CN101722291A - 凝固组织水平生长过程的模拟方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种研究外部强冷条件下初始凝固行为和准确模拟凝固组织水平生长过程的方法及其实现装置，属金属凝固组织生长过程物理模拟领域。该方法的特征是：水平式单向凝固，凝固组织生长过程中进行液淬；炉内浇注，浇注温度和浇注速度可精确重复；独立式试样支座与工作台分立，避免了无规律机械扰动；液淬时电炉和液淬槽移动，试样保持不动，保留熔体原位。该装置由加热及气氛保护系统、控温及温度采集系统、独立式试样支座、炉内浇注系统、冷却系统和传动及控制系统组成。加热温度为室温～1800℃，冷却速率在0～炉体自然降温速率范围内连续可控，凝固时间(从浇注到液淬)范围：0～9999(单位包括：ms，0.1s，s，min，h)，从炉体后退到液淬所需时间0.5～1.0s。

Description

凝固组织水平生长过程的模拟方法及装置

技术领域

本发明涉及一种研究外部强冷条件下初始凝固行为和准确模拟凝固组织水平生长过程的方法及其实现装置，属金属凝固组织生长过程物理模拟技术领域。

背景技术

本发明主要涉及金属型铸造和连续铸钢等凝固技术领域。金属型铸造经过多年发展已经比较成熟，为了获得细小的凝固组织，提高等轴晶率，发展了各种细化凝固组织的技术，而外加物理场(电场、磁场、电流等)细化金属凝固组织是近年来比较活跃的一种技术，该技术也正在被应用于连续铸钢生产上。连续铸钢技术是近40年来发展的新技术，该技术的推广应用极大地提高了铸钢效率、节约了大量能源。目前该技术仍在快速发展中，前沿技术主要表现为：1)高速连铸；2)强冷；3)均质；4)轻压下；5)近终型连铸等。

金属型铸造和连续铸钢的金属凝固特点都是外部强烈冷却，铸坯凝固速度较快，容易发展为发达的柱状晶，进而降低等轴晶率；凝固组织(一般为枝晶)水平式生长，因此重力场对凝固组织的影响不容忽视。

目前对铸坯凝固过程的研究，主要采用两种途径：一、采用数值模拟的方法来模拟连铸(铸造)过程各个部分的流场、温度场、溶质场，在此基础上来预测连铸(铸造)过程的凝固组织。因其假设条件本身的近似性，结果必然与实际凝固过程有所偏差。二、采用物理模拟的方法，主要是用水或低熔点金属等模拟连铸(铸造)过程进而推断其凝固组织。但此法缺乏直接性，没有直接和凝固组织联系起来。此外，工业试验虽可以解决很多模拟技术难以解决的问题，但其高昂的成本致其难以开展广泛有效的研究工作。

上海大学的《连铸坯凝固组织生长过程的物理模拟方法及其装置》(专利公开号：CN101075287，2007.11.21)，可以模拟连铸坯凝固组织及各种因素对凝固组织的影响规律。但是，实际连铸过程中，凝固组织是以水平方式生长，重力场对凝固组织的影响非常大，因此必然导致垂直式生长的模拟结果与实际有偏差。如专利《连铸坯凝固组织生长过程的物理模拟方法及其装置》说明书中所述：连铸钢坯的凝固传热基本上在厚度(径向)及宽度方向进行，拉坯方向的凝固传热可以忽略不计。这种传热的方向性造成了铸坯中的绝大部分区域由侧面向中心的“顺序凝固”而成。因此在一维凝固传热的假设前提下，可将钢连铸坯的凝固过程视为局部稳定的单向凝固，其凝固行为适合用单向凝固技术进行较为近似的研究。实际铸坯凝固时，凝固组织(多为枝晶)为水平式生长，重力对凝固组织的影响非常大(对热耗散方式和CET的影响尤其显著)，因此必然导致垂直式生长的模拟结果与实际有偏差。水平式凝固组织生长模拟方法传热方向及晶体生长方向与实际铸坯一致，因此结果更为准确可靠，所获得的技术参数也更具实际参考性。

外部强冷条件下初始凝固行为的认识和掌握是铸件或连铸坯细化组织、提高等轴晶率的基础。目前对连铸坯(铸件)芯部等轴晶的来源仍未达成一致见解，传统观点认为是凝固过程中柱状晶前沿重新形核，长大为等轴晶并堆积，阻碍了柱状晶的发展，从而发生柱状晶/等轴晶转变(CET-Columnar to Equixed Transition)，即晶核来源于柱状晶生成之后。而大野笃美等人则认为等轴晶是从冷型壁上形核，然后漂移到金属液中，从而发生CET。即晶核来源于冷的型壁，在柱状晶形成之前。本方法可以进一步确证外部强冷条件下等轴晶的来源，从而为CET理论提供有力证据，为提高铸坯(铸件)等轴晶率技术的发展和应用提供依据。

