一種金屬凝固過程的模擬方法
【專利摘要】一種金屬凝固過程的模擬方法。本發(fā)明涉及一種模擬金屬凝固組織生長過程的方法。此方法通過控制金屬試樣（4）固液界面推進速率和固液界面溫度梯度來模擬金屬凝固過程中的固相生長速率和固液界面溫度梯度，實現(xiàn)金屬凝固過程的模擬。此方法能夠準(zhǔn)確模擬金屬凝固過程中的傳熱及晶體生長過程。利用溫度梯度可控的分段加熱式電阻爐（2）控制金屬試樣（4）的固液界面溫度梯度，分段加熱式電阻爐（2）的溫度梯度由分段加熱方式實現(xiàn)。金屬試樣（4）的固液界面推進速率由分段加熱式電阻爐（2）移動速率控制。分段加熱式電阻爐（2）的升溫、分段加熱式電阻爐（2）的移動速率或坩堝（3）的移動速率、金屬試樣（4）的原位熔化和爐內(nèi)澆注均由計算機全程控制，消除了人為誤差，使實驗結(jié)果更加精確。
【專利說明】一種金屬凝固過程的模擬方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種研究金屬凝固過程的實驗方法，屬金屬凝固過程實驗研究領(lǐng)域。

【背景技術(shù)】
[0002]連續(xù)鑄鋼在國內(nèi)外冶金工業(yè)中已經(jīng)被廣泛采用，近年來更是在提高鑄鋼效率、節(jié)約能源方面取得了極大的進步。但從目前來看，連鑄尚不能代替模鑄生產(chǎn)，主要原因是模鑄可以滿足大型材生產(chǎn)對致密度大的高要求，而連鑄不能生產(chǎn)，同時，連鑄坯凝固特點決定了容易出現(xiàn)影響性能的中心偏析和縮孔等內(nèi)部缺陷。
[0003]連鑄坯不僅具有高溫、不透明等金屬凝固過程共有的特點，而且由于是大規(guī)模工業(yè)連續(xù)生產(chǎn)，使傾出法、熱分析法、直接觀察法和物理模擬法等目前比較成熟的實驗研究方法都遇到了困難。同時，在實際生產(chǎn)中金屬凝固是一個非平衡耗散過程，因此從理論上研究金屬凝固過程也是很困難的。
[0004]連鑄鋼坯凝固傳熱主要在厚度(徑向)及寬度方向進行，拉坯方向的凝固傳熱可以忽略不計。這種傳熱的方向性造成了鑄坯中絕大部分區(qū)域由側(cè)面向中心“順序凝固”而成。因此，在一維凝固傳熱假設(shè)的前提下，可將連鑄坯的凝固過程視為局域的單向凝固，其凝固行為可以與單向凝固技術(shù)進行近似的研究。因此本發(fā)明對傳統(tǒng)的定向凝固進行了大幅改進，從而實現(xiàn)了對連鑄過程凝固組織生長過程的模擬。
[0005]鑄造與連鑄凝固過程有一定相似性，澆注過程中，金屬液與冷的型壁接觸迅速冷卻，產(chǎn)生激冷層。澆注之后，金屬液在鑄型中凝固，固液界面及其前沿溫度梯度非線性地推進和變化。鑄件中有些區(qū)域也可以視為非穩(wěn)態(tài)的單向凝固過程，因此該方法也適用于一般的金屬凝固過程實驗?zāi)M研究。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于提出一種準(zhǔn)確模擬連鑄及鑄造過程中凝固組織生長過程的方法，能夠準(zhǔn)確模擬連鑄機鑄造過程中傳熱傳質(zhì)過程，再現(xiàn)連鑄及鑄造中金屬晶體生長過程，可用于預(yù)測連鑄坯及鑄件的凝固組織。
[0007]為達到上述目的，本發(fā)明的構(gòu)思是:
實際連鑄坯或鑄件凝固時，晶體生長主要受固液界面的推進速率和固液界面的溫度梯度影響。因此通過溫度梯度可控的單向凝固方法可以實現(xiàn)傳熱方向、晶體生長方向、固液界面的推進速率和固液界面的溫度梯度與實際鑄坯及鑄件一致的實驗?zāi)M。
[0008]根據(jù)上述發(fā)明構(gòu)思，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
將金屬料盛放于坩堝中，坩堝固定于水平支架上，將坩堝置于真空或特定氣氛保護的、溫度梯度可控的電阻爐內(nèi)，加熱熔化試樣。利用電阻爐控制試樣的固液界面溫度梯度，利用電阻爐的水平移動來控制固液界面的推進速率，從而實現(xiàn)金屬凝固組織的實驗?zāi)M。
