專利名稱：連鑄坯凝固組織生長過程的物理模擬方法及其裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種連鑄坯凝固組織生長過程的物理模擬方法及其裝置，屬金屬凝固組織生長過程物理模擬及控制領(lǐng)域及金屬晶相熱處理加工技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
連續(xù)鑄鋼作為近40年來發(fā)展起來的新技術(shù)，由于它具有節(jié)能、金屬收得率高等突出優(yōu)點(diǎn)，因而發(fā)展迅速，對鋼鐵生產(chǎn)的發(fā)展和優(yōu)化起到了關(guān)鍵的推動(dòng)作用。連續(xù)鑄鋼技術(shù)的采用不僅完全改變了舊的鑄鋼工序，還帶動(dòng)了整個(gè)鋼鐵廠的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，因此被許多冶金學(xué)作稱之為鋼鐵工業(yè)的一次“技術(shù)革命”。連鑄技術(shù)目前仍在快速發(fā)展，其前沿技術(shù)主要表現(xiàn)為(1)高速連鑄；(2)強(qiáng)冷；(3)均質(zhì)；(4)凝固與變形結(jié)合；(5)近終型連鑄。
目前這些先進(jìn)的連鑄技術(shù)的應(yīng)用還存在一定的問題需要解決。例如，冷卻速率的增加，加重了應(yīng)力集中，可導(dǎo)致眾多缺陷的產(chǎn)生。因此，如何改善連鑄過程中的溶質(zhì)偏析問題，如何改善連鑄坯的組織不均勻性，提高連鑄坯的等軸晶比例以及如何提高連鑄坯組織的細(xì)化程度從而提高連鑄坯質(zhì)量等理論和實(shí)踐問題都需要進(jìn)行大量的研究工作來實(shí)現(xiàn)突破或加以解決。而目前對不銹鋼連鑄坯凝固過程的研究，主要采用兩種途徑；一、應(yīng)用數(shù)值模擬的方法，來模擬連鑄過程各個(gè)部分的流場、溫度場、溶質(zhì)場，在此基礎(chǔ)上來預(yù)測連鑄過程的凝固組織。這種方法有其先天的缺陷，即假設(shè)了很多的前提條件，致使模擬結(jié)果和實(shí)際結(jié)果有一定的偏差。二、應(yīng)用物理模擬的方法，主要是應(yīng)用水或低熔點(diǎn)金屬液來模擬連鑄過程進(jìn)而推斷其凝固組織。但此法缺乏直接性，沒有直接和凝固組織聯(lián)系起來。另外即便工業(yè)試驗(yàn)可以解決很多模擬技術(shù)難以解決的問題，但其高成本令人們望而卻步，難以開展廣泛有效的研究工作。
因此現(xiàn)在對連鑄過程的研究急需在研究方法上找到一個(gè)突破口，亦即如何能夠規(guī)避上述三種方法的種種缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)連鑄過程的實(shí)驗(yàn)室準(zhǔn)確模擬。其關(guān)鍵技術(shù)在于(1)找到一個(gè)準(zhǔn)確模擬連鑄過程凝固組織生長過程的方法，這種方法能夠模擬連鑄過程中傳熱傳質(zhì)過程，能夠模擬連鑄過程中金屬晶體的生長過程。(2)能夠制造實(shí)驗(yàn)上述模擬方法的設(shè)備。如果能夠在這兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)上獲得突破，將極地大提高連鑄研究水平。
本發(fā)明提出了一種準(zhǔn)確模擬連鑄過程中凝固組織生長過程的方法。本發(fā)明在發(fā)現(xiàn)定向凝固和連鑄生產(chǎn)中組織轉(zhuǎn)變過程有一定相似性的基礎(chǔ)上，提出了傳統(tǒng)定向凝固的改進(jìn)方法，從而實(shí)現(xiàn)了對連鑄過程凝固組織生長過程的模擬。
定向凝固又稱單向凝固，是使金屬或合金熔體中的熱量朝著一定方向散失，從而使晶體沿著特定方向生長的一種工藝方法，也是控制晶體生長、研究晶體生長行為的最有效和最直接的方法。而連鑄過程中，鋼的導(dǎo)熱系數(shù)比銅、鋁等金屬小得多，凝固潛熱和密度較大，這使大塊的鋼液完全凝固需要較長的時(shí)間，在連鑄坯中表現(xiàn)為長長的液相穴。連鑄拉速越快液相穴越長，高速連鑄機(jī)中的液相穴長度與鑄坯半厚度之比可達(dá)200倍以上。這表明連鑄鋼坯的凝固傳熱基本上在厚度(徑向)及寬度方向進(jìn)行，拉坯方向的凝固傳熱可以忽略不計(jì)。這種傳熱的方向性造成了鑄坯中的絕大部分區(qū)域由側(cè)面向中心的“順序凝固”而成。因此在一維凝固傳熱的假設(shè)前提下，可將鋼連鑄坯的凝固過程視為局部穩(wěn)定的定向凝固，其凝固行為完全適合用定向凝固技術(shù)進(jìn)行較為近似的研究。
