Область техники
Изобретение относится к устройству для отбора проб с целью температурного анализа затвердевающего металла, в частности температурного анализа при изготовлении отливок.
Предшествующий уровень техники
Температурный анализ - это методика контроля температурных изменений жидких субстанций в процессе затвердевания с целью определения микроструктуры, а следовательно, свойств субстанций в твердой форме. Это осуществляется следующим образом: отбор пробы плавки, передача пробы в емкость для проб, запись и оценка изменения температуры пробы в зависимости от времени в процессе затвердевания с помощью чувствительных датчиков типа термопар или других известных устройств.
При использовании температурного анализа для регистрации затвердевания расплавленных металлов, типа чугуна с уплотненным графитом (ЧУГ), важно, чтобы анализ был выполнен при тех же самых геометрических и температурных условиях, как и при производстве отливок. Назначение емкости для проб состоит в контроле охлаждения в процессе затвердевания образца расплавленного металла, так, чтобы геометрические и температурные условия в емкости для проб были подобны тем, что получены и в отливках. Возможность точно измерить характеристики затвердевания расплавленного металла позволяет литейному предприятию управлять процессом и гарантировать высокое качество продукции.
Емкости проб для температурного анализа известны в большом количестве проектов. Они могут быть выполнены из графита для использования при плавках алюминия или из керамического материала для расплавленного чугуна. Однако они не могут быть выполнены из стали из-за опасности расплавления и/или температурной неустойчивости.
Недостаток многих емкостей состоит в том, что они выполнены из материалов, которые с трудом поддаются механической обработке. Другой недостаток состоит в том, что, поскольку для взятия проб они погружаются в большой объем металла, то возникает риск температурного ударного растрескивания, особенно, если они выполнены из керамических материалов, которые сами по себе легко растрескиваются.
В документе WO-A1-96/23206 описывается емкость для проб, погружаемая в ванну с расплавленным металлом, подлежащим анализу. Емкость для проб выполнена открытой сверху и имеет двойные стальные стенки с полостью между ними, с низкой радиальной теплопроводностью. Полость может быть заполнена изолирующим газом, например воздухом. Внутренняя стенка емкости является тонкой и таким образом обеспечивает низкую теплоемкость так, что в короткий промежуток времени легко получить устойчивые температурные условия. Кроме того, тепло, излучаемое внешней поверхностью внутренней стенки, не поступает в окружающую атмосферу благодаря внешней стенке, действующей как радиационный экран, окружающий внутреннюю стенку, и изолирующей полости между стенками.
Описанная емкость для проб в WO-A1-96/23206 очень хорошо подходит для температурного анализа при производстве чугуна с уплотненным графитом благодаря своим свойствам. Однако такая емкость является дорогостоящей в изготовлении, что не годится для одноразового использования. Термопары находятся в определенных местах, то есть одна - у внутренней стенки и одна - в позиции, которая приблизительно соответствует центру гипотетической сферы расплавленного металла с однородной потерей теплоты на единицу объема. Фактически потеря теплоты из нижней части намного меньше, чем из верхней части. Одна причина этого неодинакового поведения состоит в том, что открытая верхняя часть излучает намного больше тепла на единицу объема, чем закругленная нижняя часть. Другой причиной является то, что контакт между двумя стенками в верхней части позволяет теплу циркулировать в изолирующем воздушном пространстве. Это представляет собой значительный недостаток, так как не всегда удается получить хорошие результаты.
Важно, чтобы охлаждение проходило с подобной скоростью, что и при отливке, которую следует контролировать. Равновесное охлаждение было бы слишком долгим и, соответственно, не имело бы практического значения в данной ситуации для контроля процесса, например, при производстве ЧУГ, так как результаты не будут получены до завершения процесса отливки и не сформируется похожая микроструктура.
