CN204122734U - 一种脉冲电流细化金属凝固组织的装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种脉冲电流细化金属凝固组织的装置，属于金属材料加工技术领域。主要包括熔炼装置、脉冲电流发生装置和保温及凝固装置；通过熔炼装置熔炼出金属熔体，控制合适的浇注温度，将金属熔体经浇道注入保温及凝固装置，在其凝固过程中利用脉冲电流发生装置施加一定参数的脉冲电流，使金属凝固组织得到细化；在细化过程中可通过保温、加热或通入冷却水等手段来控制金属熔体的冷却速度，促进组织同时凝固，以优化细化工艺；本装置集合金的熔炼、浇注、凝固及脉冲电流细化处理为一体，整个过程一次性完成，工序简单，可重复性强；对金属凝固组织的细化具有良好效果，同时提高了处理熔体的质量和处理过程的可控性。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种脉冲电流细化金属凝固组织的装置，属于金属材料加工技术领域。
背景技术
在材料科学技术领域，金属凝固组织的细化是提高金属材料性能和扩大用途的重要途径之一。随着现代科学技术的发展，人们对材料性能的要求不断提高，金属凝固组织的细化或改良有利于提高材料的力学性能。随着凝固技术的不断发展，许多新兴的凝固组织细化工艺应运而生，其中脉冲电流（Electric Current Pulse，ECP）对金属凝固组织的影响十分显著，细化效果明显，清洁有效，成本低廉，成为当前研究的热点。
众所周知，在不改变合金成分的条件下，通过适当的材料变形处理或热处理工艺，可以使金属材料的组织发生明显的细化，从而达到改善其性能的目的。自上世纪60年代前苏联科学家O.A.Troitskii发现电致塑性效应以来，脉冲电流处理作为一种特殊的材料细化处理方法受到广泛关注。脉冲电流细化金属凝固组织的作用机理主要有以下几个方面：起伏效应、趋肤效应、电迁移效应、Joule效应、Peltier效应等。
目前的脉冲电流处理方法主要有两种，一种是将金属熔体浇注到铸型中，直接在铸型中对金属熔体施加脉冲电流，达到细化凝固组织的目的。此种方法操作简单，工序简洁，应用较普遍。但金属熔体在铸型中冷却速度较快，冷却过程不易控制，因此限制了脉冲电流的细化效果。另一种方法是将金属试样重熔，通过在炉子中加热将试样重熔，在炉子中控制金属熔体冷却速度，在冷却过程中施加脉冲电流。但此种方法对试样进行二次重熔，势必会对合金的成分产生影响，且在重熔过程中试样容易被氧化，使获得的材料质量降低。另外，重熔工序的增加也不便于工业应用。因此，需要开发出一种适用于脉冲电流处理的专业凝固设备，使合金的熔炼、浇注、凝固、脉冲电流细化处理一次完成，简化脉冲电流处理工艺并增强脉冲电流处理效果。同时可以提高处理熔体的质量和处理过程的可控性。
发明内容
为解决现有脉冲电流细化金属凝固组织过程中的不利问题，简化脉冲电流处理工序，增强脉冲电流处理效果并优化脉冲电流处理工艺，同时提高处理熔体的质量和处理过程的可控性。本实用新型旨在提供一种脉冲电流细化金属凝固组织装置，该装置包括熔炉1、加热线圈Ⅰ2、热电偶Ⅰ3、支架Ⅰ5、浇道6、保温炉7、加热线圈Ⅱ8、支架Ⅱ9、结晶器12、高压脉冲电源13、补偿导线14、隔热石棉15、电极16、热电偶Ⅱ17，支架Ⅰ5与支架Ⅱ9相连，用于支撑整个装置；熔炉1位于支架Ⅰ5上，熔炉1的侧壁上设有热线圈2，热电偶Ⅰ3悬挂于熔炉1的顶部伸入熔炉1内部；保温炉7位于支架Ⅱ9上，保温炉7的侧壁上设有加热线圈Ⅱ8，保温炉7的顶部覆盖有隔热石棉15；结晶器12置于保温炉7内，浇道6穿过隔热石棉15对准结晶器12；电极16和热电偶Ⅱ17穿过隔热石棉15伸入结晶器12内部；高压脉冲电源13通过补偿导线14和电极16相连，熔炉1置于支架Ⅰ5上可倾斜。
