一种精密铸造界面换热系数的确认方法及其应用与流程

1.本发明涉及熔模精密铸造技术领域，具体而言，涉及一种精密铸造界面换热系数的确认方法及其应用。


背景技术：

2.铸造的凝固过程是从金属液传出热量开始的，当金属液金属浇入温度相对较低的型壳时，金属液所含的热量通过金属，金属与型壳界面和型壳传出，而金属液与型壳之间的传热系数我们定义为界面换热系数。且界面换热系数与它们本身的材料属性、铸造工艺设计以及凝固过程中的冷却环境等因素都有关系，利用设备无法直接测得。目前界面换热系数都是利用热传导反算法求解，热传导反算法求解界面传热系数的基本原理是利用实测温度数据、已知边界条件和热物性参数反算未知边界条件或热物性参数，将界面传热系数的求解问题转化为传热的反问题进行处理，该反问题可以转化为无约束最优化问题，该优化问题的目标为找到界面传热系数h，使目标函数f(h)即不同测温点模拟仿真温度与实测温度的平方差之和达到最小值。
3.随着计算机的发展，procast模拟软件已在铸造行业被广泛应用，但现有技术在模拟时大多采用软件自带的数据库来进行浇注参数的设置，而铸造过程是不尽相同的，这就导致所获得的模拟结果会与实际存在较大偏差。而界面换热系数是模拟设置中一个重要参数，它直接影响着铸件凝固的温度场，因此它能否准确设定直接影响着模拟结果的可靠性。因此，所求解的界面换热系数是否真实、有效，需要验证。
4.现有的验证方法是将反算的界面换热系数加载到procast模拟库中进行铸件的模拟，然后采用模拟工艺参数获得了合格铸件。该验证方法的缺点是没有将实际的金属液温度和型壳的温度与数值模拟的温度进行比较，只是获得合格铸件，而无法保证界面换热系数的可靠性。
5.此外，专利cn202011486286.0公开了一种铸造中确认边界换热系统的方法，其是将蜡模制作好后破坏蜡模放入热电偶后再将蜡模进行封蜡，然后再制壳，但是，这样制壳操作不方便、工艺繁琐，且易造成模壳开裂的问题。同时，其采用热电偶测量铸型温度，但熔模铸造型壳厚度一般在6～8mm，对于熔模铸造的型壳，采用热电偶测量温度存在热电偶固定不牢固、热电偶插入型壳深度无法测量以及热电偶测量位置需局部加厚型壳等问题。
6.有鉴于此，特提出本发明。


技术实现要素：

7.本发明的第一目的在于提供一种精密铸造界面换热系数的确认方法，通过将实际的金属液温度与模拟金属液温度作比较以及将实际的型壳温度与模拟型壳温度作比较，如果温差能够控制在10℃以内，说明所求得的界面换热系数是真实可靠的。只有验证了界面换热系数的可靠性，才能保证模拟结果的准确性，进而可以更好的指导生产，获得高质量的合格铸件。
8.本发明的第二目的在于提供所述的精密铸造界面换热系数的确认方法在熔模铸造、砂铸、金属型铸造和消失模铸造中的应用。
9.为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：
10.本发明提供了一种精密铸造界面换热系数的确认方法，包括如下步骤：
11.将蜡棒的一端连接在蜡模的待测金属液位置处，得到组装后的蜡模；在所述组装后的蜡模表面上涂覆耐火材料，然后进行脱蜡和焙烧，得到型壳，所述型壳包括所述蜡模在涂覆后形成的型壳主体以及所述蜡棒在涂覆后形成的管状型壳，所述管状型壳在远离所述型壳主体的一端为自由端；
12.去除所述自由端处的型壳，形成孔洞，将热电偶的测量端穿入所述孔洞并进入所述型壳主体的空腔内，然后采用粘结材料将所述热电偶的测量端固定，并封堵所述热电偶的测量端与所述孔洞之间的缝隙；