Кроме того необходимо, чтобы устройство для отбора проб было недорогим, так как оно может использоваться только один раз. Так как особенно точные измерительные элементы типа термопары дороги, предпочтительно использовать их несколько раз. Главный недостаток многих известных устройств для отбора проб состоит в том, что довольно дорогие термопары используются только один раз.
Еще один недостаток состоит в том, что трудно производить по низкой цене большие серии емкостей для проб, которые имеют сходные свойства относительно геометрических и температурных условий и т.д.
Раскрытие изобретения
Сущность изобретения состоит в том, чтобы преодолеть указанные недостатки, используя усовершенствованное устройство отбора проб, содержащее контейнер для проб, в котором контролируется потеря теплоты на единицу объема, который воспроизводит сферу расплавленного металла, так как сфера наиболее однородна и, следовательно, является наиболее надежной и точной формой для температурного анализа. Это устройство для отбора проб с контролируемой потерей теплоты на единицу объема моделирует сферическое затвердевание расплавленного металла внутри контейнера для проб, не являющегося сферическим по форме, например, из-за производственных ограничений. Устройство для отбора проб согласно изобретению состоит из контейнера с двойными стенками, с радиационным экраном в верхней части и контролируемой полостью между стенками, который имеет намного более контролируемую потерю теплоты, не выходит из строя при высоких температурах, является недорогим и имеет лучшее расположение чувствительных датчиков температуры типа термопар, которые могут легко удаляться и многократно использоваться.
Другая важная задача, которая решена при помощи изобретения, это смещение температурного центра моделируемой сферы расплавленного металла, который сдвигается вниз по мере того, как верхняя часть пробы внутри контейнера затвердевает.
Решение этих задач решается за счет того, что устройство для отбора проб для температурного анализа затвердевающего металла, в частности чугуна с уплотненным графитом, содержащее выполненный цилиндрическим, открытый в верхней части контейнер для погружения и заполнения жидким металлом, подлежащим анализу, по крайней мере, один, предпочтительно два чувствительных температурных датчика, по крайней мере, предпочтительно одну защитную трубку, концентрически окружающую указанные датчики, размещенную внутри контейнера и укрепленную на несущем элементе, расположенном сверху контейнера, присоединенном к нему с помощью опор и предназначенном для направления и фиксации датчиков при погружении в отобранное количество затвердевающего металла во время анализа, причем контейнер выполнен с внутренней поверхностью, контактирующей с отобранным для анализа расплавом и внешней поверхностью, контактирующей с окружающей атмосферой, которые соединяются в верхней части контейнера и выполнены равноудаленными друг от друга в цилиндрической части контейнера с образованием замкнутой изолирующей полости между противоположными соответствующими поверхностями, отличается тем, что контейнер имеет преимущественно полусферическую нижнюю часть с концентрически расположенной уплощенной частью с диаметром, большим, чем диаметр защитной трубки, причем расстояние между поверхностями уплощенной части меньше, чем расстояние между указанными поверхностями в цилиндрической части контейнера.
Согласно предпочтительной форме выполнения расстояние между поверхностями в уплощенной части составляет 10-50%, предпочтительно около 20% от расстояния между поверхностями в цилиндрической части контейнера для того, чтобы смоделировать такие условия охлаждения, при которых получается сферическое затвердевание внутри контейнера, не являющегося сферическим по форме.
При этом является целесообразным, чтобы цилиндрическая часть контейнера имела высоту примерно вдвое больше, чем высота полусферической нижней части для того, чтобы смоделировать такие условия охлаждения, при которых получается сферическое затвердевание внутри контейнера, не являющегося сферическим по форме.
Согласно еще одной предпочтительной форме выполнения сменные датчики вставлены в защитную трубку, выполненную, например, из стали, керамики, стекла, на расстоянии, как можно меньшем от уплощенной нижней части, без образования воздушных пузырей или пустот или контакта с уплощенной частью.
