專利名稱：：凝固組織水平生長過程的模擬方法及裝置的制作方法
技術領域：
：本發(fā)明涉及一種研究外部強冷條件下初始凝固行為和準確模擬凝固組織水平生長過程的方法及其實現(xiàn)裝置，屬金屬凝固組織生長過程物理模擬
技術領域：
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背景技術：
：本發(fā)明主要涉及金屬型鑄造和連續(xù)鑄鋼等凝固
技術領域：
。金屬型鑄造經(jīng)過多年發(fā)展已經(jīng)比較成熟，為了獲得細小的凝固組織，提高等軸晶率，發(fā)展了各種細化凝固組織的技術，而外加物理場(電場、磁場、電流等)細化金屬凝固組織是近年來比較活躍的一種技術，該技術也正在被應用于連續(xù)鑄鋼生產(chǎn)上。連續(xù)鑄鋼技術是近40年來發(fā)展的新技術，該技術的推廣應用極大地提高了鑄鋼效率、節(jié)約了大量能源。目前該技術仍在快速發(fā)展中，前沿技術主要表現(xiàn)為1)高速連鑄；2)強冷；3)均質(zhì)；4)輕壓下；5)近終型連鑄等。金屬型鑄造和連續(xù)鑄鋼的金屬凝固特點都是外部強烈冷卻，鑄坯凝固速度較快，容易發(fā)展為發(fā)達的柱狀晶，進而降低等軸晶率；凝固組織(一般為枝晶)水平式生長，因此重力場對凝固組織的影響不容忽視。目前對鑄坯凝固過程的研究，主要采用兩種途徑一、采用數(shù)值模擬的方法來模擬連鑄(鑄造)過程各個部分的流場、溫度場、溶質(zhì)場，在此基礎上來預測連鑄(鑄造)過程的凝固組織。因其假設條件本身的近似性，結果必然與實際凝固過程有所偏差。二、采用物理模擬的方法，主要是用水或低熔點金屬等模擬連鑄(鑄造)過程進而推斷其凝固組織。但此法缺乏直接性，沒有直接和凝固組織聯(lián)系起來。此外，工業(yè)試驗雖可以解決很多模擬技術難以解決的問題，但其高昂的成本致其難以開展廣泛有效的研究工作。上海大學的《連鑄坯凝固組織生長過程的物理模擬方法及其裝置》(專利公開號CN101075287，2007.11.21)，可以模擬連鑄坯凝固組織及各種因素對凝固組織的影響規(guī)律。但是，實際連鑄過程中，凝固組織是以水平方式生長，重力場對凝固組織的影響非常大，因此必然導致垂直式生長的模擬結果與實際有偏差。如專利《連鑄坯凝固組織生長過程的物理模擬方法及其裝置》說明書中所述連鑄鋼坯的凝固傳熱基本上在厚度(徑向)及寬度方向進行，拉坯方向的凝固傳熱可以忽略不計。這種傳熱的方向性造成了鑄坯中的絕大部分區(qū)域由側(cè)面向中心的"順序凝固"而成。因此在一維凝固傳熱的假設前提下，可將鋼連鑄坯的凝固過程視為局部穩(wěn)定的單向凝固，其凝固行為適合用單向凝固技術進行較為近似的研究。實際鑄坯凝固時，凝固組織(多為枝晶)為水平式生長，重力對凝固組織的影響非常大(對熱耗散方式和CET的影響尤其顯著)，因此必然導致垂直式生長的模擬結果與實際有偏差。水平式凝固組織生長模擬方法傳熱方向及晶體生長方向與實際鑄坯一致，因此結果更為準確可靠，所獲得的技術參數(shù)也更具實際參考性。外部強冷條件下初始凝固行為的認識和掌握是鑄件或連鑄坯細化組織、提高等軸晶率的基礎。