（管理科学与工程专业论文）金属液综合性能炉前智能检测系统研究与开发.pdf

金属渡综合性能炉前智能检测系统博士后研究工作报告 摘要 装备制造业是国民经济的脊梁，事关国家竞争力，铸铁件占机械装备产品的比 例大约是7 0 ；我国是铸造大国，但不是铸造强国，大多数铸件质量不高。废品 率、能耗和成本居高不下。研究并掌握铸铁材质参数液态快速检测的核心技术是 解决铸铁“质量、能耗、成本”问题，实现由铸造大国向铸造强国转变，提高我 国产业竞争力的突破口之一。 为了解决这个难题，本项目进行理论研究和实验研究： 1 提出了铸铁材质参数液态快速检测与质量控制的技术思路，采集了大量关 于铸铁熔液冷却曲线等多种因素与铸铁材质参数对应关系的实测数据，提炼了关 于冷却曲线变化规律及其它因素与铸铁材质参数之间关系的专家知识，在此基础 上首次建立了通过铸铁熔液冷却曲线上特征温度等参数及其它因素来计算铸铁材 质参数的数学模型，为铸铁材质参数的液态快速检测奠定了科学基础。 2 研制了“金属液综合性能炉前在线智能检测系统”。本系统能在炉前对四大 类二十三种不同牌号的铸铁熔液进行十多项材质参数的检测；能够根据质量目标， 通过相关数学模型和专家知识给出工艺提示，及时有效地指导调整生产工艺，从 而大幅度提高铸铁件的质量，杜绝材质废品，降低能耗和成本。 3 自行研制了温度采集样杯。采用特殊的结构设计，保证了铸铁熔液温度信 号的灵敏度；在常规滤波的基础上，再利用专家知识进行滤波，保证了温度信号 采集的准确性。 4 采取了选用低功耗的嵌入式c p u 、电子盘和无风扇设计等一系列措藏，确傈 系统功能的实现和高可靠性；本系统采用r t l i n u x 作为操作系统平台，使系统具 有完全自主知识产权。 本系统具有实质性创新和完全自主知识产权，具有同类技术的领先水平，系 统功能强、范围广、市场需求度高、应用前景广阔，具有很强的国内和国际市场 竞争优势，2 0 0 5 年获得安徽省科技进步一等奖，现正申请国家级科技进步奖。 关键词：检测系统、金属液、炉前、综合性能 垒曼堕堡垒丝墼芝壁里堕丝型墨堕 堡：兰亘竺塞三堡塑堂 a b s t r a c t e q u i p m e n tm a n u f a c t u r i n gi s o n ei m p o r t a n ti n d u s t r yo fn a t i o n se c o n o m y i tc a n r e f l e c tt h en a t i o n sc o m p e t i t i o np o w e ri ns o m ew a y t h ep r o p o r t i o no f t h ec a s ti r o nu s e d i nm a k i n gam a c h i n ei sa b o u t7 0 。o u rc o u n t r yi sal a r g ec a s ti r o np r o d u c e rb u tn o ta d e v e l o p e dc a s ti r o np r o d u c e r , s o m ec a s ti r o np r o d u c e di no u rm a n u f a c t o r i e si sn o ti n h i g hq u a l i t y i no r d e r t op r o d u c eh i g hq u a t i t yc a s ti r o na n dl e s s e nt h ew a s t e r ，m u c hm o r e m o n e ya n de x c e s s i v eh u m a nr e s o u r c e sh a v et ob e u s e di n o n em a i nr e a s o nc a u s e s a b o u tt h ea b o v es i t u a t i o ni st h a tn or e a l l ye a s y , q u i c ka n de c o n o m i c a lm e t h o d sa r eu s e d t ot e s tt h ec a s ti r o nm o l t e nm e t a l s os t u d y i n gt h ee f f e c t i v et e s t i n gm e t h o d si sv e r y i m p o r t a n t t oo v e r c o m et h ed i f f i c u l tp r o b l e mm e n t i o na b o v e ，w ec a t t yo u ts o m et h e o r ys t u d y a n de x p e r i m e n tr e s e a r c hi no u rp r o j e c t 1 n e wd e s i