При этом согласно предпочтительным формам выполнения защитная трубка может быть выполнена из стали, предпочтительно нержавеющей стали, и может быть покрыта защитным огнеупорным материалом; или защитная трубка может быть выполнена из кварцевого стекла; внутренняя поверхность контейнера и/или внешняя поверхность могут быть обработаны щетками, травлением, пескоструйной очисткой или химически, и что защитная трубка покрыта защитным огнеупорным материалом; внутренняя поверхность контейнера может быть выполнена с нейтральным покрытием или с реактивным покрытием.
При этом внутренняя поверхность и/или наружная поверхность и/или защитная трубка могут быть обработаны плазменными струями или спеканием наложенной керамики из оксида алюминия, оксида магния, оксида циркония, оксида кремния, нитрида кремния, углерода, нитрида бора или оксида кремния; цвет и/или обработка поверхностей стенок могут быть подобраны для изменения радиационных характеристик стенок.
Согласно еще одной форме выполнения является целесообразным, что кривые охлаждения, регистрируемые вблизи стенки емкости, записаны в области, отделенной потоком, в основании указанного контейнера, измеряющим элементом датчика с целью увеличения разрешения при оценке последующего взаимодействия подвергнутого обработке металла с реактивными покрытиями стенки.
Устройство для отбора проб предназначено для одноразового использования, не требует больших расходов и надежно воспроизводит геометрические и температурьте условия.
Обнаружилось, что теплота от внешней поверхности внутренней стенки контейнера не должна немедленно поступать в окружающую атмосферу, поскольку это сделало бы очень трудным обеспечение управляемой, медленной и воспроизводимой скорости отвода тепла. Таким образом, назначение внешней стенки состоит в том, чтобы формировать вместе с внутренней стенкой полость между стенками, которая регулирует потери теплоты в нижней части и со стороны затвердевающего металла.
Таким образом, полость между внутренней и внешней стенками является важным условиям регулирования потери тепла из-за излучения и тепловой проводимости. Когда эта полость вакуумирована или заполнена проницаемым веществом типа воздуха, излучение будет представлять собой важный процесс теплопередачи. По мере того, как температура затвердевающего металла в устройстве для отбора проб увеличивается, будет увеличиваться влияние излучения, т.к. его эффект составит четвертую степень абсолютной температуры.
Выбирая и полностью или частично заполняя полость подходящей средой и/или изменяя толщину полости, можно подобрать скорость отвода тепла в устройстве отбора проб в соответствии со значениями, которые требуются для температурного анализа. Средой может быть любой известный и подходящий материал типа песка, вермикулита, слюды, окиси магния, хлорита, различная керамика или комбинации этого, но все же из-за стоимости предпочтительнее газ, например воздух. В одной из предпочтительных конструкций расстояние (d1) между стенками в уплощенной нижней части контейнера составляет только 5 - 50%, предпочтительно приблизительно 20% расстояния (d2) между боковыми стенками контейнера, и вследствие этого возрастает потеря теплоты из-за проводимости в нижней части. Потеря теплоты из-за проводимости увеличилась в нижней части из-за уменьшенной полости на дне контейнера, уравновешивая потерю теплоты из открытой верхней части контейнера, имитируя таким образом потерю теплоты, как это происходит при сферическом затвердевании расплавленного металла.
Другим существенным признаком является форма контейнера. Для того чтобы можно было установить чувствительные датчики для температурного анализа, помещенные в защитную трубку на некотором расстоянии от внутренней поверхности внутренней стенки, нижняя часть контейнера имеет уплощенную поверхность. По практическим соображениям обе стенки, то есть внутренняя и внешняя, изготавливаются с уплощенными нижними частями. Уплощенная часть внутренней стенки имеет, по крайней мере, такой же размер, как и часть защитной трубки, содержащая датчик, что обеспечивает постоянное расстояние до конца указанной трубки. В одной из предпочтительных конструкций диаметр указанной уплощенной части вдвое отличается от диаметра защитной трубки, предпочтительно в большую сторону. Защитная трубка, которая частично погружена в затвердевающий металл в контейнере одним концом, плотно прилегает к поверхности нижней части. Открытая защитная трубка не работает, так как датчики быстро разрушатся.
