CN113798475B - 一种提高定向凝固试棒温度梯度的装置及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种提高定向凝固试棒温度梯度的装置，包括底盘；试棒筒，其设置于底盘上，用于容纳铸件液；浇口杯，其与试棒筒连通，用于向试棒筒浇注铸件液；电磁加热柱，其设置于底盘上方，位于多个试棒筒之间；第一隔热挡板，其上设置筒孔和中孔，试棒筒、电磁加热柱分别通过筒孔和中孔；第二隔热挡板，其具有内孔，第二隔热挡板设置于第一隔热挡板外圈，使第一隔热挡板不能通过内孔；伸缩隔热挡柱，其位于电磁加热柱与试棒筒之间，两端分别连接底盘和第一隔热挡板。采用本发明的一种提高定向凝固试棒温度梯度的装置及制备方法，能够提高定向凝固试棒温度梯度，提高试棒的铸造质量。

Description

一种提高定向凝固试棒温度梯度的装置及制备方法
技术领域
本发明涉及一种提高定向凝固试棒温度梯度的装置及制备方法，属于熔模精密铸造技术领域。
背景技术
定向凝固，又称为定向结晶，是指使金属或合金在熔体中定向生长晶体的一种工艺方法。定向凝固技术是在铸型中建立特定方向的温度梯度，使熔融合金沿着热流相反方向，按要求的结晶取向进行凝固铸造的工艺。它能大幅度地提高高温合金综合性能。
在定向凝固铸件铸造过程中，目前常用的是熔模精密铸造方法。熔模精密铸造工艺是指用蜡做成模型，在其外表包裹多层粘土、粘结剂等耐火材料，加热使蜡熔化流出，从而得到由耐火材料形成的空壳，再将金属熔化后灌入空壳，待金属冷却后将耐火材料物理清除或化学清除后得到金属零件，这种加工金属的工艺就叫熔模精密铸造，也称为熔模铸造或失蜡铸造。
定向凝固柱晶及单晶试棒熔模精密铸造常见的方法有快速凝固法(HRS)、液态金属冷却法(LMC)和气体冷却法(GCC)。其中快速凝固法(HRS)是目前最为常用的一种工程化生产方法。快速凝固法，是通过电磁感应将坩埚内合金铸锭熔化，然后浇注到在型壳加热器中预热好的型壳中，型壳放置在冷却装置(8)上，型壳以一定的速度随抽拉机构逐渐拉离型壳加热器，逐渐从热区进入冷区，在竖直方向上形成较高的温度梯度，这是形成金属定向结晶组织的关键。国内所用冷却装置(8)规格通常为Φ200mm、Φ250mm和Φ300mm，设备利用率不高，大批量生产时成本较高。为提高设备利用率，降低其生产成本，每个模组尽可能的增加试棒组装数量或高度。但是随着试棒数量和高度的增加，辐射阴影效应越严重，即靠近加热器的试棒的一面直接接受高温辐射加热，温度高，称为阳面；远离加热器的试棒的一面的高温辐射被阻挡，温度低，称为阴面，同一个试棒的阳面和阴面的温度存在差异，导致加热器内不能形成一个相对均匀的温度场。其次，随着定向凝固的进行，热区的高温型壳与冷区辐射换热量越来越大，严重影响筒体位于热区和冷区之间的温度梯度，因此难以提高整个铸件的温度梯度，影响铸件的铸造质量。
发明内容
本发明的发明目的在于：针对上述存在的问题，提供一种提高定向凝固试棒温度梯度的装置及制备方法，本发明能够提高定向凝固试棒温度梯度，提高试棒的铸造质量。
本发明采用的技术方案如下：
一种提高定向凝固试棒温度梯度的装置，包括底盘；
试棒筒，其设置于底盘上，用于容纳铸件液；
浇口杯，其与试棒筒连通，用于向试棒筒浇注铸件液；
电磁加热柱，其设置于底盘上方，位于多个试棒筒之间；
第一隔热挡板，其上设置筒孔和中孔，试棒筒、电磁加热柱分别通过筒孔和中孔；
第二隔热挡板，其具有内孔，第二隔热挡板设置于第一隔热挡板外圈，使第一隔热挡板不能通过内孔；
