DE69533758T2

DE69533758T2 - Verfahren zur kontaktlosen kontinuierlichen temperaturmessung der aushärtung von metalllegierungen

Info

Publication number: DE69533758T2
Application number: DE69533758T
Authority: DE
Inventors: Rudolf Valentin Sillen
Original assignee: NovaCast AB
Current assignee: NovaCast AB
Priority date: 1995-06-30
Filing date: 1995-06-30
Publication date: 2005-03-31
Anticipated expiration: 2015-07-01
Also published as: EP0835440A1; ATE282199T1; JP3308276B2; WO1997002485A1; JP2000505188A; EP0835440B1; DE69533758D1; US5951164A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur kontaktlosen kontinuierlichen Temperaturmessung der Aushärtung von Metalllegierungen.
Metalllegierungen bestehen aus einem mit einem oder mehreren chemischen Elementen legierten Basismetall. Beispiele von Legierungen sind Bronze, Messing und Gusseisen. Während der Aushärtung werden die verschiedenen Phasen aus der Schmelze getrennt, bis sich die letztere vollständig in ihre Feststoffphase umgewandelt hat. Phasentrennung setzt Schmelzwärme frei. Die Schmelzwärme verlangsamt kurzzeitig die Aushärtungsgeschwindigkeit. Durch Hinzufügen einer Nachfüllschmelze zu einem Probekörper wird es möglich, den Aushärtungsprozess mittels eines Thermoelementes zu überwachen und den Temperatur/Zeit-Verlauf zu untersuchen. Eine Schmelze mit einer spezifischen chemischen Zusammensetzung kann in verschiedenen Arten abhängig von ihren Inhalten an Gasen und Kristallisierungskernbildungsmitteln aushärten. Die Art, in welcher die Legierung aushärtet, beeinflusst ihre Gießbarkeit und ihre physikalischen Eigenschaften. Während der letzten zwanzig Jahre wurden Untersuchungen des Temperatur/Zeit-Diagramms in der Industrie zur Analyse von Metallschmelzen verwendet. Als Ergebnis dieser Untersuchungen wurde es möglich, charakteristische Eigenschaften während des Aushärtungsvorganges zu identifizieren, charakteristische Eigenschaften, welche mit spezifischen Eigenschaften der Legierungen korreliert sein können. Das Verfahren ist als thermische Analyse bekannt und wird dazu benutzt, um eine Vorhersage der Eigenschaften verschiedener Legierungen möglich zu machen und somit die komplexen Schmelz- und Behandlungsprozesse in Verbindung mit unterschiedlichen Legierungen zu kontrollieren.
Die thermische Analyse wird in größtem Umfang in Verbindung mit Gusseisenlegierungen genutzt. Die thermische Analyse ermöglicht eine effizientere Ablaufsteuerung mit daraus resultierenden erheblichen Einsparungen in der Gießerei in Form von weniger Schrott, höherer Produktausbeute und niedrigerem Verbrauch von Impfmitteln und anderen Zusätzen. Gusseisenlegierungen basieren auf mit Kohlenstoff, Silizium, Phosphor und oft auch Mangan, Chrom, Kupfer und anderen Substanzen legierten Eisen. Bei dem Vorgang der thermischen Analyse wird ein Probekörper gegossen, welcher aus einem so genannten Massenformsand hergestellt und in ihrer Mitte mit einem Thermoelement aus Platin/Platin-Rhodium versehen ist. Das Modul des Probekörpers ist etwa 0,75 cm, äquivalent zu einer Aushärtungszeit von etwa 2,5 Minuten, um die Solidus-Temperatur der Legierung zu erreichen. Der Probekörper kann nur ein einziges Mal verwendet werden, da das Thermoelement während des Gießvorgangs in den Probekörper eingebettet wird, und die Wärme das Bindemittel in der Probekörperform verschlechtert. Um den Schmelzprozess zu untersuchen ist mindestens ein Test pro Schmelze erforderlich. Der Verbrauch an Probekörpern wird daher erheblich und ist ein ernsthafter Kostensteigerungsfaktor. Da die Thermoelemente Wegwerfteile sind, kann die wiederholbare Messgenauigkeit unsicher sein.
