模擬大鑄錠緩冷條件下凝固組織生長的方法和熔鑄實驗裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種金屬凝固方法和實驗裝置，特別是涉及一種模擬大鑄錠凝固組織生長方法和實驗裝置，應(yīng)用于金屬凝固組織生長過程熱模擬技術(shù)領(lǐng)域和大型鑄錠的凝固技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著我國電力工業(yè)，核工業(yè)和石油化工的飛速發(fā)展，對大型鑄鍛件的需求量越來越大，同時也對大型鑄鍛件的品質(zhì)要求越來越高。大型鑄錠由于體積大，散熱過程慢，凝固過程要持續(xù)數(shù)天，鑄錠不同部位的冷卻速率差別最大達100倍以上，因此凝固組織粗大、晶粒大小及成分分布不均勻、縮孔縮松等問題十分嚴重。不僅影響最終產(chǎn)品的性能，也常造成鍛造開裂，熱處理不能均勻等后續(xù)難題。強化形核以產(chǎn)生更多的結(jié)晶核心、并促進晶粒增殖是減少這些缺陷的根本措施。發(fā)展基于內(nèi)部產(chǎn)生、外場強化增殖的均質(zhì)化凝固控制方法，是獲得良好的凝固組織的關(guān)鍵。
[0003]目前對大型鑄錠凝固過程的研宄，主要采用下列幾種途徑:一是采用數(shù)值仿真的方法，模擬大鑄錠在凝固過程中的流場、溫度場及溶質(zhì)場的變化過程，以此為依據(jù)調(diào)整鑄型的形狀、澆注溫度、澆注方式等參數(shù)，優(yōu)化工藝；二是直接解剖大型或超大型的鑄錠。通過觀察鑄錠的低倍組織，結(jié)合鑄錠內(nèi)部C、S等元素的分布規(guī)律，以及縮孔、縮松及夾雜物的分布及形成規(guī)律等，研宄影響大鑄錠凝固過程的主要因素，如溫度梯度，自然對流等。但是解剖鑄錠的成本高，研宄周期長，而且大型鑄錠的凝固過程個體差異大，單個鑄錠的規(guī)律具有一定的局限性；三是應(yīng)用數(shù)值模擬的方法模擬緩冷條件下晶粒的形核與生長過程，通過比較不同參數(shù)，不同模型對模擬結(jié)果的影響，找到與真實情況較符合的模型。
[0004]金屬的凝固過程中形成的晶粒大小、枝晶的組織形貌、溶質(zhì)偏析等凝固組織與鑄錠中溫度梯度、冷卻速率以及熔體的流動等因素有關(guān)。相對小鑄錠，大型鑄錠凝固過程中存在溫度不均勻、冷卻速率慢、熔體對流強等特點。目前已有的實驗方法及設(shè)備不能重現(xiàn)大鑄錠內(nèi)部的凝固條件，因此，對大鑄錠凝固組織的模擬存在一定的難度。
[0005]上海大學(xué)的《脈沖磁致液面振蕩細化金屬凝固組織的方法》，專利公開號:CN201010167538，2010.12.22。該技術(shù)操作方便，對鑄錠的凝固組織細化效果顯著，作用方式為將多層線圈作用于金屬熔體的上表面，為非接觸式熔體處理，可以避免鑄型對磁場的屏蔽作用。因此，脈沖磁致液面振蕩細化技術(shù)十分適合于模鑄工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用。但是前期的實驗對象均以小型鑄錠為主，其凝固速度較快，對于緩冷條件下凝固組織的影響缺少深入的研宄。
[0006]認識不同凝固條件下凝固組織和溶質(zhì)分布特點，是實現(xiàn)大型鑄錠均質(zhì)化的基礎(chǔ)。目前是用數(shù)值模擬的方法得到了大鑄錠內(nèi)部的溫度梯度、冷卻速率等凝固條件，利用鑄錠解剖的方法得到了部分凝固組織和溶質(zhì)分布情況。而沒有把凝固條件與凝固組織、溶質(zhì)分布結(jié)合起來分析鑄錠的凝固過程。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]為了解決現(xiàn)有技術(shù)問題，本發(fā)明的目的在于克服已有技術(shù)存在的不足，提供一種模擬大鑄錠緩冷條件下凝固組織生長的方法和熔鑄實驗裝置，通過控制金屬熔體不同方向的冷卻速率，模擬大鑄錠凝固過程中不同區(qū)域的溫度梯度，并通過外場導(dǎo)入裝置引入外場，對金屬熔體凝固過程進行外場處理，本發(fā)明為研宄大鑄錠內(nèi)部不同區(qū)域的凝固組織生長提供了一種新的更加有效地研宄手段。
[0008]為達到上述發(fā)明創(chuàng)造目的，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案:
