CN116984580A - 模拟连铸坯、铸件凝固过程的装置 - Google Patents

Abstract

一种模拟连铸坯、铸件凝固过程的装置，包括炉体、感应熔炼炉、凝固装置和废液桶，凝固装置内设有磁场线圈、上直浇道、热电偶、水冷杆、水冷结晶器、坩埚、泄流通道和加热装置。本发明将具有一定过热度的金属液注入坩埚形成试样，试样开始从两端向中间凝固，通过热电偶测温反馈来控制电阻发热体功率以及结晶器内的冷却水流量实现凝固前沿推进速率和液相降温速率的精确调控，以模拟实际连铸坯或铸件凝固过程。通过控制所述结晶器冷却水的流量实现对应样品凝固速率所需的冷却强度，通过试样中热电偶测温数据反馈控制所述加热热装置的输出功率，以实现试样温度梯度及凝固前沿推进速率的调控，模拟的连铸坯的实际温度分布更精准。

Description

模拟连铸坯、铸件凝固过程的装置

技术领域

本发明属于金属型铸造和连铸等凝固技术领域，具体涉及一种模拟连铸坯、铸件凝固过程的装置。

背景技术

大型铸件在矿山、核电、火电等领域应用广泛。由于动辄数十吨至百吨的大型铸件往往形状复杂、尺寸和壁厚差巨大，不同部位的冷却速率、温度梯度差异极大，导致最终凝固组织、成分和性能分布极不均匀，并极易形成缩孔疏松和裂纹等铸造缺陷，不仅影响了生产企业的经济效益，更重要的是给机组安全运行带来巨大隐患。因此，模拟铸件和铸锭凝固过程，减少二者的凝固缺陷，对于提高铸件和铸锭的质量十分重要。

连铸是目前钢铁及有色金属的主流生产工艺，其推广应用极大地提高了生产效率、节约了大量能源。但是由于强冷特点，铸坯凝固速度较快，易形成粗大的柱状晶组织，进而导致严重的宏观偏析和缩孔、裂纹等缺陷。为了获得细小的凝固组织，提高等轴晶率，近年来发展了各种细化凝固组织的技术，而外加物理场(超声波、磁场、电流等)细化金属凝固组织是近年来非常活跃的领域，有望被应用于连铸生产。

然而，金属凝固是一个非平衡耗散过程，而连铸坯凝固过程具有高温、不透明、连续化、大规模的冶金特点，因而对连铸坯凝固过程的研究极为困难。认识其凝固过程及缺陷形成的机制及条件，对优化工艺，提高铸坯质量极为重要。目前研究连铸坯凝固过程较为成熟的方法主要有工业实验、数值模拟、物理模拟等，但上述方法因自身局限不适用于获取连铸凝固过程的信息和数据，因此寻求合适的研究连铸坯凝固过程的方法已成为普遍需求。

综上，针对连铸坯、铸件、铸锭等凝固过程开发相应的研究装备十分重要。

上海大学的《凝固组织水平生长过程的模拟方法及装置》(专利公开号：CN101722291B，2013.05.08)，通过对金属液进行原位翻转浇注、控制金属液的温度及冷却水流量，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，铸坯凝固时，凝固组织(多为枝晶)从表面向心部生长，水平式单向生长的凝固组织与真实情况有一定差别。水平式双向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性更好，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。该装置采用一段式加热方式，而实际连铸坯凝固过程中固-液界面推进速率是非线性变化的，固-液界面前沿温度梯度也是不断变化的，该装置无法实现凝固前沿推进速率和液相降温速率的精确调控，与实际铸坯相比具有一定的误差。此外，上述专利中只能使用确定成分的试样进行重熔，无法调整成分。

上海大学的《一种模拟连铸坯凝固组织生长过程的方法》(中国专利公开号：CN105014033A)，利用电阻加热以及原位翻转浇注，通过分段控温的加热炉实现调控钢样的液相温度梯度，利用直线电机驱动加热炉或钢样来调控固液界面移动速度，使之与连铸坯相一致，从而模拟连铸坯的凝固组织生长过程。但是由于该装置是通过分成两个区的电阻加热炉膛来控制炉内温度分布，从而达到调控钢液的温度梯度，但其电阻加热的局域温度及温度梯度的控制精度低，无法准确地模拟出连铸坯的实际温度分布。水平式单向凝固的样品宏观元素偏析也与实际连铸坯有一定误差。另外，该装置无法模拟外加电磁场对铸件及连铸坯凝固组织的影响。

发明内容

为克服上述现有技术的不足，本发明提出了一种模拟连铸坯、铸件、铸锭等凝固过程的装置，通过改进凝固组织水平生长过程模拟方法，实现对外加磁场条件下连铸坯凝固组织生长过程的实验模拟和金属凝固过程中的高温力学特性测试，装置也可用于大型铸件特征部位凝固过程模拟。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种模拟连铸坯、铸件凝固过程的装置，包括炉体，设置于该炉体内由上至下依次是感应熔炼炉、凝固装置和废液桶，其特点在于，所述凝固装置内设有磁场线圈、上直浇道、热电偶、水冷杆、水冷结晶器、坩埚、泄流通道和加热装置；

所述坩埚为一中空长方体，用于装载金属溶液，该长方体的内侧长宽高等于所述金属溶液冷却后所形成的所述试样的长宽高，对该试样进行采样和检测，可模拟铸坯的凝固组织；

所述坩埚的上部连接上直浇道，该上直浇道的顶部开口处设有上滑板，并与所述感应熔炼炉相连；

所述坩埚的下部连接泄流通道，该泄流通道(的底部开口处设有下滑板，并与所述废液桶相连；

所述坩埚的左右两端分别通过所述水冷结晶器与所述水冷杆相连，从而对坩埚内金属溶液实现双向冷却，所述水冷杆外接伺服驱动电机、数据信号控制装置、电流引入装置及循环水冷机；

