專利名稱：預(yù)測凝固中的鑄鐵的顯微組織的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于預(yù)測顯微組織的改進方法，某些鑄鐵熔體是將按這種組織凝固的。本發(fā)明還涉及實施此方法的設(shè)備。
WO92/06809(其內(nèi)容經(jīng)參照已收入本文中)描述一種測定用WO86/01755的方法獲得的冷卻曲線的特殊方法。按照此文獻，在覆有消耗有效形態(tài)的組織變質(zhì)劑的材料的試樣容器中實施熱分析。這種材料可包含Si、Mn、Fe、K和Na的氧化物。在位于容器壁附近的特定的溫度響應(yīng)裝置所記錄的冷卻曲線中的一個較早出現(xiàn)的平臺表明由于與該覆層的相互作用，已形成片狀石墨。于是就可利用校準(zhǔn)數(shù)據(jù)確定是否需要向熔體中添加組織變質(zhì)劑，以便獲得致密石墨鑄鐵。
在大型鑄造廠中鑄造致密石墨鑄鐵時，能夠?qū)崿F(xiàn)精確而可靠的對鑄件顯微組織的預(yù)測是極為重要的。盡管實際上已形成一些片狀石墨，但有時難以解釋的冷卻曲線作為CGI被接受了。為提高測定冷卻曲線的精確性，因而需要測定冷卻曲線的替代方法，該方法可以補償與冷卻曲線的正常形態(tài)間的偏差。
發(fā)明簡述現(xiàn)已證明，通過研究盛有熔融鑄鐵試樣的試樣容器中的傳熱，就可對熔融鑄鐵樣品將凝固形成的顯微組織實施精確的預(yù)測。這種方法對于以計算機實施的自動化也是極為適宜的。定義本文所述的術(shù)語“冷卻曲線”是指代表作為時間函數(shù)的溫度的圖形，該圖形是以WO86/01755及WO92/06809中所述方式記錄的。
本文所用的術(shù)語“生熱曲線”指的是展示作為時間函數(shù)的，產(chǎn)生于熔融鑄鐵特定區(qū)域中的熱的圖形。出于本發(fā)明的目的，本文中的生熱曲線分別針對位于熔融鑄鐵試樣中心的區(qū)域(A區(qū))進行測定及對位于熔融鑄鐵試樣周邊區(qū)域(B區(qū))進行測定的。下文將進一步描述測定生熱曲線的方法。
本文所述的“試樣容器”指的是一種小的盛放試樣的容器，當(dāng)用于熱分析時，它盛滿了熔融金屬的試樣。
然后以一種適宜的方式，在凝固過程中記錄熔融金屬的溫度。最好按WO86/01755，WO92/06809，WO91/13176(其內(nèi)容經(jīng)參照已結(jié)合在本文中)，WO96/23206(其內(nèi)容經(jīng)參照已結(jié)合于本文中)或PCT/SE98/02122中所述的方式設(shè)計試樣容器。
本文所述的“取樣裝置”指的是這樣的裝置它包括裝有至少2個用于熱分析的溫度響應(yīng)器的試樣容器，所述響應(yīng)器打算在分析過程中被浸沒在正在凝固的金屬試樣中，并且該裝置還包括將把金屬液充于試樣容器中的裝置。最好以WO96/23206的圖2或PCT/SE 98/02122中所述的方式在試樣容器中裝設(shè)所述的傳感器。
本文所述的“組織變質(zhì)劑”指的是影響熔融鑄鐵中石墨形態(tài)的化合物?？稍贛g和稀土金屬，如Ce或這些化合物的混合物中選擇適用的化合物。熔融鑄鐵水中各種變質(zhì)劑濃度間的關(guān)系已在上述的文件WO92/06809和WO86/01755中討論過了。
本文所述的術(shù)語“CGI”指的是致密石墨鑄鐵。
本文所述的術(shù)語“SGI”指的是球墨鑄鐵。
附圖現(xiàn)參照附圖陳述本發(fā)明。


圖1是可用于本發(fā)明的試樣容器的示意圖。在這種試樣容器中，熱沿各個方向均勻傳播。因此盛在這種試樣容器中的熔融鑄鐵試樣可被認為是一種正在凝固的球體。在此圖中，該正在凝固的球被分成2個區(qū)，A和B。半徑r1和r2分別指的是A和B區(qū)的平均半徑。