本实用新型所述结晶器12中空，结晶器12的侧壁下端设有结晶器冷却水出口10、结晶器冷却水入口11，可通过保温、加热或通入冷却水等手段控制金属熔体冷却速度。
本实用新型所述电极16和热电偶Ⅱ17穿过隔热石棉15伸入结晶器12，可上下移动；并且可通过保温炉7的加热线圈Ⅱ8对对结晶器12、电极16及热电偶Ⅱ17进行预热。
本实用新型所述高压脉冲电源13波形为多组锯齿状脉冲波，电压为0～1600V，频率为0～50Hz，脉宽为10～100μs。
本实用新型所述装置的使用过程：在熔炉1中利用加热线圈Ⅰ2加热，熔炼出金属熔体4，用热电偶Ⅰ3测量金属熔体4的温度，控制合适的浇注温度；达到浇注温度要求后，将支架Ⅰ5倾斜，使金属熔体4沿浇道6注入结晶器12；浇注开始前，先利用保温炉7的加热线圈Ⅱ8对结晶器12、电极16及热电偶Ⅱ17进行预热，使热电偶Ⅱ17所测温度与热电偶Ⅰ3所测温度同步；待金属熔体4浇注入结晶器12后，根据热电偶Ⅱ17所测的温度，调整加热线圈Ⅱ8的功率来进行保温；在冷却过程中，通过调整加热线圈Ⅱ8的功率或调整向结晶器冷却水入口11通入冷却水的速率来控制金属熔体4的冷却速度；同时，将电极16和热电偶Ⅱ17伸入到金属熔体4中，打开高压脉冲电源13，对金属熔体4施加一定参数的脉冲电流；脉冲电流处理结束后，将电极16及热电偶Ⅱ17向上移动撤出金属熔体4。在整个处理过程中，通过调整高压脉冲电源13的参数、脉冲电流处理时间、加热线圈Ⅱ8的功率以及向结晶器冷却水入口11通入冷却水的速率，以得到晶粒细小、组织均匀的金属凝固组织。
本实用新型的有益效果：
（1）本实用新型所述装置可有效控制金属熔体的冷却速度，在一定的冷却速度下施加脉冲电流，促进组织同时凝固，细化晶粒，提高材料性能；
（2）本实用新型所述装置可适用于不同合金的凝固组织的细化，应用广泛；
（3）本实用新型所述装置集合金的熔炼、浇注、凝固及脉冲电流细化处理为一体，整个过程一次性完成，工序简单，可重复性强，优化了脉冲电流处理工艺；
（4）本实用新型所述装置对金属凝固组织的细化具有良好效果，同时提高了处理熔体的质量和处理过程的可控性。
附图说明
图1是本实用新型所述装置的结构示意图；
图2是细化处理前的金相组织图；
图3是本实用新型实施例1细化处理后的金相组织图；
图4是本实用新型实施例2细化处理后的金相组织图；
图5是本实用新型实施例3细化处理后的金相组织图。
图中：1-熔炉，2-加热线圈Ⅰ，3-热电偶Ⅰ，4-金属熔体，5-支架Ⅰ，6-浇道，7-保温炉，8-加热线圈Ⅱ，9-支架Ⅱ，10-结晶器冷却水出口，11-结晶器冷却水入口，12-结晶器，13-高压脉冲电源，14-补偿导线，15-隔热石棉，16-电极，17-热电偶Ⅱ。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细说明，但本实用新型的保护范围并不限于所述内容。
实施例1
