用於金屬及合金凝固高溫相變規律的實驗用加熱裝置的製作方法

2023-05-20 18:51:31

專利名稱：用於金屬及合金凝固高溫相變規律的實驗用加熱裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種用於金屬及合金凝固高溫相變規律的實驗用加熱裝置，特別涉及的是一種用於研究液態金屬和合金在凝固過程中相轉變規律的加熱裝置，屬於實驗儀器。
背景技術：
圍繞凝固和提高鑄坯質量的研究一直是材料和冶金領域研究工作者的熱點課題。凝固研究的一個重要方面是鋼坯在結晶器內坯殼生長規律的研究。坯殼的不均勻生長對鑄坯表面質量和漏鋼有重要影響，可造成連鑄坯表面的凹陷或裂紋缺陷。國內外學術界普遍認為鋼水高溫相變過程中體積收縮產生的氣隙是引起初生坯殼生長不均勻現象的主要原因。鋼水高溫相變過程的體積收縮又集中於8 — y轉變過程的體積突變收縮，這種收縮， 導致了鑄坯表面裂紋和皮下裂紋等的產生。針對此問題國內外冶金學者進行了很多研究，但主要從操作、工藝、化學成分的角度分析鑄坯裂紋的形成規律，提出了一些有效的措施，諸如降低拉速、採用弱冷等，而對於凝固過程中相轉變的定量化的研究較少，對於鋼液凝固收縮的定量認識也不夠全面。對於金屬及合金高溫相轉變的定量化研究，可以作為分析連鑄過程的鑄坯收縮和氣隙產生等現象時的理論依據，對於豐富凝固理論具有重要意義。目前實驗用普通電阻爐通過使用石墨電極和石墨發熱體僅能對坩堝內試樣進行加熱、保溫等熱處理，存在加熱不穩定，溫度數據不準確等缺點。
發明內容本實用新型旨在提供一種加熱穩定，溫度數據準確，且能設置多組加熱曲線的用於金屬及合金凝固高溫相變規律的實驗用加熱裝置。技術解決方案本實用新型包括爐筒、石墨隔熱屏、碳氈保溫層、石墨發熱體、石墨電極，石墨電極上放置石墨發熱體，石墨電極及石墨發熱體內放置石墨升降裝置，石墨升降裝置上設有石墨平臺，石墨平臺上放置剛玉坩堝，石墨發熱體上方設有紅外測溫儀探頭，石墨發熱體與石墨隔熱屏之間上端一側設有熱電偶探頭，熱電偶探頭與溫度顯示器連接，溫度顯示器與溫度傳感器連接，溫度傳感器與PID控制器輸入端連接，PID控制器輸出端與電動執行器連接，電動執行器與石墨電極連接。石墨升降結構包括電機、齒輪、升降杆、石墨平臺，電機與齒輪相連接，齒輪置於升降杆軸端的齒槽內，升降杆上放置石墨平臺，電機與電源開關連接。本實用新型可通過PID控制器設置多組加熱曲線，爐筒內壁設有掛鈎，碳氈保溫層懸掛在掛鈎上，爐筒與碳氈保溫層之間設有間隙。懸掛式碳氈保溫層的使用，使得此加熱裝置擁有更好的保溫效果，以滿足加熱均勻以及加熱曲線的相對穩定性和精準性。進一步由於加熱熔煉後，直接向爐內通入低溫冷卻氣體對高溫試樣進行快速冷卻，為了保護爐內加熱原件，本實用新型在加熱爐底部設置石墨升降臺，通過電機控制齒輪與齒槽的嚙合位置，實現升降臺位置高低可調，方便後期冷卻。本實用新型與普通加熱裝置相比，此加熱裝置體積較小，便於操作，而且坩堝尺寸很小，系列坩堝尺寸要求為d 10-30mm ；h : 15_50mm，要求熔液層厚度為5mm左右，試樣量在保證鋪滿坩堝底部的前提下儘量小，以同時滿足快速冷卻和測量體積變化的要求。由於試樣量小，可以實現快速加熱熔煉，同時，使用小尺寸的坩堝及加熱裝置，也可以提高實驗結果的精確性。而且此加熱裝置通過設定不同的加熱曲線，即通過控制加熱溫度關於加熱時間的曲線，達到分段加熱的目的，可實現加熱均勻 。再配合使用快冷裝置，以及後期常規的組織測定，就可以在常溫下觀測到試樣的高溫組織，得到金屬及合金凝固的高溫相轉變規律。此加熱裝置的優點I、可以通過PID控制器自動設定加熱溫度，可設定不同的加熱溫度，以獲得鋼樣不同的過熱度，最高加熱溫度可以達到2000. (TC，溫度精度達0. I0C ；2、可以通過PID控制器設定多組加熱曲線，加熱曲線可分1-40步，通過加熱時間和加熱溫度的設定，得到分段加熱曲線，可實現加熱均勻的目的；3、升降臺的使用，可以在後期快速冷卻時，保護高溫狀態下的加熱元件；4、配合使用懸掛式碳氈保溫層，實現高效保溫；5、坩堝尺寸及試樣量小，可以實現快速熔煉，提高實驗效率；可以實現快速冷卻，得到金屬的高溫凝固組織；6、整個加熱裝置尺寸較小，加工簡單，成本較低，便於操作，可以提高實驗結果的精確度。

