一种高温金属熔体粘度的测量装置及系统的制作方法

1.本发明涉及粘度测量技术领域，特别是涉及一种高温金属熔体粘度的测量装置及系统。


背景技术：

2.粘度的测量在冶金行业应用非常广泛，金属粘度直接影响金属液洁净度、金属液流动性、浇铸工艺，进而影响产品质量。粘度测量方式主要有落球法、旋转法及毛细管法等，规格达数百种。
3.旋转法是常用的粘度测量方式，其核心的装置是浸入式测量转子。常用金属及特种高温合金如碳钢、铸铁及铜合金在熔融状态下的温度达500℃-1700℃。高温下，金属熔体对转子和坩埚的侵蚀加剧，因此测量时材质的选择十分关键。同时，金属熔体在非封闭环境下，液面极易氧化。氧化造成粘度测量误差大，甚至无法进行。转子与坩埚之间的间隙决定粘度测试数据的精确性和可靠性。转子尺寸过小，间隙增大，会导致转子与金属液的剪切力减小，且尺寸小而重量轻，不能克服表面张力，而无法精确测量粘度。转子尺寸过大，容易贴坩埚壁，致使粘度无法测量。其表面张力随着温度升高而升高，容易造成浸入式转子紧贴坩埚壁而无法正常在金属液中心旋转进行测量。表面张力的影响，转子进入金属液的速度过快也会导致转子紧贴坩埚壁面。表面张力是由于金属熔体倾向于缩小表面而产生的力。表面分子较为稀疏，分子间引力较大。因此，当转子以较低的速度进入金属时，表面分子密度增大，作用力减小且趋于动态平衡，而使转子稳定于液体中心。普通金属粘度设备最高测量温度大都小于500℃，粘度计的转子无法满足在高温下进行高精度金属粘度测试的要求。目前，尚无测试金属熔体粘度的有效方法。
4.因此，亟待提供一种新的高温金属熔体粘度的测量装置及系统，以解决现有技术中所存在的上述问题。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种高温金属熔体粘度的测量装置及系统，以解决上述现有技术存在的问题，能够有效克服金属熔体的表面张力，提高测量精度。
6.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
7.本发明提供一种高温金属熔体粘度的测量装置，包括转子装置，所述转子装置能够安装于坩埚中，所述坩埚中能够装有金属熔体，所述转子装置能够连接有转杆；其特征在于：所述转杆上能够安装有第一配重，和/或，所述转子装置的内部能够安装有第二配重。
8.优选的，所述转子装置采用纺锤转子，所述转子装置的直径为12-14mm，所述转子装置的直径与所述坩埚的直径之比为0.35-0.40，所述转子装置进入金属熔体的速度控制在1-3mm/min。
9.优选的，所述纺锤转子采用可旋开式纺锤转子，所述可旋开式纺锤转子包括纺锤转子主体，所述纺锤转子主体的底部封闭，所述纺锤转子主体内设置有用于容纳所述第二
配重的容纳腔体，所述纺锤转子主体的顶部设置有开口，开口处能够拆卸安装有固定杆，所述固定杆与所述转杆连接。
10.优选的，所述容纳腔体的顶部开口处设置有内螺纹，所述固定杆的底部设置有外螺纹螺帽，所述固定杆的底部与所述容纳腔体的顶部螺纹连接。
11.优选的，所述转杆的中部开设有安装孔，所述固定杆的顶部伸入所述安装孔内，所述转杆以及所述固定杆上还对应开设有连接孔，通过连接丝穿过所述连接孔实现所述转杆与所述固定杆的固定连接。
12.优选的，所述第一配重采用环形配重，所述环形配重套设在所述转杆的下端，所述环形配重的材质为高纯氧化铝、氧化锆、钼、钨或钢；
13.第二配重采用棒材配重，所述棒材配重采用钼棒、钨棒或钢棒。
14.优选的，所述转子装置的材质为高纯氧化铝、氧化镁或氧化锆。
15.优选的，所述转子装置上配备有扭矩传感器。