目前對連鑄坯(鑄件)芯部等軸晶的來源仍未達成一致見解，傳統(tǒng)觀點認為是凝固過程中柱狀晶前沿重新形核，長大為等軸晶并堆積，阻礙了柱狀晶的發(fā)展，從而發(fā)生柱狀晶/等軸晶轉(zhuǎn)變(CET-Col咖nartoEquixedTransition)，即晶核來源于柱狀晶生成之后。而大野篤美等人則認為等軸晶是從冷型壁上形核，然后漂移到金屬液中，從而發(fā)生CET。即晶核來源于冷的型壁，在柱狀晶形成之前。本方法可以進一步確證外部強冷條件下等軸晶的來源，從而為CET理論提供有力證據(jù)，為提高鑄坯(鑄件)等軸晶率技術的發(fā)展和應用提供依據(jù)。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明目的是提供一種研究外部強冷條件下初始凝固行為和準確模擬凝固組織水平生長過程的方法，開發(fā)一套實現(xiàn)上述方法的設備。本發(fā)明提出了一種研究外部強冷條件下初始凝固行為和準確模擬凝固組織水平生長過程的方法。本發(fā)明是在水平定向凝固基礎上，借鑒大野篤美的實驗方案(《金屬的凝固_理論、實踐及應用》，[日]大野篤美著，邢建東譯，機械工業(yè)出版社，1990，第18頁)提出的。經(jīng)過改進傳統(tǒng)水平定向凝固方法，從而實現(xiàn)對外部強冷條件下初始凝固行為的研究和對凝固組織水平生長過程的準確模擬。—種凝固組織水平生長過程的模擬方法，將金屬料盛放到管狀坩堝中，坩堝固定在水冷支撐桿上，將坩堝置于管式氣氛保護爐內(nèi)，按照設定的溫度曲線加熱；金屬料溫度達到設定值后，進行爐內(nèi)澆注，同時電爐降溫；澆注后，金屬液一端與水冷型壁接觸，試樣開始水平單向凝固；在澆注后的設定時刻將管式氣氛保護爐移開，同時液淬槽上升，實現(xiàn)液淬，試樣用于模擬凝固組織水平生長過程；該方法的特征如下本方法的主要特征在于以下幾個方面1)水平式單向凝固，凝固組織生長過程中隨時可以進行液淬，通過液淬研究連鑄坯在結晶器內(nèi)或金屬型鑄造的初始凝固行為，摸清連鑄坯(鑄件)凝固組織水平生長規(guī)律；2)爐內(nèi)澆注，澆注溫度、澆注速度及冷卻強度可精確重復，并且解決了原位熔化導致的試樣不能完全熔化的問題。在電爐內(nèi)澆注，函數(shù)控溫，可保證金屬液的降溫速度與連鑄坯(鑄件)液芯降溫速度一致，比之傳統(tǒng)澆注方法更加接近于連鑄坯(鑄件)凝固時的溫度條件。3)冷卻水流量可調(diào)節(jié)，實現(xiàn)了試樣冷卻強度的控制。冷卻強度的可控性與爐溫的可控性組合，使試樣的傳熱條件進一步逼近連鑄坯(鑄件)的傳熱條件。4)試樣支座與工作臺分立，避免了因電爐移動等原因?qū)е鹿ぷ髋_振動而引入的無規(guī)律機械擾動。這種設計亦便于施加規(guī)律的擾動(包括物理場的引入)，研究擾動對凝固組織水平生長的影響。5)液淬時電爐和液淬槽移動，試樣保持不動，除凝固收縮造成的金屬液流動外，可最大限度保留金屬液原位。本發(fā)明開發(fā)了一套研究外部強冷條件下初始凝固行為和準確模擬凝固組織水平生長過程的裝置。