基于高通量实验的大铸锭凝固组织的热模拟装置的制作方法

本实用新型涉及一种金属凝固组织生长过程热模拟技术。特别是涉及一种基于高通量实验的大铸锭凝固组织的热模拟装置。

背景技术：

大型铸锻件是核电、火电等能源装备的重要构件，同时广泛应用于航空航天、重型机械、冶金、化工、造船、军工等产业。大型铸锻件的制造是一个系统热加工工程，要经过冶炼、浇注、凝固、反复高温锻造、热处理等多个制造环节。在大型铸锻件的生产过程中，铸造成锭是最重要的环节之一，其目的是获得具备均匀的晶粒组织、低宏观偏析和夹杂物少等要求的均质化毛坯，其质量直接决定了后续工艺的难易程度和最终产品质量。

早期，对大铸件的研究主要以实物解剖的方式进行。近几十年来，随着凝固理论和计算机技术的发展，数值模拟方法在大铸件研究中的应用逐渐增多。通过解剖铸件，可以直观观察铸件内部组织缺陷，为铸件设计及生产工艺改进、提高铸件质量提供参考依据。但通过上述结果发现，铸件凝固组织特征个体差异很大，很难通过解剖结果确定铸件凝固组织与铸型结构以及工艺参数之间的关系。而且铸件解剖结果只能展示缺陷的最终形态，不能直接获得缺陷的形成过程和机理。又因铸件解剖法工作量繁重、周期长、费用极高，因此该方法受到一定的制约。对大铸件凝固过程中的流场和温度场计算技术已经十分成熟，可以预测钢液的流动和传热过程。对溶质场的计算也取得了很大进展，但仍建立在一些假设前提的基础上。凝固组织的模拟技术还有很大的发展空间，另外，受计算机能力的限制，大铸件由于尺寸太大，凝固组织的模拟仍存在很大困难。综上所述，对大铸件凝固组织的研究迫切需要开发一种相对可靠方便的研究方法。

金属的凝固过程中形成的晶粒大小、枝晶的组织形貌、溶质偏析等凝固组织与铸件中温度梯度、冷却速率以及熔体的流动等因素有关。大铸件相对小铸件凝固过程中存在温度梯度不均匀、温度梯度较小、冷却速率慢、熔体流速大等特点。目前已有的实验方法及设备不能重现大铸件内部的凝固条件，因此，对大铸件凝固组织的模拟存在一定的难度。

不同凝固条件下凝固组织和溶质分布特点的认识和掌握是实现大铸件均质化的基础。但是目前是用数值模拟的方法得到了大铸件内部的凝固条件(温度梯度、冷却速率等)，利用铸件解剖的方法得到了部分凝固组织和溶质分布情况。而没有把凝固条件与凝固组织、溶质分布结合起来分析铸件凝固组织的形成行为。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的技术问题是，提供一种基于高通量实验的大铸锭凝固组织的热模拟装置。

本实用新型所采用的技术方案是：一种基于高通量实验的大铸锭凝固组织的热模拟装置，包括有外部炉体和盖在所述外部炉体顶部的炉盖，所述炉盖上设置有用于充气或放气的放气阀，所述的外部炉体内通过保温槽设置有若干个独立的内部装有金属原料用于进行热模拟实验的熔炼室，所述外部炉体通过2个以上的支架固定设置在旋转盘上，所述的旋转盘由电机驱动旋转，所述旋转盘通过位于底面中心的旋转轴连接固定底盘。

所述旋转盘与所述旋转轴的上端为固定连接，所述旋转轴的下端与所述的固定底盘的中心是通过轴承连接。

所述的熔炼室包括有由氧化镁砖材料构成的室体和盖在所述室体上端口的由石墨碳毡材料构成的上盖，所述室体的内侧壁和内底部均设置有一层石墨碳毡层，具有石墨碳毡层的室体的室内构成热模拟室，所述热模拟室在工作状态下为真空状，所述热模拟室底部的石墨碳毡层上设置有能够在外力的作用下向上移动的基座，所述基座的上端形成有凹槽，所述的凹槽内嵌入石墨套桶的底部，所述石墨套桶的内侧设置有刚玉坩锅，所述刚玉坩锅内形成有用于装入金属原料的长方体空间，所述热模拟室的侧壁上设置有与所述刚玉坩锅的四个内侧面相对应的四组用于对室体内的空气进行加热的石墨电极，每相邻的两组石墨电极之间通过钼板相隔离，从而形成四个独立的加热空间，所述室体的底部和位于底部的石墨碳毡层上轴向形成有用于插入推动所述基座向上移动的推杆的推杆贯通孔，所述室体外侧设置有连接外部电源的四组铜电极，所述四组铜电极通过导线分别对应连接四组所述的石墨电极，对应每一组所述的石墨电极都设置有一个一端与外部控制单元相连，另一端依次贯穿室体、石墨碳毡层以及石墨电极的热电偶，用于采集热模拟室内的温度。