Кроме того, открытая верхняя часть контейнера также имеет большое значение. Потеря теплоты обычно бывает большой, если она не накрыта крышкой. Таким образом, элемент конструкции (см. фиг.1, пункт 15), состоящий из радиационного экрана, который определяет положение термопар и присоединен с помощью опор к контейнеру, действует как крышка с целью уменьшения потери теплоты из-за излучения в верхней части пробы металла. Иначе говоря, верхняя часть устройства для отбора проб выступила бы в качестве холодного тела, поглощающего слишком много излучения от горячего контейнера. Это имитирует потерю теплоты из сферы расплавленного металла при затвердевании, поскольку уравновешивается более медленная потеря теплоты в нижней части контейнера.
Количество теплоты освобождается при начальном формировании пластинчатого графита вблизи стенок очень мало и на самом деле не подходит в качестве параметра контроля. Однако если форма в нижней части контейнера преимущественно сферическая; и если устройство для отбора проб предварительно нагрето (например, погружением в расплавленный чугун), исключая таким образом возникновение холодной зоны в застывающем чугуне вблизи стенок; и, если устройство для отбора проб размещено свободно, так, чтобы теплота не уходила в пол или монтажный стенд, то в расплавленном чугуне, содержащемся в устройстве для отбора проб, будет циркулировать благоприятный конвекционный поток. Эти конвекционные потоки омывают пластинчатый графит вдали от предварительно нагретых верхних стенок контейнера в данном устройстве и эффективно концентрируют рост пластин в отделенной потоком области в сферическом основании контейнера.
Внутренняя стенка контейнера предпочтительно выполнена довольно тонкой и/или из материала с низкой удельной теплоемкостью для придания внутренней стенке желаемой низкой теплоемкости в целом. В дополнение к этому внутренняя стенка имеет предпочтительно высокий суммарный коэффициент теплопередачи для того, чтобы выравнивать температуру отобранного количества и стенки; и поскольку суммарный коэффициент теплопередачи высок, время, требуемое для передачи количества теплоты, будет коротким.
Внутренняя стенка может быть выполнена из любого материала, который имеет термические свойства, указанные выше, и является термически устойчивым по отношению к отбираемому расплавленному металлу. Обычно используется металл или сплав. Предпочтительнее материалы, которые являются недорогими и гарантируют надежное серийное производство, особенно сталь.
Также можно менять цвет и/или обработку поверхности с целью изменения радиационных характеристик стенок.
Является предпочтительным покрывать внутреннюю поверхность внутренней стенки контейнера защитным слоем с целью защиты указанной стенки от расплавления или реакции с горячим жидким металлом пробы. Такое защитное покрытие можно также применять на внешней поверхности внешней стенки, особенно, если контейнер предназначен для погружения в горячий жидкий металл при отборе пробы. Защитное покрытие не влияет на тепловой баланс, так как является очень тонким. Однако покрытие является критическим при определении процесса затвердевания. Покрытие может быть инертным или может содержать реактивные субстанции для поглощения Мg и стимулировать формирование пластинчатого графита вблизи температурных чувствительных датчиков в нижней части. Это описано в шведском патенте 9704208-9 (приведенном для справки) и для более подробной информации в шведском патенте 9003289-7 (приведенном для справки). Защитным покрытием может быть любой жаропрочный оксид, такой как оксид алюминия, оксид магния, оксид циркония, кремнекислый карбид и т.д.
Температурные чувствительные датчики расположены на несущем элементе конструкции, который направляет датчики и фиксирует их по месту. Датчиками для температурного анализа обычно являются термопары, хотя в представленном изобретении нет ограничений в этом смысле; может использоваться любой вид датчиков, подходящих для температурного анализа затвердевающего металла (см. шведский патент 9600720-8 по инфракрасной пирометрии (приведено для справки).