裝置由加熱及氣氛保護系統(tǒng)、控溫及溫度采集系統(tǒng)、獨立式試樣支座、爐內(nèi)澆注系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)和傳動及控制系統(tǒng)組成，該裝置特征在于1)加熱及氣氛保護系統(tǒng)該系統(tǒng)主體為管式氣氛保護電爐(6);采用電阻加熱體(9)加熱，通過調(diào)整加熱體(9)的布置得到所需的爐膛溫度分布；在電爐可承受范圍內(nèi)，可以按需設置加熱、冷卻曲線，達到試樣或爐氣溫度的函數(shù)控制；結合冷卻強度的可控性，實現(xiàn)對溫度梯度的控制；爐管內(nèi)通氮氣保護，避免試樣氧化；該系統(tǒng)通過滑塊(13)安裝在固定于工作臺上的導軌(14)上，沿導軌(14)水平移動；2)控溫及溫度采集系統(tǒng)由熱電偶(7、8)和溫控儀表及控制電路組成控溫及溫度采集系統(tǒng)，溫控儀表可以編制加熱曲線并自動采集溫度，實現(xiàn)函數(shù)控溫和溫度采集的目的；熱電偶布置在管式氣氛保護爐內(nèi)，溫控儀表安裝在控制柜內(nèi)；3)獨立式試樣支座(2):與承載電爐的工作臺(15)分立，支座(2)上安裝水冷組件(3)，水冷組件(3)的前端安裝坩堝及試樣(5)，這樣的布置避免了試樣(5)凝固或液淬時工作臺(15)振動產(chǎn)生的擾動，支座獨立地安裝在地基上；4)爐內(nèi)澆注系統(tǒng)由異形坩堝和可旋轉(zhuǎn)水冷組件(3)及旋轉(zhuǎn)機構(27)組成，以實現(xiàn)爐內(nèi)澆注的目的，該系統(tǒng)安裝在獨立式試樣支座(2)上；5)冷卻系統(tǒng)由循環(huán)水泵(25)提供試樣冷卻所需冷卻水，冷卻水流量可通過水流量計(19、20)調(diào)節(jié)，從而實現(xiàn)對試樣冷卻強度的控制；水箱(26)體積較大，保證整個實驗進行過程中水溫的恒定；6)傳動及控制系統(tǒng)電爐(6)和液淬槽(1)通過滑塊(13)安裝在固定于工作臺上的導軌(14)上，沿導軌(14)水平移動；由氣缸(16)、(17)推動電爐(6)和液淬槽(1)運動，從而實現(xiàn)液淬的目的；利用計時器和電磁閥等組成的控制系統(tǒng)實現(xiàn)對運動的控制；控制系統(tǒng)安裝在控制柜內(nèi)。本發(fā)明裝置的特點是加熱電爐為管式氣氛保護爐，最高加熱溫度為180(TC，電爐溫度可實現(xiàn)函數(shù)控制。試樣置于管狀坩堝中，坩堝安裝在水冷組件前端。水冷組件可以180°旋轉(zhuǎn)，以實現(xiàn)爐內(nèi)澆注的目的。試樣支撐管前端為純銅支座，作為試樣的水冷型壁。試樣支撐管內(nèi)的水流量可以調(diào)節(jié)，從而控制試樣的冷卻強度。電爐與液淬槽通過托板連接，液淬時電爐和液淬槽同時后退，到達可液淬的位置時，液淬槽被氣缸推動上升，實現(xiàn)液淬。這種設計有效降低了液淬槽的行程，縮短了液淬所需時間，液淬組織更加接近于試樣爐內(nèi)凝固時的狀態(tài)。本發(fā)明裝置具有的主要參數(shù)為加熱溫度為室溫180(TC，冷卻速率在0爐體自然降溫速率范圍內(nèi)連續(xù)可控，凝固時間(從澆注到液淬)范圍09999(單位包括ms，0.ls，s，min，h)，從爐體后退到液淬所需時間0.51.Os。凝固組織水平生長過程模擬使用的冷卻水量由連鑄二冷區(qū)配水量或金屬型傳熱系數(shù)、蓄熱系數(shù)計算得到，電爐溫度控制曲線采用數(shù)值模擬或?qū)嶋H采集的連鑄坯(鑄件)芯部溫度曲線。