CN206882765U - 一种用于轧钢加热炉耐热垫块的定向凝固装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了熔模铸造定向凝固技术领域内的一种用于轧钢加热炉耐热垫块的定向凝固装置，包括保温筒体，保温筒体底壁设置有开口，开口内埋设有冷却底座，冷却底座内部开设有气体通道，气体通道的两端分别设置有干冰入口和气体出口，冷却底座上方设置有型壳，型壳包括冒口腔体和耐热垫块腔体，冒口腔体和耐热垫块腔体之间经直浇道相连，保温筒体的开口处设有保温盖板，保温盖板上贯穿设置有与浇口杯相匹配的安装孔，浇口杯的下开口位于保温筒体内部，浇口杯的上开口位于保温筒体外，浇口杯的下开口与冒口腔体相对应设置，保温筒体上设置有保温***。本实用新型能够获得平行于主应力轴的足够长度的柱状晶，力学性能更好。

Description

一种用于轧钢加热炉耐热垫块的定向凝固装置

技术领域

本实用新型属于熔模铸造定向凝固技术领域，特别涉及一种用于轧钢加热炉耐热垫块的定向凝固装置。

背景技术

定向凝固技术是使金属或合金由熔体中定向生长晶体的一种工艺方法，可较好的控制凝固组织的晶粒取向，主要用于制备单晶、柱状晶和定向共晶铸件，与用普通方法得到的铸件相比，可以减少偏析、疏松等，而且形成了取向平行于主应力轴的晶粒，基本上消除了垂直应力轴的横向晶界，使铸件凝固方向上的力学性能大幅提高。

目前的定向凝固工艺主要有功率降低法（PD）、快速凝固法（HRS）、液态金属冷却法（LMC）等，近年又发展出来电磁约束成形定向凝固（DSEMS）、激光超高温梯度快速凝固（LRM）等先进技术。这些工艺广泛用于喷气发动机高温合金叶片、燃气轮机叶片这类承受单一方向应力的铸件。耐热垫块用于轧钢加热炉，钢坯在轧制前必须加热至特定的工艺温度，此过程需要使用连续式轧钢加热炉，使钢坯的预热、加热和均热（等温）三个过程一次性完成，在此过程中由耐热垫块与被加热的钢坯直接接触，承载钢坯重量，属于单向受力状态，因此也适合采用定向凝固工艺成型。

与叶片类铸件相比，耐热垫块在受力方向上的截面面积要大的多，而沿受力方向的长度一般比前者要小，即长径比要远小于叶片类铸件；另外，耐热垫块承受压应力，而叶片承受拉应力，叶片失效形式一般是裂纹、断裂，耐热垫块失效形式是高度压损到一定程度（一般在5cm～6cm）即可报废，若采用定向凝固技术，只需保证该压损区域为柱状晶即可。由于现有定向凝固工艺基本都是为叶片类铸件优化设计，若直接用于耐热垫块生产，存在如下不足之处：获得的柱状晶区较短，金相组织也不够理想；用于换热的低熔点金属液含有害元素，不适合大规模工业生产；设备结构复杂，操作不便。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种用于轧钢加热炉耐热垫块的定向凝固装置，使其能够获得平行于主应力轴的足够长度的柱状晶，使耐热垫块在凝固方向上的力学性能得到提高；冷却熔融金属液时更加环保，可以获得更大的温度梯度；操作方便，利于进行大规模生产。

本实用新型的目的是这样实现的：一种用于轧钢加热炉耐热垫块的定向凝固装置，包括保温筒体，保温筒体的底壁设置有开口，开口内埋设有冷却底座，冷却底座与保温筒体底壁的上表面位于同一平面，冷却底座内部开设有气体通道，气体通道的两端分别设置有干冰入口以及与大气相连通的气体出口，干冰入口和气体出口均设置在冷却底座的下侧，干冰入口处对应设置有干冰喷射机，所述冷却底座上方设置有型壳，所述型壳包括位于上方的冒口腔体和位于下方的耐热垫块腔体，冒口腔体和耐热垫块腔体之间经直浇道相连，所述保温筒体的开口处设置有保温盖板，保温盖板上竖直贯穿设置有与浇口杯相匹配的安装孔，浇口杯的下开口位于保温筒体内部，浇口杯的上开口位于保温筒体外，浇口杯的下开口与冒口腔体相对应设置，所述保温筒体上设置有保温***。

