液态金属冷却定向凝固设备设计【毕业论文+CAD图纸全套】

买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 1 摘 要 设计了一种新型的液态金属冷却定向凝固设备，可以实现高温合金的熔炼、高速凝固 (液态金属冷却 (向凝固工艺。并对设备的炉体结构、抽拉系统、加热系统，液态金属冷却系统。 关键词 ：液态金属冷却；定向凝同；温度梯度 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 2 a of RS)of 文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 3 第一章 引言 晶器简介 结晶器是 用于结晶操作的设备。结晶器的类型很多，按溶液获得过饱和状态的方法可分蒸发结晶器和冷却结晶器；按流动方式可分母液循环结晶器和晶浆（即母液和晶体的混合物）循环结晶器；按操作方式可分连续结晶器和间歇结晶器。 一种槽形容器，器壁设有夹套或器内装有蛇管，用以加热或冷却槽内溶液。结晶槽可用作蒸发结晶器或冷却结晶器。为提高晶体生产强度，可在槽内增设搅拌器。结晶槽可用于连续操 作或间歇操作。间歇操作得到的晶体较大，但晶体易连成晶簇，夹带母液，影响产品纯度。这种结晶器结构简单，生产强度较低，适用于小批量产品（如化学试剂和生化试剂等）的生产。 强制循环蒸发结晶器 一种晶浆循环式连续结晶器（图 1）。操作时 ,料液自循环管下部加入，与离开结晶室底部的晶浆混合后，由泵送往加热室。晶浆在加热室内升温（通常为 2 6 ），但不发生蒸发。热晶浆进入结晶室后沸腾，使溶液达到过饱和状态，于是部分溶质沉积在悬浮晶粒表面上，使晶体长大。作为产品的晶浆从循环管上部排出。强制循环蒸发结晶器生产能力大，但产品的粒度分布较宽。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 4 蒸发结晶器 即导流筒 是一种晶浆循环式结晶器。器下部接有淘析柱，器内设有导流筒和筒形挡板，操作时热饱和料液连续加到循环管下部，与循环管内夹带有小晶体的母液混合后泵送至加热器。加热后的溶液在导流筒底部附近流入结晶器，并由缓慢转动的螺旋桨沿导流筒送至液面。溶液在液面蒸发冷 却，达过饱和状态，其中部分溶质在悬浮的颗粒表面沉积，使晶体长大。在环形挡板外围还有一个沉降区。在沉降区内大颗粒 沉降 ，而小颗粒则随母液入循环管并受热溶解。晶体于结晶器底部入淘析柱。为使结晶产品的粒度尽量均匀，将沉降区来的部分母液加到淘析柱底部，利用水力分级的作用，使小颗粒随液流返回结晶器，而结晶产品从淘析柱下部卸出。 奥斯陆型蒸发结晶器 又称为克里斯塔尔结晶器， 一种母 液循环式连续结晶器。操作的料液加到循液压控制系统 。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 5 环管中，与管内循环母液 混合 ，由泵送至加热室。加热后的溶液在蒸发室中蒸发并达到过饱和，经中心管进入蒸发室下方的晶体流化床 (见 流 态化 )。在晶体流化床内，溶液中过饱和的溶质沉积在悬浮颗粒表面 ,使晶体长大。晶体流化床对颗粒进行水力分级 ,大颗粒在下，而小颗粒在上，从流化床底部卸出粒度较为均匀的结晶产品。流化床中的细小颗粒随母液流入循环管，重新加热时溶去其中的微小晶体。若以冷却室代替奥斯陆蒸发结晶器的加热室并除去蒸发室等，则构成奥斯陆冷却结晶器。这种设备的主要缺点是溶质易沉积在传热表面上，操作较麻烦，因而应用不广泛。 自从 20世纪 60 年代以来，高温合金的发展极大地促进了定向凝固技术的进步。早期的发热铸烈法由于不能获得稳定的凝固组织已经很少 使用。功率降低法使用多组加热元件自下而上逐步切断功率以实现定向凝固，但由于切断功率只能分组进行，铸件轴向的凝固组织仍然不能很好地控制，特别是很难得到均匀一致的定向组织。 法利用了铸型移出技术，这种相对高速率的凝固技术始于 20世纪 70 年代，现已发展成更先进的沸腾床 (流态床 )法，液态金属冷却法等定向凝固技术。 充分利用各种类烈的辐射挡板来隔离炉子的冷热区，从而有效地提高了温度梯度。这些挡板采用固定在铸形热发生器下面的碳基材料挡板或是水冷挡板环的形式。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 6 时候，主要通过铸件把热传导到水冷板产生冷却。然而，随着铸件的拉出，其传热效果很快降低。这是囚为大多数高温合金的导热能力低，铸件的散热逐渐依靠真空中模壳向水冷炉壳的辐射散热，由此导致凝固前沿的温度梯度逐渐降低。为了保持稳定的凝固界面，抽出速度必须降低，否则由于成分过冷就会形成等轴晶。低的抽拉速率还导致了雀斑和晶粒偏离预期的择优生长方向，增加了废品率。