王俊涛 巴晓玉 刘淞宁 彭立斌

（沈阳黎明航空发动机（集团）有限责任公司，辽宁 沈阳 110043）

真空熔铸过程重量变化测量装置及方法

王俊涛 巴晓玉 刘淞宁 彭立斌

（沈阳黎明航空发动机（集团）有限责任公司，辽宁 沈阳 110043）

目前，国内的真空感应熔铸炉，设备自身大多采用间接浇铸过程检测，不能进行浇铸时间过程精确的直接检测。因此，设计采用一种测量重量变化的方式，即对坩埚熔料的浇铸重量变化进行直接测量，以真实反映浇铸的过程。该方法既可以精确反映浇铸时间、浇铸速度，也可以反映浇铸均匀度，进行浇铸过程、质量的控制。

称重传感器；真空感应熔化炉；数据采集；浇铸过程

国内的真空感应熔铸设备，现今浇注过程测量大多采用坩埚翻转角度测量法、计时法、经验法，测量误差和人为误差大。只有大吨位模件的浇注过程测量时采用称重法，即采用炉体、坩埚外部整体称重测量，对被浇注件与炉体或坩埚同时称重测量，间接检测整个过程中熔液重量的变化。然而，对于小型部件的浇注过程不能采用整体称重测量。

小型浇注件重量（熔液重量）相对炉体或坩埚重量十分小，测量数据误差很大，不能准确地反映实际浇注熔液的重量变化。尤其在真空、高频、高温环境下，国内目前没有直接采用称重传感器对真空浇注过程中重量变化测量的技术及设备。国内及国外的称重传感器耐高温值最高是250℃，没有将此类传感器直接应用于真空、高频、高温内部环境下的技术。

本装置采用耐温250℃的称重传感器，经过隔热保护结构应用到真空高频熔化炉体内部，组成熔注模具、熔料、隔热保护结构一同称重的结构。使设备在熔料注入过程中，精确检测到重量的变化，并将检测到的重量变化过程数据传输到炉体外部的无纸记录仪或终端数据采集系统，进行数据记录。

1.系统类型及实现方法

“真空熔注测量系统”用于测量铸件浇注过程中的重量变化，是一种用来在一次侧的传感器检测而生成数据过程曲线的检测装置。即采用一种测量重量变化的方式，安装耐温250℃的重量传感器，对坩埚熔料的浇注重量变化进行测量，产生与重量变化量相对应的电压变化信号，输送到无纸记录仪进行换算处理，形成对应的变化曲线和单位时间内的重量变化值，以此原理实现实时浇注注入过程的测量记录。

2.系统结构组成及原理分析

2.1测量装置机械结构

真空熔注过程检测装置由托架、隔热保护装置、传感系统、显示屏、数据记录系统等组成。铸模放置在托架上，托架为杠杆结构，铸模的质量变化经传力销作用于传感器，经密封插座传至炉外记录仪，记录仪记录并存储炉内熔注重量变化数据，供追朔分析。

铸模的加热温度为970℃，铸造时钢水温度可达1650℃，而传感器的工作温度在250℃以下。为使传感器能够正常工作，测量装置设置了多重保温隔热措施。托架侧面设置了隔热挡板及隔热盒，阻止铸模的辐射传热，安装在炉体上的支架不仅是托架的支撑件，外部还安装了可保护三面的隔热挡板，阻隔来自铸模及钢水的辐射热能传导。传感器的安装座与水冷炉体焊接，传感器外部的保护罩与安装座紧密贴合，将传感器周围冷却。传感器外部空间充填隔热保温棉，阻隔高温。系统结构组成如图1所示。

传感器与托架之间采用延长传热路径、减小传热截面、选用低导热系数材料等措施阻隔热传导。

采集的浇注数据和温度数据，都显示在无纸记录仪的液晶屏上。同时，将测量的数据存储在存储器内，供随时调用输出。

模具托架设计成L型，将模具的重力改变为水平方向，将传感器安装于真空炉内壁，延长热量传递路径，防止外泄的高温钢水直接向传感器传热。热源与传感器间设计多重挡板，降低热源对传感器的辐射传递。支架、杠杆等选择传热性能差的材料，垫板等选择隔热性好的材料，降低热量的传导。传感器与炉壁间的安装座安装了导热性好的材料，通过冷却水迅速带走热量降低传感器的温度。

