专利名称：连铸坯凝固组织生长过程的物理模拟方法及其装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种连铸坯凝固组织生长过程的物理模拟方法及其装置，属金属凝固组织生长过程物理模拟及控制领域及金属晶相热处理加工技术领域。
背景技术：
连续铸钢作为近40年来发展起来的新技术，由于它具有节能、金属收得率高等突出优点，因而发展迅速，对钢铁生产的发展和优化起到了关键的推动作用。连续铸钢技术的采用不仅完全改变了旧的铸钢工序，还带动了整个钢铁厂的结构优化，因此被许多冶金学作称之为钢铁工业的一次“技术革命”。连铸技术目前仍在快速发展，其前沿技术主要表现为(1)高速连铸；(2)强冷；(3)均质；(4)凝固与变形结合；(5)近终型连铸。
目前这些先进的连铸技术的应用还存在一定的问题需要解决。例如，冷却速率的增加，加重了应力集中，可导致众多缺陷的产生。因此，如何改善连铸过程中的溶质偏析问题，如何改善连铸坯的组织不均匀性，提高连铸坯的等轴晶比例以及如何提高连铸坯组织的细化程度从而提高连铸坯质量等理论和实践问题都需要进行大量的研究工作来实现突破或加以解决。而目前对不锈钢连铸坯凝固过程的研究，主要采用两种途径；一、应用数值模拟的方法，来模拟连铸过程各个部分的流场、温度场、溶质场，在此基础上来预测连铸过程的凝固组织。这种方法有其先天的缺陷，即假设了很多的前提条件，致使模拟结果和实际结果有一定的偏差。二、应用物理模拟的方法，主要是应用水或低熔点金属液来模拟连铸过程进而推断其凝固组织。但此法缺乏直接性，没有直接和凝固组织联系起来。另外即便工业试验可以解决很多模拟技术难以解决的问题，但其高成本令人们望而却步，难以开展广泛有效的研究工作。
因此现在对连铸过程的研究急需在研究方法上找到一个突破口，亦即如何能够规避上述三种方法的种种缺点，实现连铸过程的实验室准确模拟。其关键技术在于(1)找到一个准确模拟连铸过程凝固组织生长过程的方法，这种方法能够模拟连铸过程中传热传质过程，能够模拟连铸过程中金属晶体的生长过程。(2)能够制造实验上述模拟方法的设备。如果能够在这两个关键点上获得突破，将极地大提高连铸研究水平。
本发明提出了一种准确模拟连铸过程中凝固组织生长过程的方法。本发明在发现定向凝固和连铸生产中组织转变过程有一定相似性的基础上，提出了传统定向凝固的改进方法，从而实现了对连铸过程凝固组织生长过程的模拟。
定向凝固又称单向凝固，是使金属或合金熔体中的热量朝着一定方向散失，从而使晶体沿着特定方向生长的一种工艺方法，也是控制晶体生长、研究晶体生长行为的最有效和最直接的方法。而连铸过程中，钢的导热系数比铜、铝等金属小得多，凝固潜热和密度较大，这使大块的钢液完全凝固需要较长的时间，在连铸坯中表现为长长的液相穴。连铸拉速越快液相穴越长，高速连铸机中的液相穴长度与铸坯半厚度之比可达200倍以上。这表明连铸钢坯的凝固传热基本上在厚度(径向)及宽度方向进行，拉坯方向的凝固传热可以忽略不计。这种传热的方向性造成了铸坯中的绝大部分区域由侧面向中心的“顺序凝固”而成。因此在一维凝固传热的假设前提下，可将钢连铸坯的凝固过程视为局部稳定的定向凝固，其凝固行为完全适合用定向凝固技术进行较为近似的研究。