降低抽拉速度也导致了生产周期的延长，引起铸模和金属反应以及铸模蠕变以致破裂。另外使用多组铸模，常常囚为辐射散热的不对称导致固液界面倾斜而使上述问题更加突出。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 7 为了克服 术定向凝固温度梯度低且不稳定的问题，研究者提出了多种新的技术，其出发点大都是加强对铸件已凝固部分的冷却。典烈的有气冷法(,流动床淬火法 (液态金属冷却法 (。瑞士 司为发展叶片制备的需要，利用 辐射挡板下边借助高速惰性气体冷却铸件的凝固部分，其冷却效果为 术的 2. 5倍 50 20 其周围的水冷夹层带走热量。 结晶 器的应用 结晶器是连铸机上的铸坯成型装置，也是连铸机的核心设备之一，其作用是通过强制冷却连续注入结晶器内腔的钢液，导出热量，使钢液逐渐凝固成具有所要求断面形状和一定坯壳厚度的铸坯，并将芯部仍为液相的铸坯连续地从结晶器下口拉出。在钢液注入结晶器逐渐形成一定厚度坯壳的凝固过程中，结晶器同时受机械应力和热应力的综合作用，其运行状况直接关系到连铸机的顺行、铸坯的质量和产量。目前，国内外常规大板坯、大方坯和小方坯连铸机结晶器技术基本成熟，此文仅探讨薄板坯和中薄板坯连铸机的结晶器的相关技术。 截至 2008 年底，世界上共建设薄板坯 ( 包括中薄板坯 ) 连铸连轧生产线 65 条，年生产能力达到 11 008 万 t。其中， 产工艺占世界薄板坯连买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 8 铸 0% 以上；其次是 艺，占总产能的 其中，中国共建设不同类型的薄板坯连铸连轧生产线 14 条，年产能 3 530 万 t。 1 结晶器的种类及主要特点 薄板坯和中薄板坯连铸设备的核心是结晶器。设计要求结晶器弯月面区域必须有足够的空间，以插入浸入式水口，且满足水口壁与结晶器壁之间无凝固桥形成，钢液温度分布均匀，有利于保护渣熔化；弯月 面区钢液流动平稳，防止过大紊流而卷渣；结晶器几何形状应满足拉坯时坯壳承受的应力最小。 漏斗形结晶器 几何形状 德马克公司 艺的第一代立弯式结晶器，上部是垂直段，下部是弧形段，侧板可调，上口断面是矩形，尺寸为 (6080) (6501 330) 大利阿维迪生产线采用该结晶器后，发现这种形状的结晶器只能使用薄片形浸入式水口，而且即使这种特殊形状的长水口很薄，插入结晶器内与结晶器壁也只能保持 1015 间隙，造成水口插入处宽面侧保护渣熔化不好，且很难获得可恒定控制的保护渣层 ，薄板坯的表面质量较差。 阿维迪厂在 1993 年开始改进该结晶器，重新设计了其上口断面形状，由原平行板形改为小漏斗形，结晶器上口宽边最大厚度为 60+(10 2) 种形状一直保持到结晶器下口仍有 (2)小鼓肚。近年来，其结晶器的小鼓肚越改越大，现使用的上口宽边最大厚度已达 60+(25 2) 口为 60+(5 2) 水式水口仍是薄片形，尽管壁厚有所增加，但其距器壁两侧的间隙大大增加，改善了保护渣层的熔化状况，薄板坯表面质量也有了很大改进。 西马克公司 艺所用的漏斗形结晶器，上口宽边两侧均有平行段，再与圆弧段相连接，上口断面较大。这个漏斗形状在结晶器内保持到长 700 晶器出口处铸坯厚度为 5070 晶器总长为 1 120 口的漏斗形状有利于浸入式水口的浸入，在结晶器的两宽面板间垂直方向形成了一个带锥度的空间，而漏斗区以外的两侧壁仍然是平行的，两侧壁间的距离相当于板坯厚度。漏斗形结晶器在形状上满足了长水口插入、保护渣熔化和薄板铸坯厚度的要求，经多条生产线使用，均收到较好效果。 主要特点 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 9 漏斗形结晶器的创新点在于其打破了传统板坯连 铸结晶器在任意横截面均相同的限制，其结晶器腔内凝固壳的形状及大小按非矩形截面逐步缩小的规律变化。但是，钢液在这种结晶器内凝固时要产生变形，特别是拉坯过程中机械变形产生的应力可能导致固液界面裂纹的发生，并最终影响热轧带卷的质量。因此，漏斗形结晶器的理想形状是尽量减小坯壳间两相区的弯曲变形率，使坯壳在变形过程中其固液界面的实际变形率小于产生裂纹的临界应变率。基于上述要求，漏斗形结晶器必须保证厚度过渡区的弯曲弧度设计准确，且拉速尽可能稳定。 我国钢铁研究总院等单位对薄板坯连铸结晶器技术进行了深入研究，认为 漏斗形结晶器技术从根本上解决了浸入式水口的使用寿命问题，使得高效连续生产薄规格铸坯变为现实。同时由于漏斗形结晶器上口表面积大，为保护渣的熔化创造了条件。 应该指出的是，漏斗形结晶器的缺点是坯壳在结晶器内变形易产生裂纹，限制了像包晶钢这类难浇品种的薄板坯连铸。必须结合钢液本身收缩的计算来设计结晶器的过渡段。