16.本发明还公开一种包括上述高温金属熔体粘度的测量装置的测量系统，还包括测试系统，所述测试系统包括温度校准系统、同轴度校准系统、粘度校准系统及气氛控制系统；所述温度校准系统能够控制测量温度，所述同轴度校准系统能够保证所述转子装置、所述转杆及所述坩埚在同一中心，所述粘度校准系统能够保证粘度测量数据精度，所述气氛控制系统能够保证粘度测量在密闭环境中进行，避免金属熔体氧化。
17.优选的，所述温度校准系统包括加热装置、控制装置和测温装置，所述加热装置以及所述测温装置均与所述控制装置连接，所述加热装置、所述控制装置和所述测温装置协同控制测量温度；
18.所述同轴度校准系统包括中心器和调平底座，所述中心器放置在所述坩埚正中，通过调节所述调平底座能够保证所述转子装置、所述转杆在所述中心器的中心位置；
19.所述粘度校准系统包括测量参数调整模块与标准粘度液，通过测量标准粘度液调节测量参数能够保证粘度测量数据精度；
20.所述气氛控制系统包括真空泵、进气孔、出气孔及密封保护罩，所述密封保护罩设置于所述坩埚上，所述密封保护罩上开设有所述进气孔和所述出气孔，所述真空泵通过所述出气孔将所述密封保护罩内部所有气体排出，所述进气孔能够通入惰性保护气体或弱还原性气体，以保证粘度测量在密闭环境中进行，避免金属熔体氧化。
21.优选的，所述温度校准系统的控温精度为
±
1℃，所述粘度校准系统通过标准粘度校准测量参数，保证粘度测量数据精度；
22.所述气氛控制系统能够控制还原性、惰性气氛及真空度99％以上。
23.本发明相对于现有技术取得了以下有益技术效果：
24.本发明高温金属熔体粘度的测量装置及系统，能够根据需要安装第一配重和/或第二配重，可调节配重质量，能够克服高温下碳钢、铸铁、铜合金等金属熔体的表面张力，测量的精度高，数据可靠。
附图说明
25.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施
例，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。
26.图1为本发明高温金属熔体粘度的测量装置的结构示意图；
27.图2为本发明纺锤转子的结构示意图；
28.图3为本发明纺锤转子的分解示意图；
29.图4为本发明转杆上的配重纵截面示意图；
30.图5为本发明转杆的横截面示意图；
31.图6为本发明转子所测铸造铁合金高温粘温曲线图；
32.图7为本发明所测粘温曲线与arrhenius方程高度拟合示意图，证明所测粘度符合牛顿流体特征；
33.其中，1为转杆，11为安装孔，2为第一配重，3为铂金丝，4为纺锤转子，41为固定杆，42为外螺纹螺帽，43为容纳腔体，44为连接孔，45为纺锤转子主体，46为内螺纹，5为第二配重，6为金属熔体，7为坩埚。
具体实施方式
34.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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例，都属于本发明保护的范围。
35.本发明的目的是提供一种高温金属熔体粘度的测量装置及系统，以解决上述现有技术存在的问题，能够有效克服金属熔体的表面张力，提高测量精度。
36.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
37.如图1-5所示，本实施例提供一种高温金属熔体粘度的测量装置，包括转子装置，所述转子装置能够安装于坩埚7中，所述坩埚7中能够装有金属熔体6，所述转子装置能够连接有转杆1，通过转杆1能够带动转子装置在坩埚7内转动，从而可以采用旋转法在坩埚7中测量金属熔体6的粘度；其中，金属熔体6可以为碳钢、铸铁、铜合金等金属熔体，本实施例中优选采用铸造铁合金熔体，优选采用尺寸为的转子装置，转子装置直径与坩埚直径比0.39，转子装置进入金属熔体速度为2mm/min。