伸缩隔热挡柱，其位于电磁加热柱与试棒筒之间，两端分别连接底盘和第一隔热挡板。
在本发明中，第二隔热挡板直接镶嵌在铸造炉体上，位置固定不动。装置位于铸造炉热区，伸缩隔热挡柱处于最大压缩状态，第一隔热挡板在伸缩隔热挡柱回弹力的作用下，被第二隔热挡板挡住。
装置工作过程如下：1、铸造时设定浇注工艺参数，包括装置预热温度、铸件液的浇注温度、装置向冷区方向移动的移动速度；2、当装置预热温度、铸件液的浇注温度达到设定值时，将铸件液通过浇口杯浇注到试棒筒内，此时电磁加热柱受铸造炉本身的电磁感应加热系统实现加热，成为热源能够对试棒的阴面进行补充加热；3、按照设定的速度控制装置想冷区移动，此时伸缩隔热挡柱会在回弹力的作用下以相同速度恢复伸长，将进入冷区的电磁加热柱部分进行遮挡，避免其对冷区的试棒进行加热；4、装置继续向冷区移动，直至第一隔热挡板上表面受阻，伸缩隔热挡柱无法继续伸长，第一隔热挡板与第二隔热挡板开始分离，第一隔热挡板随装置一起向冷区移动，直至完成整个定向凝固过程。
在本发明中，第一隔热挡板、第二隔热挡板和伸缩隔热挡柱均由隔热材料制成，第一隔热挡板能够将热区和冷区隔离开，避免热区和冷区的热交流，从而能够提高热区和冷区的温度梯度；电磁加热柱能够对热区试棒的阴面进行加热，从而大大减小了同一试棒的阳面和阴面的温度差异，使热区温度始终维持较高温度且温度分布更均匀，并且伸缩隔热挡柱能够将进入冷区的电磁加热柱部分进行遮挡，避免其对冷区的试棒进行加热，以维持冷区温度的均匀并保持在一个较低的温度水平，大幅增加热区和冷区之间的温度梯度，使得铸件的铸造质量显著提高。
作为优选，所述电磁加热柱与底盘之间设置保温层，保温层的材质为陶瓷保温棉。
在上述方案中，设置保温层避免电磁加热柱向底盘传递热量，从而影响冷区的温度。
作为优选，所述电磁加热柱与多个试棒筒之间的距离相同。
在上述方案中，使每个试棒筒置于相同的工作环境，使每个试棒筒的热量损失情况更加均匀、温度梯度更加趋于一致，从而有利于提高铸件的可靠性和生产质量的稳定性。
作为优选，所述电磁加热柱外设置加热型壳。
作为优选，所述电磁加热柱为两端封闭的空心柱状，方便装置制造。
作为优选，所述电磁加热柱为的材质为石墨，石墨的电磁感应加热效率高。
作为优选，所述第一隔热挡板由多块挡块拼合而成，挡块的数量与试棒筒的数量一致，挡块两侧具有半筒孔，相邻两挡块的半筒孔组合成筒孔。
在上述方案中，通过多块挡块拼合能够方便第一隔热挡板组装。
作为优选，所述第一隔热挡板的外径大于内孔的直径。
作为优选，所述第一隔热挡板的外圈上部设置第一接口，第二隔热挡板的内圈下部设置第二接口，第一接口与第二接口匹配使第一隔热挡板和第二隔热挡板接合后的上表面齐平。
在上述方案中，更够使第一隔热挡板不通过内孔，第一隔热挡板和第二隔热挡板上表面齐平，使第一隔热挡板能够精确对热区、冷区进行隔离。
作为优选，所述伸缩隔热挡柱包括弹性件及包覆弹性件的隔热层。
在上述方案中，弹性件为耐高温弹簧，隔热层的材质为柔性隔热材料，弹性件处于压缩状态时隔热层处于卷折状态，随弹性件长度恢复而恢复，并对冷区的电磁加热柱进行热隔离。
作为优选，所述伸缩隔热挡柱与电磁加热柱同心设置，使各方向伸缩隔热挡柱的遮挡效果相当。
作为优选，所述伸缩隔热挡柱在自然长度下遮盖全部电磁加热柱，保证伸缩隔热挡柱能够遮挡全部进入冷区的电磁加热柱。
作为优选，所述底盘下方设置冷却装置，以对冷区进行冷却。
作为优选，所述底盘下方设置抽拉装置，方便调整装置的位置。
