Temperaturmessung und Kontrolle von Präzisionsguss

Erfolgreiche Feingusshersteller wissen um die Bedeutung der Prozesskontrolle für die Herstellung hochwertiger Gussteile. Zu den Schlüsselvariablen im Gießprozess gehören die Formtemperatur, die Wärmeisolationseigenschaften der Form, die Zykluszeit und das Verfahren des Bedieners usw. Die kritischste Prozessvariable ist jedoch die Metalltemperatur. Im Feingussverfahren hat die berührungslose Messung der Metalltemperatur viele große Schwierigkeiten. Eine Reihe von kürzlich entwickelten Geräten kann jedoch ein genaues quantitatives Feedback in Echtzeit liefern und potenzielle Probleme aufdecken.

Die Bedeutung der Temperatur

Im Feingussverfahren, insbesondere beim „Equal-Axis“-Verfahren, ist die Metalltemperatur der dominierende Faktor und hat daher auch direkten Einfluss auf viele Qualitätsmerkmale. Bei unsachgemäßer Messung und Kontrolle beeinflusst der Unterschied der Metalltemperatur die Größe des fertigen Gussstücks, die Korngröße, die Porosität (Oberfläche und Innen), die mechanischen Eigenschaften, die Produktqualität (d. h. die Neigung zum Heißreißen), die Fülle der dünnen -ummauerte Teile usw. Machen Sie Eindruck.

Daher verbessert die Verbesserung der Messung und Kontrolle der Metalltemperatur die Qualität und Produktivität, senkt die Wartungs- und Arbeitskosten und senkt die Prüfkosten und Haftungsausgleichskosten.

Schwierigkeit der Temperaturmessung

Beim Präzisionsguss, insbesondere beim Präzisionsguss mit Induktionsschmelzanlagen, wird im Allgemeinen eine bestimmte Art von berührungslosen Infrarotstrahlungs-Thermoelementen oder -Pyrometern als primäres oder sekundäres Mittel zur Messung der Metalltemperatur verwendet. Menschen, die herkömmliche Pyrometer verwenden, verstehen möglicherweise die möglichen Fehlerquellen bei ihren Messungen nicht, sondern achten einfach auf die "präzisen" technischen Bedingungen des Geräts und werden oft in die Irre geführt. Diese Präzisionsspezifikationen sind einfach ideale Ziele in einer Laborumgebung. Einige Bedingungen in der realen Welt können zu überraschend hohen Messfehlerwerten führen. Sie umfassen (sind aber nicht beschränkt auf) die folgenden:

• Unbekannter/sich ändernder Emissionsgrad – eine Vielzahl von Legierungen, Störeffekte, Temperatur- und Wellenlängenabhängigkeit und Zusammensetzungsänderungen während der Verarbeitung usw., die alle eine Rolle bei der Unvorhersehbarkeit des Emissionsgrads spielen.
• Dampfaustritt: Beim Hochdruckschmelzen (nahe und über dem Atmosphärendruck) erhöht oder verringert das überströmende Gas im Schmelzbad oder Tiegel die Wärmestrahlung und verursacht dadurch Fehler.
• Hindernis im Beobachtungsloch: Bei den meisten Instrumenten führt jede Abschwächung des Signals dazu, dass der Temperaturanzeigewert sinkt; Schmutz auf dem Beobachtungsfenster beeinträchtigt die Genauigkeit der meisten Pyrometer.
• Beobachtungsfensterglasmaterial: Nicht alle Gläser haben die gleichen Transmissionseigenschaften; einige sind "grau" gefärbt, während sich die Transmissionseigenschaften anderer Gläser mit der Wellenlänge ändern. Dies führt zum Versagen des herkömmlichen Pyrometers.
• Kalibrierung: Der Industriestandard ist, einmal im Jahr zu kalibrieren. Die Drift und der Ausfall des Instruments haben jedoch ihren eigenen Zeitplan. Der ideale Ansatz besteht darin, alle im Werk verwendeten optischen Komponenten (Beobachtungsglas oder Beobachtungsspiegel) zu kalibrieren.
• Instrumentenkalibrierung: Das Zielen durch das Objektiv erfordert eine genaue Überlappung zweier optischer Pfade, was sich auf alle Ebenen herkömmlicher Pyrometer auswirkt.

