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    精密鑄造的溫度測量控制揭示出了潛在問題


    成功的精密鑄造廠家知道工藝過程控制對于生產優質鑄件的重要性。鑄造工藝中的關鍵變量包括鑄模溫度、鑄模的隔熱特性、周期時間和操作人員的方法等,但是,其中最關鍵的工藝變量是金屬溫度。在精密鑄造工藝中,金屬溫度的非接觸測量有著許多重大困難,但是,最近開發出來的一套裝置可提供實時精度的量化反饋,揭示出了潛在問題。 

    溫度的重要性 

    在精密鑄造工藝中,特別是在“等軸”工藝中,金屬溫度是起支配作用的因素,因此,也對許多質量特性有著直接的影響。如果測量和控制不當,金屬溫度的差異會對成品鑄件尺寸、晶粒尺寸、疏松(表面和內部)、機械性能、產品品質(即熱撕裂的傾向性 )、薄壁部分的充滿度等方面產生影響。 

    因此,改進金屬溫度的測量和控制將會提高質量和生產率,降低維護和勞動力成本,減少測試費用和責任賠償費用等。 

    溫度測量的難度 

    精密鑄造,特別是使用感應熔化設備的精密鑄造一般使用某種類型的非接觸性紅外輻射熱電偶或高溫計作為金屬溫度測量的主要或次要手段。使用常規高溫計的人們或許并不了解他們所作測量的潛在誤差來源,只是簡單地注意儀器的“精度”技術條件,因而常常受到誤導。這些精度技術條件只是在實驗室環境中的理想目標。真實世界中的一些情況會導致令人驚奇的高測量誤差值,它們包括(但不局限于)下述各項: 

    1、 未知/變化中的發射率—多種合金、擾動效應、溫度和波長的依賴性以及加工過程中成分的變化等,所有這些都對發射率的不可預見性起著作用。 

    2、 蒸汽發射:對高壓熔化(接近和在大氣壓以上)而言,熔池或坩堝中溢出的氣體會增加或減少熱輻射,因此造成誤差。 

    3、 觀察孔障礙:對多數儀器而言,信號的任何減弱都會造成溫度指示值的下降;觀察窗上的污物影響多數高溫計的精度。 

    4、 觀察窗玻璃材料:不是所有玻璃都具有同樣的透射性能;有的是“灰”色的,而另外一些玻璃的透射性則隨波長而發生變化。這會讓常規高溫計失靈。 

    5、 校驗:行業標準是每年校驗一次,但是,儀器的漂移和失效有自己的日程,理想的做法是對工廠使用的所有光學元件都進行校驗(觀察玻璃或觀察鏡)。 

    6、 儀器校準:通過透鏡瞄準要求兩個光學路程準確重疊,這會影響所有等級的常規高溫計。 

    這些困難是光學溫度測量所特有的困難。同時,還有與工藝相關的困難,這使得任何類型儀器儀表的溫度測量變得復雜化了,包括: 

    1、 工藝變量的可接受范圍:除非整個熔化爐都處于穩定狀態(通常情況下,這是不現實的),否則,在澆鑄過程中,溫度會有一個范圍,很重要的是,這個溫度范圍必須能保證產品的優質。 

    2、 信號處理能力:測量儀器與控制設備之間的每個模擬打到數字或數字到模擬轉換都是潛在誤差源,寬廣的模擬范圍導致精密度的缺乏。 

    3、 熔化技術:不良熔化技術會導致高蒸汽壓力元素過渡沸騰、熔池表面產生擾動或形成反應產品,所有這些都會造成常規高溫計的誤差。 

    4、 鑄錠、坩堝、線圈間的匹配:對于熔化周期特性而言,熔化系統的這三個組分都是重要的。匹配不當會造成熔化緩慢和不均勻、局部過熱或濺射。上述這些也都是常規高溫計誤差的來源。 

    高溫光譜儀對于問題的解決 

    高溫測量技術有其固有的優越性:沒有污染,解除傳感器也不會中毒;安裝使用簡便;可進行連續測量;沒有消耗材料;災難性故障(喪失測量功能)極其稀少,F在,高溫測量科學的進步已經解決了在使用中與真實世界相關聯的各種問題。高溫光譜儀是一種全新的儀器,它是一種專家系統型的多波長高溫計,在解決這些問題方面具有良好能力。 