一种提高定向凝固试棒温度梯度的装置制备方法，包括以下步骤：
S1:制作两端封闭的电磁加热柱；
S2:先从上到下将浇口杯蜡模、电磁加热柱和底盘蜡模组装形成模组框架，再将试棒筒蜡模接在底盘蜡模上并通过浇道蜡模与浇口杯蜡模连接，完成蜡模组装；
S3:按照制壳程序进行沾浆淋砂和干燥，脱蜡焙烧后得到型壳；
S4:用型壳修补料将石墨环和浇口杯之间的间隙填满，用保温材料将电磁加热柱和底盘之间的间隙填满；
S5:将伸缩隔热挡柱设置电磁加热柱与试棒筒之间，两端分别连接底盘和第一隔热挡板；
S6:将第二隔热挡板与铸造炉固定连接。
本发明的一种提高定向凝固试棒温度梯度的装置及制备方法，电磁加热柱可以通过脱芯釜将其表面的型壳去除而不损坏，可以继续重复使用；筒孔有助于为试棒筒提供适配的隔热空间，将隔热效果进一步提升，应用于多个试棒筒工作的场景时效果更佳；筒孔使试棒筒的横截面全部置于第一隔热挡板的包围之中，更有利于应对试棒筒远离第二隔热挡板内壁的部分的热量散失，进一步降低试棒筒的热量损失；电磁加热柱、第一隔热挡板和伸缩隔热挡柱的共同作用，增加热区和冷区的温度梯度，并使试棒阴面和阳面温度更均匀，提高试棒的铸造质量。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1、结构简单，第一隔热挡板不需要主动控制即可完成对热区冷区的隔离；
2、电磁加热柱作为补充热源，对试棒阴面加热，大大减少试棒阴面和阳面的温度差异；
3、试棒对热区加热，同时伸缩隔热挡柱遮挡进入冷区的电磁加热柱，防止电磁加热柱对冷区进行加热，维持冷区的较低温度水平；
4、第一隔热挡板将热区和冷区进行隔离，防止热区冷区的热交换，提高热区和冷区的温度梯度；
5、第一隔热挡板中的筒孔使试棒筒的横截面全部置于第一隔热挡板的包围之中，更有利于应对试棒筒远离第二隔热挡板内壁的部分的热量散失，进一步降低试棒筒的热量损失。
附图说明
本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
图1是装置的立体图；
图2是装置的侧视图；
图3是现有技术装置图
图4是装置的纵剖视图；
图5-6是图4的AA、BB剖视图；
图7是伸缩隔热挡柱的示意图；
图8-11是装置的工作过程图；
图12-15是装置的制备流程图。
图中标记：1-底盘、2-试棒筒、3-浇口杯、4-电磁加热柱、5-第一隔热挡板、6-第二隔热挡板、7-伸缩隔热挡柱、8-冷却装置、9-抽拉装置、10-保温层、11-型材修补料、41-加热型壳、51-中孔、52-筒孔、71-弹性件、72-隔热层、1a-底盘蜡模、2a-试棒筒蜡模、3a-浇口杯蜡模。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
如图1-2、4所示，本实施例的一种提高定向凝固试棒温度梯度的装置，包括底盘1；
四个试棒筒2设置于底盘1上，用于容纳铸件液；
浇口杯3与试棒筒2连通，用于向试棒筒2浇注铸件液；
电磁加热柱4设置于底盘1和浇口杯3之间，位于四个试棒筒2之间；
第一隔热挡板5设置筒孔52和中孔51，试棒筒2、电磁加热柱4分别通过筒孔52和中孔51；
第二隔热挡板6具有内孔，第二隔热挡板6设置于第一隔热挡板5外圈，使第一隔热挡板5不能通过内孔；
伸缩隔热挡柱7位于电磁加热柱4与试棒筒2之间，两端分别连接底盘1和第一隔热挡板5；
底盘1下方设置冷却装置8，以对冷区进行冷却；底盘1下方设置抽拉装置9，方便调整装置的位置；