Eine offensichtliche Vorgehensweise war der Versuch, optische Temperaturmessinstrumente (Pyrometer) für eine kontaktlose Erfassung der Temperatur durch Durchführen von Messungen auf der Oberfläche eines Probekörpers durchzuführen, sie z. B. Dokument SU-A-602838. Optische Pyrometer basieren auf der Messung der Strahlung innerhalb des Infrarot-Bereichs. Die Strahlung hängt von der Oberflächentemperatur des Objektes und dessen Emissionsverhalten ab. Das Problem besteht darin, dass sich dass Emissionsverhalten während der Verfestigung ändert. Beispielsweise tritt bei der Aushärtung von Gusseisen eine endogene Schlackenausbildung auf, wenn die Temperatur unter der sogenannten Gleichgewichtstemperatur der Schmelze liegt. Sobald die Temperatur niedriger als die Gleichgewichtstemperatur ist, oxidieren beispielsweise Silizium und Mangan unter der Ausbildung von Schlacken. Die Dichte der Schlacken ist etwa 2,5 im Vergleich zu etwa 6,9 im Falle der Schmelze, weshalb die Schlacke auf der Oberfläche bleibt. Somit verändern die Schlacken das Emissionsverhalten in einer Weise, die schwer vorherzusagen ist. Die Verwendung optischer Temperaturmessverfahren in dem Falle der thermischen Analyse, welche eine konstante Überwachung der Temperatur von der Gießtemperatur bis zu der des Solidus erfordert, war bisher nicht möglich, da dieses Verfahren nicht die erforderliche Messgenauigkeit liefern konnte. Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Ermöglichung der Verwendung der optischen Temperaturmessung für eine kontaktlose kontinuierliche Messung des Aushärtungsverlaufs von Metalllegierungen. Somit macht es die Erfindung möglich, erheblich die Kosten von Probekörpern mit eingebauten Thermoelementen zu verringern.
Die Erfindung betrifft somit ein Verfahren für eine kontaktlose Temperaturmessung der Aushärtung für Metalllegierungen, welche ein Rotieren der zu analysierenden Schmelze um eine vertikale Achse in einem zylindrischen und konzentrisch positionierten Probekörper und das Ausführen der Temperaturmessung mit Hilfe eines optischen Temperaturmeßgerätes umfasst, wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass eine parabelförmige Innenoberfläche während der Rotation erzeugt wird, und dass die Temperaturmessung an einem Teil der oberen Grenzfläche der Parabel durchgeführt wird.
Die Erfindung wird nachstehend detaillierter unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in welchen
1 eine schematische Ansicht einer Vorrichtung für die Durchführung des Verfahrens ist;
2 eine Probenpfanne in Ruheposition darstellt und
3 dieselbe Pfanne während ihrer Rotation darstellt.
Die zu analysierende Schmelze 3 wird in einen Probekörper 2 gegossen, welches in eine Rotationsbewegung um eine vertikale Achse 7 gebracht wird. Während der Rotation trennt die Zentrifugalkraft die Schmelze von der abgetrennten Schlacke. Die Schlacke mit der niedrigeren Dichte sammelt sich bei der Mitte der parabelförmigen Innenoberfläche 4. Durch Anpassung der Rotationsgeschwindigkeit wird es möglich, der parabelförmigen Innenoberfläche die für den gedachten Zweck geeignetste Konfiguration zu geben. In dem oberen Teil der Parabel bildet sich eine konzentrische Zone, welche praktisch frei von Schlacke ist, und welche eine stabile Emission besitzt, die für eine optische Temperaturmessung geeignet ist. Neu gebildete Schlacke wird durch die Zentrifugalkraft zu dem Boden der Parabelfläche transportiert.