g n so fq u i c kt e s t i n gt h ec a s ti r o nm o l t e nm e t a la n dn e wt e c h n o l o g y u s e di nq u a l i t yc o n t r o l l i n gh a v eb e e np r e s e n t e d e x p e r i m e n td a t ab e y o n dc o u n tw h i c h r e f l e c tt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ec a s ti r o nq u a l i t yp a r a m e t e r sa n ds o m ef a c t o r ss u c h a st h ec o o l i n gc u r v eh a v eb e e nc o l l e c t e d e x p e r t s k n o w l e d g er e f l e c t i n gt h er e l a t i o n s h i p b e t w e e nt h ec a s ti r o nq u a l i t yp a r a m e t e r sa n ds o m ef a c t o r sh a sa l s oa c h i e v e d a n dt h e s c i e n t i f i cm o d e lh a sb e e ne s t a b l i s h e db a s e do nt h er e s e a r c h i n gw o r km e n t i o na b o v e 2 “o n - l i n ec a s ti r o nm o l t e np a r a m e t e r si n t e l l i g e n c et e s t i n gs y s t e m ”h a sb e e n d e v e l o p e d t h i ss y s t e mc a l lb eu s e d t ot e s t2 3k i n d so fc a s ti r o nm o l t e nm e t a lb e l o n g i n g f o u rm a j o rc l a s s i f i c a t i o n s i tc a l lg i v es o m ep i e c e so fg u i d i n ga d v i c ei n 删u s t i n g p r o d u c t i o np r o c e s ss oa st oe n h a n c et h ec a s ti r o nq u a l i t ya n d r e d u c et h ew a s t e r 3 t e m p e r a t u r ec o l l e c t i o na p p a r a t u sw a sd e s i g n e da n dp r o d u c e db yo u rr e s e a r c h i n g g r o u p e x p e l s k n o w l e d g ew a su s e dt ok e e pt h er i g h t n e s si nt e m p e r a t u r ec o l l e c t i o n p r o c e s s 4 s e r i e so fm e a s u r e ss u c ha sl o wp o w e re m b e d d e dc p u ，e l e c t r o n i cd i s k s ，a n d n o n e f a nd e s i g n i n gw e r ea d a p t e dt oe n s u r et h er e a l i z a t i o no ft h es y s t e mf u n c t i o n 一【l 一 金属液综合性能炉前智能检测系统 博士后研究工作报告 t h i ss y s t e mi sa ni n n o v a t i o ni nt h ec a s ti r o nm o r e am e t a lt e g t i n gf i e t d i ti s 啪犯 e i l i c i e n tt h a no t h e rs i m i l a rp r o d u c t sa n dh a ss h o w e dv e r yg o o dm a r k e td e m a n d i tg a i n s t h ef i r s tc l a s sp r i z eo f t h es c i e n c ea n dt e c h n o l o g yi