用于定向凝固设备的高温度梯度定向凝固冷却器

摘要

用于定向凝固设备的高温度梯度定向凝固冷却器，安装在温度调节器末端，定向凝固冷却器还包括调节阀芯（1）、金属壳体（2）、密封胶圈（3）、冷却气体进入孔（4）、环形空腔（5）、环形冷却气体喷出缝隙（6）、金属杆进孔（7）、陶瓷绝热垫圈（8），其中金属壳体（2）上设有冷却气体进入孔（4）；金属壳体（2）的凹嘴前端与调节阀芯（1）形成环形冷却气体喷出缝隙。

说明书

技术领域

本发明涉及金属材料加工技术，具体是定向凝固制备技术。

背景技术

现有的定向凝固牵引设备的冷却器主要采用金属环形管内侧开孔，金属杆材被从炉体型口中引出后穿过冷却器，然后被连续牵引拉出，冷却液从冷却器内侧开孔中喷出对金属进行冷却。其缺点是：

1.定向凝固过程需要固-液界面前沿熔体具有较高的温度梯度，在热型连铸过程中，已凝固的金属杆材在型口加热装置二次加热下保持高温热塑性状态，然后从型口引出。但现有的冷却器主要采用金属整体加工而成，前端主要以尖嘴形设计，会使液-固界面前沿的温度梯度减小，而且冷却不均匀，金属不能得到快速强制冷却；2.冷却液流量不易控制，容易造成冷却液向型口方向溅射；3.增加热型连铸设备中型口加热装置的热量损耗，引起型口温度快速降低，增加功耗；4. 导致定向凝固方式转变为常规缓冷方式，造成不能形成单晶或柱状晶组织，容易引起凝固过程中晶核数量过多而形成多晶组织，材料组织形成等轴晶，从而失去定向凝固制备高性能材料的优越性；5. 由于金属良好的热传导能力，在现有无隔热措施的情况下，被牵引出型口的高温金属杆的温度快速降低，不仅容易引起杆材在型口引出受到阻塞或牵引失败，而且会极大降低材料的牵引效率，从而大幅度降低生产效率。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于定向凝固设备的高温度梯度定向凝固冷却器。

本发明是用于定向凝固设备的高温度梯度定向凝固冷却器，安装在温度调节器末端，定向凝固冷却器还包括调节阀芯1、金属壳体2、密封胶圈3、冷却气体进入孔4、环形空腔5、环形冷却气体喷出缝隙6、金属杆进孔7、陶瓷绝热垫圈8，其中金属壳体2上设有冷却气体进入孔4；金属壳体2的凹嘴前端与调节阀芯1形成环形冷却气体喷出缝隙。

本发明的有益之处为：该本发明的冷却器型壳直接进入液态金属冷却，散热增强，冷却剂与型壳迅速达到热平衡，可得到更大的温度梯度，在较大的生长速度范围内可使界面前沿的温度梯度保持稳定，使结晶在相对稳态下进行，可得到比较长的单向柱晶。金属壳体2的凹嘴前端结构缩短了金属凝固位置与冷却位置距离，能及时冷却已凝固的金属，提高了冷却速度，本发明采用一种环状喷头，布置在冷却面周围，使其呈圆周状整体冷却，可以克服冷却不均的缺陷，同时方便金属杆材的牵引移动，提高了牵引效率。本定向凝固冷却器体积小巧，能够取代庞大的水冷设备，通过采用低温N₂和石棉/陶瓷隔热片，解决了水冷方式下无法实现较大温度梯度，无法保证材料组织稳定等关键技术难题，为高性能金属杆材的连续、组织可控及高效制备提供了设备保障。

