型砂发气性测试仪的改进研究

发布时间：2016-11-28 07:37

第1章 绪论 

1.1 课题研究的目的与意义 
随着新技术新材料的快速发展，装备制造业市场新的增长空间逐渐扩大，铸造的整个行业链开始了新一轮的竞争。尽管对于铸造行业来说发展较早，但它也务必将受到全新的影响，迎来新一轮严峻的挑战。 尽管铸造行业发展迅速，但是由于材料等因素的局限性，砂型铸造将长期处于铸造行业比重极大的重要地位。型砂性能的有效控制和检测必然是铸造加工整个生产过程中不可或缺的重要部分。据相关部门统计，因为型砂综合性能以及型砂组分变化的原因造成的铸件废品有近 40 %~70 %[1-3]。型砂性能的检测及有效控制是保证铸件产品拥有良好质量的重要工艺手段[4]，其中发气性是衡量铸造过程中铸型好坏的一个重要指标，例如在粘土砂造型中，型砂在达到造型要求的同时可以通过对型砂发气量的测量来确定煤粉、膨润土、水的最优配比。所以对发气性进行测量并有效的调节和控制是提高铸件产品合格率的必要措施之一[5-6]。 发气性是型砂极为重要的综合性能指标之一，是指型(芯)砂在加热的过程中析出气体的能力，常用发气量以及发气速度来评价衡量。发气速度通常是指发气量随时间变化而产生相应变化的动态规律。铸造生产时，当浇入经过熔炼的金属后，型（芯）砂将会发出大量的气体。发气量大的砂型，最容易造成的铸造缺陷就是侵入性气孔[7]，侵入性气孔是气体从铸件外部侵入液态金属中，因不能及时排出而形成的影响铸件产品质量的气孔。铸件在生产过程中，侵入性气孔通常随机产生的可能性要比反应性气孔（析出性气孔）大。
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1.2 国内外研究发展现状及分析 
浇注后在温度极高的液态金属作用下，铸型和型芯将会发出大量气体，这通常成为了铸件产生气孔缺陷的重要原因[12]。纯净而干燥的砂子是不会产生气体的，但对于铸造来说，没有任何实用意义，无法制成铸造过程中的铸型和型芯。除采用负压造型和聚苯乙烯气化模造型的特殊造型方法外，如果要想使铸型和型芯保持十分复杂的形状和较高的硬度，在型（芯）砂配比时，必须加入一定量的粘结剂，对型砂产生粘结作用[13]。 大部分的型砂粘结剂，如粘土、水玻璃、纸浆废液、油类及各种树脂，在高温作用下都会发生各种物化反应，或多或少的产生气体。除此之外，配制粘土型砂时，，必备的辅料如煤粉、重油也是产生气体的来源之一。如：由水分生成的气体是湿型砂铸造时气孔产生的主要原因，所以湿型铸造应根据粘土的用量及型砂的具体情况严格控制型（芯）砂的水分；树脂砂中树脂的燃烧是树脂砂铸造时气体的主要来源。所以在型砂的配比过程中尽量减少树脂的用量[14]。 我国的很多铸造企业在测定型砂中有效煤粉含量时，通常都会采用分别测量型砂和煤粉发气量的方法[15-16]。测定时，将准备好的待测砂样称重出 1  g 后，平均的铺在已经预热且冷却干燥过的陶瓷舟（或不锈钢舟）中，在生产铸造要求的温度下使用型砂发气性测试仪测定出该砂样的发气量。后用同样的方法测出 1 g  粘土和 0.1 g  煤粉的发气量。目前国内外型砂发气性的测量方法通常采用压力测量法和体积测量法两种。 压力测量法测定结果比较准确、测温范围较大，但是结构复杂，需冲入惰性气体标定，方法繁琐，测时较长，维护难。基于该方法设计的仪器有瑞士的PGD 型型砂发气性测定仪[17]、美国 Dietert 公司的 NO.628 型型砂发气性测定仪[18]等。 体积测量法测试时，整个系统内的压力必须与大气压保持平衡，一般需要两人操作，操作麻烦、准确度差，不易于实现实时监测和记录，且很难实现自动化。 
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第2章 型砂发气性测试仪基本原理及硬件构成

