[发明专利]一种电磁悬浮熔体凝固过程三维温度场测定装置及方法

说明书

本发明涉及金属快速成型技术领域，公开了一种电磁悬浮熔体凝固过程三维温度场测定装置及方法，装置包括：样品熔体、铸型、多个热电偶和数据采集装置，所述样品熔体位于铸型的正上方，所述铸型为圆柱形，根据热电偶的排布需求，在铸型的侧壁和底部分别等间距设置多个凹孔，且凹孔不穿透铸型，将多个热电偶一一对应插入凹孔中，多个热电偶分别与数据采集装置连接，这种电磁悬浮熔体凝固过程三维温度场测定装置及方法，能够对熔体进行三维温度场测定，热电偶不接触熔体，不对熔体产生影响，具有测温准确性高，测量范围广的优点。

技术领域

本发明涉及金属快速成型技术领域，特别涉及一种电磁悬浮熔体凝固过程三维温度场测定装置及方法。

背景技术

铸造是冶金和材料领域应用最为普遍的技术之一，它实现了金属熔体由液相向固相的转变。在铸造过程中，研究金属熔体凝固过程中的温度分布对于分析金属熔体的凝固组织演变，完善金属凝固理论及改善铸件的力学性能具有重要意义。同时，随着计算机技术的发展，边界元、有限差分、有限体积等数值模拟技术在研究金属凝固过程中熔体内部的温度、溶质分布等方面具有极大的优势，但是这种模拟往往缺少有效的实验验证。因此，测定铸件凝固过程中的温度分布是十分有必要的。

热电偶是通过两结合点处的温度差产生的Seebeck效应进行测温的，与非接触测温相比，其具有准确性高、测量范围广等的优点，已被广泛应用于金属凝固过程中传热的测定。王万林等提出了一种金属快速凝固热流测试装置及测试方法(中国发明专利，公布号CN105699412A)。该方法中，通过埋覆于水冷铜模中的热电偶记录从石英试管中喷射到铜模表面的钢水快速凝固过程中的温度变化，然后计算出液滴凝固过程中热流的变化。该发明中，仅能够给出熔体与铜辊某一接触点处的热流变化。黄军等提出了一种测量交变磁场作用下凝固界面换热系数的测量装置(中国发明专利，CN103115938A)。该方法中，通过测量感应线圈产生交变磁场作用下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。该发明能够测定熔体温度分布，但是由于热电偶置于金属熔体内部会破坏铸型的结构，因此该发明在测量界面换热系数方面是积极有效的，但是在实际生产测温时往往得不偿失。

综上所述，现有技术存在以下不足：(1)测量点排布单一，只能测一维温度场，无法对三维温度场测定；(2)破坏并污染熔体：测量过程中将热电偶置于熔体内部，测量结束后热电偶将留在熔体中，造成铸件成分变化，在实际生产中，造成极大的资源浪费。

发明内容

本发明提供一种电磁悬浮熔体凝固过程三维温度场测定装置及方法，能够对熔体进行三维温度场的温度测量，测温过程中，避免将热电偶置于熔体内部，造成铸件成分变化，不破坏和污染熔体，不对熔体产生影响。

本发明提供了一种电磁悬浮熔体凝固过程三维温度场测定装置，包括：样品熔体、铸型、多个热电偶和数据采集装置，所述样品熔体位于铸型的正上方，所述铸型为圆柱形，根据热电偶的排布需求，在铸型的侧壁和底部分别等间距设置多个凹孔，且凹孔不穿透铸型，将多个热电偶一一对应插入凹孔中，多个热电偶分别与数据采集装置连接。

所述热电偶为NiCr/NiSi、双PtRh或W/Re。

一种电磁悬浮熔体凝固过程三维温度场测定方法，包括以下步骤：

S1、根据熔体的温度选取相应温度的热电偶；

S2、根据实验需求设计热电偶的排布

热电偶分别在铸型底部沿径向和铸型侧壁竖直方向等间距排布，间距为d，热电偶的排布数目分别为m，n，并且m,n≥2；

铸型的直径为D，热电偶沿径向的排布数量为m＝D/2d，根据样品熔体的质量m₀和密度ρ估算出样品熔体的体积V＝m₀/ρ，由铸型的尺寸估算出，样品熔体落入铸型后的高度为h＝V/π(D/2)²，由此确定沿竖直方向热电偶的排布数量n＝h/d；