尽管该类型结晶器由弧线变直线的过渡段仅 100 5 m/拉速下铸坯通过此段仅需几毫秒，但仍要给予高度重视，一般采用有限元法优化设计变形段。为了减少或减缓漏斗形结晶器内的铸坯变形，可采 取以下措施： 1) 尽量减小漏斗的开口度。 2) 将铸坯由漏斗形过渡到矩形，变形段加长。 3) 优化结晶器内腔形状设计，使结晶器内金属变形分布更加均匀、平缓，降低变形速率，降低铸坯产生裂纹的可能性。 漏斗形结晶器在维护上与常规连铸结晶器的维护没有太大区别，主要应注意避免铜板表面的划伤和残钢粘结。浇铸过程中应确保足够的润滑，预防水口破裂导致溅钢、溢钢以及漏钢事故。 技术进步 考虑到漏斗形结晶器不适合浇铸较窄的中等宽度薄板坯，而平行板形结晶器的薄片状浸入式水口成本太高，且难以实现 浇注薄规格铸坯，因此对漏斗形结晶器做了两个关键性的改进： 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 10 1) 漏斗形结晶器的图形方案在弦长的中间区域为圆弧区，圆弧半径由上到下连续变大，圆弧区的两边为倾斜的三角形平面区，此圆形方案的特点是平行于 X 轴的任意截面。角度相等，且等于起始角，因而任意截面上的中间圆弧与两边直线不相切而相交。 2) 漏斗形的开口度是设计此种结晶器的一个重要参数。结晶器的开口度较大，坯壳向下运动时斜率也大，导致拉坯阻力增加。通过适当改变浸入式水口横截面的形状，把开口度由 170 小到 120140 铸 效果较好。 漏斗形结晶器在使用中存在寿命短、结晶器的形状不能保证铸坯有最好的表面质量两大缺点。西马克公司经较长时间的研究和传热计算，对其上部形状进行了优化保证钢液进入后不致产生漩涡，大大减少了铸坯表面缺陷。自动控制的水冷系统使铜板上部传热合理，冷却效果变好，铜板外冷却水槽水流速控制在 10 m/s 以上，水压大于 的蒸发量减小。结晶器寿命大大提高，一般在 200500 炉，修磨后仍可使用。优化设计的漏斗型结晶器长 1 100 晶器铜板上口单侧最大鼓肚为 5060板的漏斗区高度为 750850 晶器下部为平面；采用平行于铜板工作面的水槽式冷却。我国马钢的 实践证明，漏斗形结晶器鼓肚处每增加 5 面质量可成倍地改善，显然这和上口面积增大有利于保护渣加入、熔化和吸附夹杂密切相关。 斗型结晶器内钢液的流动特征除了与结晶器本身形状有关外，主要受浸入式水口结构的影响。生产中发现，漏斗型结晶器在浇注不同钢种和不同规格的铸坯时，也存在设计缺陷，主要表现为铸坯的纵裂、连铸过程粘结、漏钢事故较多等。针对这些问 题北京钢铁研究总院与唐钢合作，对漏斗型结晶器宽面和窄面铜板进行了优化，满足了生产低碳钢的高拉速需要，减少了裂纹缺陷。 晶器 几何形状 漏斗形结晶器 (是意大利达涅利公司薄板坯连铸机的核心设备，这种结晶器的形状的优点是内部容积大，通过的钢液流量也大，且有更好的钢液自然减速买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 11 效应。该结晶器长度为 1 200 度为 112201 620 度为 55， 60， 65 和 70 主要特点 该结晶器的主要特点是其鼓肚形状由上至下贯穿整个铜板，并一直延续到扇形 1 段的中部。结晶器出口处为将铸坯鼓肚形状矫平而特别设计了一组带孔型的辊子，对铸坯鼓肚进行矫平的设备长度比仅用连铸机结晶器时长了两倍，也就是说这与仅用结晶器来矫平坯壳的鼓肚相比，坯壳上所受的应力大大降低。并且 晶器熔池体积增大，可以盛装更多的钢液。同时，结晶器上部尺寸加大，可使水口形状设计更合理，保证结晶器内液面稳定，提高保护渣的润滑效果，改善热交换条件，提高拉速，减少裂纹倾向。 结晶 器与漏斗形结晶器的主要区别在于坯壳在结晶器内的变形不是在一定高度上完成，而是沿整个高度凝固壳的形状和大小均按非矩形截面逐步缩小。达涅利公司认为， 晶器能更好地控制初期坯壳的形成过程，生产高质量的铸坯。 平行板形直结晶器 奥钢联公司 艺的平行板形直结晶器，浸入式水口也是扁平的，钢液从水口两侧壁流出。结晶器断面尺寸为 (70135) 1 500 类薄板坯实际上是中薄板坯。奥钢联从节能降耗的角度出发分析，得出 7090 为 不必追求铸坯厚度太薄，趋向中等厚度。从结晶器形状来看，奥钢联强调只有钢液在其内凝固时不变形，且保持液面平稳，才有利于消除铸坯表面裂纹促使结晶器内钢液中夹杂物上浮和防止卷渣，主张使用平行板形结晶器。 主要特点 平行板形直结晶器内腔的横截面从上到下均为全等矩形，只是铸坯厚度较薄情况下，因避免了铸坯变形产生的坯壳应力，而且在宽度和长度方向上，结晶器热量能够保证均匀散失。但在铸坯较薄的情况下，须将浸入式水口制成薄片状。 司都采用了专为薄板坯连铸机研制的薄片状浸入式水口，保护渣化渣状况得 以改善。