準確測量和控制精密鑄造的溫度

文章出處：http://m.wanpang.com.cn/責任編輯：消防檢測儀器設備人氣：788發(fā)表時間：2020-08-20 15:36:53

準確測量和控制精密鑄造的溫度

成功的精密鑄造廠家知道工藝過程控制對于生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)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(fā)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(zhì)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(nèi)部）、機械性能、產(chǎn)品品質(zhì)（即熱撕裂的傾向性）、薄壁部分的充滿度等方面產(chǎn)生影響。

　因此，改進金屬溫度的測量和控制將會提高質(zhì)量和生產(chǎn)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(guī)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(huán)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(fā)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(fā)射率的不可預見性起著作用。

　2、蒸汽發(fā)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(shù)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(shù)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(fā)生變化。這會讓常規(guī)高溫計失靈。

　5、校驗：行業(yè)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(guī)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(wěn)定狀態(tài)（通常情況下，這是不現(xiàn)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(chǎn)品的優(yōu)質(zhì)。

　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(shù)字或數(shù)字到模擬轉(zhuǎn)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(chǎn)生擾動或形成反應產(chǎn)品，所有這些都會造成常規(guī)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(tǒng)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(guī)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(yōu)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(xù)測量；沒有消耗材料；災難性故障（喪失測量功能）極其稀少。現(xiàn)在，高溫測量科學的進步已經(jīng)解決了在使用中與真實世界相關聯(lián)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(tǒng)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(yōu)點：它能提供每次測量時的質(zhì)量實時讀數(shù)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(tài)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(tài)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(fā)。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(jīng)解決了非接觸性溫度測量的困難。

　1、發(fā)射率：發(fā)射率會隨著每批材料樣品而發(fā)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(lián)關系。對精密鑄造業(yè)而言，金屬的發(fā)射率變化極其大。任何一個樣品，其發(fā)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(fā)射率的相對誤差成正比。

　其中：T為溫度，是發(fā)射率，ΔT和 Δ是各自的誤差。對精密鑄造而言，液態(tài)金屬的發(fā)射率數(shù)值經(jīng)常在0.15～0.30范圍內(nèi)，分母中發(fā)射率的小數(shù)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(fā)生少量變化對金屬發(fā)射率產(chǎn)生影響的量化工作尚未大規(guī)模地開展，所以，精密鑄造合金的發(fā)射率沒有手冊可以查詢。成分的類似性不能用于估算發(fā)射率，少量添加劑可大大地改變發(fā)射率。如圖1所示，圖中所示的兩種合金的發(fā)射率，其成分差異總共為添加元素的2%原子量。由此產(chǎn)生的發(fā)射率方面的差異使得按照一種合金“校驗”的高溫計產(chǎn)生幾百度的讀數(shù)誤差。大的誤差會造成工藝混亂，使熔煉爐停產(chǎn)數(shù)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(fā)射率的情況如何，也不受環(huán)境的限制。圖2為FAR高溫光譜儀為監(jiān)測鎳基精密鑄造合金紀錄下來的溫度和發(fā)射率。從圖中可看到，功率整定值的每次變化都造成發(fā)射率快速尖峰狀的增加，這是由于熔料的電磁攪拌產(chǎn)生擾動造成的，擾動會強化發(fā)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(fā)射。其次，當熔料冷卻時，發(fā)射率經(jīng)歷階梯狀變化：在1:15左右，發(fā)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(fā)是一致的，在發(fā)生這種變化時，溫度保持恒定不變。最后，熔料凍結(jié)，發(fā)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(fā)生的緩慢增加的發(fā)射率表明，金屬硬化的過程經(jīng)歷一個漿狀狀態(tài)，而不是像水變成冰那樣相態(tài)發(fā)生突然變化。。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(guī)高溫計無法進行測量。在1:35 至 1:50的時間內(nèi)，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(fā)射率增加造成的。

　在實際運行過程中，由不正確的發(fā)射率造成的巨大溫度誤差除對產(chǎn)品質(zhì)量產(chǎn)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。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(fā)射率，常規(guī)高溫計將此解釋為一個超溫數(shù)值；隨后，作為對現(xiàn)象的反應，控制器切斷電源；電源切斷后，擾動消退，然后，常規(guī)高溫計檢測到溫度過低的狀況，電源再次被接通，由此產(chǎn)生的電流涌動激劇攪動熔料，周期性循環(huán)開始，劇烈擾動造成耐火材料的侵蝕，于是在產(chǎn)品中產(chǎn)生夾雜。

　采用高溫光譜儀進行準確測量，所以，現(xiàn)在工藝正在準確地實現(xiàn)整定溫度。溫度示蹤軌跡平滑地達到整定點并準確地對其進行控制直至每個周期結(jié)束，所有這些都是用同一控制器和控制算法完成的。同時，非常明顯地表示熔料擾動情況的尖峰也大大地減少了，由擾動狀況重復造成的電源斷和開以及擾動狀況被消除了。在滿功率加熱過程中，還存在一些電磁攪拌引起的擾動，但是，盡管發(fā)射率發(fā)生變化，由于溫度得到精確控制，可順利達到整定點，擾動狀況也隨之會消退。

　經(jīng)過改進的控制其優(yōu)越性可表現(xiàn)為：高溫蒸發(fā)量減少，產(chǎn)品質(zhì)量提高；由于耐火材料侵蝕降低，夾雜減少；由于鑄造周期達到實際整定點而不是虛假高數(shù)值，鑄造周期加快，產(chǎn)量提高；由于耐火材料侵蝕降低，維護保養(yǎng)費用減少、降低了電力成本等。