В следующих термопарах датчики для температурного анализа заключены в концентрически размещаемую защитную трубку, которая частично погружена в затвердевающий металл в контейнере. Защитная трубка, один конец которой закрыт, установлена и закреплена на несущем элементе и, кроме того, на радиационном экране, то есть в двух точках. Одна термопара (измеряющая часть) помещена в закрытом конце указанной трубки таким образом, чтобы ее можно было легко удалить. Также крайне необходимо определить точку размещения второй термопары (измеряющей части) внутри температурного центра для того, чтобы избежать сдвига кривых охлаждения в течение периода измерения. Таким образом, вторая термопара (измеряющая часть) также сменная, помещена в защитную трубку в температурном центре расплавленной пробы предпочтительно на расстоянии с, составляющем около 2/3 общей высоты а внутренней части контейнера. Так как термопары сменные, они могут многократно использоваться для измерений. Трубка, содержащая две термопары, установлена как можно более ближе к уплощенной внутренней поверхности на дне контейнера, но не должна контактировать с этой поверхностью. Необходимо, чтобы защитная трубка была полностью окружена затвердевающим металлом, и никакие пустоты или пузыри не попадали в область измерения. Более того, очень важно, чтобы термодатчики были установлены точно, чтобы они не перемещались косо при проведении анализа. Неточное расположение термопар является значительным недостатком, который сильно искажает результаты измерения. Этого можно избежать, так как термопары прочно установлены на несущем элементе и, кроме того, на радиационном экране, которые зажимают защитную трубку с датчиками в нужном положении. Расстояние от закрытого конца защитной трубки до уплощенного дна b составляет 1-10% общей высоты внутренней части контейнера а, предпочтительнее около 5%.
Защитная трубка может быть выполнена из материалов типа стали, предпочтительнее из кварцевого стекла или нержавеющей стали. Для стальных трубок обычно требуется покрытие. Изобретение не ограничивается использованием только одной защитной трубки или одним комплектом термопар. Их можно использовать столько, сколько необходимо на различных расстояниях, то есть в точках измерения.
Краткое описание чертежей
Ниже изобретение будет описано более подробно со ссылкой на соответствующие чертежи.
При этом на фиг. 1 схематично представлено в поперечном разрезе устройство для отбора проб согласно изобретению, разработано для использования при производстве чугуна с уплотненным графитом; на фиг.2 показаны потоки в пробе затвердевающего расплавленного металла и то, как эти потоки воздействуют на слой чугуна с пластинчатым графитом, обычно образующийся около стенки контейнера.
На фиг.1 показано устройство 1 отбора проб согласно изобретению, состоящее из двустенного контейнера 2 для проб, который является в основном цилиндрическим, открытым наверху, с полусферической нижней частью 2b и уплощенным участком 2с, заполненное отобранным количеством 3 расплавленного металла, затвердевающего в верхней части контейнера 12; чувствительных датчиков температуры 4а-b для температурного анализа и несущего элемента 15, состоящего из радиационного экрана 19 и закрепленного опорами 16 на контейнере 2, указанный несущий элемент 15 и радиационный экран 19, направляющие защитную трубку 14, содержащую указанные датчики 4а-b, в нужное положение. В следующих термопарах измеряющие части 5а-b чувствительных датчиков температуры 4а-b погружены в отобранное количество расплава 3.
