有溫度梯度結(jié)晶器的連續(xù)定向凝固技術(shù)的制作方法
【專利摘要】一種有溫度梯度結(jié)晶器的連續(xù)定向凝固技術(shù)，屬于金屬材料加工【技術(shù)領(lǐng)域】。將純銅清理除雜后置于石墨坩堝內(nèi)，將真空熔煉爐抽真空至10-3Pa后，開始加熱熔煉，純銅完全熔化后通入高純氬氣，金屬熔體進(jìn)入結(jié)晶器，結(jié)晶器頂端受金屬熔體以及周圍坩堝的加熱，側(cè)面上部分受保溫裝置保溫，下部分與底端則受冷空氣或者冷卻水冷卻而使結(jié)晶器具有一定溫度梯度的溫度場(chǎng)，耐火材料用于調(diào)節(jié)結(jié)晶器出口與水冷裝置的距離，在下引式連續(xù)定向凝固設(shè)備以4～10m/h的拉坯速度制備坯料。本發(fā)明涉及的技術(shù)，可防止凍口、拉漏現(xiàn)象的產(chǎn)生，降低了拉制過(guò)程對(duì)各項(xiàng)參數(shù)的敏感程度，大大降低了控制難度與設(shè)備要求，大幅提高了生產(chǎn)效率。
【專利說(shuō)明】有溫度梯度結(jié)晶器的連續(xù)定向凝固技術(shù)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于金屬材料加工【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種有溫度梯度結(jié)晶器的連續(xù)定向凝固技術(shù)。

【背景技術(shù)】
[0002]定向凝固技術(shù)對(duì)金屬的凝固理論研究與新型高溫合金等的發(fā)展提供了一個(gè)極其有效的手段。但是傳統(tǒng)的定向凝固方法得到的鑄件長(zhǎng)度是有限的，在凝固末期易出現(xiàn)等軸晶，且晶粒易粗大。為此出現(xiàn)了連續(xù)定向凝固技術(shù)，它綜合了連鑄和定向凝固的優(yōu)點(diǎn)，又相互彌補(bǔ)了各自的缺點(diǎn)及不足，從而可以得到具有理想定向凝固組織、任意長(zhǎng)度和斷面形狀的鑄錠或鑄件；它的出現(xiàn)標(biāo)志著定向凝固技術(shù)進(jìn)入了一個(gè)新的階段。
[0003]1978年，日本千業(yè)工業(yè)大學(xué)大野篤美教授在晶粒型壁游離形核理論的基礎(chǔ)上提出了一種新的定向凝固方法-Ohno Continuous Casting(簡(jiǎn)稱OCC法)，其基本原理是:對(duì)鑄型進(jìn)行加熱，使它的溫度高于熔融金屬液的凝固溫度，同時(shí)在鑄型出口附近進(jìn)行強(qiáng)制冷卻，在凝固金屬和未凝固熔體中建立起特定方向的溫度梯度，從而使熔體形核后沿著與熱流相反的方向，按要求的結(jié)晶取向進(jìn)行凝固，獲得定向結(jié)晶組織，甚至單晶組織。
[0004]中國(guó)專利《一種用于熱型連鑄的鑄型結(jié)構(gòu)》，專利號(hào)01265721.2，是甘肅工業(yè)大學(xué)發(fā)明的一種用于熱型連鑄的鑄型結(jié)構(gòu)，鑄型是由雙高石墨制成的型口、型口外套和定位環(huán)組成。其發(fā)明克服了傳統(tǒng)熱型連鑄技術(shù)中鑄型部分結(jié)構(gòu)是用陶瓷材質(zhì)制成，且不可拆卸的缺點(diǎn)，提供了一種既能適合于熱型連鑄工藝要求、降低成本，又能提高生產(chǎn)效率的熱型連鑄用鑄型部分結(jié)構(gòu)。