[0009]A.利用溫度梯度可控的電阻爐控制試樣的固液界面溫度梯度，實現(xiàn)金屬凝固過程的實驗?zāi)M，電阻爐的溫度梯度由分段加熱方式實現(xiàn)。電阻爐采用了兩個或多個加熱區(qū)域，加熱區(qū)之間由環(huán)形隔熱板隔開，通過控制各加熱區(qū)升溫功率實現(xiàn)所需的溫度梯度。所述加熱區(qū)之間的溫度梯度范圍是-lOOK/cnTlOOK/cm。通過熱電偶精確測量電阻爐內(nèi)各區(qū)域溫度，并將信息反饋給控溫儀表及計算機。
[0010]B.試樣的固液界面推進速率由電阻爐移動速率或坩堝移動速率控制，優(yōu)選電阻爐移動。在金屬凝固過程中，施加振動會對凝固組織造成影響，通過電阻爐的移動就排除了坩堝移動可能引起的振動對凝固組織的影響。
[0011]C.利用爐內(nèi)澆注模擬熔體充型過程，即熔體與型壁接觸并降溫的過程。通過坩堝在爐內(nèi)原位翻轉(zhuǎn)實現(xiàn)爐內(nèi)澆注功能。
[0012]D.通過原位液淬可以終止試樣凝固過程，獲得連鑄坯凝固過程中固液界面形貌及溶質(zhì)分布等其他研究手段難以獲得的研究信息。
[0013]E.電阻爐的升溫、電阻爐的移動速率或坩堝移動速率、試樣的原位熔化和爐內(nèi)澆注均由計算機全程控制，極大的節(jié)省了人力，消除了人為誤差，使實驗結(jié)果更加精確。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1為本方法示意圖(不包含控制和氣路部分)。
[0015]圖2為原位液淬示意圖。
[0016]圖1和圖2中各數(shù)字代號表示如下:
1.真空室2.分段加熱式電阻爐3.坩堝4.金屬試樣5.熱電偶6.環(huán)形隔熱板7.水冷桿8.導(dǎo)軌9.液淬槽。

【具體實施方式】
[0017]下面結(jié)合實施例對本發(fā)明進行詳細說明:
實施例一:以碳鋼連鑄坯凝固過程模擬來說明金屬凝固過程實驗?zāi)M方法。
[0018]具體步驟如下:
A.通過數(shù)值模擬或者實際測量，獲取碳鋼連鑄坯固相生長速率和固液界面溫度梯度，將這些數(shù)據(jù)編程輸入伺服驅(qū)動及控溫系統(tǒng)。
[0019]B.用無水乙醇清洗坩堝(3)和金屬試樣(4)并吹干，將金屬試樣(4)盛放于坩堝(3 )內(nèi)，然后將坩堝(3 ) —端固定到水冷桿(7 )上。
[0020]C.驅(qū)動分段加熱式電阻爐(2)右移至坩堝(3)進入到分段加熱式電阻爐(2)加熱區(qū)內(nèi)設(shè)定位置。
[0021]D.利用抽真空系統(tǒng)對真空室(I)進行抽真空，當(dāng)真空度達到lX10_2Pa時，充入高純IS氣或所需氣體(如氮氣)。
[0022]E.將金屬試樣(4)加熱至熔點以上50°C熔化。
[0023]F.降溫到澆注溫度，保溫1min之后，原位翻轉(zhuǎn)澆注。
[0024]G.同時驅(qū)動分段加熱式電阻爐(2)按照預(yù)設(shè)的固相生長速率左移，利用分段加熱式電阻爐(2 )的移動速率來控制固液界面的移動速率。
[0025]H.控制分段加熱式電阻爐(2)各個加熱段的溫度，使坩堝(3)處于設(shè)定的溫度梯度環(huán)境中直至金屬試樣(4)凝固完畢。
[0026]1.實驗完成后，待分段加熱式電阻爐(2)溫降到室溫時，對真空室(I)進行放氣，分段加熱式電阻爐(2)歸原點，取出金屬試樣(4)。
[0027]實施例二:本實施例與實施例一基本相同，所不同的是:以雙向不銹鋼連鑄坯凝固過程模擬實驗中液淬來說明金屬凝固過程實驗?zāi)M方法。
[0028]A.通過數(shù)值模擬或者實際測量，獲取雙相不銹鋼連鑄坯固相生長速率和固液界面溫度梯度，將這些數(shù)據(jù)編程輸入伺服驅(qū)動及控溫系統(tǒng)。