要用定向凝固對連鑄過程晶體生長過程進(jìn)行較為準(zhǔn)確的模擬，仍然需要解決兩個(gè)關(guān)鍵問題(1)能夠?qū)崿F(xiàn)自連鑄坯表面到鑄坯中心熱量傳輸?shù)哪M，可以實(shí)現(xiàn)連鑄坯液相穴溫度的連續(xù)可控。(2)能夠?qū)崿F(xiàn)模擬狀態(tài)下組織生長速率和連鑄實(shí)際過程中組織生長速率的實(shí)時(shí)對應(yīng)。這就要求在現(xiàn)有定向凝固裝置的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)加熱溫度的函數(shù)控制和拉伸速率的函數(shù)控制；另外，能夠在凝固過程中施加強(qiáng)制對流從而研究自然對流的強(qiáng)制攪拌對連鑄生長過程的影響。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種較為準(zhǔn)確的模擬連鑄過程凝固組織生長過程的方法；本發(fā)明的另一目的是提供一種模擬連鑄過程凝固組織生長過程的方法的專用設(shè)備。
本發(fā)明一種模擬連鑄過程凝固組織生長過程的方法，其特征在于具有以下三個(gè)函數(shù)控制程序a.對鑄坯熱模擬單元中心溫度的函數(shù)加熱控制程序；b.對冷卻系統(tǒng)的冷卻強(qiáng)度可調(diào)的函數(shù)控制程序；c.對牽引桿或拉桿移動(dòng)速度或拉伸速率可控的函數(shù)控制程序；也即鑄坯坯殼凝固團(tuán)生長速率可控的函數(shù)控制程序；
主要通過上述三個(gè)函數(shù)控制程序的配合運(yùn)作來研究模擬連鑄過程凝固組織生長過程。
本發(fā)明一種模擬連鑄過程凝固組織生長過程的方法的專用裝置或設(shè)備，其特征在于該裝置或設(shè)備主要由加熱系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)和溫度測控系統(tǒng)組成。
a.加熱系統(tǒng)主要是由設(shè)有保溫層爐壁的爐體中央腔體內(nèi)的發(fā)熱加熱體及其頂端與之相連的加熱電極組成；加熱電極通過導(dǎo)線與電源連接，并通過溫度自動(dòng)控制裝置進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)和控制；爐體腔體中心位置設(shè)有一盛放鑄坯試樣的管形坩堝，其上部插有熱電偶，并與工控機(jī)相連接，以測試和控制鑄坯試樣的溫度；b.傳動(dòng)系統(tǒng)和運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)主要是由拉伸電機(jī)、自旋電機(jī)、導(dǎo)桿、傳動(dòng)連接裝置組成；該傳動(dòng)系統(tǒng)對位于爐體底部與鑄坯試樣下端相連的拉桿進(jìn)行移動(dòng)或移動(dòng)運(yùn)動(dòng)的運(yùn)作和控制；運(yùn)動(dòng)的速度由與拉伸電機(jī)和自旋電機(jī)各自相連的工控制來調(diào)節(jié)和控制；工控機(jī)與計(jì)算機(jī)相連；c.冷卻系統(tǒng)是由位于爐體底部的、包圍于鑄坯試樣周圍的液體循環(huán)冷卻組件或小冷循環(huán)冷卻器構(gòu)成；冷卻液體的流速金通過工控機(jī)調(diào)節(jié)控制；d.溫度測試系統(tǒng)包括有認(rèn)于爐體上部的、裝有熱電偶的、鑄坯試樣的測溫組件以及位于爐體側(cè)壁部的、插有熱電偶的爐氣測控溫組件；試樣測控溫組件和爐氣測控溫組織分別與工控機(jī)相連；工控機(jī)與計(jì)算機(jī)相連。
上述專用裝置或設(shè)備的主要參數(shù)如下加熱溫度范圍為室溫～2000℃；拉伸速率為0.0001～20mm/S范圍內(nèi)連續(xù)可控；冷卻速率為0～10℃/S范圍內(nèi)連續(xù)可控；拉桿或牽引桿運(yùn)動(dòng)速率為在-500～500r/min范圍內(nèi)連續(xù)函數(shù)可調(diào)；拉伸鑄坯試樣可在徑向尺寸0.5～50mm范圍內(nèi)設(shè)計(jì)為任何形狀。