所述热电偶预埋在所述坩埚外壁上，用于测量所述试样不同位置的温度，并外接数据采集单元和/或温控单元；

所述坩埚外设有加热装置，用于局部加热所述试样以模拟实际铸坯或铸件的传热情况；

所述坩埚外设有磁场线圈，用于产生磁场来处理所述坩埚中的金属溶液。

进一步，所述加热装置为激光器或电阻发热体。

所述加热装置为激光器，位于所述试样一侧，利用往复扫描的激光束实现所述试样的加热。通过控制所述激光器的输出功率、扫描范围及扫描速率，以及控制所述水冷结晶器的冷却水流量，实现所述金属溶液凝固前沿推进速率和液相降温速率的调控。所述激光器的功率为0.1-6kW，光斑为矩形；光斑扫描速率为1mm/s-100mm/s，并通过所述试样中心的温度反馈调控；所述水冷结晶器内的水流量为0.5L/min-10L/min，并通过试样端部的温度反馈调控；所述激光扫描范围与凝固界面相对应，所述水冷结晶器的冷却水流量对应样品凝固速率所需的冷却强度。

或者，所述加热装置为电阻发热体组，安置于所述炉体内。所述电阻发热体组由4-8只加热体组成，并且每只发热体均可以单独控制输出功率。所述电阻发热体组的加热功率通过程序控制，根据试样的目标温度、升降温速率来调控不同位置的电阻发热体的加热功率。

进一步，还包括设于所述感应熔炼炉和凝固装置之间的保温层。

进一步，所述磁场线圈为方形螺线管磁场线圈，围绕所述试样与坩埚；或者，所述磁场线圈为圆形饼状磁场线圈，放置于所述试样两端；或者，所述磁场线圈为方形螺线管磁场线圈，放置于所述试样两端；或者，所述磁场线圈为行波线圈，放置于所述试样底部，与试样平行。

进一步，所述水冷结晶器在模拟连铸坯凝固过程时采用纯铜材质，以模拟连铸机的结晶器冷却条件；在模拟铸件凝固时可采用不锈钢、高温合金材质，且与金属液接触的表面可涂覆陶瓷层或砂型材料，以模拟铸型冷却条件。

所述水冷结晶器与试样两头端面接触，水冷结晶器内设置冷却水通道，所述水冷结晶器与循环水冷机相连，用于准确控制水流量的大小，控制所述试样在降温过程中轴向散热的快慢，实现不同冷速下双向水平凝固。

通过控制所述结晶器冷却水的流量实现对应样品凝固速率所需的冷却强度，通过试样中热电偶测温数据反馈控制所述加热热装置的输出功率，以实现试样温度梯度及凝固前沿推进速率的调控。

进一步，还包括连接杆，用于连接所述水冷杆以及伺服驱动电机。

进一步，在所述炉体外侧设有传动及控制机构，用于在所述试样上施加载荷，所述传动及控制机构的下端安装有加载装置导轨支架，所述传动及控制机构能够在加载装置导轨支架上左右移动，并可在行程中任意位置锁死；所述伺服驱动电机设置于所述炉体内的右炉门旁，通过所述连接杆与所述水冷铜管相连；所述加载装置、所述伺服驱动电机与所述试样同轴。

进一步，还包括数据信号采集控制机构，用于将所述热电偶、所述伺服驱动电机、所述加载装置和所述水冷结晶器得到的温度、应力、拉伸速率以及冷却水量转化为数据信号并全程进行采集存储，控制采集到的温度降至200℃以下后停止采集，如果采集未达到要求，即使采集到的温度降至200℃以下后也无需停止采集；所述数据信号控制采集机构的采集频率为1Hz-100Hz。

进一步，所述上滑板和下滑板均设有连接装置和电动驱动装置，该连接装置包括导向轨道、轴承和调节装置，以实现滑板在垂直方向上的平稳移动，并确保滑板的精确位置控制和稳定性。

进一步，还包括塞棒，置于所述上直浇道、坩埚和泄流通道，用于调节模拟铸坯流动速度和控制凝固过程。

进一步，通过控制所述上滑板的关闭与打开，控制浇注量与浇注时间，通过熔炼炉配制需要的钢种成分，满足不同的实验与研究需求。

本发明特点如下：

1)将内长与实际连铸坯或铸件厚度相同的坩埚水平放置于加热炉内，坩埚两端为水冷结晶器。

2)将具有一定过热度的金属液注入坩埚形成试样，试样开始从两端向中间凝固，并且通过热电偶测温反馈来控制电阻发热体功率以及结晶器内的冷却水流量实现凝固前沿推进速率和液相降温速率的精确调控，以模拟实际连铸坯或铸件凝固过程。

3)或，将具有一定过热度的金属液注入坩埚，通过控制激光器功率及往复扫描的激光束扫描范围、扫描速率和调控结晶器冷却水流量实现凝固前沿推进速率和液相降温速率的精确调控。

