SE511376C2 - Provtagningsanordning för termisk analys av stelnande metall - Google Patents

Description

'|'I *dä 511 376 2 WO-A1-96/23 206 beskriver ett provtagningskärl som kan sänkas ned i ett bad av smält metall som skall analyseras. Ett provtagningskärl beskrivs, ett dubbelväggigt stålkärl med ett mellanrum mellan väggarna med låg radiell termisk konduktivitet.

Mellanmmmet kan fyllas med en isolerande gas, såsom luft. lnnerväggen av kärlet är tunn och medger således en låg värmekapacitet, så att det är enkelt att erhålla ett stationärt tillstånd för de tenniska betingelsema på kort tid. Vidare släpps inte värmeförlust från den yttre ytan av den inre väggen ut till omgivande atmosfär, på grund av en yttre vägg, som fimgerar som en strålningssköld, som omger inner- väggen och det isolerande mellanrummet mellan väggarna.

Tidigare nänmda provtagningskärl i WO-A1-96/23206 är mycket lämpligt för termisk analys för användning vid CGI-framställning beroende på dess speciella egenskaper. Emellertid är det dyrbart att framställa, vilket är en nackdel ur den synpunkten att det bara kan användas en enda gång. Terrnoelementen är vid lämpliga lägen, dvs ett nära den inre väggen och ett vid ett läge, som försöker simulera centrum av en hypotetisk sfär av smält metall med jänm värmeförlust per enhetsarea.

I verkligheten är värmeförlusten från bottendelen mycket lägre än fiån den övre delen. En anledning till detta icke jämna uppträdande är att den övre delen strålar ut mycket mera värme per enhetsarea, än den rundade bottendelen. En arman anledning är att kontakten mellan de två ytorna vid det övre sammanfogningsstället medger värme att gå nmt det isolerande luftmellanrummet. Detta är en avsevärd nackdel, då riktiga resultat inte alltid erhålls.

Det är av stor betydelse att man kan kyla med likadan hastighet som gjutgodset som skall kontrolleras. Jämviktskylning skulle ta för lång tid för att vara av praktiskt värde för denna processtymingssituation, t ex CGl-frarnställning, då resultat inte skulle vara tillgängliga före giutningsförfarandet är avslutat, eller inte skulle bilda en liknande materialmilcrostrtrlctur. 3 511 376 Vidare är det av betydelse att provtagningsanordningen inte är dyrbar, då den bara kan användas en enda gång. Då särskilt noggrarma mätelement, såsom tennoelement är dyrbara är det föredraget att återanvända dem flera gånger. En betydande nackdel med många kända provtagningsanordningar är att de relativt dyra tennoelementen bara kan användas en enda gång.

Ytterligare en nackdel är att det är svårt att framställa stora serier av provtagnings- kärl till en låg kostnad, varvid alla kärl uppvisar liknande egenskaper vad gäller geometriska och termiska betingelser etc.

Sammanfattning av uppfinningen Ändamålet med uppfinningen är att övervinna dessa avsevärda nackdelar genom att använda en förbättrad provtagningsbehållare med kontrollerad värmeförlust per enhetsarea, som simulerar en sfar av smält metall, då en sfär är den mest jämna och således mest tillförlitliga och noggrarma fonnen för termisk analys. Denna provtagningsanordníng med kontrollerad värmeförlust per enhetsarea simulerar en sfarisk stelning av den smälta metallen inuti provtagriingsbehållaren men är inte sfirisk till form, på grund av tillverkningsbegränsningar t ex. Provtagnings- anordriingen enligt uppfinningen irmefattar en dubbelväggig behållare, försedd med en strålningssköld högst upp och kontrollerat mellanrum mellan väggarna, som har mycket mer kontrollerad värrneförlust, som inte går sönder vid höga temperaturer, inte är dyrbar och har förbättrad positionering av de temperaturkänsliga sensor- organen, såsom tennoelement, som enkelt kan avlägsnas och återanvändas.

Ytterligare ett viktigt problem som skall lösas av uppfinningen är ändringen av ett terrniskt centrum av den simulerade sfaren av smält metall som förflyttas neråt när den exponerade övre ytan av provet inuti behållaren stelnar.

