精确控制凝固和余热均匀化的一体化设备制造技术

本实用新型专利技术涉及一种精确控制凝固和余热均匀化的一体化设备，属于熔体控制凝固及热处理领域。该设备由U型固液界面谷底追踪系统、喷淋系统、辅助外场系统和余热均匀化系统组成；U型固液界面谷底追踪系统由热电偶、升降杆和自动控制模块组成，热电偶和升降杆分别与自动控制模块连接；喷淋系统设置于余热均匀化系统上方；辅助外场系统设置于喷淋系统的周围和/或设置于模具内部；设备工作时，模具在升降杆作用下实现从喷淋系统向余热均匀化系统的移动，使模具中已凝固部分实时进入余热均匀化系统。该设备通过追踪固液界面精准实施喷淋冷却，结合外场作用，实现凝固组织的细化和溶质元素的均匀化；同时能大幅减低能耗。

Integrative equipment for precise control of solidification and homogenization of waste heat

【技术实现步骤摘要】
精确控制凝固和余热均匀化的一体化设备
本技术涉及一种精确控制凝固和余热均匀化的一体化设备，特别涉及一种将熔体精确控制凝固和均匀化整合在一起的节能设备，属于熔体控制凝固及热处理领域。
技术介绍
金属制品分为铸件和塑性变形件两大类，塑性变形件是铸锭经锻造、挤压、轧制等塑性变形方法制备的锻件、挤压材、板材和带材。与铸造件相比，变形件通常具有更加优异的力学性能，可以用作承力结构件。变形件铸锭常用的制造方法为半连续铸造和模铸，半连续铸造的生产效率高，凝固组织细小，对于合金化程度低且热裂倾向小的锭坯，通常采用半连续铸造。对于大截面、高合金化、大热裂倾向、大凝固收缩的铸锭，如Mg-Zn系镁合金和高稀土含量镁合金，通常采用模铸。变形产品的质量在很大程度上取决于铸锭的纯净度、凝固组织的细化程度和均匀化处理后粗大共晶化合物的溶解程度。目前，工业化铸锭的模铸生产工艺为：合金熔炼---熔体净化---浇注至模具---熔体在模具内凝固---脱膜和车削加工---冷铸锭升温至固相线之下进行均匀化。通常的凝固过程中，通常采用向模具外壁喷雾、喷水的方式加快凝固速度。这一方法虽然能有效增大凝固速率，细化枝晶，但也会因为温差过大，累计较大的收缩变形量和收缩应力，容易导致开裂，另外，铸锭存在宏观偏析，重合金元素存在比值偏析，低熔点元素存在反偏析，最终导致铸锭内存在化学成分的巨大差异。另一方面，通常的均匀化工艺是将车削加工的冷铸锭重新加热至固相线以下，造成能源的消耗，对于截面尺寸较大的铸锭，能源消耗巨大。
技术实现思路
针对现有金属锭坯模铸技术的不足，本技术提供一种精确控制凝固和余热均匀化的一体化设备。一种精确控制凝固和余热均匀化的一体化设备，用于模铸生产工艺中，该设备由U型固液界面谷底追踪系统、喷淋系统、辅助外场系统和余热均匀化系统四个部分组成；所述的U型固液界面谷底追踪系统由设于模具中心轴的热电偶、设置于模具底部的升降杆和自动控制模块组成，所述热电偶和升降杆分别与自动控制模块连接；所述的余热均匀化系统位于下部；所述的喷淋系统设置于余热均匀化系统上方；所述的辅助外场系统设置于喷淋系统的周围和/或设置于模具内部；设备工作时，模具在升降杆作用下实现从喷淋系统向余热均匀化系统的移动，使模具中已凝固部分实时进入余热均匀化系统。U型固液界面谷底追踪系统中，所述的升降杆顶端设置上部平台，所述的模具放置在上部平台上；所述的热电偶的下端设置于固液界面以上，接近熔体液相区底部的位置，自动控制模块控制升降杆的升降，使热电偶测量的温度T保持在固相线以上的某一温度T′，优选的，该温度T′比固相线温度高5℃-15℃，如T′为该合金体系的固液界面糊状区温度。热电偶将测量的温度T实时传输至自动控制模块，假设T′为固相线以上某一温度，自动控制模块实时比较T和T′，当T<T′时，使升降杆缓慢向下移动，直到T＝T′。所述的喷淋系统由环绕模具周围的阵列式排布的喷头、控制阀和自动控制模块组成，控制阀用于调节喷头的水流强度，自动控制模块通过调节控制阀，实现喷淋强度的自动化控制。不同高度的喷头的喷淋强度由自动控制模块控制，自下而上喷头的喷淋强度逐渐降低，且模具中熔体液面下一定范围(冒口区)不喷淋，从而实现自下而上的顺序凝固。所述的辅助外场系统由设置于模具外的电磁搅拌系统和设置于模具内的超声或电流系统组成，超声或电流系统的下端设置于固液界面以上。凝固过程中，将电磁场、超声振动场、电场施加到液相区和糊状区，实现枝晶破碎和合金元素的均匀分散化，从而实现组织细化和溶质匀化。所述的余热均匀化系统由井式加热炉及与之相连接的温控模块组成，通过升降杆控制模具的升降，使模具内已凝固成固相的部分进入井式加热炉内。保证炉温恒定在合理的均匀化温度，由于充分利用的凝固余热，可以大幅降低能耗。喷淋系统和电磁搅拌系统位于井式加热炉的上方，环绕模具布置。铸锭模具顶端设有隔热层，熔体液面下300mm范围为冒口区，模具冒口区包裹隔热层。本技术的有益效果为：(1)本技术通过追踪固液界面，精准实施喷淋冷却，并实现喷淋强度从固液界面到冒口端的由强到弱的梯度控制，同时，结合电磁搅拌、超声振动和电场作用，实现凝固组织的细化和溶质元素的均匀化。(2)本技术通过追踪固液界面，将固液界面以下的固相实时送入井式加热炉进行均匀化，能充分利用凝固余热，从而大幅减低能耗。附图说明图1为本技术的精确控制凝固和余热均匀化一体化设备的构造原理图。主要附图标记说明：1铸锭模具2固相区3液相区4固液界面(糊状区)5升降杆6井式加热炉7电磁搅拌系统8喷淋系统9热电偶10超声或电流系统具体实施方式如图1所示，本技术的精确控制凝固和余热均匀化的一体化设备由U型固液界面谷底追踪系统、喷淋系统8、辅助外场系统和余热均匀化系统四个部分组成。余热均匀化系统位于下部；喷淋系统8设置于余热均匀化系统上方；辅助外场系统设置于喷淋系统8的周围和/或设置于铸锭模具1内部；设备工作时，铸锭模具1在升降杆作用下实现从喷淋系统8向余热均匀化系统的移动，实现铸锭模具1中已凝固部分实时进入余热均匀化系统。U型固液界面谷底追踪系统由位于铸锭模具1中心轴的热电偶9、升降杆5和自动控制模块组成，热电偶9和升降杆5分别与自动控制模块连接；升降杆5顶部设置上部平台，铸锭模具1放置在上部平台上；热电偶9设置于铸锭模具1中熔体液相区3中心轴的底部，通过自动控制模块控制升降杆5的升降，使热电偶9测量的温度T保持在固相线以上某一温度T′。该系统的功能是：熔体自下而上顺序凝固过程中，液相区3上部温度始终大于下部温度，热电偶9测量液相区3中心轴底部温度T，并将该温度值实时传输至自动控制模块，假设T′为固相线以上某一温度，自动控制模块实时比较T和T′，当T<T′时，令升降杆5缓慢向下移动，直到T＝T′。喷淋系统8由环绕铸锭模具1周围的阵列式排布的喷头、控制阀和自动控制模块组成，不同高度的喷头的喷淋强度由自动控制模块控制，自下而上喷淋强度逐渐降低，且液面下一定范围不喷淋，从而实现自下而上的顺序凝固，如图1模具内自上而下分别为液相区3、固液界面4和固相区2。辅助外场系统由位于模具外的电磁搅拌系统7和位于模具内的超声或电流系统10组成，凝固过程中，将电磁场、超声振动场、电场施加到液相区和糊状区，实现枝晶破碎和合金元素的均匀分散化，从而实现组织细化和溶质匀化。余热均匀化系统由井式加热炉6和温控模块组成，温控模块与井式加热炉6相连接，通过升降杆5控制铸锭模具1的升降，使铸锭模具1内已凝固成固相的部分进入井式加热炉6内。保证炉温恒定在合理的均匀化温度，由于充分利用的凝固余热，可以大幅降低能耗。下面以VW75(名义成分Mg-7wt.％Gd-5wt.％Y-1wt.％Nd-0.5wt.％Zr)稀土镁合金模铸锭的制备为例，来说明本技术设备的应用方法。投料和熔体转移情况：投料重量550Kg，转移熔体重量360Kg，铸锭模具1内腔规格：直径410mm，高1700mm。铸锭模具1内熔体初始温度800℃，该合金固相线温度约630℃。设备主体由升降杆5、井式加热炉6、电磁搅拌系统7、喷淋系统8、热电偶9和超声或电流系统10构成。喷淋系统8和电磁搅拌系统7位于井式加热炉6的上方，环绕模本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种精确控制凝固和余热均匀化的一体化设备，其特征在于：该设备由U型固液界面谷底追踪系统、喷淋系统、辅助外场系统和余热均匀化系统组成；所述的U型固液界面谷底追踪系统由设于模具中心轴的热电偶、设置于模具底部的升降杆和自动控制模块组成，所述的热电偶和升降杆分别与自动控制模块连接；所述的喷淋系统设置于余热均匀化系统上方；所述的辅助外场系统设置于喷淋系统的周围和/或设置于模具内部；设备工作时，模具在升降杆作用下实现从喷淋系统向余热均匀化系统的移动，使模具中已凝固部分实时进入余热均匀化系统。

