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摘要
設(shè)計(jì)了一種新型的液態(tài)金屬冷卻定向凝固設(shè)備，可以實(shí)現(xiàn)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(duì)設(shè)備的爐體結(jié)構(gòu)、抽拉系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)，液態(tài)金屬冷卻系統(tǒng)。
關(guān)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(jié)晶器簡(jiǎn)介
結(jié)晶器是用于結(jié)晶操作的設(shè)備。結(jié)晶器的類(lèi)型很多，按溶液獲得過(guò)飽和狀態(tài)的方法可分蒸發(fā)結(jié)晶器和冷卻結(jié)晶器；按流動(dòng)方式可分母液循環(huán)結(jié)晶器和晶漿（即母液和晶體的混合物）循環(huán)結(jié)晶器；按操作方式可分連續(xù)結(jié)晶器和間歇結(jié)晶器。
一種槽形容器，器壁設(shè)有夾套或器內(nèi)裝有蛇管，用以加熱或冷卻槽內(nèi)溶液。結(jié)晶槽可用作蒸發(fā)結(jié)晶器或冷卻結(jié)晶器。為提高晶體生產(chǎn)強(qiáng)度，可在槽內(nèi)增設(shè)攪拌器。結(jié)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(chǎn)品純度。這種結(jié)晶器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，生產(chǎn)強(qiáng)度較低，適用于小批量產(chǎn)品（如化學(xué)試劑和生化試劑等）的生產(chǎn)。
強(qiáng)制循環(huán)蒸發(fā)結(jié)晶器
一種晶漿循環(huán)式連續(xù)結(jié)晶器（圖1）。操作時(shí),料液自循環(huán)管下部加入，與離開(kāi)結(jié)晶室底部的晶漿混合后，由泵送往加熱室。晶漿在加熱室內(nèi)升溫（通常為2～6℃），但不發(fā)生蒸發(fā)。熱晶漿進(jìn)入結(jié)晶室后沸騰，使溶液達(dá)到過(guò)飽和狀態(tài)，于是部分溶質(zhì)沉積在懸浮晶粒表面上，使晶體長(zhǎng)大。作為產(chǎn)品的晶漿從循環(huán)管上部排出。強(qiáng)制循環(huán)蒸發(fā)結(jié)晶器生產(chǎn)能力大，但產(chǎn)品的粒度分布較寬。
??
DTB型蒸發(fā)結(jié)晶器
即導(dǎo)流筒-擋板蒸發(fā)結(jié)晶器，也是一種晶漿循環(huán)式結(jié)晶器。器下部接有淘析柱，器內(nèi)設(shè)有導(dǎo)流筒和筒形擋板，操作時(shí)熱飽和料液連續(xù)加到循環(huán)管下部，與循環(huán)管內(nèi)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(dǎo)流筒底部附近流入結(jié)晶器，并由緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)的螺旋槳沿導(dǎo)流筒送至液面。溶液在液面蒸發(fā)冷卻，達(dá)過(guò)飽和狀態(tài)，其中部分溶質(zhì)在懸浮的顆粒表面沉積，使晶體長(zhǎng)大。在環(huán)形擋板外圍還有一個(gè)沉降區(qū)。在沉降區(qū)內(nèi)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(jié)晶器底部入淘析柱。為使結(jié)晶產(chǎn)品的粒度盡量均勻，將沉降區(qū)來(lái)的部分母液加到淘析柱底部，利用水力分級(jí)的作用，使小顆粒隨液流返回結(jié)晶器，而結(jié)晶產(chǎn)品從淘析柱下部卸出。
奧斯陸型蒸發(fā)結(jié)晶器
又稱(chēng)為克里斯塔爾結(jié)晶器， 一種母液循環(huán)式連續(xù)結(jié)晶器。操作的料液加到循液壓控制系統(tǒng)。
??
環(huán)管中，與管內(nèi)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(dá)到過(guò)飽和，經(jīng)中心管進(jìn)入蒸發(fā)室下方的晶體流化床(見(jiàn)流態(tài)化)。在晶體流化床內(nèi)，溶液中過(guò)飽和的溶質(zhì)沉積在懸浮顆粒表面,使晶體長(zhǎng)大。晶體流化床對(duì)顆粒進(jìn)行水力分級(jí),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(jié)晶產(chǎn)品。流化床中的細(xì)小顆粒隨母液流入循環(huán)管，重新加熱時(shí)溶去其中的微小晶體。若以冷卻室代替奧斯陸蒸發(fā)結(jié)晶器的加熱室并除去蒸發(fā)室等，則構(gòu)成奧斯陸冷卻結(jié)晶器。這種設(shè)備的主要缺點(diǎn)是溶質(zhì)易沉積在傳熱表面上，操作較麻煩，因而應(yīng)用不廣泛。
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摘要
設(shè)計(jì)了一種新型的液態(tài)金屬冷卻定向凝固設(shè)備，可以實(shí)現(xiàn)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(duì)設(shè)備的爐體結(jié)構(gòu)、抽拉系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)，液態(tài)金屬冷卻系統(tǒng)。
關(guān)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(jié)晶器簡(jiǎn)介
結(jié)晶器是用于結(jié)晶操作的設(shè)備。結(jié)晶器的類(lèi)型很多，按溶液獲得過(guò)飽和狀態(tài)的方法可分蒸發(fā)結(jié)晶器和冷卻結(jié)晶器；按流動(dòng)方式可分母液循環(huán)結(jié)晶器和晶漿（即母液和晶體的混合物）循環(huán)結(jié)晶器；按操作方式可分連續(xù)結(jié)晶器和間歇結(jié)晶器。
一種槽形容器，器壁設(shè)有夾套或器內(nèi)裝有蛇管，用以加熱或冷卻槽內(nèi)溶液。結(jié)晶槽可用作蒸發(fā)結(jié)晶器或冷卻結(jié)晶器。為提高晶體生產(chǎn)強(qiáng)度，可在槽內(nèi)增設(shè)攪拌器。結(jié)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(chǎn)品純度。這種結(jié)晶器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，生產(chǎn)強(qiáng)度較低，適用于小批量產(chǎn)品（如化學(xué)試劑和生化試劑等）的生產(chǎn)。
強(qiáng)制循環(huán)蒸發(fā)結(jié)晶器
一種晶漿循環(huán)式連續(xù)結(jié)晶器（圖1）。操作時(shí),料液自循環(huán)管下部加入，與離開(kāi)結(jié)晶室底部的晶漿混合后，由泵送往加熱室。晶漿在加熱室內(nèi)升溫（通常為2～6℃），但不發(fā)生蒸發(fā)。熱晶漿進(jìn)入結(jié)晶室后沸騰，使溶液達(dá)到過(guò)飽和狀態(tài)，于是部分溶質(zhì)沉積在懸浮晶粒表面上，使晶體長(zhǎng)大。作為產(chǎn)品的晶漿從循環(huán)管上部排出。強(qiáng)制循環(huán)蒸發(fā)結(jié)晶器生產(chǎn)能力大，但產(chǎn)品的粒度分布較寬。
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DTB型蒸發(fā)結(jié)晶器
即導(dǎo)流筒-擋板蒸發(fā)結(jié)晶器，也是一種晶漿循環(huán)式結(jié)晶器。器下部接有淘析柱，器內(nèi)設(shè)有導(dǎo)流筒和筒形擋板，操作時(shí)熱飽和料液連續(xù)加到循環(huán)管下部，與循環(huán)管內(nèi)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(dǎo)流筒底部附近流入結(jié)晶器，并由緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)的螺旋槳沿導(dǎo)流筒送至液面。溶液在液面蒸發(fā)冷卻，達(dá)過(guò)飽和狀態(tài)，其中部分溶質(zhì)在懸浮的顆粒表面沉積，使晶體長(zhǎng)大。在環(huán)形擋板外圍還有一個(gè)沉降區(qū)。在沉降區(qū)內(nèi)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(jié)晶器底部入淘析柱。為使結(jié)晶產(chǎn)品的粒度盡量均勻，將沉降區(qū)來(lái)的部分母液加到淘析柱底部，利用水力分級(jí)的作用，使小顆粒隨液流返回結(jié)晶器，而結(jié)晶產(chǎn)品從淘析柱下部卸出。
奧斯陸型蒸發(fā)結(jié)晶器