Gemäß der Ausführungsform von 1 besitzt der in Formsand hergestellte Probekörper 2 eine Wanddicke von etwa 5 mm und ist in einem zylindrischen Halter 1 aus Stahl angeordnet. Der Probekörper 2 wird in den Halter 1 eingedrückt und darin durch Reibung gehalten. Der Halter ist auf einer vertikalen Welle 7 montiert, welche direkt mit einem Elektromotor 8 verbunden ist. Die Welle 7 ist mit einer horizontalen Welle 9 ver bunden, die in einem mit einem Kolben/Zylinderaggregat 10 verbundenen Ständer befestigt ist. Der obere Teil des Ständers trägt ein optisches Pyrometer 6. Das optische Pyrometer ist bevorzugt etwa 500 mm von der zu testenden Oberfläche 5 entfernt. Die Optik des Pyrometers ist dafür angepasst, dass sich bevorzugt ein Durchmesser der zu prüfenden Oberfläche 5 von etwa 5 mm ergibt. Verschiedene geeignete Arten optischer Pyrometer sind auf dem Markt verfügbar. Das Pyrometer 6 kann ein Zwei-Farben-Typ sein, oder kann dafür eingerichtet sein, nur einen eingeschränkten Teil des Spektrums zu messen, um die Effekte variierender Emissionskoeffizienten zu minimieren. Bevorzugt ist das Pyrometer für die Sicherstellung eingestellt, dass die registrierten Temperaturen integrierte Mittelwerte sind, welche über eine Zeitdauer von bevorzugt 1 Sekunde gemessen werden.
Bevorzugt wird der Durchmesser des Probekörpers innerhalb des Bereichs von 80 bis 150 mm und dessen Höhe in den Bereich von 80 bis 100 mm gewählt. Die Rotationsgeschwindigkeit ist auf den Durchmesser und so angepasst, dass sichergestellt ist, dass die gewünschte eine ausreichende Schlackentrennung erzeugende Parabelkonfiguration erzielt wird. Bei einer ersten Ausführungsform, bei welcher die Innendurchmessergröße 100 mm und die Höhe 80 mm ist, hat sich eine Drehzahl von 150 Upm als geeignet für die Erzeugung der Parabeloberfläche erwiesen, in welcher die vertikale Differenz zwischen den oberen und unteren Pegeln etwa 40 mm war. Bei diesen Durchmesser- und Drehzahlbedingungen wurde ein Aushärtungsmodul von etwa 0,75 cm erhalten, d. h., dasselbe wie in dem herkömmlichen Probekörper.
Um sicherzustellen, dass die Messoberfläche dieselbe Position während wiederholter Analysen annimmt, ist es wichtig, dass das Schmelzvolumen konstant ist. Dieses kann durch die Verwendung einer Probennahmepfanne, welche immer bis auf vorbestimmte Höhe aufgefüllt ist, oder durch Wiegen erreicht werden. Gemäß der Erfindung kann das Problem gelöst werden, indem der Probekörper 2 mit einem konzentrischen Innenzylinder 11 gemäß 2 versehen wird. Die Höhe des Innenzylinders 11 wird so gewählt, dass sie der gewünschten Höhe der Schmelze 12 in dem Probekörper entspricht. Die Schmelze wird in den äußeren Zylinderraum 12 des Probekörpers ohne Rotation des letzteren gefüllt, bis ein Überlauf auftritt und Schmelze in den zentral positionierten Raum eintritt (2). Der Probekörper wird dann gedreht, was bewirkt, dass die Schlacke nach unten zu der Innenoberfläche 4 hin gezogen wird (3).
Gemäß der vorstehend beschriebenen Ausführungsform ist eine geeignete Größe des Innenzylinders ein Außendurchmesser von etwa 30 mm, eine Höhe von etwas 50 mm und eine Wanddicke von 5 mm. Wenn die Messung abgeschlossen ist, d. h., wenn die Solidus-Temperatur erreicht worden ist, und die Probe ausgehärtet ist, wird die Messung unterbrochen und die Rotationsbewegung gestoppt. Das Aggregat 10 wird dann aktiviert, um die Welle 9 um ungefähr 170° zu drehen, was ein Herausfallen des Probekörpers bewirkt. Nach der Reinigung des Halters 1 wird letzterer in seine Ausgangsposition zurückgebracht und ein neuer Probekörper in den Halter 1 eingeführt. Die Vorrichtung ist dann für einen neuen Messvorgang bereit.
