如具体尺寸、方向、位置和形状)将部分地由具体所要应用和使用的环境来确定。

在这些图中，相同的附图标记表示本实用新型的相同或等同的部分。

具体实施方式

下面将参考所附附图对本实用新型的示例性实施方案进行描述。

参考图1，根据本实用新型的示例性实施方案的检测片状材料受金属熔流热冲击性能的装置可以包括：样品框1、高温熔体倾倒系统2以及红外温度传感器3，所述样品框1用于放置待测样品；所述高温熔体倾倒系统2位于样品框1上方，以将金属熔体倾倒至样品框1；所述红外温度传感器3朝向样品框1设置于样品框1下方，用于检测待测样品受高温熔体冲击背面的实时温度。

具体而言，本实用新型的示例性实施方案的检测片状材料受金属熔流热冲击性能的装置可以具有：待测样品平台、高温熔体倾倒系统2以及红外温度传感器3。

待测样品平台具有样品框1和样品框滑动槽，样品框1可以在样品框滑动槽内做平动，样品框滑动槽可以转动。

样品框滑动槽可以由轴驱动转动，轴本身还可以沿轴向方向运动，安装于样品框1内的样品在样品框滑动槽内由轴推动做平动，平动在两个区域内进行：测试区域以及样品安装和烧损测定区域，其中图1中的实线样品框的位置为测试区域，虚线样品框的位置为样品安装和烧损测定区域。测试区域可以用于进行金属熔流热冲击片状材料测试；样品安装和烧损测定区域可以用于将待测样品装入到样品框中，以及对测试完毕的样品进行烧损结果测定。

用于倾倒金属熔体的高温熔体倾倒系统2设置在待测样品平台的样品框1上方。

红外温度传感器3设置在样品框1下方距离样品框滑动槽所在平面一定垂直距离处。

在本实用新型的示例性实施方案的检测片状材料受金属熔流热冲击性能的装置的操作中，待测样品可以是片状材料，其放置在样品框1中；高温熔体倾倒系统2倾倒金属熔体至样品框1中的片状材料的上表面上；设置在样品框1下方的红外温度传感器3检测待测样品受高温熔体冲击背面(即，下表面)的实时温度。

当倾倒金属熔体完成以后，可以手动或通过工业相机和激光位移距离传感器测量样品的收缩率、熔体冲击位置的烧损体积、烧损点数、总烧损量、烧损面积、最大烧损深度、片状材料的变形量、片状材料表面留存金属状态以及其他与测量样品烧损相关的数据。

特别地，本实用新型的示例性实施方案的检测片状材料受金属熔流热冲击性能的装置进一步可以包括红外成像传感器4和工业相机5，所述红外成像传感器4设置于红外温度传感器附近；所述工业相机5与红外成像传感器4同轴相对设置于样品框1上方，其光轴与样品框1垂直并且与红外温度传感器3的光轴在待测样品表面相交。虽然本实用新型使用的是工业相机，但是其他可以满足照相功能的相机也是可以的。

特别地，本实用新型的示例性实施方案的检测片状材料受金属熔流热冲击性能的装置进一步可以包括激光位移距离传感器6，其安装于样品安装和烧损测定区域上方，并且激光位移距离传感器的激光光轴与样品框1垂直，用于测量待测样品的整个表面与激光位移距离传感器6之间的垂直距离。

具体而言，可以由红外成像传感器4、工业相机5、激光位移距离传感器6构成图像处理系统，工业相机5的光轴与样品框滑动槽所在平面垂直并且与红外成像传感器4同轴相对安置，激光位移距离传感器6安装于待测样品平台的烧损测定区域，其激光光轴与样品框滑动槽所在平面垂直并且可以平行于样品框滑动槽运动，红外温度传感器3安装于红外成像传感器4附近，其光轴与工业相机5的光轴在待测样品表面相交。

在操作中，红外成像传感器4可以采集待测样品背面的红外图像数据，工业相机5可以采集待测样品背面的图像数据。

激光位移距离传感器6平行于样品框1做平动，扫描待测样品的整个表面，测出待测样品与激光位移距离传感器6之间的垂直距离，待激光位移距离传感器6沿其轨迹做平行于样品框1的运动走完一个周期并以一定的阵列密度测得列或行数据后，样品框1被轴推动一个阵列密度的列或行距离，重复采样后获得整个待测样品表面的凹凸几何数据。

在倾倒金属熔体之前和金属熔体之后可以分别用激光位移距离传感器6对整个待测样品表面的凹凸几何数据进行采样，从而可以通过比较待测样品表面的变化来获得期望得到的结果。

参考图3，本实用新型的示例性实施方案的检测片状材料受金属熔流热冲击性能的装置的高温熔体倾倒系统2包括：坩埚21、可编程变速转动驱动器22、电机23、红外测温探头24以及激光测距传感器25，所述坩埚21用于容纳金属熔体；所述可编程变速转动驱动器22通过驱动轴与坩埚21连接，驱动轴的转动轴线与坩埚21的倾倒边缘相切；所述电机与可编程变速转动驱动器22连接，以驱动可编程变速转动驱动器22；所述红外测温探头24设置在坩埚21的上方，用于检测坩埚21内熔体的实时温度；所述激光测距传感器25设置在坩埚21的上方，用于测定坩埚21的倾倒边缘与待测样品表面之间的竖直距离。