图1　系统结构组成

2.2系统测量原理

真空炉内熔铸模具放置在“L”形传力托架之上，耐温250℃的重量传感器安装在炉体侧壁的安装座内。当熔液注入模具时，该部位的重量发生变化，通过“L”形传力托架侧面的传感器顶杆顶压传感器，受感部传感器检测到重量的应力变化，产生与重量变化量相对应的电压变化信号，经变送器的隔离变换，转换成标准4mA～20mA电流信号，输送到无纸记录仪进行换算处理，转化成相应的变化曲线（单位时间内的重量变换值）。该曲线实时反映出熔注的速度、均匀度、熔注时间以及熔液重量的变化量。全部数据在无纸记录仪中得到记录和存储。同时，也可以直接实现与计算机终端的数据通信，将检测过程数据及曲线数据输送给终端。

该称重传感器置放于高温的真空环境，尽管拥有各种防护保温措施，也必须对其进行温度监控，以保证传感器自身工作正常。采用热电偶对该传感器的工作温度进行实时温度监测，检测其工作温度满足传感器使用的工作条件。

记录仪的检测数据也可以通过RS232数据端口进行远程传输到工控机，将无纸记录仪采集得到的数据进行备份及数据图像放大分析。

2.3数据采样过程及过程曲线分析

如图2所示。工件熔注全过程曲线所示。

图2　工件熔注全过程曲线

熔注全过程在曲线图内主要分为5个工作过程，分别为：

①工件放置过程

工件放置过程主要是操作者将模具放置到称重支架上并调整浇注角度的一个过程。

②棒料熔化及抽真空过程

是实施浇注前必要的工艺条件准备，由曲线图可以看出，随着真空度的增加变化，称重传感器显示的重量数值缓慢地下降。记录仪记录了此段过程的时间以及由于真空度变化所产生的重量变化过程。

③工件熔液注入过程

当溶液温度满足工艺要求的溶注温度时，进行熔液注入。此过程可以在曲线图内的浇注过程中，真实地反映出模具重量变化与时间的关系。此过程也是本课题追求的目标值过程，课题的最终目的就是为了得到这个时间段的数据曲线，即采集记录（或测量）过程。

④工件冷却过程

当注入完成后，需要真空环境下一定时间的降温冷却过程，记录仪同样记录了此段过程所用的时间，热电偶采集传感器的温度数据，监督传感器的工作温度，高温报警，避免损坏传感器。

⑤工件取出过程

此过程记录了工件由破真空到取出的全过程。当真空度恢复到大气压力的同时通过对曲线的观察，可发现模具重量有一个跳变值。

通过对曲线的分析，系统能够记录并反映整个工件熔注的时间、不同重量的工件熔料、不同加工者浇注操作时的快慢区别等等工艺数据。通过对曲线的分析，能够区分不同加工者的工作习惯，以及在浇注过程中浇注速度如何影响浇注模件的合格品的数据关系，通过数据分析可以了解加工曲线与合格品之间的模糊联系。

采样数据半个月备份一次，以防数据丢失。采集的数据可在无纸记录仪上直接查看分析，也可通过线缆或U盘连接到上位机进行存储或分析。

3.应用效果及前景

经过项目的调试、应用试验，采用重量传感器可以实现测量熔注时间过程的生产应用。

①通过应用重量传感器对浇注重量变化过程的在线测量，可实现浇注过程全面监测，为浇注生产的整体质量提供一个可靠的分析研究数据依据。同时，可以以此为基础方法，进行精确地熔注工艺课题试验以及推广应用，最终实现全面、精确的工艺质量控制及提高。

②其他同类真空熔铸设备可以全部采用此类方法进行改进设计、改造应用。

结论

通过对重量传感器的应用调研，进行了深入地研究、分析、试验，证明只要对传感器进行严密地高温隔离，采用特殊保温材料，对压力应变片、传输导线进行特殊防护，即可实现传感器正常检测应用。

现有多台真空熔铸设备，大多采用坩埚翻转角度测量法、时间计时法、经验法进行的间接测量熔铸实时过程。而重量传感器的应用，将彻底改变这种传统的方式，更加精确、直观地进行检测，实现对熔铸动作、时间的精密控制及分析研究，提高精密熔铸的质量。

国内真空熔铸设备应用普遍，数量众多，皆可以称重的方法实现直接地监测，实现精确的自动化控制，提高设备的先进技术能力，最终实现精密铸造工艺全面质量的提高。

[1]叶湘滨，等.传感器与测试技术[M].北京：国防工业出版社，2007.

[2]张洪润.传感器应用设计300例[M].北京：航空航天大学出版社，2008.

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