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準(zhǔn)確測量和控制精密鑄造的溫度

文章出處：http://m.tbskystep.com/責(zé)任編輯：消防檢測儀器設(shè)備人氣：591發(fā)表時(shí)間：2020-08-20 15:36:53
準(zhǔn)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(duì)于生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)鑄件的重要性。鑄造工藝中的關(guān)鍵變量包括鑄模溫度、鑄模的隔熱特性、周期時(shí)間和操作人員的方法等，但是，其中最關(guān)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(shí)時(shí)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(duì)許多質(zhì)量特性有著直接的影響。如果測量和控制不當(dāng)，金屬溫度的差異會(huì)對(duì)成品鑄件尺寸、晶粒尺寸、疏松（表面和內(nèi)部）、機(jī)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(jìn)金屬溫度的測量和控制將會(huì)提高質(zhì)量和生產(chǎn)率，降低維護(hù)和勞動(dòng)力成本，減少測試費(fèi)用和責(zé)任賠償費(fèi)用等。
 
 
    溫度測量的難度
 
 
    　精密鑄造，特別是使用感應(yīng)熔化設(shè)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(jì)作為金屬溫度測量的主要或次要手段。使用常規(guī)高溫計(jì)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(shù)條件，因而常常受到誤導(dǎo)。這些精度技術(shù)條件只是在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中的理想目標(biāo)。真實(shí)世界中的一些情況會(huì)導(dǎo)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(xiàng)：
    　1、 未知/變化中的發(fā)射率—多種合金、擾動(dòng)效應(yīng)、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(duì)發(fā)射率的不可預(yù)見性起著作用。 
 
    　2、 蒸汽發(fā)射：對(duì)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(huì)增加或減少熱輻射，因此造成誤差。 
 
    　3、 觀察孔障礙：對(duì)多數(shù)儀器而言，信號(hào)的任何減弱都會(huì)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(jì)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(huì)讓常規(guī)高溫計(jì)失靈。 
 
    　5、 校驗(yàn)：行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)是每年校驗(yàn)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(duì)工廠使用的所有光學(xué)元件都進(jìn)行校驗(yàn)（觀察玻璃或觀察鏡）。 
 
    　6、 儀器校準(zhǔn)：通過透鏡瞄準(zhǔn)要求兩個(gè)光學(xué)路程準(zhǔn)確重疊，這會(huì)影響所有等級(jí)的常規(guī)高溫計(jì)。 
 
    　這些困難是光學(xué)溫度測量所特有的困難。同時(shí)，還有與工藝相關(guān)的困難，這使得任何類型儀器儀表的溫度測量變得復(fù)雜化了，包括： 
 
   　 1、 工藝變量的可接受范圍：除非整個(gè)熔化爐都處于穩(wěn)定狀態(tài)（通常情況下，這是不現(xiàn)實(shí)的），否則，在澆鑄過程中，溫度會(huì)有一個(gè)范圍，很重要的是，這個(gè)溫度范圍必須能保證產(chǎn)品的優(yōu)質(zhì)。 
 
    　2、 信號(hào)處理能力：測量儀器與控制設(shè)備之間的每個(gè)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(dǎo)致精密度的缺乏。 
 
    　3、 熔化技術(shù)：不良熔化技術(shù)會(huì)導(dǎo)致高蒸汽壓力元素過渡沸騰、熔池表面產(chǎn)生擾動(dòng)或形成反應(yīng)產(chǎn)品，所有這些都會(huì)造成常規(guī)高溫計(jì)的誤差。 
 
    　4、 鑄錠、坩堝、線圈間的匹配：對(duì)于熔化周期特性而言，熔化系統(tǒng)的這三個(gè)組分都是重要的。匹配不當(dāng)會(huì)造成熔化緩慢和不均勻、局部過熱或?yàn)R射。上述這些也都是常規(guī)高溫計(jì)誤差的來源。
 
 
    高溫光譜儀對(duì)于問題的解決 
 
 
    　高溫測量技術(shù)有其固有的優(yōu)越性：沒有污染，解除傳感器也不會(huì)中毒；安裝使用簡便；可進(jìn)行連續(xù)測量；沒有消耗材料；災(zāi)難性故障（喪失測量功能）極其稀少。現(xiàn)在，高溫測量科學(xué)的進(jìn)步已經(jīng)解決了在使用中與真實(shí)世界相關(guān)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(jì)，在解決這些問題方面具有良好能力。
 