本实施例所述脉冲电流细化金属凝固组织的装置，该装置包括熔炉1、加热线圈Ⅰ2、热电偶Ⅰ3、支架Ⅰ5、浇道6、保温炉7、加热线圈Ⅱ8、支架Ⅱ9、结晶器12、高压脉冲电源13、补偿导线14、隔热石棉15、电极16、热电偶Ⅱ17，支架Ⅰ5与支架Ⅱ9相连，用于支撑整个装置；熔炉1位于支架Ⅰ5上可倾斜，熔炉1的侧壁上设有热线圈2，热电偶Ⅰ3悬挂于熔炉1的顶部伸入熔炉1内部；保温炉7位于支架Ⅱ9上，保温炉7的侧壁上设有加热线圈Ⅱ8，保温炉7的顶部覆盖有隔热石棉15；结晶器12置于保温炉7内，浇道6穿过隔热石棉15对准结晶器12；电极16和热电偶Ⅱ17穿过隔热石棉15伸入结晶器12内部；高压脉冲电源13通过补偿导线14和电极16相连，如图1所示。
本实施例所述结晶器12中空，结晶器12的侧壁下端设有结晶器冷却水出口10、结晶器冷却水入口11，可通过保温、加热或通入冷却水等手段控制金属熔体冷却速度。
本实施例所述高压脉冲电源13波形为多组锯齿状脉冲波，电压为500V，频率为45Hz，脉宽为10μs。
下面以脉冲电流细化过共晶高铬铸铁（液相线温度1337℃，固相线温度1276℃）凝固组织为例，并结合附图对本实用新型所述装置的使用过程作进一步描述：
如图1所示，在熔炉1中利用加热线圈Ⅰ2加热，熔炼出过共晶高铬铸铁熔体，用热电偶Ⅰ3测量过共晶高铬铸铁熔体的温度，控制浇注温度1400℃；将支架Ⅰ5倾斜，使过共晶高铬铸铁熔体沿浇道6注入结晶器12；浇注开始前，先利用保温炉7的加热线圈Ⅱ8对结晶器12、电极16及热电偶Ⅱ17进行预热，使热电偶Ⅱ17所测温度与热电偶Ⅰ3所测温度同步；待过共晶高铬铸铁熔体浇注入结晶器12后，根据热电偶Ⅱ17所测的温度，调整加热线圈Ⅱ8功率，保温3min；然后关闭加热线圈Ⅱ8，在冷却过程中，将电极16和热电偶Ⅱ17伸入到过共晶高铬铸铁熔体中，打开高压脉冲电源13，对过共晶高铬铸铁熔体施加脉冲电流，脉冲电流处理时间6.5min；脉冲电流处理结束后，将电极16及热电偶Ⅱ17向上移动撤出过共晶高铬铸铁熔体，随炉冷却至室温。
本实施例得到的过共晶高铬铸铁凝固组织如图3所示，与处理前组织（如图2所示）对比，处理后的凝固组织晶粒细小、组织均匀。
实施例2
本实施例所述脉冲电流细化金属凝固组织的装置，该装置包括熔炉1、加热线圈Ⅰ2、热电偶Ⅰ3、支架Ⅰ5、浇道6、保温炉7、加热线圈Ⅱ8、支架Ⅱ9、结晶器12、高压脉冲电源13、补偿导线14、隔热石棉15、电极16、热电偶Ⅱ17，支架Ⅰ5与支架Ⅱ9相连，用于支撑整个装置；熔炉1位于支架Ⅰ5上可倾斜，熔炉1的侧壁上设有热线圈2，热电偶Ⅰ3悬挂于熔炉1的顶部伸入熔炉1内部；保温炉7位于支架Ⅱ9上，保温炉7的侧壁上设有加热线圈Ⅱ8，保温炉7的顶部覆盖有隔热石棉15；结晶器12置于保温炉7内，浇道6穿过隔热石棉15对准结晶器12；电极16和热电偶Ⅱ17穿过隔热石棉15伸入结晶器12内部；高压脉冲电源13通过补偿导线14和电极16相连，如图1所示。
本实施例所述结晶器12中空，结晶器12的侧壁下端设有结晶器冷却水出口10、结晶器冷却水入口11，可通过保温、加热或通入冷却水等手段控制金属熔体冷却速度。
本实施例所述电极16和热电偶Ⅱ17穿过隔热石棉15伸入结晶器12，可上下移动；并且可通过保温炉7的加热线圈Ⅱ8对对结晶器12、电极16及热电偶Ⅱ17进行预热。
本实施例所述高压脉冲电源13波形为多组锯齿状脉冲波，电压为1000V，频率为45Hz，脉宽为100μs。
下面以脉冲电流细化过共晶高铬铸铁（液相线温度1337℃，固相线温度1276℃）凝固组织为例，并结合附图对本实用新型所述装置的使用过程作进一步描述。
