专利名称：用于模拟连铸凝固和轻压下过程的观察模型的制作方法
技术领域：
本实用新型属于炼钢连铸冶金技术领域，尤其涉及一种用于模拟合金凝固和连铸 轻压下的观察模型。
背景技术：
随着技术的发展，高速、高质、高效成为连铸工业在新世纪发展的要求，然而在高 速生产过程中，高质、高效面临考验。铸坯内部尤其是板坯内部一般都会存在中心偏析、中心疏松及内裂等中心质量问 题，尤其是高速情况下将变得严重，影响连铸坯的性能及后续加工。为实现“三高”生产，人们开发出一系列方法抑止中心偏析的产生。其中轻压下技 术是经过多年生产实践验证，最有效且经济的方法之一。轻压下技术是一种在连铸过程中对凝固末端前沿某段区域内，由连铸扇形段(板 坯)或是拉矫机架(方坯)通过相对常规辊缝设置加大了辊缝收缩，从而使凝固中的连铸 坯在经过这个区间时受到一定的压下力而主要在厚度方向上产生一定变形。该一定变形一方面给予铸坯凝固末端前的快速凝固造成的较大凝固收缩进补偿， 防止中心疏松；另一方面促成了连铸坯凝固前沿和糊状区发生一系列轻微变化，阻止了中 心偏析的形成。在这项技术的发展经过两个阶段，从早期的静态轻压下技术到近年得到快速发展 的动态轻压下技术。所谓静态轻压下技术，是在开浇前预先设定轻压下参数，即每个机架的辊缝值，在 整个开浇过程中维持此辊缝值不变，虽然静态轻压下能稳定地实现轻压下的功能，但它无 法适用于复杂的连铸生产条件。所谓动态轻压下技术，是在连铸生产过程中，根据连铸工艺的变化，动态跟踪连铸 坯凝固末端的变化，实时下达轻压下指令的一种连铸工艺自动控制技术。动态轻压下的连 铸工艺变化的情况下能快速进行反应，从而更好实现轻压下的效果。由于金属的不透明性，使得人们通常对金属内部凝固过程中凝固组织的演化与选 择无法进行动态实时观察。而采用X射线透视等先进技术检测则需要复杂的实验设备和条 件控制，不是一种方便易行的实验研究方法。目前，由于连铸过程轻压下技术现场应用的复杂性，一般被认为是一个工程问题 和模型计算问题进行研究，对于轻压下作用下凝固组织变化、溶质流动等凝固本质问题，由 于缺乏相应的研究手段，一直没有进展，尤其是凝固流动和受力作用下的凝固流动。在实施本实用新型技术方案的过程中，本实用新型人从其它技术领域获知以下技 术{曰息。凝固形态是由晶体界面性质和凝固驱动力场的性质所完全决定的。界面性质决定 了界面形态对驱动力场的响应性质，因而相似的界面性质在相似的驱动力场作用下将产生 相似的动力学行为，从而导致相似的界面形态。
3[0014]晶体界面性质由Jaekson因子来判定，金属的Jackson因子，通常小于2，因此可以 选用一种Jackson因子a < 2的透明材料来模拟实际金属凝固过程中的凝固组织的演化和 选择。1965 年科学家 Jacksno 和 Hmit (请参见文献E. rubinstein, M. E. Glicksman, J. Cryst. Growth.，1988 89 101-110)发现了一批a < 2的透明有机物晶体，通过进行实验 观察证明确实可以用它们来模拟研究金属凝固过程，从此透明有机模型合金模拟实验方法 就成为一种有效的凝固科学研究方法而日益受到重视。1981年科学家malngna用电子显微镜直接观察Al-Cu共晶生长过程与有机物模拟 结果取得了惊人的一致，进一步证明了有机物模拟方法的可行性。采用透明模型合金来模 拟金属的凝固过程，动态实时观察凝固组织和结构特征的演化，已经成为对凝固理论深入 研究的重要手段。丁二睛(NC-CH2-CH2-CN)是一种在晶体生长研究中被广泛使用的模型合金，为白 色晶体，无色无臭的蜡状物；微溶于水、乙醇、苯、乙醚和二硫化碳；溶于丙酮、三氯甲烷；熔 点为 58. 07°C，沸点为 265-267°C (124°C /5mmHg)。