有温度梯度结晶器的连续定向凝固技术的制作方法
【专利摘要】一种有温度梯度结晶器的连续定向凝固技术，属于金属材料加工【技术领域】。将纯铜清理除杂后置于石墨坩埚内，将真空熔炼炉抽真空至10-3Pa后，开始加热熔炼，纯铜完全熔化后通入高纯氩气，金属熔体进入结晶器，结晶器顶端受金属熔体以及周围坩埚的加热，侧面上部分受保温装置保温，下部分与底端则受冷空气或者冷却水冷却而使结晶器具有一定温度梯度的温度场，耐火材料用于调节结晶器出口与水冷装置的距离，在下引式连续定向凝固设备以4～10m/h的拉坯速度制备坯料。本发明涉及的技术，可防止冻口、拉漏现象的产生，降低了拉制过程对各项参数的敏感程度，大大降低了控制难度与设备要求，大幅提高了生产效率。
【专利说明】有温度梯度结晶器的连续定向凝固技术
【技术领域】
[0001]本发明属于金属材料加工【技术领域】，涉及一种有温度梯度结晶器的连续定向凝固技术。
【背景技术】
[0002]定向凝固技术对金属的凝固理论研究与新型高温合金等的发展提供了一个极其有效的手段。但是传统的定向凝固方法得到的铸件长度是有限的，在凝固末期易出现等轴晶，且晶粒易粗大。为此出现了连续定向凝固技术，它综合了连铸和定向凝固的优点，又相互弥补了各自的缺点及不足，从而可以得到具有理想定向凝固组织、任意长度和断面形状的铸锭或铸件；它的出现标志着定向凝固技术进入了一个新的阶段。
[0003]1978年，日本千业工业大学大野笃美教授在晶粒型壁游离形核理论的基础上提出了一种新的定向凝固方法-Ohno Continuous Casting(简称OCC法)，其基本原理是:对铸型进行加热，使它的温度高于熔融金属液的凝固温度，同时在铸型出口附近进行强制冷却，在凝固金属和未凝固熔体中建立起特定方向的温度梯度，从而使熔体形核后沿着与热流相反的方向，按要求的结晶取向进行凝固，获得定向结晶组织，甚至单晶组织。
[0004]中国专利《一种用于热型连铸的铸型结构》，专利号01265721.2，是甘肃工业大学发明的一种用于热型连铸的铸型结构，铸型是由双高石墨制成的型口、型口外套和定位环组成。其发明克服了传统热型连铸技术中铸型部分结构是用陶瓷材质制成，且不可拆卸的缺点，提供了一种既能适合于热型连铸工艺要求、降低成本，又能提高生产效率的热型连铸用铸型部分结构。
[0005]中国专利《一种热型连铸凝固界面的检测与计算机控制系统》，专利号200410016564.0，是上海大学发明的一种热型连铸凝固界面的检测与计算机系统。其特点是采用凝固界面位置自动检测装置，客服了现有技术中热型连铸仅凭经验判断凝固界面状况的问题，采用了计算机闭环控制回路，提高了凝固界面控制的精度和热型连铸产品的质量和工艺稳定性。
[0006]热型连铸技术虽然有很多优点，但也有不足之处。首先，传统OCC热型连铸法中的结晶器并不是严格意义上的结晶器，而仅有铸型的作用，固液界面位置是位于结晶器出口处，依靠表面张力来防止拉漏。这就要求对各个工艺参数控制精度要求很高，调整这些工艺参数达到最合适的情况以确保固液界面位置稳定比较困难，在实际生产中容易发生冻口、拉漏等事故。其次，传统热型连铸工艺生产效率有限，制取铸锭一般的拉铸速度为I?3m/h0
[0007]本发明针对以上一些问题，提供一种适合于下引式连续定向凝固技术要求、降低工艺参数控制精度，又能提高生产效率的有温度梯度结晶器的连续定向凝固技术。
【发明内容】
[0008]本发明的目的在于针对现有热型连铸法使用常规热型连铸结晶器不易控制固液界面造成的冻口、拉漏及生产效率低等技术问题，提供一种有温度梯度结晶器的连续定向凝固技术。
[0009]本发明所采用的技术方案是:
[0010]将原料清理除杂后置于石墨坩埚内，将真空熔炼炉抽真空至10_3Pa后，开始加热熔炼，原料完全熔化后通入高纯氩气，金属熔体I进入结晶器4，结晶器4顶端受金属熔体I以及周围坩埚2的加热，侧面上部分受保温装置保温3，下部分与底端则受冷空气或者冷却水冷却6而使结晶器具有一定温度梯度的温度场，耐火材料5用于调节结晶器4出口与水冷装置6的距离，在下引式连续定向凝固设备以4?10m/h的拉坯速度制备坯料。
[0011]本发明的优选方案是上述的结晶器的壁厚为10?30mm。
[0012]本发明的优选方案是上述的保温装置的保温区域长度为140?160mm。
[0013]本发明的优选方案是上述的结晶器与水冷装置之间的冷却距离为5?20mm。
[0014]本发明涉及有温度梯度结晶器的连续定向凝固技术包括以下步骤:
[0015]步骤一:将原料清理除杂后置于石墨坩埚内，将真空熔炼炉抽真空至10_3Pa后，开始加热熔炼；
[0016]步骤_.:原料完全溶化后，通入闻纯1?气，保温并开启冷却系统；
[0017]步骤三:在引棒的下拉过程中，结晶器顶端受金属熔体以及周围坩埚的加热，侧面上部分受保护装置保温，下部分与底端则受冷却水冷却而形成具有一定温度梯度的温度场。
[0018]步骤四:原料在受顶部金属熔体的加热与底部冷却水的冷却以及具有温度梯度结晶器三方面的综合影响下，形成向上的温度梯度，使坯料形成定向凝固组织。