Alla dessa ändamål åstadkoms genom att förse behållaren med särdragen som ges i tillhörande krav 1. Hitintills har inget sådant provtagningsanordning visats. 511 376 4 Provtagningsanordningen är avsedd för engångsbruk, är enkel, ger reproducerbara geometriska och termiska betingelser.

Det har visat sig att värme som utstrålats fiån ytterytan av den inre väggen av behållaren inte omedelbart ska släppas ut till omgivande atmosfär, och detta skulle göra det mycket svårt att åstadkomma en kontrollerad, långsarn och reproducerbar värmeavlägsningshastighet. Således är ändamålet med den yttre väggen att definiera, tillsammans med innerväggen, ett mellanrum mellan väggarna som kontrollerar var värme förloras från botten och sidorna av den stelnande metallen.

Således är mellanrummet mellan den inre och yttre väggen en betydelsefirll pararneter för reglera värmeförlusten på grund av strålning och termisk ledning. När detta mellanrum evakueras, eller fylls med ett transparent material, såsom luft, kommer strålning att vara en betydelsefull värmeöverföringsmekariism. Då temperaturen av den stelnande metallen av provtagningsanordníngen ökar, kommer strålning vara av ökande betydelse, då dess effekt ökar kvadratiskt med den absoluta temperaturen.

Genom att välja och helt eller delvis fylla mellanrummet med ett lärnpligt medium, och/eller genom att förändra tjockleken av mellanrummet, är det möjligt att anpassa geometrin av värmeavlägsningshastigheten hos provtagningsanordningen till de värden som krävs vid en termisk analys. Mediet kan vara vilket som helst som är känt och lärnpligt, såsom salt, vermículit, glirnmer, magnesiumoxid, klorit, olika kerarner eller kombinationer därav, men är företrädesvis en gas, såsom luft på grund kostnaden. I en annan foredragen utföringsfonn, är ett avstånd dl mellan väggarna i den tillplattade bottendelen av behållaren bara 5-50%, företrädesvis ca 20% av ett avstånd d2 mellan sidoväggarna och behållaren, därvid ökande värmeförlusten på grund av ledning från botten. På grund av det reducerade mellanrummet vid botten av behållaren, ökas värmeförlust på grund av ledning vid botten, balanserande 5 511 376 Värmeförlusten från den öppna överdelen av behållaren, därvid simulerande värmeförlust som sker vid sfarisk delning av en sfar av smält metall.

En annan pararneter vars största betydelse är formen av behållaren. För att kunna positionera temperaturkänsliga sensororgan för termisk analys, inneslutna i ett skyddsrör, med ett visst avstånd från den inre ytan av den inre väggen, har behållaren en platt bottenyta. På grund av praktiska skäl vid tillverkningen, är båda väggarna, dvs den inre väggen och den yttre väggen tillverkade med platta bottnar.

Arean av den platta bottendelen av irmerväggen är åtminstone så stor som arean av skyddsröret som irmefattar sensororganen för att medge ett konstant avstånd till änden av röret. I en föredragen utföringsfonn, är diametem av den tillplattade bottendelens area dubbelt så stor som diametem av arean av skyddsröret, företrädesvis större. Skyddsröret som är delvis nedsänkt i den stelnande metallen i behållaren har änden av bottenytan försluten. Ett öppet skyddsrör fungerar inte då sensororganen lätt skulle förstöras.

Vidare är den övre delen av behållaren av största betydelse. Värmeförlusten kommer normalt att vara stor om den inte täcks av ett lock. Således fimgerar stödorganet (se figur 1, del 15) som innefattar en strålningssköld, som positionerar termoelementen och är fast med ben till behållaren som ett lock för att reducera strålningsvärrneförlusten från den övre delen av metallprovet. Annars skulle den övre delen av provtagningsanordningen fimgera som en kall kropp, absorberande för mycket strålning från den varma behållaren. Detta simulerar värmeförlust från en sfar av smält metall under stelning, då den balanserar långsamrnare värmeförlust från behållaren.