丁二睛具有体心立方结构(BCC)，熔化熵较低，容易配制多种低熔化熵的合金；界 面张力各向异性较弱，晶体分子为球形，无空间方向性，液固界面能够高效地接纳液相分 子，加之热力学数据较全，因此多年来被国际凝固理论界广泛地应用于凝固理论研究，大量 实验均采用了丁二睛及其合金(请参见文献曹一超，透明模型合金宏微观凝固模拟研究 [D]，西北工业大学，2006)。因此，通过透明模型合金来模拟连铸凝固和轻压下，以观察在凝固过程中和连铸 坯在轻压下作用下而生长的凝固组织变化、残余液相的流动和溶质的运动，是一种可行的 方法，以便更好地研究轻压下的详细作用机制，从而指导其工程应用。
实用新型内容本实用新型的目的在于提供一种用于模拟连铸凝固和轻压下过程的观察模型，以 生成类似连铸坯液相穴的凝固糊状区，用于观察合金凝固过程和模拟连铸坯在轻压下作用 下的凝固过程。为此，本实用新型提供一种用于模拟连铸凝固和轻压下过程的观察模型，用于形 成容纳模型合金的腔体，其中，该腔体的第一侧面至少具有呈上下布置的且温度可控的第 一散热区和第二散热区；所述腔体的与所述第一侧面相对的第二侧面至少具有呈上下布置 的且温度可控的第三散热区和第四散热区；其中，所述腔体的第一侧面的整体或局部相对 于所述第二侧面的间距是可调的以模拟轻压下过程。优选地，上述腔体的第一侧面的各所述散热区分别由相对于所述第二侧面间距可 调的水盒构成。更优选地，上述腔体的第一侧面的各所述水盒分别可移动地安装于第一框
o优选地，上述腔体的第二侧面的各所述散热区分别由水盒构成。更优选地，上述所 述腔体的第二侧面的各所述水盒位置固定地安装于第二框架上。优选地，上述腔体的第三侧面和与之相对的第四侧面分别具有密封地安装至所述 第一、第二框架的两端侧的所述透明面板。[0025]优选地，上述腔体的第一侧面具有呈上中下布置的三个水盒，所述腔体的第二侧 面具有呈上中下布置的三个水盒。优选地，上述腔体的顶侧为带有吊耳的顶盖，所述腔体的底侧为设有管道的底座。优选地，上述各所述水盒上设置有位置调节机构，所述位置调节机构包括螺套， 安装于公共支架上，其中，所述公共支架跨接在所述第一框架上；以及螺杆，其与所述螺套 螺纹配合，其端部用于带动所述水盒移动。优选地，上述各所述水盒包括盒体，具有内部水道，橡胶盖板，盖设在所述盒体 上，压板，与所述盒体固定连接，压设在所述橡胶盖板的外侧，以及进水管和出水管，安装至 所述压板上，并与所述盒体的内部水道连通。根据本实用新型的观察模型，可以生成类似连铸坯液相穴的凝固糊状区，以便研 究模型合金凝固特征和连铸坯在轻压下作用下凝固晶体的行为和凝固流动情况，分析连铸 过程中轻压下的详细过程。通过观察糊状区变形情况下凝固组织变化、测量溶质元素分布 变化、观察残余液相流动情况，指导连铸坯过程中轻压下工艺的调试。除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本实用新型还有其它的目的、特征和优 点。下面将参照图，对本实用新型作进一步详细的说明。
构成本说明书的一部分、用于进一步理解本实用新型的附图示出了本实用新型的 优选实施例，并与说明书一起用来说明本实用新型的原理。图中图1示出了根据本实用新型的用于模拟连铸凝固和轻压下过程的实验设备的示 意图；图2示出了根据本实用新型的用于模拟连铸凝固和轻压下过程的观察模型的俯 视图；图3示出了图2所示观察模型的D-D剖视图；以及图4示出了图3所示观察模型的局部E的放大示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型的实施例进行详细说明，但是本实用新型可以由权利 要求限定和覆盖的多种不同方式实施。图1至图4示出了根据本实用新型的用于模拟连铸凝固和轻压下过程的实验设备 及其观察模型的示意图。