【技术特征摘要】
1.一种精确控制凝固和余热均匀化的一体化设备，其特征在于：该设备由U型固液界面谷底追踪系统、喷淋系统、辅助外场系统和余热均匀化系统组成；所述的U型固液界面谷底追踪系统由设于模具中心轴的热电偶、设置于模具底部的升降杆和自动控制模块组成，所述的热电偶和升降杆分别与自动控制模块连接；所述的喷淋系统设置于余热均匀化系统上方；所述的辅助外场系统设置于喷淋系统的周围和/或设置于模具内部；设备工作时，模具在升降杆作用下实现从喷淋系统向余热均匀化系统的移动，使模具中已凝固部分实时进入余热均匀化系统。2.根据权利要求1所述的精确控制凝固和余热均匀化的一体化设备，其特征在于：所述的升降杆顶端设置上部平台，所述的模具放置在上部平台上；所述的热电偶的下端设置于固液界面以上。3.根据权利要求1所述的精确控制凝固和余热均匀化的一体化设备，其特征在于：所述的自动控制模块控制升降杆的升降，使热电偶测量的温度T保持在固相线以上的某一温度T′。4.根据权利要求3所述的精确控制凝固和余热均匀化的一体化设备，其特征在于：所述的温度...

【专利技术属性】
技术研发人员：石国梁，张奎，李兴刚，李永军，马鸣龙，袁家伟，
申请(专利权)人：有研工程技术研究院有限公司，
类型：新型
国别省市：北京,11