湿型砂组分和性能参数检测技术评述_石德全

第16卷第6期2011年12月哈尔滨理工大学学报JOURNAL OF HARBIN UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGYVol.16No.6Dec．2011湿型砂组分和性能参数检测技术评述石德全1，高桂丽1，李大勇1，董静薇2，高志伟1（1．哈尔滨理工大学材料科学与工程学院，黑龙江哈尔滨150040；2．哈尔滨理工大学测控技术与通信工程学院，黑龙江哈尔滨150080）摘要：针对湿型砂质量检测与控制问题，全面、系统总结了湿型砂组分参数和性能参数检测技术的现状．对含水量检测，分别从电阻法、电容法、微波法、红外光谱法、成型性法和核磁共振法方面进行了评述；对有效粘土含量的检测，详细阐述了在线快速检测方法．湿型砂的性能检测参数主要包括紧实率、透气性、湿强度和温度，并对综合性能参数的检测进行简要叙述．最后，给出了湿型砂组分和性能参数检测技术的发展趋势．关键词：湿型砂；组分参数；性能参数；检测技术中图分类号：TG235文献标志码：A 文章编号：1007－2683（2011）06－0077－06Review on Measurement Techniques for Composition andPerformance Parameters of Green SandSHI De-quan 1，GAO Gui-li 1，LI Da-yong 1，DONG Jing-wei 2，GAO Zhi-wei 1（1．School of Material Science and Technology ，Harbin University of Science and Technology ，Harbin 150040，China ；2．School of Measurement-control Technology and Communications Engineering ，Harbin University of Science and Technology ，Harbin 150080，China ）Abstract ：Aiming at the quality measurement and control of green sand ，the research situation of measurement techniques for composition and performance parameters of green sand was comprehensively and systematically re-viewed．As for the measurement of water content ，the resistance method ，capacitance method ，microwave method ，infrared spectroscopy method ，forming method and nuclear magnetic resonance method have been summed in de-tail ，respectively．The online method for quickly measuring the available bond content was described in detail．The performance parameters of green sand mainly included compressibility ，permeability ，green strength and tempera-ture ，and the measurement technique for the comprehensive performance parameters was also briefly reviewed．