定向凝固澆注

定向凝固澆注(teeming of one-way solidification)是使鋼錠在凝固過程中的熱流方向呈一維或近似一維且與金屬的凝固方向相反的澆注工藝。由於金屬的凝固是單方向的，也可稱定向凝固為單向凝固。

基本介紹

• 中文名：定向凝固澆注
• 外文名：teeming of one-way solidification
• 方法：發熱劑法等
• 作用：獲得緻密潔淨的高質量鋼錠。
• 學科：冶金工程
• 理論基礎：定向凝固理論

理論基礎

“定向”一詞主要表徵結晶位向的一定，這對於單晶生產更為恰當，在通常的鑄錠生產中是難以達到而且也是沒有必要的。為了建立單向傳熱的條件，鋼錠模的底板採用金屬型，甚至噴水或通水冷卻；錠模的內層四周襯以絕熱材料；在澆注完畢後，錠模內鋼液上部蓋以發熱劑；這樣，就形成了自下而上的單方向凝固條件，其製造工藝示意於圖。為確保獲得很強的單方向凝固，儘可能增加自上而下的溫度梯度。為此在錠模四周可設定兩段(或若干段)加熱線圈，在澆注之前，先送電預熱錠模及其內側的耐火材料，澆注之後，先切斷下部線圈的電源，隨後再相繼切斷上部線圈的電源。不論採用哪一種方法，隨著凝固距離的增加，固一液界面前沿的溫度梯度總是要逐漸減小，從而使單方向散熱的有利條件喪失，為此，單向凝固錠的高(H)徑(L)比一般較小(<1)。採用這種工藝方法生產的鋼錠單重已超過80t，主要用於製造壓力容器中的超厚板。

採用單向凝固工藝，錠內溫度梯度存在於垂直方向上，而凝固過程中因選分結晶排出溶質所造成的濃度梯度也在垂直方向上，因此，由於溫差及濃度差引起的自然對流得以抑制。溶質的傳輸主要依靠擴散，如果底板的冷卻能力較強，凝固速度較快，就可能得到大範圍的無巨觀偏析的區域，使巨觀偏析限制在鋼錠上部非常窄的範圍內。此外，由於單方向自下而上的進行凝固，縮孔、氣孔、夾雜均可排至鋼錠上表面，從而獲得較為緻密、潔淨的高質量鋼錠。

常規定向凝固技術

傳統的定向凝固技術主要有發熱劑法( EP法) 、功率降低法( PD 法) 、高速凝固法(HRS法) 、液態金屬冷卻法(LMC法)等 。

發熱劑法

發熱劑法是定向凝固技術發展的起始階段,是最原始的一種。Versnyder等早在20世紀50年代就套用於試驗中。其基本原理是：將鑄型預熱到一定溫度後，迅速放到激冷板上並立即進行澆注，冒口上方覆蓋發熱劑，激冷板下方噴水冷卻，從而在金屬液和已凝固金屬中建立起一個自下而上的溫度梯度,實現定向凝固。也有採用發熱鑄型的，鑄型不預熱，而是將發熱材料填充在鑄型四周，底部採用噴水冷卻。此方法無法調節溫度梯度和凝固速度，單向熱流條件很難保證，故不適合大型優質鑄件的生產。但該方法工藝簡單、成本又低，可套用於小型的定向凝固件生產。

功率降低法

在20世紀60年代，Versnyder等人提出了功率降低法。在這種工藝過程中，鑄型加熱感應圈分兩段，鑄件在凝固過程中不動，在底部採用水冷激冷板。加熱時上下兩部分感應圈全通電，在模殼內建立起所要求的溫度場，注入過熱的合金液。然後下部感應圈斷電，通過調節輸入上部感應圈的功率，在液態金屬中形成一個軸向溫度梯度。在功率降低法中，熱量主要通過已凝固部分及底盤由冷卻水帶走。這種工藝可達到的溫度梯度較小，在10 ℃/ cm左右，制出的合金葉片，其長度受到限制，並且柱狀晶之間的平行度差，甚至產生放射狀凝固組織。合金的顯微組織在不同部位差異較大，目前一般不採用此工藝。

高速凝固法

高速凝固法是Erickson 等於1971年提出的，其裝置和功率降低法相似，不過多了一個拉錠機構，可使模殼按一定速度向下移動，改善了功率降低法溫度梯度在凝固過程中逐漸減小的缺點；另外，在熱區底部使用輻射擋板和水冷套，在擋板附近產生較大的溫度梯度。這種方法可以加大縮小凝固前沿兩相區，局部冷卻速度增大，有利於細化組織，提高力學性能。這種方法是借鑑Bridgman 晶體生長技術特點而發展起來的，其主要特點是:鑄型以一定速度從爐中移出，或者爐子以一定速度移離鑄件，並採用空冷方式。這種方法由於避免了爐膛的影響且利用空氣冷卻，因而所獲得柱狀間距變小，組織較均勻。由於大大縮小了凝固前沿兩相區，局部冷卻速度增大，有利於細化組織，提高力學性能。因而，在實際生產中得到了廣泛套用。但HRS 法是靠輻射換熱來冷卻的，獲得的溫度梯度和冷卻速度都很有限。

液態金屬冷卻法（LMC）

在提高散熱能力和增大界面液相溫度梯度方面。功率降低法和高速凝固法都受到一定條件的限制，1974年出現了一種新的定向凝固方法——液態金屬冷卻法是目前工業套用較為廣泛的一種定向凝固方法。該方法工藝過程與快速凝固法基本相同。不同的就是以液態金屬代替水作為模殼的冷卻介質，模殼直接浸入液態金屬冷卻劑中,散熱大大增強，以至在感應器底部迅速發生熱平衡，造成很高的，幾乎不依賴浸入速度。冷卻劑的溫度，模殼傳熱性、厚度和形狀，擋板位置，熔液溫度等因素都會影響溫度梯度。液態金屬冷卻劑要求有低的蒸氣壓和熔點以及有大的熱容量和熱導率。該法已被美國、前蘇聯等國用於航空發動機葉片的生產。

流態床冷卻法（FBQ法）

由於LMC法採用的低熔點合金含有有害元素，成本高，可能使鑄件產生低熔點金屬脆性。Nakagawa等首先用流態床法來獲得很高的GL，進行定向凝固。用流態化的150號ZrO2粉作為冷卻介質。Ar氣用量大於4000cm³/min，冷卻介質溫度保持在100-120℃。在相同條件下，液態金屬冷卻法的溫度梯度為100-300℃/cm，而流態床冷卻法為100-200℃/cm，FBQ法基本可以得到也太金屬冷卻法那樣高的溫度梯度。

發展趨勢

定向凝固技術的目的是獲得穩定的定向凝固組織，合金性能又與組織細化程度緊密相關。因此，採取不同控制措施以獲得細小的定向組織成為新一代定向凝固技術的發展方向。縱觀定向凝固技術發展的歷史就是溫度梯度和凝固速度不斷提高的歷史。隨著實驗技術的改進和理論研究的深入，新一代的定向凝固技術必將為新材料的製備和新加工技術的開發提供廣闊的前景，同時反過來也將促進凝固理論得到進一步完善和發展。