【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于金属铸造，具体涉及一种逐层凝固成形设备与方法及金属铸坯。
技术介绍
1、铸造是一种经济、高效、灵活的金属成形方法，能够生产各种尺寸、形状和材质的金属铸坯。传统的一次性铸造、半连续铸造或连续铸造方法往往存在金属熔体凝固速率较慢且不同位置金属熔体凝固速率不均匀等问题，导致凝固的金属铸坯存在组织粗大、结构不致密、成分分布不均匀且宏观偏析较为严重等缺陷。
2、为了解决上述金属铸坯存在的成分分布不均匀和宏观偏析等问题，研究人员开发了金属熔体分层铸造方法，采用金属熔体分层浇铸的方式控制每层凝固金属的成分，抑制金属元素的分布不均匀和宏观偏析。现有的金属熔体分层铸造方法为：采用冷却铸型，金属熔体浇注到冷却铸型中进行凝固，待上一浇铸凝固金属层的表面中心部分的温度降至金属原材料的固相线温度附近时，再进行下一层浇铸，将最终获得的金属铸坯的成分分布不均匀和宏观偏析控制在每一浇铸凝固金属层内。尽管现有的金属熔体分层铸造方法能够在一定程度上改善金属铸坯的成分分布不均匀和宏观偏析程度，但是仍存在以下问题：
3、(1)现有的金属熔体分层铸造方法通过将上一浇铸凝固金属层的表面中心部分的温度降至金属原材料的固相线温度附近后再进行下一层浇铸，虽然可以保证上一浇铸凝固金属层与下一浇铸凝固金属层的层间中心部分的界面冶金结合质量，但会导致金属熔体凝固速率较慢、金属铸坯的组织粗大、结构不致密，而且由于刚浇铸凝固金属层的边缘和中心的温差较大、温度均匀性差、金属熔体凝固先后时间不一致，使得各层间边缘的界面结合质量不好或未发生结合，层内成分分
4、(2)现有的金属熔体分层铸造方法在上一浇铸凝固金属层的表面中心部分的温度降至金属原材料的固相线温度附近时进行下一层浇铸，缺少对刚浇铸凝固金属层温度的精确测温和调控手段，刚浇铸凝固金属层的整体温度偏低且纵截面的上表面和下表面之间的温差较小、横截面的边缘和中心的温差较大，从而使得上一浇铸凝固金属层与下一浇铸凝固金属层的层间界面不易实现冶金结合导致界面结合质量较差，边缘部分常常出现冷隔导致无法实现冶金结合，产生成分分布不均匀等问题，最终影响金属铸坯的质量和性能。
5、因此，开发兼顾金属铸坯的组织细小、结构致密、成分分布均匀和层间结合质量优异的金属凝固成形新设备及新方法，生产高质量高性能的金属铸坯，对于金属铸造行业来说具有十分重要的意义。
技术实现思路
1、为了实现以上目的，本专利技术技术方案提供了一种逐层凝固成形设备与方法及金属铸坯，能够对凝固金属层的纵向和横向的各部分温度进行精确测量和调控，获得组织细小、结构致密、成分分布均匀和层间结合质量优异的金属铸坯。
2、根据本专利技术技术方案的第一方面，提供一种逐层凝固成形设备，包括塞棒、坩埚、加热装置、导流管、控温装置、测温装置、铸型、隔热垫、套管、一次冷却装置、引锭杆、二次冷却装置和牵引机构。所述坩埚与所述导流管的一侧连接，用于熔炼金属原材料或盛放金属熔体；所述塞棒位于所述坩埚的上方，用于控制获得每层浇铸凝固金属层的层厚所需释放的金属熔体量；所述加热装置位于所述坩埚的周围，用于熔炼金属原材料或对金属熔体进行保温；所述导流管的另一侧与所述铸型连接，是金属熔体从所述坩埚流入所述铸型的通道；所述铸型采用冷却铸型或控温铸型；所述控温装置位于所述铸型的周围，用于对所述铸型的温度进行调控；所述测温装置位于所述铸型的中下部，用于监测刚浇铸凝固金属层的上表面区域的温度；所述一次冷却装置位于所述铸型的出口处，用于对金属铸坯或所述引锭杆进行强制冷却；所述套管与所述一次冷却装置内壁紧密结合，起到润滑和导热作用；所述套管通过所述隔热垫与所述铸型隔开；所述二次冷却装置布置在所述一次冷却装置和所述牵引机构之间，对金属铸坯进行进一步的冷却；所述引锭杆在开始浇铸之前伸入所述铸型中，所述引锭杆的引锭头与所述测温装置处于同一平齐位置，所述引锭头四周与所述铸型的内壁紧密贴合；所述引锭杆的另一端与所述牵引机构连接，用于控制所述引锭杆做往复运动，实现金属铸坯的连续拉制。
3、进一步的，所述坩埚用中间包取代，用于盛放金属熔体。
4、进一步的，取消所述导流管，将所述坩埚直接与所述铸型连接。
5、进一步的，将所述铸型直接与所述套管连接。
6、进一步的，所述控温铸型为低热铸型、加热铸型、两相区铸型、梯温铸型或热-冷组合铸型中的至少一种。
7、进一步的，所述塞棒、所述坩埚、所述加热装置、所述导流管、所述控温装置、所述测温装置、所述铸型和所述隔热垫放置于真空、充入氮气或惰性气体保护的环境中。
8、进一步的，所述逐层凝固成形设备不安装所述加热装置，或无所述套管，或取消所述二次冷却装置。
