專利名稱：一種用于定向凝固的冷卻方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種噴淋冷卻裝置，特別是一種用于定向凝固的冷卻方法和裝置。
背景技術(shù)：
定向凝固是在控制鑄件內(nèi)部傳熱、傳質(zhì)和流動(dòng)的條件下，金屬(或晶體類材料)能 夠沿固定生長方向進(jìn)行凝固或結(jié)晶的過程。定向凝固后金屬的組織特征是與凝固熱流方向 平行的一組平行柱狀晶，如果能夠適當(dāng)控制晶粒的生長過程，例如抑制外來生核，則晶體可 以長成只有一個(gè)晶粒的結(jié)晶組織，稱為單晶體。 生產(chǎn)過程中，固液界面前沿的溫度梯度是關(guān)鍵，而溫度梯度又直接受冷卻速度的 影響，它對(duì)鑄坯表面，內(nèi)部及中心裂紋等都有著重要影響，冷卻技術(shù)的優(yōu)劣直接決定著產(chǎn)品 的性能。由于單晶的冷卻速度慢，生產(chǎn)條件復(fù)雜，成本高，因此實(shí)際生產(chǎn)中多晶的情況居多， 尤其是在獲得平行柱狀晶的情況下，更需要高的冷卻速度，以盡快導(dǎo)出熱量；此時(shí)常規(guī)的空 冷或者水冷的辦法是不能滿足要求的。 常用的冷卻方法有三種功率降低法，高速凝固法和液態(tài)金屬冷卻法，由于液態(tài)金 屬和固液界面之間的換熱系數(shù)較大，因此它能夠有效提高鑄件和凝固過程中的溫度梯度， 目前在定向凝固過程中已獲得了廣泛的應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對(duì)已有技術(shù)存在的缺陷，提供一種用于定向凝固的冷卻方法 及裝置，以提高冷卻效率，減少冷卻液用量，降低成本。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案 —種用于定向凝固的冷卻方法，其特征在于使用液態(tài)金屬作為冷卻液，對(duì)模殼單 獨(dú)采用噴淋冷卻法，或者噴淋冷卻法和浸入冷卻法同時(shí)進(jìn)行。 上述冷卻液噴淋在定向凝固保溫爐的下沿，并包圍模殼的外表面以反射保溫爐傳 來的熱輻射。 上述冷卻液落下后又被抽出以循環(huán)利用，冷卻液在循環(huán)中被冷卻。
上述用于定向凝固的冷卻方法，采用浸入式冷去，操作步驟如下
對(duì)熔煉爐的加熱線圈通電加熱，將熔煉爐內(nèi)的固態(tài)高溫合金熔化；
將熔化后的高溫合金注入保溫爐內(nèi)的模殼中； 澆鑄結(jié)束后，模殼隨抽拉機(jī)構(gòu)向下移動(dòng)，使模殼下部浸入儲(chǔ)液器內(nèi)的液態(tài)金屬冷 卻液中，使模殼內(nèi)部的溫度梯度始終向上； 同時(shí)處在保溫爐下沿包圍模殼的環(huán)形噴頭開始工作，將液態(tài)金屬冷卻液噴在模殼 周圍，由于液態(tài)金屬冷卻液噴霧呈環(huán)狀分布，因此能有效隔絕加熱區(qū)和冷卻區(qū)之間的熱輻 射； 模殼不斷向下移動(dòng)，熱量被下部和側(cè)壁的液態(tài)金屬冷卻液吸收，而整體的溫度梯 度豎直向上，使熔融高溫合金由下至上逐漸冷卻、凝固成型。
上述的用于定向凝固的冷卻方法，采用非浸入式冷卻，具體操作步驟如下
對(duì)熔煉爐的加熱線圈通電加熱，將熔煉爐內(nèi)的固態(tài)高溫合金熔化；
將熔化后的高溫合金注入保溫爐內(nèi)的模殼中； 澆鑄結(jié)束后，模殼隨抽拉機(jī)構(gòu)向下移動(dòng)，逐漸移出保溫爐進(jìn)行冷卻； 同時(shí)處在保溫爐下沿包圍模殼的環(huán)形噴頭開始工作，將液態(tài)金屬卻液噴在模殼周
圍，由于液態(tài)金屬冷卻液噴霧呈環(huán)狀分布，因此能有效隔絕加熱區(qū)和冷卻區(qū)之間的熱輻射 模殼不斷向下移動(dòng)，熱量被模殼側(cè)壁的液態(tài)金屬冷卻液吸收，而整體溫度梯度豎
