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摘要
設計了一種新型的液態(tài)金屬冷卻定向凝固設備，可以實現高溫合金的熔煉、高速凝固(HRS)和液態(tài)金屬冷卻(LMC)定向凝固工藝。并對設備的爐體結構、抽拉系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)，液態(tài)金屬冷卻系統(tǒng)。
關鍵詞：液態(tài)金屬冷卻；定向凝同；溫度梯度
ABSTRACT
This paper presents a new type of directionaI solidification equipment，which can implement superalloy smelting．high rate solidification(HRS)and Liquid etaI cooling(LMC) directionaI solidification process．Moreover，the furnace structure。withdrawing systems，mould heating systems，liquid metaI cooling system and baffle of this equipment．
Key words：liquid metal cooling；directionaI solidification；temperature gradient
第一章 引言
1.1 結晶器簡介
結晶器是用于結晶操作的設備。結晶器的類型很多，按溶液獲得過飽和狀態(tài)的方法可分蒸發(fā)結晶器和冷卻結晶器；按流動方式可分母液循環(huán)結晶器和晶漿（即母液和晶體的混合物）循環(huán)結晶器；按操作方式可分連續(xù)結晶器和間歇結晶器。
一種槽形容器，器壁設有夾套或器內裝有蛇管，用以加熱或冷卻槽內溶液。結晶槽可用作蒸發(fā)結晶器或冷卻結晶器。為提高晶體生產強度，可在槽內增設攪拌器。結晶槽可用于連續(xù)操作或間歇操作。間歇操作得到的晶體較大，但晶體易連成晶簇，夾帶母液，影響產品純度。這種結晶器結構簡單，生產強度較低，適用于小批量產品（如化學試劑和生化試劑等）的生產。
強制循環(huán)蒸發(fā)結晶器
一種晶漿循環(huán)式連續(xù)結晶器（圖1）。操作時,料液自循環(huán)管下部加入，與離開結晶室底部的晶漿混合后，由泵送往加熱室。晶漿在加熱室內升溫（通常為2～6℃），但不發(fā)生蒸發(fā)。熱晶漿進入結晶室后沸騰，使溶液達到過飽和狀態(tài)，于是部分溶質沉積在懸浮晶粒表面上，使晶體長大。作為產品的晶漿從循環(huán)管上部排出。強制循環(huán)蒸發(fā)結晶器生產能力大，但產品的粒度分布較寬。
??
DTB型蒸發(fā)結晶器
即導流筒-擋板蒸發(fā)結晶器，也是一種晶漿循環(huán)式結晶器。器下部接有淘析柱，器內設有導流筒和筒形擋板，操作時熱飽和料液連續(xù)加到循環(huán)管下部，與循環(huán)管內夾帶有小晶體的母液混合后泵送至加熱器。加熱后的溶液在導流筒底部附近流入結晶器，并由緩慢轉動的螺旋槳沿導流筒送至液面。溶液在液面蒸發(fā)冷卻，達過飽和狀態(tài)，其中部分溶質在懸浮的顆粒表面沉積，使晶體長大。在環(huán)形擋板外圍還有一個沉降區(qū)。在沉降區(qū)內大顆粒沉降，而小顆粒則隨母液入循環(huán)管并受熱溶解。晶體于結晶器底部入淘析柱。為使結晶產品的粒度盡量均勻，將沉降區(qū)來的部分母液加到淘析柱底部，利用水力分級的作用，使小顆粒隨液流返回結晶器，而結晶產品從淘析柱下部卸出。
奧斯陸型蒸發(fā)結晶器
又稱為克里斯塔爾結晶器， 一種母液循環(huán)式連續(xù)結晶器。操作的料液加到循液壓控制系統(tǒng)。
??
環(huán)管中，與管內循環(huán)母液混合，由泵送至加熱室。加熱后的溶液在蒸發(fā)室中蒸發(fā)并達到過飽和，經中心管進入蒸發(fā)室下方的晶體流化床(見流態(tài)化)。在晶體流化床內，溶液中過飽和的溶質沉積在懸浮顆粒表面,使晶體長大。晶體流化床對顆粒進行水力分級,大顆粒在下，而小顆粒在上，從流化床底部卸出粒度較為均勻的結晶產品。流化床中的細小顆粒隨母液流入循環(huán)管，重新加熱時溶去其中的微小晶體。若以冷卻室代替奧斯陸蒸發(fā)結晶器的加熱室并除去蒸發(fā)室等，則構成奧斯陸冷卻結晶器。這種設備的主要缺點是溶質易沉積在傳熱表面上，操作較麻煩，因而應用不廣泛。
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摘要
設計了一種新型的液態(tài)金屬冷卻定向凝固設備，可以實現高溫合金的熔煉、高速凝固(HRS)和液態(tài)金屬冷卻(LMC)定向凝固工藝。并對設備的爐體結構、抽拉系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)，液態(tài)金屬冷卻系統(tǒng)。
關鍵詞：液態(tài)金屬冷卻；定向凝同；溫度梯度
ABSTRACT
This paper presents a new type of directionaI solidification equipment，which can implement superalloy smelting．high rate solidification(HRS)and Liquid etaI cooling(LMC) directionaI solidification process．Moreover，the furnace structure。withdrawing systems，mould heating systems，liquid metaI cooling system and baffle of this equipment．
Key words：liquid metal cooling；directionaI solidification；temperature gradient
第一章 引言
1.1 結晶器簡介
結晶器是用于結晶操作的設備。結晶器的類型很多，按溶液獲得過飽和狀態(tài)的方法可分蒸發(fā)結晶器和冷卻結晶器；按流動方式可分母液循環(huán)結晶器和晶漿（即母液和晶體的混合物）循環(huán)結晶器；按操作方式可分連續(xù)結晶器和間歇結晶器。
一種槽形容器，器壁設有夾套或器內裝有蛇管，用以加熱或冷卻槽內溶液。結晶槽可用作蒸發(fā)結晶器或冷卻結晶器。為提高晶體生產強度，可在槽內增設攪拌器。結晶槽可用于連續(xù)操作或間歇操作。間歇操作得到的晶體較大，但晶體易連成晶簇，夾帶母液，影響產品純度。這種結晶器結構簡單，生產強度較低，適用于小批量產品（如化學試劑和生化試劑等）的生產。