4)两端的水冷结晶器分别连接拉压传感器和伺服电机，可以实现在试样凝固过程中施加载荷。

5)在试样凝固过程中，可将未凝固金属液通过底部的泄流通道排出，以获取凝固前沿的信息。

6)可以通过水冷结晶器引入电流干预试样凝固过程，电流类型包括但不限于直流电流、交流电流和脉冲电流。

7)可以通过预埋在坩埚外部的线圈施加电磁场干预试样凝固过程，可施加的电磁场包括但不限于行波磁场、脉冲磁场及稳恒磁场。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)本发明通过加热装置控制炉温及水冷结晶器内的冷却水流量实现凝固前沿推进速率和液相降温速率的精确调控，以模拟连铸坯凝固过程中的温度场，从而在实验室复现实际连铸坯的组织与形貌，实验过程与生产情况相近似，更好地指导实际生产活动。其中，采用激光加热的方式，通过控制激光器的加热功率、扫描速率和扫描范围，以及安装在坩埚两端的结晶器冷却水流量，可以实现对金属液温度梯度和固液界面移动速度的精确控制。激光扫描控温比电阻加热控温精度更高，可以更加准确地模拟出连铸坯的实际温度分布。

2)通过在凝固过程中施加特定频率的电流或磁场带来电磁扰动等实验变量，实现对连铸生产过程中外加磁场进行模拟，以更好地指导电磁搅拌等技术参数的选择。

3)通过伺服驱动电机对凝固中的试样施加载荷，可获得试样凝固过程中发生热裂的临界条件，结合凝固过程的精确模拟，可以为连铸生产避免热裂纹提供指导。

4)通过伺服驱动电机对凝固中的试样施加压力，可以模拟压缩变形对凝固组织及偏析的影响，以更好地指导连铸坯压下技术的参数选择。

附图说明

图1是本发明模拟连铸坯、铸件凝固过程的装置的结构示意图；

图2是本发明中加热装置采用激光器的示意图；

图3是本发明中加热装置采用电阻发热体示意图；其中，(a)为俯视图，(b)为侧视剖面图；

图4是几种磁场施加方式，其中,(a)为方形螺线管磁场线圈围绕试样与坩埚；(b)为圆形饼状磁场线圈放置于试样两端；(c)为方形螺线管磁场线圈但是放置于试样两端。

图5是本发明实施例四中的高锰钢样品温度随炉温的控制曲线；

图6是本发明实施例四中的高锰钢样品在冷却过程中的炉温控制曲线；

图7是本发明实施例四中的样品在三种不同冷速下的凝固组织图,其中(a)为0.3℃/s，(b)为0.9℃/s，(c)为1.5℃/s；

图8是本发明实施例一中的热模拟样品与实际连铸坯剖面对比图，其中，(a)为原始铸坯晶粒生长示意图,(b)为热模拟试样晶粒生长示意图,(c)为原始铸坯枝晶生长示意图,(d)为热模拟试样枝晶生长示意图；

图9是本发明实施例二中的热模拟样品添加脉冲磁场前后的C、Cr、Mo元素偏析指数对比图，其中，(a)未添加磁场的脉冲磁场对C元素宏观偏析的影响，(b)添加磁场的脉冲磁场对C元素宏观偏析的影响,(c)未添加磁场对Cr元素宏观偏析的影响；(d)添加磁场对Cr元素宏观偏析的影响,(e)未添加磁场对Mo元素宏观偏析的影响,(f)添加磁场对Mo元素宏观偏析的影响；

图10是本发明实施例五中的高铝钢样品在不同冷却条件下距离冷端各位置的显微枝晶图，图中100mm处是试样的凝固前沿。

图中：感应熔炼炉1、上滑板2、连接杆3、磁场线圈4、废液桶5、直浇道6、热电偶7、保温层8、水冷杆9、水冷结晶器10、试样11、坩埚12、泄流通道13、炉体14、激光加热装置15、电阻发热体16、下滑板17。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

请参阅图1，图1是本发明模拟连铸坯、铸件凝固过程的装置，如图所示，一种模拟连铸坯、铸件凝固过程的装置，包括炉体14，设置于该炉体14内由上至下依次是感应熔炼炉1、凝固装置和废液桶5，所述凝固装置内设有磁场线圈4、上直浇道6、热电偶7、保温层8、水冷杆9、水冷结晶器10、试样11、坩埚12、泄流通道13和加热装置；所述坩埚12为一中空长方体，用于容纳所述试样11，该长方体的内侧长宽高等于试样11长宽高；所述坩埚12的上部连接上直浇道6，该上直浇道6的顶部开口处设有上滑板2，并与所述感应熔炼炉1相连；所述坩埚12的下部连接泄流通道13，该泄流通道13的底部开口处设有下滑板17，并与所述废液桶5相连；所述坩埚12的左右两端分别通过所述水冷结晶器10与所述水冷杆9相连，从而对坩埚12内金属溶液实现双向冷却，所述水冷杆9外接伺服驱动电机、数据信号控制装置、电流引入装置及循环水冷机；所述试样11用于采样和检测模拟铸坯的凝固组织，所述热电偶7伸入所述坩埚12，用于测量所述试样11不同位置的温度，并外接数据采集单元和/或温控单元；所述坩埚12外设有加热装置，用于局部加热试样11以模拟实际铸坯或铸件的传热情况；所述坩埚12外设有磁场线圈4，用于产生磁场来处理所述坩埚12中的液态金属。

感应熔炼炉1，作为铸造过程中的熔炼设备，其与其他组件的连接结构可包括电源连接、冷却水管连接等。

滑板,包括上滑板2和下滑板17，分别位于感应熔炼炉1上方以及炉体14与泄流通道13间，用于控制浇注或者泄流过程。所述上滑板2和下滑板17，即滑动式水口,相当于水龙头里面的球阀，均包括导向轨道、轴承和调节机构，以实现滑板在水平方向上的平稳移动，并确保滑板的精确位置控制和稳定性。同时增加电动驱动机构，如电机和传动装置。

