铸造过程中的自动化检测

球墨铸铁铸造过程中冷却曲线的测定与分析技术

球墨铸铁自从上世纪40年代发明以来，因其具有良好的综合力学性能和低廉的生产制造成本，因而得到了广泛的应用。对于球墨铸铁，其生产过程中熔炼合格优质的铁液，良好的孕育和球化处理是生产球铁的关键，因此近几年发明了许多测定铁液炉前状态的分析测试设备，如炉前的化学成分分析、光谱分析及金相分析等，通过这些检测手段便可以获得并预测球铁的大部分参数。但是，这些测试方法检测周期长，很难在铁液凝固前快速检测球墨铸铁的球化和孕育效果，因此在实际生产过程中使用不便。而热分析方法在球墨铸铁生产中具有简单、直观的效果，因此具有实际意义。

铸造热分析方法是利用冷却曲线记录金属及其合金在凝固过程中相变效应的一种能量分析方法，其原理是利用热分析仪记录铁液在特定样杯中的冷却曲线，然后根据冷却曲线上特征值的变化来定量地计算铁液的化学成分和力学性能，定性地评价铸铁中石墨的形态。因此，热分析技术的应用与发展对球墨铸铁的生产优化控制具有重大的意义。

一、球铁的冷却曲线及其特征值简介

1、冷却曲线的特征值

球铁的冷却曲线如图1所示，图中TEN是共晶结晶开始的温度，在此温度下，铁液开始进行共晶形核，反应生成石墨—奥氏体共晶团晶核；如果球化处理后没经过孕育或孕育不充分，核心数少，共晶团析出不多，因而热效应不大，在TEN后温度继续下降到共晶转变的最低温度TEU，形成一定的过冷△T=TEN-TEU，叫共晶过冷度。球化处理后未经孕育的球铁△T大于25℃，而且TEU越低以及△T越大，组织中碳化物则越多。当球化后的铁水得到充分的孕育，成核条件好，共晶团的核心数多，则△T很小，甚至TEN=TEU。

TEU是共晶转变的最低温度，从TEU以后开始大量共晶转化、放出热平衡散热损失，使TEU以后的温度不再下降，形成共晶平台TER，甚至出现少许的共晶回升温度△TE=TER-TEU。一般球化良好及孕育良好的球铁，△TE在0-5℃以内。如果球化不良或球化衰退，则△TE较高，在8-15℃之间。

TER是共晶转变的最高温度。球铁与相同成分灰铸铁的共晶平台最高温度之差叫相对过冷度，△T过冷=TER（原铁水）-TER（球铁）。相对过冷度表示了过冷倾向。球化剂都降低共晶转变温度，经孕育处理的球铁TER得到明显提高，与孕育前的球铁水TER提高8℃以内。

由于球铁在共晶结晶时，碳要通过固态奥氏体壳进行扩散，故结晶慢，共晶反应时间长，在冷却曲线上得到明显反应。在TER以后，在共晶团边界间隙里的液体仍在不断结晶。随奥

氏体壳的不断加厚，碳的扩散更为困难，一直拖到TS才结晶完毕，所以冷却曲线的膝部缓慢圆滑。灰铸铁则在共晶平台处曲线陡然下降。

图1 球墨铸铁热分析法记录的冷却曲线形式

2、冷却曲线在化学成分的测定与控制上的应用

1961年，英国学者Homphreys J.G首先发表了液相线温度TL与CE之间的数量关系：TL=1669-124[?(C)+?(Si)/4+?(P)/2]=1669-124CE。由此诞生了热分析方法。后来通过进一步发现，通过液相线温度TL和共晶温度TE可以定量计算碳和硅的含量，在20世纪70年代中期，根据冷却曲线来测定铁液CE、C、Si含量的技术已基本成熟。国内也有许多研究人员对热分析方法进行了广泛研究，如将热分析与光谱分析两种测试方法结合起来，可对铁液炉前成分进行准确快速检测，从而进行快速调整配料，指导生产。2000年，孙业瓒等开发了可视化的检测铁液熔炼质量的热分析系统。随后，朱彬等根据小波分析检测信号突变点的原理提取了冷却曲线的特征值，并编写了真个系统的炉前数据采集和炉前分析管理软件，使球墨铸铁热分析炉前化学成分测定与控制技术得到了进一步的发展。

