本發(fā)明屬于冶金和鑄造領(lǐng)域的發(fā)明創(chuàng)造，具體涉及一種球鐵爐前熱分析-共晶膨脹雙曲線快速檢測裝置及檢測方法。

背景技術(shù)：

對球化鐵水的凝固過程凈體積變化分析表明：初始收縮發(fā)生在奧氏體結(jié)晶區(qū)。共晶反應(yīng)發(fā)生后，由于析出球形石墨，凈體積逐漸轉(zhuǎn)為膨脹。由于球鐵為共晶或微亞共晶成分，所以共晶反應(yīng)占據(jù)凝固區(qū)間的大部時段，由此結(jié)晶石墨的數(shù)量和形態(tài)決定了膨脹的總體效應(yīng)。凝固后期，石墨體積膨脹開始降低，隨后凈體積逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槭湛s，縮陷大多發(fā)生在這一時期。球鐵的共晶膨脹比灰鑄鐵大得多，應(yīng)用共晶凝固的凈體積收支平衡可以直接反應(yīng)凝固特征，如石墨形態(tài)，基體組織和鑄件的完整性。曾經(jīng)發(fā)展了多種用于測試鐵水凝固過程中體積效應(yīng)的實驗方法，主要分為直接法和間接法。直接法測試難度較大，不適于鑄造生產(chǎn)現(xiàn)場。而在一個方向或多個方向同時測量凝固試樣的線位移量等間接方法，具有結(jié)構(gòu)簡單和代表性強的特點，近年來得到廣泛的研究與應(yīng)用。由于球鐵凝固過程的膨脹效應(yīng)為石墨化膨脹所致，共晶膨脹量大小與鐵水碳當(dāng)量CE有關(guān)，而單獨應(yīng)用共晶膨脹率不能細分碳當(dāng)量CE不同的鐵水的球化效果。一般引入冷卻曲線判定鐵水碳當(dāng)量CE以及確定共晶反應(yīng)區(qū)域，共同進行球化孕育效果評價與縮陷形成傾向預(yù)測。另外，降低熱分析過程中一次性測試樣杯的成本也是實際應(yīng)用中追求的主要目標。

在已有測試方法的基礎(chǔ)上，提出了一種利用線性位移傳感器在一圓柱形干型砂樣杯內(nèi)，可同時測量冷卻曲線和通過熱節(jié)點直徑上水平擺放膨脹桿的單向位移變化曲線，理論分析表明該位移量代表試樣共晶膨脹效應(yīng)總的線性位移量。獲得的冷卻曲線和共晶膨脹位移曲線可用于球鐵凝固過程和球化孕育效果綜合分析。在應(yīng)用過程中，對膨脹桿的自身熱膨脹/收縮效應(yīng)進行了補償，因此其測試精度較高。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種結(jié)構(gòu)簡單、測試精確、成本低廉為主要特征的球鐵爐前熱分析-共晶膨脹雙曲線快速檢測裝置及檢測方法。

上述發(fā)明的目的通過以下的技術(shù)方案實現(xiàn)：

球鐵爐前熱分析-共晶膨脹雙曲線快速檢測裝置，其組成包括：圓柱形干型砂取樣器，所述取樣器由通過預(yù)緊彈簧柔性連接的固定半套和可動半套圍合，所述取樣器內(nèi)有一豎直放置的熱電偶和一水平放置的膨脹桿，所述熱電偶用于測量樣杯內(nèi)鐵水熱節(jié)點處的冷卻曲線，所述膨脹桿一端與固定半套上的螺釘接觸連接，另一端則與一線性位移傳感器的測量桿接觸連接用于傳遞試樣熱中心直徑方向的位移量，所述測量桿由一始終處于壓縮狀態(tài)的彈簧約束，確保螺釘、膨脹桿和位移傳感器測量桿之間的緊密接觸連接。

所述的球鐵爐前熱分析-共晶膨脹雙曲線快速檢測方法，鐵水澆入取樣器樣杯內(nèi)，待樣杯內(nèi)各部分升溫達到熱平衡后，膨脹桿處于樣杯內(nèi)的部分受熱軟化，在熱節(jié)點位置表面甚至有輕微的熔化，但是整體仍有足夠的強度和剛度保持傳遞線位移的功能，在鐵水冷卻過程中，由于膨脹桿兩端溫度低，首先在膨脹桿表面出現(xiàn)激冷結(jié)晶且在兩端與樣杯壁激冷層和柱狀晶區(qū)連接在一起，膨脹桿上的激冷結(jié)晶層越靠近樣杯壁越厚，也就越結(jié)實，這樣膨脹桿在凝固結(jié)晶剛開始時，就被自身的激冷層和樣杯壁上的激冷層及柱狀晶區(qū)緊緊包覆成為一體，在后續(xù)的凝固過程中，膨脹桿所傳遞的位移量即包含了剩余鐵水共晶凝固過程直徑方向的膨脹量。