Fi-nally ，the development trend of the measurement techniques for composition and performance parameters of green sand was given．Key words ：green sand ；composition parameters ；performance parameters ；measurement techniques收稿日期：2011－12－13基金项目：国家自然科学基金（51105121）；黑龙江省自然科学基金（E050801）；中国博士后特别资助基金（2011044447）作者简介：石德全（1977—），男，教授，硕士生导师，E-mail ：shidequan2008@yahoo．com．cn．0引言当前，铸造生产仍以普通湿砂型铸造为主，湿型砂组分和性能参数的检测与控制一直是铸造生产的重要前沿课题之一．铸件质量的好坏与湿型砂质量密切相关．据统计，铸件废品中有近60%是由于湿型砂及工艺因素原因而造成的［1－2］．因此，多年来，铸造工作者就非常重视对湿型砂组分和性能参数的研究与检测．本文中，作者着重对湿型砂组分参数和性能参数的检测技术进行总结和探讨，并对发展趋势进行了展望．1湿型砂组分检测技术现状湿型砂主要由原砂、粘土、水、煤粉及其他微量附加物按所需比例混制而成．湿型砂的性能虽受混砂设备、混砂工艺等诸多因素的影响，但最主要决定于其组分［3］．因此，湿型砂质量的检测可大致分为组分参数检测和性能参数检测两大类．传统的组分检测项目包括原砂粒度、含水量、粘土含量、有效煤粉含量和含泥量等；传统性能检测参数包括紧实率、透气性、湿强度、过筛性、流动性、韧性、发气量、紧实度等［4］．近几十年来，随着检测技术和计算机控制技术的飞速发展，湿型砂组分参数和性能参数的检测已从传统实验室手工检测发展为自动化的离线或在线检测，其主要检测项目也有了很大变化．目前，湿型砂组分自动检测项目主要包括含水量和有效粘土含量；性能自动检测项目主要为紧实率、透气性和湿强度．1.1含水量的检测湿型砂含水量检测方法大约有十几种，它们可以分为直接法和间接法两大类．直接法是指通过干燥或化学反应测出绝对含水量；间接法是指通过测量与水分变化相关的物理量或工艺性能指标来确定含水量．一般而言，直接法测量精度高，但速度慢，适合于实验室检测，一般不能用于生产线上连续测量．间接法虽然不如直接法精度高，但测试速度快，因而可用于含水量的在线检测，该方法主要包括电阻法、电容法、微波法、红外光谱法、成型性法和核磁共振法等．1.1．1电阻法和电容法电阻法和电容法是最多被采用来快速测定湿型砂含水量的方法［5］．电阻法是根据不同含水量的湿型砂导电性能不同的原理测试的［6］，电容法则根据不同含水量的湿型砂介电常数不同的原理而测试［7］．图1是用电阻法检测混砂机内型砂含水量的示意图．测量时，将插在混砂机型砂中的测试棒作为一极，以混砂机的底板和侧壁作为另一极，然后在电路上施加电压，测量两极之间的电压信号，计算机将这个电压信号与事先储存在计算机里的型砂电压———水分关系曲线进行对比，即可得到湿型砂的含水量．测温探头用作用温度补偿装置，修正由于砂温波动引起的电压值变化．图1电阻法检测混砂机内湿型砂含水量东南大学研制的湿型砂综合性能计算机检测装置［8］，先对生产线上的待测湿型砂进行标定，得出导电性与含水量的关系曲线，形成数据表存于计算机中．在测量时由计算机读出A/D转换结果，再通过自动查表和插值运算得到含水量．湖北机电研究院研制的SGZJ－1型数显便携式造型材料水分快速测量仪也是采用电阻法测量型砂水分的．该仪器用一恒定的5V直流电源，通过测量输入电压信号从而得到相应的含水量．日本新东公司研制的MIC型砂水分测试仪以交流电阻法为原理，专门用于测定旧砂的含水量，同时将热电偶安装在传送带上测量旧砂的温度［9］．德国LIPPKE公司FS－2型砂水分控制仪采用电容法测量含水量［10］．