 
    　除了提供卓越的真實(shí)世界中的精度之外，高溫能光譜儀還有許多其它優(yōu)點(diǎn)：它能提供每次測量時(shí)的質(zhì)量實(shí)時(shí)讀數(shù)以及公差（即測量時(shí)的不確定程度）；它還能提供信號(hào)強(qiáng)度，同樣溫度和狀態(tài)下的目標(biāo)與理想目標(biāo)之間的對(duì)比。這兩項(xiàng)功能可提供有關(guān)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(yīng)用于一些更為高級(jí)的領(lǐng)域中。在各種不同應(yīng)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(huì)隨著每批材料樣品而發(fā)生變化，，是高溫測量中理論計(jì)算與真實(shí)世界中材料行為的一種關(guān)聯(lián)關(guān)系。對(duì)精密鑄造業(yè)而言，金屬的發(fā)射率變化極其大。任何一個(gè)樣品，其發(fā)射率取決于成分、機(jī)械和熱性能的歷史狀況、進(jìn)行測量時(shí)的波長以及溫度本身。分析人員認(rèn)為，溫度的相對(duì)誤差與發(fā)射率的相對(duì)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(duì)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(huì)對(duì)溫度誤差造成大的影響。
 
 
    　一個(gè)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(duì)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(yàn)”的高溫計(jì)產(chǎn)生幾百度的讀數(shù)誤差。大的誤差會(huì)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(zhǔn)備任何信息，可以進(jìn)行準(zhǔn)確測量的高溫計(jì)，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(jì)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(dòng)造成的，擾動(dòng)會(huì)強(qiáng)化發(fā)射率。液體運(yùn)動(dòng)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(dāng)熔料冷卻時(shí)，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(gè)效應(yīng)與合金材料沸騰蒸發(fā)是一致的，在發(fā)生這種變化時(shí)，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(shí)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(gè)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(jì)無法進(jìn)行測量。在1:35 至 1:50的時(shí)間內(nèi)，高溫計(jì)報(bào)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(shí)際運(yùn)行過程中，由不正確的發(fā)射率造成的巨大溫度誤差除對(duì)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(fèi)、周期時(shí)間的延長以及耐火材料磨損的加劇等。尖峰是由于存在嚴(yán)重電磁攪拌造成的，過程如下：熔料中的擾動(dòng)強(qiáng)化了發(fā)射率，常規(guī)高溫計(jì)將此解釋為一個(gè)超溫?cái)?shù)值；隨后，作為對(duì)現(xiàn)象的反應(yīng)，控制器切斷電源；電源切斷后，擾動(dòng)消退，然后，常規(guī)高溫計(jì)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(dòng)激劇攪動(dòng)熔料，周期性循環(huán)開始，劇烈擾動(dòng)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(jìn)行準(zhǔn)確測量，所以，現(xiàn)在工藝正在準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)整定溫度。溫度示蹤軌跡平滑地達(dá)到整定點(diǎn)并準(zhǔn)確地對(duì)其進(jìn)行控制直至每個(gè)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(shí)，非常明顯地表示熔料擾動(dòng)情況的尖峰也大大地減少了，由擾動(dòng)狀況重復(fù)造成的電源斷和開以及擾動(dòng)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(dòng)，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(dá)到整定點(diǎn)，擾動(dòng)狀況也隨之會(huì)消退。
 
 
    　經(jīng)過改進(jìn)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(dá)到實(shí)際整定點(diǎn)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(hù)保養(yǎng)費(fèi)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(huì)因?yàn)檎舭l(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(shè)備中的廢氣會(huì)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(gè)范例表示于圖6中。所用的高溫計(jì)在受影響的中間區(qū)域有一波長響應(yīng)，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(jì)最為普遍的波長。誤差大小取決于儀器波長響應(yīng)和吸收數(shù)量的綜合狀況。在這個(gè)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(jì)既不儲(chǔ)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(yīng)該關(guān)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(jì)讀數(shù)不準(zhǔn)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(huì)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(gè)觀察孔上銅蒸汽的災(zāi)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(fù)到先前水平。這種工藝擾動(dòng)的時(shí)間進(jìn)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(huì)受到影響，但是，信號(hào)強(qiáng)度顯示將表示出達(dá)到檢測器的輻射量減少。對(duì)于有污物沉積的觀察孔，多數(shù)常規(guī)高溫計(jì)都將顯示較低的溫度數(shù)值，從而不會(huì)向操作人員報(bào)警。
 