附图说明

图1定向凝固设备冷却器整体结构图，图2冷却器中的调节阀芯结构图，图3 温度梯度较小时杆材的组织形貌：等轴晶，图4 温度梯度较高时杆材的组织形貌：单晶。

具体实施方式

如图1、图2所示，本发明是用于定向凝固设备的高温度梯度定向凝固冷却器，安装在温度调节器末端，定向凝固冷却器还包括调节阀芯1、金属壳体2、密封胶圈3、冷却气体进入孔4、环形空腔5、环形冷却气体喷出缝隙6、金属杆进孔7、陶瓷绝热垫圈8，其中金属壳体2上设有冷却气体进入孔4；金属壳体2的凹嘴前端与调节阀芯1形成环形冷却气体喷出缝隙。

如图1、图2所示，调节阀芯结构1由陶瓷绝热垫圈8、调节阀芯光滑部分1-a、位于调节阀芯前端冷却气体喷出的间隙光滑部分1-b组成。

如图1、图2所示，在金属壳体2与调节阀芯1之间调节阀芯光滑部分1-a上安装密封胶圈3，调节阀芯1能够前后移动。

如图1所示，冷却气体进入孔4的管壁焊接在金属壳体2上，金属壳体2与调节阀芯1紧密配合形成了环形空腔5，环形空腔5与冷却气体进口4相连通。

如图1所示，金属壳体2的凹嘴前端能够实现熔炼炉的型口与冷却器的无缝连接。

根据权利要求1所述的用于定向凝固设备的高温度梯度定向凝固冷却器，其特征在于：定向凝固冷却器采用液氮气化后的气体进行冷却。

该冷却器凹嘴设计，可使冷却气体均匀喷出，冷却气体流量可任意控制，这可形成相对较窄的高温度梯度冷却区，实现金属材料的快速冷却，解决了凝固位置与冷却位置距离过长，冷却过程中冷却剂喷出不均匀，冷却剂流量不易控制等关键性问题，为高品质的定向凝固或单晶金属杆材的制备提供可靠的设备保障。

该冷却器采用液氮气化后的气体冷却，通过流量阀与控制单元连接，通过对低温气体流量精确控制，在液固界面前沿形成极大的过冷度，能够在保护性气氛下，使型口出炉后的高温金属防止被氧化的同时，大幅度提高定向凝固制备单晶或连续柱状晶高性能材料的成功率和生产效率。

本发明采用气冷凹嘴设计，可以方便调节金属液-凝固转变过程中熔池的宽度，能够使进入冷却器以后金属杆材的温度急剧降低，从而使在液-固界面前沿产生较高的温度梯度，既保证了较高的牵引速度，又能够促进单晶/柱状晶连续生长，解决了冷却结构喷液不均匀、冷却剂流量不易控制及其靠近固-液界面前沿熔液要有较大的温度梯度等关键性问题。

将本装置通过固定在与导向丝杆连接的底座上，在制备单晶或长柱状晶高性能金属材料时，超低温冷却气体通过流量阀从冷却气体进入孔4进入环形空腔5，通过与控制单元连接的调压阀，调节冷却气体进入腔体5的流量，实现对型口引出的高温金属杆材的窄隙快速冷却，从而使金属液固界面前沿产生较高的温度梯度，同时使高温金属杆材表面形成保护性气氛，防止金属杆材氧化。

根据本发明的工作过程为：

(1) 合金试样在熔炼炉内熔炼后，把合金液浇入保温炉内的铸型，保温一段时间，以某一恒定速度由加热区拉到冷却区，浸入冷却液进行冷却；

(2) 打开设备冷却系统，调节调节阀芯1和壳体2之间的间隙，从环形冷却液喷出间隙6喷出冷却液；

(3) 向前或者向后调节调节阀芯1减小或者增加冷却液的流量来控制试样的冷却速度。

如图3所示，采用本发明的定向凝固冷却器制备等轴晶形貌，是温度梯度较小时杆材的组织形貌。如图4所示，采用本发明的定向凝固冷却器制备的单晶形貌，是温度梯度较高时杆材的组织形貌。