因此本發(fā)明的模擬結果可以直接與連鑄坯凝固組織聯(lián)系起來，實驗參數(shù)(冷卻水量、振動周期、振幅、施加的外場參數(shù)等)經(jīng)換算后可用于實際連鑄或金屬型鑄造過程。圖1本發(fā)明設備主體示意圖(不包含控制和氣路部分)圖2本發(fā)明獨立式支座示意圖圖3本發(fā)明方法示意圖圖4本發(fā)明水冷組件示意圖圖1、2、3、4中各數(shù)字代號表示如下1.液淬槽2.試樣支座3.水冷組件4.絕熱材料5.試樣及坩堝6.電爐保溫層7.控溫熱電偶8.保護熱電偶9.加熱棒10.爐管11.通氣管12.托板13.滑塊14.導軌15.工作臺16、17.氣缸18.氣管接頭(三通)19、20.水流量計21.氣體流量計22.氮氣瓶23.電磁閥24.空氣壓縮機25.水泵26.水箱具體實施例方式現(xiàn)將本發(fā)明的具體實施例進一步說明如后。本發(fā)明的凝固組織水平生長過程模擬方法的裝置(圖1)，該裝置由加熱及氣氛保護系統(tǒng)、控溫及溫度采集系統(tǒng)、獨立式試樣支座、爐內(nèi)澆注系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)和傳動及控制系統(tǒng)組成。加熱及氣氛保護系統(tǒng)該系統(tǒng)主體為管式氣氛保護電爐6;采用電阻加熱體9加熱，通過調(diào)整加熱體9的布置得到所需的爐膛溫度分布；在電爐可承受范圍內(nèi)，可以按需設置加熱、冷卻曲線，達到試樣或爐氣溫度的函數(shù)控制；結合冷卻強度的可控性，實現(xiàn)對溫度梯度的控制；爐管內(nèi)通氮氣保護，避免試樣氧化；該系統(tǒng)通過滑塊13安裝在固定于工作臺上的導軌14上，沿導軌14水平移動；控溫及溫度采集系統(tǒng)由熱電偶7、8和溫控儀表及控制電路組成控溫及溫度采集系統(tǒng)，溫控儀表可以編制加熱曲線并自動采集溫度，實現(xiàn)函數(shù)控溫和溫度采集的目的；熱電偶布置在管式氣氛保護爐內(nèi)，溫控儀表安裝在控制柜內(nèi)；獨立式試樣支座2(圖2):與承載電爐的工作臺15分立，支座2上安裝水冷組件3，水冷組件3的前端安裝坩堝及試樣5，這樣的布置避免了試樣5凝固或液淬時工作臺15振動產(chǎn)生的擾動，支座獨立地安裝在地基上；爐內(nèi)澆注系統(tǒng)(圖4):由異形坩堝和可旋轉(zhuǎn)水冷組件3及旋轉(zhuǎn)機構27組成，以實現(xiàn)爐內(nèi)澆注的目的，該系統(tǒng)安裝在獨立式試樣支座2上；冷卻系統(tǒng)由循環(huán)水泵25提供試樣冷卻所需冷卻水，冷卻水流量可通過水流量計19、20調(diào)節(jié)，從而實現(xiàn)對試樣冷卻強度的控制；水箱26體積較大，保證整個實驗進行過程中水溫的恒定；傳動及控制系統(tǒng)電爐6和液淬槽1通過滑塊13安裝在固定于工作臺上的導軌14上，沿導軌14水平移動；由氣缸16、17推動電爐6和液淬槽1運動，從而實現(xiàn)液淬的目的；利用計時器和電磁閥等組成的控制系統(tǒng)實現(xiàn)對運動的控制；控制系統(tǒng)安裝在控制柜內(nèi)。本實施實例以A1-4.5Cu合金為實驗材料，模擬研究連鑄坯凝固組織水平生長過程。