Mängden värme som fiigörs vid det första bildandet av fjällig grafit i ett område nära väggen är mycket liten, och otillräcklig att lita på som en kontrollparameter. Om emellertid formen av bottenprovet av behållaren är väsentligen sfaiisk; och, om provtagningsanordningen förvärms (t ex genom nedsänlming i smält järn) således undvikande bildande av en kall zon av stehiat jäm i området nära väggen; och, om 511 376 provtagningsanordningen inte får hänga fritt, så att värme inte extraheras i golvet eller ett monteringsstöd, kommer en gynnsam konvektionsström att utveckla sig inuti det smälta järnet som finns i provtagningsanordningen. Dessa konvektionsströmmar ”tvättar” bort den ijälliga grafiten från de forvärmda övre väggarna av behållaren i provtagningsanordningen och koncentrar effektivt den fjälliga grafittillväxten i ett flödesseparerat omrâde vid basen av den väsentligen sfäriska behållaren. lnnerväggen av behållaren utfonnas företrädesvis relativt turm och/eller av ett material med en låg specifik termisk kapacitet, for att medge en önskvärd låg total g termisk kapacitet till den inre väggen. Dessutom har innerväggen företrädesvis en hög total värmeöverföringskoefñcient, för att utjämna temperaturen av provrnängden och väggen; och då den totala värmeöverforingskoefficienten är hög, kommer tiden som krävs för överföring av värmemängden att bli kort. lnnerväggen kan tillverkas av vilket som helst material som har de terrniska f *e- egenskapema som angivits ovan, som är termiskt stabil in den smälta metallen som provtages. Typiskt används en metall eller en legering. Material som är billiga och medger tillförlitlig serieproduktion särskilt stål är föredragna.

De är även möjligt att förändra färgen och/eller yrfinishen för att modifiera strålningskaralrtäristiken hos väggarna.

Den inre ytan av den inre väggen av behållaren beläggs företrädesvis med en skyddsbarriär för att skydda väggen från upplösning i eller reaktion med det varma metallprovet. En sådan skyddsbeläggning kan även appliceras till den yttre ytan av den yttre väggen, särskilt om behållaren är avsedd att sänkas ner i varm flytande metall när man tar prov. Skyddsbeläggningen påverkar inte den terrniska balansen, í då den är mycket tunn. Emellertid är beläggningen kritisk for att defmiera stelnings- uppträdandet. Beläggningen kan vara inert eller dopad med reaktiva ämnen för att förbruka Mg och inducera fjällig grafitbildning nära bottens temperaturkänsliga sensororgan. Detta beskrivs i SE-B-9704208-9 och för ytterligare information 7 511 576 SE-B-9003289-7. Skyddsbeläggningen kan vara vilken eldfast oxid, såsom aluminiurnoxid, magnesiurnoxid, zirkoniumoxid, kiselkarbid etc.

De temperaturkänsliga sensororganen är monterade i ett stödorgan, som styr och klämmer sensororganen på plats. Sensorema för termisk analys är vanligtvis termoelement, även om uppfinningen inte är begränsad i detta fall; vilka som helst sensorer som är lämpliga för termisk analys för stelnande metall kan användas.

Jämför sE-B-96oo72o-s (infraröd pymmem).