如图1至图4所示，本实用新型实验设备包括用于形成容纳模型 合金的腔体100的观察模型10和用于加热或冷却腔体100中的模型合金的循环水系统20。观察模型10的腔体100的第一侧面和与之相对的第二侧面均具有呈上下布置的 三水盒101、103、105和三水盒102、104、106，其中，至少第一侧面的三水盒101、103、105相 对腔体100是可移动的并且分别具有位置调节机构110。腔体100的第三侧面和与之相对的第四侧面均设有透明面板11、16。循环水系统20包括热水箱21和冷水箱22，通过混水阀23和供水管路24用于向 观察模型的水盒101、103、105 ；102,104,106的进水管118供水，从各水盒的出水管119回 水，以加热或冷却腔体100中的模型合金。[0041]各进水管118设置有流量阀25，以控制进入每个水盒的水量，从而控制与之相接 触区域的模型合金的冷却速度。在优选实施例的观察模型10中，如图3所示，腔体100的第一侧面的三水盒101、 103、105可移动地安装于第一框架12上，腔体100的第二侧面的三水盒102、104、106位置 固定地安装于第二框架13上，腔体100的第三侧面和第四侧面的透明面板11、16，分别密封 地安装至第一、第二框架12、13的两端侧。第一、第二框架12、13的下端安装至底座15，模型合金10的底座15上设有管道 151，可供熔化的模型合金注入或排出。第一、第二框架12、13的上端设有带有吊耳141的顶盖14，以形成容纳模型合金的 腔体100。其中，水盒101形成第一散热区，水盒103形成第二散热区，水盒102形成第三散 热区，水盒104形成第四散热区。水盒105形成第五散热区，水盒106形成第六散热区。可以想到，也可以使用其它的方式形成散热区，例如通过其它液体介质进行散热 的方式和通过空气冷却进行散热的方式。形成不同散热区的目的是形成不同的散热速度，采用两散热区的方式是基本的实 现形式。可以想到，腔体100的两侧还可以包括更多的散热区或排列复杂的散热区。根据本实用新型优选实施例的实验设备，还包括浓度测量系统40，用于测量观察 模型10的腔体100中的模型合金在各凝固阶段的浓度。其中，可在观察模型透明面板上打孔作为取样点，所取样品通过浓度测量系统40 测量溶质浓度。根据本实用新型优选实施例的实验设备，还包括温度测量系统50，用于测量观察 模型10的腔体100中的模型合金在各凝固阶段的温度。其中，可使热电偶通过观察模型10的顶盖14的吊环口，以实时测量模型内特定点 的温度，该热电偶与相关显示和转换仪表一起组成3温度测量系统50。根据本实用新型优选实施例的实验设备，还包括摄录系统30，用于在观察模型外 部拍摄腔体100中的模型合金在各凝固阶段的状态。在优选实施例的观察模型10中，如图4所示，各位置调节机构110包括螺套115， 安装于公共支架120上，其中，公共支架120跨接在第一框架12上；以及螺杆117，其与螺 套115螺纹配合，其端部用于带动水盒101相对于腔体100移动。在优选实施例的观察模型10中，再如图4所示，各水盒101包括盒体113，具有 内部水道，橡胶盖板114，盖设在盒体113上，压板113，与盒体113固定连接，压设在橡胶盖 板114的外侧，以及进水管118和出水管，安装至压板113上，并与盒体113的内部水道连通。下面结合图1至图4所示的观察模型对实验方法的各实施例进行描述。然而，根 据本实验方法不局限于上述实施例。实施例一将模型合金投入观察模型10的腔体100中，其中，该观察模型10的腔体100的第 一侧面具有呈上中下布置的水盒101、103、105，腔体100的与第一侧面相对的第二侧面上 具有呈上中下布置的水盒102、104、106 ；然后，利用利用循环水系统分别对各水盒通热水、使之升温，以便腔体100中的模型合金熔化；随后，利用循环水系统分别对各水盒进行冷却 降温，并且使上中下水盒的散热速度依次减小，如此，腔体中的模型合金可生成类似连铸坯 液相穴的凝固糊状区供观察。