CN1597189A

CN1597189A - 一种高梯度双区加热定向凝固装置

Info

Publication number: CN1597189A
Application number: CN 200410073039
Authority: CN
Inventors: 李金山; 胡锐; 陈忠伟; 寇宏超; 毕晓勤; 傅恒志
Original assignee: Northwestern Polytechnical University
Current assignee: Northwestern Polytechnical University
Priority date: 2004-08-31
Filing date: 2004-08-31
Publication date: 2005-03-23

Abstract

本发明涉及高梯度双区加热定向凝固装置。为了克服现有技术中存在的温度梯度低，连续抽拉调速范围小和系统庞大的缺陷，本发明的加热系统由两个加热体组成，分别在液固界面处和熔化区域形成两个分别独立控制的加热源；抽拉系统包括机械抽拉运动系统和手动抽拉运动系统，两者之间的转换采用电磁离合方式；结晶器为双层结构，内部安装有镀铬铜冷却水套。由于本发明所采用的技术方案，在对定向凝固设备的改造中，加强了热输入和热输出，从而增加铸件局部的热流密度以实现高温度梯度。使用中，可根据温度梯度、可调速范围和系统的精密程度，利用本发明，采用高频加热方法和合理的冷凝系统，实现高梯度宽抽拉速度的定向凝固，使制备优良材质成为可能。

Description

一种高梯度双区加热定向凝固装置

(一)技术领域：

本发明涉及金属材料凝固加工领域，是一种高梯度双区加热定向凝固装置。

(二)背景技术：

定向凝固是使金属或合金由熔体中定向生长晶体的一种工艺方法，用于制备单晶、柱状晶和自生复合材料。定向凝固技术采用强制一维散热，使凝固过程沿温度梯度方向定向进行，获得定向凝固组织。定向凝固技术经历了发热铸型(EP)法、功率降低(PD)法、高速凝固(HRS)法和液态金属冷却(LMC)法等发展过程。

在理论研究上，为了系统考察合金平面状、胞状和树枝状组织及其性能，要求设备在很大范围内调节结晶生长速度以及固液界面前沿液相中的温度梯度；在生产上，为了获得成分均匀的柱状晶组织，尽量抑制二次分枝的生长，要求有大的凝固速率R和更高的温度梯度G_L作为前提条件，同时还要尽量降低合金元素的烧损。在定向凝固过程中，定向凝固组织的控制对材料的性能有着至关重要的作用，而定向凝固组织与材料成形过程中的温度梯度、抽拉速度有着密切的关系。但是传统的定向凝固设备在试样抽拉的过程中不能始终保持对样品的激冷、形成高的温度梯度，为了保证定向生长，必须限定相当低的抽拉速度，从而导致很低的冷却速率，使得材料内部定向组织粗大、偏析严重，并出现大量横向晶界，严重制约了材料性能的进一步发挥；而且装置的定向凝固系统多采用同步齿合来完成动力的传输和调速，不但系统显得过于庞大，而且连续抽拉调速范围小，限制了金属定向组织的研究范围；同时传统的定向凝固装置多是单区加热，不利于获得高温度梯度，要获得高温度梯度，则整个试样需同时过热，造成合金严重烧损。

(三)发明内容：

为了克服现有定向凝固设备中的温度梯度低，连续抽拉调速范围小和系统过于庞大的缺陷，本发明提出了一种高梯度定向凝固装置。

本发明包括加热系统、冷却系统、真空系统、抽拉系统、控制系统，其特征在于：

1.加热系统采用双区加热结构，该加热结构由两个加热体组成，分别位于液固界面处和熔化区域，并在液固界面处和熔化区域形成两个分别独立控制的加热源，以提高液固界面前沿液相中的温度。

2.抽拉系统设置机械抽拉和手动抽拉两种方式，可分别实现慢速抽拉运动和快速抽拉运动，其中机械抽拉采用交流伺服电机，通过蜗杆涡轮传动系统进行控制。在交流伺服电机传动主轴上安装有电磁离合器，以电磁阀吸合方式控制联轴器的工作连接位置，进而实现机械抽拉方式和手动抽拉方式之间的转换。