9、进一步的，所述逐层凝固成形设备采用人工控制、计算机控制或智能化控制，采用上引式、下引式、水平式或倾斜式中的至少一种方式进行半连铸或连铸，或取消所述引锭杆和所述牵引机构进行模铸。
10、进一步的，所述一次冷却装置或所述二次冷却装置采用随形冷却方式或固定位置冷却方式中的至少一种，采用的冷却介质是循环水、低熔点金属或气体中的至少一种。
11、根据本专利技术技术方案的第二方面，提供一种采用如上述逐层凝固成形设备的逐层凝固成形方法，具体步骤如下：
12、步骤一：调整所述引锭杆的所述引锭头与所述测温装置的位置平齐，采用所述塞棒堵塞所述坩埚的出料口，通过所述加热装置使金属原材料在所述坩埚中熔化为金属熔体，开启所述二次冷却装置；
13、步骤二：打开所述控温装置，对所述铸型进行温度调控，将所述铸型的温度控制在所述冷却铸型或所述控温铸型的温度范围内；
14、步骤三：抬起所述塞棒进行浇铸，待所述金属熔体浇铸到所述铸型中与所述测温装置的位置平齐处时，放下所述塞棒，开启所述一次冷却装置，使所述铸型中的所述金属熔体开始发生凝固；
15、步骤四：开启所述牵引机构，带动所述铸型中的金属向所述铸型的出口方向移动，当所述铸型中所述金属的上表面与所述测温装置的位置平齐时，关闭所述一次冷却装置；
16、步骤五：重复上述步骤三至步骤四，所述铸型中的所述金属在所述牵引机构的带动下不断向所述铸型的出口方向移动，实现半连铸或连铸，最终获得高质量高性能的金属铸坯。
17、根据本专利技术技术方案的第三方面，提供一种金属铸坯，所述金属铸坯采用根据以上任一方面所述的逐层凝固成形方法制备获得。
18、本专利技术具有以下优势：
19、1.本专利技术的逐层凝固成形设备的结构简本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种逐层凝固成形设备，其特征在于，包括塞棒(1)、坩埚(2)、加热装置(3)、导流管(4)、控温装置(5)、测温装置(6)、铸型(7)、隔热垫(8)、套管(9)、一次冷却装置(10)、引锭杆(11)、二次冷却装置(12)和牵引机构(13)；
2.如权利要求1所述的一种逐层凝固成形设备，其特征在于，坩埚(2)用中间包取代。
3.如权利要求1所述的一种逐层凝固成形设备，其特征在于，取消导流管(4)，将坩埚(2)直接与铸型(7)连接。
4.如权利要求1所述的一种逐层凝固成形设备，其特征在于，将铸型(7)直接与套管(9)连接。
5.如权利要求1所述的一种逐层凝固成形设备，其特征在于，铸型(7)采用冷却铸型或控温铸型；
6.如权利要求1所述的一种逐层凝固成形设备，其特征在于，塞棒(1)、坩埚(2)、加热装置(3)、导流管(4)、控温装置(5)、测温装置(6)、铸型(7)和隔热垫(8)放置于真空、充入氮气或惰性气体保护的环境中。
7.如权利要求1所述的一种逐层凝固成形设备，其特征在于，不安装加热装置(3)，或无套管(
8.如权利要求1所述的一种逐层凝固成形设备，其特征在于，采用人工控制、计算机控制或智能化控制，采用上引式、下引式、水平式或倾斜式中的至少一种方式进行半连铸或连铸，或取消引锭杆(11)和牵引机构(13)进行模铸；一次冷却装置(10)或二次冷却装置(12)采用随形冷却方式或固定位置冷却方式中的至少一种，采用的冷却介质是循环水、低熔点金属或气体中的至少一种。
9.一种采用如权利要求1至8中任一项所述的一种逐层凝固成形设备的逐层凝固成形方法，其特征在于，所述逐层凝固成形方法的步骤如下：
10.一种金属铸坯，其特征在于，所述金属铸坯采用如权利要求9所述的一种逐层凝固成形方法制备获得。
...【技术特征摘要】
1.一种逐层凝固成形设备，其特征在于，包括塞棒(1)、坩埚(2)、加热装置(3)、导流管(4)、控温装置(5)、测温装置(6)、铸型(7)、隔热垫(8)、套管(9)、一次冷却装置(10)、引锭杆(11)、二次冷却装置(12)和牵引机构(13)；
2.如权利要求1所述的一种逐层凝固成形设备，其特征在于，坩埚(2)用中间包取代。
3.如权利要求1所述的一种逐层凝固成形设备，其特征在于，取消导流管(4)，将坩埚(2)直接与铸型(7)连接。
4.如权利要求1所述的一种逐层凝固成形设备，其特征在于，将铸型(7)直接与套管(9)连接。
5.如权利要求1所述的一种逐层凝固成形设备，其特征在于，铸型(7)采用冷却铸型或控温铸型；
6.如权利要求1所述的一种逐层凝固成形设备，其特征在于，塞棒(1)、坩埚(2)、加热装置(3)、导流管(4)、控温装置(5)、测温装置(6)、...
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