在实验过程中，通过控制在循环水系统的温度和流量，控制合金的冷却速度，透过 两透明面板可以观察到模型合金或透明模型合金的凝固过程。在凝固前后、凝固不同阶段通过取样点对合金进行取样，可通过浓度测量系统测 量样品的凝固温度，根据相图确定样品溶质浓度。具体地，在凝固前沿和凝固中心采用注射 器等取样器材取样，可通过测量样品的溶质浓度，分析不同工艺下不同凝固阶段下溶质的 分布变化和溶质运行。在实验过程中，可通过观察模型的上盖板顶环孔，安装温度测量系统的热电偶，实 时监控凝固中模型合金的温度。在模型合金凝固过程中，通过转动螺杆117，可以控制水盒101、103、105的推进或 是退出，模拟连铸过程中的轻压下工艺和鼓肚。根据实验要求设置不同的水盒可移动的推进量，可模拟压下量，在不同凝固阶段 实施对凝固糊状区的变形操作即轻压下凝固糊状区可模拟不同的压下区间。其中，压下量 和压下区间是动态轻压下的两项重要控制指标。在凝固不同阶段，通过观察模型的上盖板顶环孔，注入密度与合金类似的示踪剂， 可观察凝固过程中和轻压下作用下残余液相的流动行为。实施例二在进行实验时，根据实验设计，称量相应配比的模型合金，投入观察模型中，在循 环水系统中通过恒温水箱对模型合金进行加热熔化，在一定过热度温度下保持一段时间， 并充分搅拌，保证温度、溶质均勻分布。通过换向阀提供恒温冷却水，通过流量计控制合金各区域的冷却水流量和凝固速 度，在下大上小的流量分布下，生成类似连铸坯液相穴的凝固糊状区。在特定的凝固阶段，通过转动观察模型移动水盒上的调节螺杆，对凝固中的糊状 区施加外力促其变形。根据实验要求设置不同的移动水盒推进量模拟压下量，在不同凝固 阶段实施变形模拟不同压下区间。凝固前、凝固不同阶段凝固前沿和凝固中心均可采用注射器或是相关器材取样， 通过测量样品的溶质浓度，分析不同工艺下不同凝固阶段下溶质的分布变化和溶质运行。在凝固过程不同阶段，通过观察模型的上盖板顶环孔，注入密度与合金类似的示 踪剂，观察凝固过程中和轻压下作用下残余液相的流动行为。实施例三将熔化的模型合金直接注入观察模型中，之后的过程同实验方法实施例一。实施例四根据具体实验模型设计，将特定配比的合金直接投入观察模型，通过循环水系统 对合金进行加热和冷却；通过观察模型的调节螺杆，实现移动冷却水盒的移动方向和移动 量，控制凝固合金的糊状区变形；添加示踪剂，观察凝固过程和轻压下作用下残余液相的流 动；凝固过程中，通过前面板的取样进行取样，测量不同凝固阶段合金浓度变化；在实验中 通过冷却盒挤压量和浓度变化量，以及糊状状区变形的情况下观察到的凝固枝晶生长和凝固流动，分析连铸坯在连铸过程中应用轻压下工艺时铸坯中的凝固行为。在本实验方法，通过模拟连铸在不同工艺下的凝固过程，尤其是轻压下作用下凝 固组织行为、溶质分布和凝固流动，分析研究轻压下的作用机制，指导连铸坯过程中轻压下 工艺的调试。通过以上描述可以看出，本实用新型的实验设备和实验方法简单。通过本实验设 备和方法，可以从本质上研究轻压下工艺对合金凝固组织的作用机制，特别是对轻压下作 用下，糊状区和凝固前沿凝固组织的生长情况、受力变形情况，残余液相的流动和溶质分布 变化等提供了一种直观的研究手段，为理解轻压下作用机制，为连铸生产中轻压下工艺调 节压下区间、压下量等关键工艺参数提供实验参考。以上仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域 的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内， 所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
