本成果来源于国家自然科学基金、黑龙江省自然科学基金和黑龙江省高校青年学术骨干支持计划项目。 湿型粘土砂铸造仍然是当前铸造生产的主要方法，湿型砂的性能及其稳定性直接影响铸件的质量和生产成本。良好而稳定的湿型砂性能，不仅对防止诸如气孔、夹砂、粘砂及冲砂等湿型砂铸造中一些常见铸造缺陷极为重要。统计表明，占铸件总废品率40%~70%的铸件废品是由于湿型粘土砂质量波动而产生的。因此，湿型粘土砂质量检测与控制一直是铸造领域的重要研究课题。 多年来，研制出了形式各异的湿型粘土砂质量监控系统，并在实际生产中得到不同程度的应用。然而，这些监控系统无一例外的都是通过测量湿型粘土砂的性能来实现质量监控的。但是组分直接决定其性能，湿型粘土砂质量的控制是通过改变组分实现的，可以想象：如果能够直接测量出湿型粘土砂的主要组分--含水量和粘土含量，那么可直接控制和优化湿型砂的组分，大大提高其质量和性能的控制精度，进而降低铸件废品率。然而，湿型粘土砂的有效粘土含量尚无快速准确的检测方法，只能依靠传统的亚甲基兰滴定法进行测量，因此，这些监控系统中往往不包含或绕过了湿型粘土砂有效粘土含量的直接测量。由此，我们提出的双电源二次激励法从理论上解决了有效粘土含量的快速测量，填补了国际国内空白。但是，要真正实现有效粘土含量的测量还有需要解决以下主要问题：(1)湿型粘土砂的介电介电特性模型和介电机理尚需进一步探索，以便准确确定出表征其介电特性的具体宏观参数；(2)介电特性宏观参数与组分（有效粘土含量、含水量、辅料）及性能参数（紧实率、湿强度、透气性）之间的确切关系尚不明确；(3)用湿型粘土砂介电特性宏观参数快速预测其组分和性能的方法有待深入研究，实用模型尤其是在线实用模型尚待建立。 鉴于以上背景，为了实现生产中湿型粘土砂组分和性能的快速检测和控制，本成果从电场作用下湿型粘土砂介电特性的微观模型建立、介电机理分析、介电特性宏观参数确定、介电特性参数与组分/性能关系建立及快速预测组分和性能新方法方面做了深入研究，确定了表征湿型粘土砂介电特性的宏观参数。以此为基础，利用波形、幅值、频率可任意编辑的交直流激励源和自行设计的取样器，对湿型粘土砂取样，通过实验确定出合理的激励源参数和取样器形状、尺寸；然后，对不同组分（有效粘土含量、含水量和辅料）的湿型粘土砂进行交直流电场作用下的介电特性试验，研究湿型粘土砂有效粘土含量、含水量和辅料对其介电特性宏观参数的影响规律，同时测定相应的性能参数；最后通过构建合理的人工神经网络，寻找湿型粘土砂介电特性与组分/性能参数间的最优模型。为实现铸造造型生产线上湿型粘土砂组分参数和性能参数的快速检测，进而直接优化其组分和性能奠定了基础。 本成果取得的主要论点和创新如下： (1)运用数学方法建立了湿型砂试样在电场下的介电/导电模型，分析了湿型粘土砂在电场作用下的介电/导电机理。结果表明，湿型砂的电流由贯穿电流和吸收电流构成。由于吸收电流的作用，在直流激励电场接通的瞬间，湿型砂试样上的有一电流最大值，然后电流按指数规律快速下降。根据该模型，湿型砂试样的等效电路可简化为由n个平行板电容器串联构成。 (2)运用数学方式分析了平行电极和圆弧形电极对介电/导电特性的影响，设计了圆柱形和方柱形砂样取样器，并通过试验证明：圆柱形取样器更加适合于湿型砂介电/导电特性的测量。 (3)选取了合适的激励源参数为，直流激励源幅值为20V；只有正弦波激励可得幅值相对稳定的信号，最优的实验条件为交直流激励源的电压幅值为9V、交流激励源频率为1kHz、测量电极的面积为2500mm2。 (4)利用选定的激励源参数进行了交直流电场下，对含水量1%-7%、粘土含量3%-7%的湿型砂进行了交直流电场下的介电/导电特性研究。分析了含水量和粘土含量对交直流电场下的介电/导电特性的影响，他们之间存在确定关系，但是这种关系并不是一种能够数学式表示简单关系。 (5)研究了湿型砂组分/性能参数的快速求解实现方法，初步建立了相应的人工神经网络预测模型，并进行了改进研究。以湿型粘土砂交流介电能力、初始直流介电能力、直流介电能力变化率和紧实率为4个输入节点，效粘土含量和含水量为2个输出节点，6个隐层节点，构建和优化了BP人工神经网络湿型砂组分求解模型。对组分求解网络模型的效果进行了初步评价，模型求解有效粘土含量的绝对误差＜±0.25%，含水量的绝对误差＜±0.15%。 依据上述研究成果，开发了湿型粘土砂组分和性能参数快速测试仪和湿型砂质量优化控制系统，该产品已经应用于型砂检测实验室和砂型铸造生产线中，并取得了较好的经济效益。

哈尔滨理工大学

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