一种双向水平定向凝固方法及装置与流程

本发明涉及定向凝固铸造技术领域，尤其涉及一种双向水平定向凝固方法及装置。

背景技术：

定向凝固最早由Versnyder及同事在研究等轴变形合金和铸造合金时，设想通过伸长晶粒，使之与应力轴平行来抑制晶界断裂和提高延伸性能。Northcott在二十世纪30年代，通过一种简单的定向凝固铸造法，得到了伸长的晶粒。

经验证，定向凝固的合金铸件或铸锭，由于生成柱状晶组织，且偏析、疏松较少，在柱状晶主干方向上，高温下具有优异强度、蠕变和持久性，热疲劳性能有大幅度改善。横向上的力学性能与纵向相比均较低。由于晶界数量相对较少，所以其耐腐蚀性能及抗氧化性能均较高。

经过近八十年的发展，定向凝固技术主要经历两个大的阶段：一是传统的定向凝固技术，如炉外结晶法、炉内结晶法；二是新型的定向凝固技术，如区域融化液态金属冷却法、深过冷定向凝固法、电磁约束成型定向凝固技术、激光超高温度梯度快速定向凝固及连续定向凝固技术等。用于生产船板、压力容器、海上石油平台及核电用的大型定向凝固钢锭，现如今还是应用传统的炉外结晶法；试验室理论研究、高温合金及单晶的生产，则多用炉内结晶法及新型定向凝固技术制备。

授权公告号为CN 2173671Y的中国专利，公开了一种“钢锭定向凝固装置”，由保温罩、模身、冷凝件组成，保温罩置于模身上，内壁具有保温层的模身置于冷凝件上，冷凝件中心部位具有钢液通道并与中注管通道相连接。该装置适合于下注式、浇铸高径比(H/D)小于1的定向凝固钢锭生产，其生产的定向凝固钢锭具有提高钢锭利用率30％，节约能源20％，节约工时50％等优点。但是该装置的浇道经过水冷底盘，在浇铸时难免产生换热，影响浇铸温度及钢液的过热度，同时在凝固过程中，浇道又不可避免的成为热点，影响柱状晶自下而上的定向生长。凝固末端钢锭表面积大，且该部分由于夹杂物的聚集需要刨除，产品的切削量和工作量都较大。

授权公告号为CN 201385117Y的中国专利，公开了一种“可倾倒的上注式定向凝固钢锭浇铸装置”，可倾动底盘在定向凝固钢锭浇铸装置的底部，水冷底排旋转在可倾动底盘上、铺在绝热钢锭模的底下，上铸分岔式水口用杠杆放置在水冷底排上的中心处，保温罩放在绝热钢锭模上，水冷却系统在绝热钢锭模的左侧。访装置采用上注法浇铸、底盘冷却，避免了“钢锭定向凝固装置”中浇道热芯对柱状晶生长的影响。同时，倾倒装置可将凝固末端含夹杂物较多的钢液倾倒出去，提高了钢锭的质量，并且减小了切削量。但该装置机械设备比较复杂，且由于温度梯度的影响，柱状晶生长高度受限，致使生产的厚板厚度受限。

技术实现要素：

本发明提供了一种双向水平定向凝固方法及装置，采用顶/底注式浇注，2个相对的侧壁作为冷却壁，由于浇道与冷却壁不在同一表面，避免了两者之间传热的影响；铸件采用水平定向凝固的方式，由两个相对的侧壁向中心凝固，不仅可以在相同时间内使柱状晶长度增加一倍，而且可以保证液相的过热度，从而保证柱状晶的生长。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：

一种双向水平定向凝固方法，铸造时采用顶注式或底注式浇注方式，铸模上相对的2个侧壁为分别设置冷却装置的冷却侧壁，铸模上另外的2个侧壁为绝热侧壁，铸模底板为绝热底板，铸模顶盖为绝热顶盖；浇注后铸造物主要由2个冷却侧壁向中心凝固，其在该方向晶体生长的速度远大于其沿绝热侧壁、绝热底板或绝热顶盖向中心凝固的晶体生长速度。