[0019]步骤5:坯料经过牵引设备的牵引，实现了连续生产；
[0020]本发明的优点在于:
[0021]I)与传统OCC热型连铸法相比，具有温度梯度的结晶器使得固液界面保持在结晶器中部，与结晶器顶端与底端均能保持一定的缓冲距离而防止冻口、拉漏现象的产生，降低了拉制过程对各项参数的敏感程度，大大降低了控制难度与设备要求。
[0022]2)传统OCC热型连铸法制取铸锭的一般拉铸速度为I?3m/h，而有温度梯度结晶器的连续定向凝固技术的拉铸速度为4?10m/h，大幅提高了生产效率。
【专利附图】
【附图说明】
[0023]图1是有温度梯度结晶器的连续定向凝固技术原理图；
[0024]图2是有温度梯度结晶器结构图。
[0025]图1中:1金属熔体；2坩埚；3保温装置；4结晶器；5耐火材料；6水冷装置
[0026]图2中:d结晶器壁厚；1结晶器保温装置的保温长度；L结晶器与水冷装置之间的水冷距离
【具体实施方式】
[0027]实施例1
[0028]图1所示为有温度梯度结晶器的连续定向凝固技术原理图，所述结晶器在引杆的下拉过程中，结晶器4顶端受金属熔体I以及周围坩埚2的加热，侧面上部分受保温装置保温3，下部分与底端则受冷空气或者冷却水冷却6而使结晶器具有一定温度梯度的温度场。耐火材料5用于调节结晶器4出口与水冷装置6的距离。金属在受顶部熔体的加热与底部冷却水的冷却，以及具有温度梯度结晶器三方面的综合影响下，抑制结晶器壁上的形核并形成向上的温度梯度，最终实现金属的定向凝固。
[0029]图2所示为有温度梯度结晶器的结构图，通过数值模拟的方法对有温度梯度的结晶器设备参数影响因素进行分析得到:
[0030]I)结晶器外壁厚度d对固液相线位置及固液界面形貌影响均很小，且最佳结晶器外壁厚度d为10?30mm。
[0031]2)结晶器保温装置的保温区域长度I由160mm降低至120mm时，相同拉坯速度下的固相线位置有不同幅度的上升，最高稳定拉坯速度由7.3m/h提升至10.0m/h ；1的减少会使得相同拉坯速度下的凝固区域厚度变大；当拉坯速度为10.0m/h时，保温区域长度为160_时固液界面近为平面，随着保温区域长度的减少固液界面逐步由平变凹。结晶器保温装置的保温区域长度I的最佳值为140?160mm。
[0032]3)结晶器与水冷装置的水冷距离L由30mm缩短至5mm时，相同拉坯速度下的固相线位置有所上升，最高稳定拉坯速度由8.0m/h提升至11.5m/h ;当L = 30mm时固液界面稍有凹下，缩短至5mm时逐渐变平。结晶器与水冷装置之间的冷却距离L的最佳值为5?20mmo
[0033]4)结晶器的纵向温度梯度为2V?100°C /cm ;横向温度度梯度为_2°C?2°C /cm。
[0034]实施例2:大直径单晶铜棒材的连续定向凝固制备。
[0035]采用铜含量为99.999%的纯铜为原料，利用具有温度梯度结晶器的连续定向凝固技术及设备，制备了 Φ 1mm且表面光亮的大直径连续柱状晶和单晶组织的纯铜棒材。制备Φ 1mm单晶铜棒具体工艺参数为:熔体温度1150?1180°C，结晶器出口温度750°C，冷却水量900L.h-Ι，冷却距离50mm。拉坯速度为1mm.h-Ι时，连续定向凝固纯铜柱状晶棒材抗拉强度152.39MPa，延伸率为66.7%，导电率为102.1% IACS ;拉坯速度为4mm.1ι_1时，连续定向凝固纯铜单晶棒材拉强度为128.52MPa，延伸率为76.7%，导电率为105.2% IACS。连续定向凝固纯铜柱状晶和单晶棒材都具有优良的力学和电学性能。
【权利要求】
1.一种有温度梯度结晶器的连续定向凝固技术，其特征在于，将纯铜清理除杂后置于石墨坩埚内，将真空熔炼炉抽真空至10-3Pa后，开始加热熔炼，纯铜完全熔化后通入高纯氩气，金属熔体I进入结晶器4，结晶器4顶端受金属熔体I以及周围坩埚2的加热，侧面上部分受保温装置保温3，下部分与底端则受冷空气或者冷却水冷却6而使结晶器具有一定温度梯度的温度场，耐火材料5用于调节结晶器4出口与水冷装置6的距离，在下引式连续定向凝固设备以4?10m/h的拉还速度制备还料。
2.根据权利要求1所述的一种有温度梯度结晶器的连续定向凝固技术，其特征在于所述结晶器的纵向温度梯度为2V?100°C /cm ;横向温度度梯度为-2V?2V /cm。
3.根据权利要求2所述的一种有温度梯度结晶器的连续定向凝固技术，其特征在于所述的结晶器的壁厚为10?30mm。
4.根据权利要求2所述的一种有温度梯度结晶器的连续定向凝固技术，其特征在于所述的保温装置的保温区域长度为140?160mm。
5.根据权利要求2所述的一种有温度梯度结晶器的连续定向凝固技术，其特征在于所述的结晶器与水冷装置之间的冷却距离为5?20mm。
【文档编号】B22D11/055GK104353795SQ201410384515
【公开日】2015年2月18日 申请日期:2014年10月29日 优先权日:2014年10月29日
【发明者】王自东, 史国栋, 罗翔, 汤浩 申请人:北京科技大学