铸造中合金成分在线检测与目视化控制的方法及其装置与流程

本发明涉及一种合金制备过程的检测、控制的方法及其装置，特别涉及一种用于炉前熔体检验的铸造中合金成分在线检测与目视化控制的方法及其装置，尤其适用于铸造合金铸锭及铸件成型过程，属于金属材料及冶金技术领域。

背景技术：

众所周知，铸造过程中合金化学成分会对合金凝固过程及凝固组织产生很大影响，继而影响到铸件后续的加工和使用。在工厂生产过程中，由于熔炼浇注过程工艺操作的经验性很强，实际熔炼浇注过程受设备条件与人为因素的影响非常大，因此不当操作会引起合金元素的烧损，甚至钢水成分不合格即出炉浇注等，使得到的铸件化学成分和凝固组织与预期相比大相径庭，最终导致产品合格率降低、设备寿命缩短、生产周期延长以及生产成本提高，这些对普通铸造企业都是不利的，对于某些大型复杂铸件的验收、装备等更是难以接受的。同时，熔炼浇注过程钢水化学成分控制仅仅凭作业人员经验，对新入职人员来讲，作业时无法及时准确调整出合格的钢水以供浇注。此外，熔炼浇注过程为铸件生产过程中的重点工序，该过程化学成分控制仅依靠作业人员经验，无法满足生产过程中产品质量管控要求。基于上述因素，在钢水出炉浇注前非常有必要能够及时获得钢水的化学成分检测结果以及不合格钢水的调整建议，并实施相应的处理。不过，目前尚没有合适的可用于生产现场铸造中合金成分在线检测与目视化控制的方法或设备。

因此，设计开发出铸造中合金成分在线检测与目视化控制的方法及其装置对铸件生产具有积极的意义，可以从根本上解决铸造合金熔炼浇注过程中存在的大多数难题，包括钢水化学成分的及时有效调整、合金元素烧损后的定量补充、铸件化学成分的精确控制等，从而实现炉前快速在线检验、化学成分调整信息目视化、现场指导生产，最终提高产品的合格率，缩短生产周期，继而降低生产成本，延长设备使用寿命。

化学成分调整算法系统可用于调整合金的化学成分，在铸造合金熔炼过程中已得到广泛应用。对于铸件生产而言，钢水化学成分调整时加入的合金添加剂并非化学纯物质，如FeMn中含Si，FeCr中含Si等。由于未考虑相关附加元素的影响，所以降低了该算法模型的工程意义。同时，不能给现场作业人员提供化学成分调整信息的目视化提示，所以无法真正有效指导铸造过程的生产。综上所述，铸件化学成分调整过程急需建立一种及时可靠的化学成分在线检测与目视化控制的方法。

技术实现要素：

本发明针对上述现有技术的不足，提供铸造中合金成分在线检测与目视化控制的方法，同时提供一种实现该方法的装置。旨在通过直读光谱仪，检测采集试样化学成分，对比铸造合金数据库中的标准化学成分，对钢水化学成分进行在线分析，并给出各合金添加剂的加入量提示，最终实现控制钢水化学成分的目标。

本发明通过以下技术方案实现：

铸造中合金成分在线检测与目视化控制的方法，具体步骤如下：

(1)采用制样模具制作标准化试样；

(2)使用直读光谱仪对试样的化学成分进行检测，试样信息及检测的结果传输至计算机；

(3)计算机自动调用相应钢号的标准化学成分值，依据比对判断方法，将试样化学成分值与标准化学成分值进行比对；

(4)若比对结果为试样化学成分不合格，则化学成分目视化系统自动根据试样化学成分值调整为标准化学成分值的计算方法，在LED显示屏上给出各合金添加剂的加入量，同时警报示警相应作业人员；

(5)炉前操作人员依据LED显示屏上各合金添加剂加入量的提示信息，调整控制该炉钢水化学成分。

对上述技术方案进一步的限定，所述步骤（2）中，试样信息包括取样炉号，作业人员姓名，试样材质钢号，炉衬使用次数。优点：输入试样信息后，试样信息将与试样检测结果一并保存在化学成分目视化系统中，可用于即时查询任意一批铸件的化学成分，便于后期产品化学成分追溯。

对上述技术方案进一步的限定，所述步骤（3）中标准化学成分值的确定方法如下：每一钢号的材料各元素化学成分值均为某一范围，存在化学成分上限值和化学成分下限值，依据浇注过程中元素烧损规律，对于易烧损元素的标准成分值取其化学成分上限值-1/4（上限值-下限值），其他元素的标准成分值取其下限值+1/2（上限值-下限值）。优点：用该方法确定标准化学成分值，充分考虑了浇注时间和浇注过程中元素烧损规律，给钢水化学成分中预留了浇注过程中元素的烧损量，确保在浇注过程中元素烧损后钢水化学成分值仍然满足合格钢水化学成分要求。