強制循環(huán)蒸發(fā)結晶器
一種晶漿循環(huán)式連續(xù)結晶器（圖1）。操作時,料液自循環(huán)管下部加入，與離開結晶室底部的晶漿混合后，由泵送往加熱室。晶漿在加熱室內升溫（通常為2～6℃），但不發(fā)生蒸發(fā)。熱晶漿進入結晶室后沸騰，使溶液達到過飽和狀態(tài)，于是部分溶質沉積在懸浮晶粒表面上，使晶體長大。作為產品的晶漿從循環(huán)管上部排出。強制循環(huán)蒸發(fā)結晶器生產能力大，但產品的粒度分布較寬。
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DTB型蒸發(fā)結晶器
即導流筒-擋板蒸發(fā)結晶器，也是一種晶漿循環(huán)式結晶器。器下部接有淘析柱，器內設有導流筒和筒形擋板，操作時熱飽和料液連續(xù)加到循環(huán)管下部，與循環(huán)管內夾帶有小晶體的母液混合后泵送至加熱器。加熱后的溶液在導流筒底部附近流入結晶器，并由緩慢轉動的螺旋槳沿導流筒送至液面。溶液在液面蒸發(fā)冷卻，達過飽和狀態(tài)，其中部分溶質在懸浮的顆粒表面沉積，使晶體長大。在環(huán)形擋板外圍還有一個沉降區(qū)。在沉降區(qū)內大顆粒沉降，而小顆粒則隨母液入循環(huán)管并受熱溶解。晶體于結晶器底部入淘析柱。為使結晶產品的粒度盡量均勻，將沉降區(qū)來的部分母液加到淘析柱底部，利用水力分級的作用，使小顆粒隨液流返回結晶器，而結晶產品從淘析柱下部卸出。
奧斯陸型蒸發(fā)結晶器
又稱為克里斯塔爾結晶器， 一種母液循環(huán)式連續(xù)結晶器。操作的料液加到循液壓控制系統(tǒng)。
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環(huán)管中，與管內循環(huán)母液混合，由泵送至加熱室。加熱后的溶液在蒸發(fā)室中蒸發(fā)并達到過飽和，經中心管進入蒸發(fā)室下方的晶體流化床(見流態(tài)化)。在晶體流化床內，溶液中過飽和的溶質沉積在懸浮顆粒表面,使晶體長大。晶體流化床對顆粒進行水力分級,大顆粒在下，而小顆粒在上，從流化床底部卸出粒度較為均勻的結晶產品。流化床中的細小顆粒隨母液流入循環(huán)管，重新加熱時溶去其中的微小晶體。若以冷卻室代替奧斯陸蒸發(fā)結晶器的加熱室并除去蒸發(fā)室等，則構成奧斯陸冷卻結晶器。這種設備的主要缺點是溶質易沉積在傳熱表面上，操作較麻煩，因而應用不廣泛。
自從20世紀60年代以來，高溫合金的發(fā)展極大地促進了定向凝固技術的進步。早期的發(fā)熱鑄烈法由于不能獲得穩(wěn)定的凝固組織已經很少使用。功率降低法使用多組加熱元件自下而上逐步切斷功率以實現定向凝固，但由于切斷功率只能分組進行，鑄件軸向的凝固組織仍然不能很好地控制，特別是很難得到均勻一致的定向組織。
Bridgman方法利用了鑄型移出技術，這種相對高速率的凝固技術始于20世紀70年代，現已發(fā)展成更先進的沸騰床(流態(tài)床)法，液態(tài)金屬冷卻法等定向凝固技術。 HRS能充分利用各種類烈的輻射擋板來隔離爐子的冷熱區(qū)，從而有效地提高了溫度梯度。這些擋板采用固定在鑄形熱發(fā)生器下面的碳基材料擋板或是水冷擋板環(huán)的形式。
Bridgman方法在凝固開始的時候，主要通過鑄件把熱傳導到水冷板產生冷卻。然而，隨著鑄件的拉出，其傳熱效果很快降低。這是囚為大多數高溫合金的導熱能力低，鑄件的散熱逐漸依靠真空中模殼向水冷爐殼的輻射散熱，由此導致凝固前沿的溫度梯度逐漸降低。為了保持穩(wěn)定的凝固界面，抽出速度必須降低，否則由于成分過冷就會形成等軸晶。低的抽拉速率還導致了雀斑和晶粒偏離預期的擇優(yōu)生長方向，增加了廢品率。降低抽拉速度也導致了生產周期的延長，引起鑄模和金屬反應以及鑄模蠕變以致破裂。另外使用多組鑄模，常常囚為輻射散熱的不對稱導致固液界面傾斜而使上述問題更加突出。
為了克服HRS技術定向凝固溫度梯度低且不穩(wěn)定的問題，研究者提出了多種新的技術，其出發(fā)點大都是加強對鑄件已凝固部分的冷卻。典烈的有氣冷法(GCC ),流動床淬火法(FBQ)，液態(tài)金屬冷卻法(IMC)等。瑞士ABB公司為發(fā)展葉片制備的需要，利用GCC在輻射擋板下邊借助高速惰性氣體冷卻鑄件的凝固部分，其冷卻效果為HRS技術的2. 5倍.使中晶高溫合金的一次枝晶間距從450 um降為320 um 。FBQ法將鑄件抽到利用惰性氣體沸騰的固體顆粒的流動床容器中，使其周圍的水冷夾層帶走熱量。
1.2 結晶器的應用
結晶器是連鑄機上的鑄坯成型裝置，也是連鑄機的核心設備之一，其作用是通過強制冷卻連續(xù)注入結晶器內腔的鋼液，導出熱量，使鋼液逐漸凝固成具有所要求斷面形狀和一定坯殼厚度的鑄坯，并將芯部仍為液相的鑄坯連續(xù)地從結晶器下口拉出。在鋼液注入結晶器逐漸形成一定厚度坯殼的凝固過程中，結晶器同時受機械應力和熱應力的綜合作用，其運行狀況直接關系到連鑄機的順行、鑄坯的質量和產量。目前，國內外常規(guī)大板坯、大方坯和小方坯連鑄機結晶器技術基本成熟，此文僅探討薄板坯和中薄板坯連鑄機的結晶器的相關技術。
??? 截至2008 年底，世界上共建設薄板坯( 包括中薄板坯) 連鑄連軋生產線65 條，年生產能力達到11 008 萬t。其中，CSP 生產工藝占世界薄板坯連鑄-連軋總產能的50% 以上；其次是FTSR工藝，占總產能的18.35%。其中，中國共建設不同類型的薄板坯連鑄連軋生產線14 條，年產能3 530 萬t。
1 結晶器的種類及主要特點
??? 薄板坯和中薄板坯連鑄設備的核心是結晶器。設計要求結晶器彎月面區(qū)域必須有足夠的空間，以插入浸入式水口，且滿足水口壁與結晶器壁之間無凝固橋形成，鋼液溫度分布均勻，有利于保護渣熔化；彎月面區(qū)鋼液流動平穩(wěn)，防止過大紊流而卷渣；結晶器幾何形狀應滿足拉坯時坯殼承受的應力最小。
漏斗形結晶器
幾何形狀
??? 德馬克公司ISP 工藝的第一代立彎式結晶器，上部是垂直段，下部是弧形段，側板可調，上口斷面是矩形，尺寸為(60~80) mm×(650~1 330) mm。意大利阿維迪生產線采用該結晶器后，發(fā)現這種形狀的結晶器只能使用薄片形浸入式水口，而且即使這種特殊形狀的長水口很薄，插入結晶器內與結晶器壁也只能保持10~15 mm 的間隙，造成水口插入處寬面?zhèn)缺Ｗo渣熔化不好，且很難獲得可恒定控制的保護渣層，薄板坯的表面質量較差。