但是，薄片状浸入式水口插入结晶器内与结晶器壁只有 1015 间隙，造成水口插入处宽面侧保护渣熔化不好，且很难获得能恒买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 12 定控制的保护渣层，影响薄板坯的表面质量。另外，鉴于薄片状浸入式水口的特殊形状和恶劣的工作条件，虽然采用 高级耐火材料，水口寿命仍然较低。 综上所述，目前使用效果较好的薄板坯连铸机结晶器有 3 种： 1) 漏斗形结晶器，如在 艺和改进后的 使用工艺。 2) ( 凸透镜 ) 结晶器，如在 艺上使用。 3) 平 行板形结晶器，如在 从坯壳受力情况来看，平行板形结晶器优于漏斗形和 结晶器；从空间大小来看，漏斗形和 结晶器优于平行板形结晶器。目前 5090 的薄板坯连铸机，多数使用漏斗形结晶器。 结晶器性能对连铸过程和铸坯性能的影响 由计算可知，漏斗形结晶器的钢液表面积约为铸坯横截面积的 ，晶器钢液面面积更大，而平行板形结晶器的钢液表面积等于铸坯的横截面积。钢液表面积大，钢流易于平稳，储存的钢液也多，既有利于控制液面稳定，又有利于夹杂物上浮。同 时，有充足的热量保证保护渣的熔化。 晶器内的钢液流动 拉坯过程中，根据沿横截面钢液流量相等的原则，漏斗形结晶器钢液向下流动的速度沿横截面的各个部位的差别较大，因而易造成紊流，出现表面夹渣现象，拉速越高，这种现象越明显。 晶器漏斗趋于平缓，比漏斗形结晶器要稳定得多，而平行板形结晶器则不存在这个问题。 与平行板形结晶器相比，漏斗形结晶器上口开口度保证了浸入式长水口有足够的插入空间和保护渣熔化，并为使用较厚壁长水口提供了有利条件。但漏斗形结晶器的设计和制造较复杂，维修和加工困难，拉 坯时摩擦阻力增加，运行成本较高。平行板形结晶器与传统板坯连铸机相同，维修方便，消耗也低。 结晶器的传热 结晶器内热电偶测试表明，平行板形结晶器在宽度方向上传热一定，可以得到均匀的凝固坯壳，二维温度解析结果则显示漏斗形结晶器传热不均。 平行板形结晶器有利于钢液横向流动 ( 由水口喷出的钢液引起 ) 和由温差引起的横向对流，因而对减少熔池各部位的温差有利。漏斗形结晶器由于漏斗买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 13 区扩大，影响对流，弯月面附近区域温度较低，易形成“搭桥”现象。平行板形结晶器则需要解决在板坯厚度方向上浸入式水口与结晶器壁间的 距离，保证不凝钢。 定向凝固技术 进展及应用 定向凝固技术是研究凝固理论、制备定向或材料的重要手段。其中液态金属冷却（ 温度梯度定向凝固技术可以改善凝固组织、提高力学性能，是定向凝固技术的学术前沿。 于性能先进的定向凝固设备融合了我国机械制造行业非标设计的很多极端条件，因此备受关注。其中 定向凝固是一种强制性凝固过程。典型的定向凝固方法由 明，其原理为由隔热层将装置的上部加热区和下部冷却区隔开而形成沿铸 件轴向形成一维温度梯度，铸件在上部被熔化和过热，下部进行强制冷却，凝固界面位于隔热挡板附近，通过向下抽拉实现中向排列的凝固组织。 定向凝固技术在工业和高技术领域具有非常重要和广泛的应用。它被用来生产磁性材料、航空和地面燃机涡轮叶片、自生复合材料以及各种功能晶体。定向凝固技术具有代表性的成就是燃气轮机叶片材料的制备，目前先进的涡轮喷气发动机的涡轮前进口温度已达 1 950 了保证发扦材料的性能潜力，要求叶片材料的凝固组织具有择优生长的 晶向与轴向热流方向一致 :同时具有细化的凝固组织、低的枝晶偏析，并尽可能不出现凝固缺陷和有占相。国内外大量研究表明 ,提高定向凝固过程中，固 实现上述两个目标的重要途径。高温度梯度定向凝固可以允许在更高的生长速率下实现定向凝固，囚而还极大地提高了叶片制备的效率。目前制备叶片 要采用传统的高速凝固法，该技术已经相当成熟，具有设备结构简中，工艺稳定等优点，特别适合制备航空发动机叶片等小烈铸件。 近年来，新高温合金中添加大量难熔元素带来了结晶温度间隔增大、偏析加剧等问 题。另外，随着大尺寸工业燃气轮机 (叶片制各的发展，暴露出 温度梯度低且随凝固过程的进行很快下降，使 片制备在传统的 见，高梯度定向凝固方法及相应制备买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 14 装置的研究，是先进航空发动机和工业燃气轮机中晶高温合金制备的核心技术，也是近年来航空发动机热端部件制备技术竞争的热点。 在基础研究领域，定向凝固是研究金属凝固和晶体生长的基本手段之一。定向凝固的冷却速率可以由 410 K/s 到 410 K/s、因此可以制各从接近平衡到远离平衡的超细和业稳态组织，在此过程中所产生的一系列凝固现象，一直是材料学家研究的重要领域。