铸铁双通道样杯的研制与应用

李晓微

（武昌工学院机械工程学院，湖北 武汉 430000）

0 前言

热分析法的主要内容是对铁液质量的精确控制，首先由安放在热分析样杯中的热电偶将铁液的温度值转换为电信号，信号通过温度补偿导线进行温度补偿之后由数据采集卡完成数据采集，并将采集到的温度数据通过串行接口传输到PC机进行解析，通过捕捉铁液在凝固过程中的两个特征点：TL（初晶温度）、TS（共晶反应温度），可以得到铁液中相关化学成分的含量并据此预测铸件的机械性能，随着计算机技术的发展，热分析系统的硬件部分包括采样速度和A/D转换精度已经完全满足热分析法的需要，软件部分即人工智能识别功能也能够实时、准确地捕捉到TL和TS，但是能够在生产中长期坚持使用热分析仪的厂家缺寥寥无几，主要原因是各个厂家选用的原材料和工艺条件不同，一款通用的热分析样杯不一定能应用到每一家钢铁企业，所以鉴于上述原因，研制一种测量精度高、造价低，使用方便的热分析样杯以满足学校实验室和各个厂家的需要具有良好的经济效益和社会效益。

1 新型热分析样杯的研制

热分析样杯的结构与材质直接影响到热分析过程中的传热特性，对热分析结果的准确性与稳定性也有很大的影响，所以在热分析样杯的设计过程中必须遵循两个原则：（1）液态合金在其中凝固时应该近似满足牛顿冷却条件，（2）样杯材料在热分析工作温度内不与合金元素发生反应。本实验采用的双通道样杯在设计方面综合考虑了样杯的体积、材料、形状、壁厚、热电偶的选型及位置等五个因素。

1）样杯的体积大小要适当，体积太小则样杯内铁液量过小，冷却速度快，冷却曲线上的拐点不明显甚至显示不出来，体积太大则铁液量过多，冷却速度缓慢，曲线比较清晰，但测试时间比较长，不满足3分钟内获得热分析结果的要求，所以选择样杯的内尺寸为Φ30×50mm。

2）样杯的材料需同时具备导热稳定、不发气、易成形、易保存而且在热分析工作温度范围内不与合金元素发生反应等特点，所以选择的是呋喃树脂自硬砂型样杯。

3）热电偶的选型：热电偶是样杯的重要组成部分，它将直接影响检测精度，在用于铸铁时，为降低费用、节省贵金属，一般多采用“镍铬-镍硅”热电偶，它不仅价廉易得，而且有较大的热电势值和一定的精确度，偶丝的直径一般为0.5～0.8mm，若过粗则热惰性大，灵敏性差，若过细则强度差易断，所以为了提高测试的精度和可靠性，本实验选择了0.6mm的镍铬-镍硅K型热电偶。

4）样杯的形状、壁厚：本实验采用的样杯外壳是长方体，而内部采用的是两个相邻的圆柱形样杯，而样杯的外壳厚度是5mm，具体形状尺寸如图1、图2所示。

图1 热分析样杯的形状

图2 热分析样杯的尺寸

为了确定样杯中热电偶的高度，采用数值模拟软件对热分析样杯内铁液的充型和凝固过程进行模拟，通过观察窗口可以看到整个充型的过程，在重力作用下，铁液是以顺序充型的方式进行充型的，如图3所示。从图中可以看出金属液先是从中间的浇口分别流进两边的样杯内，充型过程平稳，温度均匀。样杯内的凝固情况如图4所示。

图3 样杯的充型情况

图4 样杯的凝固情况

在1350°C的浇注温度下，分别对43mm高和30mm高的热电偶对样杯内铁液的中心线位置的温度变化情况进行了测量。模拟结果与实际测量所得到的温度变化曲线拟合如图5和图6所示。从图中可以看出30mm高度的热电偶高在同一时刻的实测温度与模拟温度的温度误差范围在20℃以内，该温度变化曲线拟合结果是比较符合实际情况的，其温度误差大小完全满足要求，所以本课题选用的热电偶的高度是30mm。

图5 43mm高的热电偶的实际测量温度和模拟测量温度的曲线拟合

图6 30mm高的热电偶的实际测量温度和模拟测量温度的曲线拟合

3 结果分析与结论

通过试验和数值模拟可以得到双样杯左右杯铁液的预测值与真实值的比较，我们可以得出四个参数的绝对误差和相对误差，如表1所示。

表1

从表中各项性能参数相对误差平均值来看，碳含量、硅含量、抗拉强度和布氏硬度的预测的相对误差比较小，而其中又以碳含量和硅含量的预测的相对误差最小，充分说明用炉前快速分析仪进行铸铁化学成分的检查是可行和可靠的。对于机械性能的预测相对于化学成分而言，其误差要大一些，但其误差范围仍在可控的范围之中。因此，在生产中使用双通道样杯通过热分析的方法可以代替化学分析法来测定铸铁的化学成分，达到炉前快速、准确测定铁液碳当量，稳定控制铁液成分，提高产品质量的目的。

［1］王毅.热分析法在铸铁成分检测及性能预测中的应用[D].南京:东南大学,2007.

［2］张雷.热分析在铸造质量检测上的应用[J].黑龙江科技信息,2008,(24):45.

［3］吕建南.热分析技术在铸造合金上的应用研究[D].上海:上海大学,2008.

［4］朱彬.铸铁熔炼炉前特性分析仪的研究与实现[D].大连:大连理工大学,2006.

［5］童大志.铸铁碳当量样杯的研制与应用[J].中国铸造装备与技术,2003(2):10-12.