3、冷却曲线在球墨铸铁石墨形态和球化率预测上的应用

球墨铸铁生产中对石墨形态的控制和球化率的预测具有重要的实际意义，根据以往的研究结果指出：同时考虑共晶最高温度TER，以及TER与共晶转变最低温度TEU之间的差值ΔT，可以评判热分析试样中的石墨形态和球状石墨的球化级别，当ΔT<5k时，球化良好，当ΔT>12k时，球化不良，ΔT=6-12k时球化中等。20世纪80年代，微热分析法得到了发展，通过热分析曲线及其微分曲线的分析，可以确定金属液相变临界点的温度和结晶过程中的冷却速度，从而使冷却曲线与铸铁的结晶过程对应了起来。

4、冷却曲线在力学性能预测上的应用

从冷却曲线上判断力学性能的第一个判据是液相线温度TL，因为如前所述，TL与CE具有一定的数量关系，而一般来说，铸铁的牌号越高，其碳当量值越低。第二个判据是共晶最

高温度TER与最低结晶温度TEU的差值ΔT，因为理论和实验均指出，当ΔT越大时，合金中的晶粒数目越少，晶粒越粗大，性能越差；反之，晶核数越多，晶粒越细小，性能越好。目前，可以通过冷却曲线和微分曲线来获取过冷度、浇注温度、最大冷却速度、液相线温度和固相线温度，打印抗拉强度和硬度等参数，此外还可以计算晶粒度、结晶潜热、固相分数，确定凝固特点等间接预测铸铁的力学性能。近30年来，人工神经网络开始在球铁铸件质量控制上应用，可以对熔体的成分和性能进行综合检测和预报，具有重大意义。

二、球铁冷却曲线的获得

测试系统一般是由激励装置、传感器、信号调理、信号处理和显示记录等几大部分组成的，如图2所示。对于球铁的铸造生产过程中冷却曲线是通过热分析仪来获得的，而热分析仪也具有这样的测试系统的组成，其原理如图3所示。

1、传感器

图3 热分析仪的测量系统

在热分析测试系统中，被测对象为从电炉中获取的铁液样品，铁液置于特制的标准样杯（如图4所示）中，这种样杯的样杯壳一般是树脂砂制成，在样杯里面含有热电转换元件（热电偶），亦即传感器。

图4 铸造热分析测试系统中的样杯

传感器是一种以一定的精度和规律把规定的被测量量转换为与之有确定关系、便于应用的某种物理量的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。其中，敏感元件是指传感器中能直接感受被测量的部分；转换元件是指传感器中能将敏感元件感受的被测量转换成适于传输和测量的电信号部分。在样杯中，即含有这样的敏感元件和转换元件，其中的敏感元件是负责感受高温的，转换元件是将温度参数的变化转换成电信号的变化，这二者都包含在热电传感器中。传感器的典型组成如图5所示。

基本部分 被测量 敏感元件 转换元件 输出 转换电路 辅助电源 图5 传感器的典型组成

传感器的基本参数指标有量程、灵敏度、精度和动态性能；环境参数指标有温度、抗冲振和其他环境参数；可靠性指标有工作寿命、无障碍时长等。选择传感器的步骤主要有：

①确定测试信号、测试形式和传感器类型； ②分析测试环境和干扰因素； ③确定传感器的量程； ④确定测量方式；

⑤确定体积及安装方式及价格等。

考虑完上述问题之后，再考虑传感器的灵敏度、响应特性、稳定性和精度等。

2、信号调理

信号调理的目的是把信号变成便于数字处理的形式，以便减少数字处理的困难。它包括： ①电压幅值的放大和衰减，以便于采样。在热分析仪中，所采集的电压需经过放大器放大。

②用低通滤波器过滤信号中的高频噪声。 ③隔离直流分量。

④如果原信号为调制信号，应解调。

信号调理中常见的环节有电桥、信号放大、滤波、信号调制与解调等。

①电桥。它是一种将传感器转换成的电路或磁路参数的变化转变为电桥的输出电压或电流的变化，分别称为电压桥和电流桥。电压桥按激励电压的种类不同分为直流电桥和交流电桥；电流桥也称为功率桥。其中直流电桥的桥臂只能为电阻，而交流电桥的桥臂可以是电阻，也可以是电容、电感及其组合。

