CN104226952A - 一种金属凝固过程的模拟方法 - Google Patents

Abstract

一种金属凝固过程的模拟方法。本发明涉及一种模拟金属凝固组织生长过程的方法。此方法通过控制金属试样（4）固液界面推进速率和固液界面温度梯度来模拟金属凝固过程中的固相生长速率和固液界面温度梯度，实现金属凝固过程的模拟。此方法能够准确模拟金属凝固过程中的传热及晶体生长过程。利用温度梯度可控的分段加热式电阻炉（2）控制金属试样（4）的固液界面温度梯度，分段加热式电阻炉（2）的温度梯度由分段加热方式实现。金属试样（4）的固液界面推进速率由分段加热式电阻炉（2）移动速率控制。分段加热式电阻炉（2）的升温、分段加热式电阻炉（2）的移动速率或坩埚（3）的移动速率、金属试样（4）的原位熔化和炉内浇注均由计算机全程控制，消除了人为误差，使实验结果更加精确。

Description

一种金属凝固过程的模拟方法

技术领域

本发明涉及一种研究金属凝固过程的实验方法，属金属凝固过程实验研究领域。

背景技术

连续铸钢在国内外冶金工业中已经被广泛采用，近年来更是在提高铸钢效率、节约能源方面取得了极大的进步。但从目前来看，连铸尚不能代替模铸生产，主要原因是模铸可以满足大型材生产对致密度大的高要求，而连铸不能生产，同时，连铸坯凝固特点决定了容易出现影响性能的中心偏析和缩孔等内部缺陷。

连铸坯不仅具有高温、不透明等金属凝固过程共有的特点，而且由于是大规模工业连续生产，使倾出法、热分析法、直接观察法和物理模拟法等目前比较成熟的实验研究方法都遇到了困难。同时，在实际生产中金属凝固是一个非平衡耗散过程，因此从理论上研究金属凝固过程也是很困难的。

连铸钢坯凝固传热主要在厚度（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绝大部分区域由侧面向中心“顺序凝固”而成。因此，在一维凝固传热假设的前提下，可将连铸坯的凝固过程视为局域的单向凝固，其凝固行为可以与单向凝固技术进行近似的研究。因此本发明对传统的定向凝固进行了大幅改进，从而实现了对连铸过程凝固组织生长过程的模拟。

铸造与连铸凝固过程有一定相似性，浇注过程中，金属液与冷的型壁接触迅速冷却，产生激冷层。浇注之后，金属液在铸型中凝固，固液界面及其前沿温度梯度非线性地推进和变化。铸件中有些区域也可以视为非稳态的单向凝固过程，因此该方法也适用于一般的金属凝固过程实验模拟研究。

发明内容

本发明的目的在于提出一种准确模拟连铸及铸造过程中凝固组织生长过程的方法，能够准确模拟连铸机铸造过程中传热传质过程，再现连铸及铸造中金属晶体生长过程，可用于预测连铸坯及铸件的凝固组织。

为达到上述目的，本发明的构思是：

实际连铸坯或铸件凝固时，晶体生长主要受固液界面的推进速率和固液界面的温度梯度影响。因此通过温度梯度可控的单向凝固方法可以实现传热方向、晶体生长方向、固液界面的推进速率和固液界面的温度梯度与实际铸坯及铸件一致的实验模拟。

根据上述发明构思，本发明采用如下技术方案： 

将金属料盛放于坩埚中，坩埚固定于水平支架上，将坩埚置于真空或特定气氛保护的、温度梯度可控的电阻炉内，加热熔化试样。利用电阻炉控制试样的固液界面温度梯度，利用电阻炉的水平移动来控制固液界面的推进速率，从而实现金属凝固组织的实验模拟。

A.    利用温度梯度可控的电阻炉控制试样的固液界面温度梯度，实现金属凝固过程的实验模拟，电阻炉的温度梯度由分段加热方式实现。电阻炉采用了两个或多个加热区域，加热区之间由环形隔热板隔开，通过控制各加热区升温功率实现所需的温度梯度。所述加热区之间的温度梯度范围是-100K/cm~100K/cm。通过热电偶精确测量电阻炉内各区域温度，并将信息反馈给控温仪表及计算机。

