一种用于研究金属熔体在温度场-流场耦合条件下凝固过程的实验模拟装置和方法
【技术领域】
[0001]本发明属于冶金研究设备技术领域，特别涉及一种用于研究金属熔体在温度场-流场耦合条件下凝固过程的实验模拟装置和方法。
【背景技术】
[0002]随着国民经济的高速发展，冶金、能源、交通和化工领域对大型铸锻件的需求与日倶增，质量要求也日益提高，尤其是在先进能源、航空航天等领域。在先进能源领域，虽然我国已具备设计、制造常规超临界机组的能力，但在大型铸锻件的制备技术上，与国外仍存在较大差距。根据我国《大型铸锻件行业十二五规划》报告，2007年我国需要300MW以上机组的汽轮机、电机的低压转子需求约在201根左右，我国仅能提供不到16根，其余只能靠进口解决。规划同时还指出，到2020年前，我国水电与火电机组大型铸锻件需求预计将在
2.7万吨左右，需求与市场之间具有巨大的缺口。在航空及民用领域，航空用高强高韧铝合金如7xxx系大规格扁锭(厚度不小于500mm)的恪炼铸造工艺水平仍然较低、制造能力仍然较低，如典型的高性能铝合金在C919和ARJ21等国产航空器上的整体国产化率也不到30%。由于大型铸件一般形体巨大、服役寿命长、质量要求高、制造难度大，加上生产过程对能源和材料等消耗大，科技含量高，其制造技术已经成为阻碍各领域自主创新的主要障碍。因此，国家已经将大型铸锻件的制造列为十二五计划的重点发展对象。要想提高我国大铸件的生产水平就必须要对大铸件的凝固过程、凝固特征进行研究。因为大铸件一般材料特殊、尺寸大、铸造工艺复杂、铸造条件苛刻，一次实验的造价往往在几百万到上千万左右，所以无法按照传统方法通过大规模的实验探索其铸造工艺参数。因为大型铸件铸造过程的高温、不透明特征，无法进行常规的直接观察、物理模拟或者通过倾出法观察凝固界面、通过热分析法研究其凝固过程。同时，因为实际的金属凝固更是一个非平衡过程，所以从理论上推测金属的凝固过程也具有一定的偏差。
[0003]中国发明专利(CN104226952A)利用定向凝固的方法模拟连铸板坯铸造过程中的金属熔体凝固过程，其构造的温度场较为简单，并不提供流场模拟，仅适用于温度场较为简单，熔体流动不剧烈的铸造过程模拟。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是提供一种用于研究金属熔体在温度场-流场耦合条件下凝固过程的实验模拟装置和方法，能够准确模拟大型铸件典型部位凝固特征，再现铸造过程中的金属凝固过程，预测铸件的凝固组织。
[0005]本发明的实现原理是:
铸件凝固过程中，凝固组织或者说晶体的生长主要受到温度场、流场的影响。而大型铸件中，特定部位的温度场和流场不方便监测。在多年的铸造实践中已证明目前的铸造模拟软件通过有限元方法对铸造过程的温度场和流场可以进行一定程度的再现。如果设计一个与有限元模拟的边界条件类似的铸造模具，通过多次数值模拟以及试验验证，就可获得模拟条件和实验条件之间的差异，然后再利用试验装置模拟大型铸件典型部位的温度场和流动场，就实现对大型铸件典型部位凝固过程的模拟。
[0006]为此，本发明采用的方案如前所述，铸件凝固过程中的晶体生长过程主要受到温度场和流场的影响，而该温度场和流场无法通过物理观察或者检测的方法获得，而通过有限元模拟可以提供相对可靠的边界条件用于对铸件典型部位的模拟，并获得与实际凝固条件一致的实验结果。
[0007]本发明的技术方案是，一种用于研究金属熔体在温度场-流场耦合条件下凝固过程的实验模拟装置，该装置包括陶瓷铸型，在所述陶瓷铸型的表面安装有由多个温控单元组成的温控组件，该温控组件与一台控制电脑连接，
在所述陶瓷铸型的两端装有隔热端板，