一種模擬大鑄錠緩冷條件下凝固組織生長的方法，在爐體內(nèi)的坩禍中放置金屬原料，并將坩禍置于溫度可控的爐體極限真空度1Pa的爐體真空環(huán)境中，在坩禍的外圍設(shè)置4個可分別控制輸出功率的加熱體，來分別對坩禍的4個側(cè)面進行加熱和溫度控制，具體熔鑄過程如下:
a.在金屬熔煉階段，首先將金屬原料放置在坩禍中，然后通過控制各加熱體同時對坩禍進行加熱，使金屬原料被加熱后形成金屬熔體；
b.在金屬凝固階段，為金屬凝固組織生長過程提供溫度梯度狀態(tài)、冷卻速率、強制流場狀態(tài)和施加外場狀態(tài)中的任意一種輔助干預(yù)機制或任意幾種輔助干預(yù)組合機制，具體為:
①分別控制各加熱體對坩禍的不同側(cè)面進行保溫，在坩禍內(nèi)部形成設(shè)定的所需溫度梯度，實現(xiàn)定制溫度梯度條件下的金屬凝固組織熱模擬實驗；
②在金屬凝固階段，控制坩禍各表面的降溫速率，使坩禍4個側(cè)面的溫度根據(jù)大鑄錠內(nèi)部凝固過程中不同位置的冷卻曲線的溫度狀態(tài)進行維持，對坩禍內(nèi)金屬熔體的冷卻速率分別進行控制，實現(xiàn)可控冷卻速率下的金屬凝固組織熱模擬實驗；
③在金屬凝固階段，還利用爐體的整體水平旋轉(zhuǎn)往復(fù)運動，使金屬熔體內(nèi)部產(chǎn)生強制對流，實現(xiàn)設(shè)定流場條件下的金屬凝固組織熱模擬實驗；
④在金屬熔體凝固過程中，還對金屬熔體施加外場進行處理，使金屬熔體內(nèi)部產(chǎn)生震蕩作用，實現(xiàn)設(shè)定外場條件下的金屬凝固組織熱模擬實驗。本發(fā)明方法在金屬熔體凝固過程中“有溫度梯度條件下”、“不同冷卻條件下”和“不同的鋼液流速下”等條件下，同時導(dǎo)入外場，研宄外場對凝固組織生長的影響。
[0009]本發(fā)明模擬大鑄錠緩冷條件下凝固組織生長的過程，模擬的結(jié)果與大鑄錠凝固過程直接關(guān)聯(lián)，對確定大鑄錠的鑄造工藝、調(diào)整相關(guān)設(shè)備參數(shù)和改善凝固組織缺陷具有重要意義。
[0010]作為本發(fā)明優(yōu)選的技術(shù)方案，在金屬熔煉階段和在金屬凝固階段中，使金屬原料和金屬熔體均處于爐體極限真空度IPa的保溫環(huán)境中。
[0011]作為本發(fā)明進一步優(yōu)選的技術(shù)方案，加熱極限溫度1800°C ;坩禍內(nèi)的溫度梯度在O-1O0C /cm范圍內(nèi)可調(diào)；加熱體控溫精度保持在±0.5°C以內(nèi)；在1600~1200°C之間，坩禍表面的冷卻速率在0~10°C /min范圍內(nèi)可控；爐體旋轉(zhuǎn)速率為0~30轉(zhuǎn)/分鐘可調(diào)。
[0012]作為本發(fā)明上述方案的進一步優(yōu)選技術(shù)方案，按照不低于1Hz頻率對坩禍的4個側(cè)面的溫度數(shù)據(jù)進行采集。
[0013]一種實施本發(fā)明模擬大鑄錠緩冷條件下凝固組織生長的方法的熔鑄實驗裝置，主要由加熱及氣氛保護系統(tǒng)、控溫及溫度采集系統(tǒng)和中央控制器組成，加熱及氣氛保護系統(tǒng)主要包括設(shè)置于密封的真空爐殼內(nèi)的坩禍和石墨保護套，石墨保護套套在坩禍的外部，在石墨保護套和坩禍之間填實剛玉細砂，金屬原料放置在坩禍里，控溫及溫度采集系統(tǒng)由一系列測溫?zé)犭娕己蜏囟葦?shù)據(jù)采集系統(tǒng)和溫控器組成，溫度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和溫控器皆與中央控制器信號連接，在真空爐殼內(nèi)，石墨保護套的4個側(cè)面分別面對一組石墨加熱體，各石墨加熱體的工作電流均由溫控器進行獨立控制，各測溫?zé)犭娕挤謩e布置在各石墨加熱體與坩禍之間，在真空爐殼和石墨保護套之間的間隙空間中，相鄰的每組石墨加熱體之間均用隔熱板隔開，分別形成一系列獨立的加熱室，每個加熱室內(nèi)的溫度分別由對應(yīng)的獨立的一組石墨加熱體控制，各加熱室之間的底面和頂面均由隔熱氈封閉，通過中央控制器根據(jù)大鑄錠凝固過程中不同位置的冷卻曲線來控溫，在不同方向上設(shè)置坩禍內(nèi)對應(yīng)溫度梯度，實現(xiàn)定制溫度梯度條件下的