刘文
（浙江大学宁波理工学院 315100）

半固态成形技术因其产品内部组织均匀、致密，力学性能高，经济、环保等一系列优点，在铁路交通实现高速、重载中将发挥愈来愈重要的作用。合金熔体的流变性能直接决定着半固态合金熔体的充型能力和产品性能。但由于缺少高熔点合金流变仪，至今对半固态钢铁合金的流变性能研究较少。目前用来测定合金流变性能的仪器基本都是流变仪（也称粘度计），常用的主要有双桶流变仪、平行板压缩或旋转剪切流变仪、毛细管流变仪等。其中，平行板流变仪剪切速率较低，仅1~102S-1。Yurko[1]等人在平行板压缩流变仪的基础上改进的快速落锤流变仪，可以获得104S-1的剪切速率。但此类流变仪以及毛细管流变仪仅适用于研究熔体充型瞬间的流变行为。双桶流变仪不仅可以用来研究熔体充型时的流变行为，还可以测量稳态和瞬态流变行为，因此应用广泛。清华大学研制的合金流变仪，可以进行静态和瞬态流变性能的测量[2]，但其最高工作温度只有1000℃，使用范围有限。其它双桶流变仪也仅适用于Sn-Pb、铝、镁等低熔点合金的流变性能研究，对钢铁等高熔点合金却不适用 [3-4]。用于测量炉渣粘度的粘度计，工作温度可达1400℃，但却仅适合粘度值小于1pa.s的全液态条件下的粘度测量[5-6]。
总之，由于钢铁材料熔点较高，其熔体的状态和内部结构保持较难，所用流变仪的零部件材质、温度调节和测量控制系统要求都较高，现有的流变仪很难胜任，急需研制适用于半固态高熔点合金的新型流变仪。本文基于双桶流变仪的工作原理，结合高、低熔点合金熔体的特点，研制了一台可用于高、低熔点合金熔体流变性能测量的流变仪。此流变仪可以模拟半固态浆料制备、输送以及成形加工等工况，通过精确控制剪切速率、熔体温度、冷却速率和搅拌时间，能准确地测定半固态合金熔体的流变行为。

1 测量原理
半固态合金熔体的流变性能不仅受运动参量和力学参量影响，还受合金的凝固相变控制。所以，半固态合金流变仪不仅要求能准确测定相关流变参量，还要能对凝固相变进行有效地控制，特别是对凝固颗粒的形态、尺寸和分布的控制。根据这一特点，参考双桶流变仪的原理，附加上自动控制系统和温度调节装置，并通过温度和外力场对合金熔体的凝固行为进行控制，便可以获得具有不同微观结构的半固态浆料，同时对其进行剪切变形，测定有关的流变参量，即可获得半固态浆料在不同工况下的流变特性。据此，设计了如图1所示的半固态高熔点合金流变仪。其工作原理是：将合金熔体置于同轴的内外桶间隙内，当内外桶之间存在速度差时，合金熔体就受到了一个水平旋转的剪切作用，通过测定转速、扭矩或功率来间接计算合金熔体的粘度。应用自动化控制系统实时控制温度、剪切速率、冷却速率以及剪切时间，可以模拟半固态浆料制备、输送以及成形工况，进而获得不同条件下的流变规律。

2 机械结构设计
2.1 内桶的结构设计与选材
承载测量扭矩的内桶要有足够的抗扭强度。设计的内桶形状为空心锥形，直径96mm，壁厚25mm，外桶（即坩埚）直径106mm。空心结构的内桶及惯性矩和抗扭截面模量均比实心结构小，其刚度和强度相应提高。而且，即节省了原材料，又避免了实心压制时因压力传递不均而导致的强度降低。锥形结构有利于成形时脱模，简化制作工艺。
作为测量高温熔体粘度的内桶还必须有较高的耐火度。对于低熔点合金，内桶可以选择石墨、不锈钢等材料[7]，对高熔点有色合金（如青铜），可以选用石墨或Vesuvius #235陶瓷[8.9]。钢铁等高熔点黑色金属合金，其熔点较高，内桶易烧损，常选择石墨化刚玉或再结晶刚玉[10.11]。然而，刚玉质内桶高温下烧损严重、容易脆裂，需要预热温度较高，且价格昂贵，很难得到广泛应用。用高铝矾土制作的内桶是以高铝矾土熟料和Zr02为原料，经振动加压压制成型，然后高温烧结，0.4MPa荷重软化温度不小于1600℃，抗扭强度高、热容性较好，不易脆裂，制作工艺简单、成本较低。为了适应不同合金熔体温度的大范围变化，搅拌装置设计成组合式结构，内桶用耐火材料，而传动部分采用耐热钢。
2.2 信号采集系统的设计
半固态合金浆料的表观粘度与扭矩、转速和温度直接相关，要求所有信号必须同步采集。信号采集系统如图2所示，采用多串口数据采集卡，测量时温度、扭矩和转速等多组信号分别通过不同的Com串口传输进计算机，确保了流变参量测量的同步性。温度、扭矩和转速信息分别由热电偶和动态扭矩转速传感器获得并转化为电压信号，由于信号均在毫伏级，非常微弱，而A/D数据采集卡的信号分辨量程为V，因此需要在信号进入采集卡之前进行放大。同时由于所有传感器和传输线路均处于中频感应磁场中，电压信号受到周围环境的干扰较大，为了降低信噪比，提高检测精度，分别在信号进入放大器和进入采集卡前进行滤波处理，最终的信号由自行编制的数据采集软件从A/D采集卡上读取，在计算机上存取并终端显示。