电磁加热柱4与冷却装置8之间设置材质为陶瓷保温棉的保温层10，避免电磁加热柱4向冷却装置8传递热量，从而影响冷区的温度。
在本发明中，第二隔热挡板6直接镶嵌在铸造炉体上，位置固定不动。装置位于铸造炉热区，伸缩隔热挡柱7处于最大压缩状态，第一隔热挡板5在伸缩隔热挡柱7回弹力的作用下，被第二隔热挡板6挡住。
装置工作过程如下：1、铸造时设定浇注工艺参数，包括装置预热温度、铸件液的浇注温度、装置向冷区方向移动的移动速度；2、当装置预热温度、铸件液的浇注温度达到设定值时，如图8所示，将铸件液通过浇口杯3浇注到试棒筒2内，此时电磁加热柱4受铸造炉本身的电磁感应加热系统实现加热，成为热源能够对试棒的阴面进行补充加热；3、按照设定的速度控制装置想冷区移动，如图9所示，此时伸缩隔热挡柱7会在回弹力的作用下以相同速度恢复伸长，将进入冷区的电磁加热柱4部分进行遮挡，避免其对冷区的试棒进行加热；4、如图10-11所示，装置继续向冷区移动，直至第一隔热挡板5上表面受阻，伸缩隔热挡柱7无法继续伸长，第一隔热挡板5与第二隔热挡板6开始分离，第一隔热挡板5随装置一起向冷区移动，直至完成整个定向凝固过程。
作为上述实施例的可选方式，在其他实施例中，电磁加热柱4与多个试棒筒2之间的距离相同，使每个试棒筒2置于相同的工作环境，使每个试棒筒2的热量损失情况更加均匀、温度梯度更加趋于一致，从而有利于提高铸件的可靠性和生产质量的稳定性。
作为上述实施例的可选方式，在其他实施例中，电磁加热柱4外设置加热型壳41。
作为上述实施例的可选方式，在其他实施例中，电磁加热柱4为两端封闭的空心柱状，方便装置制造。
作为上述实施例的可选方式，在其他实施例中，电磁加热柱4为的材质为石墨，石墨的电磁感应加热效率高。
作为上述实施例的可选方式，在其他实施例中，如图5所示，第一隔热挡板5由多块挡块拼合而成，挡块的数量与试棒筒2的数量一致，挡块两侧具有半筒孔，相邻两挡块的半筒孔组合成筒孔52。
作为上述实施例的可选方式，在其他实施例中，第一隔热挡板5的外径大于内孔的直径。
作为上述实施例的可选方式，在其他实施例中，第一隔热挡板5的外圈上部设置第一接口，第二隔热挡板6的内圈下部设置第二接口，第一接口与第二接口匹配使第一隔热挡板5和第二隔热挡板6接合后的上表面齐平，使第一隔热挡板5能够精确对热区、冷区进行隔离。
作为上述实施例的可选方式，在其他实施例中，伸缩隔热挡柱7包括弹性件71及包覆弹性件71的隔热层72，弹性件71为耐高温弹簧，隔热层72的材质为柔性隔热材料，弹性件71处于压缩状态时隔热层72处于卷折状态，随弹性件71长度恢复而恢复，并对冷区的电磁加热柱4进行热隔离；如图6所示，伸缩隔热挡柱7通过围合而成。
作为上述实施例的可选方式，在其他实施例中，伸缩隔热挡柱7与电磁加热柱4同心设置，使各方向伸缩隔热挡柱7的遮挡效果相当。
作为上述实施例的可选方式，在其他实施例中，伸缩隔热挡柱7在自然长度下遮盖全部电磁加热柱4，保证伸缩隔热挡柱7能够遮挡全部进入冷区的电磁加热柱4。
上述提高定向凝固试棒温度梯度的装置制备方法，包括以下步骤：
S1:制作两端封闭的电磁加热柱4；
S2:如图12所示，先从上到下将浇口杯蜡模2a、电磁加热柱4和底盘蜡模1a组装形成模组框架，再将试棒筒蜡模2a接在底盘蜡模1a上并通过浇道蜡模与浇口杯蜡模2a连接，完成蜡模组装；
S3:如图13所示，按照制壳程序进行沾浆淋砂和干燥，干燥前去除底盘蜡模1a侧面和底面、浇口杯3顶面的浆料砂子，反复沾浆淋砂8-10次，脱蜡焙烧后得到陶瓷型壳；