Diese Schwierigkeiten sind einzigartig bei der optischen Temperaturmessung. Gleichzeitig gibt es auch prozessbedingte Schwierigkeiten, die die Temperaturmessung jeder Art von Instrumentierung erschweren, darunter:

• Der akzeptable Bereich der Prozessvariablen: Es sei denn, der gesamte Schmelzofen befindet sich in einem stabilen Zustand (normalerweise ist dies unrealistisch), andernfalls hat die Temperatur während des Gießprozesses einen Bereich, und es ist sehr wichtig, dass dieser Temperaturbereich die Qualität des Produkts garantieren können.
• Signalverarbeitungsfähigkeit: Jede Analog-Digital- oder Digital-Analog-Wandlung zwischen Messgeräten und Steuergeräten ist eine potenzielle Fehlerquelle, und der große Analogbereich führt zu Ungenauigkeiten.
• Schmelztechnologie: Eine schlechte Schmelztechnologie kann ein vorübergehendes Sieden von Elementen mit hohem Dampfdruck, Störungen an der Oberfläche des Schmelzbades oder die Bildung von Reaktionsprodukten verursachen, die alle Fehler in herkömmlichen Pyrometern verursachen.
• Matching zwischen Barren, Tiegeln und Coils: Für die Eigenschaften des Schmelzzyklus sind diese drei Komponenten des Schmelzsystems alle wichtig. Unsachgemäße Anpassung führt zu langsamem und ungleichmäßigem Schmelzen, lokaler Überhitzung oder Sputtern. Dies sind auch Fehlerquellen bei herkömmlichen Pyrometern.

Hochtemperaturspektrometer zur Lösung des Problems

Die Hochtemperaturmesstechnik hat ihre Vorteile: keine Verschmutzung, keine Sensorvergiftung beim Ausbau; einfache Installation und Verwendung; kontinuierliche Messung möglich; keine Verbrauchsmaterialien; katastrophale Ausfälle (Verlust der Messfunktion) sind äußerst selten. Fortschritte in der Pyrometrie haben nun verschiedene Probleme gelöst, die mit der realen Welt im Einsatz verbunden sind. Das Pyrometer ist ein brandneues Instrument, es ist ein Multi-Wellenlängen-Pyrometer vom Expertensystemtyp, das gute Fähigkeiten zur Lösung dieser Probleme hat.

Neben der hervorragenden Genauigkeit in der realen Welt bietet das Hochtemperatur-Energiespektrometer viele weitere Vorteile: Es kann bei jeder Messung in Echtzeit die Qualität und Toleranzen (d. h. den Grad der Unsicherheit während der Messung) ablesen; es kann auch Signalstärke liefern, Der Vergleich zwischen dem Ziel und dem idealen Ziel bei derselben Temperatur und demselben Zustand. Diese beiden Funktionen können wertvolle Informationen über den Rohstoff- und Prozesszustand liefern, helfen, die richtige Zusammensetzung der Legierung sicherzustellen und zeigen, ob der Legierungswerkstoff gekocht und verdampft ist. Natürlich können Benutzer, die diese Informationen beherrschen, sie auch auf einige fortgeschrittenere Felder anwenden.

In einer Vielzahl unterschiedlicher Anwendungen haben Hochtemperaturspektrometer die Schwierigkeit der berührungslosen Temperaturmessung gelöst.

• Emissionsgrad: Der Emissionsgrad ändert sich mit jeder Charge von Materialproben, was eine Korrelation zwischen theoretischen Berechnungen bei der Hochtemperaturmessung und dem Materialverhalten in der realen Welt ist. Für die Feingussindustrie variiert der Emissionsgrad von Metallen stark. Der Emissionsgrad jeder Probe hängt von den historischen Bedingungen der Zusammensetzung, den mechanischen und thermischen Eigenschaften, der Wellenlänge, bei der die Messung durchgeführt wird, und der Temperatur selbst ab. Analysten glauben, dass der relative Fehler der Temperatur proportional zum relativen Fehler des Emissionsgrades ist, nämlich:
• Darunter: T ist die Temperatur, ist der Emissionsgrad, ΔT und Δ sind ihre jeweiligen Fehler. Beim Präzisionsguss liegt der Emissionsgrad von Flüssigmetall oft im Bereich von 0.15 bis 0.30, und der kleine Emissionsgrad im Nenner hat einen großen Einfluss auf den Temperaturfehler.