??? 阿維迪廠在1993 年開始改進該結晶器，重新設計了其上口斷面形狀，由原平行板形改為小漏斗形，結晶器上口寬邊最大厚度為60+(10×2) mm，這種形狀一直保持到結晶器下口仍有(1.5×2)mm 的小鼓肚。近年來，其結晶器的小鼓肚越改越大，現使用的上口寬邊最大厚度已達60+(25×2) mm，下口為60+(5×2) mm，浸水式水口仍是薄片形，盡管壁厚有所增加，但其距器壁兩側的間隙大大增加，改善了保護渣層的熔化狀況，薄板坯表面質量也有了很大改進。
??? 西馬克公司CSP 工藝所用的漏斗形結晶器，上口寬邊兩側均有平行段，再與圓弧段相連接，上口斷面較大。這個漏斗形狀在結晶器內保持到長700 mm，結晶器出口處鑄坯厚度為50~70 mm。結晶器總長為1 120 mm。上口的漏斗形狀有利于浸入式水口的浸入，在結晶器的兩寬面板間垂直方向形成了一個帶錐度的空間，而漏斗區(qū)以外的兩側壁仍然是平行的，兩側壁間的距離相當于板坯厚度。漏斗形結晶器在形狀上滿足了長水口插入、保護渣熔化和薄板鑄坯厚度的要求，經多條生產線使用，均收到較好效果。
主要特點
??? 漏斗形結晶器的創(chuàng)新點在于其打破了傳統(tǒng)板坯連鑄結晶器在任意橫截面均相同的限制，其結晶器腔內凝固殼的形狀及大小按非矩形截面逐步縮小的規(guī)律變化。但是，鋼液在這種結晶器內凝固時要產生變形，特別是拉坯過程中機械變形產生的應力可能導致固液界面裂紋的發(fā)生，并最終影響熱軋帶卷的質量。因此，漏斗形結晶器的理想形狀是盡量減小坯殼間兩相區(qū)的彎曲變形率，使坯殼在變形過程中其固液界面的實際變形率小于產生裂紋的臨界應變率。基于上述要求，漏斗形結晶器必須保證厚度過渡區(qū)的彎曲弧度設計準確，且拉速盡可能穩(wěn)定。
??? 我國鋼鐵研究總院等單位對薄板坯連鑄結晶器技術進行了深入研究，認為漏斗形結晶器技術從根本上解決了浸入式水口的使用壽命問題，使得高效連續(xù)生產薄規(guī)格鑄坯變?yōu)楝F實。同時由于漏斗形結晶器上口表面積大，為保護渣的熔化創(chuàng)造了條件。
??? 應該指出的是，漏斗形結晶器的缺點是坯殼在結晶器內變形易產生裂紋，限制了像包晶鋼這類難澆品種的薄板坯連鑄。必須結合鋼液本身收縮的計算來設計結晶器的過渡段。盡管該類型結晶器由弧線變直線的過渡段僅100 mm，在5 m/min 的拉速下鑄坯通過此段僅需幾毫秒，但仍要給予高度重視，一般采用有限元法優(yōu)化設計變形段。為了減少或減緩漏斗形結晶器內的鑄坯變形，可采取以下措施：
??? 1) 盡量減小漏斗的開口度。
??? 2) 將鑄坯由漏斗形過渡到矩形，變形段加長。
3) 優(yōu)化結晶器內腔形狀設計，使結晶器內金屬變形分布更加均勻、平緩，降低變形速率，降低鑄坯產生裂紋的可能性。
??? 漏斗形結晶器在維護上與常規(guī)連鑄結晶器的維護沒有太大區(qū)別，主要應注意避免銅板表面的劃傷和殘鋼粘結。澆鑄過程中應確保足夠的潤滑，預防水口破裂導致濺鋼、溢鋼以及漏鋼事故。
技術進步
??? 考慮到漏斗形結晶器不適合澆鑄較窄的中等寬度薄板坯，而平行板形結晶器的薄片狀浸入式水口成本太高，且難以實現澆注薄規(guī)格鑄坯，因此對漏斗形結晶器做了兩個關鍵性的改進：
???? 1) 漏斗形結晶器的圖形方案在弦長的中間區(qū)域為圓弧區(qū)，圓弧半徑由上到下連續(xù)變大，圓弧區(qū)的兩邊為傾斜的三角形平面區(qū)，此圓形方案的特點是平行于X 軸的任意截面。角度相等，且等于起始角，因而任意截面上的中間圓弧與兩邊直線不相切而相交。
??? 2) 漏斗形的開口度是設計此種結晶器的一個重要參數。結晶器的開口度較大，坯殼向下運動時斜率也大，導致拉坯阻力增加。通過適當改變浸入式水口橫截面的形狀，把開口度由170 mm 減小到120~140 mm，澆鑄效果較好。
漏斗形結晶器在使用中存在壽命短、結晶器的形狀不能保證鑄坯有最好的表面質量兩大缺點。西馬克公司經較長時間的研究和傳熱計算，對其上部形狀進行了優(yōu)化保證鋼液進入后不致產生漩渦，大大減少了鑄坯表面缺陷。自動控制的水冷系統(tǒng)使銅板上部傳熱合理，冷卻效果變好，銅板外冷卻水槽水流速控制在10 m/s 以上，水壓大于0.6 MPa，水的蒸發(fā)量減小。結晶器壽命大大提高，一般在200~500 爐，修磨后仍可使用。優(yōu)化設計的漏斗型結晶器長1 100 mm；結晶器銅板上口單側最大鼓肚為50~60mm；銅板的漏斗區(qū)高度為750~850 mm，結晶器下部為平面；采用平行于銅板工作面的水槽式冷卻。我國馬鋼的CSP薄板坯連鑄機就采用了這種優(yōu)化設計的漏斗型結晶器。
??? 實踐證明，漏斗形結晶器鼓肚處每增加5 mm，表面質量可成倍地改善，顯然這和上口面積增大有利于保護渣加入、熔化和吸附夾雜密切相關。
??? CSP 漏斗型結晶器內鋼液的流動特征除了與結晶器本身形狀有關外，主要受浸入式水口結構的影響。生產中發(fā)現，漏斗型結晶器在澆注不同鋼種和不同規(guī)格的鑄坯時，也存在設計缺陷，主要表現為鑄坯的縱裂、連鑄過程粘結、漏鋼事故較多等。針對這些問題北京鋼鐵研究總院與唐鋼合作，對漏斗型結晶器寬面和窄面銅板進行了優(yōu)化，滿足了生產低碳鋼的高拉速需要，減少了裂紋缺陷。
H2 結晶器
幾何形狀
??? H2 長漏斗形結晶器(H2-High SpeedHigh Quality) 是意大利達涅利公司FTSC工藝(Flexible Thin Slab Casting) 薄板坯連鑄機的核心設備，這種結晶器的形狀的優(yōu)點是內部容積大，通過的鋼液流量也大，且有更好的鋼液自然減速效應。該結晶器長度為1 200 mm，寬度為11220~1 620 mm，厚度為55，60，65 和70mm。
主要特點
??? 該結晶器的主要特點是其鼓肚形狀由上至下貫穿整個銅板，并一直延續(xù)到扇形1 段的中部。結晶器出口處為將鑄坯鼓肚形狀矯平而特別設計了一組帶孔型的輥子，對鑄坯鼓肚進行矯平的設備長度比僅用連鑄機結晶器時長了兩倍，也就是說這與僅用結晶器來矯平坯殼的鼓肚相比，坯殼上所受的應力大大降低。并且H2 結晶器熔池體積增大，可以盛裝更多的鋼液。同時，結晶器上部尺寸加大，可使水口形狀設計更合理，保證結晶器內液面穩(wěn)定，提高保護渣的潤滑效果，改善熱交換條件，提高拉速，減少裂紋傾向。
??? H2 型結晶器與漏斗形結晶器的主要區(qū)別在于坯殼在結晶器內的變形不是在一定高度上完成，而是沿整個高度凝固殼的形狀和大小均按非矩形截面逐步縮小。達涅利公司認為，H2 結晶器能更好地控制初期坯殼的形成過程，生產高質量的鑄坯。
平行板形直結晶器
??? 奧鋼聯公司CONROLL 工藝的平行板形直結晶器，浸入式水口也是扁平的，鋼液從水口兩側壁流出。結晶器斷面尺寸為(70~135) mm×1 500 mm。這類薄板坯實際上是中薄板坯。奧鋼聯從節(jié)能降耗的角度出發(fā)分析，得出70~90 mm厚的鑄坯生產能耗最省且加工成本較低的結論，認為不必追求鑄坯厚度太薄，趨向中等厚度。從結晶器形狀來看，奧鋼聯強調只有鋼液在其內凝固時不變形，且保持液面平穩(wěn)，才有利于消除鑄坯表面裂紋促使結晶器內鋼液中夾雜物上浮和防止卷渣，主張使用平行板形結晶器。
