精密铸造的温度测量控制

HEATS · 发表于 2010-9-12 19:26:16

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成功的精密铸造厂家知道工艺过程控制对于生产优质铸件的重要性。铸造工艺中的关键变量包括铸模温度、铸模的隔热特性、周期时间和操作人员的方法等，但是，其中最关键的工艺变量是金属温度。在精密铸造工艺中，金属温度的非接触测量有着许多重大困难，但是，最近开发出来的一套装置可提供实时精度的量化反馈，揭示出了潜在问题。

温度的重要性

在精密铸造工艺中，特别是在“等轴”工艺中，金属温度是起支配作用的因素，因此，也对许多质量特性有着直接的影响。如果测量和控制不当，金属温度的差异会对成品铸件尺寸、晶粒尺寸、疏松（表面和内部）、机械性能、产品品质（即热撕裂的倾向性）、薄壁部分的充满度等方面产生影响。

因此，改进金属温度的测量和控制将会提高质量和生产率，降低维护和劳动力成本，减少测试费用和责任赔偿费用等。

温度测量的难度

精密铸造，特别是使用感应熔化设备的精密铸造一般使用某种类型的非接触性红外辐射热电偶或高温计作为金属温度测量的主要或次要手段。使用常规高温计的人们或许并不了解他们所作测量的潜在误差来源，只是简单地注意仪器的“精度”技术条件，因而常常受到误导。这些精度技术条件只是在实验室环境中的理想目标。真实世界中的一些情况会导致令人惊奇的高测量误差值，它们包括（但不局限于）下述各项：

1、未知/变化中的发射率—多种合金、扰动效应、温度和波长的依赖性以及加工过程中成分的变化等，所有这些都对发射率的不可预见性起着作用。

2、蒸汽发射：对高压熔化（接近和在大气压以上）而言，熔池或坩埚中溢出的气体会增加或减少热辐射，因此造成误差。

3、观察孔障碍：对多数仪器而言，信号的任何减弱都会造成温度指示值的下降；观察窗上的污物影响多数高温计的精度。

4、观察窗玻璃材料：不是所有玻璃都具有同样的透射性能；有的是“灰”色的，而另外一些玻璃的透射性则随波长而发生变化。这会让常规高温计失灵。

5、校验：行业标准是每年校验一次，但是，仪器的漂移和失效有自己的日程，理想的做法是对工厂使用的所有光学元件都进行校验（观察玻璃或观察镜）。

6、仪器校准：通过透镜瞄准要求两个光学路程准确重叠，这会影响所有等级的常规高温计。

这些困难是光学温度测量所特有的困难。同时，还有与工艺相关的困难，这使得任何类型仪器仪表的温度测量变得复杂化了，包括：

1、工艺变量的可接受范围：除非整个熔化炉都处于稳定状态（通常情况下，这是不现实的），否则，在浇铸过程中，温度会有一个范围，很重要的是，这个温度范围必须能保证产品的优质。

2、信号处理能力：测量仪器与控制设备之间的每个模拟打到数字或数字到模拟转换都是潜在误差源，宽广的模拟范围导致精密度的缺乏。

3、熔化技术：不良熔化技术会导致高蒸汽压力元素过渡沸腾、熔池表面产生扰动或形成反应产品，所有这些都会造成常规高温计的误差。

4、铸锭、坩埚、线圈间的匹配：对于熔化周期特性而言，熔化系统的这三个组分都是重要的。匹配不当会造成熔化缓慢和不均匀、局部过热或溅射。上述这些也都是常规高温计误差的来源。

高温光谱仪对于问题的解决

高温测量技术有其固有的优越性：没有污染，解除传感器也不会中毒；安装使用简便；可进行连续测量；没有消耗材料；灾难性故障（丧失测量功能）极其稀少。现在，高温测量科学的进步已经解决了在使用中与真实世界相关联的各种问题。高温光谱仪是一种全新的仪器，它是一种专家系统型的多波长高温计，在解决这些问题方面具有良好能力。

除了提供卓越的真实世界中的精度之外，高温能光谱仪还有许多其它优点：它能提供每次测量时的质量实时读数以及公差（即测量时的不确定程度）；它还能提供信号强度，同样温度和状态下的目标与理想目标之间的对比。这两项功能可提供有关原料和工艺状态的宝贵信息，有助于确保合金成分的正确并显示出合金材料是否被沸腾蒸发。显然，用户掌握了这些信息还可将其应用于一些更为高级的领域中。