[0029]B.用無水乙醇清洗坩堝(3)和雙相不銹鋼金屬試樣(4)并吹干，將金屬試樣(4)盛放于坩堝(3)內(nèi)，然后將坩堝(3)—端固定到水冷桿(7)上。
[0030]C.驅(qū)動分段加熱式電阻爐(2)右移至坩堝(3)進入到分段加熱式電阻爐(2)加熱區(qū)內(nèi)設(shè)定位置。
[0031]D.利用抽真空系統(tǒng)對真空室(I)進行抽真空，當(dāng)真空度達到IX KT2Pa時，充入高純IS氣或所需氣體(如氮氣)。
[0032]E.將金屬試樣(4)加熱至熔點以上50°C熔化。
[0033]F.降溫到澆注溫度，保溫1min之后，原位翻轉(zhuǎn)澆注。
[0034]G.同時驅(qū)動分段加熱式電阻爐(2)按照預(yù)設(shè)的固相生長速率左移，利用分段加熱式電阻爐(2 )的移動速率來控制固液界面的移動速率。
[0035]H.控制分段加熱式電阻爐(2)各個加熱段的溫度，使坩堝(3)處于設(shè)定的溫度梯度環(huán)境中。
[0036]1.在原位翻轉(zhuǎn)澆注之后設(shè)定時刻，如30s，分段加熱式電阻爐(2)快速左移至最左端，移動速率為0.5m/s。
[0037]J.液淬槽(9)以0.5m/s的速度上升，使金屬試樣(4)浸沒于液淬槽(9)內(nèi)的冷卻液中，實現(xiàn)淬火。
[0038]K.實驗完成后，待分段加熱式電阻爐(2)溫降到室溫時，對真空室(I)進行放氣，分段加熱式電阻爐(2)歸原點，取出金屬試樣(4)。淬火的金屬試樣(4)可以用于檢測固液界面形貌、元素分布狀態(tài)等信息。
[0039]實施例三:本實施例與實施例一基本相同，所不同的是:以金屬型鑄造Al-Cu合金凝固過程模擬來說明金屬凝固過程實驗?zāi)M方法。
[0040]A.通過數(shù)值模擬或者實際測量，獲取金屬型鑄造Al-Cu合金固相生長速率和固液界面溫度梯度，將這些數(shù)據(jù)編程輸入伺服驅(qū)動及控溫系統(tǒng)。
[0041]B.用無水乙醇清洗坩堝(3)和Al-Cu合金金屬試樣(4)并吹干，將金屬試樣(4)盛放于坩堝(3)內(nèi)，然后將坩堝(3)—端固定到水冷桿(7)上。
[0042]C.驅(qū)動分段加熱式電阻爐(2)右移至坩堝(3)進入到分段加熱式電阻爐(2)加熱區(qū)內(nèi)設(shè)定位置。
[0043]D.利用抽真空系統(tǒng)對真空室(I)進行抽真空，當(dāng)真空度達到lX10_2Pa時，充入高純IS氣或所需氣體(如氮氣)。
[0044]E.將金屬試樣(4)加熱至熔點以上50°C熔化。
[0045]F.降溫到澆注溫度，保溫1min之后，原位翻轉(zhuǎn)澆注。
[0046]G.同時驅(qū)動分段加熱式電阻爐(2)按照預(yù)設(shè)的固相生長速率左移，利用分段加熱式電阻爐(2 )的移動速率來控制固液界面的移動速率。
[0047]H.分別控制分段加熱式電阻爐(2)各個加熱段的溫度，使坩堝(3)處于設(shè)定的溫度梯度環(huán)境中直至金屬試樣(4)凝固完畢。
[0048]1.實驗完成后，待分段加熱式電阻爐(2)溫降到室溫時，對真空室(I)進行放氣，分段加熱式電阻爐(2)歸原點，取出金屬試樣(4)。
【權(quán)利要求】
1.一種金屬凝固過程的模擬方法，其特征在于: 將金屬試樣(4)裝在坩堝(3)中，坩堝(3)—端由水冷桿(7)支撐，置于分段加熱式電阻爐(2 )內(nèi)，加熱熔化試樣； 通過控制金屬試樣(4)固液界面推進速率和固液界面溫度梯度來模擬金屬凝固過程中的固相生長速率和固液界面溫度梯度，實現(xiàn)金屬凝固過程的模擬。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，利用溫度梯度可控的分段加熱式電阻爐(2)控制金屬試樣(4)的固液界面溫度梯度，并控制金屬試樣(4)固液界面推進速率，實現(xiàn)金屬凝固過程的模擬。