又稱(chēng)為克里斯塔爾結(jié)晶器， 一種母液循環(huán)式連續(xù)結(jié)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(nèi)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(dá)到過(guò)飽和，經(jīng)中心管進(jìn)入蒸發(fā)室下方的晶體流化床(見(jiàn)流態(tài)化)。在晶體流化床內(nèi)，溶液中過(guò)飽和的溶質(zhì)沉積在懸浮顆粒表面,使晶體長(zhǎng)大。晶體流化床對(duì)顆粒進(jìn)行水力分級(jí),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(jié)晶產(chǎn)品。流化床中的細(xì)小顆粒隨母液流入循環(huán)管，重新加熱時(shí)溶去其中的微小晶體。若以冷卻室代替奧斯陸蒸發(fā)結(jié)晶器的加熱室并除去蒸發(fā)室等，則構(gòu)成奧斯陸冷卻結(jié)晶器。這種設(shè)備的主要缺點(diǎn)是溶質(zhì)易沉積在傳熱表面上，操作較麻煩，因而應(yīng)用不廣泛。
自從20世紀(jì)60年代以來(lái)，高溫合金的發(fā)展極大地促進(jìn)了定向凝固技術(shù)的進(jìn)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(jīng)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(shí)現(xiàn)定向凝固，但由于切斷功率只能分組進(jìn)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(shù)，這種相對(duì)高速率的凝固技術(shù)始于20世紀(jì)70年代，現(xiàn)已發(fā)展成更先進(jìn)的沸騰床(流態(tài)床)法，液態(tài)金屬冷卻法等定向凝固技術(shù)。 HRS能充分利用各種類(lèi)烈的輻射擋板來(lái)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(kāi)始的時(shí)候，主要通過(guò)鑄件把熱傳導(dǎo)到水冷板產(chǎn)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(shù)高溫合金的導(dǎo)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(dǎo)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(guò)冷就會(huì)形成等軸晶。低的抽拉速率還導(dǎo)致了雀斑和晶粒偏離預(yù)期的擇優(yōu)生長(zhǎng)方向，增加了廢品率。降低抽拉速度也導(dǎo)致了生產(chǎn)周期的延長(zhǎng)，引起鑄模和金屬反應(yīng)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(duì)稱(chēng)導(dǎo)致固液界面傾斜而使上述問(wèn)題更加突出。
為了克服HRS技術(shù)定向凝固溫度梯度低且不穩(wěn)定的問(wèn)題，研究者提出了多種新的技術(shù)，其出發(fā)點(diǎn)大都是加強(qiáng)對(duì)鑄件已凝固部分的冷卻。典烈的有氣冷法(GCC ),流動(dòng)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(shù)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(dòng)床容器中，使其周?chē)乃鋳A層帶走熱量。
1.2 結(jié)晶器的應(yīng)用
結(jié)晶器是連鑄機(jī)上的鑄坯成型裝置，也是連鑄機(jī)的核心設(shè)備之一，其作用是通過(guò)強(qiáng)制冷卻連續(xù)注入結(jié)晶器內(nèi)腔的鋼液，導(dǎo)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(jié)晶器下口拉出。在鋼液注入結(jié)晶器逐漸形成一定厚度坯殼的凝固過(guò)程中，結(jié)晶器同時(shí)受機(jī)械應(yīng)力和熱應(yīng)力的綜合作用，其運(yùn)行狀況直接關(guān)系到連鑄機(jī)的順行、鑄坯的質(zhì)量和產(chǎn)量。目前，國(guó)內(nèi)外常規(guī)大板坯、大方坯和小方坯連鑄機(jī)結(jié)晶器技術(shù)基本成熟，此文僅探討薄板坯和中薄板坯連鑄機(jī)的結(jié)晶器的相關(guān)技術(shù)。
??? 截至2008 年底，世界上共建設(shè)薄板坯( 包括中薄板坯) 連鑄連軋生產(chǎn)線(xiàn)65 條，年生產(chǎn)能力達(dá)到11 008 萬(wàn)t。其中，CSP 生產(chǎn)工藝占世界薄板坯連鑄-連軋總產(chǎn)能的50% 以上；其次是FTSR工藝，占總產(chǎn)能的18.35%。其中，中國(guó)共建設(shè)不同類(lèi)型的薄板坯連鑄連軋生產(chǎn)線(xiàn)14 條，年產(chǎn)能3 530 萬(wàn)t。
1 結(jié)晶器的種類(lèi)及主要特點(diǎn)
??? 薄板坯和中薄板坯連鑄設(shè)備的核心是結(jié)晶器。設(shè)計(jì)要求結(jié)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(mǎn)足水口壁與結(jié)晶器壁之間無(wú)凝固橋形成，鋼液溫度分布均勻，有利于保護(hù)渣熔化；彎月面區(qū)鋼液流動(dòng)平穩(wěn)，防止過(guò)大紊流而卷渣；結(jié)晶器幾何形狀應(yīng)滿(mǎn)足拉坯時(shí)坯殼承受的應(yīng)力最小。
漏斗形結(jié)晶器
幾何形狀
??? 德馬克公司ISP 工藝的第一代立彎式結(jié)晶器，上部是垂直段，下部是弧形段，側(cè)板可調(diào)，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(chǎn)線(xiàn)采用該結(jié)晶器后，發(fā)現(xiàn)這種形狀的結(jié)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(zhǎng)水口很薄，插入結(jié)晶器內(nèi)與結(jié)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(hù)渣熔化不好，且很難獲得可恒定控制的保護(hù)渣層，薄板坯的表面質(zhì)量較差。
??? 阿維迪廠(chǎng)在1993 年開(kāi)始改進(jìn)該結(jié)晶器，重新設(shè)計(jì)了其上口斷面形狀，由原平行板形改為小漏斗形，結(jié)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(jié)晶器下口仍有(1.5×2)mm 的小鼓肚。近年來(lái)，其結(jié)晶器的小鼓肚越改越大，現(xiàn)使用的上口寬邊最大厚度已達(dá)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(cè)的間隙大大增加，改善了保護(hù)渣層的熔化狀況，薄板坯表面質(zhì)量也有了很大改進(jìn)。
??? 西馬克公司CSP 工藝所用的漏斗形結(jié)晶器，上口寬邊兩側(cè)均有平行段，再與圓弧段相連接，上口斷面較大。這個(gè)漏斗形狀在結(jié)晶器內(nèi)保持到長(zhǎng)700 mm，結(jié)晶器出口處鑄坯厚度為50~70 mm。結(jié)晶器總長(zhǎng)為1 120 mm。上口的漏斗形狀有利于浸入式水口的浸入，在結(jié)晶器的兩寬面板間垂直方向形成了一個(gè)帶錐度的空間，而漏斗區(qū)以外的兩側(cè)壁仍然是平行的，兩側(cè)壁間的距離相當(dāng)于板坯厚度。漏斗形結(jié)晶器在形狀上滿(mǎn)足了長(zhǎng)水口插入、保護(hù)渣熔化和薄板鑄坯厚度的要求，經(jīng)多條生產(chǎn)線(xiàn)使用，均收到較好效果。
主要特點(diǎn)
??? 漏斗形結(jié)晶器的創(chuàng)新點(diǎn)在于其打破了傳統(tǒng)板坯連鑄結(jié)晶器在任意橫截面均相同的限制，其結(jié)晶器腔內(nèi)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(jié)晶器內(nèi)凝固時(shí)要產(chǎn)生變形，特別是拉坯過(guò)程中機(jī)械變形產(chǎn)生的應(yīng)力可能導(dǎo)致固液界面裂紋的發(fā)生，并最終影響熱軋帶卷的質(zhì)量。因此，漏斗形結(jié)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(guò)程中其固液界面的實(shí)際變形率小于產(chǎn)生裂紋的臨界應(yīng)變率。基于上述要求，漏斗形結(jié)晶器必須保證厚度過(guò)渡區(qū)的彎曲弧度設(shè)計(jì)準(zhǔn)確，且拉速盡可能穩(wěn)定。
??? 我國(guó)鋼鐵研究總院等單位對(duì)薄板坯連鑄結(jié)晶器技術(shù)進(jìn)行了深入研究，認(rèn)為漏斗形結(jié)晶器技術(shù)從根本上解決了浸入式水口的使用壽命問(wèn)題，使得高效連續(xù)生產(chǎn)薄規(guī)格鑄坯變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。同時(shí)由于漏斗形結(jié)晶器上口表面積大，為保護(hù)渣的熔化創(chuàng)造了條件。
??? 應(yīng)該指出的是，漏斗形結(jié)晶器的缺點(diǎn)是坯殼在結(jié)晶器內(nèi)變形易產(chǎn)生裂紋，限制了像包晶鋼這類(lèi)難澆品種的薄板坯連鑄。必須結(jié)合鋼液本身收縮的計(jì)算來(lái)設(shè)計(jì)結(jié)晶器的過(guò)渡段。盡管該類(lèi)型結(jié)晶器由弧線(xiàn)變直線(xiàn)的過(guò)渡段僅100 mm，在5 m/min 的拉速下鑄坯通過(guò)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(shè)計(jì)變形段。為了減少或減緩漏斗形結(jié)晶器內(nèi)的鑄坯變形，可采取以下措施：
