CN1169775A - 热分析取样装置 - Google Patents

Abstract

一种金属凝固过程热分析的取样装置,包括至少一个在分析期间用于盛装所取液体金属试样(30)的容器和至少一个用于热分析的传感器(40、220、240),上述传感器预定在分析期间至少部分浸在正在凝固的金属样品中。该容器包括:具有外表面(70)和内表面(60)的内壁(50),该内表面在分析期间面对着样品;具有内表面(90)和外表面(100)的外壁(80),该外表面接触外界大气;上述壁在容器的出口部分接合在一起,因而内壁(50)的外表面(70)和外壁(80)的内表面(90)一起形成一个基本上封闭的空间(110)。

Description

热分析取样装置

本发明涉及用于金属凝固过程热分析的取样装置，该装置包括：容器、用于装放分析期间所用液态金属试样；至少一个用于热分析的传感器，在分析期间，上述传感器将浸没在正在凝固的金属试样中。本发明还涉及上述取样装置的试样容器。上述装置和容器主要用于在铸铁生产特别是在生产致密石墨铸铁(Compacted Graphit Iron)(以下称为CGI铁)时进行的热分析。

热分析是一种通过监测某些熔融物质在凝固期间温度改变的变化，来确定该物质在固态时的显微组织，因而确定其性能的技术。这种技术的基本过程为：从熔料中取出试样，将其放入测试容器、然后利用温度响应装置例如热电偶或高温计或其它本专业技术人员公知的这类装置记录和测定样品在凝固期间温度随时间的变化。

当使用热分析控制已熔化材料例如铸铁、CGI铁或铝合金的凝固过程时，最重要的问题是使测试容器和试样尽可能块地接近热平衡，并保证样品可控的均匀的和可重现的散热速率。这样作的原因是为了可以测量相变期间的温度变化，例如测量在形核阶段和初生相及次生相的长大阶段所生成的过冷和结晶潜热，了解这些对控制某些凝固过程是很重要的。

文献SE 350 606已说明了一种建立热平衡和达到可控散热速率的技术，该技术内容包括将取样容器放在待分析的金属熔池中或用其它的某种方法加热容器，以便在取样容器和其中所装试样之间，在热分析的冷却过程开始之前在比结晶温度高的温度下达到热平衡。适合于此种技术的容器已被公开，上述容器在用于装熔化铝时用石墨制作，而在用于装熔化铸铁时用陶瓷材料制作。

在DK-B-150 996中公开另一种热分析取样容器，这种容器只用于铝合金。该容器包括一个用钢板作的小坩埚，该坩埚的底部具有用热绝缘材料(例如型芯砂)作的塞子。

除上述容器以外，在这种技术中还有若干相似类型的其它样品容器。这些容器的一个共同缺点是，它们均由下述材料制成或者以下述材料作为主要组成部分，这些材料为例如石墨、呋喃砂、型心砂或耐火水泥；并且众所周知，这些材料难于加工。它们的特性导致了现有的加工方法生产速度慢而且存在相当多的质量问题。虽然期望提供各种容器特性，给出各种各样的不同散热特性，以便生产适合于不同金属和合金的热分析取样容器，但迄今尚不可能，因为用于生产这种容器的材料的有限选择严重地限制了在这些特性中选择的范围。同样，取样容器的冷却速率应充分准确并具有可重复性，以满足热分析的要求，由于可得到的材料特性的选择很窄，所以要提供这样一种容器也是很困难的。

关于浸入型的取样容器，即在取样时浸在大量熔化金属中的容器，还有一个附加的缺点是有热冲击破裂的危险，特别是当容器用陶瓷制作时。

按照现有技术方法制造的取样容器还具有污染熔化金属试样的危险。

本发明的目的是提供一种在引言中所述类型的取样装置，特别是提供一种用于这种装置的容器，采用这种装置可以克服上述缺点。

利用具有所附权利要求1特征部分所公开特征的取样装置可以达到此目的。

取样装置的容器类似于杜瓦容器，而且在某些实施例中，它实际上就是杜瓦容器，即是在两层壁之间的空间被抽空的双层壁容器，该容器的导热率很低。但是在容器的内、外壁之间的空间一般不抽空，而是或多或少充以绝热介质，充气体比较好，最好充空气。

容器的内壁最好作得相当薄和/或用低比热容的材料制作，以便使内壁的总的热容量达到需要的低水平。除此之外，内壁的总的热传导系数最好很高，以确保在很短时间内在壁和所取的注入到取样容器中的熔化金属试样之间达到热平衡。因为内壁的热容量低，所以为了使试样温度和壁的温度相等而必需从试样传到壁的所需的热量也低，而且因为总的传热系数高，所以传送上述热量所需时间将很短。

可以采用具有上述热性质的，同时在所取试样熔化金属中在热学上和化学上均稳定的材料制作内壁。特定材料的选择取决于要进行的热分析的类型和要分析的金属或合金。通常选用一种金属或合金。最好选用便宜而且容易加工的材料，特别是选用钢。