直向上，使熔融高溫合金由下至上逐漸冷卻、凝固成型。 —種用于定向凝固的冷卻裝置，應(yīng)用于上述方法，包括帶有加熱線圈的熔煉爐、保
溫爐、模殼和儲(chǔ)液器；其特征在于所述將保溫爐的上蓋上有澆注口 ，在該澆注口的上方設(shè)置
所述帶有加熱線圈的熔煉爐，該熔煉爐下部的出液口正對(duì)準(zhǔn)保溫爐上蓋上的澆注口，所述
保溫爐內(nèi)腔能容置模殼其內(nèi)腔中部有上隔熱板將保溫爐內(nèi)腔分隔為上加熱區(qū)和下加熱區(qū)，
上下加熱區(qū)內(nèi)設(shè)置點(diǎn)加熱元件，保溫爐下開口處設(shè)有下隔熱板；在保溫爐下沿設(shè)置環(huán)形噴
頭，所述環(huán)形噴頭經(jīng)一個(gè)冷卻系統(tǒng)接通了泵的出口，該泵的進(jìn)口接通所述儲(chǔ)液器的下部，所
述儲(chǔ)液器置于保溫爐的下方；一個(gè)抽拉機(jī)構(gòu)承載所述模殼，構(gòu)成浸入式冷卻裝置。 —種用于定向凝固的冷卻裝置，應(yīng)用于上述方法，包括帶有加熱線圈的熔煉爐、保
溫爐、模殼和儲(chǔ)液器，其特征在于所述將保溫爐的上蓋上有澆注口 ，在該澆注口的上方設(shè)置
所述帶有加熱線圈的熔煉爐，該熔煉爐下部的出液口正對(duì)準(zhǔn)保溫爐上蓋上的澆注口 ；所述
保溫爐內(nèi)腔能容置模殼，其內(nèi)腔中部有上隔熱板將保溫爐內(nèi)腔分隔為上加熱區(qū)和下加熱
區(qū)，上下加熱區(qū)內(nèi)設(shè)置電加熱元件，保溫爐下開口處設(shè)有下隔熱板；在保溫爐下沿設(shè)置環(huán)形
噴頭，所述環(huán)形噴頭經(jīng)一個(gè)冷卻系統(tǒng)接通一個(gè)泵的出口，該泵的進(jìn)口接通所述儲(chǔ)液器；所述
模殼安置在所述儲(chǔ)液器上，儲(chǔ)液器由一個(gè)抽拉機(jī)構(gòu)承載，構(gòu)成非浸入式冷卻裝置。 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比較，具有如下顯而易見的突出特點(diǎn)和顯著優(yōu)點(diǎn) (1)固液界面前沿的溫度梯度大；首先本方案采用的冷卻液是低熔點(diǎn)液態(tài)金屬；
其在常溫下為液態(tài)，沸點(diǎn)高，不易汽化；始終和冷卻表面有很好的潤濕效果，傳熱方式以對(duì)
流換熱為主，傳熱效率高；而且液態(tài)金屬的密度往往大于水，故體積比熱大，因此使用它作
為冷卻液，其冷卻效率遠(yuǎn)高于水；而且本方案中冷卻液不僅能對(duì)流導(dǎo)熱，還能有效隔絕加熱
區(qū)對(duì)冷卻區(qū)的輻射換熱，使固液界面始終保持較大的溫度梯度。 (2)特殊的噴淋系統(tǒng)；之前的噴頭以針狀或板狀為主，在冷卻圓柱型表面時(shí)，會(huì)導(dǎo) 致冷卻不均，本發(fā)明采用一種環(huán)狀噴頭，布置在冷卻面周圍，使其呈圓周狀整體冷卻，可以 克服冷卻不均的缺陷。 (3)常見定向凝固過程中，模殼的加熱區(qū)和冷卻區(qū)用隔熱板隔開，以阻止熱輻射， 提高固液界面的溫度梯度，但這樣做的缺陷有二；其一，模殼的形狀若不規(guī)則，隔熱板很難 真正隔絕兩區(qū)的之間的熱輻射，其二，熔融金屬的溫度極高，長時(shí)間處于這樣的高溫狀態(tài) 下，隔熱板會(huì)失去隔熱效果。這兩個(gè)缺點(diǎn)都導(dǎo)致隔熱板不能有效隔絕加熱區(qū)和冷卻區(qū)的熱 輻射，使固液界面前沿的溫度梯度降低，冷卻效果變差。 在本方案中，冷卻液為液態(tài)金屬其密度大且呈鏡面分布，噴出時(shí)有很大的壓力 (通過泵調(diào)節(jié))，因此冷卻液能完全隔絕上下兩區(qū)，有效地將加熱區(qū)的熱輻射反射回去，使 下部冷卻區(qū)不受影響，從而提高固液界面前沿的溫度梯度。