圖2描繪了CGI的冷卻曲線及相應(yīng)的生熱曲線。在圖2-7中，采用如下的簡稱TA＝中心記錄的冷卻曲線；TB＝周邊記錄的冷卻曲線；PA＝在中心生成的熱；PB＝在周邊生成的熱。
圖3記載了低球化率的CGI的冷卻曲線及相應(yīng)的生熱曲線。在測量過程中，由于與容器壁覆層的反應(yīng)，在試樣容器中形成片狀石墨。
圖4記載了高碳當(dāng)量含量的鑄鐵的冷卻曲線及相應(yīng)的生熱曲線。
圖5記載了接近共晶的鑄鐵的冷卻曲線及相應(yīng)的生熱曲線。
圖6記載了共晶的或過共晶鑄鐵的冷卻曲線及相應(yīng)的生熱曲線。
圖7記載了片狀石墨灰鑄鐵的冷卻曲線及相應(yīng)的生熱曲線。
圖8是本發(fā)明的控制產(chǎn)生致密石墨鑄鐵的設(shè)備的示意圖。
對本發(fā)明的詳細描述如上所述，本發(fā)明涉及通過測量試樣中的放熱來對特定的熔融的鑄鐵試樣將要凝固形成的顯微組織作預(yù)測。本發(fā)明尤其是涉及確定2個試樣區(qū)(一個在試樣中心的中心區(qū)，一個包圍該中心區(qū)的試樣周邊區(qū))和周圍環(huán)境之間的傳熱。通過對于代表作為時間函數(shù)熱導(dǎo)數(shù)的曲線的研究，就可能實現(xiàn)精確的預(yù)測。
下述關(guān)系式可說明任何均勻單元的熱平衡Q儲存＝Q生成+Q入-Q出(1)其中Q儲存是因材料的熱容而貯存的熱量，Q生成是該材料本體生成的熱量，Q入是從周圍傳入此材料中的熱，而Q出是從該試樣本體傳往其周圍的熱。
當(dāng)實施本發(fā)明時，采用SE9704411-9中所公開的試樣容器是有利的。在這種試樣容器中，該容器中的試樣內(nèi)的傳熱在所有方向上是大致相同的。現(xiàn)在描述盛在試樣容器中的熔融鑄鐵的中心(圖1之A區(qū))和較偏于周邊的部位(圖1之B區(qū))之間的傳熱。由于A區(qū)位于這種正在凝固的球體的中心，所以沒有熱傳入該區(qū)，因而Q入等于0。適當(dāng)代換上述關(guān)系式(1)，給出下面的式子CpmAdTA/dt＝QgenA+0-4πke[(TA-TB)/(1/r1-1/r2)] (2)其中Cp是單位質(zhì)量的熱容量、mA是A區(qū)的質(zhì)量、dTA/dt是單位時間中A區(qū)的溫度變化，Ke是該材料的有效傳熱系數(shù)而(1/r1-1/r2)-1是平均的傳熱距離。半徑r1和r2在圖1中定義。TA和TB分別是A和B區(qū)的溫度。
從式(2)我們可以分離出在A區(qū)的生熱項，并算出該區(qū)中平均總的產(chǎn)生的熱QgenA＝CpmAdTA/dt+4πke[(TA-TB)/(1/r1-1/r2)](3)在式(3)中，除dTA/dt和(TA－TB)之外，其它的變量是常數(shù)，因此可將式(3)化簡為QgenA＝k1dTA/dt+k2(TA-TB)(4)其中K1和K2是常數(shù)。因而可從在熔融鑄鐵試樣的中心和周邊記錄的一組冷卻曲線算出與A區(qū)相應(yīng)的生熱曲線。
B區(qū)的熱平衡與A區(qū)的熱平衡相似，但熱既(從A區(qū))傳入該區(qū)，又從其中傳出(傳至周圍環(huán)境)。因此關(guān)系(1)中的Q入項不等于0。在式(1)中作適當(dāng)?shù)拇鷵Q得出以下式CpmBdTB/dt＝QgenB+4πke[(TA-TB)/(1/r1-1/r2)]-[h(TB-TS)+εABσ(TB4+TS4)] (5)其中除按式(2)和(3)定義的各變量之外，h是對傳熱至周圍環(huán)境的對流熱損失，TS是環(huán)境溫度，εABσ是Stefan-Boltzmann幅射定律中的適當(dāng)?shù)某?shù)。