具體工藝過程用無水乙醇清洗坩堝和試樣并吹干，將試樣盛放于坩堝內(nèi)備用；設定加熱曲線，電爐內(nèi)通^，流量為3L/min;將坩堝5安裝在水冷支撐桿上，保證坩堝下部的孔與純銅支座正對，以保證試樣澆注后與水冷型壁(純銅支座)的良好接觸。實驗開始，按加熱按鈕，雙向氣閥VA正向?qū)ǎ姞t6前進，試樣進入爐膛中，加熱程序啟動，開始按設定的加熱曲線加熱；調(diào)節(jié)水流量計，設定冷卻水流量為100ml/min。70(TC保溫30min后，180°旋轉(zhuǎn)樣支撐管24，實現(xiàn)爐內(nèi)澆注，同時電爐按程序降溫，計時器開始倒計時。到達設定的冷卻時間后，計時器發(fā)出信號，雙向氣閥VA反向?qū)ǎ瑲忾yVc同時導通，電爐迅速后退，到達可液淬位置時，V。關閉，Ve導通，氣缸17推動液淬槽l迅速上升，完成液淬，同時6電爐6緩慢后退至原位(避免強振，保護加熱系統(tǒng))。實驗完成后，系統(tǒng)復位，此時VA和Ve反向?qū)?，Vc關閉。將試樣取出，經(jīng)過預磨、拋光后，用腐蝕劑(HN03:HC1:HF:H20=2.5:1.5:i:95)腐蝕金相，觀察并統(tǒng)計實驗結果。實驗結果表明，澆注后30s內(nèi)就產(chǎn)生了大量的游離晶粒，為CET過程提供了晶核來源，CET轉(zhuǎn)變完成則需要240s或更多時間，凝固速度與平方根定律符合的較好，表明本裝置可以實現(xiàn)研究強冷條件下凝固初始行為及模擬凝固組織水平式生長過程的目的。實驗參數(shù)及結果見表l。表1實驗參數(shù)及結果<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>權利要求一種凝固組織水平生長過程的模擬方法，將金屬料盛放到管狀坩堝中，坩堝固定在水冷支撐桿上，將坩堝置于管式氣氛保護爐內(nèi)，按照設定的溫度曲線加熱；金屬料溫度達到設定值后，進行爐內(nèi)澆注，同時電爐降溫；澆注后，金屬液一端與水冷型壁接觸，試樣開始水平單向凝固；在澆注后的設定時刻將管式氣氛保護爐移開，同時液淬槽上升，實現(xiàn)液淬，試樣用于模擬凝固組織水平生長過程；該方法的特征如下1)水平式單向凝固，凝固組織生長過程中進行液淬；2)爐內(nèi)澆注，澆注溫度和澆注速度可精確重復，并解決了原位熔化時試樣不能完全熔化的問題；3)獨立式試樣支座(2)與工作臺(15)分立，避免了無規(guī)律機械擾動；4)液淬時電爐(6)和液淬槽(1)移動，試樣保持不動，保留熔體原位。2.—種用于權利要求1所述的凝固組織水平生長過程的模擬方法的裝置，該裝置由加熱及氣氛保護系統(tǒng)、控溫及溫度采集系統(tǒng)、獨立式試樣支座、爐內(nèi)澆注系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)和傳動及控制系統(tǒng)組成，該裝置特征在于1)加熱及氣氛保護系統(tǒng)該系統(tǒng)主體為管式氣氛保護電爐(6);采用電阻加熱體(9)加熱，通過調(diào)整加熱體(9)的布置得到所需的爐膛溫度分布；在電爐可承受范圍內(nèi)，可以按需設置加熱、冷卻曲線，達到試樣或爐氣溫度的函數(shù)控制；結合冷卻強度的可控性，實現(