在各种不同应用中，高温光谱仪已经解决了非接触性温度测量的困难。

1、发射率：发射率会随着每批材料样品而发生变化，，是高温测量中理论计算与真实世界中材料行为的一种关联关系。对精密铸造业而言，金属的发射率变化极其大。任何一个样品，其发射率取决于成分、机械和热性能的历史状况、进行测量时的波长以及温度本身。分析人员认为，温度的相对误差与发射率的相对误差成正比，即：

其中：T为温度，是发射率，ΔT和 Δ是各自的误差。对精密铸造而言，液态金属的发射率数值经常在0.15～0.30范围内，分母中发射率的小数值会对温度误差造成大的影响。

一个铸造车间可能提供20种或30 种不同合金元素制成的零件，合金材料发生少量变化对金属发射率产生影响的量化工作尚未大规模地开展，所以，精密铸造合金的发射率没有手册可以查询。成分的类似性不能用于估算发射率，少量添加剂可大大地改变发射率。如图1所示，图中所示的两种合金的发射率，其成分差异总共为添加元素的2%原子量。由此产生的发射率方面的差异使得按照一种合金“校验”的高温计产生几百度的读数误差。大的误差会造成工艺混乱，使熔炼炉停产数天。

高温光谱仪是一种不需要事先准备任何信息，可以进行准确测量的高温计，不管发射率的情况如何，也不受环境的限制。图2为FAR高温光谱仪为监测镍基精密铸造合金纪录下来的温度和发射率。从图中可看到，功率整定值的每次变化都造成发射率快速尖峰状的增加，这是由于熔料的电磁搅拌产生扰动造成的，扰动会强化发射率。液体运动形成小的空腔，由于多重反射的作用，增加了吸收和发射。其次，当熔料冷却时，发射率经历阶梯状变化：在1:15左右，发生率减少10%以上，从0.245减少到 0.220。

这个效应与合金材料沸腾蒸发是一致的，在发生这种变化时，温度保持恒定不变。最后，熔料冻结，发射率激剧变化，从0.22变化成 0.60。缓慢降低的温度以及同时发生的缓慢增加的发射率表明，金属硬化的过程经历一个浆状状态，而不是像水变成冰那样相态发生突然变化。图3所示与图2为同一过程，但是，这次增加了一个常规高温计的输出。除了温度误差很大之外，需要注意的是，在断电冷却过程中，常规高温计无法进行测量。在1:35 至 1:50的时间内，高温计报告了温度的增加。这是一种虚假状况，是在金属冷却过程中，发射率增加造成的。

在实际运行过程中，由不正确的发射率造成的巨大温度误差除对产品质量产生影响外，一些明显的后果是电力的浪费、周期时间的延长以及耐火材料磨损的加剧等。图4为常规高温计测量的连续四个浇铸周期中的温度和发射率，图5中的两条示踪曲线为高温光谱仪测量的连续四个浇铸周期中的温度和发射率，尖峰温度不无特别重复性，可看到图4中发射率出现许多相当大的尖峰，表示有特别大的扰动存在。尖峰是由于存在严重电磁搅拌造成的，过程如下：熔料中的扰动强化了发射率，常规高温计将此解释为一个超温数值；随后，作为对现象的反应，控制器切断电源；电源切断后，扰动消退，然后，常规高温计检测到温度过低的状况，电源再次被接通，由此产生的电流涌动激剧搅动熔料，周期性循环开始，剧烈扰动造成耐火材料的侵蚀，于是在产品中产生夹杂。

对比图4中这种行为与图5中使用高温光谱仪的情况，发射率读数是一样的，温度递增是一样的，但是，温度范围较低。原因是，采用高温光谱仪进行准确测量，所以，现在工艺正在准确地实现整定温度。由图中可看出，温度示踪轨迹平滑地达到整定点并准确地对其进行控制直至每个周期结束，所有这些都是用同一控制器和控制算法完成的。同时，非常明显地表示熔料扰动情况的尖峰也大大地减少了，由扰动状况重复造成的电源断和开以及扰动状况被消除了。在满功率加热过程中，还存在一些电磁搅拌引起的扰动，但是，尽管发射率发生变化，由于温度得到精确控制，可顺利达到整定点，扰动状况也随之会消退。

经过改进的控制其优越性可表现为：高温蒸发量减少，产品质量提高；由于耐火材料侵蚀降低，夹杂减少；由于铸造周期达到实际整定点而不是虚假高数值，铸造周期加快，产量提高；由于耐火材料侵蚀降低，维护保养费用减少、降低了电力成本等。