S4:如图14所示，用型壳修补料11将石墨环和浇口杯3之间的间隙填满，用保温材料将电磁加热柱4和底盘1之间的间隙填满，并设置好冷却装置8和抽拉装置9；
S5:如图15所示，将伸缩隔热挡柱7设置电磁加热柱4与试棒筒2之间，两端分别连接底盘1和第一隔热挡板5；
S6:将第二隔热挡板6与铸造炉固定连接。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (8)

1.一种提高定向凝固试棒温度梯度的装置，其特征在于：包括底盘（1）；
试棒筒（2），其设置于底盘（1）上；
浇口杯（3），其与试棒筒（2）连通；
电磁加热柱（4），其设置于底盘（1）上方，位于多个试棒筒（2）之间；
第一隔热挡板（5），其上设置筒孔（52）和中孔（51），试棒筒（2）、电磁加热柱（4）分别通过筒孔（52）和中孔（51）；
第二隔热挡板（6），其具有内孔，第二隔热挡板（6）设置于第一隔热挡板（5）外圈，使第一隔热挡板（5）不能通过内孔；
所述第一隔热挡板（5）的外圈上部设置第一接口，第二隔热挡板（6）的内圈下部设置第二接口，第一接口与第二接口匹配使第一隔热挡板（5）和第二隔热挡板（6）接合后的上表面齐平；
伸缩隔热挡柱（7），其位于电磁加热柱（4）与试棒筒（2）之间，两端分别连接底盘（1）和第一隔热挡板（5）；所述伸缩隔热挡柱（7）包括弹性件（71）及包覆弹性件（71）的隔热层（72）。
2.如权利要求1所述的提高定向凝固试棒温度梯度的装置，其特征在于：所述电磁加热柱（4）与底盘（1）之间设置保温层（10），保温层（10）的材质为陶瓷保温棉。
3.如权利要求1所述的提高定向凝固试棒温度梯度的装置，其特征在于：所述电磁加热柱（4）与多个试棒筒（2）之间的距离相同。
4.如权利要求1所述的提高定向凝固试棒温度梯度的装置，其特征在于：所述电磁加热柱（4）为的材质为石墨。
5.如权利要求1所述的提高定向凝固试棒温度梯度的装置，其特征在于：所述第一隔热挡板（5）由多块挡块拼合而成，挡块的数量与试棒筒（2）的数量一致，挡块两侧具有半筒孔（52），相邻两挡块的半筒孔（52）组合成筒孔（52）。
6.如权利要求1所述的提高定向凝固试棒温度梯度的装置，其特征在于：所述第一隔热挡板（5）的外径大于内孔的直径。
7.如权利要求1所述的提高定向凝固试棒温度梯度的装置，其特征在于：所述伸缩隔热挡柱（7）与电磁加热柱（4）同心设置，所述伸缩隔热挡柱（7）在自然长度下遮盖全部电磁加热柱（4）。
8.一种提高定向凝固试棒温度梯度的装置制备方法，采用权利要求1-7任一项所述的提高定向凝固试棒温度梯度的装置，其特征在于：包括以下步骤：
S1:制作两端封闭的电磁加热柱（4）；
S2:先从上到下将浇口杯蜡模（2a）、电磁加热柱（4）和底盘蜡模（1a）组装形成模组框架，再将试棒筒蜡模（2a）接在底盘蜡模（1a）上并通过浇道蜡模与浇口杯蜡模（2a）连接，完成蜡模组装；
S3:按照制壳程序进行沾浆淋砂和干燥，脱蜡焙烧后得到型壳；
S4:用型壳修补料（11）将电磁加热柱（4）和浇口杯（3）之间的间隙填满，用保温材料将电磁加热柱（4）和底盘（1）之间的间隙填满；
S5:将伸缩隔热挡柱（7）设置电磁加热柱（4）与试棒筒（2）之间，两端分别连接底盘（1）和第一隔热挡板（5）；
S6:将第二隔热挡板（6）与铸造炉固定连接。
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