连接杆3，用于连接水冷杆9与外接伺服驱动电机、数据信号控制装置、电流引入装置及循环水冷机拉压传感器，保证装置的稳定性和准确性。

磁场线圈4，通过产生磁场来感应炉体1中的液态金属从而实现各种功能，与电源等设备相连。

废液桶5，用于收集炉体14中的废液，其连接结构包括排液管道等，与泄流通道13相连。

上直浇道6，位于感应熔炼炉1下方，用于引导金属液流动至凝固装置，其连接结构包括导流板和密封装置等。

热电偶7，预埋坩埚12外壁上，并外接数据采集和温控单元，用于测量试样11不同位置的温度，以模拟铸坯不同位置的温度；

保温层8，位于感应熔炼炉1和凝固装置之间以及炉体14内，用于保持装置内部温度稳定，由隔热材料和支撑结构等组成。

水冷杆9，通过水冷方式来控制模拟铸坯的凝固速度和温度，与水冷结晶器10相连，并固定于连接杆3上，外接拉压传感器、加载装置、数据信号控制装置、电流引入装置及循环水冷机。

水冷结晶器(或水冷夹头)10，与水冷杆9连接，通过水冷循环来控制结晶器温度，保证与模拟铸坯的接触部分保持低温。

试样11，用于采样和检测凝固结构，并且上方具有热电偶以控温。

坩埚12，用于装载金属液并冷却形成试样11，与感应熔炼炉1连接，包括陶瓷内衬和石墨保护套。

泄流通道13，用于调节模拟铸坯流动速度和控制凝固过程，与废液桶5、坩埚12相连。在需要中止实验的时刻可以将钢液通过此通道倒入废液桶5。

炉体14，包围感应熔炼炉1和凝固装置，用于保持温度稳定和提供环境保护，放置于外部支架与基座之上。在炉体14的外部增加真空室，以确保工作环境的安全和温度稳定。外部结构可以包括观察窗、门、密封装置等，以提供方便的操作和维护，同时提供保护气氛或真空环境，以防止金属液氧化。

加热装置，可以是激光器15或电阻发热体16，用于局部加热模拟铸坯以模拟热实际情况。加热装置可加热至0-1650℃。其中激光器可以设置扫描速率与功率从而满足实验需求。电阻发热体则由数个电阻加热器组成。实验过程中，可以对坩埚不同区域分别设置目标温度从而实现控温操作。

炉体外部支架：在炉体14的外部增设支架结构，以支撑和固定炉体的位置。支架可以采用坚固的金属材料制成，例如钢材或铝材，并经过适当的加固和连接方式，如焊接或螺栓连接，以确保炉体的稳定性和安全性。

感应熔炼炉1通过上直浇道6与坩埚12连接，并且在熔炼炉1与直浇道6之间设置上滑板2，用于控制浇注量与浇注时间，通过熔炼炉配制需要的钢种成分，满足不同的实验与研究需求。

传动及控制机构设置于所述炉体14的外右侧，用于在所述试样11上施加载荷所述伺服驱动电机、所述试样11、所述磁场线圈4、所述电阻发热体16或激光器15、所述坩埚12、所述水冷结晶器10设置于所述炉体14的炉腔内；所述基座设置于所述炉体外底部；所述传动及控制机构的下端安装有加载装置导轨支架，所述传动及控制机构能够在轨支架上左右移动，在滑程任意位置锁死；所述伺服驱动电机设置于所述炉体内的右炉门旁，通过所述连接杆3与所述加载装置相连；所述伺服驱动电机与所述连接杆3一端螺纹连接，所述连接杆3另一端与所述水冷夹头10螺纹连接，所述水冷结晶器(或水冷夹头)10与所述试样11连接，在需要对试样施加外力的情况下，则通过螺纹与所述试样11连接，所述伺服驱动电机与所述试样11同轴度，所述伺服驱动电机用于同步测量所述加载装置所施加的外力；所述水冷结晶器(或水冷夹头)10通过水冷杆9固定，用于准确控制水流量的大小，控制所述试样11在降温过程中轴向散热的快慢；

所述坩埚12为一中空长方体，所述中空长方体的内侧长宽高等于试样长宽高；所述激光器15或电阻发热体16外侧包覆有磁场线圈4，用于引入磁场扰动金属液，控制金属液凝固生成等轴晶，从而研究所述试样11相应的双向水平凝固过程中的高温力学性能；所述磁场线圈外层包裹有保温层8，所述磁场线圈4与所述激光器15或电阻发热体16之间也设置有保温层8；所述热电偶7预埋在所述坩埚12外壁上，用于同步测量试样11的温度；

所述金属溶液开始凝固形成试样11之后，所述传动及控制机构启动，拉伸试样11，通过调节所述激光器15或电阻发热体16的温度，选择所述水冷结晶器10的水流量大小或控制所述磁场线圈4产生磁场，分别得到不同冷速下，不同枝晶生长方向或等轴晶形态下所述试样的高温力学性能；

所述金属料加热熔化后，向所述坩埚12中浇铸，通过所述磁场线圈4产生磁场，电磁搅拌试样，干预凝固过程，使试样成分均匀；

所述金属料加热熔化后，向所述坩埚12中浇铸，通过所述磁场线圈4产生特定频率的脉冲磁场，干预凝固过程，细化晶粒与优化组织；所述磁场线圈4安装在所述坩埚12周围，使水冷杆9穿过所述磁场线圈4或从所述磁场线圈4上经过；