na n h u ip r o v i n c e ，a n di sa p p l i e df o r t h en a t i o n a lp r i z eo ft h es c i e n c ea n dt e c h n o l o g y k e y w o r d s ：t e s t i n gs y s t e m 、m o l t e nm e t a l 、f r o n ts t o v e 、m u l t i p e r f o r m a n c e s i 一 金属波综台性能炉前智能检测系统 博士后研究丁作报告 插图和附表清单 图1f e c 二元相图9 图2 灰铸铁冷却曲线9 图3f e c s i 三元相图示意图1 0 图4 本产品对冷却曲线的误判的改进l l 图5 灰铁：石墨呈片状( 石墨长宽比2 1 0 ) 1 2 图6 蠕铁：石墨呈蠕虫状( 石墨长宽比2 1 0 ) 1 2 图7 球铁：石墨呈球状( 石墨长宽比= 1 ) 1 2 图8 冷却曲线的非线性修正示意图r “1 3 图9f e f e 3 c 二元相图1 4 图1 0 石墨晶格结构1 4 图l l 石墨球的长大i5 图1 2 石墨球外的奥氏体壳1 5 图1 3 球铁冷却曲线一1 6 图1 4 奥氏体壳不封闭时，石墨球畸变1 6 图1 5 回升值t 2 大：石墨球畸变1 6 图1 6 蠕铁冷却拯线与球铁冷却曲线的对比r 一1 8 图1 7 检测系统的多功能选择键2 0 图1 8 方案i 检测系统总体结构2 2 图1 9 方案i 检测系统软件体系结构2 7 图2 0 数据采集模块接口2 8 图2 1 数据采集模块流程2 8 图2 2 灰铁玛铁，原铁水特征点判断模块状态转移3 0 图2 3t m 的搜索流程3 0 图2 4t l 的识别流程3 1 图2 5 球铁特征点判断模块状态转移3 2 图2 6 打印机打印流程3 3 金属液综合性能炉前智能捡测系统博l 后研究工作报告 图2 7 汉字输出流程3 4 图2 8 图形输出流程3 4 图2 9 数据远传模块结构3 5 图3 0 检测系统工艺流程3 7 图3 1 方案i i 系统结构4 2 图3 2 方案i i 软件结构4 3 表1 典型装( 设) 各所含铸件比例表l 袁2 国内外同类产品技术指标比较4 8 金属液综合性能妒前智能检测系统 博士后研究工作报告 1 概述 1 1 铸造行业发展现状 ( 1 ) 装备制造业是国民经济的脊梁 当前我国工业化发展到重化工业阶段，装备制造业是国民经济的脊粱，这在 当今经济全球化、信息化和市场一体化的背景下已日渐突显并成为共识。 然而，民族装备制造业的发展也屡受制约，来自国际上的压力不断。西方国 家对我国的高新技术和精密加工设备的出口施加种种限制；加上近些年来国内受 第三次浪潮思潮的影响，一方面错认为制造业是夕阳工业，另一方面盲目、重复、 高价引进和依赖进口，对民族装备制造业投入不足，致使我国装备制造业的自主 创新能力不高，制约了民族装备翎造业的发展，教徜十分深刻。 ( 2 ) 铸造业是机械制造业的基础 铸件在机械装备中占有很大比重( 表1 ) ，作为装备制造业产品毛坯的主要提 供者，铸造业对制造业具有举足轻重的地位。从近期需求看，“十五”期间国内 机电设备设资约6 万亿元，其中农机约1 6 0 0 亿元，工控机2 2 0 0 亿元，轨道交通 8 0 0 0 亿元，装备出口1 3 5 0 亿美元，水利投资5 3 0 0 亿元，公路建设1 8 0 0 亿元， 南水北调4 5 0 0 亿元，西气东输1 4 0 0 亿元，还有西电东送等，为铸造业提供了广 阔的发展空间。 表1 典型装( 设) 备所台镇传比铡表 类别矿山机械机床内燃机汽车关键八大件卡车奥迪轿 ( 气缸缸盖曲轴排气 车 管等) 铸件比例( ) 1 3 96 5 8 07 0 9 01 0 01 0 0 01 5 0k g k 辆 辆 注；( 预计我国汽车2 0 1 0 年产千万辆) ( 3 ) 我国铸件年产1 5 0 0 万吨、连续四年世界第一，增长迅猛。 以2 0 0 1 、2 0 0 2 年我国铸件产量年均增长1 0 为例，今后若干年仍将会保持 两位数的增长；再以2 0 0 0 年我国铸件出口量占总产量1 0 、国际上平均出口量 金属液综合性能炉前智能检测系统博士后研究工作报告 占总产量3 0 为例，我国铸件出口的增长空间更大。国际订单向我国内转移的步 伐越来越快。国内1 2 0 万从业人员、约三万个铸造厂家，形成了庞大的铸造市场。 未来的2 0 年，将是我国铸造业大发展的黄金时期。 ( 4 ) 由铸造大国变为铸造强国，必须解决“质量”瓶颈 质量制约了水平 以三峡工程为例，右岸2 6 台水轮机组中，国内只做了3 个铸件( 上冠、叶片、 转轮) ，且转轮因质量缺陷被拒收。大型铸件不得不花几倍价格进1 3 。预计到2 0 2 0 年，大铸件年需量达1 0 万吨。再如国内某大型汽车厂。长期以来因铸件质量问 题不得不耗用大量外汇从美国进1 3 关键的齿轮铸件。