[0005]中國(guó)專利《一種熱型連鑄凝固界面的檢測(cè)與計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)》，專利號(hào)200410016564.0，是上海大學(xué)發(fā)明的一種熱型連鑄凝固界面的檢測(cè)與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。其特點(diǎn)是采用凝固界面位置自動(dòng)檢測(cè)裝置，客服了現(xiàn)有技術(shù)中熱型連鑄僅憑經(jīng)驗(yàn)判斷凝固界面狀況的問(wèn)題，采用了計(jì)算機(jī)閉環(huán)控制回路，提高了凝固界面控制的精度和熱型連鑄產(chǎn)品的質(zhì)量和工藝穩(wěn)定性。
[0006]熱型連鑄技術(shù)雖然有很多優(yōu)點(diǎn)，但也有不足之處。首先，傳統(tǒng)OCC熱型連鑄法中的結(jié)晶器并不是嚴(yán)格意義上的結(jié)晶器，而僅有鑄型的作用，固液界面位置是位于結(jié)晶器出口處，依靠表面張力來(lái)防止拉漏。這就要求對(duì)各個(gè)工藝參數(shù)控制精度要求很高，調(diào)整這些工藝參數(shù)達(dá)到最合適的情況以確保固液界面位置穩(wěn)定比較困難，在實(shí)際生產(chǎn)中容易發(fā)生凍口、拉漏等事故。其次，傳統(tǒng)熱型連鑄工藝生產(chǎn)效率有限，制取鑄錠一般的拉鑄速度為I?3m/h0
[0007]本發(fā)明針對(duì)以上一些問(wèn)題，提供一種適合于下引式連續(xù)定向凝固技術(shù)要求、降低工藝參數(shù)控制精度，又能提高生產(chǎn)效率的有溫度梯度結(jié)晶器的連續(xù)定向凝固技術(shù)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有熱型連鑄法使用常規(guī)熱型連鑄結(jié)晶器不易控制固液界面造成的凍口、拉漏及生產(chǎn)效率低等技術(shù)問(wèn)題，提供一種有溫度梯度結(jié)晶器的連續(xù)定向凝固技術(shù)。
[0009]本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是:
[0010]將原料清理除雜后置于石墨坩堝內(nèi)，將真空熔煉爐抽真空至10_3Pa后，開始加熱熔煉，原料完全熔化后通入高純氬氣，金屬熔體I進(jìn)入結(jié)晶器4，結(jié)晶器4頂端受金屬熔體I以及周圍坩堝2的加熱，側(cè)面上部分受保溫裝置保溫3，下部分與底端則受冷空氣或者冷卻水冷卻6而使結(jié)晶器具有一定溫度梯度的溫度場(chǎng)，耐火材料5用于調(diào)節(jié)結(jié)晶器4出口與水冷裝置6的距離，在下引式連續(xù)定向凝固設(shè)備以4?10m/h的拉坯速度制備坯料。
[0011]本發(fā)明的優(yōu)選方案是上述的結(jié)晶器的壁厚為10?30mm。
[0012]本發(fā)明的優(yōu)選方案是上述的保溫裝置的保溫區(qū)域長(zhǎng)度為140?160mm。
[0013]本發(fā)明的優(yōu)選方案是上述的結(jié)晶器與水冷裝置之間的冷卻距離為5?20mm。
[0014]本發(fā)明涉及有溫度梯度結(jié)晶器的連續(xù)定向凝固技術(shù)包括以下步驟:
[0015]步驟一:將原料清理除雜后置于石墨坩堝內(nèi)，將真空熔煉爐抽真空至10_3Pa后，開始加熱熔煉；
[0016]步驟_.:原料完全溶化后，通入聞純1?氣，保溫并開啟冷卻系統(tǒng)；
[0017]步驟三:在引棒的下拉過(guò)程中，結(jié)晶器頂端受金屬熔體以及周圍坩堝的加熱，側(cè)面上部分受保護(hù)裝置保溫，下部分與底端則受冷卻水冷卻而形成具有一定溫度梯度的溫度場(chǎng)。