??? 1) 盡量減小漏斗的開(kāi)口度。
??? 2) 將鑄坯由漏斗形過(guò)渡到矩形，變形段加長(zhǎng)。
3) 優(yōu)化結(jié)晶器內(nèi)腔形狀設(shè)計(jì)，使結(jié)晶器內(nèi)金屬變形分布更加均勻、平緩，降低變形速率，降低鑄坯產(chǎn)生裂紋的可能性。
??? 漏斗形結(jié)晶器在維護(hù)上與常規(guī)連鑄結(jié)晶器的維護(hù)沒(méi)有太大區(qū)別，主要應(yīng)注意避免銅板表面的劃傷和殘鋼粘結(jié)。澆鑄過(guò)程中應(yīng)確保足夠的潤(rùn)滑，預(yù)防水口破裂導(dǎo)致濺鋼、溢鋼以及漏鋼事故。
技術(shù)進(jìn)步
??? 考慮到漏斗形結(jié)晶器不適合澆鑄較窄的中等寬度薄板坯，而平行板形結(jié)晶器的薄片狀浸入式水口成本太高，且難以實(shí)現(xiàn)澆注薄規(guī)格鑄坯，因此對(duì)漏斗形結(jié)晶器做了兩個(gè)關(guān)鍵性的改進(jìn)：
???? 1) 漏斗形結(jié)晶器的圖形方案在弦長(zhǎng)的中間區(qū)域?yàn)閳A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(diǎn)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(xiàn)不相切而相交。
??? 2) 漏斗形的開(kāi)口度是設(shè)計(jì)此種結(jié)晶器的一個(gè)重要參數(shù)。結(jié)晶器的開(kāi)口度較大，坯殼向下運(yùn)動(dòng)時(shí)斜率也大，導(dǎo)致拉坯阻力增加。通過(guò)適當(dāng)改變浸入式水口橫截面的形狀，把開(kāi)口度由170 mm 減小到120~140 mm，澆鑄效果較好。
漏斗形結(jié)晶器在使用中存在壽命短、結(jié)晶器的形狀不能保證鑄坯有最好的表面質(zhì)量?jī)纱笕秉c(diǎn)。西馬克公司經(jīng)較長(zhǎng)時(shí)間的研究和傳熱計(jì)算，對(duì)其上部形狀進(jìn)行了優(yōu)化保證鋼液進(jìn)入后不致產(chǎn)生漩渦，大大減少了鑄坯表面缺陷。自動(dòng)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(jié)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(shè)計(jì)的漏斗型結(jié)晶器長(zhǎng)1 100 mm；結(jié)晶器銅板上口單側(cè)最大鼓肚為50~60mm；銅板的漏斗區(qū)高度為750~850 mm，結(jié)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(guó)馬鋼的CSP薄板坯連鑄機(jī)就采用了這種優(yōu)化設(shè)計(jì)的漏斗型結(jié)晶器。
??? 實(shí)踐證明，漏斗形結(jié)晶器鼓肚處每增加5 mm，表面質(zhì)量可成倍地改善，顯然這和上口面積增大有利于保護(hù)渣加入、熔化和吸附夾雜密切相關(guān)。
??? CSP 漏斗型結(jié)晶器內(nèi)鋼液的流動(dòng)特征除了與結(jié)晶器本身形狀有關(guān)外，主要受浸入式水口結(jié)構(gòu)的影響。生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)，漏斗型結(jié)晶器在澆注不同鋼種和不同規(guī)格的鑄坯時(shí)，也存在設(shè)計(jì)缺陷，主要表現(xiàn)為鑄坯的縱裂、連鑄過(guò)程粘結(jié)、漏鋼事故較多等。針對(duì)這些問(wèn)題北京鋼鐵研究總院與唐鋼合作，對(duì)漏斗型結(jié)晶器寬面和窄面銅板進(jìn)行了優(yōu)化，滿(mǎn)足了生產(chǎn)低碳鋼的高拉速需要，減少了裂紋缺陷。
H2 結(jié)晶器
幾何形狀
??? H2 長(zhǎng)漏斗形結(jié)晶器(H2-High SpeedHigh Quality) 是意大利達(dá)涅利公司FTSC工藝(Flexible Thin Slab Casting) 薄板坯連鑄機(jī)的核心設(shè)備，這種結(jié)晶器的形狀的優(yōu)點(diǎn)是內(nèi)部容積大，通過(guò)的鋼液流量也大，且有更好的鋼液自然減速效應(yīng)。該結(jié)晶器長(zhǎng)度為1 200 mm，寬度為11220~1 620 mm，厚度為55，60，65 和70mm。
主要特點(diǎn)
??? 該結(jié)晶器的主要特點(diǎn)是其鼓肚形狀由上至下貫穿整個(gè)銅板，并一直延續(xù)到扇形1 段的中部。結(jié)晶器出口處為將鑄坯鼓肚形狀矯平而特別設(shè)計(jì)了一組帶孔型的輥?zhàn)?，?duì)鑄坯鼓肚進(jìn)行矯平的設(shè)備長(zhǎng)度比僅用連鑄機(jī)結(jié)晶器時(shí)長(zhǎng)了兩倍，也就是說(shuō)這與僅用結(jié)晶器來(lái)矯平坯殼的鼓肚相比，坯殼上所受的應(yīng)力大大降低。并且H2 結(jié)晶器熔池體積增大，可以盛裝更多的鋼液。同時(shí)，結(jié)晶器上部尺寸加大，可使水口形狀設(shè)計(jì)更合理，保證結(jié)晶器內(nèi)液面穩(wěn)定，提高保護(hù)渣的潤(rùn)滑效果，改善熱交換條件，提高拉速，減少裂紋傾向。
??? H2 型結(jié)晶器與漏斗形結(jié)晶器的主要區(qū)別在于坯殼在結(jié)晶器內(nèi)的變形不是在一定高度上完成，而是沿整個(gè)高度凝固殼的形狀和大小均按非矩形截面逐步縮小。達(dá)涅利公司認(rèn)為，H2 結(jié)晶器能更好地控制初期坯殼的形成過(guò)程，生產(chǎn)高質(zhì)量的鑄坯。
平行板形直結(jié)晶器
??? 奧鋼聯(lián)公司CONROLL 工藝的平行板形直結(jié)晶器，浸入式水口也是扁平的，鋼液從水口兩側(cè)壁流出。結(jié)晶器斷面尺寸為(70~135) mm×1 500 mm。這類(lèi)薄板坯實(shí)際上是中薄板坯。奧鋼聯(lián)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(chǎn)能耗最省且加工成本較低的結(jié)論，認(rèn)為不必追求鑄坯厚度太薄，趨向中等厚度。從結(jié)晶器形狀來(lái)看，奧鋼聯(lián)強(qiáng)調(diào)只有鋼液在其內(nèi)凝固時(shí)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(jié)晶器內(nèi)鋼液中夾雜物上浮和防止卷渣，主張使用平行板形結(jié)晶器。
主要特點(diǎn)
??? 平行板形直結(jié)晶器內(nèi)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(chǎn)生的坯殼應(yīng)力，而且在寬度和長(zhǎng)度方向上，結(jié)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(zhuān)為薄板坯連鑄機(jī)研制的薄片狀浸入式水口，保護(hù)渣化渣狀況得以改善。但是，薄片狀浸入式水口插入結(jié)晶器內(nèi)與結(jié)晶器壁只有10~15 mm 的間隙，造成水口插入處寬面?zhèn)缺Ｗo(hù)渣熔化不好，且很難獲得能恒定控制的保護(hù)渣層，影響薄板坯的表面質(zhì)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(jí)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(jī)結(jié)晶器有3 種：
??? 1) 漏斗形結(jié)晶器，如在CSP 工藝和改進(jìn)后的ISP 上使用工藝。
??? 2)H2 形( 凸透鏡) 結(jié)晶器，如在FTSC 工藝上使用。
??? 3) 平行板形結(jié)晶器，如在CONROLL工藝上使用。
??? 從坯殼受力情況來(lái)看，平行板形結(jié)晶器優(yōu)于漏斗形和H2 形結(jié)晶器；從空間大小來(lái)看，漏斗形和H2 形結(jié)晶器優(yōu)于平行板形結(jié)晶器。目前50~90 mm 厚的薄板坯連鑄機(jī)，多數(shù)使用漏斗形結(jié)晶器。
結(jié)晶器性能對(duì)連鑄過(guò)程和鑄坯性能的影響
??? 由計(jì)算可知，漏斗形結(jié)晶器的鋼液表面積約為鑄坯橫截面積的1.4 倍，H2結(jié)晶器鋼液面面積更大，而平行板形結(jié)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(chǔ)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(shí)，有充足的熱量保證保護(hù)渣的熔化。
2.2 結(jié)晶器內(nèi)的鋼液流動(dòng)
??? 拉坯過(guò)程中，根據(jù)沿橫截面鋼液流量相等的原則，漏斗形結(jié)晶器鋼液向下流動(dòng)的速度沿橫截面的各個(gè)部位的差別較大，因而易造成紊流，出現(xiàn)表面夾渣現(xiàn)象，拉速越高，這種現(xiàn)象越明顯。H2 結(jié)晶器漏斗趨于平緩，比漏斗形結(jié)晶器要穩(wěn)定得多，而平行板形結(jié)晶器則不存在這個(gè)問(wèn)題。