该仪器采用专用传感器，在混砂机或冷却器上的出入口处获取水分值，用于单台混砂机的水分测试、定量和加水控制．Dieter型湿型砂水分自动控制器适用于间歇式混砂机自动控制湿型砂含水量，测量湿型砂水分的电容传感器用不锈钢制成针状，安装在混砂机内部，与碾盘平齐，放置在碾轮经过的区域内，在碾轮经过时进行检测，在测量的间歇时间内，有专门的刮板刮去其上的型砂，混砂机碾轮作为第二个电极．虽然电阻法和电容法得到了广泛应用，但由于有效粘土含量、砂温和混砂工艺对导电性有一定的影响，所以对电阻（电容）湿度传感器测得的水分值需要进行必要修正［11］．此外，电容法检测装置需要高频电源，且对屏蔽要求较高．1.1.2微波法微波在介质中传播，介质的介电常数ε会引起微波的衰减和相移．在砂样两侧安装的微波传感器，87哈尔滨理工大学学报第16卷当微波穿过湿型砂样时将发生衰减，衰减量经转换和处理后可获得对应湿型砂水分的电信号．计算机再将获得的电信号进行温度修正，求得湿型砂确切的水分含量．青岛高校控制系统工程有限公司的MS－PC湿型砂处理控制系统就是基于微波水分在线检测技术．英国联合电器公司研制的Landmark微波法型砂水分测量装置，采用红外线法测砂温，来对水分测量值作补偿校正．德国FRANZ型砂水分控制仪采用微波法测量水分，精度为ʃ0.2%．微波法仅适用于含水量为0 10%湿型砂的含水量检测，且该方法的设备造价较高，不易维修，抗干扰能力较差．1.1.3红外光谱法检测根据物理学的原理，每种物质都能吸收一个或几个固定波长的光谱，水吸收波长为1.94μm的光谱．根据水的这种物理特性，吉林大学研究了湿型砂水分的红外光谱测定法［12］，其原理如图2所示．图2红外光谱法检测含水量原理图测量光束和补偿光束经几次反射后，先后照射在湿型砂上，测量光束一部分被湿型砂中水分吸收，其余部分反射回抛物面形状的聚光镜，而补偿光束则大部分被反射回聚光镜．两束反射的红外线先后被收集到光电接收器上，经光电信号转换和计算机处理，求得湿型砂中的含水量．该方法的缺点是：不同含水量的湿型砂的反射量不同，需要对各种湿型砂进行试验，求出含水量和反射量的回归方程．1.1.4成型性法利用湿型砂成型性与含水量存在敏感对应关系可对水分进行间接测量［13］．华南理工大学研制的SSKJ湿型砂水分自动控制仪，是通过测定湿型砂的紧实率来间接控制水分的．该仪器工作时需要不断取样，不断测定型砂紧实率值，并与紧实率的设定值进行比较，然后由计算机进行数据处理，计算每次的加水时间并加水．美国Dieter公司研制的成型性控制仪［14］，其原理是首先根据成型性调节混砂机的加水量，将成型性控制在规定的范围内，然后利用同一批砂样测定湿型砂的温度、水分、透气率、湿剪或湿压强度以及压实变形量，并自动记录测量数据．成型性法适用于生产线上连续测量，在生产中已有一定的应用．但是，这类仪器不少使用光电管来接收信号，由于光电管需要经常清洁，所以有较高的维护要求［15］；而且是测量装置多为机械式，结构复杂、体积大、维护工作量大．另外，测试速度仍有待提高．1.1.5核磁共振法当湿型砂所受交变磁场的频率与水分子中的氢原子核的拉莫尔频率相同时，全部氢原子核产生一合成磁矩，进而在线圈中产生一交变电流，该电流与水分成正比，据此可测出湿型砂的含水量，这就是核磁共振法．该方法的优点在于能完全排除湿型砂密度、温度等因素的影响；缺点是价格昂贵，操作复杂．目前，基于核磁共振法的水分仪仍处于试验阶段，尚未得到实际应用．1.2有效粘土含量的检测粘土含量是湿型砂的重要组分参数，对湿型砂的各项性能起着决定性作用．但是，目前国内外有效粘土含量的检测主要延用传统的亚甲基兰滴定法，此方法需要时间较长，无法进行在线测量．Tomoyuki和Bidadi的研究表明［16－17］，粘土在电场力作用下表现出强烈的介电特性，该特性的大小很大程度上取决于粘土中水分的多少，同时受粘土所含阳离子类型和浓度的影响．含水量越大，粘土所含阳离子越多，宏观上表现为湿型砂的介电能力越强，反之则介电能力越弱．