如图1所示，在熔炉1中利用加热线圈Ⅰ2加热，熔炼出过共晶高铬铸铁熔体，用热电偶Ⅰ3测量过共晶高铬铸铁熔体的温度，控制浇注温度1400℃；将过共晶高铬铸铁熔体沿浇道6注入结晶器12；浇注开始前，先利用保温炉7的加热线圈Ⅱ8对结晶器12、电极16及热电偶Ⅱ17进行预热，使热电偶Ⅱ17所测温度与热电偶Ⅰ3所测温度同步；待过共晶高铬铸铁熔体浇注入结晶器12后，根据热电偶Ⅱ17所测的温度，调整加热线圈Ⅱ8功率，保温3min；然后关闭加热线圈Ⅱ8，在冷却过程中，将电极16和热电偶Ⅱ17伸入到过共晶高铬铸铁熔体中，打开高压脉冲电源13，对过共晶高铬铸铁熔体施加脉冲电流，脉冲电流处理时间3min；脉冲电流处理结束后，将电极16及热电偶Ⅱ17向上移动撤出过共晶高铬铸铁熔体，随炉冷却至室温。
本实施例得到的过共晶高铬铸铁凝固组织如图4所示，与处理前组织（如图2所示）对比，处理后的凝固组织晶粒细小、组织均匀。
实施例3
本实施例所述脉冲电流细化金属凝固组织的装置，该装置包括熔炉1、加热线圈Ⅰ2、热电偶Ⅰ3、支架Ⅰ5、浇道6、保温炉7、加热线圈Ⅱ8、支架Ⅱ9、结晶器12、高压脉冲电源13、补偿导线14、隔热石棉15、电极16、热电偶Ⅱ17，支架Ⅰ5与支架Ⅱ9相连，用于支撑整个装置；熔炉1位于支架Ⅰ5上可倾斜，熔炉1的侧壁上设有热线圈2，热电偶Ⅰ3悬挂于熔炉1的顶部伸入熔炉1内部；保温炉7位于支架Ⅱ9上，保温炉7的侧壁上设有加热线圈Ⅱ8，保温炉7的顶部覆盖有隔热石棉15；结晶器12置于保温炉7内，浇道6穿过隔热石棉15对准结晶器12；电极16和热电偶Ⅱ17穿过隔热石棉15伸入结晶器12内部；高压脉冲电源13通过补偿导线14和电极16相连，如图1所示。
本实施例所述结晶器12中空，结晶器12的侧壁下端设有结晶器冷却水出口10、结晶器冷却水入口11，可通过保温、加热或通入冷却水等手段控制金属熔体冷却速度。
本实施例所述高压脉冲电源13波形为多组锯齿状脉冲波，电压为1200V，频率为45Hz，脉宽为10μs。
下面以脉冲电流细化过共晶高铬铸铁（液相线温度1337℃，固相线温度1276℃）凝固组织为例，并结合附图对本实用新型所述装置的使用过程作进一步描述：
如图1所示，在熔炉1中利用加热线圈Ⅰ2加热，熔炼出过共晶高铬铸铁熔体，用热电偶Ⅰ3测量过共晶高铬铸铁的温度，控制浇注温度1400℃；将支架Ⅰ5倾斜，使过共晶高铬铸铁熔体沿浇道6注入结晶器12；浇注开始前，先利用保温炉7的加热线圈Ⅱ8对结晶器12、电极16及热电偶Ⅱ17进行预热，使热电偶Ⅱ17所测温度与热电偶Ⅰ3所测温度同步；待过共晶高铬铸铁熔体浇注入结晶器12后，根据热电偶Ⅱ17所测的温度，调整加热线圈Ⅱ8功率，保温3min；然后关闭加热线圈Ⅱ8，在冷却过程中，将电极16和热电偶Ⅱ17伸入到过共晶高铬铸铁熔体中，打开高压脉冲电源13，对过共晶高铬铸铁熔体施加脉冲电流，脉冲电流处理时间14min；脉冲电流处理结束后，将电极16及热电偶Ⅱ17向上移动撤出过共晶高铬铸铁熔体，同时向结晶器冷却水入口11通入冷却水，冷却至室温。
本实施例得到的过共晶高铬铸铁凝固组织如图5所示，与处理前组织（如图2所示）对比，处理后的凝固组织晶粒细小、组织均匀。
实施例4