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，用于實驗的金屬試樣(4)優(yōu)選水平放置，相應(yīng)的，分段加熱式電阻爐(2)也水平放置。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，可以在模擬實驗進行過程中的任意時刻將金屬試樣(4)進行原位淬火，終止金屬試樣(4)的凝固過程，觀察固液界面形貌和檢測溶質(zhì)分布狀態(tài)。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，分段加熱式電阻爐(2)的溫度梯度由分段加熱方式實現(xiàn)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，分段加熱式電阻爐(2)的加熱區(qū)之間由環(huán)形隔熱板(6)隔開，以實現(xiàn)加熱區(qū)之間的溫度梯度；控溫所需的溫度信號采用布置在環(huán)形隔熱板(6)兩側(cè)的熱電偶(5)實現(xiàn)。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，金屬試樣(4)的固液界面推進速率由分段加熱式電阻爐(2)移動速率或坩堝(3)的移動速率控制；將金屬試樣(4)液淬時，優(yōu)選液淬槽(9)上升。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，優(yōu)選分段加熱式電阻爐(2)移動和液淬槽(9)移動；優(yōu)選方案使得金屬試樣(4)在淬火過程中不發(fā)生移動，避免對金屬試樣(4)的固液界面狀態(tài)發(fā)生擾動。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述加熱區(qū)之間的溫度梯度范圍是-100K/cm?100 K/cmο
10.根據(jù)權(quán)利要求1至權(quán)利要求9中任一項所述的方法，其特征在于，連鑄中金屬熔體接觸結(jié)晶器過程的模擬是通過爐內(nèi)澆注，使金屬試樣(4)的熔體與坩堝(3)的強制冷卻的一側(cè)壁接觸。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，所述強制冷卻優(yōu)選方案為噴水冷卻。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，坩堝(3)的強制冷卻的一側(cè)壁的優(yōu)選材料為純銅。
13.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，所述爐內(nèi)澆注是通過將坩堝原位翻轉(zhuǎn)實現(xiàn)。
14.根據(jù)權(quán)利要求1至權(quán)利要求9中任一項所述的方法，其特征在于，模鑄中金屬熔體接觸型壁過程的模擬通過爐內(nèi)澆注,使金屬試樣(4)的熔體與坩堝(3)的一側(cè)壁接觸。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，坩堝(3)的一側(cè)壁的優(yōu)選材料為鋼錠模所用材料。
16.根據(jù)權(quán)利要求1至權(quán)利要求9中任一項所述的方法，其特征在于，分段加熱式電阻爐(2 )移動速率、坩堝(3 )移動速率、金屬試樣(4 )的原位熔化、爐內(nèi)澆注和液淬由計算機全程控制。
【文檔編號】B22D11/16GK104226952SQ201410458909
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2014年9月11日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月2日
【發(fā)明者】仲紅剛, 張 成, 葉經(jīng)政, 吳聰森, 孫俊杰, 翟啟杰 申請人:上海大學(xué)