据此，哈尔滨理工大学提出了一种快速检测湿型砂有效粘土含量的新方法———双电源二次激励法［18］．该方法以湿型砂在交直流电场作用下所表现出的介电特性为信息参数，用曲线拟合法求得湿型砂有效粘土含量及含水量，开辟了湿型砂有效粘土含量在线检测的新途径．双电源二次激励法的测量原理如图3所示，对一个标准砂样（尺寸、紧实度固定），首先通以交流电源，测得其交流电阻值，随后通以直流电源，在限定时间内测出其直流电阻值，利用交流电阻值排除含水量对直流电阻值的影响，使直流电阻值仅与有效粘土含量有关，最终计算出型砂有效粘土含量．97第6期石德全等：湿型砂组分和性能参数检测技术评述图3双电源二次激励法原理示意图然而，有关电场作用下湿型砂的介电机理、介电特性以及与相关组分和性能参数的具体关系等诸多问题尚待研究中．2湿型砂性能参数检测技术现状2.1紧实率的检测紧实率是指型砂紧实前后的容积减少率，是检测湿型砂质量不可缺少的指标．紧实率与水分之间呈线性关系，因此可用紧实率间接测定型砂中的水分．当恒定紧实率所需含水量有变化时，说明湿型砂中载水物质含量已经发生变化．实验室检测时，如图4所示，使湿型砂通过3mm的筛网松散的填入直径50mm、有效高度120mm的试样筒中，将试样筒上端用刮板刮平，然后用压头给湿型砂施以1MPa的压力或用锤击式制样机锤击3次，试样体积被压缩的程度作为其紧实率，它可直接从制样机上读出．图4实验室测定紧实率过程示意图目前，已有多种类型的紧实率自动检测装置问世，这些装置多采用电感式位移传感器检测位移量的大小，进而通过计算求得紧实率值［19］．图5所示是一种湿型砂紧实率自动检测装置工作原理示意图［20］．测量时用手对冲头施加垂直压力，位移传感器测得冲头下移距离，同时压力传感器测得砂样所受的压力．当压力达到某一预定的值P1时，记录此时对应的砂样高度H1，随着施压力的增大，砂样高度不断减小，当其达到另一预定的压力值P2时，砂样高度变为H2．此时可通过简单的数据运算得到型砂的紧实率数值．测试过程仅需几秒钟，测试精度达到3%－5%．图5紧实率自动检测原理示意图2.2透气性的检测湿型砂透气性是指紧实的型砂允许气体透过而逸出的能力．透气性是型砂直接影响铸件质量的重要性能指标之一．我国铸造工厂的型砂实验室通常使用STZ型气钟式透气性测定仪．这种仪器比较容易产生试验误差和难于实现自动检测．为便于在现场检测湿型砂的透气性，20世纪80年代国外开发出放到造型线的电动透气性测定仪［21］．目前国内有个别单位使用进口自动化透气性测定仪器．试验时将带有型砂试样的试样筒装在仪器的试样座上，按启动按钮，仪器便从压缩空气管路自动充气和抬起气钟一小段高度，然后开始降落，使气体通过型砂试样．仪器的电脑就根据气钟降落时间自动计算和显示出透气性数值，整个测试过程中不需要其他的人手操作，所需时间不足半分钟．2.3湿强度的检测湿强度用型砂试样受力破坏时的应力值来表示．根据试样的受力状况，湿强度有抗压湿强度、抗拉湿强度、抗弯湿强度、抗剪湿强度和劈裂湿强度等．多年来，评价湿型砂的强度指标一直为湿压强度．但事实上，在较多情况下砂型是因受拉应力而破坏的，并且在湿型砂中死粘土含量增加时，湿压强度也随之增大，难以用湿压强度来判定湿型砂的成分变化．因此，以湿拉强度作为补充检测项目更为合08哈尔滨理工大学学报第16卷理，但因湿拉强度较低，测定比较困难，经常以劈裂强度代替湿拉强度．采用拉压力传感器测定劈裂强度简单易行，但为了计算方便，直接用劈裂载荷P 来表示，为排除试样高度误差带来的影响，取试样单位高度所受劈裂载荷作为劈裂强度指标，即：S P = P H式中：SP为劈裂强度，N/mm；P为劈裂载荷，N；H为试样高度，mm．2.4温度的检测温度虽然不是湿型砂的主要参数，但温度对湿型砂其它性能参数测试会产生很大影响［22］．因此湿型砂的自动检测装置中均包含检测砂样温度一项，传感器普遍采用热电偶或半导体元件AD590．测砂样温度时，一般将温度传感器安装在压实气缸的压头上，在挤压的过程中使其与砂样紧密接触．