本实施例所述脉冲电流细化金属凝固组织的装置，该装置包括熔炉1、加热线圈Ⅰ2、热电偶Ⅰ3、支架Ⅰ5、浇道6、保温炉7、加热线圈Ⅱ8、支架Ⅱ9、结晶器12、高压脉冲电源13、补偿导线14、隔热石棉15、电极16、热电偶Ⅱ17，支架Ⅰ5与支架Ⅱ9相连，用于支撑整个装置；熔炉1位于支架Ⅰ5上可倾斜，熔炉1的侧壁上设有热线圈2，热电偶Ⅰ3悬挂于熔炉1的顶部伸入熔炉1内部；保温炉7位于支架Ⅱ9上，保温炉7的侧壁上设有加热线圈Ⅱ8，保温炉7的顶部覆盖有隔热石棉15；结晶器12置于保温炉7内，浇道6穿过隔热石棉15对准结晶器12；电极16和热电偶Ⅱ17穿过隔热石棉15伸入结晶器12内部；高压脉冲电源13通过补偿导线14和电极16相连，如图1所示。
本实施例所述结晶器12中空，结晶器12的侧壁下端设有结晶器冷却水出口10、结晶器冷却水入口11，可通过保温、加热或通入冷却水等手段控制金属熔体冷却速度。
本实施例所述高压脉冲电源13波形为多组锯齿状脉冲波，电压为1200V，频率为30Hz，脉宽为30μs。
下面以脉冲电流细化Al-25%Si合金（液相线温度778℃，固相线温度577℃）凝固组织为例，并结合附图对本实用新型所述装置的使用过程作进一步描述：
如图1所示，在熔炉1中利用加热线圈Ⅰ2加热，熔炼出Al-25%Si合金熔体，用热电偶Ⅰ3测量Al-25%Si合金熔体的温度，控制浇注温度790℃；将支架Ⅰ5倾斜，使Al-25%Si合金熔体沿浇道6注入结晶器12；浇注开始前，先利用保温炉7的加热线圈Ⅱ8对结晶器12、电极16及热电偶Ⅱ17进行预热，使热电偶Ⅱ17所测温度与热电偶Ⅰ3所测温度同步；待Al-25%Si合金熔体浇注入结晶器12后，根据热电偶Ⅱ17所测的温度，调整加热线圈Ⅱ8功率，保温2h；然后调整加热线圈Ⅱ8功率，控制Al-25%Si合金冷却速度，在冷却过程中，将电极16和热电偶Ⅱ17伸入到Al-25%Si合金熔体中，打开高压脉冲电源13，对Al-25%Si合金熔体施加脉冲电流，脉冲电流处理时间3min；脉冲电流处理结束后，将电极16及热电偶Ⅱ17向上移动撤出Al-25%Si合金熔体，同时向结晶器冷却水入口11通入冷却水，冷却至室温。
实施例5
本实施例所述脉冲电流细化金属凝固组织的装置，该装置包括熔炉1、加热线圈Ⅰ2、热电偶Ⅰ3、支架Ⅰ5、浇道6、保温炉7、加热线圈Ⅱ8、支架Ⅱ9、结晶器12、高压脉冲电源13、补偿导线14、隔热石棉15、电极16、热电偶Ⅱ17，支架Ⅰ5与支架Ⅱ9相连，用于支撑整个装置；熔炉1位于支架Ⅰ5上可倾斜，熔炉1的侧壁上设有热线圈2，热电偶Ⅰ3悬挂于熔炉1的顶部伸入熔炉1内部；保温炉7位于支架Ⅱ9上，保温炉7的侧壁上设有加热线圈Ⅱ8，保温炉7的顶部覆盖有隔热石棉15；结晶器12置于保温炉7内，浇道6穿过隔热石棉15对准结晶器12；电极16和热电偶Ⅱ17穿过隔热石棉15伸入结晶器12内部；高压脉冲电源13通过补偿导线14和电极16相连，如图1所示。
本实施例所述结晶器12中空，结晶器12的侧壁下端设有结晶器冷却水出口10、结晶器冷却水入口11，可通过保温、加热或通入冷却水等手段控制金属熔体冷却速度。
本实施例所述高压脉冲电源13波形为多组锯齿状脉冲波，电压为1400V，频率为30Hz，脉宽为50μs。
下面以脉冲电流细化Cu-10%Sn合金（液相线温度1021℃，固相线温度830℃）凝固组织为例，并结合附图对本实用新型所述装置的使用过程作进一步描述：