要用定向凝固对连铸过程晶体生长过程进行较为准确的模拟，仍然需要解决两个关键问题(1)能够实现自连铸坯表面到铸坯中心热量传输的模拟，可以实现连铸坯液相穴温度的连续可控。(2)能够实现模拟状态下组织生长速率和连铸实际过程中组织生长速率的实时对应。这就要求在现有定向凝固装置的基础上，实现加热温度的函数控制和拉伸速率的函数控制；另外，能够在凝固过程中施加强制对流从而研究自然对流的强制搅拌对连铸生长过程的影响。
发明内容
本发明的目的是提出一种较为准确的模拟连铸过程凝固组织生长过程的方法；本发明的另一目的是提供一种模拟连铸过程凝固组织生长过程的方法的专用设备。
本发明一种模拟连铸过程凝固组织生长过程的方法，其特征在于具有以下三个函数控制程序a.对铸坯热模拟单元中心温度的函数加热控制程序；b.对冷却系统的冷却强度可调的函数控制程序；c.对牵引杆或拉杆移动速度或拉伸速率可控的函数控制程序；也即铸坯坯壳凝固团生长速率可控的函数控制程序；
主要通过上述三个函数控制程序的配合运作来研究模拟连铸过程凝固组织生长过程。
本发明一种模拟连铸过程凝固组织生长过程的方法的专用装置或设备，其特征在于该装置或设备主要由加热系统、传动系统、运动控制系统、冷却系统和温度测控系统组成。
a.加热系统主要是由设有保温层炉壁的炉体中央腔体内的发热加热体及其顶端与之相连的加热电极组成；加热电极通过导线与电源连接，并通过温度自动控制装置进行自动调节和控制；炉体腔体中心位置设有一盛放铸坯试样的管形坩埚，其上部插有热电偶，并与工控机相连接，以测试和控制铸坯试样的温度；b.传动系统和运动控制系统主要是由拉伸电机、自旋电机、导杆、传动连接装置组成；该传动系统对位于炉体底部与铸坯试样下端相连的拉杆进行移动或移动运动的运作和控制；运动的速度由与拉伸电机和自旋电机各自相连的工控制来调节和控制；工控机与计算机相连；c.冷却系统是由位于炉体底部的、包围于铸坯试样周围的液体循环冷却组件或小冷循环冷却器构成；冷却液体的流速金通过工控机调节控制；d.温度测试系统包括有认于炉体上部的、装有热电偶的、铸坯试样的测温组件以及位于炉体侧壁部的、插有热电偶的炉气测控温组件；试样测控温组件和炉气测控温组织分别与工控机相连；工控机与计算机相连。
上述专用装置或设备的主要参数如下加热温度范围为室温～2000℃；拉伸速率为0.0001～20mm/S范围内连续可控；冷却速率为0～10℃/S范围内连续可控；拉杆或牵引杆运动速率为在-500～500r/min范围内连续函数可调；拉伸铸坯试样可在径向尺寸0.5～50mm范围内设计为任何形状。
本发明的专用装置或设备还具有下述的特点本装置是一台连铸坯凝固过程的物理模拟装置的同时，也是一台晶体生长控制平台在基本的定向凝固前提下，试样可以根据需要变换形状和尺寸，也可对阶梯状试样进行拉伸，还可以在拉伸试样内部再套装一个小直径的拉伸试样并做到内外分割开来的复合式晶体生长控制。这些试样的拉伸均可在拉伸和旋转函数可调的前提下进行，因此本装置可以用来研究不同的生长条件下的晶体生长过程。比如通过调节试样直径的大小来调节对流时的雷诺数，从而研究自然对流大小对晶体凝固过程的影响，套管情况下的旋转则可以研究小熔体情况下微对流(比如直径1mm)对晶体凝固过程的影响。拉伸试样可设计为径向尺寸在0.5～50mm内的任何尺寸。
图1为本发明模拟连铸过程凝固组织生长过程的方法的示意图。
图2为本发明模拟连铸过程凝固组织生长过程的设备示意图。
图3为坯壳厚度的变化曲线图及相对应的凝固速率变化曲线图。
图4为拉伸试样的形状设计图。
具体实施例方式
现将本发明的具体实施例进一步叙述于后。
