真空熔鑄過程重量變化測量裝置及方法

王俊濤 巴曉玉 劉淞寧 彭立斌

（沈陽黎明航空發動機（集團）有限責任公司，遼寧 沈陽 110043）

真空熔鑄過程重量變化測量裝置及方法

王俊濤 巴曉玉 劉淞寧 彭立斌

（沈陽黎明航空發動機（集團）有限責任公司，遼寧 沈陽 110043）

目前，國內的真空感應熔鑄爐，設備自身大多采用間接澆鑄過程檢測，不能進行澆鑄時間過程精確的直接檢測。因此，設計采用一種測量重量變化的方式，即對坩堝熔料的澆鑄重量變化進行直接測量，以真實反映澆鑄的過程。該方法既可以精確反映澆鑄時間、澆鑄速度，也可以反映澆鑄均勻度，進行澆鑄過程、質量的控制。

稱重傳感器；真空感應熔化爐；數據采集；澆鑄過程

國內的真空感應熔鑄設備，現今澆注過程測量大多采用坩堝翻轉角度測量法、計時法、經驗法，測量誤差和人為誤差大。只有大噸位模件的澆注過程測量時采用稱重法，即采用爐體、坩堝外部整體稱重測量，對被澆注件與爐體或坩堝同時稱重測量，間接檢測整個過程中熔液重量的變化。然而，對于小型部件的澆注過程不能采用整體稱重測量。

小型澆注件重量（熔液重量）相對爐體或坩堝重量十分小，測量數據誤差很大，不能準確地反映實際澆注熔液的重量變化。尤其在真空、高頻、高溫環境下，國內目前沒有直接采用稱重傳感器對真空澆注過程中重量變化測量的技術及設備。國內及國外的稱重傳感器耐高溫值最高是250℃，沒有將此類傳感器直接應用于真空、高頻、高溫內部環境下的技術。

本裝置采用耐溫250℃的稱重傳感器，經過隔熱保護結構應用到真空高頻熔化爐體內部，組成熔注模具、熔料、隔熱保護結構一同稱重的結構。使設備在熔料注入過程中，精確檢測到重量的變化，并將檢測到的重量變化過程數據傳輸到爐體外部的無紙記錄儀或終端數據采集系統，進行數據記錄。

1.系統類型及實現方法

“真空熔注測量系統”用于測量鑄件澆注過程中的重量變化，是一種用來在一次側的傳感器檢測而生成數據過程曲線的檢測裝置。即采用一種測量重量變化的方式，安裝耐溫250℃的重量傳感器，對坩堝熔料的澆注重量變化進行測量，產生與重量變化量相對應的電壓變化信號，輸送到無紙記錄儀進行換算處理，形成對應的變化曲線和單位時間內的重量變化值，以此原理實現實時澆注注入過程的測量記錄。

2.系統結構組成及原理分析

2.1測量裝置機械結構

真空熔注過程檢測裝置由托架、隔熱保護裝置、傳感系統、顯示屏、數據記錄系統等組成。鑄模放置在托架上，托架為杠桿結構，鑄模的質量變化經傳力銷作用于傳感器，經密封插座傳至爐外記錄儀，記錄儀記錄并存儲爐內熔注重量變化數據，供追朔分析。

鑄模的加熱溫度為970℃，鑄造時鋼水溫度可達1650℃，而傳感器的工作溫度在250℃以下。為使傳感器能夠正常工作，測量裝置設置了多重保溫隔熱措施。托架側面設置了隔熱擋板及隔熱盒，阻止鑄模的輻射傳熱，安裝在爐體上的支架不僅是托架的支撐件，外部還安裝了可保護三面的隔熱擋板，阻隔來自鑄模及鋼水的輻射熱能傳導。傳感器的安裝座與水冷爐體焊接，傳感器外部的保護罩與安裝座緊密貼合，將傳感器周圍冷卻。傳感器外部空間充填隔熱保溫棉，阻隔高溫。系統結構組成如圖1所示。

傳感器與托架之間采用延長傳熱路徑、減小傳熱截面、選用低導熱系數材料等措施阻隔熱傳導。

采集的澆注數據和溫度數據，都顯示在無紙記錄儀的液晶屏上。同時，將測量的數據存儲在存儲器內，供隨時調用輸出。

模具托架設計成L型，將模具的重力改變為水平方向，將傳感器安裝于真空爐內壁，延長熱量傳遞路徑，防止外泄的高溫鋼水直接向傳感器傳熱。熱源與傳感器間設計多重擋板，降低熱源對傳感器的輻射傳遞。支架、杠桿等選擇傳熱性能差的材料，墊板等選擇隔熱性好的材料，降低熱量的傳導。傳感器與爐壁間的安裝座安裝了導熱性好的材料，通過冷卻水迅速帶走熱量降低傳感器的溫度。