2、蒸汽排放：众所周知，在加工处理过程中，金属会因为蒸发而被损耗掉，由此生成的金属蒸汽连带来自坩埚、敏感元件或其他熔炼炉设备中的废气会有选择性地吸收某些熔料中的热辐射，从而影响高温测量。

吸收光谱的一个范例表示于图6中。所用的高温计在受影响的中间区域有一波长响应，结果，产生了巨大误差。按照真正的墨菲定律，波长在650 nm范围内，吸收处于最坏状态，而这正是高温计最为普遍的波长。误差大小取决于仪器波长响应和吸收数量的综合状况。在这个范例中，误差在400℃左右，大约为25%。所以，采用空气熔炼的精密铸造业者需要考虑气相问题。常规高温计既不储存热能数据，也不具备区分该问题的波长分辨率，而高温光谱仪已经在无数环境中观察到蒸汽的吸收现象。

3、观察孔障碍：所有精密铸造的从业者都应该关心金属蒸汽在冷表面沉积的问题。蒸汽沉积造成的问题是常规控制高温计读数不准确的根源。由于温度过高，工作部件软化、倾倒，与铜元素接触，溅射到观察孔上，透射特性将会发生变化，造成大的误差。高温光谱仪曾经记录下在一个观察孔上铜蒸汽的灾难性沉积，这是在真空炉内由于水冷铜电极被熔化而造成的。观察窗上沉积的铜膜造成吸收，吸收随波长而变化，由此造成的不精确度反映在高温光谱仪的在线允差读数上，生成的巨大允差让操作人员产生了警觉，于是，操作人员更换了观察窗，精度恢复到先前水平。这种工艺扰动的时间进程如表所示。允差发生变化原因是沉积物具有非同寻常的透射率。如果沉积材料是污物而不是金属，则高温光谱仪的温度读数不会受到影响，但是，信号强度显示将表示出达到检测器的辐射量减少。对于有污物沉积的观察孔，多数常规高温计都将显示较低的温度数值，从而不会向操作人员报警。

4、校验：从上述分析得出，高温计应该和与其配套使用的其他光学元件（目镜或反光镜）一起进行校验。一般，行业标准规定每年校验一次，但这只是一种折衷的办法，理想的仪器应该有一个诊断，告知人们仪器什么时候需要进行校验或修理。

经验显示，所有类型的高温计在年检时，都被发现不准确，即仪器都在前一年的某个时候偏离了技术规范。因此，相当一段时间里，高温计都在提供不正确的温度数值，对工艺产生负面影响。通过允差功能，高温光谱仪可向业主报警，从而避免出现这样的问题。

5、仪器的对准和瞄准：如果工件上的温度并不均匀、目标很小或距离遥远、使用了观察管等都有可能产生虚假结果。许多便携式和固定式高温计都是通过透镜来观测设备，这种方法的光学原理是用部分透射和部分发射的光学元件将视场分成两个部分，可能出现的问题是两个部分可能并未确切地在观察同一目标，因为在实践中，精确对准两套光学元件是困难的。图7重现了实际通过透镜观察到的常规高温计的行为，表示出了真正发生的情况。如果目标的大小不是拟议中的十字线尺寸的许多倍，仪器视场没有被填充满，而这时操作人员却认为仪器视场已被填充满了，通常导致所测温度低于实际温度。但也有例外，有一种类型的高温计对边缘效应很敏感，此时显示的温度可能高于实际温度。为了完全避免上述问题，高温光谱仪只使用一个光学路程进行瞄准，这样，就不存在对不准的可能性。

6、工艺变量的可接受范围：多数工业流程都不可能达到所谓的“稳态”，在整个工件上所有变量都是单一恒定数值。原因在于经济因素的考虑，要达到那种状态，时间太长，成本也太高。在实践中，每个变量都有一定范围的数值，在这个范围内都可获得优良质量。

7、信号处理：每次进行数字到模拟信号转换时（反之亦然），信号都有一点损失。如果控制范围宽广，会有精度损失。值得我们注意的是，不要让这些损失叠加起来，形成影响工艺的不确定性。在实践中，用户可选择调整温度，使其对应于控制信号的最大和最小值。高温光谱仪可容许进行这些数值的调整。

改善温度测量的价值

在铸造厂使用高温光谱仪的经验证明，这种先进型的高温计可以很好地解决非接触式测量给精密铸造带来的诸多问题。在实际应用中，高温光谱仪成功地被用于多种液态和固态金属及合金的温度测量并取得了很好的效果，通过改善温度测量增加了产量、提高了质量、减少了维护保养费用、降低了劳动力成本、减少了能源用量、减轻了环境负担以及减少了赔偿责任等。

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