模拟大铸锭缓冷条件下凝固组织生长的方法和熔铸实验装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种金属凝固方法和实验装置，特别是涉及一种模拟大铸锭凝固组织生长方法和实验装置，应用于金属凝固组织生长过程热模拟技术领域和大型铸锭的凝固技术领域。
【背景技术】
[0002]随着我国电力工业，核工业和石油化工的飞速发展，对大型铸锻件的需求量越来越大，同时也对大型铸锻件的品质要求越来越高。大型铸锭由于体积大，散热过程慢，凝固过程要持续数天，铸锭不同部位的冷却速率差别最大达100倍以上，因此凝固组织粗大、晶粒大小及成分分布不均匀、缩孔缩松等问题十分严重。不仅影响最终产品的性能，也常造成锻造开裂，热处理不能均匀等后续难题。强化形核以产生更多的结晶核心、并促进晶粒增殖是减少这些缺陷的根本措施。发展基于内部产生、外场强化增殖的均质化凝固控制方法，是获得良好的凝固组织的关键。
[0003]目前对大型铸锭凝固过程的研宄，主要采用下列几种途径:一是采用数值仿真的方法，模拟大铸锭在凝固过程中的流场、温度场及溶质场的变化过程，以此为依据调整铸型的形状、浇注温度、浇注方式等参数，优化工艺；二是直接解剖大型或超大型的铸锭。通过观察铸锭的低倍组织，结合铸锭内部C、S等元素的分布规律，以及缩孔、缩松及夹杂物的分布及形成规律等，研宄影响大铸锭凝固过程的主要因素，如温度梯度，自然对流等。但是解剖铸锭的成本高，研宄周期长，而且大型铸锭的凝固过程个体差异大，单个铸锭的规律具有一定的局限性；三是应用数值模拟的方法模拟缓冷条件下晶粒的形核与生长过程，通过比较不同参数，不同模型对模拟结果的影响，找到与真实情况较符合的模型。
[0004]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锭中温度梯度、冷却速率以及熔体的流动等因素有关。相对小铸锭，大型铸锭凝固过程中存在温度不均匀、冷却速率慢、熔体对流强等特点。目前已有的实验方法及设备不能重现大铸锭内部的凝固条件，因此，对大铸锭凝固组织的模拟存在一定的难度。
[0005]上海大学的《脉冲磁致液面振荡细化金属凝固组织的方法》，专利公开号:CN201010167538，2010.12.22。该技术操作方便，对铸锭的凝固组织细化效果显著，作用方式为将多层线圈作用于金属熔体的上表面，为非接触式熔体处理，可以避免铸型对磁场的屏蔽作用。因此，脉冲磁致液面振荡细化技术十分适合于模铸工业生产中的应用。但是前期的实验对象均以小型铸锭为主，其凝固速度较快，对于缓冷条件下凝固组织的影响缺少深入的研宄。
[0006]认识不同凝固条件下凝固组织和溶质分布特点，是实现大型铸锭均质化的基础。目前是用数值模拟的方法得到了大铸锭内部的温度梯度、冷却速率等凝固条件，利用铸锭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锭的凝固过程。
【发明内容】
[0007]为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种模拟大铸锭缓冷条件下凝固组织生长的方法和熔铸实验装置，通过控制金属熔体不同方向的冷却速率，模拟大铸锭凝固过程中不同区域的温度梯度，并通过外场导入装置引入外场，对金属熔体凝固过程进行外场处理，本发明为研宄大铸锭内部不同区域的凝固组织生长提供了一种新的更加有效地研宄手段。
[0008]为达到上述发明创造目的，本发明采用下述技术方案:
一种模拟大铸锭缓冷条件下凝固组织生长的方法，在炉体内的坩祸中放置金属原料，并将坩祸置于温度可控的炉体极限真空度1Pa的炉体真空环境中，在坩祸的外围设置4个可分别控制输出功率的加热体，来分别对坩祸的4个侧面进行加热和温度控制，具体熔铸过程如下:
a.在金属熔炼阶段，首先将金属原料放置在坩祸中，然后通过控制各加热体同时对坩祸进行加热，使金属原料被加热后形成金属熔体；
b.在金属凝固阶段，为金属凝固组织生长过程提供温度梯度状态、冷却速率、强制流场状态和施加外场状态中的任意一种辅助干预机制或任意几种辅助干预组合机制，具体为:
①分别控制各加热体对坩祸的不同侧面进行保温，在坩祸内部形成设定的所需温度梯度，实现定制温度梯度条件下的金属凝固组织热模拟实验；
②在金属凝固阶段，控制坩祸各表面的降温速率，使坩祸4个侧面的温度根据大铸锭内部凝固过程中不同位置的冷却曲线的温度状态进行维持，对坩祸内金属熔体的冷却速率分别进行控制，实现可控冷却速率下的金属凝固组织热模拟实验；
③在金属凝固阶段，还利用炉体的整体水平旋转往复运动，使金属熔体内部产生强制对流，实现设定流场条件下的金属凝固组织热模拟实验；
④在金属熔体凝固过程中，还对金属熔体施加外场进行处理，使金属熔体内部产生震荡作用，实现设定外场条件下的金属凝固组织热模拟实验。本发明方法在金属熔体凝固过程中“有温度梯度条件下”、“不同冷却条件下”和“不同的钢液流速下”等条件下，同时导入外场，研宄外场对凝固组织生长的影响。
[0009]本发明模拟大铸锭缓冷条件下凝固组织生长的过程，模拟的结果与大铸锭凝固过程直接关联，对确定大铸锭的铸造工艺、调整相关设备参数和改善凝固组织缺陷具有重要意义。
[0010]作为本发明优选的技术方案，在金属熔炼阶段和在金属凝固阶段中，使金属原料和金属熔体均处于炉体极限真空度IPa的保温环境中。
[0011]作为本发明进一步优选的技术方案，加热极限温度1800°C ;坩祸内的温度梯度在O-1O0C /cm范围内可调；加热体控温精度保持在±0.5°C以内；在1600~1200°C之间，坩祸表面的冷却速率在0~10°C /min范围内可控；炉体旋转速率为0~30转/分钟可调。
[0012]作为本发明上述方案的进一步优选技术方案，按照不低于1Hz频率对坩祸的4个侧面的温度数据进行采集。
[0013]一种实施本发明模拟大铸锭缓冷条件下凝固组织生长的方法的熔铸实验装置，主要由加热及气氛保护系统、控温及温度采集系统和中央控制器组成，加热及气氛保护系统主要包括设置于密封的真空炉壳内的坩祸和石墨保护套，石墨保护套套在坩祸的外部，在石墨保护套和坩祸之间填实刚玉细砂，金属原料放置在坩祸里，控温及温度采集系统由一系列测温热电偶和温度数据采集系统和温控器组成，温度数据采集系统和温控器皆与中央控制器信号连接，在真空炉壳内，石墨保护套的4个侧面分别面对一组石墨加热体，各石墨加热体的工作电流均由温控器进行独立控制，各测温热电偶分别布置在各石墨加热体与坩祸之间，在真空炉壳和石墨保护套之间的间隙空间中，相邻的每组石墨加热体之间均用隔热板隔开，分别形成一系列独立的加热室，每个加热室内的温度分别由对应的独立的一组石墨加热体控制，各加热室之间的底面和顶面均由隔热毡封闭，通过中央控制器根据大铸锭凝固过程中不同位置的冷却曲线来控温，在不同方向上设置坩祸内对应温度梯度，实现定制温度梯度条件下的