13.将所述热电偶的冷端与巡检仪连接，并对所述型壳主体进行预热；然后将所述型壳主体进行浇注，并开启所述巡检仪，检测并记录所述型壳主体内的金属液的温度，获得铸件凝固过程中的实际金属液温度随时间变化的曲线；同时，采用热成像仪检测并记录所述型壳主体的温度，获得铸件凝固过程中的实际型壳温度随时间变化的曲线；
14.利用procast软件的反算模块对所述实际金属液温度和所述实际型壳温度进行计算，得到界面换热系数；将所述界面换热系数导入所述procast软件中进行铸件凝固过程的模拟，获得模拟金属液温度随时间变化的曲线和模拟型壳温度随时间变化的曲线；
15.比较所述实际金属液温度随时间变化的曲线与所述模拟金属液温度随时间变化的曲线，并比较所述实际型壳温度随时间变化的曲线与所述模拟型壳温度随时间变化的曲线，若在各时间点下的温度差的绝对值均≤10℃，则判定所述界面换热系数是可靠的，反之则判定为不可靠。
16.优选地，所述蜡棒的个数为至少一个。
17.优选地，所述蜡棒的个数为至少三个。
18.优选地，所述热电偶的个数与所述蜡棒的个数相同。
19.优选地，所述蜡棒的形状为圆柱体，所述蜡棒的直径大于所述热电偶的测量端的直径。
20.优选地，所述蜡棒的直径与所述热电偶的测量端的直径之差为0.5～1.5mm。
21.优选地，所述粘结材料包括铸造胶泥和/或耐火泥。
22.优选地，当所述粘结材料采用所述铸造胶泥时，所述固定和所述封堵的方法具体包括：将所述铸造胶泥置于所述热电偶与所述孔洞之间，使所述热电偶和所述孔洞之间不留有缝隙，然后将所述铸造胶泥烘干，即完成所述热电偶的固定和所述缝隙的封堵。
23.优选地，所述蜡棒与所述蜡模的连接方法具体包括：将所述蜡棒加热使其熔化，然后粘结在所述蜡模上。
24.本发明还提供了如上所述的精密铸造界面换热系数的确认方法在熔模铸造、砂铸、金属型铸造和消失模铸造中的应用。
25.与现有技术相比，本发明的有益效果为：
26.(1)本发明将实际的金属液温度和实际的型壳的温度与数值模拟的温度进行比较，如果温差能够控制在10℃以内，则说明所求的界面换热系数是真实可靠的。只有验证了
界面换热系数的可靠性，才能保证模拟结果的准确性，进而能够获得高质量的合格铸件。
27.(2)本发明在金属液测温点位置的蜡模上粘接了蜡棒，方便制壳后热电偶的插入，操作简单、易行，且不容易造成模壳开裂。解决了现有技术中先插入热电偶后制壳导致的制壳操作不便以及易造成模壳开裂的问题。
28.(3)本发明利用热电偶采集铸件凝固过程中的温度，利用热成像仪采集凝固过程中型壳的温度变化，解决了现有技术中采用热电偶测量熔模铸造型壳温度存在的热电偶固定不牢固、热电偶插入型壳深度无法测量、热电偶测量位置需局部加厚型壳以及制壳操作繁琐等问题。
附图说明
29.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
30.图1为本发明提供的蜡模的结构示意图；
31.图2为本发明提供的组装后的蜡模的结构示意图；
32.图3为本发明提供的型壳的剖视图；
33.图4为本发明提供的穿入有热电偶的型壳的剖视图；
34.图5为本发明提供的实际金属液温度随时间变化的曲线和模拟金属液温度随时间变化的曲线的对比图；
35.图6为本发明提供的实际型壳温度随时间变化的曲线和模拟型壳温度随时间变化的曲线的对比图。
具体实施方式