2.5综合性能参数检测目前，国际上公认的型砂日常检验项目主要有七种，即紧实率、含水量、试样重量、透气性、湿压强度或劈裂强度、亚甲基兰粘土和温度．由于试样重量及亚甲基兰粘土测定难于实现自动化，因此，确定以紧实率、含水量、温度、透气性、湿压强度或劈裂强度为综合性能检测项目［23］．图6给出了型砂五性能在线检测系统结构简图，它主要由供砂单元、砂样制备及紧实率测定单元、含水量及砂温测定单元、透气性测定单元、劈裂强度测定单元五大部分组成．测试过程包括上述五项型砂性能检测信号的采集、处理、运算及结果打印，在微机控制下自动完成，检测周期低于1min．被测型砂经振动筛（筛网规格6mmˑ6mm）落入加砂漏斗，由漏斗加入试样筒，筒底由压实活塞上的压头形成，其位置按预定的型砂紧实率控制值调整．型砂充满样筒后，由光电管发出信号，推砂缸驱动压头进入压砂位置，同时推掉余砂．压实活塞上升紧砂，并带动位移传感器同步移动及通过连杆提起钟罩．当压实比压达到1MPa时，测定压实行程、含水量和砂温．压头复位，活塞下行4mm左右，电磁铁放开钟罩开始测量透气性．随后由压实活塞推出砂样，靠加载油缸带动力传感器右行完成劈裂强度测定后退回，压头再次左行推掉砂样，压头及压实活塞复位，计算机输出测试结果．国外具有代表性的综合性能检测装置是瑞士DISA的PVF－C Minilab，该装置使用压缩空气驱动，可制作不同规格的试样，检测紧实率、湿压强度、劈裂强度等多项常检参数．日本的GTR1000型砂五性能连续检测仪，其位移传感器可以检出0.1mm 的移动距离，紧实率测定上限为60%．它通过手工取样可以在40s内测量出湿型砂的紧实率、温度、含水量、透气性、抗压强度等5项指标［24］．图6型砂五性能在线检测系统结构简图3总结和展望湿型砂含水量和性能参数的检测已比较成熟．电阻法、电容法是目前常被采用的含水量主要快速检测方法；成型性法虽然在生产中已有一定的应用，但测试速度仍有待提高；微波法和红外光谱法目前应用的较少；基于核磁共振法的水分测量仪仍处于试验阶段，尚未得到实际应用．紧实率是大多数仪器必检的性能参数之一，同时检测透气性和湿压强度，并辅以湿拉强度或劈裂强度作为补充性能参数．有效粘土含量的检测主要延用传统的亚甲基兰滴定法，此方法属于实验室检测法，所需时间较长，无法进行在线测量．双电源二次激励法从理论上可快速检测有效粘土含量，但有关电场作用下湿型粘土砂的介电机理、介电特性、以及利用介电特性宏观参数快速检测组分/性能参数的方法等诸多问题尚待研究．湿型砂检测手段与方法的科学性、实用性决定18第6期石德全等：湿型砂组分和性能参数检测技术评述了型砂质量控制效果的好坏．然而，目前在线检测一般针对型砂的性能，如紧实率、湿强度、透气性等，针对型砂组分的在线检测主要是含水量的测量，还难以完全实现按组分控制．为此，研制快速、全面、准确的型砂检测仪器，并进而优化其重要型砂性能的测试方法应用于在线检测中，无疑将有助于型砂检测技术的发展．我们相信随着型砂性能检测方法的发展，将会使铸件质量的管理与控制步入新的台阶．当然，随着自动检测技术的进步，型砂质量控制系统还将出现一些新的模式．目前，型砂有效粘土含量在线检测新方法的提出为实现型砂质量按组分控制的奠定了基础．随着这一新方法的不断完善，构建基于型砂质量直接控制系统将成为一个新的发展趋势．参考文献：［1］龙威，樊自田，毕丽珍，等．影响流水线生产粘土型砂性能的因素［J］．铸造技术，2006，27（11）：1154－1157．［2］NARO R L．The sand Controversy：Does Core Sand Harm Your green sand［J］．Modern casting，2004，94（8）：34－37．［3］BEAMAN J M，CUTTINO J F，MORSE E P．Parameter Influence on Dimensional Variation in 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