[發(fā)明專利]一種金屬凝固過程的模擬方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410458909.1
• 申請日: 2014-09-11
• 公開（公告）號: CN104226952A
• 公開（公告）日: 2014-12-24
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 仲紅剛;張成;葉經(jīng)政;吳聰森;孫俊杰;翟啟杰
• 申請（專利權(quán)）人: 上海大學
• 主分類號: B22D11/16
• 分類號: B22D11/16;G01N1/44
• 代理公司: 上海上大專利事務(wù)所(普通合伙) 31205
• 代理人: 顧勇華

技術(shù)領(lǐng)域

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)

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。

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。

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。

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

本發(fā)明的目的在于提出一種準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，可用于預測連鑄坯及鑄件的凝固組織。

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。

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。

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-100K/cm~100K/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。

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。

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。

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。

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。

附圖說明

圖1為本方法示意圖（不包含控制和氣路部分）。

圖2為原位液淬示意圖。

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.導軌??9.液淬槽。

具體實施方式

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。

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)。