36.下面将结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，但是本领域技术人员将会理解，下列所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式，仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。实施方式中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
37.第一方面，本发明提供了一种精密铸造界面换热系数的确认方法，包括如下步骤：
38.首先，制作蜡模，并制作呈棒状(圆柱状)的蜡棒。
39.本发明不对蜡模的形状作限定，具体依需设置即可。
40.本发明中以如图1所示形状的蜡模为例进行解释说明，但值得注意的是，蜡模的形状不限于此。参见图1，该蜡模包括相连接的浇口杯、主浇道、横浇道、圆棒、固定圆棒浇道，以及设置在所述浇口杯和所述固定圆棒浇道之间的陶瓷隔片。其中，所述主浇道所在的轴线和所述圆棒所在的轴线平行设置，且均垂直于所述横浇道。在浇注的过程中，金属液从底部(横浇道)流入圆棒，所述陶瓷隔片用于防止所述金属液从顶端流入圆棒。该圆柱形蜡模可以防止金属液冷却速度过快导致金属液测温不准确，同时避免了因蜡模模型复杂造成
procast反求时间过长的问题。
41.在蜡模和蜡棒制作完成后，将蜡棒的一端连接在蜡模的待测金属液位置处，如图2所示，得到组装后的蜡模。本发明在金属液测温点位置的蜡模上粘接了蜡棒，方便制壳后热电偶的插入。
42.随后，在所述组装后的蜡模的外表面上涂覆耐火材料，然后进行脱蜡和焙烧，得到型壳，所述型壳包括所述蜡模在涂覆(涂覆耐火材料以及脱蜡和焙烧)后形成的型壳主体以及与之相连接的所述蜡棒在涂覆(涂覆耐火材料以及脱蜡和焙烧)后形成的管状型壳，其中，所述型壳的剖视图如图3所示，所述管状型壳在远离所述型壳主体的一端为自由端(即不与所述型壳主体相连接的一端为自由端)。
43.即，蜡模在涂覆耐火材料、脱蜡和焙烧后形成了型壳主体，蜡棒在涂覆耐火材料、脱蜡和焙烧后形成了管状型壳，其中，所述型壳主体和所述管状型壳相连接。
44.在本发明中，对蜡棒与蜡模的连接位置没有限定，可根据测温需求具体设置、调整，在想要测温(待测温)的位置连接蜡棒即可。
45.本发明对于蜡棒的个数也不作限定，根据所需测数据组数放置对应个数的蜡棒即可。
46.进一步地，去除所述自由端处的型壳(优选为自由端的尾端处的型壳，注意不能将管状型壳全部去除，需要保留部分以固定热电偶)，形成孔洞，将热电偶的测量端(即热端，或者说工作端)穿入(插入或者说通过)所述孔洞并进入所述型壳主体的空腔内，如图4所示。然后采用粘结材料将所述热电偶的测量端固定，并封堵所述热电偶的测量端与所述孔洞之间的缝隙。
47.在本发明一些优选的实施方式中，所述热电偶测量端的尾端设置在所在型壳部位的轴线处，例如图4所示的圆棒的轴线处，这样有利于更准确的测温。
48.将所述热电偶的冷端与巡检仪连接，并对所述型壳主体进行预热；然后将所述型壳主体进行浇注，并开启所述巡检仪，检测并记录所述型壳主体内的金属液的温度，获得铸件凝固过程中的实际金属液温度随时间变化的曲线；同时，采用热成像仪检测并记录所述型壳主体的温度，获得铸件凝固过程中的实际型壳温度随时间变化的曲线。
49.利用procast软件的反算模块对所述实际金属液温度和所述实际型壳温度进行计算，得到界面换热系数。即，将上述获得的所述实际金属液温度和所述实际型壳温度导入procast软件中利用其反算模块进行计算，获得优化后的界面换热系数。
