一种测量交变磁场作用下凝固界面换热系数的测量装置

摘要

本发明公开了一种交变磁场作用下凝固界面换热系数的测量装置。该装置包括测量金属熔体温度变化及圆柱形模具温度变化的热电偶，感应线圈，绝热材料，数据采集及计算系统。通过测量感应线圈产生交变磁场作用下的，金属熔体温度及模具温度变化，利用反传热计算程序获取金属凝固过程中界面换热系数。该装置能够测量交变磁场作用下的金属界面换热系数，为电磁场在凝固过程中的应用提供依据。

说明书

技术领域

本发明属于金属凝固传热测量技术领域，特别涉及到一种交变磁场作用下金属凝固过程界面换热系数测定装置。 

技术背景

在金属铸造过程中，由于金属材料很好的导热性，铸件、模具间的传热热阻主要集中在两者的交界面上，凝固过程界面换热系数的控制往往成为凝固传热的控制因素，对铸件凝固过程起很大的影响。由于影响界面换热系数的因素很多，如界面接触状况，物理条件，化学条件以及界面温度等，界面换热系数最难获取，怎样保证凝固过程传热保证其在一维方向是关键因素。同时在现代铸造过程中，交变磁场的应用能够增强铸件的性能，被广泛的使用，测量交变磁场作用下，凝固过程界面换热系数的工作显得尤为重要。但是交变磁场作用对测量系统的干扰等会对测量精度产生较大的偏差。精确的界面换热系数的测定，可以反映电磁场引起的熔体热力学改变，为探讨电磁场对凝固过程的影响提供了新的思路。 

现有技术中，中国专利201110024245.4公开了一种“界面热力耦合传热系数测量系统及方法”，该测量方法采用工件表面焊接热电偶，热电偶将测试的温度变化传输到温度采集模块，根据表面测试点得温度变化数据获得界面换热系数。但是这种方法由于没有钢液熔体内部温度数据，容易给测量带来较大误差，同时这种测量方法不适用于交变磁场下的测量。由于交变磁场，对模具表面热电偶数据采集带来谐波干扰，必须施加屏蔽措施。 

发明内容

针对现有技术的不足之处，本发明的目的之一是设计一种测量交变磁场作用下，凝固过程界面换热系数的装置，测量装置简便可靠，可以测量金属熔体在交变磁场作用下，金属熔体与模具间的界面换热系数。本发明的目的之二是设计一种能够提供熔体内部温度的手段，实现更精确的测量。 

技术解决方案： 

本发明包括：圆柱形模具、第一支熔体测温热电偶，第二支熔体测温热电偶，圆柱形模具放置在下表面绝热材料上，圆柱形模具覆盖上表面绝热材料，圆柱形模具放置在感应线圈内部区域。 

本发明置于圆柱形模具内的第一支熔体测温热电偶、第二支熔体测温热电偶的端部不在同一平面上。 

所述上表面绝热材料和下表面绝热材料的厚度均为10-50mm。 

本发明通过测量金属熔体及模具温度变化，测得的温度数据送至数据采集系统及计算机，获得界面换热系数。其中，为保证圆柱形模具在其直径方向的接近一维传热，在圆柱形模具上下表面放置绝热材料，厚度为10-50mm。 

对于测温热电偶，两支浸入到模具内测量金属熔体温度变化，四支预埋到模具内测量熔体凝固过程中，模具温度变化。其中测量金属熔体温度变化的热电偶一支布置到模具的圆心位置，热电偶顶端距离模具底部为模具高度的1/4，另一支布置到距离模具内沿1/4位置上，热电偶顶端距离模具底部为模具高度的1/2。为屏蔽交变磁场对热电偶电信号的干扰，在模具测温热电偶的导线覆以钢铁材料包裹。熔体测温热电偶与模具测温热电偶的测量信号采样频率在50KHz-100KHz，其信号通过数据采集系统进行A/D转换传输到计算机中。 

整个模具放置在螺线管的型腔内，交变磁场通过螺线管发生，金属熔体在施加交变磁场的过程中冷却，通过热电偶采集的信号通过数据采集系统收集，并经过计算处理，得到熔体凝固过程界面换热系数。 

与现有技术相比，本发明的一种交变磁场作用下金属凝固过程界面换热系数测定装置具有如下优点： 

1）本发明的一种交变磁场作用下金属凝固过程界面换热系数测定装置，可以测量交变磁场作用下的熔体界面换热系数，由于交变磁场对对模具表面热电偶数据采集带来谐波干扰，对热电偶采用屏蔽措施，保证了交变磁场作用下，温度采集的精确性。 

2）在熔体模具上下表面覆以一定厚度的绝热材料，保证熔体凝固过程传热保证其在一维方向，即在模具周围建立一维的换热环境。 

3）本发明利用熔体内部热电偶测量特征点的温度采集，为界面换热数据的计算提供更多的温度数据，保证了界面换热系数计算的精度。 

附图说明

图1为一种交变磁场作用下金属凝固过程界面换热系数测定装置结构示意图。 

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的实施： 

请参见图1，所述的一种交变磁场作用下金属凝固过程界面换热系数测定装置包括第一支熔体测温热电偶1、第二支熔体测温热电偶2、上表面绝热材料3、圆柱形模具4、感应线圈5、模具测温热电偶6、下表面绝热材料7、数据采集及计算系统8。 

圆柱形模具4放置在下表面绝热材料7上，圆柱形模具4覆盖上表面绝热材料3，所述上表面绝热材料3和下表面绝热材料7的厚度均为10-50mm，圆柱形模具4放置在感应线圈5内部区域，第一支熔体测温热电偶1布置到圆柱形模具4的圆心位置，第一支熔体测温热电 偶1顶端距离圆柱形模具4底部为圆柱形模具4高度的1/4处，第二支熔体测温热电偶2布置到距离圆柱形模具4内沿1/4位置上，第二支熔体测温热电偶2顶端距离圆柱形模具4底部为圆柱形模具4高度的1/2处。圆柱形模具4内预埋有模具测温热电偶6，模具测温热电偶6导线用钢铁材料加以包裹。  

该装置测定时，圆柱形模具4放置在下表面绝热材料7上，待测液态金属注入圆柱形模具4内后，用上表面绝热材料3覆盖圆柱形模具4上表面。通过感应线圈5在圆柱形模具4外部施加交变磁场，通过数据采集及计算系统8采集圆柱形模具4内第一支熔体测温热电偶1和第二支熔体测温热电偶2的温度数据，同时通过数据采集及计算系统8采集模具测温热电偶6的温度数据，利用数据采集及计算系统8内的反传热计算程序获得变磁场作用下金属凝固过程界面换热系数。