主要特點
??? 平行板形直結晶器內腔的橫截面從上到下均為全等矩形，只是鑄坯厚度較薄情況下，因避免了鑄坯變形產生的坯殼應力，而且在寬度和長度方向上，結晶器熱量能夠保證均勻散失。但在鑄坯較薄的情況下，須將浸入式水口制成薄片狀。Demag 和VAI 公司都采用了專為薄板坯連鑄機研制的薄片狀浸入式水口，保護渣化渣狀況得以改善。但是，薄片狀浸入式水口插入結晶器內與結晶器壁只有10~15 mm 的間隙，造成水口插入處寬面?zhèn)缺Ｗo渣熔化不好，且很難獲得能恒定控制的保護渣層，影響薄板坯的表面質量。另外，鑒于薄片狀浸入式水口的特殊形狀和惡劣的工作條件，雖然采用BN、ZrO 等高級耐火材料，水口壽命仍然較低。
??? 綜上所述，目前使用效果較好的薄板坯連鑄機結晶器有3 種：
??? 1) 漏斗形結晶器，如在CSP 工藝和改進后的ISP 上使用工藝。
??? 2)H2 形( 凸透鏡) 結晶器，如在FTSC 工藝上使用。
??? 3) 平行板形結晶器，如在CONROLL工藝上使用。
??? 從坯殼受力情況來看，平行板形結晶器優(yōu)于漏斗形和H2 形結晶器；從空間大小來看，漏斗形和H2 形結晶器優(yōu)于平行板形結晶器。目前50~90 mm 厚的薄板坯連鑄機，多數使用漏斗形結晶器。
結晶器性能對連鑄過程和鑄坯性能的影響
??? 由計算可知，漏斗形結晶器的鋼液表面積約為鑄坯橫截面積的1.4 倍，H2結晶器鋼液面面積更大，而平行板形結晶器的鋼液表面積等于鑄坯的橫截面積。鋼液表面積大，鋼流易于平穩(wěn)，儲存的鋼液也多，既有利于控制液面穩(wěn)定，又有利于夾雜物上浮。同時，有充足的熱量保證保護渣的熔化。
2.2 結晶器內的鋼液流動
??? 拉坯過程中，根據沿橫截面鋼液流量相等的原則，漏斗形結晶器鋼液向下流動的速度沿橫截面的各個部位的差別較大，因而易造成紊流，出現表面夾渣現象，拉速越高，這種現象越明顯。H2 結晶器漏斗趨于平緩，比漏斗形結晶器要穩(wěn)定得多，而平行板形結晶器則不存在這個問題。
??? 與平行板形結晶器相比，漏斗形結晶器上口開口度保證了浸入式長水口有足夠的插入空間和保護渣熔化，并為使用較厚壁長水口提供了有利條件。但漏斗形結晶器的設計和制造較復雜，維修和加工困難，拉坯時摩擦阻力增加，運行成本較高。平行板形結晶器與傳統(tǒng)板坯連鑄機相同，維修方便，消耗也低。
結晶器的傳熱
??? 結晶器內熱電偶測試表明，平行板形結晶器在寬度方向上傳熱一定，可以得到均勻的凝固坯殼，二維溫度解析結果則顯示漏斗形結晶器傳熱不均。
??? 平行板形結晶器有利于鋼液橫向流動( 由水口噴出的鋼液引起) 和由溫差引起的橫向對流，因而對減少熔池各部位的溫差有利。漏斗形結晶器由于漏斗區(qū)擴大，影響對流，彎月面附近區(qū)域溫度較低，易形成“搭橋”現象。平行板形結晶器則需要解決在板坯厚度方向上浸入式水口與結晶器壁間的距離，保證不凝鋼。
1.3 定向凝固技術進展及應用
定向凝固技術是研究凝固理論、制備定向或材料的重要手段。其中液態(tài)金屬冷卻（LMC）高溫度梯度定向凝固技術可以改善凝固組織、提高力學性能，是定向凝固技術的學術前沿。LMC技術的關鍵首先是專用設備，由于性能先進的定向凝固設備融合了我國機械制造行業(yè)非標設計的很多極端條件，因此備受關注。其中LMC結晶器是定向凝固設備中重要的組件。
定向凝固是一種強制性凝固過程。典型的定向凝固方法由Bridgman發(fā)明，其原理為由隔熱層將裝置的上部加熱區(qū)和下部冷卻區(qū)隔開而形成沿鑄件軸向形成一維溫度梯度，鑄件在上部被熔化和過熱，下部進行強制冷卻，凝固界面位于隔熱擋板附近，通過向下抽拉實現中向排列的凝固組織。
定向凝固技術在工業(yè)和高技術領域具有非常重要和廣泛的應用。它被用來生產磁性材料、航空和地面燃機渦輪葉片、自生復合材料以及各種功能晶體。定向凝固技術具有代表性的成就是燃氣輪機葉片材料的制備，目前先進的渦輪噴氣發(fā)動機的渦輪前進口溫度已達1 950 K.兒乎所有的商用和軍用先進發(fā)動機均使用定向凝固法中晶渦輪和導向葉片。為了保證發(fā)扦材料的性能潛力，要求葉片材料的凝固組織具有擇優(yōu)生長的<001 >晶向與軸向熱流方向一致:同時具有細化的凝固組織、低的枝晶偏析，并盡可能不出現凝固缺陷和有占相。國內外大量研究表明,提高定向凝固過程中，固-液界面前沿的溫度梯度并很好地控制界面位置，是實現上述兩個目標的重要途徑。高溫度梯度定向凝固可以允許在更高的生長速率下實現定向凝固，囚而還極大地提高了葉片制備的效率。目前制備葉片}要采用傳統(tǒng)的高速凝固法，該技術已經相當成熟，具有設備結構簡中，工藝穩(wěn)定等優(yōu)點，特別適合制備航空發(fā)動機葉片等小烈鑄件。
近年來，新高溫合金中添加大量難熔元素帶來了結晶溫度間隔增大、偏析加劇等問題。另外，隨著大尺寸工業(yè)燃氣輪機(GT )葉片制各的發(fā)展，暴露出HRS技術的固有缺陷，即溫度梯度低且隨凝固過程的進行很快下降，使GT葉片制備在傳統(tǒng)的HRS定向凝固設備上難以實現?？梢姡咛荻榷ㄏ蚰谭椒跋鄳苽溲b置的研究，是先進航空發(fā)動機和工業(yè)燃氣輪機中晶高溫合金制備的核心技術，也是近年來航空發(fā)動機熱端部件制備技術競爭的熱點。
在基礎研究領域，定向凝固是研究金屬凝固和晶體生長的基本手段之一。定向凝固的冷卻速率可以由 K/s到 K/s、因此可以制各從接近平衡到遠離平衡的超細和業(yè)穩(wěn)態(tài)組織，在此過程中所產生的一系列凝固現象，一直是材料學家研究的重要領域。從某種意義上講，凝固和晶體生長理論的發(fā)展以及新材料的研制，取決于定向凝固技術的發(fā)展水平。
1.4 本課題提出的背景及意義
液態(tài)金屬冷卻(LMC)定向凝固技術用于制備渦輪葉片開始于20世紀70年代，但由于當時高速凝固技術(HRS)比較成熟，而且其工藝相對比較簡單，可以滿足小尺寸定向和航空發(fā)動機葉片的制備需求，在一定程度上減緩了液態(tài)金屬冷卻定向凝同技術的發(fā)展。自20世紀90年代開始，工業(yè)燃氣渦輪機的發(fā)展促進了對大尺寸定向和葉片的需求。然而傳統(tǒng)的HRS技術主要通過鑄件把熱傳導到水冷盤進行冷卻，隨著鑄件的拉出，其傳熱效果很快降低。這是因為大多數高溫合金的導熱能力低，鑄件的散熱主要依靠真空中型殼向水冷環(huán)的輻射散熱，由此導致凝固前沿的溫度梯度逐漸降低而無法實現定向凝固。LMC技術由于零件始終浸在液態(tài)金屬中，冷卻效果比較穩(wěn)定，適