50.其中，所述界面换热系数的计算方法采用现有的方法，界面换热系数反算法的具体计算过程如下：(1)建立包括模型、铸件等信息的三维模型；(2)建立与三维模型一样的实验模型，并进行凝固实验采集铸件或模型上某些特定点随时间变化的温度曲线；(3)将三维模型导入procast进行网格换划分，并预先设定未知界面换热系数初始值，然后启用procast反算模块，并将实测数据导入数值模型，作为初始条件之一；(4)正向模拟计算，分别求解铸型和铸件的温度场；(5)计算目标函数f(h)的值；(6)判断目标函数是否收敛，如果是，计算停止并输出最优解，否则，根据优化算法调整界面传热系数h，然后转到第(4)步。
51.再将所述界面换热系数导入所述procast软件中进行铸件凝固过程的模拟，获得模拟金属液温度随时间变化的曲线和模拟型壳温度随时间变化的曲线。
52.最后，比较所述实际金属液温度随时间变化的曲线与所述模拟金属液温度随时间
变化的曲线，并比较所述实际型壳温度随时间变化的曲线与所述模拟型壳温度随时间变化的曲线，若在各时间点下的温度差的绝对值均≤10℃，则判定所述界面换热系数是可靠的，反之则判定为不可靠。
53.其中，所述在各时间点下的温度差的绝对值均≤10℃，是指实际金属液温度随时间变化的曲线和模拟金属液温度随时间变化的曲线中在各个时间点下的温度之差的绝对值均≤10℃，并且实际型壳温度随时间变化的曲线和模拟型壳温度随时间变化的曲线中在各个时间点下的温度之差的绝对值均≤10℃。
54.在本发明一些具体的实施方式中，实际金属液温度随时间变化的曲线和模拟金属液温度随时间变化的曲线的对比数据如图5所示，其中包括三组对比数据。通过该温度对比曲线则可判断出金属液的实测温度与模拟温度之差。
55.在本发明一些具体的实施方式中，实际型壳温度随时间变化的曲线和模拟型壳温度随时间变化的曲线的对比数据如图6所示，其中包括两组对比数据。通过该温度对比曲线则可判断出型壳的实测温度与模拟温度之差。
56.从图5和图6可以看出，各组实测温度与模拟温度之差均控制在10℃以内，这样即判断为所获得的界面换热系数是可靠的。
57.本发明将实际的金属液温度和实际的型壳的温度与数值模拟的温度进行比较，如果温差能够控制在10℃以内，则说明所求的界面换热系数是真实可靠的(温差越小，说明界面换热系数越可靠；如果温差大于10℃，则说明界面换热系数可靠性存疑)。只有验证了界面换热系数的可靠性，才能保证模拟结果的准确性，更好的指导生产，获得高质量的合格铸件。
58.具体地，本发明在需要插入热电偶的位置处，提前在蜡模型上粘接蜡棒，制壳脱蜡完成后，从蜡棒型腔的一端打开，然后插入热电偶，操作简单、易行，不容易造成模壳开裂。相较于现有技术中破坏蜡模放入套设有陶瓷保护管r型热电偶后再将蜡模进行封蜡然后再制壳(在蜡模就插入热电偶然后制壳)的技术方案，本发明解决了制壳操作不方便以及易造成模壳开裂的问题。
59.并且，本发明利用热电偶采集铸件凝固过程中的温度，利用热成像仪采集凝固过程中型壳的温度变化，解决了现有技术中采用热电偶测量熔模铸造型壳温度存在的热电偶固定不牢固、热电偶插入型壳深度无法测量、热电偶测量位置需局部加厚型壳以及制壳操作繁琐等问题。
60.优选地，所述蜡棒的个数为至少一个，包括但不限于两个、三个、四个、五个、六个、七个、八个、九个、十个、十五个、二十个中的任意一者的点值或任意两者之间的范围值。具体的个数可以根据所需测温的组数确定。