所述金属料加热熔化后，向所述坩埚12中浇铸，通过所述电流引入机构，使电流经过水冷杆9，通过试样11，干预试样凝固过程，获得细化的凝固组织；

可选的，所述传动及控制机构通过螺杆螺帽与所述连接杆3一端固定，所述连接杆3另一端与所述伺服驱动电机螺纹连接；所述传动及控制机构用于主动加载外力，在所述试样11凝固过程中对凝固收缩进行限制，使所述试样11产生热裂纹或模拟连铸过程中结晶器存在的气隙；

可选的，所述水冷结晶器10与循环水冷机相连，用于控制所述试样在降温过程中轴向散热的快慢，实现不同冷速下双向水平凝固；

可选的，所述电阻发热体16安置于炉体14内，其加热功率可通过程序控制，根据试样的目标温度、加热时间及降温时间来调控不同位置下的电阻发热体16的加热功率。

可选的，所述激光器15安置于炉体14内，其加热功率、扫描速率、扫描范围可通过程序控制，根据试样的目标温度、加热时间及降温时间来调控不同区间下激光器15的扫描功率、扫描速率和扫描范围。

可选的，所述模拟连铸坯凝固过程的装置还包括刚性梁，所述刚性梁水平焊接于炉体左壁上面，且与所述水冷结晶器10螺纹连接，保证试样11的水平。

可选的，所述模拟连铸坯凝固过程的装置还包括数据信号采集控制机构，用于将所述热电偶7、所述伺服驱动电机、所述水冷结晶器10得到的温度、应力、拉伸速率以及冷却水量转化为数据信号并全程进行采集存储，控制采集到的温度降至200℃以下后可停止采集，如果采集未达到要求，即使采集到的温度降至200℃以下后也无需停止采集；所述数据信号控制采集机构的采集频率为1-100Hz；

可选的，所述模拟连铸坯凝固过程的装置的最高加热温度为1650℃；升降温速率范围为0.01-100K/s；升降温控温误差小于±2k；冷态极限真空度为6.67×10^-3Pa；

可选的，所述传动及控制机构的最大试验力为50KN；拉伸速率范围为0.001-3mm/s；有效拉伸量程为10mm；

可选的，所述伺服驱动电机的位移控制最小步长为1μm，误差小于或等于0.5％；

可选的，所述水冷结晶器10的冷却水流量为0.5L/min-10L/min。

可选的，所述磁场线圈4中通入的电流频率为2Hz-10kHz。

所述装置的加热炉采用2-10组独立控温的电阻加热体加热，炉温范围为室温～1650℃，冷却速率在炉体自然降温速率范围内连续可控。

所述加热炉的炉内温度分布可通过调整电阻加热体16功率调控，温度梯度范围0-200℃/cm。

所述坩埚12两端的水冷结晶器分别连接拉力传感器和拉伸装置，可以实现在试样11凝固过程中施加载荷。

所述传动及控制机构的最大试验力为50kN，拉伸速率范围为1-3000μm/s，最大拉伸量程为100mm。

在试样11凝固过程中，可将未凝固金属液通过底部的预留孔排出。

可以通过所述水冷结晶器10引入电流干预试样11凝固过程，所述电流类型包括但不限于直流电流、交流电流和脉冲电流。通过预埋在加热炉内的磁场线圈4施加电磁场干预试样11凝固过程，可施加的电磁场包括但不限于电磁搅拌、脉冲磁场和稳恒磁场。

本发明的工作原理如下：

将内长与实际铸件、铸坯厚度相同的坩埚水平放置炉体内，坩埚左右两端为水冷结晶器。两端的水冷结晶器分别连接伺服驱动电机和拉压传感器，可以实现在试样凝固过程中施加载荷。将具有一定过热度的金属液注入坩埚，金属液开始从两端向中间凝固，通过加热装置控制试样温度。炉温及水冷结晶器内的冷却水流量的控制可以实现凝固前沿推进速率和液相降温速率的精确调控，以模拟连铸坯、铸件凝固过程。在试样凝固过程中，可将未凝固金属液通过底部的泄流通道排出，以获取凝固前沿的信息。可以通过水冷结晶器引入电流干预试样凝固过程，电流类型包括但不限于直流电流、交流电流和脉冲电流。可以通过预埋在加热炉内的线圈施加电磁场干预试样凝固过程，可施加的电磁场包括但不限于电磁搅拌、脉冲磁场及稳恒磁场。

请参与图2，图2是本发明中加热装置采用激光器的示意图，如图所示，两个激光器15安置于炉体14内，分别位于所述试样11两侧，利用往复扫描的激光束实现所述试样的加热。

通过控制所述激光器15的输出功率、扫描范围及扫描速率，以及控制所述水冷结晶器10的冷却水流量，实现所述金属液凝固前沿推进速率和液相降温速率的调控。

将金属液注入坩埚后，利用往复扫描的激光束将金属料熔化，并且通过控制激光器功率及其扫描速率、结晶器冷却水流量实现凝固前沿推进速率和液相降温速率的精确调控。而本装置可以实现单独熔炼，按需求调整钢液成分，同时还能实现炉内浇注。

用激光加热的方式，通过控制激光器的加热功率、扫描速率和扫描范围，以及安装在坩埚两端的结晶器冷却水流量，可以实现对金属液温度梯度和固液界面移动速度的精确控制。激光扫描控温比电阻加热控温精度更高，可以更加准确地模拟出连铸坯的实际温度分布。