(4)冷卻液循環(huán)系統(tǒng)；它的優(yōu)點(diǎn)有三；首先，可以在循環(huán)系統(tǒng)中方便地調(diào)節(jié)金屬液 的流量和壓力，其次，通過循環(huán)系統(tǒng)將金屬液引出讓后降溫，以提高它的冷卻效率；第三，減 少金屬液的用量，降低成本。


圖1是本發(fā)明用于定向凝固的浸入式冷卻裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是本發(fā)明用于定向凝固的非浸入式冷卻裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方案 下面結(jié)合實(shí)施方案及附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行說明，本發(fā)明的實(shí)施方案有兩種。分為浸 入式和非浸入式。 實(shí)施例一 參見圖1和圖2，本用于定向凝固的冷卻方法，采用液態(tài)金屬作為冷卻 液，對(duì)模殼單獨(dú)采用噴淋冷卻法，或者噴淋冷卻法和浸入冷卻法同時(shí)進(jìn)行。
實(shí)施例二 如圖1所示，本用于定向凝固的浸入式冷卻裝置包括帶有加熱加熱線 圈1的熔煉爐2、保溫爐5、模殼9和儲(chǔ)液器12，所述將保溫爐5的上蓋上有澆注口，在該澆 注口的上方設(shè)置所述帶有加熱線圈1的熔煉爐2，該熔煉爐2下部的出液口正對(duì)準(zhǔn)保溫爐5 上蓋上的澆注口，所述保溫爐5內(nèi)腔能容置模殼9，其內(nèi)腔中部有上隔熱板8將保溫爐5內(nèi) 腔分隔為上 加熱區(qū)6和下加熱區(qū)，上下加熱區(qū)內(nèi)設(shè)置電加熱元件，保溫爐5下開口處設(shè)有下 隔熱板10 ;在保溫爐5下沿設(shè)置環(huán)形噴頭ll，所述環(huán)形噴頭11經(jīng)一個(gè)冷卻系統(tǒng)16接通了 泵15的出口，該泵15的進(jìn)口接通所述儲(chǔ)液器12的下部，所述儲(chǔ)液器12置于保溫爐5的下 方；一個(gè)抽拉機(jī)構(gòu)4承載所述模殼9，構(gòu)成浸入式冷卻裝置。 實(shí)施例三參見圖l，本用于定向凝固的浸入式冷卻方法的工藝流程如下熔煉爐 2內(nèi)的加熱線圈1將固態(tài)高溫合金3熔化，然后注入保溫爐5內(nèi)的模殼9中；澆注結(jié)束后， 模殼9隨抽拉裝置4向下移動(dòng)，并浸入下部的冷卻液13中冷卻，使模殼9內(nèi)部的溫度梯度 始終向上；同時(shí)環(huán)形噴頭11開始工作，將冷卻液13噴在模殼周圍，由于冷卻液13呈環(huán)狀分 布，因此能夠有效的隔絕加熱區(qū)和冷卻區(qū)之間的熱輻射；模殼向下移動(dòng)，熱量被下部和側(cè)壁 的冷卻液吸收，而整體的溫度梯度豎直向上，使熔融高溫合金7由下至上逐漸冷卻、凝固成 型。冷卻液13在泵15的作用下循環(huán)，同時(shí)在循環(huán)中被冷卻系統(tǒng)16降溫冷卻。以提高冷卻 效率。 實(shí)施例四如圖2所示，本用于定向凝固的冷卻裝置，包括帶有加熱線圈1的熔煉 爐2、保溫爐5、模殼9和儲(chǔ)液器12，所述保溫爐5的上蓋上有澆注口 ，在該澆注口的上方設(shè) 置所述帶有加熱線圈1的熔煉爐2，該熔煉爐2下部的出液口正對(duì)準(zhǔn)保溫爐5上蓋上的澆注 口 ；所述保溫爐5內(nèi)腔能容置模殼9，其內(nèi)腔中部有上隔板8將保溫爐5內(nèi)腔分隔為上加熱 區(qū)6和下加熱區(qū)，上下加熱區(qū)內(nèi)設(shè)置電加熱元件，保溫爐5下開口處設(shè)有下隔熱板10 ;在保 溫爐5下沿設(shè)置環(huán)形噴頭ll，所述環(huán)形噴頭11經(jīng)一個(gè)冷卻系統(tǒng)16接通一個(gè)泵15的出口， 該泵15的進(jìn)口接通所述儲(chǔ)液器12 ;所述模殼9安置在所述儲(chǔ)液器12上，儲(chǔ)液器12由一個(gè) 抽拉機(jī)構(gòu)4承載，構(gòu)成非浸入式冷卻裝置。 