权利要求一种用于模拟连铸凝固和轻压下过程的观察模型，其特征在于，所述观察模型(10)用于形成容纳模型合金的腔体(100)，其中，所述腔体(100)的第一侧面至少具有呈上下布置的且温度可控的第一散热区和第二散热区；所述腔体(100)的与所述第一侧面相对的第二侧面至少具有呈上下布置的且温度可控的第三散热区和第四散热区；其中，所述腔体(100)的第一侧面的整体或局部相对于所述第二侧面的间距是可调的以模拟轻压下过程。
2.根据权利要求1所述的用于模拟连铸凝固和轻压下过程的观察模型，其特征在于， 所述腔体(100)的第一侧面的各所述散热区分别由相对于所述第二侧面间距可调的水盒 (101 ； 103)构成。
3.根据权利要求2所述的用于模拟连铸凝固和轻压下过程的观察模型，其特征在于， 所述腔体(100)的第一侧面的各所述水盒(101 ； 103)分别可移动地安装于第一框架(12)上。
4.根据权利要求2所述的用于模拟连铸凝固和轻压下过程的观察模型，其特征在于， 所述腔体(100)的第二侧面的各所述散热区分别由水盒(102 ； 104)构成。
5.根据权利要求4所述的用于模拟连铸凝固和轻压下过程的观察模型，其特征在于， 所述腔体(100)的第二侧面的各所述水盒(102 ； 104)位置固定地安装于第二框架(13)上。
6.根据权利要求5所述的用于模拟连铸凝固和轻压下过程的观察模型，其特征在于， 所述腔体(100)的第三侧面和与之相对的第四侧面分别具有密封地安装至所述第一、第二 框架(12 ；13)的两端侧的所述透明面板(11 ；16)。
7.根据权利要求6所述的用于模拟连铸凝固和轻压下过程的观察模型，其特征在于， 所述腔体(100)的第一侧面具有呈上中下布置的三个水盒(101、103、105)，所述腔体(100) 的第二侧面具有呈上中下布置的三个水盒(102、104、106)。
8.根据权利要求7所述的用于模拟连铸凝固和轻压下过程的观察模型，其特征在于， 所述腔体(100)的顶侧为带有吊耳(141)的顶盖(14)，所述腔体(100)的底侧为设有管道 (151)的底座(15)。
9.根据权利要求3所述的用于模拟连铸凝固和轻压下过程的观察模型，其特征在于， 各水盒(101 ；103)的位置调节机构(110)包括螺套(115)，安装于公共支架(120)上， 其中，所述公共支架(120)跨接在所述第一框架(12)上；以及螺杆(117)，其与所述螺套 (115)螺纹配合，其端部用于带动所述水盒(101)移动。
10.根据权利要求3所述的用于模拟连铸凝固和轻压下过程的观察模型，其特征在于， 各所述水盒(101)包括盒体(113)，具有内部水道；压板(113)，与所述盒体(113)固定连 接，压设在所述橡胶盖板(114)的外侧；以及橡胶盖板(114)，盖设在所述盒体(113)上；以 及进水管(118)和出水管(119)，安装至所述压板(113)上，并与所述盒体(113)的内部水 道连通。
专利摘要本实用新型提供一种用于模拟连铸凝固和轻压下过程的观察模型，用于形成容纳模型合金的腔体，其中，该腔体的第一侧面至少具有呈上下布置的且温度可控的第一散热区和第二散热区；所述腔体的与所述第一侧面相对的第二侧面至少具有呈上下布置的且温度可控的第三散热区和第四散热区；其中，所述腔体的第一侧面的整体或局部相对于所述第二侧面的间距是可调的以模拟轻压下过程。根据本实用新型的观察模型，可以生成类似连铸坯液相穴的凝固糊状区，方便研究模型合金凝固特征和连铸坯在轻压下作用下凝固晶体的行为和凝固流动情况，分析连铸过程中轻压下的详细过程。
文档编号B22D11/16GK201644738SQ200920292598
公开日2010年11月24日 申请日期2009年12月14日 优先权日2009年12月14日
发明者杨建桃, 田陆, 黄郁君 申请人:田陆