[0018]步驟四:原料在受頂部金屬熔體的加熱與底部冷卻水的冷卻以及具有溫度梯度結(jié)晶器三方面的綜合影響下，形成向上的溫度梯度，使坯料形成定向凝固組織。
[0019]步驟5:坯料經(jīng)過(guò)牽引設(shè)備的牽引，實(shí)現(xiàn)了連續(xù)生產(chǎn)；
[0020]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于:
[0021]I)與傳統(tǒng)OCC熱型連鑄法相比，具有溫度梯度的結(jié)晶器使得固液界面保持在結(jié)晶器中部，與結(jié)晶器頂端與底端均能保持一定的緩沖距離而防止凍口、拉漏現(xiàn)象的產(chǎn)生，降低了拉制過(guò)程對(duì)各項(xiàng)參數(shù)的敏感程度，大大降低了控制難度與設(shè)備要求。
[0022]2)傳統(tǒng)OCC熱型連鑄法制取鑄錠的一般拉鑄速度為I?3m/h，而有溫度梯度結(jié)晶器的連續(xù)定向凝固技術(shù)的拉鑄速度為4?10m/h，大幅提高了生產(chǎn)效率。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0023]圖1是有溫度梯度結(jié)晶器的連續(xù)定向凝固技術(shù)原理圖；
[0024]圖2是有溫度梯度結(jié)晶器結(jié)構(gòu)圖。
[0025]圖1中:1金屬熔體；2坩堝；3保溫裝置；4結(jié)晶器；5耐火材料；6水冷裝置
[0026]圖2中:d結(jié)晶器壁厚；1結(jié)晶器保溫裝置的保溫長(zhǎng)度；L結(jié)晶器與水冷裝置之間的水冷距離

【具體實(shí)施方式】
[0027]實(shí)施例1
[0028]圖1所示為有溫度梯度結(jié)晶器的連續(xù)定向凝固技術(shù)原理圖，所述結(jié)晶器在引桿的下拉過(guò)程中，結(jié)晶器4頂端受金屬熔體I以及周圍坩堝2的加熱，側(cè)面上部分受保溫裝置保溫3，下部分與底端則受冷空氣或者冷卻水冷卻6而使結(jié)晶器具有一定溫度梯度的溫度場(chǎng)。耐火材料5用于調(diào)節(jié)結(jié)晶器4出口與水冷裝置6的距離。金屬在受頂部熔體的加熱與底部冷卻水的冷卻，以及具有溫度梯度結(jié)晶器三方面的綜合影響下，抑制結(jié)晶器壁上的形核并形成向上的溫度梯度，最終實(shí)現(xiàn)金屬的定向凝固。
[0029]圖2所示為有溫度梯度結(jié)晶器的結(jié)構(gòu)圖，通過(guò)數(shù)值模擬的方法對(duì)有溫度梯度的結(jié)晶器設(shè)備參數(shù)影響因素進(jìn)行分析得到:
[0030]I)結(jié)晶器外壁厚度d對(duì)固液相線位置及固液界面形貌影響均很小，且最佳結(jié)晶器外壁厚度d為10?30mm。
[0031]2)結(jié)晶器保溫裝置的保溫區(qū)域長(zhǎng)度I由160mm降低至120mm時(shí)，相同拉坯速度下的固相線位置有不同幅度的上升，最高穩(wěn)定拉坯速度由7.3m/h提升至10.0m/h ；1的減少會(huì)使得相同拉坯速度下的凝固區(qū)域厚度變大；當(dāng)拉坯速度為10.0m/h時(shí)，保溫區(qū)域長(zhǎng)度為160_時(shí)固液界面近為平面，隨著保溫區(qū)域長(zhǎng)度的減少固液界面逐步由平變凹。結(jié)晶器保溫裝置的保溫區(qū)域長(zhǎng)度I的最佳值為140?160mm。