特别地，电机23为伺服电机。

具体而言，高温熔体倾倒系统2由坩埚21、坩埚支架、轴线与坩埚21倾倒边缘相切的坩埚支架驱动轴、可编程变速转动驱动器22、伺服电机23、红外测温探头24、激光测距传感器25构成。

坩埚21中的高温熔体在可编程变速转动驱动器22和伺服电机23的驱动下，以设定的倾倒速度倾倒在已被轴推送至测试区域内的安装于样品框内的样品上。

激光测距传感器25可以测定坩埚的倾倒边缘至样品表面的竖直距离。

此外，本实用新型的示例性实施方案的检测片状材料受金属熔流热冲击性能的装置进一步可以包括数据处理系统7，其能够将红外温度传感器所检测的待测样品受高温熔体冲击背面的实时温度进行模数转换处理。

具体而言，数据处理系统7是多通道数据采集器，其对红外温度传感器3所测得的待测样品受高温熔体冲击背面的实时温度、红外测温探头24所测得的坩埚21内熔体实时温度、以及激光测距传感器25所测得的坩埚21的倾倒边缘至样品表面的竖直距离进行采集，并且将以上所获得的数据作模数转换处理后输出。

此外，还可以通过驱动轴的转速以及坩埚的容积变化率函数来间接获得高温熔体的计算流速。

另外，可以使用角度指示表尺测量样品框与竖直方向的夹角，即样品框与熔流之间的角度。

下面详细描述使用本实用新型的示例性实施方案的检测片状材料受金属熔流热冲击性能的装置来检测片状材料受金属熔体热冲击性能的方法。

检测片状材料受金属熔体热冲击性能的方法可以包括：将待测样品装入样品框；以预定的速度转动坩埚倾倒金属熔体；采集红外温度传感器所测得的待测样品受高温熔体冲击背面的实时温度；以及当红外温度传感器所测得的待测样品受高温熔体冲击背面的实时温度达到设定值的时候，停止高温熔体的倾倒。

特别地，将待测样品装入样品框的步骤包括：在样品安装和烧损测定区域将待测样品装入样品框，用激光位移距离传感器对待测样品表面做逐行或逐列扫描以获得与激光位移距离传感器之间的垂直距离，然后将待测样品平移至测试区域；在停止金属熔流的倾倒之后，将待测样品平移回到样品安装和烧损测定区域等待第二次激光位移距离传感器对待测样品表面做逐行或逐列扫描以获得待测样品表面与激光位移距离传感器之间的垂直距离。

特别地，将待测样品平移回到样品安装和烧损测定区域之后，再次用激光位移距离传感器对待测样品表面做逐行或逐列扫描以获得待测样品表面与激光位移距离传感器之间的垂直距离，将同一位置点的前后距离差值记录为待测材料受热冲击后的形变指标，以及待测材料受热冲击后的烧损量。

特别地，所述预定的速度是服从预定函数的变角速度。

特别地，在采集红外温度传感器所测得的待测样品受高温熔体冲击背面的实时温度的时候，用红外成像传感器采集红外图像数据，用工业相机采集图像数据，用红外测温探头检测坩埚内熔体的实时温度，以及用激光测距传感器测定坩埚的倾倒边缘与待测样品表面之间的竖直距离。

具体而言，检测片状材料受金属熔体热冲击性能的方法可以包括以下步骤：

A.将待测样品装夹入样品框1后在烧损测定区域放入样品框滑动槽内，启动测试程序；

B.激光位移距离传感器6平行于样品框做平动，扫描待测样品的整个表面，测出待测样品与激光位移距离传感器6之间的垂直距离，待激光位移距离传感器6沿其轨迹做平行于样品框1的运动走完一个周期并以一定的阵列密度测得列或行数据后，样品框1被轴推动一个阵列密度的列或行距离，重复采样后获得整个待测样品表面的凹凸几何数据；

C.轴推动样品框1进入测试区域；

D.在坩埚支架上放入盛有高温熔体的坩埚21并锁定；

E.待红外测温探头24输出的数据达到设定值后，可编程变速转动驱动器22和伺服电机23驱动坩埚支架驱动轴以预定的转速函数转动，该函数可以是定常角速度也可以是服从某一函数的变角速度，例如是能使高温熔体定流速倾倒的函数；

F.倾倒开始的同时，启动多通道数据采集器采集红外测温探头24测得的坩埚21内熔体实时温度、红外温度传感器3所测得的待测样品受高温熔体冲击背面的实时温度、坩埚21的倾倒边缘至样品表面的竖直距离、红外成像传感器4的红外图像数据、工业相机5采集的图像数据、通过由驱动轴的转速以及坩埚的容积变化率函数间接获得高温熔体的计算流速、以及使用角度指示表尺测量样品框与竖直方向的夹角；