Im Falle bestimmter Legierungen, welche extrem empfindlich gegen Oxidation sind, kann es erforderlich sein, zusätzlich Schutzgase in parabelförmigen Raum einzubringen. Geeignete Schutzgase sind Argon, Stickstoff und in einigen Fällen Kohlendioxid.
In einigen Fällen kann es erwünscht sein, Impfmittel oder andere Zusätze der Schmelze zuzusetzen, um den Aushärtungsvorgang zu beeinflussen. Gemäß der Erfindung können die Zusätze der Schmelze in dem Probekörper zugeführt werden. Die Drehbewegung stellt eine homogene Vermischung der Zusätze sicher.
Die Erfindung ermöglicht es, den Temperatur/Zeit-Verlauf während der Aushärtung bei zwei oder mehreren Aushärtungsgeschwindigkeiten in Bezug auf ein und dieselbe Probe zu messen. Dieses wird durch eine Anpassung der Parabelflächenform mit Hilfe der Rotationsgeschwindigkeit und/oder der Form der Innenoberfläche des Probekörpers erreicht. An dem oberen Teil der Parabeloberfläche ist das Volumen/Fläche-Verhältnis kleiner als in seinem unteren Teil. Durch gleichzeitiges Messen bei zwei unterschiedlichen Höhen der Parabeloberfläche wird es somit möglich, den Aushärtungsverlauf bei unterschiedlichen Aushärtungsgeschwindigkeiten zu untersuchen. Die Form könnte zur Erzeugung unterschiedlicher Aushärtungszeiten angepasst werden, d. h., indem die Innenoberfläche des Probekörpers mit konzentrischen ringförmigen Vertiefungen auf unterschiedlichen vertikalen Höhen ausgebildet würde.
Zusammengefasst stellt die zugrundeliegende Erfindung die nachstehenden Vorteile im Vergleich zu der herkömmlichen Technologie bereit:

1. Bereitstellung einer Messfläche, welche praktisch frei von Schlacke ist.
2. Eine Möglichkeit zur Veränderung der Aushärtungszeit durch Verändern der Parabelform.
3. Erzeugen eines sicheren Misch- und Homogenisierungseffektes.
4. Einen integrierten Messwert, welcher durch die rotierende Oberfläche erzeugt wird.
5. Bequeme Anwendung eines Schutzgases in dem Parabelhohlraum.
6. Möglichkeit zur Messung an zwei Punkten mit unterschiedlichen Aushärtungsmodulen.
7. Niedrige variable Kosten pro Messvorgang.

Claims

Verfahren zur kontaktlosen kontinuierlichen Temperaturmessung der Aushärtung von Metallschmelzen, welches ein Rotieren der zu analysierenden Schmelze um eine vertikale Achse in einem zylindrischen und konzentrisch positionierten Probekörper (2) und die Ausführung der Temperaturmessung mit Hilfe eines optischen Temperaturmessinstrumentes (6) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass eine parabelförmige Innenoberfläche während des Rotierens erzeugt wird, und dadurch, dass die Temperaturmessung an einem Teil der oberen Grenzfläche (5) der Parabel durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Probekörper aus einer runden Form (2) besteht, die bevorzugt aus Kernsand oder einem anderen geeigneten Material ausgebildet ist, und einen inneren konzentrisch positionierten Zylinder (11) enthält, dessen Höhe mit der gewünschten Höhe der in dem äußeren Abschnitt des Probekörpers enthaltenen Schmelze übereinstimmt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturmessung simultan an zwei unterschiedlichen vertikalen Höhen in der Parabel durchgeführt wird, und die Parabel in einer solchen Weise mittels der Rotationsgeschwindigkeit ausgebildet wird, dass die Höhen unterschiedlichen Aushärtungszeiten entsprechen.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Aushärtungszeit in dem Probekörper mittels konzentrischer Ringe verändert wird, wobei die Ringe auf der inneren Oberfläche des Probekörpers bei verschiedenen Höhen und mit unterschiedlichen Tiefen ausgebildet werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Schutzgas, bevorzugt Argon, Stickstoff oder Kohlendioxid dem parabelförmigen Hohlraum (4) zugeführt wird, um den gesamten Sauerstoff zu verdrängen.