實(shí)施例五參見圖2，本用于定向凝固的非浸入式冷卻方法的工藝流程如下熔煉 爐2內(nèi)的加熱線圈l將固態(tài)高溫合金3熔化，然后注入保溫爐5內(nèi)的模殼9中；澆注結(jié)束后，模殼9隨抽拉機(jī)構(gòu)4緩慢移動(dòng)出保溫爐5進(jìn)行冷卻；同時(shí)環(huán)形噴頭11開始工作，將金屬 冷卻液13噴在模殼9側(cè)壁并在重力作用下沿側(cè)壁流動(dòng)，帶走熱量。同樣，金屬冷卻液13噴 出時(shí)呈鏡面分布，隔絕加熱區(qū)和冷卻區(qū)之間的熱輻射；模殼9向下移動(dòng)，熱量主要被側(cè)壁的 冷卻液13吸收，而整體的溫度梯度豎直向上，使熔融高溫合金逐漸冷卻、凝固成型。冷卻液 13流下來后收集在模殼9下部的儲(chǔ)液器12中，在泵的作用下循環(huán)，又通過冷卻系統(tǒng)16降溫 冷卻。以提高冷卻效率。
權(quán)利要求
一種用于定向凝固的冷卻方法，其特征在于采用液態(tài)金屬作為冷卻液，對(duì)模殼單獨(dú)采用噴淋冷卻法，或者噴淋冷卻法和浸入冷卻法同時(shí)進(jìn)行。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于定向凝固的冷卻方法，其具體特征在于所述冷卻液噴淋 在定向凝固保溫爐的下沿，并包圍模殼的外表面以反射保溫爐傳來的熱輻射。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于定向凝固的冷卻方法，其特征在于所述冷卻液落下后又 被抽出以循環(huán)利用，冷卻液在循環(huán)中被冷卻。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于定向凝固的冷卻方法，其具體特征在于所述冷卻采用浸 入式冷卻，操作步驟如下① 對(duì)熔煉爐(2)的加熱線圈通電加熱，將熔煉爐(2)內(nèi)的固態(tài)高溫合金(3)熔化；② 將熔化后的高溫合金注入保溫爐(5)內(nèi)的模殼(9)中；③ 澆鑄結(jié)束后，模殼(9)隨抽拉機(jī)構(gòu)(4)向下移動(dòng)，使模殼(9)下部浸入儲(chǔ)液器(12) 內(nèi)的液態(tài)金屬冷卻液(13)中，使模殼(9)內(nèi)部的溫度梯度始終向上；④ 同時(shí)處在保溫爐(5)下沿包圍模殼(9)的環(huán)形噴頭(11)開始工作，將液態(tài)金屬冷卻 液(13)噴在模殼(9)周圍，由于液態(tài)金屬冷卻液(13)噴霧呈環(huán)狀分布，因此能有效隔絕加 熱區(qū)和冷卻區(qū)之間的熱輻射； 模殼(9)不斷向下移動(dòng)，熱量被下部和側(cè)壁的液態(tài)金屬冷卻液(13)吸收，而整體的 溫度梯度豎直向上，使熔融高溫合金(7)由下至上逐漸冷卻、凝固成型。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于定向凝固的冷卻方法，其特征在于所述冷卻法采用非浸 入式冷卻，具體操作步驟如下① 對(duì)熔煉爐(2)的加熱線圈通電加熱，將熔煉爐(2)內(nèi)的固態(tài)高溫合金(3)熔化；② 將熔化后的高溫合金注入保溫爐(5)內(nèi)的模殼(9)中；③ 澆鑄結(jié)束后，模殼(9)隨抽拉機(jī)構(gòu)(4)向下移動(dòng)，逐漸移出保溫爐(5)進(jìn)行冷卻；④ 同時(shí)處在保溫爐(5)下沿包圍模殼(9)的環(huán)形噴頭(11)開始工作，將液態(tài)金屬冷卻 液(13)噴在模殼(9)周圍，由于液態(tài)金屬冷卻液(13)噴霧呈環(huán)狀分布，因此能有效隔絕加熱區(qū)和冷卻區(qū)之間的熱輻射； 模殼(9)不斷向下移動(dòng)，熱量被模殼側(cè)壁的液態(tài)金屬冷卻液(13)吸收，而整體溫度 梯度豎直向上，使熔融高溫合金(7)由下至上逐漸冷卻、凝固成型。