图3是本发明中加热装置采用电阻发热体示意图，如图所示，电阻发热体组的加热功率通过程序控制，根据试样的目标温度、升降温速率来调控不同位置的电阻发热体的加热功率。通过结晶器冷却水流量控制实现对应样品凝固速率所需的冷却强度，以实现试样温度梯度及凝固前沿推进速率的调控。

实施例1：

以EN40钢连铸板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EN40的连铸坯芯部和表面温度，并作为试样控温程序。

B.用无水乙醇清洗坩埚和EN40钢板坯试样并吹干，将坩埚安装于炉体内两侧水冷结晶器上，将钢样盛放于熔炼炉内。

C.关闭炉门、打开电源，打开抽气阀门与真空泵，抽真空至0.5Pa以下。

D.关闭真空泵以及抽气阀门，打开充气阀门与氮气阀门，充气至1.8×10³Pa。

E.开启循环水冷机，冷却水保护熔炼炉炉体并且通过水冷结晶器加强试样轴向的冷却能力。

F.设置加热程序，开启加热装置，根据对应温度逐渐提高功率，先以25℃/min升温至900℃，再以10℃/min升温，直至金属料达到1540℃。保温10分钟，使金属料充分熔化且温度均匀。

G.打开上侧滑板，进行炉内浇注，完成浇注后关闭上侧滑板，并关闭熔炼炉的电源。H.根据企业提供参数，设置位移程序，模拟连铸过程中结晶器产生的气隙。

I.开启激光加热装置，从而使固液界面推进速率达到实际生产时的速率，本实验中为0.20mm/s。激光加热装置的功率和扫描速率通过热电偶测温数据反馈控制。

J.待试样凝固后，停止加热与位移程序。

K.实验完成后，待EN40钢板坯钢样温降到室温时，取出试样。

M.经过腐蚀，得到的热模拟实验样品照片，如图8，与实际铸坯对照，相比于单向凝固的试验样品，有更加接近实际的晶粒生长趋势以及枝晶形貌，更好的在实验室完成连铸坯的表层组织模拟。并且在激光加热相较于一般发热体更加准确的温度控制下，热模拟实验样品枝晶生长速度与实际连铸坯更加接近。

实施例2：

以高铬钢板坯凝固过程模拟来说明金属凝固过程施加电磁搅拌或脉冲磁场实验模拟方法。

具体步骤如下：

A.通过数值模拟或者实际测量，获取高铬钢的连铸坯芯部和表面温度，并作为试样控温程序。

B.用无水乙醇清洗坩埚和高铬钢板坯钢料并吹干，将坩埚安装于炉体内两侧水冷结晶器上，将钢样盛放于熔炼炉内。

C.关闭炉门、打开电源、上下两侧滑板，打开抽气阀门与真空泵，抽真空至5Pa以下。

D.关闭真空泵以及抽气阀门，打开充气阀门与氮气阀门，充气至1.8×10³Pa。

E.开启循环水冷机，冷却水保护熔炼炉炉体并且通过水冷结晶器加强试样轴向的冷却能力。

F.设置加热程序，开启感应加热装置，先以30℃/min升温至900℃，再以20℃/min升温，直至钢样达到1560℃，保温10分钟，使金属料充分熔化且温度均匀。电阻加热装置也同时升温加热，将坩埚中心区域升温至1560℃，坩埚两端温度升温至1530℃。

G.打开上侧滑板，进行炉内浇注，完成浇注后关闭上侧滑板，并关闭熔炼炉的电源。H.浇注后5s，启动位移程序，模拟连铸过程中结晶器产生的气隙。

I.开启脉冲磁场，设置频率24Hz，功率为8.5kW，处理时间为120s，连续三次。

J.电阻加热装置保持初始温度，从而使固液界面推进速率达到实际生产时的速率，本实验中为0.25mm/s。坩埚中心区域按程序降温至1530℃，坩埚两端按程序降温至1430℃，当两端达到1430℃时，坩埚中心区域继续保温30分钟，两端停止加热。随后坩埚中心区域则以1℃/min的速率降温。

K.待试样凝固后，停止加热、位移程序与电磁搅拌。

L.实验完成后，待高铬钢板坯钢样温降到室温时，取出钢样。

M.经过金属原位分析仪检测，可见相同钢种在施加磁场前后，各元素偏析明显减小了，施加脉冲磁场处理的试验样品更加均质化。如下图9所示。

实施例3：

以EN40钢板坯成分为基础，熔炼后添加纯Ti片，将Ti含量从0.01％增加至0.02％，证明该装置可实现配置特定成分钢坯样品。

具体步骤如下：

A.通过数值模拟或者实际测量，获取EN40的连铸坯芯部和表面温度，并作为试样控温程序。

B.用无水乙醇清洗坩埚和EN40钢板坯钢料并吹干，将坩埚安装于炉体内两侧水冷结晶器上，将钢样盛放于熔炼炉内。

C.关闭炉门、打开电源、上下两侧滑板，打开抽气阀门与真空泵，抽真空至6.67×10^-3Pa。

D.关闭真空泵以及抽气阀门，打开充气阀门与氮气阀门，充气至1.8×10³Pa。

E.开启循环水冷机，冷却水保护熔炼炉炉体并且通过水冷结晶器加强试样轴向的冷却能力。

F.设置加热程序，开启加热装置，根据对应温度逐渐提高功率，先以25℃/min升温至900℃，再以20℃/min升温，直至钢料达到1540℃；电阻加热装置也同时升温加热，将坩埚中心区域升温至1540℃，坩埚两端升温至1510℃。