??? 與平行板形結(jié)晶器相比，漏斗形結(jié)晶器上口開(kāi)口度保證了浸入式長(zhǎng)水口有足夠的插入空間和保護(hù)渣熔化，并為使用較厚壁長(zhǎng)水口提供了有利條件。但漏斗形結(jié)晶器的設(shè)計(jì)和制造較復(fù)雜，維修和加工困難，拉坯時(shí)摩擦阻力增加，運(yùn)行成本較高。平行板形結(jié)晶器與傳統(tǒng)板坯連鑄機(jī)相同，維修方便，消耗也低。
結(jié)晶器的傳熱
??? 結(jié)晶器內(nèi)熱電偶測(cè)試表明，平行板形結(jié)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(jié)果則顯示漏斗形結(jié)晶器傳熱不均。
??? 平行板形結(jié)晶器有利于鋼液橫向流動(dòng)( 由水口噴出的鋼液引起) 和由溫差引起的橫向?qū)α?，因而?duì)減少熔池各部位的溫差有利。漏斗形結(jié)晶器由于漏斗區(qū)擴(kuò)大，影響對(duì)流，彎月面附近區(qū)域溫度較低，易形成“搭橋”現(xiàn)象。平行板形結(jié)晶器則需要解決在板坯厚度方向上浸入式水口與結(jié)晶器壁間的距離，保證不凝鋼。
1.3 定向凝固技術(shù)進(jìn)展及應(yīng)用
定向凝固技術(shù)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(shù)可以改善凝固組織、提高力學(xué)性能，是定向凝固技術(shù)的學(xué)術(shù)前沿。LMC技術(shù)的關(guān)鍵首先是專(zhuān)用設(shè)備，由于性能先進(jìn)的定向凝固設(shè)備融合了我國(guó)機(jī)械制造行業(yè)非標(biāo)設(shè)計(jì)的很多極端條件，因此備受關(guān)注。其中LMC結(jié)晶器是定向凝固設(shè)備中重要的組件。
定向凝固是一種強(qiáng)制性凝固過(guò)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(kāi)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(guò)熱，下部進(jìn)行強(qiáng)制冷卻，凝固界面位于隔熱擋板附近，通過(guò)向下抽拉實(shí)現(xiàn)中向排列的凝固組織。
定向凝固技術(shù)在工業(yè)和高技術(shù)領(lǐng)域具有非常重要和廣泛的應(yīng)用。它被用來(lái)生產(chǎn)磁性材料、航空和地面燃機(jī)渦輪葉片、自生復(fù)合材料以及各種功能晶體。定向凝固技術(shù)具有代表性的成就是燃?xì)廨啓C(jī)葉片材料的制備，目前先進(jìn)的渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪前進(jìn)口溫度已達(dá)1 950 K.兒乎所有的商用和軍用先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)均使用定向凝固法中晶渦輪和導(dǎo)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(zhǎng)的<001 >晶向與軸向熱流方向一致:同時(shí)具有細(xì)化的凝固組織、低的枝晶偏析，并盡可能不出現(xiàn)凝固缺陷和有占相。國(guó)內(nèi)外大量研究表明,提高定向凝固過(guò)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(shí)現(xiàn)上述兩個(gè)目標(biāo)的重要途徑。高溫度梯度定向凝固可以允許在更高的生長(zhǎng)速率下實(shí)現(xiàn)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(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，具有設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)中，工藝穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，特別適合制備航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片等小烈鑄件。
近年來(lái)，新高溫合金中添加大量難熔元素帶來(lái)了結(jié)晶溫度間隔增大、偏析加劇等問(wèn)題。另外，隨著大尺寸工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)(GT )葉片制各的發(fā)展，暴露出HRS技術(shù)的固有缺陷，即溫度梯度低且隨凝固過(guò)程的進(jìn)行很快下降，使GT葉片制備在傳統(tǒng)的HRS定向凝固設(shè)備上難以實(shí)現(xiàn)?？梢?jiàn)，高梯度定向凝固方法及相應(yīng)制備裝置的研究，是先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)和工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)中晶高溫合金制備的核心技術(shù)，也是近年來(lái)航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件制備技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)的熱點(diǎn)。
在基礎(chǔ)研究領(lǐng)域，定向凝固是研究金屬凝固和晶體生長(zhǎng)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(yuǎn)離平衡的超細(xì)和業(yè)穩(wěn)態(tài)組織，在此過(guò)程中所產(chǎn)生的一系列凝固現(xiàn)象，一直是材料學(xué)家研究的重要領(lǐng)域。從某種意義上講，凝固和晶體生長(zhǎng)理論的發(fā)展以及新材料的研制，取決于定向凝固技術(shù)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(shù)用于制備渦輪葉片開(kāi)始于20世紀(jì)70年代，但由于當(dāng)時(shí)高速凝固技術(shù)(HRS)比較成熟，而且其工藝相對(duì)比較簡(jiǎn)單，可以滿(mǎn)足小尺寸定向和航空發(fā)動(dòng)機(jī)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(shù)的發(fā)展。自20世紀(jì)90年代開(kāi)始，工業(yè)燃?xì)鉁u輪機(jī)的發(fā)展促進(jìn)了對(duì)大尺寸定向和葉片的需求。然而傳統(tǒng)的HRS技術(shù)主要通過(guò)鑄件把熱傳導(dǎo)到水冷盤(pán)進(jìn)行冷卻，隨著鑄件的拉出，其傳熱效果很快降低。這是因?yàn)榇蠖鄶?shù)高溫合金的導(dǎo)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(dǎo)致凝固前沿的溫度梯度逐漸降低而無(wú)法實(shí)現(xiàn)定向凝固。LMC技術(shù)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?xì)廨啓C(jī)葉片，由此促進(jìn)液態(tài)金屬冷卻定向凝固技術(shù)及其設(shè)備的發(fā)展。工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)葉片主要生產(chǎn)廠(chǎng)商美國(guó)通用電器(GE)和德國(guó)西門(mén)子聯(lián)合起來(lái)發(fā)展工業(yè)LMC設(shè)備和工藝。德國(guó)Erlangen—Nuremberg大學(xué)用Sn作為冷卻介質(zhì)來(lái)研究LMC工藝。Doncasters Precision Casting(DPC)和西門(mén)子KWU于1994年啟用了“渦輪葉片的先進(jìn)鑄造工藝”的6年計(jì)劃。Erlangen大學(xué)安裝了當(dāng)時(shí)最大容量為38 kg的LMC設(shè)備。對(duì)工藝參數(shù)如柔性輻射擋板和液態(tài)金屬池的液體流動(dòng)都進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，確定了最佳的工藝參數(shù)，且生產(chǎn)出了大尺寸定向和的葉片。所用的設(shè)備為當(dāng)時(shí)世界上最大的LMC設(shè)備，其容量超過(guò)100 kg，錫液的重量達(dá)到了18 000 kg。在美國(guó)，密西根大學(xué)和GE公司也開(kāi)展了同樣的工作。對(duì)不同的冷卻介質(zhì)，錫和鋁進(jìn)行了比較，同時(shí)也進(jìn)行了工藝參數(shù)對(duì)顯微組織和缺陷形成影響的研究。國(guó)內(nèi)中科院金屬所也研制了LMC定向凝固設(shè)備，其熔煉重量達(dá)到15 kg，制備試樣長(zhǎng)度達(dá)到了280 mm?？梢?jiàn)，目前國(guó)外液態(tài)金屬冷卻定向凝固技術(shù)的發(fā)展主要是用于制備大尺寸工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)葉片，而國(guó)內(nèi)同類(lèi)設(shè)備尚在研制中，更沒(méi)有應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)。目前已有定向凝固設(shè)備的結(jié)構(gòu)和性能與國(guó)外還存在較大的差距，葉片制備成功率比較低。為了對(duì)渦輪葉片以及用于工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)的大尺寸葉片進(jìn)行研究，根據(jù)以往的研究基礎(chǔ)，借鑒國(guó)內(nèi)外的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，研制了一臺(tái)液態(tài)金屬冷卻定向凝固設(shè)備。