2.3 扭矩与转速传感器选择及其控制系统的设计
由公式（1）可知，转速和扭矩是表观粘度测量的两个基本参数。本流变仪采用变频器控制无级调速伺服电机，以满足剪切速率连续可调、突变等不同实验的需要。为满足不同合金熔体、不同流变条件下流变行为的测定，设计时应满足：（1）转速量程大，以满足浆料输送（剪切速率较低或等于零）和快速充型（较高剪切速率）等较大量程下剪切速率的需要。（2）转速连续可调，并可根据设定曲线自行调整执行。（3）启动与制动响应时间短。成形时浆料充型大多在不到1S的时间内完成，此时半固态浆料对剪切速率的变化非常敏感，流变行为也最复杂，搅拌系统启动响应快愈显重要。本流变仪变频器与电机配合的最快启动和制动时间可达0.1~0.2S。（4）扭矩输出量程大。为缩小系统带来的误差，内桶在满足刚度要求的条件下，尽量增加其长度和直径，以此来加大剪切接触面积，增大输出扭矩，减小系统相对误差。本系统扭矩量程为0-500N.m，测量不准确度为0.5%；转速0~2900r/min连续可调，不准确度为60个脉冲/转且无累积误差。
2.4 温度控制系统的设计
温度直接影响半固态浆料的凝固行为以及微观结构的变化，固相分数和颗粒大小等微观参量又是决定粘度大小的最主要因素，因此如何获得较高的控温精度和均匀的温度场是精确测量表观粘度的关键。
2.4.1 坩埚壁裸头热电偶直接连续测温法
钢铁材料的熔点较高，内外桶间隙小，保护管式热电偶的使用受到限制；快速测温偶测温精度较低，并无法连续测温；中间导体式热电偶在中频感应加热时受温度场不均匀度影响较大。设计的坩埚壁裸头热电偶直接连续测温法[12]不受工作空间、周围环境的影响，并可连续测温，热平衡误差为0.24℃，温度响应时间小于0.3S。通过测温仪表进行PID智能控制，控温精度可达℃。
2.4.2 自动控温装置的设计
自动控温装置实现了温度的实时在线测量和控制。温度仪表定时读取热电偶信号，将所得到的数字电压经过电压-温度转换程序转换成数字温度，将此值与设定值相比较，得出温度偏差值E。利用仿人智能控制算法（SHIC）[13]判断E的大小及E的变化趋势(增大、减小或不变)，输出一个合适的控制量，并经过D/ A转换器转换成相应的控制电压。控制电压的大小决定了可控硅移相触发电路的触发相位，从而控制了中频感应加热设备的输入功率，进而调节温度。
2.4.3 均匀的温度场
均匀的径向温度场可以通过两种途径来实现：首先增大炉膛直径与被加热熔体的直径比，减小因磁场分布不均造成的径向温度差异。其次，外桶的周围用石棉布和电熔镁砂等耐火材料作保温层，可有效降低熔体沿径向的热量损失。实际上，由于搅拌室形状为很薄的环形空洞，因此径向温度梯度可以忽略不计。
相比之下，沿轴向很难获得较均匀的温度场。这是因为磁场沿轴向分布不均匀，线圈中部温度较两端稍高；熔体上表面裸露在空气中，散热严重。熔体表面容易凝固结壳，凝固壳与内桶碰撞带来不稳定的附加力矩，严重时会抱死内桶，必须采取措施消除这些不利因素。首先，通过增大线圈高度与被加热熔体的高度比，即设计时坩埚高度不高于感应线圈的1/3，并放置于线圈中部，这样可以减小线圈因磁场分布不均匀带来的温度差异。其次，加热型保温盖和覆盖剂配合使用。其工作原理是：钢板处在中频磁场中，钢板与熔体同时被加热。但由于钢板所处磁场磁通量较熔体处稍小，同时钢板还向外散失少量的热量，钢板温度比钢液温度低30-90℃左右，约1380℃以上，高于覆盖剂的熔点（1350℃）[14]，从而使覆盖剂完全处于熔融状态且钢板不会被熔化。覆盖剂被加热型保温盖和熔体同时加热，处于熔融状态，厚度约3mm，有效减少了熔体通过表面向外散失的热量，熔体沿轴向的温度差小于1℃。同时还防止了钢液被氧化，避免了仅采用覆盖剂时，由于覆盖剂的熔融层、烧结层、粉状层[15]的总厚度约25~30mm，作用在内桶上的力矩较大的现象；避免了因覆盖剂颗粒填塞内桶与覆盖剂之间的环形空间时引起的随机碰撞力矩。加热型保温盖与覆盖剂的使用原理如图3所示。石棉板和硅酸铝纤维棉有良好的隔热保温作用，可减少钢板热量的散失。