Eine Gießerei kann Teile aus 20 oder 30 verschiedenen Legierungselementen liefern. Die Quantifizierung des Einflusses einer geringen Änderung der Legierungsmaterialien auf den Emissionsgrad von Metallen wurde nicht in großem Maßstab durchgeführt. Daher gibt es kein Handbuch zum Emissionsgrad von Feingusslegierungen. . Die Ähnlichkeit der Zusammensetzung kann nicht zur Abschätzung des Emissionsgrades verwendet werden, eine geringe Menge an Additiven kann den Emissionsgrad stark verändern. Wie in Abbildung 1 gezeigt, beträgt das Emissionsvermögen der beiden in der Abbildung gezeigten Legierungen, der Unterschied in der Zusammensetzung beträgt insgesamt 2% Atomgewicht des hinzugefügten Elements. Der resultierende Emissionsgradunterschied führt dazu, dass ein auf eine Legierung "kalibriertes" Pyrometer einen Ablesefehler von mehreren hundert Grad erzeugt. Große Fehler führen zu Prozesschaos und bringen den Schmelzofen für mehrere Tage zum Stillstand.

Das Pyrospektrometer ist ein Pyrometer, das keine Informationen im Voraus aufbereiten muss und unabhängig vom Emissionsgrad genaue Messungen durchführen kann und nicht durch die Umgebung eingeschränkt wird. Es zeigt die vom FAR-Hochtemperaturspektrometer zur Überwachung von Nickelbasis-Präzisionsgusslegierungen aufgezeichnete Temperatur und Emissivität. Aus der Figur ist ersichtlich, dass jede Änderung des Leistungseinstellungswerts einen schnellen spitzenartigen Anstieg des Emissionsvermögens verursacht, der durch die Störung des elektromagnetischen Rührens des geschmolzenen Materials verursacht wird, was das Emissionsvermögen verstärkt. Die Bewegung der Flüssigkeit bildet einen kleinen Hohlraum, der durch die Wirkung von Mehrfachreflexionen Absorption und Emission erhöht. Zweitens ändert sich beim Abkühlen der Schmelze der Emissionsgrad stufenweise: Um 1:15 verringert sich die Inzidenz um mehr als 10 % von 0.245 auf 0.220.

Dieser Effekt steht im Einklang mit dem Sieden und Verdampfen von Legierungsmaterialien. Bei dieser Änderung bleibt die Temperatur konstant. Schließlich gefriert die Schmelze und der Emissionsgrad ändert sich drastisch von 0.22 auf 0.60. Die langsam sinkende Temperatur und der gleichzeitig langsam ansteigende Emissionsgrad weisen darauf hin, dass der Prozess der Metallhärtung eher einem Schlammzustand unterliegt als einem plötzlichen Phasenwechsel, wie Wasser zu Eis wird. Abbildung 3 zeigt den gleichen Prozess wie Abbildung 2, aber diesmal wurde der Ausgang eines herkömmlichen Pyrometers hinzugefügt. Neben dem großen Temperaturfehler ist zu beachten, dass herkömmliche Pyrometer während des Power-Off-Kühlprozesses nicht messen können. Zwischen 1:35 und 1:50 meldete das Pyrometer einen Temperaturanstieg. Dies ist eine falsche Bedingung, die durch den Anstieg des Emissionsvermögens während des Abkühlvorgangs des Metalls verursacht wird.

Im tatsächlichen Betrieb beeinträchtigt der große Temperaturfehler, der durch einen falschen Emissionsgrad verursacht wird, nicht nur die Produktqualität, sondern hat auch einige offensichtliche Konsequenzen wie Stromverschwendung, verlängerte Zykluszeit und erhöhter Verschleiß von feuerfesten Materialien. Die beiden Kurven sind die Temperatur und der Emissionsgrad in vier aufeinanderfolgenden Gießzyklen, gemessen mit einem Pyrometer. Die Spitzentemperatur ist nicht ohne Besonders wiederholbar, Sie können in Abbildung 4 sehen, dass es viele ziemlich große Spitzen im Emissionsgrad gibt, was darauf hindeutet, dass es eine besonders große Störung gibt. Die Spitze wird durch starkes elektromagnetisches Rühren verursacht.

Der Ablauf ist folgender: Die Störung in der Schmelze verstärkt den Emissionsgrad, konventionelle Pyrometer interpretieren dies als Übertemperaturwert; dann unterbricht die Steuerung als Reaktion auf das Phänomen die Stromversorgung; der Strom wird abgeschaltet Danach ließ die Störung nach, und dann erkannte das herkömmliche Pyrometer die Bedingung einer zu niedrigen Temperatur und der Strom wurde wieder eingeschaltet. Der resultierende Stromstoß rührte das geschmolzene Material heftig und der periodische Zyklus begann, und die starke Störung verursachte die Korrosion der feuerfesten Materialien. Dadurch werden Einschlüsse im Produkt erzeugt.

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