38.在本实施例中，所述转杆1上能够安装有第一配重2，和/或，所述转子装置的内部能够安装有第二配重5；当金属熔体6的表面张力不大时，可采用常规转子装置，在转杆1上配合增加第一配重2，以达到克服金属熔体6表面张力，提高测试精度的效果；当金属熔体6的表面张力较大时，可以仅在转子装置的内部安装第二配重5，当安装有第二配重5仍不足以克服金属熔体6表面张力时，可以在转杆1的下端同时增加第一配重2。
39.本实施例能够根据需要安装第一配重2和/或第二配重5，可调节配重质量，能够克服高温下金属熔体6的表面张力，测量的精度高，数据可靠，具体测量数据如图6所示；据报道，铸造铁合金的粘度通常要高于普通铁液的粘度，该种铸造铁合金粘度数据在多次测试后具有重现性，且与arrhenius方程拟合度达r2＝0.99993，符合牛顿流体特征。
40.在本实施例中，所述转子装置采用纺锤转子4，优选采用可旋开式纺锤转子；具体
地，所述可旋开式纺锤转子包括纺锤转子主体45，纺锤转子主体45的形状类似纺锤形，包括圆柱形主体，其底部为锥形的封闭结构，圆柱形主体内设置有用于容纳所述第二配重5的圆柱形的容纳腔体43，所述纺锤转子主体45的顶部设置有开口，能够用于取放第二配重5，开口处能够拆卸安装有固定杆41，所述固定杆41的底部能够封闭纺锤转子主体45的顶部开口，所述固定杆41的顶部与所述转杆1连接。
41.在本实施例中，所述容纳腔体43的顶部开口处设置有内螺纹46，所述固定杆41的底部设置有外螺纹螺帽42，所述固定杆41的底部与所述容纳腔体43的顶部螺纹连接。
42.在本实施例中，纺锤转子4的尺寸较普通转子大，与金属熔体6接触面积较大，数据测量的精度高，波动较小。
43.在本实施例中，所述转杆1的中部开设有安装孔11，所述固定杆41的顶部伸入所述安装孔11内，所述转杆1以及所述固定杆41上还对应开设有连接孔44，通过连接丝穿过所述连接孔44实现所述转杆1与所述固定杆41的固定连接；其中，连接丝优选采用铂金丝3。
44.在本实施例中，所述第一配重2采用环形配重，所述环形配重套设在所述转杆1的底端，所述环形配重的材质为高纯氧化铝、氧化锆、钼、钨或钢等，或者根据需要选择其它的材质。
45.在本实施例中，第二配重5采用高纯的棒材配重，所述棒材配重可以采用钼棒、钨棒或钢棒等。
46.在本实施例中，所述转子装置上配备有高精度的扭矩传感器。
47.由于高温金属熔体6侵蚀性强，且同质相溶现象明显，因此在本实施例中转子装置材质通常选取高纯氧化铝、氧化镁或氧化锆等高熔点物质；高温下，为防止金属熔体6表面氧化，样品在全封闭系统内测试。
48.本实施例通过以下操作规程与装置来保证粘度测量系统的测试精度与数据可靠性：
49.a温度校准：本实施例测量系统最高工作温度1700℃，控温精度
±
1℃。
50.b同轴度及稳定度调整：确定合适的转子装置尺寸以保证转子装置与坩埚7内壁之间间隙均匀，同时，需保证一定的浸入深度，增加接触面积，获取更大的扭矩；选取高熔点材质的转子装置，增加配重使得转子装置稳定旋转。
51.c粘度测量装置校准：测试前使用10cp和50cp的标准硅油对测量系统中高精度扭矩传感器的smc(spindle multiplier constant)校正，每种标准液选用3种不同转速进行粘度测量，最终取平均值作为参数。
52.d气氛控制系统：防止金属熔体6表面氧化，装置在全封闭系统内测试；抽真空，再充入经过净化的惰性气体(气体中的o2《1ppm，h2o《1.5ppm)，多次真空-惰性气体-真空-惰性气体循环冲洗，气流稳定20min后开始升温。
53.需要说明的是，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
54.本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。