测量脉冲电流液面扰动凝固细晶工艺中熔体温度的装置制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种测量脉冲电流液面扰动凝固细晶工艺中熔体温度的装置，包括熔铸系统、脉冲电流液面扰动施加系统和温度测试分析系统等；熔铸系统由弹簧形感应线圈和中频交变电源构成，中频交变电源经开关装置控制弹簧形感应线圈产生交变磁场，使铸型内的金属块感生出涡流而熔化；脉冲电流液面扰动施加系统由平行电极和脉冲电源构成，脉冲电源通过开关器件控制平行电极，对熔体施加脉冲电流液面扰动处理，平行电极和热电偶插入熔体中并固定，通过温度采集记录系统连续记录金属熔体的温度信息。相比传统测温方法，本发明省去了浇注过程，能更加稳定、准确地测得熔体温度曲线，为脉冲电流液面扰动凝固细晶工艺提供可靠的温度数据。
【专利说明】测量脉冲电流液面扰动凝固细晶工艺中熔体温度的装置
【技术领域】
[0001]本发明属于材料加工【技术领域】，特别涉及到一种测量脉冲电流液面扰动凝固细晶工艺中熔体温度的装置。
【背景技术】
[0002]在现代社会，绝大部分金属零件都是由铸造制成的毛坯或金属锭加工而成，虽然在之后的再加工中可以很大程度上改变金属的组织进而优化其性能，但金属在凝固过程中形成的组织特征对后续加工及最终的材料性能仍然影响巨大，因此细化金属凝固组织成为了材料领域内的研究热点，受到了国内外的广泛关注。在已有的研究中，主要有两类细化方法:一是物理细化法，如低温浇注、电磁搅拌、机械振动、超声波细化等；二是化学细化法，如添加形核剂和长大抑制剂等。其中物理场处理技术具有环保、经济且发展潜力大的优点，因而备受各方关注。目前已发现，在金属的凝固过程中施加脉冲电场，能显著细化晶粒、改善凝固组织，这方面的研究已成为了领域内的热点。
[0003]现有外场处理金属凝固组织的技术中，中国专利200710044164.4公开了一种“脉冲电流液面扰动凝固细晶方法”，该发明方法将金属熔化并过热后浇注进铸型，将两平行电极从熔体上方插入金属液面以下，对金属熔体进行脉冲电流液面扰动处理，最后使金属铸锭的组织得到细化。该方法操作非常简便，且细化效果显著。在工业应用中，该方法可用于冶金工业中的模铸、连铸生产，适合各种金属材料的组织细化，应用前景十分乐观。而为了进一步探究该细晶方法的本质机理，准确测量该细晶方法作用下熔体凝固时的温度曲线意义重大，但该专利中的装置在具体实施过程中，是通过电阻炉将金属块熔化并保温一定时间，再将金属液浇注到铸型中，而将金属液从电阻炉取出到浇注的这段时间内，金属液在空气中大量散热，导致浇入铸型时其温度已有所降低；并且浇口的高度、位置和金属液充型的方式对熔体内的温度分布同样有显著影响，而在每次浇注的过程中这些手段难以保持一致；另外，传统测温方法中插入热电偶主要有两种手段:一是从铸型侧壁打孔事先将热电偶水平埋入，这种方法的弊端在于:熔体在刚浇注到铸型中时，流动剧烈，温度波动很大，降温速度非常快，因此其测得的温度有较大误差，且存在熔体从热电偶插孔泄露出来的危险。二是待浇注完成后再将热电偶插入熔体中，而当金属液浇入温度相对较低的铸型后，型壁处会迅速形成凝固壳层，且再插入的热电偶也会对所在区域的熔体产生一定激冷作用，这两因素导致所测得的温度相比浇注刚完成时有较大的偏差。综上所述，使用该专利中的装置较难准确获得脉冲电流液面扰动凝固细晶工艺中熔体的温度。而本专利的的装置克服了这些问题，能准确测得脉冲电流液面扰动凝固细晶工艺中熔体内部的温度曲线，为探究该方法的本质机理提供准确的温度数据。
【发明内容】
[0004]针对现有技术的不足之处，本发明的目的是提供一种测量脉冲电流液面扰动凝固细晶工艺中熔体温度的装置，测量装置简便易行，测得数据准确可靠。[0005]为达到上述目的，本发明采用如下技术方案:
本发明主要包括:温度测试分析系统，所述温度测试分析系统由热电偶、热电偶及电极固定件和温度采集记录系统构成，所述温度采集记录系统的信号接收端连接所述热电偶的信号输出端，以实时监控待测的金属熔体内部检测点的温度，并输出温度测量信息，其特征在于:还包括熔铸系统和脉冲电流液面扰动施加系统，所述熔铸系统由中频交变电源和弹簧形感应线圈构成，盛有金属块的铸型位于弹簧形感应线圈内部，所述铸型和弹簧形感应线圈之间安有绝热材料外套，所述弹簧形感应线圈的上口设有热电偶及电极固定件，在所述热电偶及电极固定件上设有安装所述热电偶及平行电极的孔槽结构，便于热电偶固定在其中，所述热电偶至少包括一支，所述中频交变电源通过开关系统控制所述弹簧形感应线圈产生交变磁场，在装载于所述铸型系统内的金属块中感生出涡流，使其发热熔化，所述脉冲电流液面扰动施加系统由脉冲电源和平行电极构成，所述平行电极穿过置于弹簧形感应线圈上的热电偶及电极固定件并插入熔体中的固定位置，所述脉冲电源通过开关器件控制所述平行电极，对装载于所述铸型内的金属熔体施加脉冲电流液面扰动处理，通过所述温度采集记录系统连续记录在脉冲电流液面扰动凝固细晶工艺中金属熔体内部的温度信息，并绘制金属熔体待测点的温度-时间曲线。
[0006]上述熔铸系统的开关系统和所述脉冲电流液面扰动施加系统的开关器件集成在一起，采用双刀双掷开关，即所述熔铸系统的开关系统和所述脉冲电流液面扰动施加系统共用一个所述双刀双掷开关，使所述弹簧形感应线圈经由双刀双掷开关左接线柱与中频交变电源电连接，所述一根平行电极经由双刀双掷开关右接线柱与脉冲电源电连接，另一根平行电极与脉冲电源直接电连接，通过双刀双掷开关手柄的左右切换，可以分别实现熔化金属块和对金属熔体施加脉冲电流液面扰动处理的作用。
[0007]上述脉冲电源的工作参数为:脉冲电流为10—5000A，脉冲宽度为5μ s—50ms，作用频率为0.01—2.5KHz ;上述中频交变电源的工作参数为:电流为0.1 — 100A，作用频率为500—IOOOHz。
[0008]上述置于弹簧形感应线圈上的热电偶及电极固定件，使所述热电偶和平行电极固定并插入熔体中，热电偶测量金属熔体轴线上待测点的温度，平行起导入脉冲电流的作用，且热电偶和平行电极的位置、数量及插入深度分别可调。
[0009]上述绝热材料外套的厚度最好为2—40mm。
[0010]上述绝热材料外套的材料最好由漂珠混合水玻璃或石棉构成。
[0011]上述铸型最好采用石墨坩埚、陶瓷坩埚或砂型。
[0012]上述平行电极的材料最好采用纯铜或不锈钢。
[0013]上述平行电极插入熔体液面的深度最好为10— 600mm。
[0014]由于采用了上述技术方案，当使用本发明时，首先将双刀双掷开关的闸刀压入左侦牝通过中频交变电源对弹簧形线圈导入交变电流，由于电磁感应的作用，铸型内的金属块感生出涡流而发热熔化，然后将热电偶和平行电极通过热电偶及电极固定件安放在弹簧感应线圈上，热电偶和平行电极插入熔体固定位置，通过温度采集记录系统实时监控熔体轴线上多点温度。当熔体达到预定温度时，将开关的闸刀压入右侧，通过脉冲电源经平行电极对熔体导入脉冲电流，从而对其施加脉冲电流液面扰动处理，通过温度采集记录系统获得准确可靠的脉冲电流液面扰动工艺中熔体上某点或多点的温度一时间曲线。[0015]本发明的优点如下:
I)本发明提供了一种测量脉冲电流液面扰动工艺中熔体温度的装置，省去了浇注步骤，避免了每次实验中由于金属液出炉到浇注过程中损失热量，以及浇注和金属液充型的方式难以保持一致而导致的熔体内部温度的偏差。从而更准确地测得脉冲电流液面扰动工艺中熔体内部的温度曲线。
