鑄鐵雙通道樣杯的研制與應用

李曉微

（武昌工學院機械工程學院，湖北 武漢 430000）

0 前言

熱分析法的主要內容是對鐵液質量的精確控制，首先由安放在熱分析樣杯中的熱電偶將鐵液的溫度值轉換為電信號，信號通過溫度補償導線進行溫度補償之后由數據采集卡完成數據采集，并將采集到的溫度數據通過串行接口傳輸到PC機進行解析，通過捕捉鐵液在凝固過程中的兩個特征點：TL（初晶溫度）、TS（共晶反應溫度），可以得到鐵液中相關化學成分的含量并據此預測鑄件的機械性能，隨著計算機技術的發展，熱分析系統的硬件部分包括采樣速度和A/D轉換精度已經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實時、準確地捕捉到TL和TS，但是能夠在生產中長期堅持使用熱分析儀的廠家缺寥寥無幾，主要原因是各個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用到每一家鋼鐵企業，所以鑒于上述原因，研制一種測量精度高、造價低，使用方便的熱分析樣杯以滿足學校實驗室和各個廠家的需要具有良好的經濟效益和社會效益。

1 新型熱分析樣杯的研制

熱分析樣杯的結構與材質直接影響到熱分析過程中的傳熱特性，對熱分析結果的準確性與穩定性也有很大的影響，所以在熱分析樣杯的設計過程中必須遵循兩個原則：（1）液態合金在其中凝固時應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不與合金元素發生反應。本實驗采用的雙通道樣杯在設計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因素。

1）樣杯的體積大小要適當，體積太小則樣杯內鐵液量過小，冷卻速度快，冷卻曲線上的拐點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，但測試時間比較長，不滿足3分鐘內獲得熱分析結果的要求，所以選擇樣杯的內尺寸為Φ30×50mm。

2）樣杯的材料需同時具備導熱穩定、不發氣、易成形、易保存而且在熱分析工作溫度范圍內不與合金元素發生反應等特點，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，為降低費用、節省貴金屬，一般多采用“鎳鉻-鎳硅”熱電偶，它不僅價廉易得，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，若過細則強度差易斷，所以為了提高測試的精度和可靠性，本實驗選擇了0.6mm的鎳鉻-鎳硅K型熱電偶。

4）樣杯的形狀、壁厚：本實驗采用的樣杯外殼是長方體，而內部采用的是兩個相鄰的圓柱形樣杯，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，采用數值模擬軟件對熱分析樣杯內鐵液的充型和凝固過程進行模擬，通過觀察窗口可以看到整個充型的過程，在重力作用下，鐵液是以順序充型的方式進行充型的，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兩邊的樣杯內，充型過程平穩，溫度均勻。樣杯內的凝固情況如圖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鐵液的中心線位置的溫度變化情況進行了測量。模擬結果與實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刻的實測溫度與模擬溫度的溫度誤差范圍在20℃以內，該溫度變化曲線擬合結果是比較符合實際情況的，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高的熱電偶的實際測量溫度和模擬測量溫度的曲線擬合

3 結果分析與結論

通過試驗和數值模擬可以得到雙樣杯左右杯鐵液的預測值與真實值的比較，我們可以得出四個參數的絕對誤差和相對誤差，如表1所示。

表1

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

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