实施例1参见图1，图1为本发明模拟连铸过程凝固组织生长过程的方法示意图，本方法中主要设计和设置了三个函数控制程序，作为本方法的研究手段。它们是(1)对铸坯热模拟单元中心温度的函数加热控制程序；(2)对冷却系统的冷却强度可调的函数控制程序；(3)对牵引杆或拉杆移动速度或拉伸速率可控的函数控制程序；也即铸坯坯壳凝固生长速率可控的函数控制程序。
主要通过上述三个函数控制程序的配合运作来研究模拟连铸过程凝固组织生长过程。
参见图2，图2为本发明模拟连铸过程凝固组织生长过程设备示意图。
该设备为本发明方法的专用设备，主要由加热系统、传动系统、运动控制系统、冷却系统和温度测控系统组成。
加热系统主要是由设有保温层炉壁的炉体中央腔体的发热加热体及其顶端与之相连的加热电极组成；加热电极通过导线与电源连接，并通过温度自动控制装置进行自动调节和控制，该装置又与设有加热函数控制程序的计算机相连。炉体腔体中心位置设有一盛放铸坯试样的管形坯埚，其一部插有热电偶，并与工控机相连接，以测试和控制铸坯试样的温度。
传动系统和运动控制系统中，传动系统由拉伸电机、自旋电机、导杆、传动连接装置组成，该传动系统对于炉体底部与铸坯试样下端相连的拉杆进行移动或转动运动的运作和控制；运动控制系统由工控机、定向凝固拉伸运动控制系统软件、控制电路柜组成；拉伸运动控制系统的作用和特点在于拉杆的拉速可遵循一定的函数曲线进行控制，伺服电机能通过离散的数据点拟合设定的函数曲线；拉速-时间关系曲线在工控机上动态可续，拉速随时间变化的曲线可输出数字文本并进行重新绘制；拉杆可以按照设定的函数曲线进行旋转，包括匀速转动、正转反转间歇运动、加速转动和减速转动，且加速度可调。运动的速率由与拉伸电机和自旋电机各自相连的工控机来调节和控制；工控机与计算机相连。
冷却系统是由位于炉体底部的、包围于铸坯试样围困的液体循环冷却组件或水冷循环冷却器构成；冷却液体的流速流量也通过工控机调节控制。冷却强度的可控性，可踩到温度梯度的控制。
温度测控系统由工控机、测控温度软件、低通滤波器、线性放大电路、热电偶及温控表等组成。温度测控系统包括有位于炉体上部的、装有热电偶的、铸坯试样的测控温组件以及位于炉体侧壁部的、插有热电偶的炉气测控温组件；试样测控温组件和炉气测控温组件分别与工控机相连；工控机与计算机相连。温度测控系统的作用和特点在于可任意设置加热和冷却曲线，踩到试样或炉气温度的函数控制。
本发明装置设备的主要参数如下加热温度范围为室温～2000℃；拉伸速率为0.0001～20mm/S范围内连续可控；冷却速率为0～10℃/S范围内连续可控；拉杆或牵引杆运动速率为-500～500r/min范围内连续函数可调；拉伸铸坯试样可在径向尺寸0.5～50mm范围内设计为任何形状。
利用本发明装置设备的鉴定性实验实验例1采用1Cr18Ni9Ti奥氏体不锈钢为母材，制成直径为7mm的试棒，放于高纯刚玉坩埚中，加热到1350℃，保温20min。按照板坯连铸过程中坯壳生长规伸设定拉伸曲线，拉伸曲线位移时间方程为ds=K·t,]]>速度时间方程为 凝固系数K为25mm/min1/2。在拉坯速度设为1.2m/min，结晶器出口处有效长度为800mm。连续定向凝固的均温区加热温度设为连铸过程中的铸坯中心温度1530℃。模拟过程中程序控制界面、坯壳厚度的变化曲线及相对应的凝固速度变化曲线，如图3所示。拉伸开始有5cm长的固定拉速的拉伸过程用以稳定凝固组织。
研究发现，实际拉伸曲线和预设的坯壳生长曲线符合的很好，发现随着凝固的进行凝固组织由细密的激冷组织逐渐变化到柱状枝晶，然后枝晶间距逐渐变大，枝晶长度变短，向着等轴枝晶方向发展，和连铸实际情况符合的较好。