3.冷却系统的结晶器为双层结构，内部安装镀铬铜制冷却水套，防止冷却介质与铜套发生反应。

该设备通过对定向凝固设备的改造来加强热输入，同时也强化热输出，从而增加铸件局部的热流密度来实现高温度梯度。在进行设备改造的时候，具体考虑到温度梯度、可调速范围和系统的精密程度，利用高梯度双区加热定向凝固技术，采用高频加热方法和合理的冷凝系统，实现高梯度宽抽拉速度的定向凝固，使制备优良材质成为可能。

(四)说明书附图：

附图1是双区加热高梯度定向凝固装置的结构示意图。

附图2是加热系统简图。

附图3是加热体结构简图。

附图4是结晶器结构简图。

附图5是抽拉系统示意图。

其中：

1-炉体 2-加热系统 3-结晶器 4-冷却液 5-抽拉杆

6-滑座 7-导轨 8-炉体支架 9-真空系统 10-测温热电偶

11-定滑轮 12-托架 13-配重块 14-伺服电机 15-衬套

16-水冷电极 17-炉体底板 18-石墨电极板 19-上加热体 20-下加热体

21-沟槽 22-隔热挡板 23-内腔 24-试样 25-联接头

26-外腔 27-动密封 28-齿轮副 29-限位开关 30-手动手轮

31-上座 32-丝杠 33-底座

(五)具体实施方式：

本实施例包括炉体1、加热系统、冷却系统、真空系统、抽拉系统、控制系统，实施中：

炉体1：包括炉体底板17、测温热电偶10。

炉体1为不锈钢焊接而成，安装在支架8上，其外形为圆筒形，采用双层结构，以便通水冷却，炉门为侧开门，通过螺栓与炉体相联。炉体的顶盖上开有观察孔，孔内安装石英玻璃，并设有防护罩。在炉体下方有两个套有陶瓷管的测温热电偶10，并将该陶瓷管穿入到加热系统2内部。安装在炉体底部有金属水冷电极16，通过螺栓与石墨电极板18和炉体底板17紧固在一起，炉体底板的固定处用密封圈密封。

炉体支架8为一钢制焊件，是整个设备的支撑件。炉体底板17上有一开孔，沿孔的中心轴线，在底板17上方安装加热系统2，在底板17下方安装水冷结晶器3，该连接部位采用动密封27密封。

加热系统：包括上加热体19、下加热体20、水冷电极16和衬套15。

加热系统2通过螺栓固定在炉体底板17上面，固定处用密封圈密封。

为提高液固界面前沿液相中的温度，本实施例采用双区加热方式，即熔化加热及保温系统2由两个加热体组成(附图2)：在液固界面处设置下加热体20，构成下区加热源；在熔化区域设置上加热体19，构成上区加热源，以保持合金液的总体过热温度，减小合金元属的烧损。两个加热系统分别是独立控制。

加热体19、20采用石墨电阻加热，其形状为法兰结构的圆筒，上加热体19通过石墨电极板18与水冷电极16连接，并固定在炉体底板17上；下加热体20直接与水冷电极连接并固定在炉体底板17上。加热体的圆筒壁上开有回转沟槽21，沟槽穿透筒壁，沿筒壁轴向呈“之”字形回转，以增加电流在加热体中的传输长度和传输密度，增加了电阻，从而增强了加热功率。加热体外围有防热辐射能力强而又耐高温的光滑的石墨保温隔热衬套15，起到对加热体进行热屏蔽的作用，辅助形成所需分布特征的温度场，同时减小横向温度梯度G_L。

冷却系统(附图4)：主要由水冷结晶器3组成。

结晶器3是一筒壁为空心的双层结构圆筒：空心筒壁构成了结晶器3的外腔26，圆筒中孔构成了结晶器3的内腔23；在结晶器3的上端覆盖石墨毡隔热挡板22，内腔盛装合金冷却液4，外腔通入循环冷却水，采用传统的低进高出式循环水路。

炉体1、结晶器3、金属电极16和真空系统9均采用循环冷却水强制冷却。冷却水来自于供水水槽，为了安全起见，在供水水槽设有一个限位传感器，当水量不足时，系统发生报警提示，这时总电源可自动关闭。