圖I為本實用新型的結構示意圖。
具體實施方式
本實用新型包括碳氈保溫層I、爐筒2、石墨發熱體3、紅外測溫探頭4、熱電偶探頭5、石墨平臺6、剛玉坩堝7、石墨隔熱屏8、石墨升降杆9、石墨電極10、升降杆齒槽11、齒輪12。本實用新型爐筒2內壁設有掛鈎，碳氈保溫層I懸掛在掛鈎上，爐筒2與碳氈保溫層I之間設有間隙。石墨平臺6上放置有剛玉坩堝7，石墨發熱體3上方設有紅外測溫儀探頭4，用於測量剛玉坩堝7內試樣的實時溫度。石墨發熱體3與石墨隔熱屏8之間上端一側設有熱電偶探頭5，熱電偶探頭5與溫度顯示器連接，溫度顯示器與溫度傳感器連接，溫度傳感器與PID控制器輸入端連接，即通過溫度傳感器將熱電偶探頭5測得爐內溫度值反饋至IjPID控制器。PID控制器輸出端與電動執行器連接，電動執行器與石墨電極10連接，輸出端通過利用電動執行器調節石墨電極10的電流輸入，從而控制試樣的加熱速度與加熱溫度，實現閉合式環路溫度控制。石墨電極10上放置石墨發熱體3，石墨電極10及石墨發熱體3內放置石墨升降杆9，石墨升降杆9上放置石墨平臺6，升降杆9軸端開有齒槽11，齒輪12置於升降杆11軸端的齒槽11內，齒輪12與電機相連接，電機與電源開關連接，電源開關開啟，通過電機控制齒輪12與升降杆軸端齒槽11的嚙合高度，從而控制石墨平臺到合適的高度。工作過程熔煉少量金屬或合金，研究其高溫凝固相變時，進行如下步驟可實現所要求功能。將少量金屬放置於剛玉坩堝7內，將坩堝7置於石墨平臺6上，通過PID調節器設定加熱曲線，加熱曲線包括下列步驟，可以設置成1-40步，一般40段已足夠滿足普通金屬及合金加熱熔煉的應用。設定開啟超量程故障保護，當測量值超過上下限量程範圍± 10%報警，掉電保護，即程序運行中電源掉電後，當再次上電時，程序從斷點處繼續運行，對於定值設定，則總是保持掉電前的狀態，以及溫度報警功能。設定完畢以後，開啟電源開關，石墨電極10通電後開始加熱石墨發熱體3，通過熱輻射和熱對流兩種熱傳遞方式，加熱熔煉剛玉坩堝7內試樣，配合使用石墨隔熱屏8和碳氈保溫層1，實現加熱裝置的保溫功能。使用紅外測溫儀探頭4測量剛玉坩堝7內試樣溫度。使用熱電偶探頭5實時測定爐內氣氛溫度，並將測得溫度通過溫度傳感器轉化為電子信號反饋至PID調節器的輸入端，從而調整PID控制器的輸出信號，PID控制器通過電動執行器控制石墨電極10的電流輸入，實現閉合式環路溫度控制，按照設定加熱曲線加熱試樣。加熱熔煉完畢以後，打開電源開關，通過電機控制齒輪12與升降杆9軸端齒槽11的嚙合高度，升高升降杆9從而使石墨平臺6到合適位置，以配合使用快速冷卻裝置，再配合後期常規組織觀測，即可得到金屬及合金的高溫凝固的相轉變規律。權利要求1.用於金屬及合金凝固高溫相變規律的實驗用加熱裝置，包括爐筒(2)、石墨隔熱屏(8)、懸掛式碳氈保溫層(I)、石墨發熱體(3)、石墨電極(10)，石墨電極(10)上放置石墨發熱體(3)，其特徵在於，石墨發熱體(3)內放置石墨升降裝置，石墨升降裝置上設有石墨平臺(6)，石墨平臺(6)上放置剛玉坩堝(7)，石墨發熱體(3)上方設有紅外測溫儀探頭(4)，石墨發熱體(3)與石墨隔熱屏(I)之間上端一側設有熱電偶探頭(5)，熱電偶探頭(5)與溫度顯示器連接，溫度顯示器與溫度傳感器連接，溫度傳感器與PID控制器輸入端連接，PID控制器輸出端與電動執行器連接，電動執行器與石墨電極(10)連接。
2.根據權利要求I所述的用於金屬及合金凝固高溫相變規律的實驗用加熱裝置，其特徵在於，石墨升降裝置還包括電機、石墨升降杆(9)、齒輪(12)，電機與齒輪(12)相連接，齒輪(12)置於升降杆軸端的齒槽(11)內，電機與電源開關連接。
3.根據權利要求I所述的用於金屬及合金凝固高溫相變規律的實驗用加熱裝置，其特徵在於，爐筒(2)內壁設有掛鈎，碳氈保溫層(I)懸掛在掛鈎上，爐筒(2)與碳氈保溫層(I)之間設有間隙。
專利摘要本實用新型涉及一種用於金屬及合金凝固高溫相變規律的實驗用加熱裝置，屬於實驗儀器。本實用新型石墨電極上放置石墨發熱體，石墨電極及石墨發熱體內放置石墨升降裝置，石墨升降裝置上設有石墨平臺，石墨平臺上放置剛玉坩堝，石墨發熱體上方設有紅外測溫儀探頭，石墨發熱體與石墨隔熱屏之間上端一側設有熱電偶探頭，熱電偶探頭與溫度顯示器連接，溫度顯示器與溫度傳感器連接，溫度傳感器與PID控制器輸入端連接，PID控制器輸出端與電動執行器連接，電動執行器與石墨電極連接。本實用新型體積較小，便於操作，可以實現快速加熱熔煉，加熱均勻。在常溫下觀測到試樣的高溫組織，得到金屬及合金凝固的高溫相轉變規律。
文檔編號F27B17/02GK202501748SQ20122013105
公開日2012年10月24日 申請日期2012年3月22日 優先權日2012年3月22日
發明者王昊傑, 白亮, 邢淑清, 馬茹, 麻永林 申請人:內蒙古科技大學