61.优选地，所述蜡棒的个数为至少三个，例如图2所示。
62.优选地，所述热电偶的个数与所述蜡棒的个数相同。即每个蜡棒位置处所形成的管状型壳在去除自由端的尾端后均应插入一个热电偶。
63.优选地，所述蜡棒的形状为圆柱体，所述蜡棒的直径大于所述热电偶的测量端的直径。这样便于使热电偶伸入管状型壳的空腔内。
64.优选地，所述蜡棒的直径与所述热电偶的测量端的直径之差为0.5～1.5mm，包括但不限于0.6mm、0.8mm、1.0mm、1.2mm、1.3mm、1.4mm中的任意一者的点值或任意两者之间的
范围值。
65.在本发明一些具体的实施方式中，所述热电偶的生产厂家为兴化市江海电热仪表贸易有限公司，型号为wrn-010，该热电偶的测量端的直径为5mm。且蜡棒的直径为6mm。
66.在本发明一些具体的实施方式中，所述热成像仪的生产厂家为上海都泰成像技术有限公司，型号为sk-bx1640。
67.优选地，所述粘结材料包括铸造胶泥和/或耐火泥。
68.其中，所述铸造胶泥可以采用任意的、常规的、能够通过购买获得的铸造用胶泥，例如诸城市盛平铸造材料有限公司公司生产的sp-nj01铸造胶泥，但不限于此。
69.所述耐火泥可以采用任意的、常规的、能够通过购买获得的耐火泥，也可以自制耐火泥，例如采用莫来石粉、莫来石砂和硅溶胶为原料，将这三种原料混合并搅拌均匀后，用手捏成团后放在水平地面以不散开、不塌陷为宜，即得到自制的耐火泥。
70.在本发明一些具体的实施方式中，所述粘结材料还可以采用现有技术中常规的具有粘接作用的耐火材料。
71.优选地，当所述粘结材料采用所述铸造胶泥时，所述固定和所述封堵的方法具体包括：将所述铸造胶泥置于所述热电偶与所述孔洞之间，使所述热电偶和所述孔洞之间不留有缝隙，然后将所述铸造胶泥加热烘干(烤干)，即完成所述热电偶的固定和所述缝隙的封堵。
72.优选地，所述蜡棒与所述蜡模的连接方法具体包括：将所述蜡棒的一端加热使其熔化，然后将其粘结在所述蜡模的对应位置上。
73.在本发明一些具体的实施方式中，所述耐火材料可以采用任意的、常规的耐火材料，例如面层耐火材料、过渡层耐火材料和背层耐火材料等。其中，所述面层耐火材料包括锆砂(zrsio4)、电熔刚玉(al2o3)、熔融石英(sio2)等中的至少一种；过渡层耐火材料和背层耐火材料包括莫来石(3al2o3·
2sio2)和高岭石熟料等中的至少一种，但不限于此。
74.第二方面，本发明提供了如上所述的精密铸造界面换热系数的确认方法在熔模铸造、砂铸、金属型铸造和消失模铸造中的应用。
75.将本发明提供的界面换热系数的确认方法应用于熔模铸造、砂铸、金属型铸造和消失模铸造中，能够获得质量更高的铸件。
76.尽管已用具体实施方式来说明和描述了本发明，然而应意识到，以上各实施方式仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；本领域的普通技术人员应当理解：在不背离本发明的精神和范围的情况下，可以对前述各实施方式所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施方式技术方案的范围；因此，这意味着在所附权利要求中包括属于本发明范围内的所有这些替换和修改。

技术特征：