Sensororganen för termisk analys, i det följande terrnoelement, är irmeslutna i ett koncentrisk anordnad skyddsrör, som är delvis nedsänkt i den stelnande metallen i behållaren. Skyddsröret med en stängd ände positioneras och hålls på plats av stödorganet och en därtill anordnad strålningssköld, dvs fast vid två punkter. Ett terrnoelement (mätdelen) anordnas vid den stängda delen av röret, på så sätt att det enkelt kan avlägsnas. Det är också laitiskt att placera ett andra tennoelements mätningspunkt (mätdelen) inom det terrniska centrumet för att undvika att kylkurvoma förändras under mätperioden. Därför sätts även ett andra termoelement (mätdelen) in i skyddsröret, i det tenniska cenuumet av det smälta provet, företrädesvis med ett avstånd, c, som utgår ca 2/3 av den totala höjden a, av behållaren. Genom att termoelementen är avlägsningsbara, kan de återanvändas ett antal mätningar. Röret som omsluter de två tennoelementen är beläget så nära som möjligt till den tillplattade inre bottenytan i behållaren, men får inte komma i kontakt med denna yta. Det är väsentligt att man försäkrar att skyddsröret är fullständigt omslutet av stelnande metall där inga hålrum eller bubblor kan interferera med mätningen. Vidare är det av stor betydelse att termosensorema monteras fast, så att de inte rör sig sidledes under analys. Icke noggrann positionering av terrnoele- menten, är en avsevärd nackdel, som kraftigt interfererar med mätresultaten. Detta undviks då tennoelementen är noggrant positionerade av stödorganet och därtill anordnad strålningssköld som klämmer skyddsröret, som irmefattar sensorerna noggrant i läge. Avståndet av det stängda skyddsröret till den tillplattade botten, E, är ett 1-10% av den totala höjden av innerbehållaren, A, företrädesvis ca 5%. 511 376 Skyddsröret kan tillverkas av material såsom stål, företrädesvis rostfritt stål eller kvartsglas. Stålrör kräver vanligtvis beläggning. Uppfinningen är inte begränsad till användandet av enbart ett skyddsrör eller ett par termoelement. Så många som krävs kan användas med olika avstånd, dvs mätpunkter.

Kortfattad figgbeskrivning Uppfmningen kommer nu att beskrivas mera i detalj med hänvisning till åtföljande ritningsñgurer, i vilka Fig. l är ett schematiskt tvärsnitt genom en provtagningsanordning enligt en utföringsforrn av uppfinningen, avsedd för användning i anslutning till CGI- framställning.

Fig. 2 visar strömmar i ett prov av stelnande metall och hur dessa strömmar påverkar skiktet av tjälligt grafitgjutjärn som normalt bildas i närheten av behållarens vägg.

Fig. l visar provtagningsanordning l enligt uppfinningen, som innefattar en dubbelväggig provtagningsbehållare 2, som är väsentligen cylindrisk, öppen i övre delen, med en serni-sfarisk bottendel 2b, försedd med en tillplattad del 2c, fylld med en provmängd 3 av smält metall under stelning till inloppet 12 av behållaren, temperaturkänsliga sensororgan 4a-b for termisk analys och ett sensorstödorgan 15, som innefattar en strålningssköld 19 och fäst medelst ben 16 till behållaren 2, varvid stödorganet 15 och strålningsskölden 19 styr ett skyddsrör 14, som omsluter sensororganen 4a-b, fast i läge. Mâtdelarna Sa-b av de temperaturkänsliga sensororganen 4a-b, i det följande termoelement, är nedsänkta i provmängden 3.

Behållaren består av en innervägg 6 och en yttervägg 7, båda tillverkade av tunn stålplåt, och mellan dessa väggar fmns ett mellanrum 8, definierat av en ytteryta 9 av innerväggen 6, och innerytan 10 av den yttre väggen 7. En fals ll sammanfogat 9 511376 kontinuerlig svets eller en punktsvets. Utrymmet 8 är fyllt med luft. De två tennoelementen 4a-b är anordnade vertikalt i linje, inuti skyddsröret 14, gjort av stål, 511376 l O gjutjärn enbart, utan även kan användas vid framställning av ett flertal andra metaller.

Provtagningsanordningen är företrädesvis anpassad för användning i anslutning till framställning av CGI vid förfarandet som beskrivs i US-A-4 667 725.

Claims (12)