G.然后通过加料装置向感应熔炼炉中加入纯Ti片，保温10min，以使钢液温度和成分均匀化。

H.打开上侧滑板，进行炉内浇注，完成浇注后关闭上侧滑板，并关闭熔炼炉的电源。I.电阻加热装置保持初始温度，从而使固液界面推进速率达到实际生产时的速率，本实验中为0.31mm/s。随后，坩埚中心区域按程序降温至1510℃，坩埚两端则按程序降温至1400℃。当坩埚两端达到1400℃时，坩埚中心区域继续保温30min，坩埚两端停止加热。坩埚中心区域则以1℃/min的速率降温。

J.待试样完成凝固过程后，停止加热。

K.实验完成后，待EN40钢板坯钢样温降到室温时，取出钢样。

M.经过成分检测，Ti质量百分比由初始0.01％增长至0.021％，符合预期质量百分比。如下表所示。

成分检测	Ti质量百分比％
		初始成分	0.01
重新熔炼	0.021

实施例4:

以高锰钢连铸板坯为实验材料，模拟在高锰钢凝固过程中施加载荷来说明金属试样在凝固过程中的高温力学性能。

具体步骤如下：

A.将钢料加工成符合坩埚尺寸的试样，用无水乙醇清洗坩埚和试样并吹干，置于坩埚内，试样两侧与水冷结晶器夹紧，关闭炉门。

B.打开电源，关闭上下两侧滑板，打开抽气阀门与真空泵，抽真空至5Pa。

C.关闭真空泵以及抽气阀门，打开充气阀门与氮气阀门，充气至1.8×10³Pa。

D.开启循环水冷机，冷却水保护熔炼炉炉体并且通过水冷结晶器加强试样轴向的冷却能力。

E.开始加热，使试样加热熔化，根据对应温度逐渐提高功率，先以25℃/min升温至1000℃，再以10℃/min升温，直至钢样达到1380℃。电阻加热装置也同时升温加热，将坩埚中心区域都升温至1380℃，坩埚两端升温至1200℃。随后保温10分钟。升温过程如图5所示。

F.试样坩埚中心区域加热部分的试样充分熔化之后，减小电源加热功率或停止加热，试样冷却。

G.坩埚两端停止加热，坩埚中心区域按照程序设计的降温速率，如图6所示的降温曲线，同时根据热电偶反馈温度实时调节结晶器中的冷却水流量，实现凝固前沿推进速率和液相降温速率的精确调控。当坩埚中心区域降温至1313℃，启动传动及控制机构，以一定速率拉伸试样，数据采集系统全程记录数据，拉伸试样直至坩埚中心区域温度降至1000℃后停止实验，最后保存并导出数据。

H.待试样冷却至室温后，将其取出，通过观察试样凝固组织及断口形貌，结合导出的数据分析试样凝固过程中施加载荷的时间-温度-应力的变化关系，可获得金属试样在凝固过程中的高温力学性能以及断裂的临界条件。

实施例5:

本实施例以高铝钢圆坯为研究对象，通过激光加热方式，模拟高铝钢圆坯凝固过程，观察枝晶生长情况。

具体步骤如下：

A.通过数值模拟或实验测量的方法，获取高铝钢圆坯芯部和表面温度，得到二者温度的对应关系，并作为试样控温程序。

B.实验前，用砂纸打磨高铝钢试样表面，用无水乙醇清洗Al2O3坩埚和试样并吹干。C.将试样置于坩埚内，打开炉门，将坩埚安装于炉内两侧水冷结晶器上，样品与水冷结晶器之间用耐火隔板隔开，关闭炉门。

D.打开电源，打开抽气阀门与真空泵，抽真空至0.1Pa以下。

E.关闭真空泵和抽气阀门，打开充气阀门与氩气阀门，通入0.04MPa高纯氩气，随后关闭充气阀门与氩气阀门。

F.开启循环水冷机，冷却水保护炉体和试样轴向冷却能力。

G.设计加热程序，开始加热，根据对应温度逐渐提高功率，先以25℃/min升温至1100℃，再以15℃/min升温，直至钢样达到1520℃。电阻加热装置也同时升温加热，将坩埚中心区域升温至1520℃，坩埚两端升温至1400℃。

H.随后感应熔炼炉保温10分钟，使钢样充分熔化且温度均匀。

I.打开上侧滑板，进行炉内浇注，完成浇注后关闭上侧滑板，并关闭熔炼炉的电源。J.电阻加热装置保持初始温度，从而使固液界面推进速率达到实际生产时的速率，本实验中为0.36mm/s。坩埚中心区域降温至1495℃后，坩埚两端停止加热。

K.打开下滑板，将坩埚中尚未凝固的钢液通过泄流通道排出至废液桶中，从而可以观察凝固前沿的组织形貌。

L.待试样冷却至室温后，将其取出，用于观察枝晶生长形貌和检测元素分布。

Claims (13)

1.一种模拟连铸坯、铸件凝固过程的装置，包括炉体(14)，设置于该炉体(14)内由上至下依次是感应熔炼炉(1)、凝固装置和废液桶(5)，其特征在于，所述凝固装置内设有磁场线圈(4)、上直浇道(6)、热电偶(7)、水冷杆(9)、水冷结晶器(10)、坩埚(12)、泄流通道(13)和加热装置；

所述坩埚(12)为一中空长方体，用于装载金属溶液，该长方体的内侧长宽高等于所述金属溶液冷却后所形成的所述试样(11)的长宽高，对该试样(11)进行采样和检测，可模拟铸坯的凝固组织；