第二章 結(jié)晶器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)總體方案
2．1定向凝固設(shè)備功能及技術(shù)要求
2．1．1定向凝固設(shè)備功能
定向凝固設(shè)備是一臺(tái)將原材料熔化，然后經(jīng)過(guò)特定的結(jié)晶系統(tǒng)，在保護(hù)氣氛下，實(shí)現(xiàn)連續(xù)結(jié)晶生長(zhǎng)，形成內(nèi)部致密的柱狀晶甚至組織的線(xiàn)材，并冷卻至室溫的半連續(xù)裝置。這臺(tái)裝置具有以下主要功能：
1)實(shí)現(xiàn)原材料的無(wú)污染單爐熔化，連鑄坩堝溫度可維持穩(wěn)定。
2)實(shí)現(xiàn)單爐垂直下引式連鑄，特定的下引式結(jié)晶系統(tǒng)的結(jié)晶凝固條件應(yīng)滿(mǎn)足定向凝固的條件，并能長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)地保持恒定；
3)形成的線(xiàn)坯經(jīng)冷卻至室溫，在整個(gè)冷卻過(guò)程不發(fā)生線(xiàn)坯表面氧化
2．1．2定向凝固設(shè)備技術(shù)指標(biāo)
1)產(chǎn)品規(guī)格：直徑8mm線(xiàn)材；
2)牛產(chǎn)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(shè)備上的實(shí)現(xiàn)方案及參數(shù)確定
2．2．1鎵-銦-錫（Ga-In-Sn）坯形成條件在設(shè)備上的實(shí)現(xiàn)方案
(1)保護(hù)氣氛系統(tǒng)
由于該設(shè)備是制備高純度材料的連鑄，在整個(gè)制備過(guò)程中，必須考慮防止二次污染。因此，該設(shè)備的熔化、定向凝固及鑄坯冷卻系統(tǒng)均應(yīng)實(shí)現(xiàn)與大氣完全隔離，制備的每個(gè)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(hù)氣氛用氣體需要凈化。
1)選用高純氬氣Ar作為保護(hù)氣體，并在使用前經(jīng)過(guò)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(shè)置在一個(gè)真空室內(nèi)。采用先抽氣再充氣的方式，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)保持在良好的保護(hù)氣氛中。在抽氣時(shí)，應(yīng)將未加熱的熱鑄型出口加以密封，當(dāng)爐內(nèi)保護(hù)氣體壓力充至稍高于大氣壓的微正壓時(shí)，撤去密封。
3)由于在工作時(shí)真空室內(nèi)處于微正壓狀態(tài)，真空室蓋(門(mén))必須加鎖緊扣。并應(yīng)設(shè)置防爆閥。
4)在冷卻區(qū)采用水簾密封，內(nèi)空間充保護(hù)氣體，實(shí)現(xiàn)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(shè)計(jì)充氣口布局，充分保證所有外露金屬熔液表面以及結(jié)晶口出口處金屬坯棒表面的有效保護(hù)，并在設(shè)計(jì)充氣管位置時(shí)要考慮氣體溫度對(duì)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(qiáng)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(cè)裝置(雙色紅外測(cè)溫)檢測(cè)。
(3)定向凝固系統(tǒng)
實(shí)現(xiàn)定向凝固是獲得定向生長(zhǎng)的柱狀晶或組織的必要條件。定向凝固連鑄的實(shí)現(xiàn)，即是在連鑄過(guò)程中創(chuàng)造一個(gè)定向熱流區(qū)，使液固界面位于定向熱流區(qū)內(nèi)，金屬液的凝固在這定向熱流區(qū)內(nèi)進(jìn)行。
定向熱流區(qū)設(shè)置在緊挨連鑄坩堝的下方，它由定向熱流熱端、無(wú)側(cè)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(gè)有一定形狀內(nèi)腔的熱鑄型，金屬液進(jìn)入其內(nèi)腔，由它形成金屬坯棒形狀，并通過(guò)它與冷卻端形成一具有定向熱流的單向溫度梯度場(chǎng)，使金屬液定向凝固形成金屬坯棒。熱石墨鑄型由感應(yīng)線(xiàn)圈產(chǎn)生的電磁場(chǎng)加熱，溫度應(yīng)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(pán)。冷卻水將熱端傳過(guò)來(lái)的熱量帶走，在定向熱流區(qū)形成單向的溫度梯度場(chǎng)。
在熱端與水冷鎵-銦-錫（Ga-In-Sn）盤(pán)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(pán)上方的屏蔽圈隔離感應(yīng)電磁場(chǎng)對(duì)定向熱流區(qū)內(nèi)金屬坯的感應(yīng)加熱，有效地防止該區(qū)的側(cè)向熱流，確保了在該區(qū)的金屬液實(shí)現(xiàn)定向凝固的基木條件。
定向熱流區(qū)內(nèi)的鑄型采用高純石墨料制成，并要求內(nèi)腔光潔度達(dá)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(pán)用高性能絕熱材料灌鑄，組裝成一個(gè)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(huì)使凝固界面下凹，從而導(dǎo)致柱狀晶生長(zhǎng)的中斷，出現(xiàn)
雜晶。采用冷卻，強(qiáng)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(xiàn)凹面，不破壞定向凝固的關(guān)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(dòng)水中，在浸入處加設(shè)一噴水環(huán)，將冷卻水噴在連鑄坯表面，采用連鑄坯與流動(dòng)水直接換熱方式來(lái)把鑄件的熱流帶走。以強(qiáng)化二者間的換熱。
帶水密封的冷卻水槽結(jié)構(gòu)。冷卻水面位置(離熱鑄型出口的距離) 應(yīng)可根據(jù)冷卻強(qiáng)度要求，上下調(diào)節(jié)(利用水封槽支架的升降實(shí)現(xiàn))。流動(dòng)水由水槽底部進(jìn)入，上口溢出，以保持流動(dòng)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(hù)氣的方法，將水冷槽上方的空氣排出，再充入保護(hù)氣體，確保連鑄坯在冷卻前不被氧化。
為了能觀(guān)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(zhì)會(huì)影響金屬桿的表面質(zhì)量，冷卻水應(yīng)用潔凈水(如蒸餾水)， 不宜用爐體冷卻循環(huán)水槽中的水。應(yīng)采用單獨(dú)的循環(huán)系統(tǒng)，必要時(shí)可考慮設(shè)置‘冷井’控制水溫。冷卻水循環(huán)流量可從O--200L／tJ、時(shí)可調(diào)，溫度控制在20℃左右。
連鑄坯經(jīng)過(guò)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(shí)施連鑄金屬坯棒運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，它是實(shí)施抽拉速度(金屬凝固速率的主控參數(shù))的裝置，實(shí)現(xiàn)金屬坯棒的連續(xù)穩(wěn)定的結(jié)晶凝固，該裝置的性能質(zhì)量是關(guān)鍵。
應(yīng)有一套較好的金屬坯棒夾持系統(tǒng)，以確保驅(qū)動(dòng)時(shí)無(wú)打滑，不產(chǎn)生金屬棒塑性變形等問(wèn)題；在驅(qū)動(dòng)輥輪表面可涂覆一層橡膠塑料材料來(lái)滿(mǎn)足上述要求。
用一套交流伺服系統(tǒng)做驅(qū)動(dòng)力，交流伺服電機(jī)功率不低于200W。
配置金屬坯棒實(shí)際運(yùn)動(dòng)速度檢測(cè)裝置，并作為實(shí)測(cè)參數(shù)反饋進(jìn)入工控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)相關(guān)的參數(shù)控制。
金屬坯棒運(yùn)動(dòng)速度設(shè)定在5mm／min--250mm／min，并應(yīng)可連續(xù)調(diào)節(jié)， 在24小時(shí)連續(xù)運(yùn)行中穩(wěn)定，波動(dòng)小于0．5％。
(6)盤(pán)絲系統(tǒng)
連鑄成形的金屬坯棒需成盤(pán)包裝，盤(pán)絲系統(tǒng)可沿用各種拉絲設(shè)備的盤(pán)絲裝置，實(shí)現(xiàn)盤(pán)絲。
(7)工控系統(tǒng)