1.一种精密铸造界面换热系数的确认方法，其特征在于，包括如下步骤：将蜡棒的一端连接在蜡模的待测金属液位置处，得到组装后的蜡模；在所述组装后的蜡模表面上涂覆耐火材料，然后进行脱蜡和焙烧，得到型壳，所述型壳包括所述蜡模在涂覆后形成的型壳主体以及所述蜡棒在涂覆后形成的管状型壳，所述管状型壳在远离所述型壳主体的一端为自由端；去除所述自由端处的型壳，形成孔洞，将热电偶的测量端穿入所述孔洞并进入所述型壳主体的空腔内，然后采用粘结材料将所述热电偶的测量端固定，并封堵所述热电偶的测量端与所述孔洞之间的缝隙；将所述热电偶的冷端与巡检仪连接，并对所述型壳主体进行预热；然后将所述型壳主体进行浇注，并开启所述巡检仪，检测并记录所述型壳主体内的金属液的温度，获得铸件凝固过程中的实际金属液温度随时间变化的曲线；同时，采用热成像仪检测并记录所述型壳主体的温度，获得铸件凝固过程中的实际型壳温度随时间变化的曲线；利用procast软件的反算模块对所述实际金属液温度和所述实际型壳温度进行计算，得到界面换热系数；将所述界面换热系数导入所述procast软件中进行铸件凝固过程的模拟，获得模拟金属液温度随时间变化的曲线和模拟型壳温度随时间变化的曲线；比较所述实际金属液温度随时间变化的曲线与所述模拟金属液温度随时间变化的曲线，并比较所述实际型壳温度随时间变化的曲线与所述模拟型壳温度随时间变化的曲线，若在各时间点下的温度差的绝对值均≤10℃，则判定所述界面换热系数是可靠的，反之则判定为不可靠。2.根据权利要求1所述的精密铸造界面换热系数的确认方法，其特征在于，所述蜡棒的个数为至少一个。3.根据权利要求1所述的精密铸造界面换热系数的确认方法，其特征在于，所述蜡棒的个数为至少三个。4.根据权利要求3所述的精密铸造界面换热系数的确认方法，其特征在于，所述热电偶的个数与所述蜡棒的个数相同。5.根据权利要求1所述的精密铸造界面换热系数的确认方法，其特征在于，所述蜡棒的形状为圆柱体，所述蜡棒的直径大于所述热电偶的测量端的直径。6.根据权利要求1所述的精密铸造界面换热系数的确认方法，其特征在于，所述蜡棒的直径与所述热电偶的测量端的直径之差为0.5～1.5mm。7.根据权利要求1所述的精密铸造界面换热系数的确认方法，其特征在于，所述粘结材料包括铸造胶泥和/或耐火泥。8.根据权利要求7所述的精密铸造界面换热系数的确认方法，其特征在于，当所述粘结材料采用所述铸造胶泥时，所述固定和所述封堵的方法具体包括：将所述铸造胶泥置于所述热电偶与所述孔洞之间，使所述热电偶和所述孔洞之间不留有缝隙，然后将所述铸造胶泥烘干，即完成所述热电偶的固定和所述缝隙的封堵。9.根据权利要求1所述的精密铸造界面换热系数的确认方法，其特征在于，所述蜡棒与所述蜡模的连接方法具体包括：将所述蜡棒加热使其熔化，然后粘结在所述蜡模上。10.如权利要求1～9任一项所述的精密铸造界面换热系数的确认方法在熔模铸造、砂铸、金属型铸造和消失模铸造中的应用。

技术总结
本发明涉及熔模精密铸造技术领域，具体而言，涉及一种精密铸造界面换热系数的确认方法及其应用。本发明提供的精密铸造界面换热系数的确认方法，通过将实际的金属液温度与模拟金属液温度作比较以及将实际的型壳温度与模拟型壳温度作比较，如果温差能够控制在10℃以内，说明所求得的界面换热系数是真实可靠的。只有验证了界面换热系数的可靠性，才能保证模拟结果的准确性，进而能够获得更高质量的合格铸件。铸件。铸件。


技术研发人员：冀晓磊 孟晓东 许龙欢 邢昌勇 张荣强 王子阳 王立召 刘鑫霞
受保护的技术使用者：河北钢研德凯科技有限公司
技术研发日：2023.02.08
技术公布日：2023/7/19