对上述技术方案进一步的限定，所述步骤（3）中，比对判断方法如下：1）试样经直读光谱仪检测后，系统自动调取标准钢号的化学成分值，分别取试样检测结果中的各主要元素与标准钢号中的相应元素进行比对，标准成分值减检测结果值得出标准结果差，判定元素是否需要调整；2）具体判定方法：a.首次取样时，各元素按照检测结果是否满足“标准成分值≤检测结果≤化学成分上限值”来进行判定；若试样各元素成分值在该范围内，判定为合格，则该炉钢水不需要调整，可直接出炉浇注；若试样某一元素在该范围外，则判定为不合格，需要调整熔炼炉内钢水化学成分；b.再次取样时，若同一炉钢水第二次取样时，各元素按照检测结果是否满足“化学成分下限值≤检测结果≤化学成分上限值”来进行判定，若试样各元素成分值在该范围内，判定为合格，则该炉钢水不需要调整，可出炉浇注；若试样某一元素在该范围外，则判定为不合格，需要调整熔炼炉内钢水化学成分；c.经两次取样检测后，钢水化学成分仍不合格，则之后的试样各元素按照检测结果是否满足“标准成分值≤检测结果≤化学成分上限值”来进行判定，若试样各元素成分值在该范围内，判定为合格，则该炉钢水不需要调整，可出炉浇注，若试样某一元素在该范围外，判定为不合格，则需要调整熔炼炉内钢水化学成分。优点：该比对判断方法充分考虑了钢水取样检测耗时与取样检测过程中元素烧损规律，给钢水化学成分中预留了取样检测过程中元素的烧损量，确保在取样检测过程中元素烧损后合格钢水化学成分值仍然满足浇注钢水化学成分要求。

对上述技术方案进一步的限定，所述步骤（4）中的计算方法如下：1）根据比对判定方法，若试样化学成分判定为不合格，则需要通过向钢水中加入合金添加剂的方式来调整钢水的化学成分，以使钢水化学成分满足所需的标准钢号要求，依据各主要元素的标准结果差和合金添加剂中元素的含量，来计算该合金添加剂的加入量；2）计算模型：，其中i为需要调整的四大元素，即C、Si、Mn、Cr，G_i为i组元的合金添加剂加入量，G_ox为熔炼炉中钢水的质量，∆g_i为i组元成分调整的标准结果差，t_i为合金添加剂中i组元的百分含量，s_i为i组元的元素收得率；3）详细说明计算模型：首先选用高碳锰铁作为合金添加剂，依据计算模型，来计算合金添加剂的加入量；通过加入合金添加剂来调整某一元素含量的同时，会向钢水中引入附加元素，这种情况下，需要首先依据主元素调整时计算出需加入的合金添加剂的加入量，然后依据主元素加入量来计算附加元素的附加改变差，最后依据附加元素加入量来计算用于调整附加元素含量的合金添加剂的加入量，附加元素加入量等于标准结果差-附加改变差；4）判断碳元素调整后是否超过化学成分上限值的方法：若碳元素依据标准成分值-标准结果差+附加改变差的调整量来进行调整后，试样中碳元素超过化学成分上限值，则采用低碳锰铁作为合金添加剂，依据碳元素的标准结果差及计算模型重新来计算该种合金添加剂的加入量。优点：该计算方法考虑了加入合金添加剂来调整某一元素含量时，会向钢水中引入附加元素，通过计算调整主元素含量时合金添加剂的加入量，再计算调整附加元素含量时合金添加剂的加入量，并判断碳元素调整后是否超过其化学成分上限值，来综合考虑合金添加剂加入过程对附加元素含量的影响，不再孤立地去计算调整各不合格元素的合金添加剂加入量，使该过程更符合实际生产，提高了该计算模型的工程意义。

对上述技术方案进一步的限定，所述计算模型中的G_ox为熔炼炉中钢水的质量，钢水质量为500～800Kg，依据钢水质量计算出合金添加剂的加入量值。优点：该数值范围考虑了炉衬使用次数与熔炼炉中钢水之间的关系，便于作业人员依据熔炼炉中钢水实际质量，选择与之所对应的合金添加剂加入量值。