本發(fā)明的專用裝置或設(shè)備還具有下述的特點(diǎn)本裝置是一臺連鑄坯凝固過程的物理模擬裝置的同時(shí)，也是一臺晶體生長控制平臺在基本的定向凝固前提下，試樣可以根據(jù)需要變換形狀和尺寸，也可對階梯狀試樣進(jìn)行拉伸，還可以在拉伸試樣內(nèi)部再套裝一個(gè)小直徑的拉伸試樣并做到內(nèi)外分割開來的復(fù)合式晶體生長控制。這些試樣的拉伸均可在拉伸和旋轉(zhuǎn)函數(shù)可調(diào)的前提下進(jìn)行，因此本裝置可以用來研究不同的生長條件下的晶體生長過程。比如通過調(diào)節(jié)試樣直徑的大小來調(diào)節(jié)對流時(shí)的雷諾數(shù)，從而研究自然對流大小對晶體凝固過程的影響，套管情況下的旋轉(zhuǎn)則可以研究小熔體情況下微對流(比如直徑1mm)對晶體凝固過程的影響。拉伸試樣可設(shè)計(jì)為徑向尺寸在0.5～50mm內(nèi)的任何尺寸。


圖1為本發(fā)明模擬連鑄過程凝固組織生長過程的方法的示意圖。
圖2為本發(fā)明模擬連鑄過程凝固組織生長過程的設(shè)備示意圖。
圖3為坯殼厚度的變化曲線圖及相對應(yīng)的凝固速率變化曲線圖。
圖4為拉伸試樣的形狀設(shè)計(jì)圖。
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)將本發(fā)明的具體實(shí)施例進(jìn)一步敘述于后。
實(shí)施例1參見圖1，圖1為本發(fā)明模擬連鑄過程凝固組織生長過程的方法示意圖，本方法中主要設(shè)計(jì)和設(shè)置了三個(gè)函數(shù)控制程序，作為本方法的研究手段。它們是(1)對鑄坯熱模擬單元中心溫度的函數(shù)加熱控制程序；(2)對冷卻系統(tǒng)的冷卻強(qiáng)度可調(diào)的函數(shù)控制程序；(3)對牽引桿或拉桿移動(dòng)速度或拉伸速率可控的函數(shù)控制程序；也即鑄坯坯殼凝固生長速率可控的函數(shù)控制程序。
主要通過上述三個(gè)函數(shù)控制程序的配合運(yùn)作來研究模擬連鑄過程凝固組織生長過程。
參見圖2，圖2為本發(fā)明模擬連鑄過程凝固組織生長過程設(shè)備示意圖。
該設(shè)備為本發(fā)明方法的專用設(shè)備，主要由加熱系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)和溫度測控系統(tǒng)組成。
加熱系統(tǒng)主要是由設(shè)有保溫層爐壁的爐體中央腔體的發(fā)熱加熱體及其頂端與之相連的加熱電極組成；加熱電極通過導(dǎo)線與電源連接，并通過溫度自動(dòng)控制裝置進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)和控制，該裝置又與設(shè)有加熱函數(shù)控制程序的計(jì)算機(jī)相連。爐體腔體中心位置設(shè)有一盛放鑄坯試樣的管形坯堝，其一部插有熱電偶，并與工控機(jī)相連接，以測試和控制鑄坯試樣的溫度。
傳動(dòng)系統(tǒng)和運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中，傳動(dòng)系統(tǒng)由拉伸電機(jī)、自旋電機(jī)、導(dǎo)桿、傳動(dòng)連接裝置組成，該傳動(dòng)系統(tǒng)對于爐體底部與鑄坯試樣下端相連的拉桿進(jìn)行移動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)的運(yùn)作和控制；運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)由工控機(jī)、定向凝固拉伸運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)軟件、控制電路柜組成；拉伸運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的作用和特點(diǎn)在于拉桿的拉速可遵循一定的函數(shù)曲線進(jìn)行控制，伺服電機(jī)能通過離散的數(shù)據(jù)點(diǎn)擬合設(shè)定的函數(shù)曲線；拉速-時(shí)間關(guān)系曲線在工控機(jī)上動(dòng)態(tài)可續(xù)，拉速隨時(shí)間變化的曲線可輸出數(shù)字文本并進(jìn)行重新繪制；拉桿可以按照設(shè)定的函數(shù)曲線進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，包括勻速轉(zhuǎn)動(dòng)、正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)間歇運(yùn)動(dòng)、加速轉(zhuǎn)動(dòng)和減速轉(zhuǎn)動(dòng)，且加速度可調(diào)。