xiàn)對溫度梯度的控制；爐管內(nèi)通氮氣保護，避免試樣氧化；該系統(tǒng)通過滑塊(13)安裝在固定于工作臺上的導軌(14)上，沿導軌(14)水平移動；2)控溫及溫度采集系統(tǒng)由熱電偶(7、8)和溫控儀表及控制電路組成控溫及溫度采集系統(tǒng)，溫控儀表可以編制加熱曲線并自動采集溫度，實現(xiàn)函數(shù)控溫和溫度采集的目的；熱電偶布置在管式氣氛保護爐內(nèi)，溫控儀表安裝在控制柜內(nèi)；3)獨立式試樣支座(2):與承載電爐的工作臺(15)分立，支座(2)上安裝水冷組件(3)，水冷組件(3)的前端安裝坩堝及試樣(5)，這樣的布置避免了試樣(5)凝固或液淬時工作臺(15)振動產(chǎn)生的擾動，支座獨立地安裝在地基上；4)爐內(nèi)澆注系統(tǒng)由異形坩堝和可旋轉(zhuǎn)水冷組件(3)及旋轉(zhuǎn)機構(27)組成，以實現(xiàn)爐內(nèi)澆注的目的，該系統(tǒng)安裝在獨立式試樣支座(2)上；5)冷卻系統(tǒng)由循環(huán)水泵(25)提供試樣冷卻所需冷卻水，冷卻水流量可通過水流量計(19、20)調(diào)節(jié)，從而實現(xiàn)對試樣冷卻強度的控制；水箱(26)體積較大，保證整個實驗進行過程中水溫的恒定；6)傳動及控制系統(tǒng)電爐(6)和液淬槽(1)通過滑塊(13)安裝在固定于工作臺上的導軌(14)上，沿導軌(14)水平移動；由氣缸(16)、(17)推動電爐(6)和液淬槽(1)運動，從而實現(xiàn)液淬的目的；利用計時器和電磁閥等組成的控制系統(tǒng)實現(xiàn)對運動的控制；控制系統(tǒng)安裝在控制柜內(nèi)。3.按權利要求2所述的裝置，該裝置的主要參數(shù)為加熱溫度為室溫180(TC，冷卻速率在0妒體自然降溫速率范圍內(nèi)連續(xù)可控，凝固時間(從澆注到液淬)范圍09999(單位包括ms，O.ls，s，min，h)，從爐體后退到液淬所需時間0.51.Os。全文摘要本發(fā)明涉及一種研究外部強冷條件下初始凝固行為和準確模擬凝固組織水平生長過程的方法及其實現(xiàn)裝置，屬金屬凝固組織生長過程物理模擬領域。該方法的特征是水平式單向凝固，凝固組織生長過程中進行液淬；爐內(nèi)澆注，澆注溫度和澆注速度可精確重復；獨立式試樣支座與工作臺分立，避免了無規(guī)律機械擾動；液淬時電爐和液淬槽移動，試樣保持不動，保留熔體原位。該裝置由加熱及氣氛保護系統(tǒng)、控溫及溫度采集系統(tǒng)、獨立式試樣支座、爐內(nèi)澆注系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)和傳動及控制系統(tǒng)組成。加熱溫度為室溫～1800℃，冷卻速率在0～爐體自然降溫速率范圍內(nèi)連續(xù)可控，凝固時間(從澆注到液淬)范圍0～9999(單位包括ms，0.1s，s，min，h)，從爐體后退到液淬所需時間0.5～1.0s。文檔編號B22D15/00GK101722291SQ200910199568公開日2010年6月9日申請日期2009年11月26日優(yōu)先權日2009年11月26日發(fā)明者仲紅剛,敖鷺,李仁興,翟啟杰,陳湘茹申請人:上海大學