然而如果不存在外壁，则不会存在由内壁形成的优点。由内壁外表面散出的热量一定不能让其直接进入外界邻近的大气中，因为这样便很难实现可控的均匀的和重现的散热速率。因此外壁的用途是和内壁一起，在两壁之间形成一个其总的传热系数很低的空间，即一个其传热速率很低的空间。

通过选择适当介质并完全或部分充满该空间和/或改变该空间的厚度可以改变取样装置的散热速率，可以改变到各种形式的热分析所要求的值。上述介质可以是任何已知的、适当的绝热介质，例如砂、蛭石、云母、氧化镁、绿泥石、各种陶瓷及它们的混合物，但用气体比较好。最好用空气，因为空气不花钱而可以大量使用。

从取样容器内壁传到外壁的大部分热量是通过热辐射传送的。因此通过设计容器便可以调节从内壁到外壁的散热速率，设计的容器其外壁的表面积相对大于其内壁的表面积；在这方面，内、外壁之间的距离也许是一个重要参数。另外，还可以通过改变表面颜色和/或表面光洁度来改变热辐射状况。

当采用双杯法控制所装样品的散热时，两杯之间的间隙起着关键的作用。当抽空该间隙或充以透明的流体如空气时，热辐射将成为一种重要的导热机理。随着所装试样温度的升高，热辐射作用越来越重要，因为它的作用与绝对温度的四次方成正比。

辐射传热还受到表面特性即所谓辐射率的限制。理想表面辐射体称作为黑体，其辐射率为1。但真实表面将发射较少能量，其辐射率在0～1之间。

改变表面处理方法或在表面上涂层便可以显著改变该表面的总体传热量。抛光的金属面具有很低的辐射率，辐射最小的热量。其它可能的表面处理包括刷洗、腐蚀、喷砂和化学处理。

涂层表面主要呈现涂层的辐射特征。为此目的所用的高温涂层包括基于氧化铝、氧化镁、氧化锆、碳化硅、氮化硅、碳、氮化硼和石英的烧结陶瓷或等离子喷涂陶瓷。也有若干工业上现有的基于氮化硼、二氧化锆和碳的铸造涂层，这种方法能很好地形成辐射可控(contron)涂层。

通过改变取样容器的尺寸和/或形状，也可以控制散热速率，从而满足某些热分析的要求，使本发明的另一个优点体现出来，换句话说就是通过采用例如深冲压和本专业公知的类似方法可以容易地使本发明容器具有特定尺寸和/或形状。容器最好呈杯形，其几何形状至少是部分为球形，其底部为半球形，以保证在所有方向均匀散热。另外，试样必须是自由地挂着而不用一台子支承，这种台子会防碍散热的均匀性。

容器内壁的内表面最好涂一层保护层，以防止上述壁碰到液体金属试样时上述壁被熔解。这种保护涂层也可以涂在外壁的外表面上，特别是在取样时想使容器浸在炽热的液体中的情况下。保护涂层可以是难熔氧化物例如氧化铝。虽然在本发明基本实施例中的取样装置只包括上述双壁形的容器和一个热分析传感器，但一般还包括某种类型的传感器支承件，该支承件的用途是将传感器定位在至少分析某个部分时的位置上。支承件可以为顶盖形式，用于在分析期间盖住取样容器的开口，以避免传感器试样系统受到外界干扰。如果要避免熔化金属试样的表面接触外界大气，则上述顶盖上可装上输送惰性气体的装置，该惰性气体还可以选择性地被加热。

热分析的传感器一般是热电偶，但本发明不限于此。任何适合于热分析固化金属的传感器均可构成本发明部件。

取样装置最好适用于用US-A-4 667 725(B≌ckerud)公开方法生产CGI铁时进行的热分析。在此实施例中，装置包括两个温度响应装置或传感器，其中一个放在试样的中心，而另一个在熔化材料中的位置靠近容器内壁的内表面。在此实施例中如果要涂保护涂层则最好涂WO92/06809中公开的那种涂层，即该涂层包括一种物质，该物质可以降低靠近容器壁的熔化物中熔解元素镁的浓度，降低至少0.003％。上述后一种涂层包含例如至少10％重量的硅、锰或铁的氧化物，或至少0.5％重量的钾和钠的氧化物。

在特别优选的实施例中，设计于生产CGI铁时用的装置包括：端部密封的保护管，该管在分析时浸在正在凝固的金属中；第一热电偶真空计，该真空计在分析时靠近上述管的密封端部，并可以取出地插入到该保护管中；第二热电偶真空计，该真空计也可以取出地插到该保护管中。这两个热电偶分开足够的距离，以尽量减在分析期间在该热电偶之间进行热交换。该实施例的特别有利之处在于，该热电偶可以重复使进行许多次侧量，而不是在一次分析操作中便消耗掉。该容器最好关于垂直轴线大体对称，而且端部密封管与上述垂直轴线共轴，这样便可以减小在试样凝固和引起体积改变时出现侧向力冲击最靠近内壁的热电偶的问题。