铸造中合金成分在线检测与目视化控制的装置，包括制样模具、直读光谱仪、工作计算机、存储有标准化学成分数据的铸造合金数据库、LED显示屏、查询计算机；所述光谱仪与工作计算机连接，光谱仪向工作计算机传输所采集和记录的被测试样的检测结果，工作计算机读取检测数据；所述工作计算机与铸造合金数据库连接，工作计算机调取标准化学成分数据与被测试样化学成分数据进行比对，并通过对比结果计算出各合金添加剂的加入量；所述LED显示屏与工作计算机连接，工作计算机将各合金添加剂加入量的提示信息显示到LED显示屏上，其中LED显示屏位于熔炼炉工作区域内；所述查询计算机能即时查询存储在化学成分目视化系统中的每炉钢水化学成分数据。

有益效果：本发明与现有技术相比，具有如下优点：

1、本发明采用直读光谱仪检测化学成分，简单易行，分析结果准确、可靠性高，分析成本低；

2、本发明可检测铸造合金试样的化学成分，检测周期短，可快速获得检测结果，适于炉前钢水化学成分检验；

3、本发明检测装置自动化，能及时给出各合金添加剂加入量提示信息，便于指导生产作业，提高铸件化学成分合格率；

4、本方法具有结果稳定、可靠性高、分析周期短、自动化水平高的优点，能够有效提高铸锭、铸件质量，降低生产成本、减少生产周期，满足铸造企业的生产需要，适合于铸造合金的在线成分检测，具有较大的市场推广价值。

附图说明

图1为本发明的铸造中合金成分在线检测与目视化控制流程。

图2为本发明的铸造中合金成分在线检测与目视化控制装置。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例做详细说明，本实施例以本发明技术方案为前提下给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不仅限于下述的实施例。

如图1所示，本发明所述的铸造中合金成分在线检测与目视化控制的方法：采用制样模具提取熔炼炉钢水，直读光谱仪测定试样化学成分，化学成分目视化系统采集并记录试样化学成分，通过计算机调用铸造合金数据库进行标准化学成分与试样化学成分的比较，计算合金添加剂的加入量，继而在LED显示屏上给出各合金添加剂加入量提示信息，同时警报示警相应作业人员，最终控制钢水化学成分。具体步骤如下：

(1)采用制样模具制作标准化试样：按照铸造过程中熔炼工艺，在钢水约占熔炼炉容积3/4时，提取熔炼炉钢水浇入制样模具内，将试样在水中激冷，按照GB/T 4336-2002等碳钢、铸铁检测标准制备试样；

(2)取样人员告知光谱仪操作人员试样信息，光谱仪操作人员在直读光谱仪下进行检测，试样信息及检测的结果传输至计算机；所述试样信息包括取样炉号，作业人员姓名，试样材质钢号，炉衬使用次数；

(3)计算机自动调用相应钢号的标准化学成分值，依据比对判断方法，将试样化学成分值与标准化学成分值进行比对；所述标准化学成分值的确定方法如下：每一钢号的材料各元素化学成分值均为某一范围，存在化学成分上限值和化学成分下限值，依据浇注过程中元素烧损规律，对于易烧损元素的标准成分值取其化学成分上限值-1/4（上限值-下限值），其他元素的标准成分值取其下限值+1/2（上限值-下限值）；所述比对判断方法如下：1）试样经直读光谱仪检测后，系统自动调取标准钢号的化学成分值，分别取试样检测结果中的各主要元素与标准钢号中的相应元素进行比对，标准成分值减检测结果值得出标准结果差，判定元素是否需要调整；2）具体判定方法：a.首次取样时，各元素按照检测结果是否满足“标准成分值≤检测结果≤化学成分上限值”来进行判定；若试样各元素成分值在该范围内，判定为合格，则该炉钢水不需要调整，可直接出炉浇注，并在LED显示屏显示合格；若试样某一元素在该范围外，则判定为不合格，需要调整熔炼炉内钢水化学成分；b.再次取样时，若同一炉钢水第二次取样时，各元素按照检测结果是否满足“化学成分下限值≤检测结果≤化学成分上限值”来进行判定，若试样各元素成分值在该范围内，判定为合格，则该炉钢水不需要调整，可出炉浇注，并在LED显示屏显示合格；若试样某一元素在该范围外，则判定为不合格，需要调整熔炼炉内钢水化学成分；c.经两次取样检测后，钢水化学成分仍不合格，则之后的试样各元素按照检测结果是否满足“标准成分值≤检测结果≤化学成分上限值”来进行判定，若试样各元素成分值在该范围内，判定为合格，则该炉钢水不需要调整，可出炉浇注，若试样某一元素在该范围外，判定为不合格，则需要调整熔炼炉内钢水化学成分；

