[发明专利]用于热分析的取样装置

说明书

本发明涉及一种用于对凝固的金属进行热分析的取样装置，特别是涉及一种用于在生产铸铁件时进行热分析的取样装置。

热分析是一种监测熔融物质在凝固过程中的温度变化的技术，以便能够确定物质在固体状态下的显微结构，从而确定其性能。这一技术通过以下方式来实现，即，从熔体中提取试样，将其移送到一个试样容器中，并借助于对温度敏感的传感器，例如热电偶或本领域中公知的其它装置，记录并评定试样在凝固过程中温度随时间的变化。

当利用热分析记录熔融金属例如致密石墨铸铁(CGI)的凝固时，十分重要的是在和铸件相同的几何条件和热状态下进行这种热分析。取样容器的作用是在熔融金属试样的凝固过程中控制冷却，从而使取样容器中的几何条件和热状态类似于铸件中的几何条件和热状态。可精确地测量熔融金属的凝固过程的能力使得铸造车间能够控制其工艺过程并确保高的产品质量。

已知用于热分析的取样容器有很多设计方案。这些容器可由石墨制成，以用于铝熔体，或者当用于熔融铸铁时，可由陶瓷材料制成。但是，它们不能用钢制造，这是因为会造成熔蚀和／或热不平衡。

很多取样容器的一个缺点是，它们是由难以进行机械加工的材料制成的。其另一个缺点是，由于要将它们浸入熔体中，当提取试样时，存在着因热冲击而破裂的危险，特别是当它们是用陶瓷材料制成时更是如此，因为陶瓷材料容易破裂。

WO-A1-96／23206(在这里引用为参考文献)描述了一种取样容器，该取样容器被浸入一个待分析的熔融金属池内。该文献公开的取样容器是一种双壁钢制容器，并且在两壁之间具有一个空间，而且该容器具有低的辐射传热性。所述空间可被充以绝热气体，例如空气。容器的内壁很薄，因此也具有低的热容量，从而可以很容易地在一个短时间内获得稳态的热状态。此外，从内壁的外表面损失的热量不会进入周围环境，因为有起着辐射防护屏作用的外壁围绕着内壁以及在两壁之间的隔热空间。

WO-A1-96／23206中的上述取样容器由于其特有的性能而非常适于在CGI的生产中进行热分析。但是，其制造成本非常高，这从它仅可使用一次的角度来看，是它的一个缺点。热电偶位于适当的位置处，即，一个热电偶靠近内壁，另一个热电偶位于试图模拟具有均匀的单位面积热损失的熔融金属的虚拟球体中心的地方。事实上，底部的热损失比顶部低很多。这种不均匀状态的原因之一是敞开的顶部单位面积辐射出的热量比圆的底部每单位面积所辐射出来的热量大得多。另一个原因是，在上部连接部位处两个表面之间的接触可使热量绕过隔热的空气空间。这是一个很显著的缺点，因为不能总是获得正确的结果。

使冷却速度与将要受到控制的铸件的冷却速度相似是十分重要的。对于这种过程控制情况，例如对于CGI的生产而言，平衡冷却要花费太长的时间，因而没有任何实际价值，因为在铸造过程完成之前既不能获得任何结果，也不能形成一个类似的材料显微结构。

此外，十分关键的是，取样装置不能太昂贵，因为它只能使用一次。由于特别精确的测量元件，例如热电偶，是很昂贵的，因此优选的是可反复使用它们数次。对于很多已知的取样装置来说，一个重要的缺点是，相当昂贵的热电偶只能使用一次。

还有一个缺点是，很难以低成本制造大批量在几何条件及热学状态等方面具有相似特性的取样容器。

本发明的目的是通过利用一种改进的取样装置来克服这些显著的缺点，所述取样装置具有一个取样容器，该容器具有受控的单位面积热损失，所述装置模拟一个熔融金属的球体，因为球体是最均匀的，因而对于热分析而言球体是最可靠和最精确的形状。具有受控的单位面积热损失的这种取样装置模拟取样容器内熔融金属的球形凝固，但是例如由于制造上的限制等原因，它的形状并不是球形的。根据本发明的取样装置包括一个具有双层壁的容器，其上部安装有一个辐射防护屏，在两壁之间具有一个受控的空间，该装置具有受到极大控制的热损失，在高温下不会失效，而且价格便宜，可改进对温度敏感的传感器例如热电偶的定位，同时可将其很容易地取出并再次使用。

由本发明解决的另一个重要问题是熔融金属模拟球体的热中心的移动，一旦容器内试样的暴露上表面凝固时，该中心便向下移动。

所有这些要求通过提供具有在后附权利要求1中公开的特征的容器就可实现。在此之前，还没有这样的取样装置。

该取样装置将只用一次，其价格低廉，并给出了可复制的几何条件和热状态。