实验例2为了验证装置能否满足铸坯液芯的冷却速度，在温度较高时在不同的温度区间设定了一定的冷却速度，考察冷却情况的跟随情况。
采用1Cr18Ni9Ti奥氏体不锈钢为母材，制成直径为7mm的试棒，放于高纯刚玉坩埚中，加热到1700℃，保温20min。按照下表数据设定温度变化和冷却变化，表中也给出了最终得到的实际的冷却速度，从中可以看出设定冷速和实际冷速较为吻合。因此可以得出此装置可以满足调节连铸坯液芯冷却速度的要求。
权利要求
1.一种模拟连铸过程凝固组织生长过程的方法，其特征在于具有以下三个函数控制程序a.对铸坯热模拟单元中心温度的函数加热控制程序；b.对冷却系统的冷却强度可调的函数控制程序；c.对牵引杆或拉杆移动速度或拉伸速率可控的函数控制程序；也即铸坯坯壳凝固生长速率可控的函数控制程序；主要通过上述三个函数控制程序的配合运作来研究模拟连铸过程凝固组织生长过程。
2.权利要求1的一种模拟连铸过程凝固组织生长过程的方法的专用装置或设备，其特征在于该装置或设备主要由加热系统、传动系统、运动控制系统、冷却系统和温度测控系统组成；a.加热系统主要是由设有保温层炉壁的炉体中央腔体内的发热加热体及其顶端与之相连的加热电极组成；加热电极通过导线与电源连接，并通过温度自动控制装置进行自动调节和控制；炉体腔体中心位置设有一盛放铸坯试样的管形坩埚，其上部插有热电偶，并与工控机相连接，以测试和控制铸坯试样的温度；b.传动系统和运动控制系统主要是由拉伸电机、自旋电机、导杆、传动连接装置组成；该传动系统对位于炉体底部与铸坯试样下端相连的拉杆进行移动或移动运动的运作和控制；运动的速度由与拉伸电机和自旋电机各自相连的工控制来调节和控制；工控机与计算机相连；c.冷却系统是由位于炉体底部的、包围于铸坯试样周围的液体循环冷却组件或小冷循环冷却器构成；冷却液体的流速通过工控机调节控制；d.温度测试系统包括有位于炉体上部的、装有热电偶的、铸坯试样的测温组件以及位于炉体侧壁部的、插有热电偶的炉气测控温组件；试样测控温组件和炉气测控温组件分别与工控机相连；工控机与计算机相连。
3.如权利要求2所述的一种模拟连铸过程凝固组织生长过程的方法的专用装置或设备，其特征在于所述装置或设备的主要参数如下加热温度范围为室温～2000℃；拉伸速率为0.0001～20mm/S范围内连续可控；冷却速率为0～10℃/S范围内连续可控；拉杆或牵引杆运动速率为在-500～500r/min范围内连续函数可调；拉伸铸坯试样可在径向尺寸0.5～50mm范围内设计为任何形状。
全文摘要
本发明涉及一种连铸坯凝固组织生长过程的物理模拟方法及其装置，属金属晶相热处理加工技术领域。本发明方法的特征是具有三个函数控制程序，即加热函数控制程序、冷却强度函数控制程序和拉杆拉伸速率函数控制程序。本发明方法的专用装置，其特征在于包括有以下各系统加热系统、传动系统、运动控制系统、冷却系统和温度测控系统。各系统均有工控机调节控制，各系统应用设定的函数曲线软件的计算机来实现可控操作。本发明装置可满足过铸坯凝固组织生长过程的模拟研究。
文档编号G06G7/00GK101075287SQ20071004268
公开日2007年11月21日 申请日期2007年6月26日 优先权日2007年6月26日
发明者李仁兴, 高玉来, 梁建平, 杜卫东, 龚永勇, 蒋明伟, 翟启杰 申请人:上海大学