可见，若能拿下技术难度大、 附加值高的大件、关键件，每年可获益约数十亿元，对增强我国铸造业的自主创 新能力，提高综合国力意义更为重大。 质量制约了效益 当前，一般铸件的废品率居高不下，损失惊人。产品质量不过关，不仅造成 生产成本过高，增加企业负担，降低了经济效益，更严重的是造成用户索赔，增 加了企业经营风险。 目前我国铸造业有规模缺实力、有速度缺效益、有出1 3 缺档次、有数量缺巨 人、有体系缺原创。这种状况在很大程度上是因为无法突破质量瓶颈造成的，而 质量瓶颈的主要原因之一是检测技术的落后。 本项目组主要成员从1 9 8 5 年开始从事铸造质量在线检测，经过近2 0 年的探 索，积累了大量关于金属液冷却过程曲线和铸件理化参数关系的实测数据，掌握 了金属液综合性能炉前快速检测的关键机理和核心技术，研制了金属液综合| 生能 炉前智能检测系统基本条件成熟，本人作为博士后人员，在指导教授的指导和要 求下，积极参与本项目的研制工作。 1 2 传统检测方法 传统的铸件材质检测一般采用化学常规分析、常规物理检验分析、光谱仪分 析等方法，这些方法不仅速度慢( 数十分钟至数十小时) ，而且是“死后验尸”方 式，在铸造完成后进行取样分析，速度慢且误差不稳定，不能实现铸件质量的事 中控制，无法满足炉前检测的要求。几种常规检验方法比较分析如下： 金属液综合性能炉前智能检测系统博士后研究t 作报告 ( 1 ) 化学常规分析方法 化学分析须经过取样、浇试块、冷却、打磨、钻屑、筛分、磁选、称样等过 程，直至试验分析( 气体容量、非水滴定、比色法等) ，工序多、技术高、操作严、 费时耗能，需数十分钟之久。对于冲天炉铁水等产品的检测，炉前只能凭经验判 断( 如看三角试块、火花、氧化膜等) ；电炉铁水虽可边保温、边等待，但耗电多， 且化验单数十分钟后送达时，可能炉前等不及已浇浇铸，或炉内铁水碳量己变化 ( 烧损) 。采用化学常规分析法进行检测废品率高在所难免 另外化学误差受人为因素影响大，如影响化验碳的人为因素有：钻样位置、 粒度、筛分、磁选等；仅以粒度为例：因石墨微粉飞散，同一试样残留在2 0 、 4 0 、7 0 、i 0 0 目筛网上及通过1 0 0 目者，碳量偏差竞高达+ o 5 7 0 5 4 。 ( 2 ) 常规物理检验分析方法 抗拉强度、硬度、伸长率是判别灰铁、球铁、玛铁铸件合格与否的最关键 物理指标，目前国内9 0 以上厂家，都要等到开炉2 4 4 8 小时之后方可拿出常 规报告单，故难以指导炉前生产。 除了检测速度慢，影响常规强度试验的人为因素也很多，如：试棒编号管理、 打箱早迟、车削精度、光洁度，拉力机夹头之同心度、加载快慢，断口测量及计 算误差、断口缺陷干扰等；同组试棒往往相差十几几十牛。 影响硬度试验的人为因素也很多，如标样精度、试样厚度及其光洁度、压痕 处缺陷、压痕间距过近或靠边、读数刻度模糊、查表换算烦琐等。 ( 3 ) 光谱仪分析方法 这种方法一方面投资大( 光谱仪需投资五十几万美元) ，维护使用昂贵 ( 9 9 9 9 9 氩气、消耗性样块费用高、预热准备的时间长等) ：另一方面。在对碳 进行分析时，光谱往往“打”到试样块的“石墨”上；由于石墨( 含碳1 0 0 ) 和基体 ( 含碳2 3 ) 碳量悬殊故碳的光谱分析误差大；此外对于硅这种波长短( 小 于2 2 0 0 ) 的元素，光谱分析误差大，这对重要铸件的质量严控非常不利( 眉山 机车、柳工集团对此均深有体会，详见用户报告) 。 综上所述，与传统的理化检测方法由于速度慢、误差大，无法满足铸造这类 对时间要求非常严格的生产过程的质量控制要求。 金属液综合性能炉前智能检测系统博士后研究工作报告 1 3 研究目标 研制能对金属熔液进行快速检测的金属液炉前智能检测系统，满足铸造过程 中快速检测的要求。根据市场上的不同需要，本项目研制中采用了两种方案，分 别采用嵌入式工控机( 高端产品) 和单板机( 低端产品) 作为数据处理中心( 以 下分别称为方案i 、方案i i ) 的两种型号的仪器。在功能和性能上应达到以下目 标： ( 1 ) 检测范围广 能够在一种仪器上对多类型、多牌号的金属熔液进行测试，检测参数不仅包 括c 乩，c ，s 。等化学成分，而且还能够对球化率、硬度、强度等与铸件生产密 切提关的物理参数进行检测。 ( 2 ) 扩展性强 扩展性包括两个方面：检测系统应用上的扩展性和结构上的扩展性。 在应用方面，检测系统不仅作为检测系统器能够实现基本的铁水质量检测， 还能够记录历史曲线和测试结果，数据能够通过多种通信接口共享。 为了开拓产品的应用范围，检测系统采用可扩展的硬件平台，c p u 计算功 能强，支持众多的外围接口，选用通用的软件平台采用功能强大的编程语言等。 ( 3 ) 可靠性高 检测系统是高精密仪器，可靠性涉及范围众多包括传感器检测、a d 转换、 软件滤波、检测算法等软硬件各方面都要保证可靠性和精度，另外在结构设计上 要防止现场电磁、灰尘、震动对设备运行和检测的影响。 ( 4 ) 智能化程度高 在检测过程中，能利用知识库中知识，自动对冷却曲线进行分析，根据测试 情况，及时提供挽救性工艺提示和修正方案。 ( 5 ) 可测的性能指标 1 ) 可以检测灰铁、玛铁、球铁和高碳原铁水四大类型铁水。 2 ) 球铁的检测参数包括：强度o - ，伸长率6 ，球化率d s ，球化级别，碳化 物k ，浇样温度t 。球墨初晶温度t 。球墨过冷湿度t 。，球墨回手 温度t 。 3 ) 灰铁、玛铁、高碳原铁水的检测参数包括：牌号、强度o b ，硬度h b ，伸 金属液综台性能炉前智能检测系统 博士后研究工作报告 长率6 。碳当量c e l ，碳c ，硅s i 浇样温度t ，液相线温度t u 固相线温度l 过冷度t 。 4 ) 计算误差：小于常规误差。 5 ) 检测时间：球铁1 5 分钟灰铁、玛铁3 分钟，关键参数4 5 秒。 1 4 研究内容 ( 1 ) 金属液冷却曲线特性数据库 成分一定的烙液冷邬后得到的冷却曲线其特征值是符合一定规律的，热分析 就是在程序控制温度下，测量物质的物理性质与温度关系的一类技术。本项目的 热分析，就是在金属液凝固时，寻找其温度变化的规律。若测出它的降温曲线( 即 冷却曲线c d 0 1 i n g c u r v e ) 并参考其楣图，便可揭示出内在规律，求出其对应的 成份参数。冷却曲线的变化直接与样品( 凝固体) 的热量变化有关，进而与相的 变化相关。在热分析法中，通过将金属液温度变化与特定的j = 争却曲线进行对比， 即可分析金属液的不同成分。 金属液冷却过程可以描述为： = f ( t ，t ) 其中。为样品的成分参数，t 为实测温度，t 为测试时间，f 表示温度随时 间变化的规律。 本项目研究的核心问题就是获得不同金属液冷却曲线的特征数据，即在特征 曲线关键时间点上的温度。课题组在铸造检测领域经过了多年的积累和产品开发 应用，获得了每个牌号的关键特征数据。我们在智能检测系统的研制过程中又 对这些数据进行了系统的整理和电子化。建立了金羼液冷却曲线特性数据库。这 是本检测系统中知识库的核心内容，也是本检测系统知识产权的核心内容。 ( 2 ) 采用热分析联用技术，检测金属液的多种理化参数，建立测试模型 过去的热分柝法是根据金属或合金的冷却魑线匏线性特征获取元素私舍金 的固相、液相和转变相的信息。我们借助数学工具对冷却曲线进行微分，不仅考 虑线性特征，还考虑曲线的变化趋势。用回归分析等方法可得知各元素含量及液 固相线温度之阚有确定妁关系，这样可根据冷却涵线上的特征值来确定铸铁的成 分。 金属液综台性能炉前智能检测系统博士后研究工作搬告 测试所得的冷却曲线，含有大量信息( 如曲线上各平台的温度值、平台长度、 斜率等) ，连同其它因素( 热分析联用技术) ，构成了描述铸铁特性的一组自变量 x ，、x ：、x 。：我们通过对大量测试数据的分析，得到描述各类指标的数学模型： 只= 4 。+ 口。，j 一+ d 。：- - c ? 3 + + 口。，j f ，。 e = d ，o + 口；。j i ? “+ 口。：j 旺”+ 一+ 口，_ f ? “ 所求得的p 。、p ；等，即为各理化参数值( 如c e l 、c 、s ，、o 。、h b 、6 、) 。 由于本项目的目标是多功能、多参数检测，所以我们在“热分析技术”的基 础上，又采用了独特的热分析联用技术，即： 考虑了其它相关联的复杂影响因素，诸如合金元素( c u 、c r 、机。、r i ) 及 微量元素、杂质等自变量之影响； 采用了“多元相图、复合滤波、剔除坏值、多元回归、非线性修正、专用 软件包、专家系统”等专有技术； 采用了高精度、高识别力的专有传感器技术 通过热分析联用技术，本项目实现了更多理化参数的非电量检测。 在本测试仅中，通过传感器把金属液的温度变化实时传入计算机系统中后， 可由计算机对冷却曲线进行分析。曲线的二阶导数表示冷却率。在任何时刻，一 旦软件检测出其冷却率等于0 ，系统就会自动捕捉该点，第一个捕捉点是液相线， 下一个是周相线等。根据二阶导数，系统还可以计算出三阶导数和四阶导数。在 取样后三分钟以内的所有详细记录都需要进行分析。根据得到的测试模型进行计 算分析，可以得出金属液是否合乎规格。适合浇注。进而可以分析如不适合浇注 应在浇注前如何去修正。 目前在球墨铸铁球化率方面的研究大多是定性的研究，我们根据多次试验发 现：球团数随生铁加入量的提高、过热时间及过热温度的降低而提高，用回归的 方法得出球团数与差热分析的特征值的关系式，从而可用热分析的方法来作为炉 前质量控制的手段。如果成分不合要求，则可算出需要补加的量，这样就可控制 铁水的成分。 ( 3 ) 多元非线性系统模型系数的求解 通过机理分析可以确定，金属熔液的各种理化参数和冷却曲线的关系。是一 金属液综台性能炉前智能检测系统 博士后研究工作报告 个多元非线性的函数关系，这些非线性的相关系数不易确定；尤其是灰铁、玛铁、 球铁的“强度、伸长率、硬度”等判废的关键指标，国际上尚无成功案例可以借 鉴。我们既要考虑其它各种复杂的工程因素，又要确定对输出变量有直接、重要 影响的主流输入变量，以排除对精度的干扰，保证模型鲁棒性和可靠性。