為了實(shí)現(xiàn)金屬液連續(xù)地定向生長(zhǎng)以獲得致密、表面光亮的定向凝固組織的線(xiàn)坯，各項(xiàng)連鑄工藝參數(shù)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(shí)現(xiàn)對(duì)過(guò)程的全監(jiān)控，是本設(shè)備的一個(gè)重要措施。工控系統(tǒng)應(yīng)實(shí)現(xiàn)如下功能：
金屬坯棒連鑄速度(牽引速度)的人工設(shè)定、引晶階段中變速過(guò)程的設(shè)置與控制，以及實(shí)現(xiàn)在連鑄過(guò)程中凝固界面壓頭的實(shí)時(shí)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(diǎn)溫度訊號(hào)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(shè)定、控制與顯示。
③熱鑄型入口溫度顯示與記錄。
連鑄牛產(chǎn)流程中其他一些工藝參數(shù)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(xiàng)參數(shù)(熔化功率、熔化時(shí)間等)；
③各點(diǎn)保護(hù)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(chǔ)存及打印生產(chǎn)過(guò)程中所有記錄(可選擇)。
安全保護(hù)及報(bào)警功能(具體項(xiàng)目另定)。
(8)其他
引晶過(guò)程控制及引晶系統(tǒng)：
引晶成功與否是連鑄牛產(chǎn)的關(guān)鍵，引晶過(guò)程控制是一重要環(huán)節(jié)，采用變速
引晶是解決這問(wèn)題的一個(gè)措施，設(shè)備工控系統(tǒng)應(yīng)考慮變速引晶中各項(xiàng)參數(shù)(調(diào)速節(jié)拍、速度變化量、引晶總時(shí)段)的自如調(diào)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(shí)凝固界面前沿的液體金屬壓頭恒定，是確保連鑄坯內(nèi)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(wèn)題的關(guān)鍵舉措。通過(guò)拉鑄速度的測(cè)定，由控制中心算出液位下降速度，換算成壓頭補(bǔ)償量；采用精密氣壓補(bǔ)償系統(tǒng)，提供作用在液面的氣壓補(bǔ)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(nèi)的感應(yīng)線(xiàn)圈，又必須防止其對(duì)真空爐殼的感應(yīng)加熱，采用水冷同心電纜結(jié)構(gòu)引入。同心電纜外殼接地，高頻電流由芯棒引入線(xiàn)圈，并從線(xiàn)圈另一端進(jìn)入同心電纜外殼接地。同心電纜還起到支撐線(xiàn)圈、并調(diào)節(jié)移動(dòng)線(xiàn)圈上下位置的作用。同心電纜進(jìn)入真空爐殼處還必須解決密封，隔離真空爐殼內(nèi)外的問(wèn)題。
同心電纜的上下移動(dòng)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(pán)的整體組件的安裝、更換；2、調(diào)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(dòng)可手動(dòng)，也可電動(dòng)。移動(dòng)后要能鎖緊，防止在拉鑄過(guò)程中位置發(fā)生變動(dòng)。移動(dòng)的位置(即線(xiàn)圈與坩堝的相對(duì)位置)及移動(dòng)量要有顯示。
真空爐殼采用前開(kāi)門(mén)結(jié)構(gòu)，便于坩堝整體組件的安裝、更換及加料。
熱鑄型內(nèi)腔一冷卻系統(tǒng)中心一牽引輥輪軸線(xiàn)的同軸度問(wèn)題：
由于結(jié)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(gè)易耗品，需定期更換，因此，在裝置設(shè)計(jì)中必須考慮這三者的同軸度可調(diào)節(jié)工藝性(即可方便調(diào)節(jié)并可檢測(cè))，根據(jù)實(shí)際使用經(jīng)驗(yàn)，要求不同軸度不大于0．1mm。
為了能有效抽掉真空爐體內(nèi)的空氣，在二次水冷卻區(qū)與定向熱流區(qū)之間應(yīng)有專(zhuān)門(mén)的隔離措施。當(dāng)在連鑄室抽真空時(shí)，該處關(guān)閉，當(dāng)需要插入引晶桿引晶時(shí)，該處打開(kāi)，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(hù)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(hù)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(dòng)微調(diào)，并要有位置讀數(shù)指示。
系統(tǒng)電源、儀表及工控的抗干擾問(wèn)題：
由于連鑄過(guò)程是一個(gè)長(zhǎng)期工作流程，因此對(duì)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(yīng)有很好的抗干擾能力。特別是在生產(chǎn)過(guò)程中熔煉工序是采用高頻感應(yīng)加熱，鑒于我國(guó)的高頻電源波形十分復(fù)雜，存在很多的高次諧波與雜波，對(duì)弱電系統(tǒng)的干擾很強(qiáng)，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(shè)計(jì)制造時(shí)必須
解決的問(wèn)題。
事故緊急處理系統(tǒng)的設(shè)置問(wèn)題：
在發(fā)生事故時(shí)如何保護(hù)人身安全，設(shè)備安全以及環(huán)境是一個(gè)設(shè)備必須考慮的問(wèn)題，與此同時(shí)，還應(yīng)在有事故預(yù)兆時(shí)，及時(shí)報(bào)警，預(yù)告操作者盡早采取補(bǔ)救措施，避免事故發(fā)牛或使事故造成的損失降低到最低限度。
①停電保護(hù)：
停電時(shí)，爐殼、線(xiàn)圈以及所有需要強(qiáng)制冷卻的部位不應(yīng)停水；
②停水保護(hù)：
最好要有應(yīng)急水箱的設(shè)置：
③超溫?cái)嗯急Ｗo(hù)：當(dāng)溫度失控或熱電偶斷了時(shí)，應(yīng)及時(shí)報(bào)警并切斷電源(該功能可由控溫儀表設(shè)置完成)；
④防爆保護(hù)：
冷卻水過(guò)熱會(huì)產(chǎn)生大量氣體，特別在線(xiàn)圈滲漏(爐襯燒穿損壞線(xiàn)圈)時(shí)極易發(fā)生事故，應(yīng)設(shè)有防爆安全閥，壓力大到一定程度時(shí)能項(xiàng)開(kāi)此閥， 實(shí)現(xiàn)保護(hù)(注意：由于該連鑄生產(chǎn)是在微正壓的保護(hù)氣氛下進(jìn)行，所以，真空爐室的門(mén)在工作狀態(tài)下鎖扣是鎖住的)。
⑤常規(guī)機(jī)械保護(hù)和電氣保護(hù)：
為保護(hù)機(jī)械運(yùn)動(dòng)裝置的限位系統(tǒng)、離合打滑系統(tǒng)以及電器安全的過(guò)流過(guò)壓保護(hù)系統(tǒng)等，應(yīng)在該裝置設(shè)計(jì)中充分考慮這些常規(guī)保護(hù)以確保設(shè)備的安全。
2．2．3工藝參數(shù)的設(shè)定
工藝參數(shù)的控制必須滿(mǎn)足下面三個(gè)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(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)金屬液拉漏或者鑄件不會(huì)拉斷的現(xiàn)象；
(3)確保拉鑄的鑄坯具有良好的表面質(zhì)量。
要滿(mǎn)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(guò)程中固液界面的位置是衡量其過(guò)程穩(wěn)定性的重要指標(biāo)，是諸多工藝因素影響連鑄過(guò)程的綜合反應(yīng)。在定向凝固過(guò)程中，在鑄件本身的傳熱作用下，鑄型內(nèi)形成溫度場(chǎng)， 任何影響到該傳熱過(guò)程和溫度場(chǎng)的因素都會(huì)使固液界面在鑄型內(nèi)的位置發(fā)牛變化。該工藝中的關(guān)鍵問(wèn)題就是控制固液界面在型內(nèi)的位置。界面進(jìn)入鑄型內(nèi)過(guò)多， 鑄件與型壁的摩擦力增大，使鑄件表面拉花、拉裂，拉不動(dòng)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(duì)于定向凝固，固液界面位置位于結(jié)晶器內(nèi)越深，則越容易出現(xiàn)卡死、拉斷或者結(jié)晶器內(nèi)壁劃傷鑄定表面的現(xiàn)象。如果固液界面過(guò)于接近結(jié)晶器出口，雖然對(duì)于提高鑄錠表面質(zhì)量有利，但是對(duì)于高熔點(diǎn)、大直徑金屬的定向凝固。在定向凝固過(guò)程中，由于鑄型被加熱到所鑄金屬的熔點(diǎn)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(jié)晶器型腔內(nèi)所處的位置原則上說(shuō)應(yīng)該是在一個(gè)長(zhǎng)度區(qū)間而不是一個(gè)固定的數(shù)值。但為了處理方便，我們?nèi)韵Ｍ苡靡粋€(gè)固定的數(shù)值來(lái)衡量固液界面的位置。這樣就存在一個(gè)以何處為標(biāo)準(zhǔn)來(lái)確定固液界面位置的問(wèn)題。如以中心處為標(biāo)準(zhǔn)，在固液界面為凸形時(shí)對(duì)于防止卡死或者拉斷是有意義的。但是在定向凝固過(guò)程中容易出現(xiàn)危險(xiǎn)更大的拉漏現(xiàn)象的發(fā)生。這時(shí)如以中心處為標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)判斷出固液界面位于結(jié)晶器出口時(shí)，由于鑄錠邊緣處的固液界面已經(jīng)離開(kāi)鑄型，因而常出現(xiàn)掙漏現(xiàn)象，尤其對(duì)于連鑄大直徑或者高熔點(diǎn)金屬線(xiàn)材。為此定義結(jié)晶器內(nèi)壁上固相與液相金屬的交界處為連鑄過(guò)程中固液界面的位置，在可防止掙漏現(xiàn)象發(fā)牛的同時(shí)，可制得表面質(zhì)量?jī)?yōu)異的線(xiàn)材，而且這個(gè)位置更容易測(cè)得。已有實(shí)驗(yàn)證實(shí)，理想的固液界面位置應(yīng)該位于結(jié)晶器出口處。
