李曉微

（武昌工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，湖北 武漢 430000）

0 前言

熱分析法的主要內(nèi)容是對鐵液質(zhì)量的精確控制，首先由安放在熱分析樣杯中的熱電偶將鐵液的溫度值轉(zhuǎn)換為電信號，信號通過溫度補(bǔ)償導(dǎo)線進(jìn)行溫度補(bǔ)償之后由數(shù)據(jù)采集卡完成數(shù)據(jù)采集，并將采集到的溫度數(shù)據(jù)通過串行接口傳輸?shù)絇C機(jī)進(jìn)行解析，通過捕捉鐵液在凝固過程中的兩個(gè)特征點(diǎn)：TL（初晶溫度）、TS（共晶反應(yīng)溫度），可以得到鐵液中相關(guān)化學(xué)成分的含量并據(jù)此預(yù)測鑄件的機(jī)械性能，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，熱分析系統(tǒng)的硬件部分包括采樣速度和A/D轉(zhuǎn)換精度已經(jīng)完全滿足熱分析法的需要，軟件部分即人工智能識別功能也能夠?qū)崟r(shí)、準(zhǔn)確地捕捉到TL和TS，但是能夠在生產(chǎn)中長期堅(jiān)持使用熱分析儀的廠家缺寥寥無幾，主要原因是各個(gè)廠家選用的原材料和工藝條件不同，一款通用的熱分析樣杯不一定能應(yīng)用到每一家鋼鐵企業(yè)，所以鑒于上述原因，研制一種測量精度高、造價(jià)低，使用方便的熱分析樣杯以滿足學(xué)校實(shí)驗(yàn)室和各個(gè)廠家的需要具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

1 新型熱分析樣杯的研制

熱分析樣杯的結(jié)構(gòu)與材質(zhì)直接影響到熱分析過程中的傳熱特性，對熱分析結(jié)果的準(zhǔn)確性與穩(wěn)定性也有很大的影響，所以在熱分析樣杯的設(shè)計(jì)過程中必須遵循兩個(gè)原則：（1）液態(tài)合金在其中凝固時(shí)應(yīng)該近似滿足牛頓冷卻條件，（2）樣杯材料在熱分析工作溫度內(nèi)不與合金元素發(fā)生反應(yīng)。本實(shí)驗(yàn)采用的雙通道樣杯在設(shè)計(jì)方面綜合考慮了樣杯的體積、材料、形狀、壁厚、熱電偶的選型及位置等五個(gè)因素。

1）樣杯的體積大小要適當(dāng)，體積太小則樣杯內(nèi)鐵液量過小，冷卻速度快，冷卻曲線上的拐點(diǎn)不明顯甚至顯示不出來，體積太大則鐵液量過多，冷卻速度緩慢，曲線比較清晰，但測試時(shí)間比較長，不滿足3分鐘內(nèi)獲得熱分析結(jié)果的要求，所以選擇樣杯的內(nèi)尺寸為Φ30×50mm。

2）樣杯的材料需同時(shí)具備導(dǎo)熱穩(wěn)定、不發(fā)氣、易成形、易保存而且在熱分析工作溫度范圍內(nèi)不與合金元素發(fā)生反應(yīng)等特點(diǎn)，所以選擇的是呋喃樹脂自硬砂型樣杯。

3）熱電偶的選型：熱電偶是樣杯的重要組成部分，它將直接影響檢測精度，在用于鑄鐵時(shí)，為降低費(fèi)用、節(jié)省貴金屬，一般多采用“鎳鉻-鎳硅”熱電偶，它不僅價(jià)廉易得，而且有較大的熱電勢值和一定的精確度，偶絲的直徑一般為0.5～0.8mm，若過粗則熱惰性大，靈敏性差，若過細(xì)則強(qiáng)度差易斷，所以為了提高測試的精度和可靠性，本實(shí)驗(yàn)選擇了0.6mm的鎳鉻-鎳硅K型熱電偶。

4）樣杯的形狀、壁厚：本實(shí)驗(yàn)采用的樣杯外殼是長方體，而內(nèi)部采用的是兩個(gè)相鄰的圓柱形樣杯，而樣杯的外殼厚度是5mm，具體形狀尺寸如圖1、圖2所示。

圖1 熱分析樣杯的形狀

圖2 熱分析樣杯的尺寸

為了確定樣杯中熱電偶的高度，采用數(shù)值模擬軟件對熱分析樣杯內(nèi)鐵液的充型和凝固過程進(jìn)行模擬，通過觀察窗口可以看到整個(gè)充型的過程，在重力作用下，鐵液是以順序充型的方式進(jìn)行充型的，如圖3所示。從圖中可以看出金屬液先是從中間的澆口分別流進(jìn)兩邊的樣杯內(nèi)，充型過程平穩(wěn)，溫度均勻。樣杯內(nèi)的凝固情況如圖4所示。

圖3 樣杯的充型情況

圖4 樣杯的凝固情況

在1350°C的澆注溫度下，分別對43mm高和30mm高的熱電偶對樣杯內(nèi)鐵液的中心線位置的溫度變化情況進(jìn)行了測量。模擬結(jié)果與實(shí)際測量所得到的溫度變化曲線擬合如圖5和圖6所示。從圖中可以看出30mm高度的熱電偶高在同一時(shí)刻的實(shí)測溫度與模擬溫度的溫度誤差范圍在20℃以內(nèi)，該溫度變化曲線擬合結(jié)果是比較符合實(shí)際情況的，其溫度誤差大小完全滿足要求，所以本課題選用的熱電偶的高度是30mm。

圖5 43mm高的熱電偶的實(shí)際測量溫度和模擬測量溫度的曲線擬合

圖6 30mm高的熱電偶的實(shí)際測量溫度和模擬測量溫度的曲線擬合

3 結(jié)果分析與結(jié)論

通過試驗(yàn)和數(shù)值模擬可以得到雙樣杯左右杯鐵液的預(yù)測值與真實(shí)值的比較，我們可以得出四個(gè)參數(shù)的絕對誤差和相對誤差，如表1所示。

表1

從表中各項(xiàng)性能參數(shù)相對誤差平均值來看，碳含量、硅含量、抗拉強(qiáng)度和布氏硬度的預(yù)測的相對誤差比較小，而其中又以碳含量和硅含量的預(yù)測的相對誤差最小，充分說明用爐前快速分析儀進(jìn)行鑄鐵化學(xué)成分的檢查是可行和可靠的。對于機(jī)械性能的預(yù)測相對于化學(xué)成分而言，其誤差要大一些，但其誤差范圍仍在可控的范圍之中。因此，在生產(chǎn)中使用雙通道樣杯通過熱分析的方法可以代替化學(xué)分析法來測定鑄鐵的化學(xué)成分，達(dá)到爐前快速、準(zhǔn)確測定鐵液碳當(dāng)量，穩(wěn)定控制鐵液成分，提高產(chǎn)品質(zhì)量的目的。

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