[0016]2)本发明所提供的装置，避免了铸型对金属液产生的激冷作用，以及热电偶在浇注后才插入的这一时间差以及热电偶的激冷作用而导致的熔体内部温度偏差，克服了传统测温法测得的温度曲线误差较大这一缺点，从而更准确地测得脉冲电流液面扰动处理下金属熔体的温度曲线。
【专利附图】
【附图说明】
[0017]图1为一种测量脉冲电流液面扰动工艺中熔体温度的装置结构示意图。
[0018]图中:1.热电偶，2.平行电极，3.热电偶及电极固定件，4.弹簧形感应线圈，5.金属熔体，6.铸型，7.绝热材料外套，8.双刀双掷开关，9.中频交变电源，10.脉冲电源，11.温度米集记录系统。
[0019]图2为使用该装置所测得的脉冲电流液面扰动工艺处理下纯铝轴线上两点的温度-时间曲线。
【具体实施方式】
[0020]下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0021]实施例1
参见图1，本发明一种测量脉冲电流液面扰动工艺中熔体温度的装置，包括热电偶1、平行电极2-1和2-2、热电偶及电极固定件3、弹簧形感应线圈4、金属熔体5、铸型6、绝热材料外套7、双刀双掷开关8、中频交变电源9、脉冲电源10和温度采集记录系统11构成。将盛有金属块的铸型6放置在绝热材料外套7内，置于弹簧形感应线圈4内部区域。弹簧形感应线圈4经由双刀双掷开关8左接线柱与中频交变电源9电连接，所述一根平行电极2-1经由双刀双掷开关8右接线柱与脉冲电源10电连接，另一根平行电极2-2直接与脉冲电源10电连接。
[0022]所使用的弹簧形感应线圈匝数为11，层数为2，电极材料为不锈钢，绝热材料外套由漂珠混合水玻璃构成，铸型选用石墨坩埚，规格为Φ110Χ Φ70Χ105，脉冲电源的工作参数为:脉冲电流为10— 5000A，脉冲宽度为5 μ s—50ms，作用频率为0.01—2.5KHz ;上述中频交变电源的工作参数为:电流为0.1—100A，作用频率为500— 1000Hz。
[0023]利用本发明及其专用装置，完成了针对纯铝所做的实验，其实验情况及结果叙述如下:
将800克纯铝块放入石墨坩埚中，石墨坩埚置于弹簧形感应线圈内的绝热材料外套内，首先将双刀双掷开关的闸刀压入左侧，通过中频交变电源对感应线圈导入大小为20-60A、频率为500-1000HZ的交变电流，由于电磁感应的作用，石墨坩埚内的纯铝块感生出涡流而发热熔化，然后将两只K型热电偶和两只平行电极通过热电偶及电极固定件准确插入熔体，电极插入液面深度为15_，并通过温度采集记录系统实时监控熔体轴线上深度不同的两点(分别距离液面3cm和4cm)的温度。当熔体温度升到730°C时，将开关的闸刀压入右侧,通过脉冲电源经平行电极对熔体导入参数为IOKiHz, IOhiAJObi μ s (本专利中K1、hpbi均为设备参数，不随实验条件的改变而改变)的脉冲电流，从而对金属熔体实施脉冲电流液面扰动处理，通过温度采集记录系统监测这两点温度的实时变化，绘出准确可靠的脉冲电流液面扰动处理下纯铝熔体轴线两点的温度一时间曲线，如图2所示。
【权利要求】
1.一种测量脉冲电流液面扰动凝固细晶工艺中熔体温度的装置，主要包括温度测试分析系统，所述温度测试分析系统由热电偶(I)、热电偶及电极固定件(3)和温度采集记录系统(11)构成，所述温度采集记录系统(11)的信号接收端连接所述热电偶(I)的信号输出端，以实时监控待测的金属熔体(5)内部检测点的温度，并输出温度测量信息，其特征在于:还包括溶铸系统和脉冲电流液面扰动施加系统，所述溶铸系统由中频交变电源(9)和弹黃形感应线圈(4)构成，盛有金属块的铸型(6)位于弹簧形感应线圈(4)内部，所述铸型(6)和弹簧形感应线圈(4)之间安有绝热材料外套(7)，所述弹簧形感应线圈(4)的上口设有热电偶及电极固定件(3)，在所述热电偶及电极固定件(3)上设有安装所述热电偶(I)及平行电极(2-1、2-2 )的孔槽结构，便于热电偶(I)固定在其中，所述热电偶(I)至少包括一支，所述中频交变电源(9)通过开关系统控制所述弹簧形感应线圈(4)产生交变磁场，在装载于所述铸型(6)内的金属块中感生出涡流，使其发热熔化，所述脉冲电流液面扰动施加系统由脉冲电源(10)和平行电极(2-1、2-2)构成，所述平行电极(2-1、2-2)穿过置于弹簧形感应线圈(4)上的热电偶及电极固定件(3)并插入熔体中的固定位置，所述脉冲电源(10)通过开关器件控制所述平行电极(2-1、2-2 )，对装载于所述铸型(6 )内的金属熔体(5 )施加脉冲电流液面扰动处理，通过所述温度采集记录系统(11)连续记录在脉冲电流液面扰动凝固细晶工艺中金属熔体(5)内部的温度信息，并绘制金属熔体(5)待测点的温度-时间曲线。
2.根据权利要求1所述的测量脉冲电流液面扰动凝固细晶工艺中熔体温度的装置，其特征在于:所述熔铸系统的开关系统和所述脉冲电流液面扰动施加系统的开关器件集成，采用双刀双掷开关(8)，即所述熔铸系统的开关系统和所述脉冲电流液面扰动系统共用一个所述双刀双掷开关(8 )，使所述弹簧形感应线圈(4 )经由双刀双掷开关(8 )左接线柱与中频交变电源(9)电连接，所述一根平行电极(2-1)经由双刀双掷开关(8)右接线柱与脉冲电源(10)电连接，所述另一根平行电极(2-2)直接与脉冲电源(10)电连接，通过双刀双掷开关(8)手柄的左右切换，分别实现熔化金属块和对金属熔体施加脉冲电流液面扰动工艺处理的作用。
3.根据权利要求1所述的测量脉冲电流液面扰动凝固细晶工艺中熔体温度的装置，其特征在于:所述脉冲电源(10)的工作参数为:脉冲电流为10— 5000A，脉冲宽度为5μ S—50ms，作用频率为0.01—2.5KHz ;所述中频交变电源(9)的工作参数为:电流为0.1—100A，作用频率为500— 1000Hz。
4.根据权利要求1~3中任意一项所述的测量脉冲电流液面扰动凝固细晶工艺中熔体温度的装置，其特征在于:通过所述置于弹簧形感应线圈(4)上的热电偶及电极固定件(3)，使所述热电偶(I)和平行电极(2-1、2-2)固定并插入熔体中，热电偶(I)测量金属熔体(5)轴线上待测点的温度，平行电极(2-1、2-2)起导入脉冲电流的作用，且热电偶(I)和平行电极(2-1、2-2)的位置、数量及插入深度分别可调。
5.根据权利要求1~3中任意一项所述的测量脉冲电流液面扰动凝固细晶工艺中熔体温度的装置，其特征在于:所述绝热材料外套(7)的厚度为2 — 40mm。
6.根据权利要求1~3中任意一项所述的测量脉冲电流液面扰动凝固细晶工艺中熔体温度的装置，其特征在于:所述绝热材料外套(7)由漂珠混合水玻璃或石棉构成。
7.根据权利要求1~3中任意一项所述的测量脉冲电流液面扰动凝固细晶工艺中熔体温度的装置，其特征在于:所述铸型(6)采用石墨坩埚、陶瓷坩埚或砂型。
8.根据权利要求1~3中任意一项所述的测量脉冲电流液面扰动凝固细晶工艺中熔体温度的装置，其特征在于:所述平行电极(2-1、2-2)的材料采用纯铜或不锈钢。
9.根据权利要求1~3中任意一项所述的测量脉冲电流液面扰动凝固细晶工艺中熔体温度的装置，其特征在于:所述平行电极( 2-1、2-2)插入熔体(5)的深度为10— 600mm。
【文档编号】B22D46/00GK103949631SQ201410147684
【公开日】2014年7月30日 申请日期:2014年4月14日 优先权日:2014年4月14日
【发明者】梁柱元, 梁冬, 孙杰, 徐智帅, 仲红刚, 龚永勇, 李仁兴, 翟启杰 申请人:上海大学