所述坩埚(12)的上部连接上直浇道(6)，该上直浇道(6)的顶部开口处设有上滑板(2)，并与所述感应熔炼炉(1)相连；

所述坩埚(12)的下部连接泄流通道(13)，该泄流通道(13)的底部开口处设有下滑板(17)，并与所述废液桶(5)相连；

所述坩埚(12)的左右两端分别通过所述水冷结晶器(10)与所述水冷杆(9)相连，从而对坩埚(12)内金属溶液实现双向冷却，所述水冷杆(9)外接伺服驱动电机、数据信号控制装置、电流引入装置及循环水冷机；

所述热电偶(7)预埋在所述坩埚(12)外壁上，用于测量所述试样(11)不同位置的温度，并外接数据采集单元和/或温控单元；

所述坩埚(12)外设有加热装置，用于局部加热所述试样(11)以模拟实际铸坯或铸件的传热情况；

所述坩埚(12)外设有磁场线圈(4)，用于产生磁场来处理所述坩埚(12)中的金属溶液。

2.根据权利要求1所述的模拟连铸坯、铸件凝固过程的装置，其特征在于，所述加热装置为激光器(15)或电阻发热体(16)。

3.根据权利要求2所述的模拟连铸坯、铸件凝固过程的装置，其特征在于，所述加热装置为激光器(15)，位于所述试样(11)一侧，利用往复扫描的激光束实现所述试样的加热。

4.根据权利要求3所述的模拟连铸坯、铸件凝固过程的装置，其特征在于，通过控制所述激光器(15)的输出功率、扫描范围及扫描速率，以及控制所述水冷结晶器(10)的冷却水流量，实现所述金属溶液凝固前沿推进速率和液相降温速率的调控。

5.根据权利要求4所述的模拟连铸坯、铸件凝固过程的装置，其特征在于，所述激光器(15)的功率为0.1-6kW，光斑为矩形，光斑扫描速率为1mm/s-100mm/s，并通过所述试样中心的温度反馈调控；所述水冷结晶器(10)内的水流量为0.5L/min-10L/min，并通过试样(11)端部的温度反馈调控；所述激光扫描范围与凝固界面相对应，所述水冷结晶器(10)的冷却水流量对应样品凝固速率所需的冷却强度。

6.根据权利要求2所述的模拟连铸坯、铸件凝固过程的装置，其特征在于，所述加热装置为电阻发热体组(16)，安置于所述炉体(14)内。

7.根据权利要求6所述的模拟连铸坯、铸件凝固过程的装置，其特征在于，所述电阻发热体组(16)的加热功率通过程序控制，根据试样(11)的目标温度、升降温速率来调控不同位置的电阻发热体(16)的加热功率。

8.根据权利要求1-7任一所述的模拟连铸坯、铸件凝固过程的装置，其特征在于，所述磁场线圈(4)为方形螺线管磁场线圈，围绕所述试样(11)与坩埚(12)；或者，所述磁场线圈(4)为圆形饼状磁场线圈，放置于所述试样(11)两端；或者，所述磁场线圈(4)为方形螺线管磁场线圈，放置于所述试样(11)两端；或者，所述磁场线圈(4)为行波线圈，放置于所述试样(11)底部，与试样(11)平行。

9.根据权利要求1-7任一所述的模拟连铸坯、铸件凝固过程的装置，其特征在于，所述水冷结晶器在模拟连铸坯凝固过程时采用纯铜材质，以模拟连铸机的结晶器冷却条件；在模拟铸件凝固时可采用不锈钢、高温合金材质，且与金属液接触的表面可涂覆陶瓷层或砂型材料，以模拟铸型冷却条件。

10.根据权利要求9所述的模拟连铸坯、铸件凝固过程的装置，其特征在于，所述水冷结晶器(10)与试样(11)两头端面接触，水冷结晶器(10)内设置冷却水通道，所述水冷结晶器(10)与循环水冷机相连，用于准确控制水流量的大小，控制所述试样在降温过程中轴向散热的快慢，实现不同冷速下双向水平凝固，通过控制所述结晶器冷却水(10)的流量实现对应样品凝固速率所需的冷却强度，通过试样中热电偶(7)测温数据反馈控制所述加热热装置的输出功率，以实现试样(11)温度梯度及凝固前沿推进速率的调控。

11.根据权利要求1-7任一所述的模拟连铸坯、铸件凝固过程的装置，其特征在于，还包括连接杆(3)，用于连接所述水冷杆(9)以及伺服驱动电机。

12.根据权利要求11所述的模拟连铸坯、铸件凝固过程的装置，其特征在于，在所述炉体(14)外侧设有传动及控制机构，用于在所述试样(11)上施加载荷，所述传动及控制机构的下端安装有加载装置导轨支架，所述传动及控制机构能够在加载装置导轨支架上左右移动，并可在行程中任意位置锁死；所述伺服驱动电机设置于所述炉体(14)内的右炉门旁，通过所述连接杆(3)与所述水冷铜管(9)相连；所述加载装置、所述伺服驱动电机与所述试样(11)同轴。

13.根据权利要求11所述的模拟连铸坯、铸件凝固过程的装置，其特征在于，还包括数据信号采集控制机构，用于将所述热电偶(7)、所述伺服驱动电机、所述加载装置和所述水冷结晶器(10)得到的温度、应力、拉伸速率以及冷却水量转化为数据信号并全程进行采集存储，控制采集到的温度降至200℃以下后停止采集，如果采集未达到要求，即使采集到的温度降至200℃以下后也无需停止采集；所述数据信号控制采集机构的采集频率为1Hz-100Hz。