合制備大尺寸燃氣輪機葉片，由此促進液態(tài)金屬冷卻定向凝固技術及其設備的發(fā)展。工業(yè)燃氣輪機葉片主要生產廠商美國通用電器(GE)和德國西門子聯合起來發(fā)展工業(yè)LMC設備和工藝。德國Erlangen—Nuremberg大學用Sn作為冷卻介質來研究LMC工藝。Doncasters Precision Casting(DPC)和西門子KWU于1994年啟用了“渦輪葉片的先進鑄造工藝”的6年計劃。Erlangen大學安裝了當時最大容量為38 kg的LMC設備。對工藝參數如柔性輻射擋板和液態(tài)金屬池的液體流動都進行了系統(tǒng)的研究，確定了最佳的工藝參數，且生產出了大尺寸定向和的葉片。所用的設備為當時世界上最大的LMC設備，其容量超過100 kg，錫液的重量達到了18 000 kg。在美國，密西根大學和GE公司也開展了同樣的工作。對不同的冷卻介質，錫和鋁進行了比較，同時也進行了工藝參數對顯微組織和缺陷形成影響的研究。國內中科院金屬所也研制了LMC定向凝固設備，其熔煉重量達到15 kg，制備試樣長度達到了280 mm。可見，目前國外液態(tài)金屬冷卻定向凝固技術的發(fā)展主要是用于制備大尺寸工業(yè)燃氣輪機葉片，而國內同類設備尚在研制中，更沒有應用于工業(yè)生產。目前已有定向凝固設備的結構和性能與國外還存在較大的差距，葉片制備成功率比較低。為了對渦輪葉片以及用于工業(yè)燃氣輪機的大尺寸葉片進行研究，根據以往的研究基礎，借鑒國內外的技術和經驗，研制了一臺液態(tài)金屬冷卻定向凝固設備。
第二章 結晶器結構設計總體方案
2．1定向凝固設備功能及技術要求
2．1．1定向凝固設備功能
定向凝固設備是一臺將原材料熔化，然后經過特定的結晶系統(tǒng)，在保護氣氛下，實現連續(xù)結晶生長，形成內部致密的柱狀晶甚至組織的線材，并冷卻至室溫的半連續(xù)裝置。這臺裝置具有以下主要功能：
1)實現原材料的無污染單爐熔化，連鑄坩堝溫度可維持穩(wěn)定。
2)實現單爐垂直下引式連鑄，特定的下引式結晶系統(tǒng)的結晶凝固條件應滿足定向凝固的條件，并能長時間持續(xù)地保持恒定；
3)形成的線坯經冷卻至室溫，在整個冷卻過程不發(fā)生線坯表面氧化
2．1．2定向凝固設備技術指標
1)產品規(guī)格：直徑8mm線材；
2)牛產能力：100kg／天(20爐／天)；
31坩堝容量：一次熔化5kg鎵-銦-錫（Ga-In-Sn）(或金、銀)合金材料。
2．2鎵-銦-錫（Ga-In-Sn）連續(xù)形成的條件在設備上的實現方案及參數確定
2．2．1鎵-銦-錫（Ga-In-Sn）坯形成條件在設備上的實現方案
(1)保護氣氛系統(tǒng)
由于該設備是制備高純度材料的連鑄，在整個制備過程中，必須考慮防止二次污染。因此，該設備的熔化、定向凝固及鑄坯冷卻系統(tǒng)均應實現與大氣完全隔離，制備的每個環(huán)節(jié)中金屬熔液及金屬制品都不能與空氣接觸，并且保護氣氛用氣體需要凈化。
1)選用高純氬氣Ar作為保護氣體，并在使用前經過凈化和干燥(采用工業(yè)氣體凈化裝置)。
2)熔化，連鑄系統(tǒng)設置在一個真空室內。采用先抽氣再充氣的方式，實現整個系統(tǒng)保持在良好的保護氣氛中。在抽氣時，應將未加熱的熱鑄型出口加以密封，當爐內保護氣體壓力充至稍高于大氣壓的微正壓時，撤去密封。
3)由于在工作時真空室內處于微正壓狀態(tài)，真空室蓋(門)必須加鎖緊扣。并應設置防爆閥。
4)在冷卻區(qū)采用水簾密封，內空間充保護氣體，實現與外界大氣的隔離，防止己凝固的鑄坯表面的后續(xù)氧化。
5)合理設計充氣口布局，充分保證所有外露金屬熔液表面以及結晶口出口處金屬坯棒表面的有效保護，并在設計充氣管位置時要考慮氣體溫度對熔液溫度、鑄型溫度及金屬坯棒溫度的干擾。
6)所有與金屬液接觸的部位與容器，均用高純高致密高強度的‘三高’石墨制造。
(2)熔化連鑄供液系統(tǒng)
采用石墨坩堝高頻加熱，將合金料熔化成熔液，并保持恒定溫度，流入連鑄區(qū)。
1)熔煉坩堝容量為8kg(每次熔煉5kg)。
2)高頻電源功率取15KVA、25KHz。，采用非接觸式溫度檢測裝置(雙色紅外測溫)檢測。
(3)定向凝固系統(tǒng)
實現定向凝固是獲得定向生長的柱狀晶或組織的必要條件。定向凝固連鑄的實現，即是在連鑄過程中創(chuàng)造一個定向熱流區(qū)，使液固界面位于定向熱流區(qū)內，金屬液的凝固在這定向熱流區(qū)內進行。
定向熱流區(qū)設置在緊挨連鑄坩堝的下方，它由定向熱流熱端、無側向熱流的定向熱流區(qū)和定向熱流冷端組成。
定向熱流熱端是一個有一定形狀內腔的熱鑄型，金屬液進入其內腔，由它形成金屬坯棒形狀，并通過它與冷卻端形成一具有定向熱流的單向溫度梯度場，使金屬液定向凝固形成金屬坯棒。熱石墨鑄型由感應線圈產生的電磁場加熱，溫度應精確控溫，控溫精度在±1℃。
定向熱流冷端為一帶有電磁屏蔽的水冷鎵-銦-錫（Ga-In-Sn）盤。冷卻水將熱端傳過來的熱量帶走，在定向熱流區(qū)形成單向的溫度梯度場。
在熱端與水冷鎵-銦-錫（Ga-In-Sn）盤之間形成定向熱流區(qū)。高性能的絕熱層加上水冷鎵-銦-錫（Ga-In-Sn）盤上方的屏蔽圈隔離感應電磁場對定向熱流區(qū)內金屬坯的感應加熱，有效地防止該區(qū)的側向熱流，確保了在該區(qū)的金屬液實現定向凝固的基木條件。
定向熱流區(qū)內的鑄型采用高純石墨料制成，并要求內腔光潔度達到鏡面。
為了便于安裝、定位和更換，熔化坩堝、熱鑄型、定向熱流區(qū)以及水冷鎵-銦-錫（Ga-In-Sn）盤用高性能絕熱材料灌鑄，組裝成一個部件，既確保了連鑄熱鑄型位置精度，又便于安裝、更換。
(4)連鑄坯冷卻系統(tǒng)
連鑄坯的冷卻直接影響著剛出熱鑄型的連鑄坯中心部位的冷卻狀況，
鑄坯中心部位冷卻不好，會使凝固界面下凹，從而導致柱狀晶生長的中斷，出現
雜晶。采用冷卻，強化連鑄坯中心部位的冷卻是保證在定向熱流區(qū)中凝固界
面形態(tài)不出現凹面，不破壞定向凝固的關鍵環(huán)節(jié)，也是確保液體金屬壓頭能作用
在凝固界面處，使連鑄坯組織致密化的重要措施。
冷卻是將連鑄坯浸泡在流動水中，在浸入處加設一噴水環(huán)，將冷卻水噴在連鑄坯表面，采用連鑄坯與流動水直接換熱方式來把鑄件的熱流帶走。以強化二者間的換熱。
帶水密封的冷卻水槽結構。冷卻水面位置(離熱鑄型出口的距離) 應可根據冷卻強度要求，上下調節(jié)(利用水封槽支架的升降實現)。流動水由水槽底部進入，上口溢出，以保持流動水水位的恒定。
采用水密封將水冷槽的空間與外界環(huán)境隔離。并用充水一排氣一充保護氣的方法，將水冷槽上方的空氣排出，再充入保護氣體，確保連鑄坯在冷卻前不被氧化。
為了能觀察到連鑄坯拉出熱鑄型的情況，冷卻水槽部件全部采用透明的耐熱材料(耐熱玻璃或石英玻璃)制作。