致于最后一項，我們可以假設(shè)總的輻射熱損失和對流熱損失間的比是不變的C＝εAB/h(6)因而我們可以導(dǎo)出B區(qū)的生熱項QgenB為QgenB＝CpmBdTB/dt-4πke[(TA-TB)/(1/r1-1/r2)]+h[(TB-TS)+Cσ(TB4-TS4)] (7)在上式(7)中，除dTB/dt，(TA-TB)及TB外，所有的變量均不變。因而可將式(7)化簡為QgenB＝k3dTB/dt-k4(TA-TB)+k5TB+k6TB4-k7(8)通過將式(4)和(8)使用在以WO86/01755和WO92/06809的方式記錄的冷卻曲線上，我們就可確定相應(yīng)的生熱曲線。圖2A-6A公開了不同類型的冷卻曲線而圖2B-6B公開了相應(yīng)的生熱曲線。
如上所述，這些計算是以熱沿所有方向被均勻傳遞的狀態(tài)為基礎(chǔ)進行的。本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員當(dāng)然可以確定與其它傳熱條件相對應(yīng)的其它方程式。
與相應(yīng)的冷卻曲線相比，不同類型的生熱曲線之間有較大的區(qū)別。就CGI(圖2)而言，代表在B區(qū)中放熱的曲線包括2個明顯的峰，一個較小，一個較大，而低球比率的CGI(圖3)的放熱是如此之大，以致這2個峰難以區(qū)分開。這也適用于與高碳當(dāng)量鑄鐵相關(guān)的曲線(圖4)。主要的奧氏體峰在A區(qū)曲線是明顯可見的。在代表接近共晶鑄鐵的生熱曲線中(圖5)，仍可見到較小的奧氏體峰，而該峰在與共晶或過共晶鑄鐵的曲線(圖6)業(yè)已消失。對于灰鑄鐵(圖7)，代表B區(qū)的生熱曲線的第一峰是主要的。
用計算機控制系統(tǒng)實施該預(yù)測控制方法是適宜的，在必須進行大量測試時尤為如此。這類系統(tǒng)示于圖8中。取出熔融鑄鐵試樣再將它移到試樣容器中22中。在測定具體試樣時，2個溫度響應(yīng)裝置10、12將信號送往計算機裝置14，以便產(chǎn)生冷卻曲線和相應(yīng)的生熱曲線，如，用式(3)和式(6)形成所述曲線。計算機有能利用入口標(biāo)定數(shù)據(jù)，如，利用事先記錄在ROM單元16中的與已知量的變質(zhì)劑或已知顯微組織相對應(yīng)模型曲線，然后算出應(yīng)加于熔體中的變質(zhì)劑的量。按一較佳實施方案，這是作為專家系統(tǒng)而實施的。應(yīng)加的變質(zhì)劑的量作為信號送至將變質(zhì)劑加于需要校正的熔體的裝置18，從而熔體就被供以適量的變質(zhì)劑。
權(quán)利要求
1.生產(chǎn)CGI鑄件或任選地生產(chǎn)SGI鑄件的方法，它需要一個取樣裝置、至少2個記錄冷卻曲線的裝置、及將組織變質(zhì)劑加于將由其產(chǎn)生所述鑄件的熔融鑄鐵的裝置，所述方法包括如下步驟a)提供將由其生產(chǎn)所述鑄件的熔融鑄鐵的試樣，再將所述試樣加于試樣容器中；b)同時在距該試樣容器中心的距離r1和r2等處記錄至少2條冷卻曲線；c)用得自b)中的信息確定至少2條生熱曲線；d)將得自c)中的所述生熱曲線與事先確定的代表組織變質(zhì)劑已知濃度的生熱曲線對比，該事先確定的生熱曲線是以與步驟a)、b)和c)相同的條件確定的；e)根據(jù)于步驟d)中所作的對比確定欲加于該熔體中的組織變質(zhì)劑的量；f)使所述的添加組織變質(zhì)劑的裝置以一修正量將該變質(zhì)劑加于熔體中，及g)以本身公知的方式實施鑄造作業(yè)。
2.權(quán)利要求1的方法，其特征在于，所述的試樣容器是這種類型的當(dāng)其注滿熔融鑄鐵時，熱沿所有方向大致均勻地傳遞。
3.權(quán)利要求1或2的工藝，其特征在于，產(chǎn)生了致密石墨鑄鐵。
4.確定得到CGI或任選的SGI應(yīng)加入某種鑄鐵熔體中的變質(zhì)劑的量為的方法，它需要一試樣容器及至少2個記錄冷卻曲線的裝置，所述方法包括如下步驟a)提供用其將產(chǎn)生所述鑄件的熔融鑄鐵的試樣，再將所述試樣加于試樣容器中；b)在距該試樣容器中心r1和r2處同時記錄至少2條冷卻曲線；c)用得自b)的信息確定至少2條生熱曲線；d)將得自c)中的所述生熱曲線與代表變質(zhì)劑已知濃度的事先確定的生熱曲線對比，該事先確定的生熱曲線是以與步驟a)、b)和c)中相同的條件得到的；e)根據(jù)步驟d)中的對比，確定應(yīng)加于該熔體中的變質(zhì)劑的量。
