真空熔鑄過程重量變化測量裝置及方法

王俊濤 巴曉玉 劉淞寧 彭立斌

（沈陽黎明航空發(fā)動機(jī)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 110043）

真空熔鑄過程重量變化測量裝置及方法

王俊濤 巴曉玉 劉淞寧 彭立斌

（沈陽黎明航空發(fā)動機(jī)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 110043）

目前，國內(nèi)的真空感應(yīng)熔鑄爐，設(shè)備自身大多采用間接澆鑄過程檢測，不能進(jìn)行澆鑄時間過程精確的直接檢測。因此，設(shè)計采用一種測量重量變化的方式，即對坩堝熔料的澆鑄重量變化進(jìn)行直接測量，以真實反映澆鑄的過程。該方法既可以精確反映澆鑄時間、澆鑄速度，也可以反映澆鑄均勻度，進(jìn)行澆鑄過程、質(zhì)量的控制。

稱重傳感器；真空感應(yīng)熔化爐；數(shù)據(jù)采集；澆鑄過程

國內(nèi)的真空感應(yīng)熔鑄設(shè)備，現(xiàn)今澆注過程測量大多采用坩堝翻轉(zhuǎn)角度測量法、計時法、經(jīng)驗法，測量誤差和人為誤差大。只有大噸位模件的澆注過程測量時采用稱重法，即采用爐體、坩堝外部整體稱重測量，對被澆注件與爐體或坩堝同時稱重測量，間接檢測整個過程中熔液重量的變化。然而，對于小型部件的澆注過程不能采用整體稱重測量。

小型澆注件重量（熔液重量）相對爐體或坩堝重量十分小，測量數(shù)據(jù)誤差很大，不能準(zhǔn)確地反映實際澆注熔液的重量變化。尤其在真空、高頻、高溫環(huán)境下，國內(nèi)目前沒有直接采用稱重傳感器對真空澆注過程中重量變化測量的技術(shù)及設(shè)備。國內(nèi)及國外的稱重傳感器耐高溫值最高是250℃，沒有將此類傳感器直接應(yīng)用于真空、高頻、高溫內(nèi)部環(huán)境下的技術(shù)。

本裝置采用耐溫250℃的稱重傳感器，經(jīng)過隔熱保護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)用到真空高頻熔化爐體內(nèi)部，組成熔注模具、熔料、隔熱保護(hù)結(jié)構(gòu)一同稱重的結(jié)構(gòu)。使設(shè)備在熔料注入過程中，精確檢測到重量的變化，并將檢測到的重量變化過程數(shù)據(jù)傳輸?shù)綘t體外部的無紙記錄儀或終端數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄。

1.系統(tǒng)類型及實現(xiàn)方法

“真空熔注測量系統(tǒng)”用于測量鑄件澆注過程中的重量變化，是一種用來在一次側(cè)的傳感器檢測而生成數(shù)據(jù)過程曲線的檢測裝置。即采用一種測量重量變化的方式，安裝耐溫250℃的重量傳感器，對坩堝熔料的澆注重量變化進(jìn)行測量，產(chǎn)生與重量變化量相對應(yīng)的電壓變化信號，輸送到無紙記錄儀進(jìn)行換算處理，形成對應(yīng)的變化曲線和單位時間內(nèi)的重量變化值，以此原理實現(xiàn)實時澆注注入過程的測量記錄。

2.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成及原理分析

2.1測量裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)

真空熔注過程檢測裝置由托架、隔熱保護(hù)裝置、傳感系統(tǒng)、顯示屏、數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)等組成。鑄模放置在托架上，托架為杠桿結(jié)構(gòu)，鑄模的質(zhì)量變化經(jīng)傳力銷作用于傳感器，經(jīng)密封插座傳至爐外記錄儀，記錄儀記錄并存儲爐內(nèi)熔注重量變化數(shù)據(jù)，供追朔分析。