如图1所示，在熔炉1中利用加热线圈Ⅰ2加热，熔炼出Cu-10%Sn合金熔体，用热电偶Ⅰ3测量Cu-10%Sn合金熔体的温度，控制浇注温度1180℃；将支架Ⅰ5倾斜，使Cu-10%Sn合金熔体沿浇道6注入结晶器12；浇注开始前，先利用保温炉7的加热线圈Ⅱ8对结晶器12、电极16及热电偶Ⅱ17进行预热，使热电偶Ⅱ17所测温度与热电偶Ⅰ3所测温度同步；待Cu-10%Sn合金熔体浇注入结晶器12后，根据热电偶Ⅱ17所测的温度，调整加热线圈Ⅱ8功率，保温30min；然后调整加热线圈Ⅱ8功率控制Cu-10%Sn合金熔体冷却速度，在冷却过程中，将电极16和热电偶Ⅱ17伸入到Cu-10%Sn合金熔体中，打开高压脉冲电源13，对Cu-10%Sn合金熔体施加脉冲电流，脉冲电流处理时间3min；脉冲电流处理结束后，将电极16及热电偶Ⅱ17向上移动撤出Cu-10%Sn合金熔体，同时向结晶器冷却水入口11通入冷却水，冷却至室温。
Claims (5)
1.一种脉冲电流细化金属凝固组织的装置，其特征在于：该装置包括熔炉（1）、加热线圈Ⅰ（2）、热电偶Ⅰ（3）、支架Ⅰ（5）、浇道（6）、保温炉（7）、加热线圈Ⅱ（8）、支架Ⅱ（9）、结晶器（12）、高压脉冲电源（13）、补偿导线（14）、隔热石棉（15）、电极（16）、热电偶Ⅱ（17），支架Ⅰ（5）与支架Ⅱ（9）相连，用于支撑整个装置；熔炉（1）位于支架Ⅰ（5）上，熔炉（1）的侧壁上设有热线圈（2），热电偶Ⅰ（3）悬挂于熔炉（1）的顶部伸入熔炉（1）内部；保温炉（7）位于支架Ⅱ（9）上，保温炉（7）的侧壁上设有加热线圈Ⅱ（8），保温炉（7）的顶部覆盖有隔热石棉（15）；结晶器（12）置于保温炉（7）内，浇道（6）穿过隔热石棉（15）对准结晶器（12）；电极（16）和热电偶Ⅱ（17）穿过隔热石棉（15）伸入结晶器（12）内部；高压脉冲电源（13）通过补偿导线（14）和电极（16）相连。
2.根据权利要求1所述脉冲电流细化金属凝固组织的装置，其特征在于：
熔炉（1）置于支架Ⅰ（5）上可倾斜。
3.根据权利要求1所述脉冲电流细化金属凝固组织的装置，其特征在于：所述结晶器（12）中空，结晶器（12）的侧壁下端设有结晶器冷却水出口（10）、结晶器冷却水入口（11）。
4.根据权利要求1所述脉冲电流细化金属凝固组织的装置，其特征在于：所述电极（16）和热电偶Ⅱ（17）穿过隔热石棉（15）伸入结晶器（12），可上下移动。
5.根据权利要求1所述脉冲电流细化金属凝固组织的装置，其特征在于：所述高压脉冲电源（13）波形为多组锯齿状脉冲波。
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|---|---|---|---|
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|---|---|---|---|---|
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| CN105627746A (zh) * | 2016-02-25 | 2016-06-01 | 广德因达电炉成套设备有限公司 | 一种工业熔炼电炉 |
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2014
- 2014-08-14 CN CN201420456447.5U patent/CN204122734U/zh not_active Expired - Fee Related
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