圖1　系統結構組成

2.2系統測量原理

真空爐內熔鑄模具放置在“L”形傳力托架之上，耐溫250℃的重量傳感器安裝在爐體側壁的安裝座內。當熔液注入模具時，該部位的重量發生變化，通過“L”形傳力托架側面的傳感器頂桿頂壓傳感器，受感部傳感器檢測到重量的應力變化，產生與重量變化量相對應的電壓變化信號，經變送器的隔離變換，轉換成標準4mA～20mA電流信號，輸送到無紙記錄儀進行換算處理，轉化成相應的變化曲線（單位時間內的重量變換值）。該曲線實時反映出熔注的速度、均勻度、熔注時間以及熔液重量的變化量。全部數據在無紙記錄儀中得到記錄和存儲。同時，也可以直接實現與計算機終端的數據通信，將檢測過程數據及曲線數據輸送給終端。

該稱重傳感器置放于高溫的真空環境，盡管擁有各種防護保溫措施，也必須對其進行溫度監控，以保證傳感器自身工作正常。采用熱電偶對該傳感器的工作溫度進行實時溫度監測，檢測其工作溫度滿足傳感器使用的工作條件。

記錄儀的檢測數據也可以通過RS232數據端口進行遠程傳輸到工控機，將無紙記錄儀采集得到的數據進行備份及數據圖像放大分析。

2.3數據采樣過程及過程曲線分析

如圖2所示。工件熔注全過程曲線所示。

圖2　工件熔注全過程曲線

熔注全過程在曲線圖內主要分為5個工作過程，分別為：

①工件放置過程

工件放置過程主要是操作者將模具放置到稱重支架上并調整澆注角度的一個過程。

②棒料熔化及抽真空過程

是實施澆注前必要的工藝條件準備，由曲線圖可以看出，隨著真空度的增加變化，稱重傳感器顯示的重量數值緩慢地下降。記錄儀記錄了此段過程的時間以及由于真空度變化所產生的重量變化過程。

③工件熔液注入過程

當溶液溫度滿足工藝要求的溶注溫度時，進行熔液注入。此過程可以在曲線圖內的澆注過程中，真實地反映出模具重量變化與時間的關系。此過程也是本課題追求的目標值過程，課題的最終目的就是為了得到這個時間段的數據曲線，即采集記錄（或測量）過程。

④工件冷卻過程

當注入完成后，需要真空環境下一定時間的降溫冷卻過程，記錄儀同樣記錄了此段過程所用的時間，熱電偶采集傳感器的溫度數據，監督傳感器的工作溫度，高溫報警，避免損壞傳感器。

⑤工件取出過程

此過程記錄了工件由破真空到取出的全過程。當真空度恢復到大氣壓力的同時通過對曲線的觀察，可發現模具重量有一個跳變值。

通過對曲線的分析，系統能夠記錄并反映整個工件熔注的時間、不同重量的工件熔料、不同加工者澆注操作時的快慢區別等等工藝數據。通過對曲線的分析，能夠區分不同加工者的工作習慣，以及在澆注過程中澆注速度如何影響澆注模件的合格品的數據關系，通過數據分析可以了解加工曲線與合格品之間的模糊聯系。

采樣數據半個月備份一次，以防數據丟失。采集的數據可在無紙記錄儀上直接查看分析，也可通過線纜或U盤連接到上位機進行存儲或分析。

3.應用效果及前景

經過項目的調試、應用試驗，采用重量傳感器可以實現測量熔注時間過程的生產應用。

①通過應用重量傳感器對澆注重量變化過程的在線測量，可實現澆注過程全面監測，為澆注生產的整體質量提供一個可靠的分析研究數據依據。同時，可以以此為基礎方法，進行精確地熔注工藝課題試驗以及推廣應用，最終實現全面、精確的工藝質量控制及提高。

②其他同類真空熔鑄設備可以全部采用此類方法進行改進設計、改造應用。

結論

通過對重量傳感器的應用調研，進行了深入地研究、分析、試驗，證明只要對傳感器進行嚴密地高溫隔離，采用特殊保溫材料，對壓力應變片、傳輸導線進行特殊防護，即可實現傳感器正常檢測應用。

現有多臺真空熔鑄設備，大多采用坩堝翻轉角度測量法、時間計時法、經驗法進行的間接測量熔鑄實時過程。而重量傳感器的應用，將徹底改變這種傳統的方式，更加精確、直觀地進行檢測，實現對熔鑄動作、時間的精密控制及分析研究，提高精密熔鑄的質量。

國內真空熔鑄設備應用普遍，數量眾多，皆可以稱重的方法實現直接地監測，實現精確的自動化控制，提高設備的先進技術能力，最終實現精密鑄造工藝全面質量的提高。

[1]葉湘濱，等.傳感器與測試技術[M].北京：國防工業出版社，2007.

[2]張洪潤.傳感器應用設計300例[M].北京：航空航天大學出版社，2008.

TB752

A