(2)固液界面位置的確定方法
上述已經(jīng)將固液界面位置定義為結(jié)晶器內(nèi)壁上固相與液相的交界處，而連
鑄過(guò)程中鎵-銦-錫（Ga-In-Sn）的熔點(diǎn)溫度是已知的，如果能夠確定結(jié)晶器內(nèi)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(gè)溫度分布是無(wú)法直接測(cè)定的，與這個(gè)溫度分布最接近的就是結(jié)晶器內(nèi)壁的溫度分布。用其與熔體熔點(diǎn)對(duì)照也能得出一個(gè)固液界面的位置，只是這個(gè)固液界面位置與實(shí)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(guò)程中固液界面位置的方法仍然不失為一個(gè)比較好的方法，其最大的特點(diǎn)就是可以隨時(shí)對(duì)固液界面位置進(jìn)行監(jiān)測(cè)。有實(shí)驗(yàn)證實(shí)發(fā)現(xiàn)可獲得良好的鑄錠表面質(zhì)量的固液界面位置大致在深入鑄型4-7mm范圍內(nèi)。
(3)固液界面的形狀
定向凝固過(guò)程中宏觀(guān)固液界面的形狀是影響凝固組織形態(tài)的關(guān)鍵因素之一，在定向凝固過(guò)程中晶體的生長(zhǎng)方向受熱流方向的控制，其生長(zhǎng)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(guān)系如圖2-1所示。
圖2-1固液界面形狀和熱流方向的關(guān)系
理論上，定向凝固過(guò)程中非平直的固液界面均導(dǎo)致晶體的生長(zhǎng)方向偏離軸向，固液界面凸凹的越嚴(yán)重，晶體的生長(zhǎng)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(gè)重要指標(biāo)。為得到組織，最理想的固液界面應(yīng)為平直的形狀。固液界面的形狀取決于定向凝固過(guò)程中徑向上的溫度梯度的大小，考慮到結(jié)構(gòu)等因素，實(shí)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(guò)程中位于固液界面附近的情況也是如此。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，凸形的固液界面是定向凝固過(guò)程中晶體由多晶到演化的必要條件。因此在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，使固液界面保持凹或微凸形成定向凝固順利進(jìn)行的前提。凸界面平界面凹界面
(4)結(jié)晶器出口溫度的設(shè)定與控制
結(jié)晶器出口溫度直接影響著固液界面的位置和形狀，因此對(duì)它的控制是鎵-銦-錫（Ga-In-Sn）定向凝固技術(shù)的關(guān)鍵。為了保證得到表面質(zhì)量光滑的鎵-銦-錫（Ga-In-Sn）鑄錠，要求：①固液界面應(yīng)控制在結(jié)晶器出口內(nèi)側(cè)4-mm的范圍內(nèi)；②在結(jié)晶器出口處，鑄錠的表層在一定的長(zhǎng)度內(nèi)有一層液體膜存在。因此，結(jié)晶器出口溫度不僅是實(shí)現(xiàn)連鑄最為重要的因素，也是影響鑄錠表面質(zhì)量的因素之一。影響結(jié)晶器出口溫度變化的主要因素有引錠桿材質(zhì)、結(jié)晶器材質(zhì)、加熱功率、冷卻距離、拉坯速度、以及冷卻水量等。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中可調(diào)的豐要參數(shù)有加熱功率、拉坯速度、冷卻水量。當(dāng)其他參數(shù)一定時(shí)，結(jié)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(shù)時(shí)，結(jié)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(shù)時(shí)，結(jié)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(cè)溫精確度等因素，往往所測(cè)溫度略高于實(shí)際溫度，這樣在確定結(jié)晶器出口溫度時(shí)會(huì)有誤差。溫度過(guò)低，會(huì)出現(xiàn)固液界面移入結(jié)晶器內(nèi)過(guò)深甚至移出結(jié)晶器上口情況，進(jìn)而造成拉不動(dòng)和鉚死等現(xiàn)象；溫度過(guò)高，容易出現(xiàn)固液界面移出結(jié)晶器，接造成拉漏這樣的危險(xiǎn)情況出現(xiàn)。
(5)引錠桿材質(zhì)的選取、在結(jié)晶器型腔的位置及形狀的確定鎵-銦-錫（Ga-In-Sn）定向凝固過(guò)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(jié)合成一體，從而通過(guò)拉坯機(jī)構(gòu)的運(yùn)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(jié)合能力。選用銅棒作為引錠桿。引錠桿的引錠頭在結(jié)晶器型腔中的位置應(yīng)該在固液界面略上的地方，這樣在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中引錠桿頭部會(huì)因?yàn)檫_(dá)到熔點(diǎn)而熔化，從而與熔體鎵-銦-錫（Ga-In-Sn）液致密結(jié)合，實(shí)現(xiàn)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(shí)引錠桿頭部不能熔化，使熔體在凝固時(shí)會(huì)出現(xiàn)不能與引錠桿較好結(jié)合的情況，這樣鑄錠凝固在結(jié)晶器型腔中，因?yàn)闆](méi)有足夠的牽引力， 故不能隨引錠桿一起運(yùn)動(dòng)。所以當(dāng)引錠桿自行運(yùn)動(dòng)出密封圈時(shí)，就出現(xiàn)漏金屬液的事故。為了避免這種現(xiàn)象的發(fā)生，將引錠桿頭部設(shè)計(jì)成鉚釘形狀，即使熔體不能與引錠桿頭部充分結(jié)合，也可借助鑄坯與引錠桿頭的機(jī)械摩擦力將鑄錠導(dǎo)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(guò)程中，連鑄初始階段的速度變化是一個(gè)逐步加快到穩(wěn)定的過(guò)程。在鎵-銦-錫（Ga-In-Sn）定向凝固過(guò)程中，拉坯速度通過(guò)對(duì)固液界面位置與形狀的影響，進(jìn)而影響鑄錠的表面質(zhì)量與凝固組織，所以對(duì)于拉坯速度的控制就顯得尤為重要。拉速過(guò)快，將會(huì)導(dǎo)致結(jié)晶器溫度升高，易出現(xiàn)拉漏事故：拉速過(guò)慢，易發(fā)牛鑄錠在結(jié)晶器內(nèi)凍死或拉不動(dòng)等現(xiàn)象。
(7)熔體溫度的確定
鎵-銦-錫（Ga-In-Sn）定向凝固過(guò)程中熔體需要有一定的過(guò)熱度，以保證熔體良好的流動(dòng)性和好的充型能力?？紤]到實(shí)驗(yàn)中結(jié)晶器出口溫度的要求和冷卻距離的關(guān)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(jié)晶器和石墨坩堝的使用壽命以及爐體的保護(hù)等問(wèn)題，將熔體的溫度控制在1250～1300℃左右。熔體溫度不能過(guò)低，太低則不利于連鑄的進(jìn)行。
(8)冷卻能力的確定
冷卻距離和冷卻水量綜合起來(lái)對(duì)鑄錠的冷卻作用稱(chēng)之為冷卻能力。冷卻距離是噴水區(qū)上沿距結(jié)晶器出口的距離，據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)得出冷卻距離為96mm時(shí)能較好的實(shí)現(xiàn)鎵-銦-錫（Ga-In-Sn）定向凝固。冷卻水的作用是形成強(qiáng)制的定向凝固條件，產(chǎn)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(jù)熱平衡原理計(jì)算。則冷卻循環(huán)水流量控制為O～1000ml／min連續(xù)可調(diào)。