在研究 中我们除了采用矩阵、全主元高斯消去法等多元回归的方法之外，还采用了独特 的“剔除坏值”技术、传感器误差消除技术、软硬件滤波及其它辅助算法等，保 证了模型的求解。 ( 4 ) 建立特征冷却曲线的知识库，应用专家系统技术进行工艺分析和挽救 性提示 不同种类、牌号的金属，熔液冷却曲线是不一样的，本项目根据二十多年积 累的数据，对各种金属液的特征进行了总结并建立了详细的专家知识库，用于对 金属熔液的工艺分析和工艺挽救性提示从而，在浇注前通过成分调整控制铸件质 量。 ( 5 ) 提高仪器在现场环境中的抗干扰能力 金属液综合性能炉前智能检测系统的铸造应用现场环境恶劣，有粉尘、电磁、 震动等各种干扰，这对数据的采集、信号传输、工控机的正常运行、远程监控都 会产生影响。因此在产品实现过程中充分考虑到这些不利因素，从软件和硬件两 个方面提高可靠性。 ( 6 ) 采用工控机和单板机实现方案，满足不同的用户需要 金属液综合性能炉前智能检测系统的主要功能是通过软件对采样数据进行 大量科学计算实现的。智能检测系统作为炉前快速检测设备，要面临不同的环境 和测试要求，测试功能多、又要适应国内不同工艺条件下各种用户的需要，必须 预装入多种功能以及各种用户使用的软件。在主机选择上，单片机的价格低廉、 数据安全性高，但软硬件开发的工作量大，周期长，内存容量小。且系统扩展困 难，无法满足产品的要求。我们从对8 位单板机和3 2 位嵌入式主板进行了比较 分析，认为两者都可以满足检测系统的基本功能要求。 单板机节省硬件开发时间，但存在容量小，系统扩展不便等问题，由于外围 接口扩展不便，无法连接驱动图形显示设备输出温度实时曲线，也没有足够的外 存保存历史数据，但成本低廉是其突出的优势，在国内外市场上仍有较大需求。 金属液综合性能炉前智能检测系统博士后研究工作报告 3 5 ”嵌入式低功耗主板实际上就是一台高度集成化的工业p c ，功能强大。 考虑到目前市场状况和产品未来发展的趋势，本项目中分别开发了采用单板 机和嵌入式工控机主板作为数据处理部件的不同型号的产品，以满足市场的不同 需要。 ( 7 ) 用多种通信接口，增加仪器的可扩展性 随着科技的发展，铸造行业计算机检测与控制系统越来越强调集成化，要求 各监控系统能够相互配合、相互协调，成为一个有机的整体。因此，单一的、孤 立的仪器仪表，它的应用范围将越来越有限。从这一要求出发，我们在检测系统 的设计方案i 中增加了以太网、r s 一2 3 2 、r s - 4 8 5 通信接口，通过预设的协议向 外传送数据，以利于今后向闭环升级和便于生产现场的多点集中指挥。 金属液综合性能炉前智能检测系统博士后研究工作报告 2 金属液综合性能炉前智能检测原理与方法 2 1 热分析方法 本项目的热分析方法，是在金属液凝固时，寻找其温度变化的规律。通过检 测金属液的降温曲线( 即冷却曲线c o o l i n g c u r v e ) 并参考其相图，从而揭示出 内在规律，求出其对应的成份参数。本产品采用“热分析联用”等技术，解决了 以前热分析法中功能单一等弊病，成本较低、速度快，实现了多功能、多参数的 快速检测提高了碳硅的速测精度，扩大了检测范围。 铸铁件占铸件的比例高达约8 0 ，因此，对铸铁的炉前检测，需要量最大， 这其中，碳、硅的测试精度又处于十分重要的位置。现以测灰铸铁为例，说明本 项目在碳、硅测试中的特点： ( 1 ) 采用多元相图提高铸铁硅的速测精度 国内外的通常作法是，将铸铁视为理想状态下的铁碳二元合金。其测试原理 必然涉及到f e c 二元相图以及某成份的铁水在凝固过程中的降温曲线( 又称冷 却曲线c o o l i n g c u r v e ) ，如图1 、图2 所示： t ( ) 9 1 2 4 0 0 图lf e c 二元相图 图2 灰铸铁冷却曲线 显而易见，只要找到铁水冷却曲线上的液相线温度t l ，就可对应f e c 二元 相图( 图1 ) 。得到其含碳量x 。 但上述作法的弊病是：难以识别t s 值实际的、真实的波动状况，以至于测试 金属液综合性能炉前智能检测系统 博士后研究工作报告 硅的准确性大大降低。因此，“t s 采样不准”是同类型其它仪器的致命弱点。当 铁水s i 含量显著变化时，按照f e - c 二元相图，t s ( 呈水平线) 几乎不变化，这与 实际不符。一些使用过日、德等同类仪器的厂家都曾碰到此困惑：即当铁水硅成 份波动变化很大时，所测出的t s 值却几乎无变化。 对此，本项目作了如下的充分考虑： 工程用铸铁材料，除碳之外，含硅量也很高，应视为f e c s i 三元合金，该 三元合金相图上的液相线、固相线都相应地变为了曲面( 液相面、固相面) ，参 见图3 ： 图3f e c s i 三元相图示意图 在测试时，先找到铁水冷却时与两个曲面之交点液相温度t l 及固相温 度t s ，再对照f e c s i 三元相图，才可以较为准确地得到其含碳量及含硅量。 这种方法才能更符合实际状况。当然，实际情况更为复杂，还必须采取其它综合措 施。 