    除了提供卓越的真實世界中的精度之外,高溫能光譜儀還有許多其它優點:它能提供每次測量時的質量實時讀數以及公差(即測量時的不確定程度);它還能提供信號強度,同樣溫度和狀態下的目標與理想目標之間的對比。這兩項功能可提供有關原料和工藝狀態的寶貴信息,有助于確保合金成分的正確并顯示出合金材料是否被沸騰蒸發。顯然,用戶掌握了這些信息還可將其應用于一些更為高級的領域中。 

    在各種不同應用中,高溫光譜儀已經解決了非接觸性溫度測量的困難。 

    1、發射率:發射率會隨著每批材料樣品而發生變化,,是高溫測量中理論計算與真實世界中材料行為的一種關聯關系。對精密鑄造業而言,金屬的發射率變化極其大。任何一個樣品,其發射率取決于成分、機械和熱性能的歷史狀況、進行測量時的波長以及溫度本身。分析人員認為,溫度的相對誤差與發射率的相對誤差成正比,即:

    其中:T為溫度,是發射率,ΔT和 Δ是各自的誤差。對精密鑄造而言,液態金屬的發射率數值經常在0.15~0.30范圍內,分母中發射率的小數值會對溫度誤差造成大的影響。 

    一個鑄造車間可能提供20種或30 種不同合金元素制成的零件,合金材料發生少量變化對金屬發射率產生影響的量化工作尚未大規模地開展,所以,精密鑄造合金的發射率沒有手冊可以查詢。成分的類似性不能用于估算發射率,少量添加劑可大大地改變發射率。如圖1所示,圖中所示的兩種合金的發射率,其成分差異總共為添加元素的2%原子量。由此產生的發射率方面的差異使得按照一種合金“校驗”的高溫計產生幾百度的讀數誤差。大的誤差會造成工藝混亂,使熔煉爐停產數天。

    高溫光譜儀是一種不需要事先準備任何信息,可以進行準確測量的高溫計,不管發射率的情況如何,也不受環境的限制。圖2為FAR高溫光譜儀為監測鎳基精密鑄造合金紀錄下來的溫度和發射率。從圖中可看到,功率整定值的每次變化都造成發射率快速尖峰狀的增加,這是由于熔料的電磁攪拌產生擾動造成的,擾動會強化發射率。液體運動形成小的空腔,由于多重反射的作用,增加了吸收和發射。其次,當熔料冷卻時,發射率經歷階梯狀變化:在1:15左右,發生率減少10%以上,從0.245減少到 0.220。
    這個效應與合金材料沸騰蒸發是一致的,在發生這種變化時,溫度保持恒定不變。最后,熔料凍結,發射率激劇變化,從0.22變化成 0.60。緩慢降低的溫度以及同時發生的緩慢增加的發射率表明,金屬硬化的過程經歷一個漿狀狀態,而不是像水變成冰那樣相態發生突然變化。圖3所示與圖2為同一過程,但是,這次增加了一個常規高溫計的輸出。除了溫度誤差很大之外,需要注意的是,在斷電冷卻過程中,常規高溫計無法進行測量。在1:35 至 1:50的時間內,高溫計報告了溫度的增加。這是一種虛假狀況,是在金屬冷卻過程中,發射率增加造成的。 

    在實際運行過程中,由不正確的發射率造成的巨大溫度誤差除對產品質量產生影響外,一些明顯的后果是電力的浪費、周期時間的延長以及耐火材料磨損的加劇等。圖4為常規高溫計測量的連續四個澆鑄周期中的溫度和發射率,圖5中的兩條示蹤曲線為高溫光譜儀測量的連續四個澆鑄周期中的溫度和發射率,尖峰溫度不無特別重復性,可看到圖4中發射率出現許多相當大的尖峰,表示有特別大的擾動存在。尖峰是由于存在嚴重電磁攪拌造成的,過程如下:熔料中的擾動強化了發射率,常規高溫計將此解釋為一個超溫數值;隨后,作為對現象的反應,控制器切斷電源;電源切斷后,擾動消退,然后,常規高溫計檢測到溫度過低的狀況,電源再次被接通,由此產生的電流涌動激劇攪動熔料,周期性循環開始,劇烈擾動造成耐火材料的侵蝕,于是在產品中產生夾雜。


    【上一個】 鋁合金缸蓋的低壓鑄造技術及其參數控制要點 【下一個】 如何選擇合適的鑄件清理設備

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