所述冷却装置为可调温冷却装置。

用于实现所述方法的一种双向水平定向凝固装置，包括由侧壁、底板和顶盖组成的铸模，底板或顶盖上设有浇冒口；所述底板为绝热底板，顶盖为绝热顶盖，侧壁由相对的2个绝热侧壁和另外相对的2个冷却侧壁组成；2个冷却侧壁为铜板制成，铜板外部分别设循环水冷却装置；绝热底板、绝热顶盖和绝热侧壁分别由绝热材料制成。

所述循环水冷却装置由冷却盘管、冷却水管及冷却水箱组成，冷却盘管贴附在铜板上，冷却盘管前的冷却水管进水端设阀门和电动水泵，冷却盘管后的冷却水管出水端设测温装置，测温装置通过控制系统与电动水泵连接。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)铸件采用顶/底注式浇注，由于冒口(浇道)与冷却壁不在同一表面，避免了浇道与冷却壁之间传热的影响；

2)铸件凝固方式为水平定向凝固，且由两个相对的侧壁向中心凝固，这种形式不仅可以在相同时间内使柱状晶长度增加一倍，而且可以保证液相的过热度，从而保证柱状晶的生长；

3)本发明适用于可定向凝固的所有晶体，可生产定向凝固钢锭及其它材质的晶体，并可方便地进行物理模拟实验。

附图说明

图1是本发明所述双向水平定向凝固装置的立体结构示意图。

图2是本发明所述双向水平定向凝固装置的主视图。

图3是本发明所述双向水平定向凝固装置的俯视图。

图4是本发明所述双向水平定向凝固装置的侧视图。

图5是本发明实施例采用双向水平定向凝固方法时硫代硫酸钠凝固过程中柱状晶生长状态图。

图6是本发明实施例采用双向水平定向凝固方法时硫代硫酸钠柱状晶凝固时间与凝固速度关系曲线图。

图7是本发明实施例中采用双向水平定向凝固方法时凝固后的硫代硫酸钠柱状晶生长状态图。

图8是本发明实施例中采用垂直向上定向凝固方法时凝固后的硫代硫酸钠柱状晶生长状态图。

图中：1.浇冒口 2.冷却侧壁 21.铜板 22.循环水冷却装置 3.绝热顶盖 4.绝热底板 5.绝热侧壁

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：

如图1所示，本发明所述一种双向水平定向凝固方法，铸造时采用顶注式或底注式浇注方式，铸模上相对的2个侧壁为分别设置冷却装置的冷却侧壁2，铸模上另外的2个侧壁为绝热侧壁5，铸模底板为绝热底板4，铸模顶盖为绝热顶盖3；浇注后铸造物主要由2个冷却侧壁2向中心凝固，其在该方向晶体生长的速度远大于其沿绝热侧壁5、绝热底板4或绝热顶盖3向中心凝固的晶体生长速度。

所述冷却装置为可调温冷却装置。

如图1-图4所示，用于实现所述方法的一种双向水平定向凝固装置，包括由侧壁、底板和顶盖组成的铸模，底板或顶盖上设有浇冒口1；所述底板为绝热底板4，顶盖为绝热顶盖3，侧壁由相对的2个绝热侧壁5和另外相对的2个冷却侧壁2组成；2个冷却侧壁2为铜板21制成，铜板21外部分别设循环水冷却装置22；绝热底板4、绝热顶盖3和绝热侧壁5分别由绝热材料制成。

所述循环水冷却装置22由冷却盘管、冷却水管及冷却水箱组成，冷却盘管贴附在铜板21上，冷却盘管前的冷却水管进水端设阀门和电动水泵，冷却盘管后的冷却水管出水端设测温装置，测温装置通过控制系统与电动水泵连接。

如图2所示，绝热底板4采用保温砖砌筑于地基基础之上，用于支撑整个装置及铸造物，同时对铸造物定向凝固起保温作用。如果采用底注式浇注，则绝热底板4连接有浇冒口1，铸造物通过浇冒口1浇铸到铸模的型腔内。