除了考虑三元相图实际状况之外，我们对固相线温度t s 的采样，还采取了 一系列独特的、提高其识别精度的软硬件措施( 如专用传感器技术、滤波技术等) ， 从而做到了对t s 的识别极为敏感，大幔度扩大了硅的测试范禺( o 6 4 ，o ) ， 提高了检测精度。同类型其它仪器，之所以不能检测灰铁国际标准的全部六种牌 号，其原因主要在此。 ( 2 ) 采取综合滤波，防止液、固褶温度误判，提高碳的速测精度。 同类型其它仪器在测试碳量时，由于受各种干扰因素影响，误判率也很高( 如 金属液综合性能炉前智能检测系统博士后研究工作报告 曾使用过德仪的某厂，对同一包铁水相隔几分钟再取样，两次的碳值误差之大， 相当于差两个牌号) 。本项目研究中采用了综合滤波方式，防止液、固相温度误判， 从而提高了碳的速测精度。例如，使用光谱仪的不少厂家( 如柳工集团等) 改用 本产品分析碳后，都感觉到“对碳量的控制，从模糊转为了精确控制、对生产高要 求铸件特别是国外铸件、争取国外订单，具有较大的意义和很高的价值”。 本项目与其它同类型产品之区别，参见图4 。 量 魔 c 。钟 1 3 0 0 1 2 0 0 1 0 0 l23 时问分) 图4 本项目对玲却曲线的误判的改进 ( 3 ) 扩大了碳硅的测试范围 通过采用专用软件包( 功能键分别设置) 、专有传感器及采样技术，我们将碳的 测试范围之下限扩大至2 8 ，上限由通常的3 ，7 扩大至4 2 适用了汽车工业 飞速发展，制造高强薄壁件要求碳高的大趋势。 同样，我们将硅的测试范围之下限扩大至0 6 ，上限由通常的2 7 扩大至 4 5 ，适用了特种铸铁 5 0 ) ：为灰铸铁( 灰铁) ，见图5 ； 石墨呈虫状时( 长宽比2 i 0 ) ：为蠕墨铸铁i ( 蠕铁) ，见图6 ； 石墨呈球状时( 长宽比= 1 ) ：为球墨铸铁( 球 铁) ，参见图7 ； 石墨( 固态退火后得到) 呈团絮状时( 长宽 比。1 ) ：为可锻铸铁( 玛铁) ； 图6 蠕铁：石墨呈蠕虫状 ( 石墨长宽比2 1 0 ) 图5 灰铁：石墨呈片状 ( 石墨长宽比2 i 0 ) 图7 球铁：石墨呈球状 ( 石墨长宽比= 1 ) 石墨的强度几乎为零，约占铸铁总体积的十分之一，虽然它可以起着润滑剂 的作用( 此乃铸铁优于铸钢之处) ，但对金属基体有着切割、削弱作用。 ( 1 ) 冷却曲线的综合分析 灰铁中片状石墨数量越少、强度越好；基体强度提高，整体强度也就好。抓 金属液综合性能炉前智能检测系统 博士后研究工作报告 住了“石墨、基体与铁水冷却曲线相关联”的规律，就能快速测出灰铁的强度。 由图l 、图2 可见，液相线温度t l 会影响碳量，由于碳量的变化必然会影响 石墨含量及基体特征，最终对灰铁强度产生影响： t l 越高：其成分含量点则向左偏移、碳量越低。而碳量越低，则石墨片的 数量就少，对基体的切割作用就小； t l 越高，初生奥氏体枝晶越发达( 按照相图理论，初生奥氏体相之数量与 图二中a b 段长度成正比) ，奥氏体枝晶可起到类似混凝土中“钢筋骨架”的作用， 能提高基体( 相当于“纸本身”) 的强度，最终整体强度越高。 履而易见，强度与r | 成正比。强度与冷却曲线的其它因素也密切相关，不再 赘述。 ( 2 ) 非线性修正 除了冷却曲线之外，影响强度的因素还有很多( 如“碳化物、珠光体、磷共晶、 过冷石墨”的数量，晶粒的粗细，硅碳比等) ，所以我们在多元回归的基础上，采取 非线性修正等独特措施，将各主要因素予以综合考虑，实现了对灰铁国标全部六 个牌号( h t l 0 0 h t 3 5 0 ) 之强度、硬度h b 的测试( 国内外同类仪器中，只有少数仪 器能测个别一、两个牌号) ，从而在技术上处于明显优势。 冷却曲线的非线性修正见图8 。 图8 冷却曲线的非线性修正示意图 非线性修正煎山 h h 幢。吨叶 金属渡综合性能炉前智能检测系统博士后研究工作报告 2 3 玛铁( 可锻铸铁) 强度的速铡方法 玛铁强度的速测方法与灰铁强度速测的方法相似，所不同的是：玛铁为白口 化凝固方式，即f e f e 3 c 二元模式，热处理( 该工艺较为稳定) 后石墨呈团絮状，见 图9 。 t ( ) 9 1 2 4 0 0 图9f e f e 3 c 二元相图 2 4 球铁强度的速测方法 ( 1 ) 球墨形成的结晶过程 麓l c 石墨为六方晶格结构，上下为 两个基面( 0 0 0 1 ) ，周边为六个棱面 ( 1 0 1 0 ) ，上下两个基面间距为 0 3 3 5 n m ，基面上的六个碳原子相邻 闯距为0 。1 4 2 n m ( 参见图1 0 ) 。 通常情况下石墨沿基面长得 接磺 快，在铁水中上下两边包着奥氏体， o ) 由于石墨在铁水中长大的速度快于 奥氏体的长大速度，所以呈片状。图1 0 石墨晶格结构 金属液练台性旺炉前智能检测系统 博士后研究工作报告 当铁水中加入足够含量的球化元素后( 如m g ，c e ，y ) ，一方面其生成的硫氧化 物可形成大量的石墨核心( 几千个m m 2 ) ，另一方面由于产生强烈韵过冷，品格 缺陷增多，石墨在垂直于基面的方向快速长大并呈小角分枝，形成了石墨球( 图 1 1 ) 。 