下面参照附图详细说明本发明，这些附图是：

图1是按本发明基本实施例的取样装置的示意横剖视图；

图2是按本发明的一个用于CGI铁生产的实施例的取样装置其一部分的横剖视图；

图3也是横剖视图，示出本发明的一个特别优选实施例，该实施例也是为CGI铁生产而设计的，装有一个热电偶的端部密封保护管。

图1示出的取样装置10包括：碗形的取样容器20，其中装有正在凝固的熔融金属试样30；用于热分析的温度响应传感器40。在本实施例情况下为热电偶装置的传感器40的真空计45浸没在试样30中。容器20由内壁50和外壁80构成，两个壁均由薄钢板制作，在这两层壁之间有空间110，该空间由内壁50的外表面70和外壁80的内表面90构成。焊缝130用于连接在容器20开口部的内外壁。焊缝130可以是连续的焊缝或点焊缝。或者内外壁可以不焊接，而用卷边结合，或用卷边补充焊接的方法接合。在所示实施例中，在内壁50的内表面60和外壁80的外表面100上涂上按Wo 92/06809所述的保护涂层，以防止薄钢板在碰到炽热的液体金属时熔解。传感器40通过电缆120连接于热分析测定装置(未示出)，测量信号从测量部分45通过该电缆输送到上述用于分析的测定装置上。

生产CGI铁时用的取样装置200部分示于图2中，该装置包括的容器为图1所示装置中的同一种容器。然而装置200装有两个传感器，这两个传感器基本上按照上述US-A-4 667 725的说明配置：第一温度响应传感器220的真空计210放在试样30的中心，而第二传感器240的真空计230则放在靠近内壁50的内表面60的位置。传感器支承件250用于在分析时使传感器220、240就位。传感器支承件250通过腿部255连接于容器。当浸没时，液态金属从上述腿部之间流入容器内。

图3示出按本发明特别有利实施例的取样装置300的一部分。和图2所示装置一样，装置300也是为在生产CGI铁时使用而设计的，该装置不用两个单独的传感器而只用一个传感器部件310，该传感器部件仍然包括两个热电偶真空计320、330，这两个真空计基本上按照US-A-4 667 725的说明配置。传感器部件310可取出地插在由钢、陶瓷、玻璃或其它任何合适材料作的保护管340中。支承部件350用于在进行热分析时使保护管340固定就位。和上述情况类似，支承部件350通过腿部355连接于容器20。

应当明白，对上述取样装置进行适当改变是在本专业技术人员的专业知识范围内和本发明范围内的，而且上述装置不限于仅在生产CGI铁时或其它形式的铸铁时使用，也可以在生产其它各种金属时使用。

Claims (9)

1、一种金属凝固过程热分析用的取样装置，包括：至少一个容器(20)，该容器用于在分析时盛装所取液体金属样品；至少一个用于热分析的传感器(40、220、240)，上述传感器预定在分析期间至少部分地浸到所取的正凝固的金属样品中；其特征在于，该容器包括：内壁(50)，该内壁具有内表面(60)和外表面(70)，该内表面在分析期间面对着试样；外壁(80)，该外壁具有内表面(90)和外表面(100)，该外表面接触外界大气；上述壁在容器的开口部分结合起来，因而内壁(50)的外表面(70)和外壁(80)的内表面(90)共同形成一个基本上封闭的空间(110)。

2、如权利要求1所述的取样装置，其特征在于，该装置还包括传感器支承件(250、350)，该支承件使传感器(40、220、240)就位于分析期间的位置。

3、如权利要求1或2所述的取样装置，其特征在于，封闭空间(110)包含热绝缘介质。

4、如权利要求3所述的取样装置，其特征在于，热绝缘介质是气体或气体混合物。

5、一种用于热分析正在凝固金属的取样装置(10)的容器，该容器用于在分析期间盛装正在凝固金属的试样(30)，其特征在于，该容器包括：内壁(50)，该内壁具有外表面(70)和内表面(60)，该内表面在分析期间面对着试样；外壁(80)，该外壁具有内表面(90)和外表面(100)，该外表面接触外界大气；上述壁在容器开口部分被接合起来，因此内壁(50)的外表面(70)和外壁(80)的内表面(90)共同形成一个封闭的空间(14)。

6、如权利要求5所述的容器，其特征在于，容器的一部分为半球形。

7、如权利要求5所述的容器，其特征在于，利用洗刷、腐蚀、喷砂或化学处理方法处理内表面和/或其它表面。

8、如权利要求5所述的容器，其特征在于，利用烧结加上氧化铝陶瓷、氧化镁陶瓷、氧化锆陶瓷、碳化硅陶瓷、氮化硅陶瓷、碳陶瓷、氮化硼陶瓷或石英陶瓷的方法处理内表面和/或其它表面。

9、如权利要求5所述的容器，其特征在于，采用等离子喷涂氧化铝陶瓷、氧化镁陶瓷、氧化锆陶瓷、碳化硅陶瓷、氮化硅陶瓷、碳陶瓷、氮化硼陶瓷或石英陶瓷的方法处理内表面和/或其它表面。

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