Patentl

1. Provtagningsanordning för termisk analys av stelnande metall, särskilt kompakt grafitjäm, vilken provtagningsanordning innefattar en väsentligen cylindrisk behållare (2), öppen upptill, avsedd att sänkas ned i och fyllas med en flytande metall som skall analyseras, åtminstone ett temperaturkänsligt sensororgan (4), företrädesvis (2), åtminstone och företrädesvis ett skyddsrör (14), koncentriskt omslutande sensororganen (4), anordnat inuti behållaren (2) och stött av ett sensorstödorgan (15) anordnat ovanför behållaren (2) och fast till behållaren (2) medelst ben (16) och avsedd att styra och hålla sensorema i läge, vid nedsånlming i en stelnande metallprovmängd (3) under analys, vilken behållare (2) innefattar en inre yta (17) avsedd att komma i kontakt med provrnängden (3) under analys, och en yttre yta (18) avsedd att komma i kontakt med omgivande atmosfär, vilka ytor (17) och (18) är sammanfogade vid överdelen av behållaren (2) och inbördes jämnt separerade i en cylindrisk del (2a) av behållaren (2), för att bilda ett slutet, isolerande mellanrum (8) mellan motstående motsvarande ytor (9) och (10), kännetecknad av att behållaren (2) har en väsentligen semi-sfarisk bottendel (2b), med en koncentriskt anordnad tillplattad del (Ze) med en diameter större än diametern av skyddsröret ( 14), varvid ett avstånd (dl) mellan ytoma (9) och (10) av den tillplattade delen (2c) är mindre än ett avstånd (d2) mellan ytoma (9) och (10) av den cylindriska delen (2a) av behållaren (2).

2. Provtagningsanordning enligt krav 1, kännetecknad av att avståndet (dl) mellan ytoma (9) och (10) i den tillplattade delen (Ze) är 10-50%, företrädesvis ca 20% av avståndet (d2) mellan ytoma (9 och 10) i den cylindriska delen (2a) av behållaren (2), för att ge sfäriska avsvalningsbetingelser hos en icke sfarisk provtagningsanordning (1). l ila--rl , litar-tat :ta rm .nqt . 511376 12

3. Provtagningsanordning enligt krav l eller 2, kännetecknad av att den cylindriska delen (2a) av behållaren (2) har en höjd som är ca 2 gånger så stor som höjden av den serní-sfariska bottendelen (2b), för att medge sfariska avsvalningsbetingelser hos en icke sfarisk provtagningsanordning.

4. Provtagningsanordning enligt något av kraven l-3, kännetecknad av att sensororganen (4) är avlägsningsbart anordnade i ett skyddsrör (14) tillverkat av tex stål, keramik, glas, med ett avstånd från den tillplattade bottendelen (20) så litet som möjligt utan att bilda luftbubblor eller inslutningar eller komma i kontakt med den tillplattade bottendelen (Zc).

5. Provtagningsanordning enligt något av kraven l-4, kännetecknad av att skyddsröret (14) är tillverkat av stål, företrädesvis rostfritt stål och kan beläggas med en skyddsbeläggning som är eldfast.

6. Provtagningsanordníng enligt något av kraven 1-4, kännetecknad av att skyddsröret (14) är tillverkat av kvartsglas.

7. Provtagningsanordning enligt något av kraven 1-6, kännetecknad av att irmerytan (17) av behållaren (2) och/eller ytterytan (18) är behandlade genom borstning, etsning, sandblästririg eller kemiskt och att skyddsröret (14) är belagt med ett skyddande eldfast medel.

8. Provtagningsanordning enligt något av kraven 1-7, kännetecknad av att irmerytan (17) av behållaren (2) är belagd med en inert beläggning.

9. Provtagningsanordning enligt något av kraven l-7, kännetecknad av att irmerytan (17) av behållaren (2) är belagd med en reaktiv beläggning. 511 376 13

10. Provtagningsanordning enligt något av kraven 1-9, kännetecknad av att innerytan (17) och/eller ytterytan (18) och/eller skyddsröret (14) är behandlade genom plasmasprutning eller sintring av keramer av aluminiumoxid, magnesiumoxid, zirkoniumoxid, kiselkarbid, kiselrritrid, kol, bominid eller silika.

11. Provtagnjngsanordning enligt något av kraven 1-10, kännetecknad av att färgen och/eller ytfinishen av väggarna (6) och (7) är förändrad för att modifiera strrålningskaraktäristiken av väggarna.

12. Provtagningsanordning enligt något av kraven 1-11, kännetecknad av att kylkiirvorna upptagna nära kärlväggama upptas i ett flödesseparerat område vid basen av behållaren (2), genom mätdelen (Sb) av sensorn (4b) för att öka upplösningen för utvärdering av underbehandlad metall följande reaktion med reaktiva väggbeläggningar.