鑄模的加熱溫度為970℃，鑄造時鋼水溫度可達(dá)1650℃，而傳感器的工作溫度在250℃以下。為使傳感器能夠正常工作，測量裝置設(shè)置了多重保溫隔熱措施。托架側(cè)面設(shè)置了隔熱擋板及隔熱盒，阻止鑄模的輻射傳熱，安裝在爐體上的支架不僅是托架的支撐件，外部還安裝了可保護(hù)三面的隔熱擋板，阻隔來自鑄模及鋼水的輻射熱能傳導(dǎo)。傳感器的安裝座與水冷爐體焊接，傳感器外部的保護(hù)罩與安裝座緊密貼合，將傳感器周圍冷卻。傳感器外部空間充填隔熱保溫棉，阻隔高溫。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。

傳感器與托架之間采用延長傳熱路徑、減小傳熱截面、選用低導(dǎo)熱系數(shù)材料等措施阻隔熱傳導(dǎo)。

采集的澆注數(shù)據(jù)和溫度數(shù)據(jù)，都顯示在無紙記錄儀的液晶屏上。同時，將測量的數(shù)據(jù)存儲在存儲器內(nèi)，供隨時調(diào)用輸出。

模具托架設(shè)計成L型，將模具的重力改變?yōu)樗椒较颍瑢鞲衅靼惭b于真空爐內(nèi)壁，延長熱量傳遞路徑，防止外泄的高溫鋼水直接向傳感器傳熱。熱源與傳感器間設(shè)計多重?fù)醢?，降低熱源對傳感器的輻射傳遞。支架、杠桿等選擇傳熱性能差的材料，墊板等選擇隔熱性好的材料，降低熱量的傳導(dǎo)。傳感器與爐壁間的安裝座安裝了導(dǎo)熱性好的材料，通過冷卻水迅速帶走熱量降低傳感器的溫度。

圖1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

2.2系統(tǒng)測量原理

真空爐內(nèi)熔鑄模具放置在“L”形傳力托架之上，耐溫250℃的重量傳感器安裝在爐體側(cè)壁的安裝座內(nèi)。當(dāng)熔液注入模具時，該部位的重量發(fā)生變化，通過“L”形傳力托架側(cè)面的傳感器頂桿頂壓傳感器，受感部傳感器檢測到重量的應(yīng)力變化，產(chǎn)生與重量變化量相對應(yīng)的電壓變化信號，經(jīng)變送器的隔離變換，轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)4mA～20mA電流信號，輸送到無紙記錄儀進(jìn)行換算處理，轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的變化曲線（單位時間內(nèi)的重量變換值）。該曲線實時反映出熔注的速度、均勻度、熔注時間以及熔液重量的變化量。全部數(shù)據(jù)在無紙記錄儀中得到記錄和存儲。同時，也可以直接實現(xiàn)與計算機(jī)終端的數(shù)據(jù)通信，將檢測過程數(shù)據(jù)及曲線數(shù)據(jù)輸送給終端。

該稱重傳感器置放于高溫的真空環(huán)境，盡管擁有各種防護(hù)保溫措施，也必須對其進(jìn)行溫度監(jiān)控，以保證傳感器自身工作正常。采用熱電偶對該傳感器的工作溫度進(jìn)行實時溫度監(jiān)測，檢測其工作溫度滿足傳感器使用的工作條件。

記錄儀的檢測數(shù)據(jù)也可以通過RS232數(shù)據(jù)端口進(jìn)行遠(yuǎn)程傳輸?shù)焦た貦C(jī)，將無紙記錄儀采集得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行備份及數(shù)據(jù)圖像放大分析。

2.3數(shù)據(jù)采樣過程及過程曲線分析

如圖2所示。工件熔注全過程曲線所示。

圖2　工件熔注全過程曲線

熔注全過程在曲線圖內(nèi)主要分為5個工作過程，分別為：

①工件放置過程

工件放置過程主要是操作者將模具放置到稱重支架上并調(diào)整澆注角度的一個過程。

②棒料熔化及抽真空過程

是實施澆注前必要的工藝條件準(zhǔn)備，由曲線圖可以看出，隨著真空度的增加變化，稱重傳感器顯示的重量數(shù)值緩慢地下降。記錄儀記錄了此段過程的時間以及由于真空度變化所產(chǎn)生的重量變化過程。