[0032]3)結(jié)晶器與水冷裝置的水冷距離L由30mm縮短至5mm時(shí)，相同拉坯速度下的固相線位置有所上升，最高穩(wěn)定拉坯速度由8.0m/h提升至11.5m/h ;當(dāng)L = 30mm時(shí)固液界面稍有凹下，縮短至5mm時(shí)逐漸變平。結(jié)晶器與水冷裝置之間的冷卻距離L的最佳值為5?20mmo
[0033]4)結(jié)晶器的縱向溫度梯度為2V?100°C /cm ;橫向溫度度梯度為_2°C?2°C /cm。
[0034]實(shí)施例2:大直徑單晶銅棒材的連續(xù)定向凝固制備。
[0035]采用銅含量為99.999%的純銅為原料，利用具有溫度梯度結(jié)晶器的連續(xù)定向凝固技術(shù)及設(shè)備，制備了 Φ 1mm且表面光亮的大直徑連續(xù)柱狀晶和單晶組織的純銅棒材。制備Φ 1mm單晶銅棒具體工藝參數(shù)為:熔體溫度1150?1180°C，結(jié)晶器出口溫度750°C，冷卻水量900L.h-Ι，冷卻距離50mm。拉坯速度為1mm.h-Ι時(shí)，連續(xù)定向凝固純銅柱狀晶棒材抗拉強(qiáng)度152.39MPa，延伸率為66.7%，導(dǎo)電率為102.1% IACS ;拉坯速度為4mm.1ι_1時(shí)，連續(xù)定向凝固純銅單晶棒材拉強(qiáng)度為128.52MPa，延伸率為76.7%，導(dǎo)電率為105.2% IACS。連續(xù)定向凝固純銅柱狀晶和單晶棒材都具有優(yōu)良的力學(xué)和電學(xué)性能。
【權(quán)利要求】
1.一種有溫度梯度結(jié)晶器的連續(xù)定向凝固技術(shù)，其特征在于，將純銅清理除雜后置于石墨坩堝內(nèi)，將真空熔煉爐抽真空至10-3Pa后，開始加熱熔煉，純銅完全熔化后通入高純氬氣，金屬熔體I進(jìn)入結(jié)晶器4，結(jié)晶器4頂端受金屬熔體I以及周圍坩堝2的加熱，側(cè)面上部分受保溫裝置保溫3，下部分與底端則受冷空氣或者冷卻水冷卻6而使結(jié)晶器具有一定溫度梯度的溫度場(chǎng)，耐火材料5用于調(diào)節(jié)結(jié)晶器4出口與水冷裝置6的距離，在下引式連續(xù)定向凝固設(shè)備以4?10m/h的拉還速度制備還料。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種有溫度梯度結(jié)晶器的連續(xù)定向凝固技術(shù)，其特征在于所述結(jié)晶器的縱向溫度梯度為2V?100°C /cm ;橫向溫度度梯度為-2V?2V /cm。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種有溫度梯度結(jié)晶器的連續(xù)定向凝固技術(shù)，其特征在于所述的結(jié)晶器的壁厚為10?30mm。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種有溫度梯度結(jié)晶器的連續(xù)定向凝固技術(shù)，其特征在于所述的保溫裝置的保溫區(qū)域長(zhǎng)度為140?160mm。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種有溫度梯度結(jié)晶器的連續(xù)定向凝固技術(shù)，其特征在于所述的結(jié)晶器與水冷裝置之間的冷卻距離為5?20mm。
【文檔編號(hào)】B22D11/055GK104353795SQ201410384515
【公開日】2015年2月18日 申請(qǐng)日期:2014年10月29日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月29日
【發(fā)明者】王自東, 史國(guó)棟, 羅翔, 湯浩 申請(qǐng)人:北京科技大學(xué)