B.     试样的固液界面推进速率由电阻炉移动速率或坩埚移动速率控制，优选电阻炉移动。在金属凝固过程中，施加振动会对凝固组织造成影响，通过电阻炉的移动就排除了坩埚移动可能引起的振动对凝固组织的影响。

C.     利用炉内浇注模拟熔体充型过程，即熔体与型壁接触并降温的过程。通过坩埚在炉内原位翻转实现炉内浇注功能。

D.    通过原位液淬可以终止试样凝固过程，获得连铸坯凝固过程中固液界面形貌及溶质分布等其他研究手段难以获得的研究信息。

E.     电阻炉的升温、电阻炉的移动速率或坩埚移动速率、试样的原位熔化和炉内浇注均由计算机全程控制，极大的节省了人力，消除了人为误差，使实验结果更加精确。

附图说明

图1为本方法示意图（不包含控制和气路部分）。

图2为原位液淬示意图。

图1和图2中各数字代号表示如下：

1.真空室  2.分段加热式电阻炉  3.坩埚  4.金属试样  5.热电偶  6. 环形隔热板  7.水冷杆  8.导轨  9.液淬槽。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明进行详细说明：

实施例一：以碳钢连铸坯凝固过程模拟来说明金属凝固过程实验模拟方法。

具体步骤如下：

A．通过数值模拟或者实际测量，获取碳钢连铸坯固相生长速率和固液界面温度梯度，将这些数据编程输入伺服驱动及控温系统。

B．用无水乙醇清洗坩埚（3）和金属试样（4）并吹干，将金属试样（4）盛放于坩埚（3）内，然后将坩埚（3）一端固定到水冷杆（7）上。

C．驱动分段加热式电阻炉（2）右移至坩埚（3）进入到分段加热式电阻炉（2）加热区内设定位置。

D．利用抽真空系统对真空室（1）进行抽真空，当真空度达到1×10-2Pa时，充入高纯氩气或所需气体（如氮气）。

E．将金属试样（4）加热至熔点以上50℃熔化。

F．降温到浇注温度，保温10min之后，原位翻转浇注。

G．同时驱动分段加热式电阻炉（2）按照预设的固相生长速率左移，利用分段加热式电阻炉（2）的移动速率来控制固液界面的移动速率。

H．控制分段加热式电阻炉（2）各个加热段的温度，使坩埚（3）处于设定的温度梯度环境中直至金属试样（4）凝固完毕。

I．实验完成后，待分段加热式电阻炉（2）温降到室温时，对真空室（1）进行放气，分段加热式电阻炉（2）归原点，取出金属试样（4）。

实施例二：本实施例与实施例一基本相同，所不同的是：以双向不锈钢连铸坯凝固过程模拟实验中液淬来说明金属凝固过程实验模拟方法。

A．通过数值模拟或者实际测量，获取双相不锈钢连铸坯固相生长速率和固液界面温度梯度，将这些数据编程输入伺服驱动及控温系统。

B．用无水乙醇清洗坩埚（3）和双相不锈钢金属试样（4）并吹干，将金属试样（4）盛放于坩埚（3）内，然后将坩埚（3）一端固定到水冷杆（7）上。

C．驱动分段加热式电阻炉（2）右移至坩埚（3）进入到分段加热式电阻炉（2）加热区内设定位置。

D．利用抽真空系统对真空室（1）进行抽真空，当真空度达到1×10^-2Pa时，充入高纯氩气或所需气体（如氮气）。

E．将金属试样（4）加热至熔点以上50℃熔化。

F．降温到浇注温度，保温10min之后，原位翻转浇注。

G．同时驱动分段加热式电阻炉（2）按照预设的固相生长速率左移，利用分段加热式电阻炉（2）的移动速率来控制固液界面的移动速率。

H．控制分段加热式电阻炉（2）各个加热段的温度，使坩埚（3）处于设定的温度梯度环境中。

I．在原位翻转浇注之后设定时刻，如30s，分段加热式电阻炉（2）快速左移至最左端，移动速率为0.5m/s。

J．液淬槽（9）以0.5m/s的速度上升，使金属试样（4）浸没于液淬槽（9）内的冷却液中，实现淬火。

K．实验完成后，待分段加热式电阻炉（2）温降到室温时，对真空室（1）进行放气，分段加热式电阻炉（2）归原点，取出金属试样（4）。淬火的金属试样（4）可以用于检测固液界面形貌、元素分布状态等信息。 