　2、蒸汽排放：眾所周知，在加工處理過程中，金屬會因為蒸發(fā)而被損耗掉，由此生成的金屬蒸汽連帶來自坩堝、敏感元件或其他熔煉爐設備中的廢氣會有選擇性地吸收某些熔料中的熱輻射，從而影響高溫測量。

　吸收光譜的一個范例表示于圖6中。所用的高溫計在受影響的中間區(qū)域有一波長響應，結(jié)果，產(chǎn)生了巨大誤差。按照真正的墨菲定律，波長在650 nm范圍內(nèi)，吸收處于最壞狀態(tài)，而這正是高溫計最為普遍的波長。誤差大小取決于儀器波長響應和吸收數(shù)量的綜合狀況。在這個范例中，誤差在400℃左右，大約為25%。所以，采用空氣熔煉的精密鑄造業(yè)者需要考慮氣相問題。常規(guī)高溫計既不儲存熱能數(shù)據(jù)，也不具備區(qū)分該問題的波長分辨率，而高溫光譜儀已經(jīng)在無數(shù)環(huán)境中觀察到蒸汽的吸收現(xiàn)象。

　3、觀察孔障礙：所有精密鑄造的從業(yè)者都應該關心金屬蒸汽在冷表面沉積的問題。蒸汽沉積造成的問題是常規(guī)控制高溫計讀數(shù)不準確的根源。由于溫度過高，工作部件軟化、傾倒，與銅元素接觸，濺射到觀察孔上，透射特性將會發(fā)生變化，造成大的誤差。高溫光譜儀曾經(jīng)記錄下在一個觀察孔上銅蒸汽的災難性沉積，這是在真空爐內(nèi)由于水冷銅電極被熔化而造成的。觀察窗上沉積的銅膜造成吸收，吸收隨波長而變化，由此造成的不精確度反映在高溫光譜儀的在線允差讀數(shù)上，生成的巨大允差讓操作人員產(chǎn)生了警覺，于是，操作人員更換了觀察窗，精度恢復到先前水平。這種工藝擾動的時間進程如表所示。允差發(fā)生變化原因是沉積物具有非同尋常的透射率。如果沉積材料是污物而不是金屬，則高溫光譜儀的溫度讀數(shù)不會受到影響，但是，信號強度顯示將表示出達到檢測器的輻射量減少。對于有污物沉積的觀察孔，多數(shù)常規(guī)高溫計都將顯示較低的溫度數(shù)值，從而不會向操作人員報警。

　4 、校驗：從上述分析得出，高溫計應該和與其配套使用的其他光學元件（目鏡或反光鏡）一起進行校驗。一般，行業(yè)標準規(guī)定每年校驗一次，但這只是一種折衷的辦法，理想的儀器應該有一個診斷，告知人們儀器什么時候需要進行校驗或修理。

　經(jīng)驗顯示，所有類型的高溫計在年檢時，都被發(fā)現(xiàn)不準確，即儀器都在前一年的某個時候偏離了技術規(guī)范。因此，相當一段時間里，高溫計都在提供不正確的溫度數(shù)值，對工藝產(chǎn)生負面影響。通過允差功能，高溫光譜儀可向業(yè)主報警，從而避免出現(xiàn)這樣的問題。

　5、儀器的對準和瞄準：如果工件上的溫度并不均勻、目標很小或距離遙遠、使用了觀察管等都有可能產(chǎn)生虛假結(jié)果。許多便攜式和固定式高溫計都是通過透鏡來觀測設備，這種方法的光學原理是用部分透射和部分發(fā)射的光學元件將視場分成兩個部分，可能出現(xiàn)的問題是兩個部分可能并未確切地在觀察同一目標，因為在實踐中，精確對準兩套光學元件是困難的。圖7重現(xiàn)了實際通過透鏡觀察到的常規(guī)高溫計的行為，表示出了真正發(fā)生的情況。如果目標的大小不是擬議中的十字線尺寸的許多倍，儀器視場沒有被填充滿，而這時操作人員卻認為儀器視場已被填充滿了，通常導致所測溫度低于實際溫度。但也有例外，有一種類型的高溫計對邊緣效應很敏感，此時顯示的溫度可能高于實際溫度。為了完全避免上述問題，高溫光譜儀只使用一個光學路程進行瞄準，這樣，就不存在對不準的可能性。

　6、工藝變量的可接受范圍：多數(shù)工業(yè)流程都不可能達到所謂的“穩(wěn)態(tài)”，在整個工件上所有變量都是單一恒定數(shù)值。原因在于經(jīng)濟因素的考慮，要達到那種狀態(tài)，時間太長，成本也太高。在實踐中，每個變量都有一定范圍的數(shù)值，在這個范圍內(nèi)都可獲得優(yōu)良質(zhì)量。

　7、信號處理：每次進行數(shù)字到模擬信號轉(zhuǎn)換時（反之亦然），信號都有一點損失。如果控制范圍寬廣，會有精度損失。值得我們注意的是，不要讓這些損失疊加起來，形成影響工藝的不確定性。在實踐中，用戶可選擇調(diào)整溫度，使其對應于控制信號的最大和最小值。高溫光譜儀可容許進行這些數(shù)值的調(diào)整。

改善溫度測量的價值

　在鑄造廠使用高溫光譜儀的經(jīng)驗證明，這種先進型的高溫計可以很好地解決非接觸式測量給精密鑄造帶來的諸多問題。在實際應用中，高溫光譜儀成功地被用于多種液態(tài)和固態(tài)金屬及合金的溫度測量并取得了很好的效果，通過改善溫度測量增加了產(chǎn)量、提高了質(zhì)量、減少了維護保養(yǎng)費用、降低了勞動力成本、減少了能源用量、減輕了環(huán)境負擔以及減少了賠償責任等。

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