(4)若比对结果为试样化学成分不合格，则化学成分目视化系统自动根据试样化学成分值调整为标准化学成分值的计算方法，在LED显示屏上给出各合金添加剂的加入量，同时警报示警相应作业人员；所述计算方法如下：1）根据比对判定方法，若试样化学成分判定为不合格，则需要通过向钢水中加入合金添加剂的方式来调整钢水的化学成分，以使钢水化学成分满足所需的标准钢号要求，依据各主要元素的标准结果差和合金添加剂中元素的含量，来计算该合金添加剂的加入量；2）计算模型：，其中i为需要调整的四大元素，即C、Si、Mn、Cr，G_i为i组元的合金添加剂加入量，G_ox为熔炼炉中钢水的质量，∆_gi为i组元成分调整的标准结果差，t_i为合金添加剂中i组元的百分含量，s_i为i组元的元素收得率；3）详细说明计算模型：首先选用高碳锰铁作为合金添加剂，依据计算模型，来计算合金添加剂的加入量；通过加入合金添加剂来调整某一元素含量的同时，会向钢水中引入附加元素，这种情况下，需要首先依据主元素调整时计算出需加入的合金添加剂的加入量，然后依据主元素加入量来计算附加元素的附加改变差，最后依据附加元素加入量来计算用于调整附加元素含量的合金添加剂的加入量，附加元素加入量等于标准结果差-附加改变差；4）判断碳元素调整后是否超过化学成分上限值的方法：若碳元素依据标准成分值-标准结果差+附加改变差的调整量来进行调整后，试样中碳元素超过化学成分上限值，则采用低碳锰铁作为合金添加剂，依据碳元素的标准结果差及计算模型重新来计算该种合金添加剂的加入量；所述计算模型中的G_ox为熔炼炉中钢水的质量，钢水质量为500～800Kg，依据钢水质量计算出合金添加剂的加入量值；

(5)炉前操作人员依据LED显示屏上各合金添加剂加入量的提示信息，调整控制该炉钢水化学成分。

所述元素烧损规律：合金元素的烧损主要表现为合金元素与大气、钢液、炉渣中的氧发生氧化反应而产生的氧化烧损。在熔炼浇注过程中，元素的烧损率与炉衬性质、原材料状态、合金加入顺序、熔炼时间、熔炼温度等因素有关。根据生产实际，炉料中Si的烧损率为15%，Mn的烧损率为20%,Cr的烧损率为3%。各元素的烧损率是依据生产经验得出的，熔炼浇注条件不同，则各元素的烧损率也有所不同。

所述附加改变差计算方法：依据主元素合金添加剂的加入量G_i、合金添加剂中附加元素的百分含量t_i、合金添加剂中附加元素的元素吸收率s_i和熔炼炉中钢水的质量G_ox，通过计算模型计算出附加元素的附加改变差∆g。

所述调整附加元素含量的合金添加剂的加入量计算方法：将附加元素的标准结果差减去附加改变差∆g作为修正后的附加元素加入量∆g，依据用于调整附加元素含量的合金添加剂中附加元素的百分含量t_i、元素吸收率s_i、修正后的附加元素加入量∆g和熔炼炉中钢水的质量G_ox，通过计算模型计算出调整附加元素含量的合金添加剂的加入量G_i。

如图2所示，铸造中合金成分在线检测与目视化控制的装置，包括制样模具、直读光谱仪、工作计算机、存储有标准化学成分数据的铸造合金数据库、LED显示屏、查询计算机。所述制样模具制作的试样通过光谱仪转换成数据，光谱仪与工作计算机连接，光谱仪向工作计算机传输所采集合计记录的被测试样的检测结果，工作计算机通过光谱仪数据读取系统读取检测数据；所述工作计算机与铸造合金数据库（如图2中所示的服务器）连接，调取标准化学成分数据与被测试样化学成分数据进行比对，并通过对比结果计算出各合金添加剂的加入量；所述LED显示屏与计工作算机连接，工作计算机通过数据发送程序和显示程序将各合金添加剂加入量的提示信息显示到LED显示屏及工控机上，其中LED显示屏位于熔炼炉工作区域内；所述查询计算机能即时查询存储在化学成分目视化系统中的每炉钢水化学成分数据；所述管理计算机用于管理铸造合金数据库；所述工作计算机、铸造合金数据库、工控机、查询计算机及管理计算机彼此之间通过局域网络连接。