从某种意义上讲，凝固和晶体生长理论的发展以及新材料的研制，取决于定向凝固技术的发展水平。 本课题提出的背景及意义 液态金属冷却 (向凝固技术用于制备涡轮叶片开始于 20世纪 70年代，但由于当时高速凝固技术 (较成熟，而且其工艺相对比较简单，可以满足小尺寸定向和航空发动机叶片的制备需求，在一定程度上减缓了液态金属冷却定向凝同技术的发 展。自 20世纪 90年代开始，工业燃气涡轮机的发展促进了对大尺寸定向和叶片的需求。然而传统的 着铸件的拉出，其传热效果很快降低。这是因为大多数高温合金的导热能力低，铸件的散热主要依靠真空中型壳向水冷环的辐射散热，由此导致凝固前沿的温度梯度逐渐降低而无法实现定向凝固。 却效果比较稳定，适 合制备大尺寸燃气轮机叶片，由此促进液态金属冷却定向凝固技术及其设备的发展。工业燃气轮机叶片主要生产厂商美国通用电器 (德国西门子联合起 来发展工业 备和工艺。德国 学用 为冷却介质来研究 西门子 994 年启用了“涡轮叶片的先进铸造工艺”的 6 年计划。 学安装了当时最大容量为 38 备。对工艺参数如柔性辐射挡板和液态金属池的液体流动都进行了系统的研究，确定了最佳的工艺参数，且生产出了大尺寸定向和的叶片。所用的设备为当时世界上最大的 备，其容量超过 100 液的重量达到了 18 000 美国，密西根大学和 司也开展了同样的工作。对不同的冷却介质，锡和铝进行了比较，同时也进行了工艺参数对显微组织和缺陷形成影响的研究。国内中科院金属所也研制了 向凝固设备，其熔炼重量达到买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 15 15 备试样长度达到了 280 见，目前国外液态金属冷却定向凝固技术的发展主要是用于制备大尺寸工业燃气轮机叶片，而国内同类设备尚在研制中，更没有应用于工业生产。目前已有定向凝固设备的结构和性能与国外还存在较大的差距，叶片制备成功率比较低。为了对涡轮叶片以及用于工业燃气轮机的大尺寸叶片进行研 究，根据以往的研究基础，借鉴国内外的技术和经验，研制了一台液态金属冷却定向凝固设备。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 16 第二章 结晶器结构设计 总体方案 2 1 定向凝固 设备功能及技术要求 2 1 1定向凝固 设备功能 定向凝固设备是一台将原材料熔化，然后经过特定的结晶系统，在保护气氛下，实现连续结晶生长，形成内部致密的柱状晶甚至组织的线材，并冷却至室温的半连续装置。这台装置具有以下主要功能： 1)实现原材料的无污染单炉熔化，连铸坩埚温度可维持稳定。 2)实现单炉垂直下引式连铸，特定的下引 式结晶系统的结晶凝固条件应满足定向凝固的条件，并能长时间持续地保持恒定； 3)形成的线坯经冷却至室温，在整个冷却过程不发生线坯表面氧化 2 1 2定向凝固设备技术指标 1)产品规格：直径 8材； 2)牛产能力： 100 (20炉天 )； 31坩埚容量：一次熔化 5铟 (或金、银 )合金材料。 2 2 镓 锡（ 连续形成的条件在设备上的实现方案及参数确定 2 2 1镓 锡（ 形成条件在设备上的实现方案 (1)保护气氛系统 由于 该设备是制备高纯度材料的连铸，在整个制备过程中，必须考虑防止二次污染。因此，该设备的熔化、定向凝固及铸坯冷却系统均应实现与大气完全隔买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 17 离，制备的每个环节中金属熔液及金属制品都不能与空气接触，并且保护气氛用气体需要净化。 1)选用高纯氩气 在使用前经过净化和干燥 (采用工业气体净化装置 )。 2)熔化，连铸系统设置在一个真空室内。采用先抽气再充气的方式，实现整个系统保持在良好的保护气氛中。在抽气时，应将未加热的热铸型出口加以密封，当炉内保护气体压力充至稍高于大气压的微正压时，撤去密封。 3)由于在 工作时真空室内处于微正压状态，真空室盖 (门 )必须加锁紧扣。并应设置防爆阀。 4)在冷却区采用水帘密封，内空间充保护气体，实现与外界大气的隔离，防止己凝固的铸坯表面的后续氧化。 5)合理设计充气口布局，充分保证所有外露金属熔液表面以及结晶口出口处金属坯棒表面的有效保护，并在设计充气管位置时要考虑气体温度对熔液温度、铸型温度及金属坯棒温度的干扰。 6)所有与金属液接触的部位与容器，均用高纯高致密高强度的三高石墨制造。 (2)熔化连铸供液系统 采用石墨坩埚高频加热，将合金料熔化成熔液，并保持恒定温度，流入连铸 区。 1)熔炼坩埚容量为 8次熔炼 5 2)高频电源功率取 1525采用非接触式温度检测装置 (双色红外测温 )检测。 (3)定向凝固系统 实现定向凝固是获得定向生长的柱状晶或组织的必要条件。