3 误差分析及控制
影响扭矩测量的主要因素有：轴向温度梯度、剪切热、内外桶的同轴度、末端效应、仪器自身的摩擦等。
3.1 轴向温度梯度
轴向温度梯度的存在对浆液沿轴向的微观组织，特别是固相分数影响较大，进而沿轴向浆液的粘度也存在较大差异，因此此时测出来的扭矩并不能真实反映给定条件下熔体的真实粘度。加热型保温盖和覆盖剂配合使用，有效地减小了熔体的轴向温差。
覆盖剂与保温盖钢板间距小且无空气流动，对流传热和传导传热较小，辐射传热是主要传热方式[16]。覆盖剂上表面与保温盖钢板之间的辐射传热计算公式为：

当没有加热钢板时，覆盖剂表面实测温度低于600℃，熔体内部与表面温差高达17℃，温差段长10mm。采用加热型保温盖和覆盖剂配合使用时，T与T3最大温差为90℃。设T=1470℃，T3=1380℃，计算T1为1468.2℃，即熔体内部与表面温差最大为1.8℃，覆盖剂表面温度为1400℃，完全熔融，其作用在内桶上的扭矩可以忽略不计。加热型保温盖和覆盖剂配合使用基本上消除了轴向温差对扭矩测量的影响。
3.2 剪切热
剪切热是内外桶间的熔体旋转时所产生的热量滞留在熔体中，引起熔体温度升高，使粘度测量值偏小。其温升变化可以由式（8）计算：

3.4 末端效应：

理论计算和实验测试表明，本流变仪扭矩测量精度较高，总的相对误差小于2%。

4 测试控制系统
半固态浆料流变行为同时受温度、剪切速率、冷却速率的影响，必须同步测量温度、扭矩、转速。其次，半固态合金有很强的触变性，即流变行为对时间有很强的依赖性。再者，要准确描述半固态制浆、浆料输送、充型的全过程，需要实时测量、瞬间改变实验参数。人为控制不仅很难协调一致，且反应时间较长，采用自动化控制可以克服以上不足。用多串口数据采集卡通过全双工的串行通讯方式，传感器的数据通过数据输入线（RXD）传给计算机，计算机指令通过数据输出线（TXD）传达给各传感器。所有参数在软件中设置，由计算机根据试验进程对各传感器发布指令，由传感器的中央处理系统调节相关执行元件实施。这样计算机、传感器和执行元件之间可以互相通讯，信息反馈和参数设置都在瞬间完成，响应时间短，控制精确。

半固态高熔点合金流变仪元器件控制及数据采集系统如图4所示。
5 软件的编制
计算机通过多串口数据采集卡，采用RS232和RS485串口通讯协议与传感器进行数据通讯，采用面向对象的编程语言Visual Basic6.0软件，编制了数据采集模块。数据采集模块采用事件响应方式，即用SetCommEvent（）函数设置串口响应事件，当有数据传输时，程序自动激活OnComm（）事件并进行数据接收，其主要程序如下：
MSComm.Portopen=True                                  ’打开串口，准备接受数据
Private SubMSComm1_Oncom
SelectCaseMSComm1.CommEvent
CasecomEvReceive                                    ’有接收事件发生
Text1.Text=MSComm1.Input                            ’接收数据
MSComm1.InbufferCount=0                            ’清空输入缓存器，准备接受下一组数据
数据处理及图像绘制模块采用DDE(Dynamic Data Exchange)动态数据交换技术，将VB图形界面开发优势与MATLAB的数值分析和绘图功能结合起来，可以进行实验数据的实时显示、查询、绘图等，并能进行试验过程的自动记录，提高了系统的管理水平、使用柔性和信息处理能力。数据处理中利用数理统计的方法滤去随机干扰信号，可绘制出表观粘度与固相分数、剪切速率等的流变规律曲线；运用拟合和插值对数据进行回归分析，可以得出半固态熔体流变规律的经验方程。

6 结论
（1）研制的半固态高熔点合金流变仪可以获得具有不同微观组织结构的半固态浆料。同时，在不同条件下对这种浆料进行剪切变形，能够模拟半固态浆料制备、输送和成形整个过程中合金熔体的流变行为。本流变仪即可用于低熔点合金，也可用于钢铁材料等高熔点合金流变行为研究，应用范围较广。
（2）温度、扭矩和转速测量采用自动化测控系统，控制方便、测量准确。扭矩测量相对误差小于2%；采用裸头热电偶直接连续测温法，控温精度可达℃，温度响应时间小于0.3S；采取加热型保温盖和覆盖剂措施，熔体的表面温降小于1.8℃，解决了熔体表面结壳、温度场不均匀的问题。

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