实施例三：本实施例与实施例一基本相同，所不同的是：以金属型铸造Al-Cu合金凝固过程模拟来说明金属凝固过程实验模拟方法。

A．通过数值模拟或者实际测量，获取金属型铸造Al-Cu合金固相生长速率和固液界面温度梯度，将这些数据编程输入伺服驱动及控温系统。

B．用无水乙醇清洗坩埚（3）和Al-Cu合金金属试样（4）并吹干，将金属试样（4）盛放于坩埚（3）内，然后将坩埚（3）一端固定到水冷杆（7）上。

C．驱动分段加热式电阻炉（2）右移至坩埚（3）进入到分段加热式电阻炉（2）加热区内设定位置。

D．利用抽真空系统对真空室（1）进行抽真空，当真空度达到1×10-2Pa时，充入高纯氩气或所需气体（如氮气）。

E．将金属试样（4）加热至熔点以上50℃熔化。

F．降温到浇注温度，保温10min之后，原位翻转浇注。

G．同时驱动分段加热式电阻炉（2）按照预设的固相生长速率左移，利用分段加热式电阻炉（2）的移动速率来控制固液界面的移动速率。

H．分别控制分段加热式电阻炉（2）各个加热段的温度，使坩埚（3）处于设定的温度梯度环境中直至金属试样（4）凝固完毕。

I．实验完成后，待分段加热式电阻炉（2）温降到室温时，对真空室（1）进行放气，分段加热式电阻炉（2）归原点，取出金属试样（4）。 

Claims (16)

1.一种金属凝固过程的模拟方法，其特征在于：

将金属试样（4）装在坩埚（3）中，坩埚（3）一端由水冷杆（7）支撑，置于分段加热式电阻炉（2）内，加热熔化试样；

通过控制金属试样（4）固液界面推进速率和固液界面温度梯度来模拟金属凝固过程中的固相生长速率和固液界面温度梯度，实现金属凝固过程的模拟。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，利用温度梯度可控的分段加热式电阻炉（2）控制金属试样（4）的固液界面温度梯度，并控制金属试样（4）固液界面推进速率，实现金属凝固过程的模拟。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，用于实验的金属试样（4）优选水平放置，相应的，分段加热式电阻炉（2）也水平放置。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，可以在模拟实验进行过程中的任意时刻将金属试样（4）进行原位淬火，终止金属试样（4）的凝固过程，观察固液界面形貌和检测溶质分布状态。

5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，分段加热式电阻炉（2）的温度梯度由分段加热方式实现。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，分段加热式电阻炉（2）的加热区之间由环形隔热板（6）隔开，以实现加热区之间的温度梯度；控温所需的温度信号采用布置在环形隔热板（6）两侧的热电偶（5）实现。

7.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，金属试样（4）的固液界面推进速率由分段加热式电阻炉（2）移动速率或坩埚（3）的移动速率控制；将金属试样（4）液淬时，优选液淬槽（9）上升。

8.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，优选分段加热式电阻炉（2）移动和液淬槽（9）移动；优选方案使得金属试样（4）在淬火过程中不发生移动，避免对金属试样（4）的固液界面状态发生扰动。

9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述加热区之间的温度梯度范围是-100 K/cm~100 K/cm。

10.根据权利要求1至权利要求9中任一项所述的方法，其特征在于，连铸中金属熔体接触结晶器过程的模拟是通过炉内浇注，使金属试样（4）的熔体与坩埚（3）的强制冷却的一侧壁接触。

11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述强制冷却优选方案为喷水冷却。

12.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，坩埚（3）的强制冷却的一侧壁的优选材料为纯铜。

13.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述炉内浇注是通过将坩埚原位翻转实现。

14.根据权利要求1至权利要求9中任一项所述的方法，其特征在于，模铸中金属熔体接触型壁过程的模拟通过炉内浇注，使金属试样（4）的熔体与坩埚（3）的一侧壁接触。

15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，坩埚（3）的一侧壁的优选材料为钢锭模所用材料。

16.根据权利要求1至权利要求9中任一项所述的方法，其特征在于，分段加热式电阻炉（2）移动速率、坩埚（3）移动速率、金属试样（4）的原位熔化、炉内浇注和液淬由计算机全程控制。