②信号放大与衰减。信号放大器的主要特性有放大倍数和共模抑制比。放大倍数G =u0/u1 ，其中u0为放大器输出端的电压，u1为放大器输入端的电压。

③滤波器。它是一种选频装置，它只允许一定频带范围的信号通过，同时极大地衰减其他频率的成分。它起到了消除噪声和消除干扰信号等作用，在信号检测、自动控制、信号处理领域得到了广泛的应用。

④信号调制与解调。调制是使信息载体的某些特征随信息变化的过程，作用是把被测量信号植入载体使之便于传输和处理。解调是调制的逆过程，作用是从载波中恢复所传送的信息。根据载波受控参数的不同，可分为幅值调制、频率调制和相位调制，对应的波形分别称为调幅波、调频波和调相波。

3、A/D转换

模—数转换包括在时间上等间隔的采样及保持和幅值上的量化及编码。通过A-D转换把连续信号变成离散的时间序列。一般需要经过3个步骤：采样保持、量化和编码。采样是在模—数转换过程中以一定时间间隔对连续信号进行取值的过程。如果采样间隔TS太大，即采样频率fs太低，那么由于平移距离1/TS过小，移至各采样脉冲对应的序列点的频谱X（f）/TS就会有一部分相互交叠，新合成的X（f）* G(f）图形与X（f）/TS不一致。由于在时域上不恰当地选择采样时间间隔而引起高低频之间彼此混淆的现象称为混叠。为了避免混叠以便采样后仍能准确地恢复原信号，采样频率fs必须大于信号最高频率fc的两倍，即fs>2fc。在实际中，一般选为2.56倍。量化是在模—数转换过程中，对时域上每个间隔采样分层取

值的过程。它是采用有限字数长的一组二进制码逼近离散的模拟信号的幅值，而位数的多少决定了数字量偏移连续量误差的大小。

4、信号分析与处理

信号的分析和处理过程即是把无效的信号进行识别和剔除，从而分离出有用信息的过程，其主要目的是剔除信号中的噪声和干扰，提高信噪比；消除测量系统误差，修正畸变的波形；强化、突出有用信息，削弱信号中的无用部分；将信号加工、处理、变换，以便更容易识别和分析信号的特征，解释被测对象所表现的各种物理现象。信号分析可分为时域分析、幅值域分析、相关分析等；信号处理包含功率谱分析、系统响应分析、相干分析、倒谱分析及时频分析等。

信号的时域分析中主要统计的参数有：均值、方差、均方值、概率密度函数、相关函数和功率谱密度函数等。

信号的频域分析是指把时间域的各种动态信号通过傅里叶变换转换到频率域进行分析，描述反应了信号频率结构和各频率成分的幅值大小。一般泛指：频谱分析，包括幅值谱和相位谱；功率谱分析，包括自谱和互谱；频率响应函数分析，系统输出信号频谱与输入信号频谱之比；相干函数分析，系统输入信号与输出信号之间谱的相关程度；倒频谱分析。

时频域分析是指用时间和频率的联合函数来表示非平稳信号，并对其进行分析和处理的一种方法。

5、显示记录

经过A/D转换形成的离散的二进制数值信号，可以被计算机识别，经过计算机的接收，转换成相应的曲线，在显示器上显示，共我们识别和分析。

总之，热分析测试系统作为炉前球墨铸铁铁液质量控制的重要手段，不仅可以实现原铁液共晶度、过冷度、球化剂加入量、球化包和球化剂的掩埋、球化铁液量、残余镁量、球化铁液的反白口倾向、石墨化膨胀和缩松概率等的在线控制，而且测量简单快捷、铁液成分调整方便、化学成分测量精度较高。它的应用不仅可将球铁生产中的很多不利因素提前加以控制，将不可见的球铁铁液冶金质量简单、清晰得量化，为温度生产高质量的球铁件提供了科学的指导，而且减少了废品的损失和加工费用，在球墨铸铁铁液在线控制方面具有广阔的应用前景。

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