G.若红外温度传感器3所测得的待测样品受高温熔体冲击背面的实时温度达到设定值后即停止高温熔体的倾倒，坩埚21恢复原位；

H.各传感器继续采集数据，停顿一段设定的时间，停止本步骤中启动的传感器数据采集并由轴驱动将样品框1推送至烧损测定区域1，手工吹扫刷除样品表面松动的碳化物和灰尘；

I.启动激光位移距离传感器6重复步骤B；

J.将步骤B和步骤I所获数据对比获得样品的收缩率、熔体冲击位置的烧损体积，并且根据工业相机5采集的图像数据做图像处理获得碳化烧损面积，根据红外成像传感器4获得样品4背面的温度梯度，以及根据坩埚内剩余金属量与试验前放入坩埚的初始金属量的差值获得达到温度阈值时所需的熔体量。

本实用新型具有以下优点：

1.可以连续地实时地输出并记录熔体温度，因为测温点就位于高温金属熔体熔流下落起始点；

2.可以连续地实时地输出并记录高温熔流冲击点背面的温度；

3.可以根据熔体温度和高温熔流冲击点背面的温度的差值知道热传导过程；

4.可以根据需要调节高温熔流的倾倒流速，倾倒流速可以是恒定流速也可以是变速，为更深入地探究材料特性提供了极大的方便，由此带来的一个更大的好处是可以一次完成ISO9185-2007需要多次才能完成的检测，极大提高了检测效率；

5.可以知道在高温熔流冲击下沿片状材料平面的实时温度梯度分布，对研究材料的热传导特性有极大的学术价值；

6.对高温熔流造成的烧损评估完全是基于数据说明的，可以同时说明与高温熔流热冲击有关的烧损点数、总烧损量、烧损面积、最大烧损深度、片状材料的变形量、片状材料表面留存金属状态，以及待测材料受热冲击后的形变指标和烧损量。

此外，激光位移距离传感器6获得的是实验前后表面的深度变化(前后差值)，而且现有商用化市售的激光位移距离传感器精度和分辨率可以达到微米级，具有足够的准确性。

前面对本实用新型具体示例性的实施方案所呈现的描述是出于说明和描述的目的。前面的描述并不旨在成为穷举的，也并不旨在把本实用新型限制为所公开的精确形式，显然，根据上述教导很多改变和变化都是可能的。选择示例性实施方案并进行描述是为了解释本实用新型的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的其它技术人员能够实现并利用本实用新型的各种示例性实施方案及其不同选择形式和修改形式。本实用新型的范围由所附权利要求及其等价形式所限定。

Claims (5)

1.一种检测片状材料受金属熔流热冲击性能的装置，其特征在于，所述装置包括：

样品框，其用于放置待测样品；

金属熔流倾倒系统，其位于所述样品框上方，以将金属熔流倾倒至所述样品框上的待测样品；以及

红外温度传感器，其朝向样品框设置于样品框下方，用于检测待测样品受金属熔流冲击时待测样品背面的实时温度。

2.根据权利要求1所述的检测片状材料受金属熔流热冲击性能的装置，其特征在于，所述装置进一步包括：

红外成像传感器，其设置于所述红外温度传感器附近；以及

工业相机，其与所述红外成像传感器同轴相对设置于样品框上方，其光轴与样品框垂直并且与红外温度传感器的光轴在待测样品表面相交。

3.根据权利要求1所述的检测片状材料受金属熔流热冲击性能的装置，其特征在于，所述装置进一步包括：

测试区域以及样品安装和烧损测定区域，所述测试区域位于金属熔流倾倒系统下方，所述样品安装和烧损测定区域位于所述测试区域附近，所述样品框能够在测试区域以及样品安装和烧损测定区域之间平移；以及

激光位移距离传感器，其安装于所述样品安装和烧损测定区域上方，并且所述激光位移距离传感器的激光光轴与样品框垂直，用于测量待测样品的整个表面与激光位移距离传感器之间的垂直距离。

4.根据权利要求1所述的检测片状材料受金属熔流热冲击性能的装置，其特征在于，所述金属熔流倾倒系统包括：

坩埚，其用于容纳金属熔流；

可编程变速转动驱动器，其通过驱动轴与所述坩埚连接，所述驱动轴的转动轴线与所述坩埚的倾倒边缘相切；

电机，其与所述可编程变速转动驱动器连接，以驱动所述可编程变速转动驱动器；

红外测温探头，其设置在所述坩埚的上方，用于检测坩埚内金属熔流的实时温度；以及

激光测距传感器，其设置在所述坩埚的上方，用于测定坩埚的倾倒边缘与待测样品表面之间的竖直距离。

5.根据权利要求1所述的检测片状材料受金属熔流热冲击性能的装置，其特征在于，所述装置进一步包括数据处理系统，其能够将红外温度传感器所检测的待测样品受金属熔流冲击时待测样品背面的实时温度进行模数转换处理。

Images