[实用新型]一种用于研究金属熔体凝固行为的水模拟装置

说明书

一种用于研究金属熔体凝固行为的水模拟装置,属于冶金研究技术领域，采用氯化铵水溶液模拟金属熔体，包括结晶容器、透明发热片、控温仪器、温度传感器，以及氯化铵水溶液。结晶容器采用透明材料制作而成，其内壁布置温度传感器，外壁粘附透明发热片，透明发热片通过电极与控温仪器连接。本实用新型通过透明发热片对氯化铵水溶液进行升温至其完全溶解；根据研究需要，调节结晶容器各壁面的温度，使氯化铵结晶；在降温时可通过氯化铵的结晶、生长过程模拟研究不可透视金属的凝固行为。本实用新型通过在结晶容器壁上粘附的透明加热片对氯化铵水溶液实现精确控温，在不降低观测效果的同时，解决目前物理模拟装置无法实现精确控温和绝热的难题。

技术领域

本实用新型属于冶金研究技术领域，涉及一种用于研究金属熔体凝固行为的水模拟装置。

背景技术

一直以来，人们都致力于开发金属材料的优秀性能，要获得材料优秀的性能就要求材料具有良好的组织，研究晶体的形核与长大的过程是获得材料良好组织的基础。但是金属不透明，无法直接观察其晶体形核和生长过程，人们只能通过理论分析、终态凝固组织或激冷组织倒推晶体形核和长大的演变过程。这样的分析存在一定的限制和缺陷，很多问题无法掌握。

研究表明，氯化铵水溶液的结晶过程与钢的凝固过程很类似，重要的是，透明的氯化铵水溶液可在室温下发生结晶析出，非常便于进行实时观察和测量，从中可以透露出许多钢凝固结构和缺陷形成的信息，如“A”、“V”偏析和沉积堆等。正因如此，氯化铵水溶液作为一种理想的物理模拟材料已在凝固研究中获得了广泛的应用。但是，限于时代的原因，以往的氯化铵水溶液模拟装置制作均比较简单，使其存在着提供错误信息的危险性，进而造成因假象得出错误结论的情况。

Hunt在水模拟实验中，观察到液面形成凝固壳的树枝晶被熔断、游离而形成沉淀的现象。大野笃美认为这是个假象，并在《金属的凝固理论实践及应用》(机械工业出版社,1990)书中设计了这样的实验：用热水加热透明的丙烯树脂容器侧壁，从而阻止氯化铵在容器侧壁上结晶形核，只让热量从液面散出。结果发现，晶粒没有沉淀，而是沿着液面以薄片状的方式向四周成长。由此，大野笃美认为，“氯化铵水溶液的观察必须十分小心的进行，因为在那里潜伏着给我们提供错误信息的危险性。”但是，用热水加热透明丙烯树脂容器侧壁，虽然可以近似忽略容器壁结晶析出的影响，但热水层的设置增加了观测难度。

西北工业大学的介万奇、周尧和用氯化铵水溶液凝固过程模拟实验研究了柱状晶向等轴晶转变的条件及规律(柱状晶向等轴晶转变过程的模拟实验研究.西北工业大学学报,1988,6(1):29-40)。他们采用的氯化铵水溶液模拟装置中铸型前后两面用有机玻璃制成，侧面及底面为铜壁冷却室，向冷却室通入液氮制冷的酒精造成二维凝固条件，冷却液在液压油泵作用下循环，其温度可调，型腔内装有若干对镍铬—镍硅热电偶测定温度场。这种模拟装置可对侧面及底面进行控温，但是没有考虑到铸型前后观察面会产生温降，这会对实验结果造成一定的影响。

为了在氯化铵水溶液模拟装置上模拟绝热保温的凝固条件，研究工作者们在实验装置型腔顶部采用厚泡沫覆盖(《大型锻造用钢锭凝固过程的数学模拟和物理模拟(一)》,清华大学、第一重型机器厂内部资料)，或者采用丙烯酸绝热套侧向保温(氯化铵水溶液定向凝固实验的传热分析.热科学与技术,2007,6(2):113-118)。泡沫板和丙烯酸为低导热材料，但是无法做到真正的绝热，顶部和侧向仍存在着一定的散热。此外，采用丙烯酸绝热套侧向保温，拍摄或观察时需取下结晶壁外侧的绝热套，这会进一步影响实验所需的绝热条件。

为了模拟保护渣存在的情况，研究人员用石蜡覆盖在氯化铵水溶液表面来模拟保护渣的存在(振动激发形核传热机制及工业化应用研究.硕士学位论文,昆明理工大学,2010)。石蜡的密度低于氯化铵水溶液，可以浮在氯化铵水溶液的表面。石蜡的熔点低于氯化铵水溶液的温度。且石蜡为疏水物质，与氯化铵水溶液互不相溶。石蜡的这些特性可在一定程度上实现保护渣的模拟，但是石蜡的保温能力属于物质特性，不能进行调节。因此，石蜡无法模拟实际铸造时多种液面防护(不同种类的保护渣或发热剂等)的情况。