发明内容

本发明目的是提供一种研究外部强冷条件下初始凝固行为和准确模拟凝固组织水平生长过程的方法，开发一套实现上述方法的设备。

本发明提出了一种研究外部强冷条件下初始凝固行为和准确模拟凝固组织水平生长过程的方法。本发明是在水平定向凝固基础上，借鉴大野笃美的实验方案(《金属的凝固-理论、实践及应用》，[日]大野笃美著，邢建东译，机械工业出版社，1990，第18页)提出的。经过改进传统水平定向凝固方法，从而实现对外部强冷条件下初始凝固行为的研究和对凝固组织水平生长过程的准确模拟。

一种凝固组织水平生长过程的模拟方法，将金属料盛放到管状坩埚中，坩埚固定在水冷支撑杆上，将坩埚置于管式气氛保护炉内，按照设定的温度曲线加热；金属料温度达到设定值后，进行炉内浇注，同时电炉降温；浇注后，金属液一端与水冷型壁接触，试样开始水平单向凝固；在浇注后的设定时刻将管式气氛保护炉移开，同时液淬槽上升，实现液淬，试样用于模拟凝固组织水平生长过程；该方法的特征如下：

本方法的主要特征在于以下几个方面：

1)水平式单向凝固，凝固组织生长过程中随时可以进行液淬，通过液淬研究连铸坯在结晶器内或金属型铸造的初始凝固行为，摸清连铸坯(铸件)凝固组织水平生长规律；

2)炉内浇注，浇注温度、浇注速度及冷却强度可精确重复，并且解决了原位熔化导致的试样不能完全熔化的问题。在电炉内浇注，函数控温，可保证金属液的降温速度与连铸坯(铸件)液芯降温速度一致，比之传统浇注方法更加接近于连铸坯(铸件)凝固时的温度条件。

3)冷却水流量可调节，实现了试样冷却强度的控制。冷却强度的可控性与炉温的可控性组合，使试样的传热条件进一步逼近连铸坯(铸件)的传热条件。

4)试样支座与工作台分立，避免了因电炉移动等原因导致工作台振动而引入的无规律机械扰动。这种设计亦便于施加规律的扰动(包括物理场的引入)，研究扰动对凝固组织水平生长的影响。

5)液淬时电炉和液淬槽移动，试样保持不动，除凝固收缩造成的金属液流动外，可最大限度保留金属液原位。

本发明开发了一套研究外部强冷条件下初始凝固行为和准确模拟凝固组织水平生长过程的装置。装置由加热及气氛保护系统、控温及温度采集系统、独立式试样支座、炉内浇注系统、冷却系统和传动及控制系统组成，该装置特征在于：

1)加热及气氛保护系统：该系统主体为管式气氛保护电炉(6)；采用电阻加热体(9)加热，通过调整加热体(9)的布置得到所需的炉膛温度分布；在电炉可承受范围内，可以按需设置加热、冷却曲线，达到试样或炉气温度的函数控制；结合冷却强度的可控性，实现对温度梯度的控制；炉管内通氮气保护，避免试样氧化；该系统通过滑块(13)安装在固定于工作台上的导轨(14)上，沿导轨(14)水平移动；

2)控温及温度采集系统：由热电偶(7、8)和温控仪表及控制电路组成控温及温度采集系统，温控仪表可以编制加热曲线并自动采集温度，实现函数控温和温度采集的目的；热电偶布置在管式气氛保护炉内，温控仪表安装在控制柜内；

3)独立式试样支座(2)：与承载电炉的工作台(15)分立，支座(2)上安装水冷组件(3)，水冷组件(3)的前端安装坩埚及试样(5)，这样的布置避免了试样(5)凝固或液淬时工作台(15)振动产生的扰动，支座独立地安装在地基上；

4)炉内浇注系统：由异形坩埚和可旋转水冷组件(3)及旋转机构(27)组成，以实现炉内浇注的目的，该系统安装在独立式试样支座(2)上；

5)冷却系统：由循环水泵(25)提供试样冷却所需冷却水，冷却水流量可通过水流量计(19、20)调节，从而实现对试样冷却强度的控制；水箱(26)体积较大，保证整个实验进行过程中水温的恒定；

6)传动及控制系统：电炉(6)和液淬槽(1)通过滑块(13)安装在固定于工作台上的导轨(14)上，沿导轨(14)水平移动；由气缸(16)、(17)推动电炉(6)和液淬槽(1)运动，从而实现液淬的目的；利用计时器和电磁阀等组成的控制系统实现对运动的控制；控制系统安装在控制柜内。

