CN1160560C - 定向凝固过程中温度梯度的测量方法 - Google Patents

Abstract

一种定向凝固过程中温度梯度的测量方法，将中心埋入热电偶的定向凝固棒材装入薄壁石英管中并放置于拉锭机构的端部，将热电偶接于记录仪上，并确定记录仪的走纸速度V_p及定向凝固开始后定向凝固棒材及热电偶的移动速度V_d，当熔区靠近并通过热电偶的端部时，读出记录仪走纸距离ΔX和走过该距离时的温度差ΔT，通过公式:

计算出熔区固液界面的温度梯度G。本发明的方法简单实用，测量数据准确可靠，有效地解决了定向凝固装置中的温度梯度测量问题。

Description

定向凝固过程中温度梯度的测量方法

技术领域：

本发明涉及一种温度梯度的测量方法，尤其涉及一种定向凝固过程中温度梯度的测量方法，属于凝固及其熔炼技术领域。

背景技术：

在定向凝固过程中，采用强制一维散热使熔体在某一方向形成一定的温度梯度，从而使凝固过程沿温度梯度方向定向进行，获得定向凝固组织。定向凝固过程控制的关键参数之一就是温度梯度。温度梯度是一个矢量，它的方向是沿着等温面的法线指向温度升高的方向，它的大小就等于沿该方向单位长度温度的变化。温度梯度是定向凝固过程中非常重要的一个凝固工艺参数，温度梯度的高低将影响熔区长度和熔区内的混合程度，可直接影响到定向凝固材料的组织结构和性能，也是决定界面是否出现不稳定的重要参数。所以，固液界面温度梯度的测量就显得尤为重要。

由于定向凝固装置结构的特殊性，熔区一般较短，而且熔区在不断的移动，所以温度梯度的测量就比较困难。因此有关温度梯度测量技术的报道也很少，尤其是在真空条件下，更增加了测量的难度。

目前温度梯度主要通过粗略估算获得。先粗略测量熔体固液界面离特定冷却介质的距离L，再测量或根据物质熔点估算熔体的温度T，然后通过计算温度梯度G＝T/L，得到粗略的温度梯度G。这种估算往往偏差较大，数据不可靠。

发明内容：

本发明的目的在于针对现有技术的不足和实际需求，提供一种定向凝固过程中温度梯度的测量方法，来准确测量定向凝固过程中的温度梯度，使测量数据准确可靠，而且方法简单实用。

为实现这样的目的，本发明采用热电偶来测量定向凝固过程中的温度梯度，在定向凝固棒材中埋入热电偶，并将热电偶与记录仪相连接，通过记录凝固过程中热电偶及定向凝固棒材的移动速度和温度差，即可测量温度梯度。

本发明的具体方法为：

1、选用一种定向凝固材料，如各种金属棒材，在定向凝固棒材的中间或上半部加工出一个比热电偶直径稍大的圆柱孔，作为热电偶安装孔；

2、将热电偶埋入并固定在定向凝固棒材的热电偶安装孔中，热电偶的选用根据定向凝固棒材的性质而定，可用镍铬—镍硅热电偶，也可用单铂铑或双铂铑热电偶；

3、将安装好热电偶的定向凝固棒材装入薄壁石英管中；

4、将热电偶接于记录仪上，并确定记录仪的走纸速度V_p；

5、定向凝固开始后，定向凝固棒材及热电偶以同样的速度V_d往下移动，熔区靠近并通过热电偶的端部时，读出记录仪走纸距离ΔX和走过该距离时的温度差ΔT，就可以通过公式 $G=\frac{\mathrm{\ΔT}\×\mathrm{Vp}}{\mathrm{\ΔX}\×\mathrm{Vd}}$ 计算并准确测出熔区固液界面的温度梯度G。

本发明的方法简单实用，可以准确地测量出定向凝固装置在凝固过程中的温度梯度，测量数据准确可靠，有效地解决了定向凝固装置中的温度梯度测量问题。

附图说明及具体实施方式：

以下通过附图和具体的实施例对本发明的技术方案作进一步描述。

图1为热电偶在定向凝固棒材中的放置示意图。

如图所示，在定向凝固棒材4的中心附近有一个比热电偶直径稍大的圆柱形热电偶安装孔3，热电偶2插入并固定于定向凝固棒材4中，定向凝固棒材4装在薄壁石英管5中，并放置于拉锭机构8的端部。热电偶2通过导线1连接到记录仪。

定向凝固棒材4由加热装置7加热，并在定向凝固棒材中形成一个熔区6，当拉锭机构8随同定向凝固棒材4及热电偶2以V的速度往下移动时，相当于熔区6以V的速度向上移，逐步靠近并通过热电偶2的端部，这样就可以准确测出熔区固液界面的温度差，也就是固液界面的温度梯度。

热电偶安装孔3最好用线切割的方法加工，因为线切割加工尺寸精度高，位置准确，便于热电偶2的安装。用线切割加工的通孔可用割出的圆柱棒堵上，也可用一段实心棒与空心棒相连来确定热电偶的位置。

热电偶安装孔3离定向凝固棒材末端的距离D必须合适，因为在定向凝固过程中建立稳定的熔区需要一定的时间和距离。D太短会影响温度梯度的测量效果，D太长会费时费料。D的长短以保证稳定熔区顶面离热电偶端部距离d在5mm至10mm之间。根据实验，D的长度在30mm左右较合适。

实施例1：

加热功率为14KW，TbDyFe合金在定向凝固过程中抽拉速率为V_d＝1.36mm/min时，ΔT＝45℃，ΔX＝6mm，V_p＝2mm/s，计算得温度梯度G₁＝662℃/cm

实施例2；

加热功率为15KW，TbDyFe合金在定向凝固过程中的凝固速率为V_d＝1.36mm/min，ΔT＝54.7℃，ΔX＝5mm，V_p＝2mm/s，计算得温度梯度G₂＝965℃/cm。

Claims (3)

1、一种定向凝固过程中温度梯度的测量方法，其特征在于将热电偶(2)埋入并固定在定向凝固棒材(4)中间的热电偶安装孔(3)中，再将定向凝固棒材(4)装入薄壁石英管(5)中并放置于拉锭机构(8)的端部，将热电偶(2)接于记录仪上，并确定记录仪的走纸速度V_p及定向凝固开始后定向凝固棒材(4)及热电偶(2)的移动速度V_d，当熔区(6)靠近并通过热电偶(2)的端部时，读出记录仪走纸距离ΔX和走过该距离时的温度差ΔT，通过公式 $G=\frac{\mathrm{\ΔT}\×\mathrm{Vp}}{\mathrm{\ΔX}\×\mathrm{Vd}}$ 计算出熔区固液界面的温度梯度G。

2、如权利要求1所说的定向凝固过程中温度梯度的测量方法，其特征在于热电偶安装孔(3)离定向凝固棒材末端距离的长度为30mm。

3、如权利要求1所说的定向凝固过程中温度梯度的测量方法，其特征在于热电偶(2)采用镍铬一镍硅热电偶、单铂铑或双铂铑热电偶。

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