冷卻水質會影響金屬桿的表面質量，冷卻水應用潔凈水(如蒸餾水)， 不宜用爐體冷卻循環(huán)水槽中的水。應采用單獨的循環(huán)系統(tǒng)，必要時可考慮設置‘冷井’控制水溫。冷卻水循環(huán)流量可從O--200L／tJ、時可調，溫度控制在20℃左右。
連鑄坯經過冷卻后，由二次水冷槽底部拉出，二次水冷槽底部有密
封環(huán)節(jié)防止冷卻水滲漏。
(5)牽引系統(tǒng)實施連鑄金屬坯棒運動的驅動系統(tǒng)，它是實施抽拉速度(金屬凝固速率的主控參數)的裝置，實現金屬坯棒的連續(xù)穩(wěn)定的結晶凝固，該裝置的性能質量是關鍵。
應有一套較好的金屬坯棒夾持系統(tǒng)，以確保驅動時無打滑，不產生金屬棒塑性變形等問題；在驅動輥輪表面可涂覆一層橡膠塑料材料來滿足上述要求。
用一套交流伺服系統(tǒng)做驅動力，交流伺服電機功率不低于200W。
配置金屬坯棒實際運動速度檢測裝置，并作為實測參數反饋進入工控系統(tǒng)，實現相關的參數控制。
金屬坯棒運動速度設定在5mm／min--250mm／min，并應可連續(xù)調節(jié)， 在24小時連續(xù)運行中穩(wěn)定，波動小于0．5％。
(6)盤絲系統(tǒng)
連鑄成形的金屬坯棒需成盤包裝，盤絲系統(tǒng)可沿用各種拉絲設備的盤絲裝置，實現盤絲。
(7)工控系統(tǒng)
為了實現金屬液連續(xù)地定向生長以獲得致密、表面光亮的定向凝固組織的線坯，各項連鑄工藝參數的監(jiān)控，是必要的保證措施，充分發(fā)揮工控系統(tǒng)的各種功能，實現對過程的全監(jiān)控，是本設備的一個重要措施。工控系統(tǒng)應實現如下功能：
金屬坯棒連鑄速度(牽引速度)的人工設定、引晶階段中變速過程的設置與控制，以及實現在連鑄過程中凝固界面壓頭的實時控制。
金屬坯棒連鑄速度(牽引速度)、凝固界面壓頭的顯示與記錄。
各點溫度訊號的處理：
①熔池鎵-銦-錫（Ga-In-Sn）液溫度的顯示與記錄。
②熱鑄型出口溫度的設定、控制與顯示。
③熱鑄型入口溫度顯示與記錄。
連鑄牛產流程中其他一些工藝參數的處理及記錄(采用人工介入記錄)
①每次熔煉的金屬料重：
②熔煉處理的各項參數(熔化功率、熔化時間等)；
③各點保護氣體用量(流量)
④環(huán)境溫度、濕度等；
⑤各路電源、電壓、電流；
儲存及打印生產過程中所有記錄(可選擇)。
安全保護及報警功能(具體項目另定)。
(8)其他
引晶過程控制及引晶系統(tǒng)：
引晶成功與否是連鑄牛產的關鍵，引晶過程控制是一重要環(huán)節(jié)，采用變速
引晶是解決這問題的一個措施，設備工控系統(tǒng)應考慮變速引晶中各項參數(調速節(jié)拍、速度變化量、引晶總時段)的自如調節(jié)。
引晶桿由引晶頭和桿身組成。連鑄坯拉出牽引系統(tǒng)后，桿身可卸下，引晶頭保留在連鑄坯上。
凝固界面前沿恒定金屬液壓頭控制系統(tǒng)：
保持連鑄時凝固界面前沿的液體金屬壓頭恒定，是確保連鑄坯內部致密、組織均勻的重要措施。也是解決下引式熱型連鑄的泄漏問題的關鍵舉措。通過拉鑄速度的測定，由控制中心算出液位下降速度，換算成壓頭補償量；采用精密氣壓補償系統(tǒng)，提供作用在液面的氣壓補償量，以保持凝固界面前沿壓頭的恒定。
同心電纜系統(tǒng)：
為了將高頻電流引到真空爐室內的感應線圈，又必須防止其對真空爐殼的感應加熱，采用水冷同心電纜結構引入。同心電纜外殼接地，高頻電流由芯棒引入線圈，并從線圈另一端進入同心電纜外殼接地。同心電纜還起到支撐線圈、并調節(jié)移動線圈上下位置的作用。同心電纜進入真空爐殼處還必須解決密封，隔離真空爐殼內外的問題。
同心電纜的上下移動有二方面的作用：1、提升足夠高度，便于坩堝、鑄型、定向熱流區(qū)和水冷鎵-銦-錫（Ga-In-Sn）盤的整體組件的安裝、更換；2、調節(jié)定向凝固區(qū)熱端與熔
池溫度的匹配。
同心電纜的移動可手動，也可電動。移動后要能鎖緊，防止在拉鑄過程中位置發(fā)生變動。移動的位置(即線圈與坩堝的相對位置)及移動量要有顯示。
真空爐殼采用前開門結構，便于坩堝整體組件的安裝、更換及加料。
熱鑄型內腔一冷卻系統(tǒng)中心一牽引輥輪軸線的同軸度問題：
由于結晶器不可能與冷卻系統(tǒng)和牽引系統(tǒng)整體安裝，并且熱鑄型是一個易耗品，需定期更換，因此，在裝置設計中必須考慮這三者的同軸度可調節(jié)工藝性(即可方便調節(jié)并可檢測)，根據實際使用經驗，要求不同軸度不大于0．1mm。
為了能有效抽掉真空爐體內的空氣，在二次水冷卻區(qū)與定向熱流區(qū)之間應有專門的隔離措施。當在連鑄室抽真空時，該處關閉，當需要插入引晶桿引晶時，該處打開，使定向熱流室與冷卻室連通。在此連通前，先用充水一排氣一充保護氣的方法，將已水密封的二次水冷槽上方的空氣排出，再充入保護氣體，確保連鑄坯在冷卻前不被氧化。
水封槽的升降要自如，高低可手動微調，并要有位置讀數指示。
系統(tǒng)電源、儀表及工控的抗干擾問題：
由于連鑄過程是一個長期工作流程，因此對系統(tǒng)的穩(wěn)定性有特殊的要求， 系統(tǒng)的電源儀表及工控系統(tǒng)都必須要求工作穩(wěn)定可靠，并應有很好的抗干擾能力。特別是在生產過程中熔煉工序是采用高頻感應加熱，鑒于我國的高頻電源波形十分復雜，存在很多的高次諧波與雜波，對弱電系統(tǒng)的干擾很強，因此如何搞好電源的隔離、屏蔽以及提高各電子系統(tǒng)的抗干擾能力是該裝置設計制造時必須
解決的問題。
事故緊急處理系統(tǒng)的設置問題：
在發(fā)生事故時如何保護人身安全，設備安全以及環(huán)境是一個設備必須考慮的問題，與此同時，還應在有事故預兆時，及時報警，預告操作者盡早采取補救措施，避免事故發(fā)?；蚴故鹿试斐傻膿p失降低到最低限度。
①停電保護：
停電時，爐殼、線圈以及所有需要強制冷卻的部位不應停水；
②停水保護：
最好要有應急水箱的設置：
③超溫斷偶保護：當溫度失控或熱電偶斷了時，應及時報警并切斷電源(該功能可由控溫儀表設置完成)；
④防爆保護：
冷卻水過熱會產生大量氣體，特別在線圈滲漏(爐襯燒穿損壞線圈)時極易發(fā)生事故，應設有防爆安全閥，壓力大到一定程度時能項開此閥， 實現保護(注意：由于該連鑄生產是在微正壓的保護氣氛下進行，所以，真空爐室的門在工作狀態(tài)下鎖扣是鎖住的)。
⑤常規(guī)機械保護和電氣保護：
為保護機械運動裝置的限位系統(tǒng)、離合打滑系統(tǒng)以及電器安全的過流過壓保護系統(tǒng)等，應在該裝置設計中充分考慮這些常規(guī)保護以確保設備的安全。
2．2．3工藝參數的設定
工藝參數的控制必須滿足下面三個條件：
(1)始終保證沿拉鑄方向具有穩(wěn)定的正溫度梯度；