運(yùn)動(dòng)的速率由與拉伸電機(jī)和自旋電機(jī)各自相連的工控機(jī)來調(diào)節(jié)和控制；工控機(jī)與計(jì)算機(jī)相連。
冷卻系統(tǒng)是由位于爐體底部的、包圍于鑄坯試樣圍困的液體循環(huán)冷卻組件或水冷循環(huán)冷卻器構(gòu)成；冷卻液體的流速流量也通過工控機(jī)調(diào)節(jié)控制。冷卻強(qiáng)度的可控性，可踩到溫度梯度的控制。
溫度測控系統(tǒng)由工控機(jī)、測控溫度軟件、低通濾波器、線性放大電路、熱電偶及溫控表等組成。溫度測控系統(tǒng)包括有位于爐體上部的、裝有熱電偶的、鑄坯試樣的測控溫組件以及位于爐體側(cè)壁部的、插有熱電偶的爐氣測控溫組件；試樣測控溫組件和爐氣測控溫組件分別與工控機(jī)相連；工控機(jī)與計(jì)算機(jī)相連。溫度測控系統(tǒng)的作用和特點(diǎn)在于可任意設(shè)置加熱和冷卻曲線，踩到試樣或爐氣溫度的函數(shù)控制。
本發(fā)明裝置設(shè)備的主要參數(shù)如下加熱溫度范圍為室溫～2000℃；拉伸速率為0.0001～20mm/S范圍內(nèi)連續(xù)可控；冷卻速率為0～10℃/S范圍內(nèi)連續(xù)可控；拉桿或牽引桿運(yùn)動(dòng)速率為-500～500r/min范圍內(nèi)連續(xù)函數(shù)可調(diào)；拉伸鑄坯試樣可在徑向尺寸0.5～50mm范圍內(nèi)設(shè)計(jì)為任何形狀。
利用本發(fā)明裝置設(shè)備的鑒定性實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)例1采用1Cr18Ni9Ti奧氏體不銹鋼為母材，制成直徑為7mm的試棒，放于高純剛玉坩堝中，加熱到1350℃，保溫20min。按照板坯連鑄過程中坯殼生長規(guī)伸設(shè)定拉伸曲線，拉伸曲線位移時(shí)間方程為ds=K·t,]]>速度時(shí)間方程為 凝固系數(shù)K為25mm/min1/2。在拉坯速度設(shè)為1.2m/min，結(jié)晶器出口處有效長度為800mm。連續(xù)定向凝固的均溫區(qū)加熱溫度設(shè)為連鑄過程中的鑄坯中心溫度1530℃。模擬過程中程序控制界面、坯殼厚度的變化曲線及相對應(yīng)的凝固速度變化曲線，如圖3所示。拉伸開始有5cm長的固定拉速的拉伸過程用以穩(wěn)定凝固組織。
研究發(fā)現(xiàn)，實(shí)際拉伸曲線和預(yù)設(shè)的坯殼生長曲線符合的很好，發(fā)現(xiàn)隨著凝固的進(jìn)行凝固組織由細(xì)密的激冷組織逐漸變化到柱狀枝晶，然后枝晶間距逐漸變大，枝晶長度變短，向著等軸枝晶方向發(fā)展，和連鑄實(shí)際情況符合的較好。
實(shí)驗(yàn)例2為了驗(yàn)證裝置能否滿足鑄坯液芯的冷卻速度，在溫度較高時(shí)在不同的溫度區(qū)間設(shè)定了一定的冷卻速度，考察冷卻情況的跟隨情況。
采用1Cr18Ni9Ti奧氏體不銹鋼為母材，制成直徑為7mm的試棒，放于高純剛玉坩堝中，加熱到1700℃，保溫20min。按照下表數(shù)據(jù)設(shè)定溫度變化和冷卻變化，表中也給出了最終得到的實(shí)際的冷卻速度，從中可以看出設(shè)定冷速和實(shí)際冷速較為吻合。因此可以得出此裝置可以滿足調(diào)節(jié)連鑄坯液芯冷卻速度的要求。

權(quán)利要求
1.一種模擬連鑄過程凝固組織生長過程的方法，其特征在于具有以下三個(gè)函數(shù)控制程序a.對鑄坯熱模擬單元中心溫度的函數(shù)加熱控制程序；b.對冷卻系統(tǒng)的冷卻強(qiáng)度可調(diào)的函數(shù)控制程序；c.對牽引桿或拉桿移動(dòng)速度或拉伸速率可控的函數(shù)控制程序；也即鑄坯坯殼凝固生長速率可控的函數(shù)控制程序；主要通過上述三個(gè)函數(shù)控制程序的配合運(yùn)作來研究模擬連鑄過程凝固組織生長過程。