所述的实验模拟装置还包括被置入所述陶瓷铸型上部的熔体流场驱动装置。
[0008]所述的温控组件通过一个电脑连接端口与所述控制电脑连接，该电脑连接端口与所述温控组件紧贴安装。
[0009]所述温控单元包括冷却单元、测温单元和加热单元。
[0010]所述熔体流场驱动装置是电磁或者机械栗。
[0011]—种用于研究金属熔体在温度场-流场耦合条件下凝固过程的实验模拟方法，其特征在于，包括以下步骤:
Al，利用有限元软件对金属熔体浇铸凝固后的铸件对象几何建模，并进行初步的浇铸凝固过程模拟，将模拟结果中出现缺陷的典型部件进行离散化，获得离散部位的边界条件；
A2，根据离散部位的三维尺寸构建铸型，铸型采用具有较高耐热温度的陶瓷铸型；
A3，采用由多个温控单元组成的温控组件，该温控组件的温度由一台控制电脑对每个温控单元同时进行升降温控制；
A4，将温控组件固定在陶瓷铸型壁上，温度场的建立通过控制电脑机根据有限元模拟的边界条件对陶瓷铸型壁上的温控单元进行设定；
A5，在陶瓷铸型的上方开口处设置一熔体流场驱动装置，该熔体流场驱动装置的入口位置以及出口位置、入口方向以及出口方向和功率以及转速均可调节控制；
A6，根据有限元模拟结果设定边界条件以及相关变量条件后，将熔体浇入铸型，按照所研究的铸件的有限元模拟特征进行试验模拟并验证。
[0012]步骤A5所述的熔体流场驱动装置是电磁或者机械栗，栗的入口方向、出口方向通过机械方式进行设定，流速通过改变电磁栗或机械栗的功率、转速进行控制，入口位置以及出口位置通过机械方式驱动，以控制设定的速度、方向在距金属熔体表面预设深度移动。
[0013]还进一步包括步骤A7，
A7，采用步骤Al至A6，对铸造过程进行优化，获得更优化的铸造条件。
[0014]一种用于研究金属熔体在温度场-流场耦合条件下凝固过程的实验模拟方法，其特征在于，包括以下步骤:
BI,对所研究的大型铸件进行几何建模，并用经过小型铸件验证过模型有效性的有限元模型对大型铸件的浇铸凝固过程进行模拟； B2,选择容易出现铸造缺陷的典型部位，对其进行3D建模，并按照3D模型准备陶瓷铸型；
B3,根据有限元模拟结果，将所建3D模型在大型铸件上的温度和流场特征提炼成为实验模拟的边界条件和变量，输入实验模拟装置的控制电脑；
B4,在陶瓷铸型表面安装多个温控单元组成的组件，并与控制电脑进行连接；
B5,在陶瓷铸型两端加装隔热板，并对其进行预热；
B6,将陶瓷铸型外侧温度设置为浇铸温度，并向陶瓷铸型中浇铸金属熔体；
B7,将熔体流场驱动装置置入陶瓷铸型上侧，将其入、出口均没入熔体液面以下少许距离，并按照流场方向设置好出入口位置；
B8，将陶瓷铸型外侧的温控单元，按照有限元模拟结果所得的温度场分布进行设置，并按温度场变化情况调节各温控单元温度；
B9，控制熔体流场驱动装置的出入口位置，以及熔体流动速度，在陶瓷铸型内部为凝固熔池部分创造与凝固过程中的熔体流场类似的熔体流动；
B10，在上述模拟条件下，熔体在陶瓷铸型中冷却形成铸件，该铸件即为所研究条件下大型铸件典型部位的凝固组织。
[0015]本发明的一种研究金属熔体在温度场-流场耦合条件下凝固的实验模拟方法，通过大规模采用温度控制单元，在陶瓷铸型外侧获得与有限元模拟结果相近的温度场；通过在铸型顶部添加熔体流场驱动装置，在铸锭内获得与有限元模拟结果相近的温度场(有限元模拟结果所使用的边界条件均采自大型铸锭凝固过程)从而完全模拟了铸件凝固过程中的温度场、流场变化，获得与实际铸件凝固过程较为接近的凝固组织。利用本方法可将大型铸件中易于出现缺陷的典型部位的凝固过程通过有限元法离散分离后，在小规模实验中获得验证，而无需对整个铸件进行铸造模