本发明装置的特点是：加热电炉为管式气氛保护炉，最高加热温度为1800℃，电炉温度可实现函数控制。试样置于管状坩埚中，坩埚安装在水冷组件前端。水冷组件可以180°旋转，以实现炉内浇注的目的。试样支撑管前端为纯铜支座，作为试样的水冷型壁。试样支撑管内的水流量可以调节，从而控制试样的冷却强度。电炉与液淬槽通过托板连接，液淬时电炉和液淬槽同时后退，到达可液淬的位置时，液淬槽被气缸推动上升，实现液淬。这种设计有效降低了液淬槽的行程，缩短了液淬所需时间，液淬组织更加接近于试样炉内凝固时的状态。

本发明装置具有的主要参数为：加热温度为室温～1800℃，冷却速率在0～炉体自然降温速率范围内连续可控，凝固时间(从浇注到液淬)范围：0～9999(单位包括：ms，0.1s，s，min，h)，从炉体后退到液淬所需时间0.5～1.0s。

凝固组织水平生长过程模拟使用的冷却水量由连铸二冷区配水量或金属型传热系数、蓄热系数计算得到，电炉温度控制曲线采用数值模拟或实际采集的连铸坯(铸件)芯部温度曲线。因此本发明的模拟结果可以直接与连铸坯凝固组织联系起来，实验参数(冷却水量、振动周期、振幅、施加的外场参数等)经换算后可用于实际连铸或金属型铸造过程。

附图说明

图1本发明设备主体示意图(不包含控制和气路部分)

图2本发明独立式支座示意图

图3本发明方法示意图

图4本发明水冷组件示意图

图1、2、3、4中各数字代号表示如下：

1.液淬槽  2.试样支座  3.水冷组件  4.绝热材料  5.试样及坩埚  6.电炉保温层  7.控温热电偶8.保护热电偶  9.加热棒  10.炉管  11.通气管  12.托板  13.滑块  14.导轨  15.工作台  16、17.气缸18.气管接头(三通)  19、20.水流量计  21.气体流量计  22.氮气瓶  23.电磁阀  24.空气压缩机25.水泵  26.水箱

具体实施方式

现将本发明的具体实施例进一步说明如后。

本发明的凝固组织水平生长过程模拟方法的装置(图1)，该装置由加热及气氛保护系统、控温及温度采集系统、独立式试样支座、炉内浇注系统、冷却系统和传动及控制系统组成。

加热及气氛保护系统：该系统主体为管式气氛保护电炉6；采用电阻加热体9加热，通过调整加热体9的布置得到所需的炉膛温度分布；在电炉可承受范围内，可以按需设置加热、冷却曲线，达到试样或炉气温度的函数控制；结合冷却强度的可控性，实现对温度梯度的控制；炉管内通氮气保护，避免试样氧化；该系统通过滑块13安装在固定于工作台上的导轨14上，沿导轨14水平移动；

控温及温度采集系统：由热电偶7、8和温控仪表及控制电路组成控温及温度采集系统，温控仪表可以编制加热曲线并自动采集温度，实现函数控温和温度采集的目的；热电偶布置在管式气氛保护炉内，温控仪表安装在控制柜内；

独立式试样支座2(图2)：与承载电炉的工作台15分立，支座2上安装水冷组件3，水冷组件3的前端安装坩埚及试样5，这样的布置避免了试样5凝固或液淬时工作台15振动产生的扰动，支座独立地安装在地基上；

炉内浇注系统(图4)：由异形坩埚和可旋转水冷组件3及旋转机构27组成，以实现炉内浇注的目的，该系统安装在独立式试样支座2上；

冷却系统：由循环水泵25提供试样冷却所需冷却水，冷却水流量可通过水流量计19、20调节，从而实现对试样冷却强度的控制；水箱26体积较大，保证整个实验进行过程中水温的恒定；

传动及控制系统：电炉6和液淬槽1通过滑块13安装在固定于工作台上的导轨14上，沿导轨14水平移动；由气缸16、17推动电炉6和液淬槽1运动，从而实现液淬的目的；利用计时器和电磁阀等组成的控制系统实现对运动的控制；控制系统安装在控制柜内。