c e 、f g 。l h 图1 1 石墨球的欧大图1 2 石墨球外的奥氏体壳 石墨球的周边液体中必然形成贫碳区( 因石墨含碳1 0 0 ，液体含碳仅3 4 ) ，故此处很快以枝晶生长方式形成了包围石墨的奥氏体壳( 奥氏体含碳 2 1 ) ，见图1 2 。以后的石墨球长大，靠的是液体中的碳原子通过奥氏体壳向球 墨扩散来实现。由于碳原子通过奥氏体壳向球墨扩散的速度比在铁液中约小2 0 倍，所以奥氏体壳包围下的石墨球生长缓慢，造成凝固共晶过程中的放热也很缓 慢，见图1 3 。 甲 金属液综合性能炉前智能检测系统 博士后研究工作报告 图1 3 球铁冷却曲线 ( 2 ) 冷却曲线中，回升值k t z 越小，说明奥氏体壳越完整，球化越好，强 度越高。 若球化元素含量不足、以至反球化元素过量( 如：s 、0 、s e 、t e 、t i 、a s 、 s b 、p b 、b i ) 时，有些反球化元素会富集于液固界面，破坏石墨垂直于基面方 向的生长，从而破坏球墨的形成条件：另有些反球化元素会富集于奥氏体周界、 降低奥氏体的熔点，从两造成奥氏体壳迟迟不能封闭。 图1 4 奥氏体壳不封闭时，石墨球畸变 图1 5 回升值t 2 大：石墨球畸变 未封闭韵奥氏体壳内。石墨球( 韵部分位置) 与铣液有了直接接触的机会。 碳原子快速扩散，石墨沿铁液直接接触的方向快速、畸形生长，凝固共晶过程中 t t 金属液综合性能炉前智能检测系统 博士后研究工作报告 放热显著，冷却曲线回升值a t z 较大球化差，强度变坏( 参见图1 4 、图l 5 ) 。 ( 3 ) 冷却曲线中，过冷度值t l 越小，球径越均匀，伸长率6 越高 过共晶球铁的含碳量偏高，从f e c 相图可知，初生产物即为球状石墨，初 生球状石墨的形成温度即对应着球铁冷却曲线上的t n 平台( 图见图1 3 ) ； 铁液含碳量越高、液固相线温度差越大、冷却曲线上的“初晶温度t n ”与 “大量共晶结晶的温度t u ”之差( 又称过冷度t l ，见图1 5 ) 也越大，说明初生 球墨长大的时间长、初生球墨之球径就更大。球径总体不均匀，造成韧性差、伸 长率6 值下降。反之亦然。 ( 4 ) 其它球化参数与球铁冷却曲线的关联：影响球铁性能的各种内在因素 如球化的好坏、球径的均匀度、碳化物的有无及多少、衰退故裁；匕等等，都在凝 固过程中以及球铁的冷却曲线上有着详细的反映，规律明显、不再赘述。这些规 律是本项目速测球铁的“强度、伸长率、球化率、碳化物”等关键参数的科学基 础。 2 5 蠕铁强度的速测方法 上述球星长大时畸变的过程，与蠕铁的结晶过程有相似之处。蠕铁中的石墨呈 蠕虫状，是一种介于片状和球状之间的状态( 图6 ) ，其生产工艺可由球墨畸变而成， 也可由片墨钝化而成， 蠕铁的综合性能明显好于灰铁，导熟性、吸震性、铸造容易程度等又明显好 于球铁，是一种优异的工程材料。以汽车排气管的材质为例，当其由灰铁升级为 球铁、再升级为蠕铁时，就有了桑塔纳到奥迪、再到别克的变化。其魅力不言而 喻。 蠕铁测试方法与球铁相似。蠕铁在铸造中的难点在于控制范围很窄，工艺上 控制难度较大，容易造成过球化或蛹化不足、片墨太多。关键是区分好回升段的 特征。由图1 6 可见，孺铁与球铁的冷却曲线上，回升斜率明显不同。 金属液综合性能炉前智能检测系统博士后研究工作报告 t ( 。e ) 00 5 1 5 t ( 分) 碌饿与铁：固升的斜率啊显不同 图1 6 蠕铁冷却曲线与球铁冷却曲线的对比 一i 8 一 金属液练合性能炉前智能检测系统博士后研究工作报告 3 系统设计( 方案i ) 方案i 产品是高端金属液综合性能炉前智能检测系统产品，是以热分析联用 技术为基本原理，以嵌入式工控机为硬件平台的智能化检测系统器。仪器主要由 传感器，信号传输、a d 电路、工控机、专用软件包、显示打印等部分组成。取 样金属液浇入传感器后，靠工控机系统监视其凝固过程，从中获取一系列特征信 息做及时处理判断，快速输出金属液的各种理化关键参数，同时能够根据质量目 标给出挽救性工艺提示，从而指导生产过程，并且为以后的闭环自动控制提供实 现手段。金属液综合性能炉前智能检测系统带有以太网、r s 2 3 2 总线接口，可 以通过f t p 方式和z m o d e m 协议对外提供在线采集的数据和分析结果，便于用 户进行远程监视和实现过程控制系统。 3 1 系统功能设计 3 1 1 铁水的理化参数检测功能 ( 1 ) 可测灰铁全部6 种牌号，突破了其它同类产品只能测灰铁个别牌号的 局限。本产品在功能上经拓展，覆盖了国际标准h t l 0 0 3 5 0 全部6 种牌号： ( 2 ) 可测球铁、玛铁、高碳等近十个类别。从同类产品只能测灰铸铁，拓 展为还可测黑心可锻铸铁( 玛铁全部牌号) 、球墨铸铁( 球铁、8 种牌号) 、高碳 铁水( c 3 8 卜若干先进工艺的发展方向) ，并将拓展至蠕墨铸铁( 蠕铁) 、铸 钢、铸铝、铸铜等十多个类别，如图1 7 所示。 金属液综合性能炉前智能检测系统 博士后研究工作报告