定向凝固连铸的实现，即是在连铸过程中创造一个定向热流区，使液固界面位于定向热流区内，金属液的凝固在这定向热流区内进行。 定向热流区设置在紧挨连铸坩埚的下方，它由定向热流热端、无侧向热流的定向热流区和定向热流冷端组成。 定向热流热端是一个有一定形状内腔的热铸型，金属液进入其内腔，由它形买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 18 成金属坯棒形 状，并通过它与冷却端形成一具有定向热流的单向温度梯度场，使金属液定向凝固形成金属坯棒。热石墨铸型由感应线圈产生的电磁场加热，温度应精确控温，控温精度在 1。 定向热流冷端为一带有电磁屏蔽的水冷镓 锡（ 。冷却水将热端传过来的热量带走，在定向热流区形成单向的温度梯度场。 在热端与水冷镓 锡（ 之间形成定向热流区。高性能的绝热层加上水冷镓 锡（ 上方的屏蔽圈隔离感应电磁场对定向热流区内金属坯的感应加热，有效地防止该区的侧向热流，确保了在该区的金 属液实现定向凝固的基木条件。 定向热流区内的铸型采用高纯石墨料制成，并要求内腔光洁度达到镜面。 为了便于安装、定位和更换，熔化坩埚、热铸型、定向热流区以及水冷镓 锡（ 用高性能绝热材料灌铸，组装成一个部件，既确保了连铸热铸型位置精度，又便于安装、更换。 (4)连铸坯冷却系统 连铸坯的冷却直接影响着刚出热铸型的连铸坯中心部位的冷却状况， 铸坯中心部位冷却不好，会使凝固界面下凹，从而导致柱状晶生长的中断，出现 杂晶。采用冷却，强化连铸坯中心部位的冷却是保证在定向热流区中凝固界 面形态不出 现凹面，不破坏定向凝固的关键环节，也是确保液体金属压头能作用 在凝固界面处，使连铸坯组织致密化的重要措施。 冷却是将连铸坯浸泡在流动水中，在浸入处加设一喷水环，将冷却水喷在连铸坯表面，采用连铸坯与流动水直接换热方式来把铸件的热流带走。以强化二者间的换热。 带水密封的冷却水槽结构。冷却水面位置 (离热铸型出口的距离 ) 应可根据冷却强度要求，上下调节 (利用水封槽支架的升降实现 )。流动水由水槽底部进入，上口溢出，以保持流动水水位的恒定。 采用水密封将水冷槽的空间与外界环境隔离。并用充水一排气一充保护气的方法，将水冷 槽上方的空气排出，再充入保护气体，确保连铸坯在冷却前不被氧化。 为了能观察到连铸坯拉出热铸型的情况，冷却水槽部件全部采用透明的耐热买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 19 材料 (耐热玻璃或石英玻璃 )制作。 冷却水质会影响金属杆的表面质量，冷却水应用洁净水 (如蒸馏水 )， 不宜用炉体冷却循环水槽中的水。应采用单独的循环系统，必要时可考虑设置冷井控制水温。冷却水循环流量可从 可调，温度控制在 20左右。 连铸坯经过冷却后，由二次水冷槽底部拉出，二次水冷槽底部有密 封环节防止冷却水渗漏。 (5)牵引系统实施连铸金属坯棒运动的驱动系 统，它是实施抽拉速度 (金属凝固速率的主控参数 )的装置，实现金属坯棒的连续稳定的结晶凝固，该装置的性能质量是关键。 应有一套较好的金属坯棒夹持系统，以确保驱动时无打滑，不产生金属棒塑性变形等问题；在驱动辊轮表面可涂覆一层橡胶塑料材料来满足上述要求。 用一套交流伺服系统做驱动力，交流伺服电机功率不低于 200W。 配置金属坯棒实际运动速度检测装置，并作为实测参数反馈进入工控系统，实现相关的参数控制。 金属坯棒运动速度设定在 5应可连续调节， 在 24小时连续运行中稳定，波动小于 0 5。 (6)盘丝系统 连铸成形的金属坯棒需成盘包装，盘丝系统可沿用各种拉丝设备的盘丝装置，实现盘丝。 (7)工控系统 为了实现金属液连续地定向生长以获得致密、表面光亮的定向凝固组织的线坯，各项连铸工艺参数的监控，是必要的保证措施，充分发挥工控系统的各种功能，实现对过程的全监控，是本设备的一个重要措施。工控系统应实现如下功能： 金属坯棒连铸速度 (牵引速度 )的人工设定、引晶阶段中变速过程的设置与控制，以及实现在连铸过程中凝固界面压头的实时控制。 金属坯棒连铸速度 (牵引速度 )、凝固界面压头的显示与记录。 各 点温度讯号的处理： 熔池镓 锡（ 温度的显示与记录。 热铸型出口温度的设定、控制与显示。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 20 热铸型入口温度显示与记录。 连铸牛产流程中其他一些工艺参数的处理及记录 (采用人工介入记录 ) 每次熔炼的金属料重： 熔炼处理的各项参数 (熔化功率、熔化时间等 )； 各点保护气体用量 (流量 ) 环境温度、湿度等； 各路电源、电压、电流； 储存及打印生产过程中所有记录 (可选择 )。 安全保护及报警功能 (具体项目另定 )。 (8)其他 引晶过程控制及引晶系统： 引晶成功与否是连铸牛 产的关键，引晶过程控制是一重要环节，采用变速 引晶是解决这问题的一个措施，设备工控系统应考虑变速引晶中各项参数(调速节拍、速度变化量、引晶总时段 )的自如调节。 引晶杆由引晶头和杆身组成。连铸坯拉出牵引系统后，杆身可卸下，引晶头保留在连铸坯上。 凝固界面前沿恒定金属液压头控制系统： 保持连铸时凝固界面前沿的液体金属压头恒定，是确保连铸坯内部致密、组织均匀的重要措施。也是解决下引式热型连铸的泄漏问题的关键举措。通过拉铸速度的测定，由控制中心算出液位下降速度，换算成压头补偿量；采用精密气压补偿系统，提供作用在液 面的气压补偿量，以保持凝固界面前沿压头的恒定。 同心电缆系统： 为了将高频电流引到真空炉室内的感应线圈，又必须防止其对真空炉壳的感应加热，采用水冷同心电缆结构引入。同心电缆外壳接地，高频电流由芯棒引入线圈，并从线圈另一端进入同心电缆外壳接地。同心电缆还起到支撑线圈、并调节移动线圈上下位置的作用。同心电缆进入真空炉壳处还必须解决密封，隔离真空炉壳内外的问题。 同心电缆的上下移动有二方面的作用： 1、提升足够高度，便于坩埚、铸型、定向热流区和水冷镓 锡（ 的整体组件的安装、更换； 2、调节买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 21 定 向凝固区热端与熔 池温度的匹配。 同心电缆的移动可手动，也可电动。移动后要能锁紧，防止在拉铸过程中位置发生变动。移动的位置 (即线圈与坩埚的相对位置 )及移动量要有显示。 真空炉壳采用前开门结构，便于坩埚整体组件的安装、更换及加料。 热铸型内腔一冷却系统中心一牵引辊轮轴线的同轴度问题： 由于结晶器不可能与冷却系统和牵引系统整体安装，并且热铸型是一个易耗品，需定期更换，因此，在装置设计中必须考虑这三者的同轴度可调节工艺性 (即可方便调节并可检测 )，根据实际使用经验，要求不同轴度不大于 0 1 为了能有效抽掉真 空炉体内的空气，在二次水冷却区与定向热流区之间应有专门的隔离措施。当在连铸室抽真空时，该处关闭，当需要插入引晶杆引晶时，该处打开，使定向热流室与冷却室连通。在此连通前，先用充水一排气一充保护气的方法，将已水密封的二次水冷槽上方的空气排出，再充入保护气体，确保连铸坯在冷却前不被氧化。 水封槽的升降要自如，高低可手动微调，并要有位置读数指示。 系统电源、仪表及工控的抗干扰问题： 由于连铸过程是一个长期工作流程，因此对系统的稳定性有特殊的要求， 系统的电源仪表及工控系统都必须要求工作稳定可靠，并应有很好的抗干扰 能力。特别是在生产过程中熔炼工序是采用高频感应加热，鉴于我国的高频电源波形十分复杂，存在很多的高次谐波与杂波，对弱电系统的干扰很强，因此如何搞好电源的隔离、屏蔽以及提高各电子系统的抗干扰能力是该装置设计制造时必须 解决的问题。 事故紧急处理系统的设置问题： 在发生事故时如何保护人身安全，设备安全以及环境是一个设备必须考虑的问题，与此同时，还应在有事故预兆时，及时报警，预告操作者尽早采取补救措施，避免事故发牛或使事故造成的损失降低到最低限度。 停电保护： 停电时，炉壳、线圈以及所有需要强制冷却的部位不应 停水； 停水保护： 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 22 最好要有应急水箱的设置： 超温断偶保护：当温度失控或热电偶断了时，应及时报警并切断电源 (该功能可由控温仪表设置完成 )； 防爆保护： 冷却水过热会产生大量气体，特别在线圈渗漏 (炉衬烧穿损坏线圈 )时极易发生事故，应设有防爆安全阀，压力大到一定程度时能项开此阀， 实现保护 (注意：由于该连铸生产是在微正压的保护气氛下进行，所以，真空炉室的门在工作状态下锁扣是锁住的 )。 常规机械保护和电气保护： 为保护机械运动装置的限位系统、离合打滑系统以及电器安全的过流过压保护系统等，应在该装置 设计中充分考虑这些常规保护以确保设备的安全。 2 2 3工艺参数的设定 工艺参数的控制必须满足下面三个条件： (1)始终保证沿拉铸方向具有稳定的正温度梯度； (2)始终保证拉铸过程中不会出现金属液拉漏或者铸件不会拉断的现象； (3)确保拉铸的铸坯具有良好的表面质量。 要满足上述条件，固液界面位置和形状的控制非常重要。定向凝固过程中固液界面的位置是衡量其过程稳定性的重要指标，是诸多工艺因素影响连铸过程的综合反应。在定向凝固过程中，在铸件本身的传热作用下，铸型内形成温度场， 任何影响到该传热过程和温度场的因 素都会使固液界面在铸型内的位置发牛变化。该工艺中的关键问题就是控制固液界面在型内的位置。界面进入铸型内过多， 铸件与型壁的摩擦力增大，使铸件表面拉花、拉裂，拉不动甚至拉断；而界面超出铸型外，若金属液的表面张力不足以平衡本身的重力和附加压头，则极易发生拉漏。 (1)固液界面的定义及确定 对于定向凝固，固液界面位置位于结晶器内越深，则越容易出现卡死、拉断或者结晶器内壁划伤铸定表面的现象。如果固液界面过于接近结晶器出口，虽然对于提高铸锭表面质量有利，但是对于高熔点、大直径金属的定向凝固。在定向凝固过程中，由于铸型 被加热到所铸金属的熔点以上，所以其固液界面呈凸向金买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 23 属熔体的形状。这样固液界面在结晶器型腔内所处的位置原则上说应该是在一个长度区间而不是一个固定的数值。但为了处理方便，我们仍希望能用一个固定的数值来衡量固液界面的位置。这样就存在一个以何处为标准来确定固液界面位置的问题。如以中心处为标准，在固液界面为凸形时对于防止卡死或者拉断是有意义的。但是在定向凝固过程中容易出现危险更大的拉漏现象的发生。这时如以中心处为标准，当判断出固液界面位于结晶器出口时，由于铸锭边缘处的固液界面已经离开铸型，因而常出现挣漏现象，尤其对于 连铸大直径或者高熔点金属线材。为此定义结晶器内壁上固相与液相金属的交界处为连铸过程中固液界面的位置，在可防止挣漏现象发牛的同时，可制得表面质量优异的线材，而且这个位置更容易测得。已有实验证实，理想的固液界面位置应该位于结晶器出口处。 (2)固液界面位置的确定方法 上述已经将固液界面位置定义为结晶器内壁上固相与液相的交界处，而连 铸过程中镓 锡（ 熔点温度是已知的，如果能够确定结晶器内壁上金属的温度分布，就可以确定出固液界面的位置，但是这个温度分布是无法直接测定的，与这个温度分布最接近的 就是结晶器内壁的温度分布。用其与熔体熔点对照也能得出一个固液界面的位置，只是这个固液界面位置与实际的固液界面位置存在一定的误差。尽管如此，这种确定定向凝固过程中固液界面位置的方法仍然不失为一个比较好的方法，其最大的特点就是可以随时对固液界面位置进行监测。有实验证实发现可获得良好的铸锭表面质量的固液界面位置大致在深入铸型 4 (3)固液界面的形状 定向凝固过程中宏观固液界面的形状是影响凝固组织形态的关键因素之一，在定向凝固过程中晶体的生长方向受热流方向的控制，其生长方向与热流方向平行且相反，并与 固液界面垂直，固液界面形状和热流方向的关系如图 2 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 24 图 2理论上，定向凝固过程中非平直的固液界面均导致晶体的生长方向偏离轴向，固液界面凸凹的越严重，晶体的生长方向偏离轴向的程度越明显。所以固液界面的形状又是衡量定向凝固的组织稳定性的一个重要指标。为得到组织，最理想的固液界面应为平直的形状。固液界面的形状取决于定向凝固过程中径向上的温度梯度的大小，考虑到结构等因素，实际上这种条件是不容易获得且难以保证的，而在定向凝固过程中位于固液界面附近的情况也是如此。同时，实验过 程中发现，凸形的固液界面是定向凝固过程中晶体由多晶到演化的必要条件。因此在实验过程中，使固液界面保持凹或微凸形成定向凝固顺利进行的前提。凸界面平界面凹界面 (4)结晶器出口温度的设定与控制 结晶器出口温度直接影响着固液界面的位置和形状，因此对它的控制是镓 锡（ 向凝固技术的关键。为了保证得到表面质量光滑的镓 锡（ 锭，要求：固液界面应控制在结晶器出口内侧 4在结晶器出口处，铸锭的表层在一定的长度内有一层液体膜存在。因此，结晶器出口温度不仅是实现连 铸最为重要的因素，也是影响铸锭表面质量的因素之一。影响结晶器出口温度变化的主要因素有引锭杆材质、结晶器材质、加热功率、冷却距离、拉坯速度、以及冷却水量等。在实验过程中可调的丰要参数有加热功率、拉坯速度、冷却水量。当其他参数一定时，结晶器出口温度随加热功率的增大而升高；在仪以拉坯速度为可变参数时，结晶器出口温度随拉坯速度的增加而升高；在仅以冷却水量为可变参数时，结晶器出口温度随冷却水量的增大而降低。由于热电偶所处的位置以及测温精确度等因素，往往所测温度略高于实际温度，这样在确定结晶器出口温度时会有误差。温度过 低，会出现固液界面移入结晶器买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 25 内过深甚至移出结晶器上口情况，进而造成拉不动和铆死等现象；温度过高，容易出现固液界面移出结晶器，接造成拉漏这样的危险情况出现。 (5)引锭杆材质的选取、在结晶器型腔的位置及形状的确定镓 锡（ 向凝固过程中引定杆的作用是用于使镓 锡（ 在引锭杆上端凝固并与之结合成一体，从而通过拉坯机构的运行将铸锭引出。这就要求引锭杆与镓 锡（ 有较好的结合能力。选用铜棒作为引锭杆。引锭杆的引锭头在结晶器型腔中的位置应该在固液界面略上 的地方