所述的球鐵爐前熱分析-共晶膨脹雙曲線快速檢測方法，當(dāng)試樣內(nèi)部發(fā)生共晶反應(yīng)析出石墨球，試樣體積膨脹，直徑隨之變大，此時連接動模和定模的預(yù)緊彈簧被進一步壓縮，由于共晶階段試樣外殼已經(jīng)具有足夠的強度與膨脹桿包覆成一體，包覆在試樣內(nèi)的部分膨脹桿處于軟化狀態(tài)與試樣同步伸縮，預(yù)緊彈簧產(chǎn)生的彈力并不能阻礙試樣的共晶膨脹，動模在導(dǎo)向槽和導(dǎo)向螺栓的約束下，只能隨試樣同步沿著膨脹桿軸線方向移動，膨脹桿長度的改變量包含了試樣徑向尺寸的增減，由于膨脹桿一端受固定螺釘約束，而樣杯外圍兩半套為柔性連接，也不束縛試樣膨脹，所以，試樣直徑總變化量全部移向單側(cè)位移傳感器測量端，這樣鐵水共晶膨脹總位移量即可實現(xiàn)在單方向測量，于此同時，處于熱節(jié)中心的熱電偶記錄下來鐵水的凝固冷卻曲線，依據(jù)冷卻曲線和共晶膨脹曲線及其特征值可以分析鐵水的凝固特性并判定鐵水球化孕育效果。

所述的球鐵爐前熱分析-共晶膨脹雙曲線快速檢測方法，在共晶反應(yīng)階段，膨脹桿被凝固試樣包覆的部分長度與試樣同時伸縮，對測量結(jié)果沒有影響，膨脹桿未被試樣包覆的部分長度可以通過化學(xué)成分查得其線膨脹系數(shù)，由線膨脹系數(shù)可準確計算出這部分膨脹桿在測量過程中的自身線膨脹量，在位移傳感器測量結(jié)果中減去所述膨脹桿的自身線膨脹量即可精確獲得凝固試樣的共晶位移膨脹量。

所述的球鐵爐前熱分析-共晶膨脹雙曲線快速檢測方法，由于采用貫通式膨脹桿檢測試樣膨脹量，且樣杯與膨脹桿之間摩擦力很小,可以認為在試樣共晶凝固過程中砂型樣杯對膨脹桿的伸縮沒有作用，從根本上消除了砂型樣杯變形對位移信號采集的影響。

本發(fā)明的有益效果：

1.本發(fā)明的取樣器結(jié)構(gòu)簡單，可同時測量凝固試樣的冷卻曲線和共晶膨脹量。采用一只位移傳感器單方向測量樣杯內(nèi)凝固試樣的共晶反應(yīng)線位移總膨脹量。減少多方向測量引入的檢測誤差，這對于獲得準確的測量結(jié)果至關(guān)重要，是精確提取小試樣共晶膨脹線位移微弱信號的關(guān)鍵所在。

2.本發(fā)明采用貫通膨脹桿檢測試樣膨脹量，從根本上避免砂型樣杯變形對位移信號采集的影響，同時對可能影響共晶膨脹線位移信號的膨脹桿外露部分進行補償校正，保證了試樣膨脹量檢測的準確性。

3.本發(fā)明使用普通粘土干砂型作為取樣器樣杯，配套可自由伸縮的的金屬外罩，即可保證測試精度，又能大幅度降低測試成本，因此便于推廣應(yīng)用。

附圖說明：

圖1是本發(fā)明的測試裝置結(jié)構(gòu)主視圖。

圖2是圖1中測試裝置俯視圖。

圖3是凝固過程中試樣/砂型界面受力分析圖

圖4是利用所設(shè)計裝置測得典型共晶成分球鐵的冷卻曲線-共晶膨脹線曲線。

圖5是對應(yīng)圖3測試試樣熱節(jié)點處石墨形態(tài)照片。

實施例1

球鐵爐前熱分析-共晶膨脹雙曲線快速檢測裝置，其組成包括：圓柱形干型砂取樣器2，所述取樣器由通過預(yù)緊彈簧14柔性連接的固定半套16和可動半套17圍合，所述取樣器內(nèi)有一豎直放置的熱電偶4和一水平放置的膨脹桿7，所述熱電偶用于測量樣杯內(nèi)鐵水熱節(jié)點處的冷卻曲線，所述膨脹桿一端與固定半套上的螺釘3接觸連接，另一端則與一線性位移傳感器9的測量桿接觸連接用于傳遞試樣熱中心直徑上的位移量。所述測量桿由一始終處于壓縮狀態(tài)的彈簧8約束，確保螺釘3、膨脹桿7和位移傳感器測量桿之間的緊密接觸連接。本發(fā)明用于鑄造和冶金領(lǐng)域。