(2)始終保證拉鑄過程中不會出現金屬液拉漏或者鑄件不會拉斷的現象；
(3)確保拉鑄的鑄坯具有良好的表面質量。
要滿足上述條件，固液界面位置和形狀的控制非常重要。定向凝固過程中固液界面的位置是衡量其過程穩(wěn)定性的重要指標，是諸多工藝因素影響連鑄過程的綜合反應。在定向凝固過程中，在鑄件本身的傳熱作用下，鑄型內形成溫度場， 任何影響到該傳熱過程和溫度場的因素都會使固液界面在鑄型內的位置發(fā)牛變化。該工藝中的關鍵問題就是控制固液界面在型內的位置。界面進入鑄型內過多， 鑄件與型壁的摩擦力增大，使鑄件表面拉花、拉裂，拉不動甚至拉斷；而界面超出鑄型外，若金屬液的表面張力不足以平衡本身的重力和附加壓頭，則極易發(fā)生拉漏。
(1)固液界面的定義及確定
對于定向凝固，固液界面位置位于結晶器內越深，則越容易出現卡死、拉斷或者結晶器內壁劃傷鑄定表面的現象。如果固液界面過于接近結晶器出口，雖然對于提高鑄錠表面質量有利，但是對于高熔點、大直徑金屬的定向凝固。在定向凝固過程中，由于鑄型被加熱到所鑄金屬的熔點以上，所以其固液界面呈凸向金屬熔體的形狀。這樣固液界面在結晶器型腔內所處的位置原則上說應該是在一個長度區(qū)間而不是一個固定的數值。但為了處理方便，我們仍希望能用一個固定的數值來衡量固液界面的位置。這樣就存在一個以何處為標準來確定固液界面位置的問題。如以中心處為標準，在固液界面為凸形時對于防止卡死或者拉斷是有意義的。但是在定向凝固過程中容易出現危險更大的拉漏現象的發(fā)生。這時如以中心處為標準，當判斷出固液界面位于結晶器出口時，由于鑄錠邊緣處的固液界面已經離開鑄型，因而常出現掙漏現象，尤其對于連鑄大直徑或者高熔點金屬線材。為此定義結晶器內壁上固相與液相金屬的交界處為連鑄過程中固液界面的位置，在可防止掙漏現象發(fā)牛的同時，可制得表面質量優(yōu)異的線材，而且這個位置更容易測得。已有實驗證實，理想的固液界面位置應該位于結晶器出口處。
(2)固液界面位置的確定方法
上述已經將固液界面位置定義為結晶器內壁上固相與液相的交界處，而連
鑄過程中鎵-銦-錫（Ga-In-Sn）的熔點溫度是已知的，如果能夠確定結晶器內壁上金屬的溫度分布，就可以確定出固液界面的位置，但是這個溫度分布是無法直接測定的，與這個溫度分布最接近的就是結晶器內壁的溫度分布。用其與熔體熔點對照也能得出一個固液界面的位置，只是這個固液界面位置與實際的固液界面位置存在一定的誤差。盡管如此，這種確定定向凝固過程中固液界面位置的方法仍然不失為一個比較好的方法，其最大的特點就是可以隨時對固液界面位置進行監(jiān)測。有實驗證實發(fā)現可獲得良好的鑄錠表面質量的固液界面位置大致在深入鑄型4-7mm范圍內。
(3)固液界面的形狀
定向凝固過程中宏觀固液界面的形狀是影響凝固組織形態(tài)的關鍵因素之一，在定向凝固過程中晶體的生長方向受熱流方向的控制，其生長方向與熱流方向平行且相反，并與固液界面垂直，固液界面形狀和熱流方向的關系如圖2-1所示。
圖2-1固液界面形狀和熱流方向的關系
理論上，定向凝固過程中非平直的固液界面均導致晶體的生長方向偏離軸向，固液界面凸凹的越嚴重，晶體的生長方向偏離軸向的程度越明顯。所以固液界面的形狀又是衡量定向凝固的組織穩(wěn)定性的一個重要指標。為得到組織，最理想的固液界面應為平直的形狀。固液界面的形狀取決于定向凝固過程中徑向上的溫度梯度的大小，考慮到結構等因素，實際上這種條件是不容易獲得且難以保證的，而在定向凝固過程中位于固液界面附近的情況也是如此。同時，實驗過程中發(fā)現，凸形的固液界面是定向凝固過程中晶體由多晶到演化的必要條件。因此在實驗過程中，使固液界面保持凹或微凸形成定向凝固順利進行的前提。凸界面平界面凹界面
(4)結晶器出口溫度的設定與控制
結晶器出口溫度直接影響著固液界面的位置和形狀，因此對它的控制是鎵-銦-錫（Ga-In-Sn）定向凝固技術的關鍵。為了保證得到表面質量光滑的鎵-銦-錫（Ga-In-Sn）鑄錠，要求：①固液界面應控制在結晶器出口內側4-mm的范圍內；②在結晶器出口處，鑄錠的表層在一定的長度內有一層液體膜存在。因此，結晶器出口溫度不僅是實現連鑄最為重要的因素，也是影響鑄錠表面質量的因素之一。影響結晶器出口溫度變化的主要因素有引錠桿材質、結晶器材質、加熱功率、冷卻距離、拉坯速度、以及冷卻水量等。在實驗過程中可調的豐要參數有加熱功率、拉坯速度、冷卻水量。當其他參數一定時，結晶器出口溫度隨加熱功率的增大而升高；在儀以拉坯速度為可變參數時，結晶器出口溫度隨拉坯速度的增加而升高；在僅以冷卻水量為可變參數時，結晶器出口溫度隨冷卻水量的增大而降低。由于熱電偶所處的位置以及測溫精確度等因素，往往所測溫度略高于實際溫度，這樣在確定結晶器出口溫度時會有誤差。溫度過低，會出現固液界面移入結晶器內過深甚至移出結晶器上口情況，進而造成拉不動和鉚死等現象；溫度過高，容易出現固液界面移出結晶器，接造成拉漏這樣的危險情況出現。
(5)引錠桿材質的選取、在結晶器型腔的位置及形狀的確定鎵-銦-錫（Ga-In-Sn）定向凝固過程中引定桿的作用是用于使鎵-銦-錫（Ga-In-Sn）液在引錠桿上端凝固并與之結合成一體，從而通過拉坯機構的運行將鑄錠引出。這就要求引錠桿與鎵-銦-錫（Ga-In-Sn）液有較好的結合能力。選用銅棒作為引錠桿。引錠桿的引錠頭在結晶器型腔中的位置應該在固液界面略上的地方，這樣在實驗過程中引錠桿頭部會因為達到熔點而熔化，從而與熔體鎵-銦-錫（Ga-In-Sn）液致密結合，實現連鑄。還有另一種情況是，引錠桿頭部在固液界面以下的位置，這時引錠桿頭部不能熔化，使熔體在凝固時會出現不能與引錠桿較好結合的情況，這樣鑄錠凝固在結晶器型腔中，因為沒有足夠的牽引力， 故不能隨引錠桿一起運動。所以當引錠桿自行運動出密封圈時，就出現漏金屬液的事故。為了避免這種現象的發(fā)生，將引錠桿頭部設計成鉚釘形狀，即使熔體不能與引錠桿頭部充分結合，也可借助鑄坯與引錠桿頭的機械摩擦力將鑄錠導出，完成拉坯。
(6)拉坯速度的確定與控制
鎵-銦-錫（Ga-In-Sn）定向凝固過程中，連鑄初始階段的速度變化是一個逐步加快到穩(wěn)定的過程。在鎵-銦-錫（Ga-In-Sn）定向凝固過程中，拉坯速度通過對固液界面位置與形狀的影響，進而影響鑄錠的表面質量與凝固組織，所以對于拉坯速度的控制就顯得尤為重要。拉速過快，將會導致結晶器溫度升高，易出現拉漏事故：拉速過慢，易發(fā)牛鑄錠在結晶器內凍死或拉不動等現象。
(7)熔體溫度的確定
鎵-銦-錫（Ga-In-Sn）定向凝固過程中熔體需要有一定的過熱度，以保證熔體良好的流動性和好的充型能力?？紤]到實驗中結晶器出口溫度的要求和冷卻距離的關系，為能保證固液界面前沿液相中存在較高的溫度梯度，以及結晶器和石墨坩堝的使用壽命以及爐體的保護等問題，將熔體的溫度控制在1250～1300℃左右。熔體溫度不能過低，太低則不利于連鑄的進行。