5.實時地確立變質(zhì)劑的添加量以產(chǎn)生CGI鑄件或任選地產(chǎn)生SGI鑄件的設(shè)備，該設(shè)備包括第一溫度傳感器(10)，設(shè)置在以距試樣容器中心r1，但又在所述試樣容器之內(nèi)的距離，用以記錄第一冷卻曲線；第2溫度傳感器(12)，設(shè)置在以距所述試樣容器中心r2(r2＞r1)，但又在所述試樣容器之內(nèi)的距離，用以記錄第二冷卻曲線；確定將加于該熔體的變質(zhì)劑量(Va)的計算機裝置(14)；設(shè)有預(yù)先記錄的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)的記憶裝置(16)設(shè)置計算機，以通過利用i)熱平衡式Q儲存＝Q生成+Q入+Q出，和ii)由所述第一、二溫度傳感器(10，12)記錄的第一、二冷卻曲線確定所述試樣容器的一個中心區(qū)和一個周邊區(qū)的各生熱曲線，其中上式中的Q儲存是以該材料的熱容貯存的熱量；Q生成是該材料本體所產(chǎn)生的熱量；Q入是從周邊環(huán)境傳入該材料中的熱；Q出是傳遞到周圍環(huán)境的熱，設(shè)立該計算機以通過將所述生熱曲線與事先記錄的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)對比來確定應(yīng)加于此熔體的變質(zhì)劑的量(Va)。
6.用于在生產(chǎn)致密石墨鑄鐵鑄件的過程中實時地確立待加入鑄鐵熔體(20)中的變質(zhì)劑量的設(shè)備中的計算機程序產(chǎn)品，其中所述設(shè)備具有第一溫度傳感器(10)，設(shè)置在距試樣容器中心的距離為r1，但已在所述試樣容器之內(nèi)的地方，用以記錄第一冷卻曲線；第二溫度傳感器(12)，設(shè)置在距所述試樣中心的距離為r2(r2＞r1)，但又在所述試樣容器之內(nèi)的地方，用以記錄第2冷卻曲線；用于確定應(yīng)加入該熔體中的變質(zhì)劑量(Va)的計算機裝置(14)；設(shè)有預(yù)記錄的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)的記憶裝置(16)；該計算機程序產(chǎn)品包括記錄介質(zhì)和通過利用i)熱平衡式Q儲存＝Q生成+Q入+Q出和ii)由所述第一、二溫度傳感器(10、12)記錄的第一、二冷卻曲線，用于指導(dǎo)該計算機設(shè)備確定所述試樣容器中的一個中心區(qū)及一個周邊區(qū)的生熱曲線的計算機可讀編碼裝置；和通過將所述生熱曲線與預(yù)先記錄的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)對比確定應(yīng)加入該熔體中的變質(zhì)劑量(Va)的記錄介質(zhì)及計算機可讀編碼裝置；在上述熱平衡式中，Q儲存是以材料熱容量貯存的熱、Q生成是該材料本體產(chǎn)生的熱量、Q入是從周圍環(huán)境傳入該材料的熱、Q出是傳向周圍環(huán)境的熱。
全文摘要
通過研究盛有熔融鑄鐵試樣的試樣容器中的傳熱,就能對該熔融鑄鐵試樣將凝固形成的顯微組織進行精確的預(yù)測。此方法還非常適于通過使用計算機而實現(xiàn)高度的自動化。
文檔編號C22C33/00GK1336964SQ99814519
公開日2002年2月20日 申請日期1999年12月16日 優(yōu)先權(quán)日1998年12月18日
發(fā)明者P·普皮拉, C·安德森 申請人:新特卡斯特有限公司