 
    　4 、校驗(yàn)：從上述分析得出，高溫計(jì)應(yīng)該和與其配套使用的其他光學(xué)元件（目鏡或反光鏡）一起進(jìn)行校驗(yàn)。一般，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定每年校驗(yàn)一次，但這只是一種折衷的辦法，理想的儀器應(yīng)該有一個(gè)診斷，告知人們儀器什么時(shí)候需要進(jìn)行校驗(yàn)或修理。
 
 
    　經(jīng)驗(yàn)顯示，所有類型的高溫計(jì)在年檢時(shí)，都被發(fā)現(xiàn)不準(zhǔn)確，即儀器都在前一年的某個(gè)時(shí)候偏離了技術(shù)規(guī)范。因此，相當(dāng)一段時(shí)間里，高溫計(jì)都在提供不正確的溫度數(shù)值，對(duì)工藝產(chǎn)生負(fù)面影響。通過允差功能，高溫光譜儀可向業(yè)主報(bào)警，從而避免出現(xiàn)這樣的問題。
 
 
    　5、儀器的對(duì)準(zhǔn)和瞄準(zhǔn)：如果工件上的溫度并不均勻、目標(biāo)很小或距離遙遠(yuǎn)、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(jì)都是通過透鏡來觀測設(shè)備，這種方法的光學(xué)原理是用部分透射和部分發(fā)射的光學(xué)元件將視場分成兩個(gè)部分，可能出現(xiàn)的問題是兩個(gè)部分可能并未確切地在觀察同一目標(biāo)，因?yàn)樵趯?shí)踐中，精確對(duì)準(zhǔn)兩套光學(xué)元件是困難的。圖7重現(xiàn)了實(shí)際通過透鏡觀察到的常規(guī)高溫計(jì)的行為，表示出了真正發(fā)生的情況。如果目標(biāo)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(shí)操作人員卻認(rèn)為儀器視場已被填充滿了，通常導(dǎo)致所測溫度低于實(shí)際溫度。但也有例外，有一種類型的高溫計(jì)對(duì)邊緣效應(yīng)很敏感，此時(shí)顯示的溫度可能高于實(shí)際溫度。為了完全避免上述問題，高溫光譜儀只使用一個(gè)光學(xué)路程進(jìn)行瞄準(zhǔn)，這樣，就不存在對(duì)不準(zhǔn)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(dá)到所謂的“穩(wěn)態(tài)”，在整個(gè)工件上所有變量都是單一恒定數(shù)值。原因在于經(jīng)濟(jì)因素的考慮，要達(dá)到那種狀態(tài)，時(shí)間太長，成本也太高。在實(shí)踐中，每個(gè)變量都有一定范圍的數(shù)值，在這個(gè)范圍內(nèi)都可獲得優(yōu)良質(zhì)量。
 
 
    　7、信號(hào)處理：每次進(jìn)行數(shù)字到模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換時(shí)（反之亦然），信號(hào)都有一點(diǎn)損失。如果控制范圍寬廣，會(huì)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(shí)踐中，用戶可選擇調(diào)整溫度，使其對(duì)應(yīng)于控制信號(hào)的最大和最小值。高溫光譜儀可容許進(jìn)行這些數(shù)值的調(diào)整。
 
 
    改善溫度測量的價(jià)值
 
 
    　在鑄造廠使用高溫光譜儀的經(jīng)驗(yàn)證明，這種先進(jìn)型的高溫計(jì)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(shí)際應(yīng)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(hù)保養(yǎng)費(fèi)用、降低了勞動(dòng)力成本、減少了能源用量、減輕了環(huán)境負(fù)擔(dān)以及減少了賠償責(zé)任等。
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