[发明专利]用于确定液态含铁金属中碳当量、碳和硅的百分比的装置和方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于确定液态含铁金属(liquid ferrous metal)中碳当 量、碳和硅的百分比的装置和方法。更具体地，本发明涉及使用耐热杯在 更加迅速的时间内检测液态含铁金属的成分。

背景和现有技术

用于碳当量、碳和硅的百分比检测的现有的热分析要求大约180秒并 消耗200-325gm金属。热分析包括在受控条件下测量与分析液态金属的 冷却模式。当液态金属注入杯中时，存储如杯所记录的最大温度并进一步 扫描缓慢冷却过程。在冷却期间，当第一晶核凝固时，其失去动能，发生 热稳定(thermal arrest)，这在冶金学上称为液相线温度(TL)。这个温度 与碳当量(CE)的百分比成反比，有助于确定CE的百分比的值。进一 步冷却时，借助于在杯的基座处的碲涂层，样品被冷淬并转变到白口铁而 不是灰口铁。这样给出了固化温度(TS)。对TL和TS的检测有助于检 测碳和硅的百分比。

所使用的现有的杯是圆形的或正方形的，使得能容纳225-325gm液 态金属来测试。碲粘在杯的底部或涂覆在杯的全部内表面。用来测量温度 的热电偶金属丝是22SWG的厚K型(CR-AL)金属丝。

美国专利3404570公开了用于通过以下方式确定导电材料样品中硅 的浓度的方法和装置：注入的材料样品以在该样品中存在温度梯度的方式 冷却，在该材料样品中，测量样品中在温度梯度方向分隔开的两个点中的 每一点的由样品产生的温度和热电偶电动势(thermocouple force)。在预 先确定的温差下，在上述两点之间的电动势的差的大小代表组分的浓度。

然而，这个方法是复杂并耗时的。

美国专利第3546921号公开了一种方法，其通过添加碳稳定剂，如 Bi、B、Ce等，来产生过共晶的铸铁的熔融试样的冷却曲线中的初始热稳 定，其被发明来获得稳定的可辨别的热稳定。

然而，这个方法仅仅用于只通过确定液相线温度来只确定碳当量。这 个发明没有确定金属中碳的百分比和硅的百分比。

美国专利第4059996号通过公开与空腔的底壁接触的一块状(a blob) 材料，提出了对其它技术的改进。该块状材料包括碳化物形成促进材料 (carbide formation promoting material)并优选与用于释出氢气的材料混 合。耐热材料帮助阻止碳化物形成促进材料迅速烧起来以及与熔融金属过 快地混合。如此释出的氢气用来在金属中产生湍流，帮助碳化物形成材料 到达杯的每个角落，并因此在整个杯上实现形成碳化物。

关于这个方法的问题是由于湍流引起的，当填充杯时观察温度下降， 而杯的填充是一项须有技巧的工作。必须进行停止和重复的注入练习以阻 止沸腾的金属从杯中出来。所有这些的目的是使冷淬剂在整个杯上均匀分 布。

美国专利第4515485号也描述了对美国专利第4059996号的改进，其 通过使用以更佳受控形式释出的氢气来将冷淬剂混合在杯的各处。

然而这并没有完全解决与因氢气的产生而导致的金属沸腾以及金属 飞溅相关联的问题。

美国专利第4274284号描述改进用来测量杯的温度的铬镍铝镍热电 偶的响应时间的方法。快速响应时间对于如这里描述的热稳定的精确测量 是非常必要的。热电偶受持续的热应力直到分析完成。

这需要使用更厚规格(gauge)的热电偶，从而产生响应时间并使金 属丝成本更高，以及使测量成本更高。因为测量所需的时间长，金属丝的 规格要大以承受更多的热应力。

然而，热电偶保持暴露在液态金属中，由此，金属污染热电偶，这妨 碍了准确性。

美国专利第6739750号通过借助于探针式取样容器减少所需的时间 而提供了一种用于熔融金属的热分析的取样容器。该容器的容量取决于对 冷却率的测量准确性的限制。要求冷却率更加接近于(如图3B中提到的 0到0.20)。在所述方法中，大约30mm的常规的直径减小到大约20mm， 50mm的常规深度减小到36mm或更小。

使用这种技术涉及到使用最小空腔深度被限制为36mm的昂贵的探 针式样品。

美国专利第5720553号描述了使用金属插入物，代替冷淬剂来充当散 热材料(heat sink)，由此促进白固化(white solidification)。

然而测量的成本是高的，且该技术涉及浸入式取样，而这对于在各处 的测量并非优选。