真空系统：采用现有技术，真空系统9和炉体1相连通，工作时设备的冷炉极限真空度可达6.65×10^-3Pa，热态真空度不低于1×10^-1Pa。

抽拉系统：包括丝杠32、齿轮副28、限位开关29、抽拉杆5、滑座6、伺服电机14、齿轮副28、托架12和直线轴承导轨7。

抽拉系统设置在炉体支架8内部，与炉体连接部位用密封圈密封。

抽拉系统设有机械抽拉和手动抽拉两种运动方式。丝杠32一端通过丝杠副与和伺服电机14连接，另一端通过齿轮副28与手轮30连接：机械抽拉以伺服电机14驱动丝杠32，手动抽拉以手轮30通过齿轮副28带动丝杠32旋转，通过丝杠和丝杠副之间的啮合，将丝杠32的旋转运动转化为直线运动，并带动与之连接的滑座6，使滑座6沿直线轴承导轨7上下运动。

齿轮副28通过托架12固定在炉体支架8上。两根相互平行的直线轴承导轨7与分别位于丝杠32两侧，并与丝杠32平行，该直线轴承导轨的上端固定在上座31上，下端固定在底座33内；托架12和滑座6套装在直线轴承导轨7上，并使滑座6沿直线轴承导轨7上下运动。为了平衡托架12在导轨7上的重力运动，通过安装在炉体支架8上的定滑轮11悬挂平衡配重块13。

抽拉杆5的下端通过螺纹固定在滑座6上，可随滑座6同步上下运动，其上端部的上下运动行程设定为：向上运动时，行程不可越过炉体底板17；向下运动时，行程不可越过水冷结晶器3底部，在滑座6上设置一限位开关29，以控制抽拉杆5的运动行程。试样24的直径与抽拉杆相同，通过位于抽拉杆5的上端部的联接头25固定在抽拉杆5上。

抽拉杆5的中心线与结晶器3型腔的中心线完全重合，以保证抽拉杆5及固定在其上的试样24能够在滑座的带动下6自如地出入结晶器3，实现凝固。

在交流伺服电机传动主轴上安装有电磁离合器，以电磁阀吸合方式控制联轴器的工作连接位置，进而实现机械抽拉方式和手动抽拉方式之间的转换，以满足试样的快速升降和液淬的制备要求。

该系统可实现在一定范围内无极调速，运动平稳可靠，长时间运行无噪音，无爬行蠕动现象。

控制系统：主要实现对真空系统、加热系统、交流伺服调速电机等的动力和逻辑控制，整个系统所涉及到的逻辑都是由可编程序控制。具体有温度控制系统和速度控制系统。

两个加热体的温度控制系统各为独立的两段式加热控制回路，控温主回路采用单相可控硅交流调压方式，将经过二次调压的大电流加到电阻加热体上来加热。加热系统的主回路串有快速熔断器作为可控硅的短路或过载保护。测温系统的控制部分采用ZSC系列温度程序控制仪控温，与热电偶(W-Re325热电偶)配合使用，控制温度按预设曲线变化。

速度控制系统负责控制运动方向和调速。装置的运行逻辑均由可编程序控制器统一管理，所有控制指令均由控制柜来设置，以提高系统的可靠性。

将抽拉机构的电机开关、升降动作按纽、调速、脉冲设定和抽拉速度的数显表均设置在控制柜的面板上。电源(SIT)的开关以及功率、电压、电流和频率显示亦设置在控制柜的面板上。

Claims

1.一种高梯度双区加热定向凝固装置，包括加热系统、冷却系统、真空系统、抽拉系统、控制系统，其特征在于：

a.加热系统包括两个分别独立控制的加热体(19)、(20)，其中上加热体(19)位于在熔化区域，下加热体(20)位于液固界面处。

b.抽拉系统设置机械抽拉和手动抽拉两种方式，其中机械抽拉采用交流伺服电机，通过蜗杆涡轮传动系统进行控制。

c.冷却系统的结晶器(3)为双层结构，内部安装有冷却水套。

2.如权利要求1所述高梯度双区加热定向凝固装置，其特征在于在交流伺服电机传动主轴上安装有电磁离合器。

3.如权利要求1所述高梯度双区加热定向凝固装置，其特征在于上加热体(19)和下加热体(20)的温度控制系统采用各为独立的两段式加热控制回路。

4.如权利要求3所述高梯度双区加热定向凝固装置，其特征在于直线轴承导轨(7)由两根相互平行、分别位于丝杠(31)两侧的导轨组成，并与丝杠(31)平行。