③工件熔液注入過程

當(dāng)溶液溫度滿足工藝要求的溶注溫度時，進(jìn)行熔液注入。此過程可以在曲線圖內(nèi)的澆注過程中，真實地反映出模具重量變化與時間的關(guān)系。此過程也是本課題追求的目標(biāo)值過程，課題的最終目的就是為了得到這個時間段的數(shù)據(jù)曲線，即采集記錄（或測量）過程。

④工件冷卻過程

當(dāng)注入完成后，需要真空環(huán)境下一定時間的降溫冷卻過程，記錄儀同樣記錄了此段過程所用的時間，熱電偶采集傳感器的溫度數(shù)據(jù)，監(jiān)督傳感器的工作溫度，高溫報警，避免損壞傳感器。

⑤工件取出過程

此過程記錄了工件由破真空到取出的全過程。當(dāng)真空度恢復(fù)到大氣壓力的同時通過對曲線的觀察，可發(fā)現(xiàn)模具重量有一個跳變值。

通過對曲線的分析，系統(tǒng)能夠記錄并反映整個工件熔注的時間、不同重量的工件熔料、不同加工者澆注操作時的快慢區(qū)別等等工藝數(shù)據(jù)。通過對曲線的分析，能夠區(qū)分不同加工者的工作習(xí)慣，以及在澆注過程中澆注速度如何影響澆注模件的合格品的數(shù)據(jù)關(guān)系，通過數(shù)據(jù)分析可以了解加工曲線與合格品之間的模糊聯(lián)系。

采樣數(shù)據(jù)半個月備份一次，以防數(shù)據(jù)丟失。采集的數(shù)據(jù)可在無紙記錄儀上直接查看分析，也可通過線纜或U盤連接到上位機(jī)進(jìn)行存儲或分析。

3.應(yīng)用效果及前景

經(jīng)過項目的調(diào)試、應(yīng)用試驗，采用重量傳感器可以實現(xiàn)測量熔注時間過程的生產(chǎn)應(yīng)用。

①通過應(yīng)用重量傳感器對澆注重量變化過程的在線測量，可實現(xiàn)澆注過程全面監(jiān)測，為澆注生產(chǎn)的整體質(zhì)量提供一個可靠的分析研究數(shù)據(jù)依據(jù)。同時，可以以此為基礎(chǔ)方法，進(jìn)行精確地熔注工藝課題試驗以及推廣應(yīng)用，最終實現(xiàn)全面、精確的工藝質(zhì)量控制及提高。

②其他同類真空熔鑄設(shè)備可以全部采用此類方法進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計、改造應(yīng)用。

結(jié)論

通過對重量傳感器的應(yīng)用調(diào)研，進(jìn)行了深入地研究、分析、試驗，證明只要對傳感器進(jìn)行嚴(yán)密地高溫隔離，采用特殊保溫材料，對壓力應(yīng)變片、傳輸導(dǎo)線進(jìn)行特殊防護(hù)，即可實現(xiàn)傳感器正常檢測應(yīng)用。

現(xiàn)有多臺真空熔鑄設(shè)備，大多采用坩堝翻轉(zhuǎn)角度測量法、時間計時法、經(jīng)驗法進(jìn)行的間接測量熔鑄實時過程。而重量傳感器的應(yīng)用，將徹底改變這種傳統(tǒng)的方式，更加精確、直觀地進(jìn)行檢測，實現(xiàn)對熔鑄動作、時間的精密控制及分析研究，提高精密熔鑄的質(zhì)量。

國內(nèi)真空熔鑄設(shè)備應(yīng)用普遍，數(shù)量眾多，皆可以稱重的方法實現(xiàn)直接地監(jiān)測，實現(xiàn)精確的自動化控制，提高設(shè)備的先進(jìn)技術(shù)能力，最終實現(xiàn)精密鑄造工藝全面質(zhì)量的提高。

[1]葉湘濱，等.傳感器與測試技術(shù)[M].北京：國防工業(yè)出版社，2007.

[2]張洪潤.傳感器應(yīng)用設(shè)計300例[M].北京：航空航天大學(xué)出版社，2008.

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