圖2-2鎵-銦-錫（Ga-In-Sn）定向凝固系統(tǒng)構(gòu)成示意框圖
第三章 鎵-銦-錫（Ga-In-Sn）定向凝固設(shè)備設(shè)計(jì)
3．1加熱方式的確定
常用的加熱方式有電阻加熱和感應(yīng)加熱。因感應(yīng)加熱有高效、節(jié)能、輕便加熱效率高的特點(diǎn)，再加上連鑄的金屬熔點(diǎn)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(yīng)加熱方式。
3．2 熔化爐體、線(xiàn)圈及升降機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)
3．2．1熔化爐體的設(shè)計(jì)
因?yàn)楦呒兪釄寰哂幸韵聝?yōu)點(diǎn)：優(yōu)異的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性，熔沸點(diǎn)高，耐腐蝕性強(qiáng)，抗熱振和機(jī)械振動(dòng)能力強(qiáng)，所以爐體內(nèi)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(yīng)線(xiàn)圈正常運(yùn)行，線(xiàn)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(dá)1400。C，為避免坩堝的熱量被水冷線(xiàn)圈大量帶走， 同時(shí)又要防止線(xiàn)圈的絕緣燒壞，坩堝的外面必須考慮加絕熱陶瓷保護(hù)套。絕熱陶瓷保護(hù)套外周與感應(yīng)線(xiàn)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(yīng)線(xiàn)圈位置，又能有效的防止熱量損失。
坩堝相關(guān)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(nèi)徑
式中，y——金屬液高度與坩堝內(nèi)徑之比，取d2=9cm。
則金屬液高度=Yd2=11.52cm ，取=12cm
3)感應(yīng)線(xiàn)圈內(nèi)徑,
取=3cm 即：dl=15cm
4)感應(yīng)線(xiàn)圈高度
初選：
即
5)坩堝高度
取=16cm。
3．2．2感應(yīng)線(xiàn)圈的設(shè)計(jì)
感應(yīng)線(xiàn)圈即感應(yīng)器是加熱系統(tǒng)將能量傳輸?shù)捷d體的一環(huán)，當(dāng)電源和載體都確定的情況下，感應(yīng)線(xiàn)圈的設(shè)計(jì)關(guān)系到整個(gè)加熱系統(tǒng)的加熱效率。在進(jìn)行感應(yīng)加熱時(shí)，感應(yīng)線(xiàn)圈因?yàn)樽陨淼碾娮枰矔?huì)在大電流的情況下發(fā)熱， 如果不加以冷卻，會(huì)導(dǎo)致感應(yīng)線(xiàn)圈不斷升溫，感應(yīng)線(xiàn)圈溫度在不斷上升的時(shí)候電阻率也不斷的上升，導(dǎo)致更嚴(yán)重的溫升。為了防止感應(yīng)線(xiàn)圈溫度過(guò)高，線(xiàn)圈一般通水冷卻，這樣可以有效的降低感應(yīng)線(xiàn)圈的溫度，并且提高線(xiàn)圈載流密度。感應(yīng)線(xiàn)圈的設(shè)計(jì)參數(shù)主要有以下幾個(gè)：感應(yīng)線(xiàn)圈的內(nèi)徑，感應(yīng)線(xiàn)圈的高度，感應(yīng)線(xiàn)圈的截面鎵-銦-錫（Ga-In-Sn）壁厚度，感應(yīng)線(xiàn)圈截面直徑和感應(yīng)線(xiàn)圈的匝數(shù)。感應(yīng)線(xiàn)圈的內(nèi)徑dl和高度氟，下面計(jì)算其他三個(gè)．豐要參數(shù)。
1) 感應(yīng)器中電流的透入深度
式中，——在工作溫度下感應(yīng)器鎵-銦-錫（Ga-In-Sn）管的電阻率；
——感應(yīng)器鎵-銦-錫（Ga-In-Sn）管的相對(duì)導(dǎo)磁率。
f——供電電源頻率，f=50Hz。
2)金屬爐料內(nèi)的電流透入深度
式中，——金屬爐料在工作溫度范圍內(nèi)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(duì)磁導(dǎo)率。
3)單匝系統(tǒng)的感應(yīng)器銅管電阻
式中，——感應(yīng)器匝間絕緣填充系數(shù)，一般取0．80～0．92，取0．86 。
4)單匝系統(tǒng)的感應(yīng)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(nèi)徑(cm)；
——系數(shù)，查圖表得，=0．34
——被感應(yīng)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(shù)，查圖表得Pf=0．8。
7)單匝系統(tǒng)的間隙電抗
將前述個(gè)參數(shù)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(shù)。
9）爐料參數(shù)折算到感應(yīng)器側(cè)的折算系數(shù)a
10)單匝系統(tǒng)的“感應(yīng)器——金屬爐料”系統(tǒng)的電阻R
11)單匝系統(tǒng)的“感應(yīng)器——金屬爐料’’系統(tǒng)的電抗X
12)單匝系統(tǒng)的“感應(yīng)器——金屬爐料”系統(tǒng)的阻抗Z
13)“感應(yīng)器——金屬爐料”系統(tǒng)的電效率
141“感應(yīng)器——金屬爐料”系統(tǒng)的功率因數(shù)
15)感應(yīng)器的輸入功率名
式中：
16)感應(yīng)器的匝數(shù)
式中：——感應(yīng)器端電壓(V)，當(dāng)感應(yīng)器為一段時(shí)；
——額定電壓，當(dāng)感應(yīng)器為兩段線(xiàn)圈并聯(lián)連接時(shí)則以=2u．。
17)感應(yīng)線(xiàn)圈的截面壁厚
對(duì)于截面厚度的選擇，主要考慮到電流的環(huán)狀效應(yīng)。即工作時(shí)電流的透入深度。
機(jī)械強(qiáng)度和加工方便我們選擇壁厚為lmm。
18)感應(yīng)線(xiàn)圈截面直徑
圖3-3感應(yīng)線(xiàn)圈尺寸及造型圖
3．4定向凝固結(jié)晶的定向熱流區(qū)的構(gòu)成和各部件的設(shè)計(jì)
3．4．1定向熱流形成區(qū)的熱端部件的設(shè)計(jì)
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(jié)構(gòu)中，定向熱流區(qū)熱端緊挨連鑄坩堝的下方，其內(nèi)芯是一個(gè)有一定內(nèi)腔形狀的熱鑄型，采用高純石墨料制成，并要求內(nèi)腔光潔度達(dá)到鏡面。金屬液進(jìn)入其內(nèi)腔，由它形成金屬坯棒形狀。熱端的熱量由感應(yīng)線(xiàn)圈產(chǎn)生的電磁場(chǎng)加熱的熱端加熱圈提供，溫度應(yīng)精確控溫，控溫精度在±1℃。通過(guò)熱端與冷卻端在高純石墨內(nèi)芯中形成一具有定向熱流的單向溫度梯度場(chǎng)，使金屬液在其中定向凝固形成金屬坯棒。為了防止側(cè)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(shí)，在耐火水泥絕熱層外圍再包裹保溫棉及耐火纖維碳?xì)帧?
3．4．2定向熱流形成區(qū)的冷端部件的設(shè)計(jì)
定向熱流冷端為一水冷鎵-銦-錫（Ga-In-Sn）盤(pán)。定向熱流區(qū)的高純石墨內(nèi)芯下端插在中心，鎵-銦-錫（Ga-In-Sn）盤(pán)內(nèi)的冷卻水將高純石墨內(nèi)芯從熱端傳過(guò)來(lái)的熱量帶走，在定向熱流區(qū)的高純石墨內(nèi)芯中形成單向的溫度梯度場(chǎng)。水冷鎵-銦-錫（Ga-In-Sn）盤(pán)設(shè)計(jì)了一電磁屏蔽環(huán)，具有電磁屏蔽的作用，可把上方感應(yīng)線(xiàn)圈的電磁場(chǎng)對(duì)高純石墨內(nèi)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(nèi)芯外的高性能的絕熱層，有效地防止該區(qū)的側(cè)向熱流損失，從而，確保了在該區(qū)的金屬液實(shí)現(xiàn)定向凝固的基木條件。
3．5線(xiàn)坯牽引機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)
牽引機(jī)構(gòu)是牽引系統(tǒng)的豐要組成部分，也是整個(gè)連續(xù)定向凝固設(shè)備的重要組成部分，牽引機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)力是直流電動(dòng)機(jī)，直流電動(dòng)機(jī)通過(guò)減速機(jī)與牽引機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)軸相連接，驅(qū)動(dòng)軸帶動(dòng)主動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)，主動(dòng)輪通過(guò)摩擦力帶動(dòng)引錠桿向下運(yùn)動(dòng)。有些時(shí)候拉力太小不能帶動(dòng)引錠桿向下運(yùn)動(dòng)，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(guò)調(diào)節(jié)彈簧壓緊裝置來(lái)調(diào)節(jié)滑輪與拉棒間的正壓力，從而達(dá)到調(diào)節(jié)摩擦力的目的。