2.權(quán)利要求1的一種模擬連鑄過程凝固組織生長過程的方法的專用裝置或設(shè)備，其特征在于該裝置或設(shè)備主要由加熱系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)和溫度測控系統(tǒng)組成；a.加熱系統(tǒng)主要是由設(shè)有保溫層爐壁的爐體中央腔體內(nèi)的發(fā)熱加熱體及其頂端與之相連的加熱電極組成；加熱電極通過導(dǎo)線與電源連接，并通過溫度自動(dòng)控制裝置進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)和控制；爐體腔體中心位置設(shè)有一盛放鑄坯試樣的管形坩堝，其上部插有熱電偶，并與工控機(jī)相連接，以測試和控制鑄坯試樣的溫度；b.傳動(dòng)系統(tǒng)和運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)主要是由拉伸電機(jī)、自旋電機(jī)、導(dǎo)桿、傳動(dòng)連接裝置組成；該傳動(dòng)系統(tǒng)對位于爐體底部與鑄坯試樣下端相連的拉桿進(jìn)行移動(dòng)或移動(dòng)運(yùn)動(dòng)的運(yùn)作和控制；運(yùn)動(dòng)的速度由與拉伸電機(jī)和自旋電機(jī)各自相連的工控制來調(diào)節(jié)和控制；工控機(jī)與計(jì)算機(jī)相連；c.冷卻系統(tǒng)是由位于爐體底部的、包圍于鑄坯試樣周圍的液體循環(huán)冷卻組件或小冷循環(huán)冷卻器構(gòu)成；冷卻液體的流速通過工控機(jī)調(diào)節(jié)控制；d.溫度測試系統(tǒng)包括有位于爐體上部的、裝有熱電偶的、鑄坯試樣的測溫組件以及位于爐體側(cè)壁部的、插有熱電偶的爐氣測控溫組件；試樣測控溫組件和爐氣測控溫組件分別與工控機(jī)相連；工控機(jī)與計(jì)算機(jī)相連。
3.如權(quán)利要求2所述的一種模擬連鑄過程凝固組織生長過程的方法的專用裝置或設(shè)備，其特征在于所述裝置或設(shè)備的主要參數(shù)如下加熱溫度范圍為室溫～2000℃；拉伸速率為0.0001～20mm/S范圍內(nèi)連續(xù)可控；冷卻速率為0～10℃/S范圍內(nèi)連續(xù)可控；拉桿或牽引桿運(yùn)動(dòng)速率為在-500～500r/min范圍內(nèi)連續(xù)函數(shù)可調(diào)；拉伸鑄坯試樣可在徑向尺寸0.5～50mm范圍內(nèi)設(shè)計(jì)為任何形狀。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種連鑄坯凝固組織生長過程的物理模擬方法及其裝置，屬金屬晶相熱處理加工技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明方法的特征是具有三個(gè)函數(shù)控制程序，即加熱函數(shù)控制程序、冷卻強(qiáng)度函數(shù)控制程序和拉桿拉伸速率函數(shù)控制程序。本發(fā)明方法的專用裝置，其特征在于包括有以下各系統(tǒng)加熱系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)和溫度測控系統(tǒng)。各系統(tǒng)均有工控機(jī)調(diào)節(jié)控制，各系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)定的函數(shù)曲線軟件的計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)可控操作。本發(fā)明裝置可滿足過鑄坯凝固組織生長過程的模擬研究。
文檔編號G06G7/00GK101075287SQ20071004268
公開日2007年11月21日 申請日期2007年6月26日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月26日
發(fā)明者李仁興, 高玉來, 梁建平, 杜衛(wèi)東, 龔永勇, 蔣明偉, 翟啟杰 申請人:上海大學(xué)