2.1 测试仪总体结构设计及基本原理 
在综合考虑到测试仪的成本控制、精度要求、操作方便等因素后，改进的新型型砂发气性测试仪的总体结构如图 2.1 所示。发气部分由高温分解炉（石英管、瓷舟、送舟钳）、电子天平、烘箱、温度控制系统、气体导向软管和缓冲室等组成，可以完成测试中对型砂样本的测量取样加砂，保证发气过程的精确性，为测试做好准备。信号综合处理部分由压力传感器、热电偶、24 V 稳压直流电源、计算机、PCI 数据采集板卡等组成，可以完成信号监测、采集以及综合处理过程，从而获得发气性的测试结果。发气量的测定结果通常以一定温度下单位重量砂样发出气体的总体积来表示[33]。气体压强是大量无规则运动的气体分子持续不断的与器壁碰撞的结果。设在一个密闭的体积为 V 的容器中有一定量的理想气体。每个分子质量为 m，总分子数为 N。
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2.2 高温分解炉和电子天平
对于高温分解炉，选用了带有可拆卸石英管的分解炉，保证了实验操作时瓷舟可以快速方便的送入和取出，同时便于清理石英管内部残留砂样。另外，当石英管出现漏气、炸裂等问题时也可以及时更换。经试验，高温分解炉可以达到国标要求的 850  ℃的高温且升温速度快，炉体较轻，长时间高温状态时炉体外表温度低。热电偶测温较准确，控温精度在±1 ℃。满足测试需要。高温分解炉实物图如图 2-3 所示。考虑到砂样称量的精确性，选用了高分辨率的电子天平。电子天平称量原理是利用电磁力和待称量物体的重力相平衡。电子天平的选用一般从准确度级别、分度值、量程、来考虑。本测试仪选用上海上平仪器有限公司生产的 JA1003电子天平，该电子天平最小称量 20 mg，最大称量 100 g，最小精度 0.001 g，安装有五面玻璃防风罩 ，使用时只需注意去皮的问题即可满足测试仪高精度的工作要求。 
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第 3 章型砂发气性测试仪系统软件设计 .... 20 
3.1  系统编程语言 ......... 20 
3.1.1 VB 6.0 语言简介 ........ 20 
3.1.2  程序采用的主要 VB 控件介绍 ........... 21 
3.2  系统管理界面设计 .......... 23 
3.3  数据采集与处理程序设计 ........ 25 
3.3.1  数据采集流程图 ....... 25 
3.3.2  数据采集板卡命令语法及其含义 ....... 27 
3.3.3  数据采集程序关键代码 ..... 27 
3.4  本章小结 ........ 29 
第 4 章改进的型砂发气性测试仪应用试验 ......... 30 
4.1  改进后测试仪发气量求解模型的建立 ...... 30
4.2  粘土砂发气性测试对比试验 .... 32 
4.3  树脂砂发气性测试对比试验 .... 35 
4.4  改进测试仪的重复性试验 ........ 36 
4.5  本章小结 ........ 38 

第4章 改进的型砂发气性测试仪应用试验 

为了检测改进后测试仪的可用性和精准度，我们用其分别对树脂砂和粘土砂进行了发气量的测量。并同时使用 WSP-CET-2000 型发气量测试仪对相同的砂样进行了同类型的测量。 

4.1 改进后测试仪发气量求解模型的建立 

这里采取用标准注射器注入气体模拟型砂发气性的方法，即每隔一定的步长（即注入不同的气体量），用注射器向已经预热的分解石英管内注射气体。考虑到常用的型砂发气量一般在 20 m L 左右。因此，暂定在 0-30 m L 范围内，步长为 2 m L。同时通过测试系统监测其输出电压值对应的数字量，得到一系列的注入气体量和压力信号输出电压的对应数据，如表 4-1 所示。由 Origin 软件得到的公式（4-2）的相关系数 R2为 0.99977，十分接近 1，表明该模型准确性较高。 然而，在试验过程中，不同的试验条件和周围环境的不稳定性，会造成计算机测得的发气量Q 与真实发气量Q真之间的数值偏离，为此，引入校正系数 K，通过修正 K 值保证测量结果的准确性。即，在一定的周期内（每隔一定的时间或不同的环境条件），需要对测试仪进行校正，修正程序中的校正系数。 校正系数的求解方法如下： 在达到预定分解温度时，通过 20 m L 的注射器分别每次注入固定量的（如2  m L）标准气体 Q真，同时用型砂发气检测仪根据式（4-2）测得发气量Q ，然后通过计算，求得一个 K 值，使得Q真= KQ 。从而保证测试仪器的准确性。 本试验中，由于获得发气性求解模型的环境与测试粘土砂和树脂砂发气性的环境一致，故无需对 K 值进行校正，默认为 K=1。若环境改变，则需要重新校正。 

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结论 

本文通过对型砂发气性测试仪进行改进研制，并对其进行初步对比试验，得出以下结论： 
1.  改进后的测试仪主要由高温分解炉、烘箱、缓冲气室、压力传感器、电子天平、控温仪表、PCI-8360V 数据采集板卡和计算机等构成。在计算机控制下，采用高温分解炉对砂样进行国标要求的温度下分解，克服了传统发气性测试仪操作麻烦、精确度差、不易于实现实时监测和记录的缺点。
2.  采用 VB 编制了测试仪的软件系统，经调试后，可以对型砂发气性进行测试；且测试仪的读数直观方便，可实时显示发气性参数值，自动绘制发气性-时间变化曲线。 
3.  采用标准注射器模拟型砂发气性的方法，获得了求解型砂发气性的数学模型，并采用校正系数来定期修正求解模型的准确性。 
4.  与 WSP-CET-2000 型发气性测试仪的对比测试结果相比，无论是粘土砂还是树脂砂，其准确性都较好，测量误差均小于 2  %。改进后测试仪重复测量10 次的试验结果表明，变异系数分别为 1.29 %和 2.51 %，具有较好的重复性。 
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参考文献(略)

本文编号：196218