本实施实例以Al-4.5Cu合金为实验材料，模拟研究连铸坯凝固组织水平生长过程。

具体工艺过程：用无水乙醇清洗坩埚和试样并吹干，将试样盛放于坩埚内备用；设定加热曲线，电炉内通N₂，流量为3L/min；将坩埚5安装在水冷支撑杆上，保证坩埚下部的孔与纯铜支座正对，以保证试样浇注后与水冷型壁(纯铜支座)的良好接触。实验开始，按加热按钮，双向气阀V_A正向导通，电炉6前进，试样进入炉膛中，加热程序启动，开始按设定的加热曲线加热；调节水流量计，设定冷却水流量为100ml/min。700℃保温30min后，180°旋转样支撑管24，实现炉内浇注，同时电炉按程序降温，计时器开始倒计时。到达设定的冷却时间后，计时器发出信号，双向气阀V_A反向导通，气阀V_C同时导通，电炉迅速后退，到达可液淬位置时，V_C关闭，V_B导通，气缸17推动液淬槽1迅速上升，完成液淬，同时电炉6缓慢后退至原位(避免强振，保护加热系统)。实验完成后，系统复位，此时V_A和V_B反向导通，V_C关闭。将试样取出，经过预磨、抛光后，用腐蚀剂(HNO3∶HCl∶HF∶H2O＝2.5∶1.5∶1∶95)腐蚀金相，观察并统计实验结果。

实验结果表明，浇注后30s内就产生了大量的游离晶粒，为CET过程提供了晶核来源，CET转变完成则需要240s或更多时间，凝固速度与平方根定律符合的较好，表明本装置可以实现研究强冷条件下凝固初始行为及模拟凝固组织水平式生长过程的目的。实验参数及结果见表1。

表1实验参数及结果

Claims (3)

1.一种凝固组织水平生长过程的模拟方法，将金属料盛放到管状坩埚中，坩埚固定在水冷支撑杆上，将坩埚置于管式气氛保护炉内，按照设定的温度曲线加热；金属料温度达到设定值后，进行炉内浇注，同时电炉降温；浇注后，金属液一端与水冷型壁接触，试样开始水平单向凝固；在浇注后的设定时刻将管式气氛保护炉移开，同时液淬槽上升，实现液淬，试样用于模拟凝固组织水平生长过程；该方法的特征如下：

1)水平式单向凝固，凝固组织生长过程中进行液淬；

2)炉内浇注，浇注温度和浇注速度可精确重复，并解决了原位熔化时试样不能完全熔化的问题；

3)独立式试样支座(2)与工作台(15)分立，避免了无规律机械扰动；

4)液淬时电炉(6)和液淬槽(1)移动，试样保持不动，保留熔体原位。

2.一种用于权利要求1所述的凝固组织水平生长过程的模拟方法的装置，该装置由加热及气氛保护系统、控温及温度采集系统、独立式试样支座、炉内浇注系统、冷却系统和传动及控制系统组成，该装置特征在于：

1)加热及气氛保护系统：该系统主体为管式气氛保护电炉(6)；采用电阻加热体(9)加热，通过调整加热体(9)的布置得到所需的炉膛温度分布；在电炉可承受范围内，可以按需设置加热、冷却曲线，达到试样或炉气温度的函数控制；结合冷却强度的可控性，实现对温度梯度的控制；炉管内通氮气保护，避免试样氧化；该系统通过滑块(13)安装在固定于工作台上的导轨(14)上，沿导轨(14)水平移动；

2)控温及温度采集系统：由热电偶(7、8)和温控仪表及控制电路组成控温及温度采集系统，温控仪表可以编制加热曲线并自动采集温度，实现函数控温和温度采集的目的；热电偶布置在管式气氛保护炉内，温控仪表安装在控制柜内；

3)独立式试样支座(2)：与承载电炉的工作台(15)分立，支座(2)上安装水冷组件(3)，水冷组件(3)的前端安装坩埚及试样(5)，这样的布置避免了试样(5)凝固或液淬时工作台(15)振动产生的扰动，支座独立地安装在地基上；

4)炉内浇注系统：由异形坩埚和可旋转水冷组件(3)及旋转机构(27)组成，以实现炉内浇注的目的，该系统安装在独立式试样支座(2)上；

5)冷却系统：由循环水泵(25)提供试样冷却所需冷却水，冷却水流量可通过水流量计(19、20)调节，从而实现对试样冷却强度的控制；水箱(26)体积较大，保证整个实验进行过程中水温的恒定；

6)传动及控制系统：电炉(6)和液淬槽(1)通过滑块(13)安装在固定于工作台上的导轨(14)上，沿导轨(14)水平移动；由气缸(16)、(17)推动电炉(6)和液淬槽(1)运动，从而实现液淬的目的；利用计时器和电磁阀等组成的控制系统实现对运动的控制；控制系统安装在控制柜内。

3.按权利要求2所述的装置，该装置的主要参数为：加热温度为室温～1800℃，冷却速率在0～炉体自然降温速率范围内连续可控，凝固时间(从浇注到液淬)范围：0～9999(单位包括：ms，0.1s，s，min，h)，从炉体后退到液淬所需时间0.5～1.0s。

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