6. —種用于定向凝固的冷卻裝置，應(yīng)用于根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于定向凝固的冷卻 方法，包括帶有加熱線圈(1)的熔煉爐(2)、保溫爐(5)、模殼(9)和儲(chǔ)液器(12);其特征 在于所述將保溫爐(5)的上蓋上有澆注口，在該澆注口的上方設(shè)置所述帶有加熱線圈(1) 的熔煉爐(2)，該熔煉爐(2)下部的出液口正對(duì)準(zhǔn)保溫爐(5)上蓋上的澆注口，所述保溫爐(5) 內(nèi)腔能容置模殼(9)，其內(nèi)腔中部有上隔熱板(8)將保溫爐(5)內(nèi)腔分隔為上加熱區(qū)(6) 和下加熱區(qū)，上下加熱區(qū)內(nèi)設(shè)置電加熱元件，保溫爐(5)下開口處設(shè)有下隔熱板(10); 在保溫爐(5)下沿設(shè)置環(huán)形噴頭(ll)，所述環(huán)形噴頭(11)經(jīng)一個(gè)冷卻系統(tǒng)(16)接通了泵 (15)的出口，該泵(15)的進(jìn)口接通所述儲(chǔ)液器(12)的下部，所述儲(chǔ)液器(12)置于保溫爐 (5)的下方；一個(gè)抽拉機(jī)構(gòu)(4)承載所述模殼(9)，構(gòu)成浸入式冷卻裝置。
7. —種用于定向凝固的冷卻裝置，應(yīng)用于根據(jù)權(quán)利要求1所示的用于定向凝固的冷卻 方法，包括帶有加熱線圈(1)的熔煉爐(2)、保溫爐(5)、模殼(9)和儲(chǔ)液器(12)，其特征在 于所述保溫爐(5)的上蓋上有澆注口，在該澆注口的上方設(shè)置所述帶有加熱線圈(1)的熔煉爐(2)，該熔煉爐(2)下部的出液口正對(duì)準(zhǔn)保溫爐(5)上蓋上的澆注口 ；所述保溫爐(5) 內(nèi)腔能容置模殼(9)，其內(nèi)腔中部有上隔板(8)將保溫爐(5)內(nèi)腔分隔為上加熱區(qū)(6)和下 加熱區(qū)，上下加熱區(qū)內(nèi)設(shè)置電加熱元件，保溫爐(5)下開口處設(shè)有下隔熱板(10);在保溫爐 (5)下沿設(shè)置環(huán)形噴頭(ll)，所述環(huán)形噴頭(11)經(jīng)一個(gè)冷卻系統(tǒng)(16)接通一個(gè)泵(15)的 出口，該泵(15)的進(jìn)口接通所述儲(chǔ)液器(12);所述模殼(9)安置在所述儲(chǔ)液器(12)上，儲(chǔ) 液器(12)由一個(gè)抽拉機(jī)構(gòu)(4)承載，構(gòu)成非浸入式冷卻裝置。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于定向凝固的冷卻方法及裝置，本方法采用液態(tài)金屬作為冷卻液，對(duì)模殼單獨(dú)采用噴淋冷卻法，或者噴淋冷卻法和浸入冷卻法同時(shí)進(jìn)行；本冷卻裝置是在定向凝固保溫爐下面設(shè)置液態(tài)金屬噴淋裝置，使用液態(tài)金屬作為冷卻液，對(duì)下拉模殼單獨(dú)采用噴淋冷卻，或者伴以浸入冷卻；其優(yōu)勢在于定向凝固的加熱區(qū)和冷卻區(qū)的熱輻射被隔絕；循環(huán)利用冷卻液，在循環(huán)中對(duì)冷卻液降溫。
文檔編號(hào)B22D27/04GK101786156SQ20101012673
公開日2010年7月28日 申請(qǐng)日期2010年3月17日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月17日
發(fā)明者任忠鳴, 任維麗, 王冠, 王敏, 鄧康, 鐘云波, 雷作勝 申請(qǐng)人:上海大學(xué)