绝热侧壁5用保温砖砌筑于绝热底板4的两侧，且相对布置，其对型腔内的铸造物的2个侧面起到支撑、铸型及保温作用。

冷却侧壁2上的铜板21固定在绝热底板4的另外两侧，也是相对布置，两边分别与绝热侧壁5连接，其对铸造物的另外2个侧面起到支撑、铸型及冷却作用。

循环水冷却装置22的冷却盘管由铜管制成，焊接在铜板21的外表面，对冷却侧壁2起到冷却作用，冷却盘管一端为进水端，另一端为出水端，分别通过冷却水管连接冷却水箱。

绝热顶盖3砌筑于由绝热侧壁5和冷却侧壁2组成的空间之上，对铸造物的上表面起到铸型及保温作用。如果采用顶注式浇注，则绝热顶盖3连接浇冒口1，铸造物由浇冒口1浇注到铸模的型腔内。

浇注时，将熔融铸造物通过浇冒口1浇注到双向水平定向凝固装置内；绝热侧壁5、绝热顶盖3、绝热底板4的厚度根据选用材质的强度及热物性能设计，保证达到铸造物在其对应面的隔热效果，使铸造物在其对应面晶体生长度速度远小于冷却侧面晶体生长的速度；冷却侧壁2的铜板21对铸造物定向凝固的侧面起到冷却作用，其厚度根据材质的强度、热物性能及循环水冷却装置22的冷却能力进行设计。冷却侧壁2将铸造物凝固时释放的热量通过循环水冷却装置22排出，使铸造物在冷却侧壁2方向晶体生长的速度远大于在绝热侧壁5、绝热顶盖3和绝热底板4方向的晶体生长速度。

本发明中，由于铸造物的柱状晶生长对有害成分及杂质起到推移和排斥作用，同时由于铸造物与有害成分及杂质存在的密度差及铸造物的凝固收缩，使夹杂物及缩孔在铸造物全部凝固后集中在顶面。虽然这些有害成分及杂质需经后部工序刨除，但由于该部分的截面积很小，因此加工量很少。

以下实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。下述实施例中所用方法如无特别说明均为常规方法。

【实施例】

本实施例分别对硫代硫酸钠(Na2S203·5H20)采用垂直向上定向凝固及双向水平定向凝固方法进行物理实验分析。

垂直向上定向凝固的实验为常规操作，在此不加赘述。其凝固后柱状晶生长状态如图8所示。

采用双向水平定向凝固的实验过程如下：

1)开启循环水冷却装置22，将冷却水箱中的冷却水通过电动水泵注入到冷却盘管中，冷却水箱内的冷却水温度保证在15℃±3℃，通过测温装置测量冷却水管出水端温度，通过控制系统控制电动水泵的流量，保证冷却盘管中冷却水的温度达到要求的温度，并使冷却侧壁2的温度保持恒定；

2)将熔化成液态的硫代硫酸钠溶液从浇冒口1注入到铸模的型腔中；

3)开启定时照相机，定时记录硫代硫酸钠的凝固情况；

4)待硫代硫酸钠完全凝固后，停止试验；关闭定时照相机，关闭循环水冷却装置22的电动水泵和阀门；

5)虽然随着凝固时间的增加，凝固速度明显减慢，但凝固前沿柱状晶生长仍以接近平面形式向前推移(如图5、图6所示)。硫代硫酸钠凝固后，取出硫代硫酸钠固体，沿柱状晶生成方向纵向切开，打磨光滑后，观察其晶粒生长情况(如图7所示)。

本实施例通过对硫代硫酸钠(Na2S203·5H20)进行两种不同晶体生长方式(即晶体垂直向上生长和双向水平生长)的试验对比，对比图7和图8可以看出，双向水平定向凝固生长过程中的一次枝晶间距小于垂直向上生长的一次枝晶间距；同时，在相同时间内，双向水平定向凝固生产的铸造物厚度为垂直向上定向凝固生产铸造物厚度的2倍。

本发明在传统定向凝固技术的基础上，改变了冷却方式。不仅可以使单位时间内生成的柱状晶高度提高了一倍，而且柱状晶的一次枝晶间距密度高于传统定向凝固技术。同时，可以使定向凝固铸造物的切削量减少，提高了成材率和工作效率。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。