所述的石墨套桶和刚玉坩锅之间形成有5～10mm的间隙，所述间隙内填充有用于隔热的镁砂。

所述的热模拟室内位于上盖的下端面设置有石墨碳毡隔热盖，所述石墨碳毡隔热盖和上盖沿轴向形成有用于观察内部状态的观察口，所述的观察口上设置有用于密封的观察盖。

所述热模拟室的底部设置有用于向上推动所述基座移动的推台，所述推台的底部与从所述推杆贯通孔插入的推杆固定连接。

本实用新型的基于高通量实验的大铸锭凝固组织的热模拟装置，通过一种高通量的实验方法再现大铸件凝固过程中不同区域的温度梯度以及冷却速率研究大铸件内部不同区域的凝固组织和溶质分布情况，本实用新型的方法利用几十公斤小铸锭的凝固实验再现了几百吨铸锭的凝固过程，大大降低了研究成本。本实用新型的装置可同时完成九个模拟单元的热模拟实验，大大提高了实验效率，解决了大铸锭目前研究的难题，为发展均质化凝固控制方法，实现大铸件的均质化提供依据和参考。并且，本实用新型的装置控温精度高、操作方便，便于科研工作者研究传热、流动条件对凝固组织的影响。

附图说明

图1是本实用新型热模拟方法中将大铸锭锭身部分沿高度方向等分成若干层的结构示意图；

图2是将图1所示的一层分解成若干个首尾相连的长方体作为模拟单元的结构示意图；

图3是本实用新型中每个模拟单元的结构示意图；

图4是本实用新型热模拟方法所用的热模拟装置的结构示意图；

图5是本实用新型热模拟装置中加热槽内熔炼室的分布示意图；

图6是本实用新型热模拟装置中熔炼室的结构示意图。

图中

1：外部炉体2：炉盖

3：加热槽4：熔炼室

4.1：室体4.2：上盖

4.3：石墨碳毡层4.4：基座

4.5：石墨套桶4.6：刚玉坩锅

4.7：石墨电极4.8：钼板

4.9：镁砂4.10：石墨碳毡隔热盖

4.11：观察口4.12：观察盖

4.13：推杆贯通孔4.14：推台

4.15：铜电极4.16：热电偶

4.17：热模拟室5：金属原料

6：支架7：旋转盘

8：电机9：旋转轴

10：固定底盘11：升降装置

12：放气阀

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本实用新型的基于高通量实验的大铸锭凝固组织的热模拟装置做出详细说明。

本实用新型的基于高通量实验的大铸锭凝固组织的热模拟装置，是用于通过改变冷却条件再现大铸锭凝固过程中不同区域的温度梯度及冷却速率获取大铸件内部不同区域的凝固组织和溶质分布情况的装置。

如图4、图5所示，本实用新型的基于高通量实验的大铸锭凝固组织的热模拟装置，包括有外部炉体1和盖在所述外部炉体1顶部的炉盖2，所述的外部炉体1内通过保温槽3设置有若干个独立的内部装有金属原料5用于进行热模拟实验的熔炼室4，所述外部炉体1通过2个以上的支架6固定设置在旋转盘7上，所述的旋转盘7由电机8驱动旋转，所述旋转盘7通过位于底面中心的旋转轴9连接固定底盘10。所述旋转盘7与所述旋转轴9的上端为固定连接，所述旋转轴9的下端与所述的固定底盘10的中心是通过轴承连接。

所述外部炉体1的外侧面设置有用于通过液压开启炉盖2的升降装置11。

如图6所示，所述的熔炼室4包括有由氧化镁砖材料构成的室体4.1和盖在所述室体4.1上端口的由石墨碳毡材料构成的上盖4.2，所述室体4.1的内侧壁和内底部均设置有一层石墨碳毡层4.3，具有石墨碳毡层4.3的室体4.1的室内构成热模拟室4.17，所述热模拟室4.17在工作状态下为真空状，所述热模拟室4.17底部的石墨碳毡层4.3上设置有能够在外力的作用下向上移动的基座4.4，所述基座4.4的上端形成有凹槽，所述的凹槽内嵌入石墨套桶4.5的底部，所述石墨套桶4.5的内侧设置有刚玉坩锅4.6，所述的石墨套桶4.5和刚玉坩锅4.6之间形成有5～10mm的间隙，所述间隙内填充有用于隔热的镁砂4.9。

所述刚玉坩锅4.6内形成有用于装入金属原料5的长方体空间，所述热模拟室4.17的侧壁上设置有与所述刚玉坩锅4.6的四个内侧面相对应的四组用于对室体4.1内的空气进行加热的石墨电极4.7，每相邻的两组石墨电极4.7之间通过钼板4.8相隔离，从而形成四个独立的加热空间，防止热量的散失。所述室体4.1的底部和位于底部的石墨碳毡层4.3上轴向形成有用于插入推动所述基座4.5向上移动的推杆的推杆贯通孔4.13，所述室体4.1外侧设置有连接外部电源的四组铜电极4.15，所述四组铜电极4.15通过导线分别对应连接四组所述的石墨电极4.7，对应每一组所述的石墨电极4.7都设置有一个一端与控制单元相连，另一端依次贯穿室体4.1、石墨碳毡层4.3以及石墨电极4.7的热电偶4.16，用于采集热模拟室4.17内的温度，并向控制单元进行反馈，及时监测刚玉坩锅4.6四周的温度变化情况。

所述的热模拟室4.17内位于上盖4.2的下端面设置有石墨碳毡隔热盖4.10，所述石墨碳毡隔热盖4.10和上盖4.2沿轴向形成有用于观察内部状态的观察口4.11，所述的观察口4.11上设置有用于密封的观察盖4.12。

所述热模拟室4.17的底部设置有用于向上推动所述基座4.5移动的推台4.14，所述推台4.14的底部与从所述推杆贯通孔4.13插入的推杆固定连接。