Контейнер состоит из внутренней стенки 6 и внешней стенки 7, выполненных из тонких листов стали, с образованием между этими стенками полости 8, которую определяют внешняя поверхность 9 внутренней стенки 6, и внутренняя поверхность 10 внешней стенки 7. В сгибе 11 в верхней части 12 контейнера 2 соединяются стенки 6 и 7. Сгиб 11 может также быть образован сплошным швом или точечной сваркой. Полость 8 заполнена воздухом. Две термопары 4а-b размещены по вертикали внутри защитной трубки 14, выполненной из стали, керамики, стекла или любого другого подходящего материала, вместе с первой термопарой 4 (измеряющий элемент 5b), размещенной вблизи внутренней поверхности 17 внутренней стенки 6, и другой термопарой 4 (измеряющий элемент 5а) в температурном центре а отобранного количества расплава 3. Несущий элемент 15 снабжен съемным держателем защитной трубки 14 с термопарами 4 в точном положении в процессе анализа. Термопары 4 соединены с оборудованием для оценки температурного анализа (не показано) кабелем 13, через который сигналы от измеряющих элементов 5а-b поступают на указанное оборудование для анализа.
Конец защитной трубки 14 находится на расстоянии b от уплощенной части дна 2с контейнера 2.
В процессе анализа при погружении в расплавленный металл, подлежащий анализу, расплавленный жидкий металл течет вниз в контейнер 2 между опорами 16.
Как показано на фиг.1, в процессе анализа контейнер 2 всегда заполняется одним и тем же количеством расплавленного металла. Каждая проба должна составлять одно и то же количество расплавленного металла, чтобы обеспечить постоянные температурные условия и постоянную реакцию с покрытием. Постоянный объем пробы является проблемой, связанной с соответствующими емкостями для температурного анализа, которые требуют заполнения заливкой. Данное изобретение, представляющее способ заполнения погружением с большим пространством для поступления металла, снижает возможность ошибок оператора и облегчает процесс отбора проб.
Изобретение не ограничивается показанными конструкциями и может выполняться в других вариантах. Само собой разумеется, что любые изменения устройств для отбора проб осуществляются специалистами и такое устройство можно использовать не только при производстве чугуна с уплотненным графитом или других видов чугуна, но и при производстве других металлов.
Предпочтительно, устройство отбора проб адаптируется для использования в производстве чугуна с уплотненным графитом способом, описанным в US-A-4667725.
Изобретение относится к устройствам для отбора проб с целью температурного анализа затвердевающего металла, в частности температурного анализа при изготовлении отливок. В устройстве для отбора проб для температурного анализа затвердевающего металла, в частности чугуна с уплотненным графитом, имеется контейнер, выполненный цилиндрическим, открытым в верхней части для погружения и заполнения жидким металлом, подлежащим анализу. Устройство имеет, по крайней мере, один, предпочтительно два чувствительных температурных датчика и предпочтительно одну защитную трубку, концентрически окружающую указанные датчики, размещенную внутри контейнера и укрепленную на несущем элементе, расположенном сверху контейнера и присоединенном к нему с помощью опор. Несущий элемент предназначен для направления и фиксации датчиков при погружении их в отобранное количество затвердевающего металла во время анализа. Контейнер выполнен преимущественно с полусферической нижней частью с концентрически расположенной уплощенной частью с диаметром, большим, чем диаметр защитной трубки. Расстояние между поверхностями уплощенной части меньше, чем расстояние между указанными поверхностями в цилиндрической части контейнера. Контейнер выполнен с внутренней поверхностью, контактирующей с отобранным для анализа расплавом, и внешней поверхностью, контактирующей с окружающей атмосферой, которые соединяются в верхней части контейнера и выполнены равноудаленными друг от друга в цилиндрической части контейнера с образованием замкнутой изолирующей полости между противоположными соответствующими полостями. Способ позволяет облегчить отбор чугуна с уплотненным графитом или других видов чугуна и других металлов и исключает ошибки оператора. 11 з.п. ф-лы, 2 ил.
| Приспособление в пере для письма с целью увеличения на нем запаса чернил и уменьшения скорости их высыхания | 1917 |
|
SU96A1 |
| Автоматический огнетушитель | 0 |
|
SU92A1 |
| RU 97114839 А, 20.06.1999 | |||
| Способ размножения копий рисунков, текста и т.п. | 1921 |
|
SU89A1 |