實施例2

球鐵爐前熱分析-共晶膨脹雙曲線快速檢測方法，鐵水澆入取樣器樣杯內(nèi)，待樣杯內(nèi)各部分升溫達到熱平衡后，膨脹桿處于樣杯內(nèi)的部分受熱軟化，在熱節(jié)點位置表面甚至有輕微的熔化，但是整體仍有足夠的強度和剛度保持傳遞線位移的功能，在鐵水冷卻過程中，由于膨脹桿兩端溫度低，首先在膨脹桿表面出現(xiàn)激冷結(jié)晶且在兩端與樣杯壁激冷層和柱狀晶區(qū)連接在一起，膨脹桿上的激冷結(jié)晶層越靠近樣杯壁越厚，也就越結(jié)實，這樣膨脹桿在凝固結(jié)晶剛開始時，就被自身的激冷層和樣杯壁上的激冷層及柱狀晶區(qū)緊緊包覆成為一體，在后續(xù)的凝固過程中，膨脹桿所傳遞的位移量即包含了剩余鐵水共晶凝固過程中直徑方向的膨脹量。

所述的球鐵爐前熱分析-共晶膨脹雙曲線快速檢測方法，當(dāng)試樣內(nèi)部發(fā)生共晶反應(yīng)析出石墨球，試樣體積膨脹，直徑隨之變大，此時連接動模和定模的預(yù)緊彈簧被進一步壓縮，由于共晶階段試樣外殼已經(jīng)具有足夠的強度與膨脹桿包覆成一體，包覆在試樣內(nèi)的部分膨脹桿處于軟化狀態(tài)與試樣同步伸縮，預(yù)緊彈簧產(chǎn)生的彈力并不能阻礙試樣共晶膨脹，動模在導(dǎo)向槽和導(dǎo)向螺栓的約束下，只能隨試樣同步沿著膨脹桿軸線方向移動，膨脹桿長度變化包含了試樣徑向尺寸的增減，由于膨脹桿一端受固定螺釘約束，而樣杯外圍兩半套為柔性連接，并不束縛試樣膨脹，所以，試樣的直徑總變化量全部移向單側(cè)位移傳感器測量端，這樣鐵水共晶膨脹總位移量即可實現(xiàn)單方向測量，于此同時，處于熱節(jié)中心的熱電偶記錄下來鐵水的凝固冷卻曲線，依據(jù)冷卻曲線-共晶膨脹曲線及其特征值可以分析鐵水凝固特性并判定鐵水球化孕育效果。

所述的球鐵爐前熱分析-共晶膨脹雙曲線快速檢測方法，在共晶反應(yīng)階段，膨脹桿被凝固試樣包覆的部分長度與試樣同時伸縮，對測量結(jié)果沒有影響，膨脹桿未被試樣包覆的部分長度可以通過化學(xué)成分查得其線膨脹系數(shù)，由線膨脹系數(shù)計算出這部分膨脹桿在測量過程中的自身線膨脹量，在位移傳感器測量結(jié)果中減去所述膨脹桿的自身線膨脹量即可精確獲得凝固試樣的共晶位移膨脹量。

所述的球鐵爐前熱分析-共晶膨脹雙曲線快速檢測方法，由于采用貫通式膨脹桿檢測試樣膨脹量，且樣杯與膨脹桿之間摩擦力很小，可以認為在試樣共晶凝固過程中砂型樣杯對膨脹桿的伸縮沒有作用，從根本上消除了砂型樣杯變形對位移信號采集的影響。

實施例3

實施例1或2所述的球鐵爐前熱分析-共晶膨脹雙曲線快速檢測方法：

以典型共晶成分球鐵的冷卻-共晶膨脹線位移雙曲線檢測分析為例，將球化鐵水澆入取樣器樣杯內(nèi)，熱電偶實時測試試樣溫度，這時由膨脹桿自身受熱膨脹產(chǎn)生顯著的位移增量。最大測試溫度T_max出現(xiàn)之后，砂型內(nèi)達到熱平衡，隨后試樣溫度開始下降，此時試樣稍有收縮。試樣到達共晶開始溫度T_ES后，位移量稍有增加，直到共晶過冷溫度TE_low出現(xiàn)后，大量共晶石墨開始形核并迅速長大，試樣膨脹量迅速增加，大約在最大共晶溫度回升速率（0.17℃/s）附近出現(xiàn)一個位移量增加拐點。在之后的共晶凝固范圍內(nèi)，位移一直增加，但是增加速率減小。在凝固點T_S附近，位移量轉(zhuǎn)為下降。整個測試過程大約2.5min，共晶回升溫度R為4.9℃，共晶反應(yīng)歷時125sec.。如圖4所示，由于在共晶反應(yīng)范圍內(nèi)溫度變化不大，經(jīng)膨脹桿自膨脹補償后，位移曲線與未經(jīng)補償曲線基本重合。但是經(jīng)仔細查實，未經(jīng)補償共晶凝固最大位移量顯示為232μm，補償后共晶凝固最大位移增量顯示為266μm，兩者相差34μm。說明共晶膨脹位移曲線經(jīng)補償后，其精度進一步提高。共晶膨脹開始到最大膨脹量歷時120sec.，線位移膨脹率ε為0.89%。圖5為取自對應(yīng)圖4測試曲線試樣的熱節(jié)點附近的石墨形態(tài)照片，其球化率為89%。由此，經(jīng)球鐵鑄造現(xiàn)場多組實驗，找出球化效果共晶膨脹和熱分析特征值雙參數(shù)綜合評價數(shù)學(xué)模型，即可將該裝置用于爐前控制。