(8)冷卻能力的確定
冷卻距離和冷卻水量綜合起來對鑄錠的冷卻作用稱之為冷卻能力。冷卻距離是噴水區(qū)上沿距結晶器出口的距離，據生產經驗得出冷卻距離為96mm時能較好的實現鎵-銦-錫（Ga-In-Sn）定向凝固。冷卻水的作用是形成強制的定向凝固條件，產牛高的溫度梯度，維持固液界面為所希望的形狀。冷卻水流量需根據熱平衡原理計算。則冷卻循環(huán)水流量控制為O～1000ml／min連續(xù)可調。
圖2-2鎵-銦-錫（Ga-In-Sn）定向凝固系統(tǒng)構成示意框圖
第三章 鎵-銦-錫（Ga-In-Sn）定向凝固設備設計
3．1加熱方式的確定
常用的加熱方式有電阻加熱和感應加熱。因感應加熱有高效、節(jié)能、輕便加熱效率高的特點，再加上連鑄的金屬熔點較高，采用電阻加熱就必須用特殊的發(fā)熱體(石墨、碳化硅等)，故則選用感應加熱方式。
3．2 熔化爐體、線圈及升降機構的設計
3．2．1熔化爐體的設計
因為高純石墨坩堝具有以下優(yōu)點：優(yōu)異的導電性、導熱性，熔沸點高，耐腐蝕性強，抗熱振和機械振動能力強，所以爐體內部跟金屬液體接觸的高溫部分
均采用高純石墨制成。為了能使通以大電流的感應線圈正常運行，線圈一般都是通水冷卻。而熔化鎵-銦-錫（Ga-In-Sn）液，坩堝溫度可能高達1400。C，為避免坩堝的熱量被水冷線圈大量帶走， 同時又要防止線圈的絕緣燒壞，坩堝的外面必須考慮加絕熱陶瓷保護套。絕熱陶瓷保護套外周與感應線圈之間再塞一層陶瓷棉和電絕緣的云母片，既固定坩堝與感應線圈位置，又能有效的防止熱量損失。
坩堝相關尺寸的確定：
1) 坩堝有效容積
式中，——液態(tài)金屬的密度即鎵-銦-錫（Ga-In-Sn）液的密度；
——熔融金屬重量(t)。
代入公式則：。
2)坩堝內徑
式中，y——金屬液高度與坩堝內徑之比，取d2=9cm。
則金屬液高度=Yd2=11.52cm ，取=12cm
3)感應線圈內徑,
取=3cm 即：dl=15cm
4)感應線圈高度
初選：
即
5)坩堝高度
取=16cm。
3．2．2感應線圈的設計
感應線圈即感應器是加熱系統(tǒng)將能量傳輸到載體的一環(huán)，當電源和載體都確定的情況下，感應線圈的設計關系到整個加熱系統(tǒng)的加熱效率。在進行感應加熱時，感應線圈因為自身的電阻也會在大電流的情況下發(fā)熱， 如果不加以冷卻，會導致感應線圈不斷升溫，感應線圈溫度在不斷上升的時候電阻率也不斷的上升，導致更嚴重的溫升。為了防止感應線圈溫度過高，線圈一般通水冷卻，這樣可以有效的降低感應線圈的溫度，并且提高線圈載流密度。感應線圈的設計參數主要有以下幾個：感應線圈的內徑，感應線圈的高度，感應線圈的截面鎵-銦-錫（Ga-In-Sn）壁厚度，感應線圈截面直徑和感應線圈的匝數。感應線圈的內徑dl和高度氟，下面計算其他三個．豐要參數。
1) 感應器中電流的透入深度
式中，——在工作溫度下感應器鎵-銦-錫（Ga-In-Sn）管的電阻率；
——感應器鎵-銦-錫（Ga-In-Sn）管的相對導磁率。
f——供電電源頻率，f=50Hz。
2)金屬爐料內的電流透入深度
式中，——金屬爐料在工作溫度范圍內的電阻率的平均值；
——金屬爐料工業(yè)純鎵-銦-錫（Ga-In-Sn）的相對磁導率。
3)單匝系統(tǒng)的感應器銅管電阻
式中，——感應器匝間絕緣填充系數，一般取0．80～0．92，取0．86 。
4)單匝系統(tǒng)的感應器電抗
5)單匝系統(tǒng)的金屬爐料電阻
式中：——金屬爐料直徑，即坩堝內徑(cm)；
——系數，查圖表得，=0．34
——被感應器包圍的金屬爐料高度(cm)。
6)單匝系統(tǒng)的金屬爐料電抗
式中：Pf——系數，查圖表得Pf=0．8。
7)單匝系統(tǒng)的間隙電抗
將前述個參數代入公式即可。
8)單匝系統(tǒng)的外部磁路電抗
式中：——電抗修正系數。
9）爐料參數折算到感應器側的折算系數a
10)單匝系統(tǒng)的“感應器——金屬爐料”系統(tǒng)的電阻R
11)單匝系統(tǒng)的“感應器——金屬爐料’’系統(tǒng)的電抗X
12)單匝系統(tǒng)的“感應器——金屬爐料”系統(tǒng)的阻抗Z
13)“感應器——金屬爐料”系統(tǒng)的電效率
141“感應器——金屬爐料”系統(tǒng)的功率因數
15)感應器的輸入功率名
式中：
16)感應器的匝數
式中：——感應器端電壓(V)，當感應器為一段時；
——額定電壓，當感應器為兩段線圈并聯連接時則以=2u．。
17)感應線圈的截面壁厚
對于截面厚度的選擇，主要考慮到電流的環(huán)狀效應。即工作時電流的透入深度。
機械強度和加工方便我們選擇壁厚為lmm。
18)感應線圈截面直徑
圖3-3感應線圈尺寸及造型圖
3．4定向凝固結晶的定向熱流區(qū)的構成和各部件的設計
3．4．1定向熱流形成區(qū)的熱端部件的設計
定向熱流區(qū)是鑄坯定向凝固形成的核心部位，定向熱流區(qū)形成的主要部件結構中，定向熱流區(qū)熱端緊挨連鑄坩堝的下方，其內芯是一個有一定內腔形狀的熱鑄型，采用高純石墨料制成，并要求內腔光潔度達到鏡面。金屬液進入其內腔，由它形成金屬坯棒形狀。熱端的熱量由感應線圈產生的電磁場加熱的熱端加熱圈提供，溫度應精確控溫，控溫精度在±1℃。通過熱端與冷卻端在高純石墨內芯中形成一具有定向熱流的單向溫度梯度場，使金屬液在其中定向凝固形成金屬坯棒。為了防止側向散熱損失，需在定向熱流區(qū)的外圍注一層高性能的耐火水泥絕熱層，并在裝爐時，在耐火水泥絕熱層外圍再包裹保溫棉及耐火纖維碳氈。
3．4．2定向熱流形成區(qū)的冷端部件的設計
定向熱流冷端為一水冷鎵-銦-錫（Ga-In-Sn）盤。定向熱流區(qū)的高純石墨內芯下端插在中心，鎵-銦-錫（Ga-In-Sn）盤內的冷卻水將高純石墨內芯從熱端傳過來的熱量帶走，在定向熱流區(qū)的高純石墨內芯中形成單向的溫度梯度場。水冷鎵-銦-錫（Ga-In-Sn）盤設計了一電磁屏蔽環(huán)，具有電磁屏蔽的作用，可把上方感應線圈的電磁場對高純石墨內芯中形成的定向熱流區(qū)的影響降低到最低程度。再加上高純石墨內芯外的高性能的絕熱層，有效地防止該區(qū)的側向熱流損失，從而，確保了在該區(qū)的金屬液實現定向凝固的基木條件。
3．5線坯牽引機構的設計
牽引機構是牽引系統(tǒng)的豐要組成部分，也是整個連續(xù)定向凝固設備的重要組成部分，牽引機構的驅動力是直流電動機，直流電動機通過減速機與牽引機構的驅動軸相連接，驅動軸帶動主動輪轉動，主動輪通過摩擦力帶動引錠桿向下運動。有些時候拉力太小不能帶動引錠桿向下運動，這是由于拉棒與滑輪間的摩擦力太小。為了增加摩擦力，我們采用了彈簧壓緊裝置，通過調節(jié)彈簧壓緊裝置來調節(jié)滑輪與拉棒間的正壓力，從而達到調節(jié)摩擦力的目的。