本实用新型工作时，先将型壳预热至1000℃左右，再将型壳放在冷却底座上，盖好保温盖板，启动干冰喷射机，将干冰颗粒由干冰入口压入气体通道，于此同时，将熔炼好的金属熔液通过浇口杯倒入型壳，金属熔液进入型壳后，底部热量迅速传导至冷却底座，冷却底座气体通道中的干冰吸热，升华成二氧化碳气体，然后通过气体出口排出进行回收，进入干冰制粒机后重新变成干冰颗粒，形成循环冷却；待浇注过程完成，保持5min后取出铸型，破碎型壳并去除冒口后即可得到定向凝固成形的耐热垫块。与现有技术相比，本实用新型的有益效果在于：本装置制备的耐热垫块可以减少偏析、疏松，而且形成了取向平行于主应力轴的柱状晶，基本上消除了垂直应力轴的横向晶界，使耐热垫块凝固方向上的力学性能大幅提高，从而大幅提高使用寿命；干冰在常压下零下78℃时便融化升华成二氧化碳气体，能够迅速带走从型壳底部传递至冷却底座的热量，换热效率更高，因此在靠近固-液界面的金属熔液中能够获得更大的温度梯度，同时可以通过冷却底座射入干冰的流量多少来控制液-固界面沿液相方向的温度梯度，从而保证定向柱状晶的取向正确性，铸件的组织性能更为优异；本装置成本较低，有利于进行大规模的工业生产，生产效率更高，作为冷却介质的干冰最终升华成无毒、无味的二氧化碳气体，对铸件合金熔液及环境不产生危害。

作为本实用新型的进一步改进，所述保温***包括设置在保温筒体外周的感应加热线圈以及与保温筒体内壁相贴合的石墨加热套，感应加热线圈在保温筒体轴线方向的位置与冒口腔体相对应。先将感应加热线圈通电，使处于高频电磁场中的石墨加热套被感应加热，然后再将型壳放入保温筒体，金属熔液进入型壳的冒口腔体时，关闭感应加热线圈。

作为本实用新型的进一步改进，所述保温***包括包裹在冒口腔体外周的耐火纤维保温棉套，冒口腔体内的金属熔液上方覆盖有保温层，保温层为保温覆盖剂。该技术方案可以延长冒口腔体内金属熔液的凝固时间，从而保证耐热垫块铸件在凝固过程中，液-固界面沿液相的方向获得足够的温度梯度。

为了确保金属熔液散热过程中各方向温度梯度一致，所述保温筒体采用仿形加工，保温筒体内壁与型壳外壁的距离相等。

作为本实用新型的进一步改进，所述气体通道的横截面积沿气体流动方向逐渐增大。该技术方案使得气体的流动速度更快，加速了冷却循环的速度，干冰升华可吸走更多热量，换热效率更高，在靠近固-液界面的金属熔液中能够获得更大的温度梯度。

为了增大换热面积，进一步提高换热效果，所述气体通道至少设置有两条。

作为本实用新型的进一步改进，所述气体通道包括主通道，主通道的一端为干冰入口，主通道的另一端连接有两条分支通道，分支通道的端部为气体出口，分支通道为折弯形通道，两条分支通道对称分布在主通道的两侧。该技术方案使得气体流动的管路面积更大，换热效果更好。

为了便于倾倒熔融的金属溶液，所述浇口杯的上开口面积大于下开口面积。

附图说明

图1为本实用新型的一种实施例的结构示意图。

图2为图1的AA向剖视图。

图3为冷却底座的气体通道结构示意图。

图4为型壳的结构示意图。

图5为本实用新型的另一种实施例的结构示意图。

其中，1保温筒体，2冷却底座，3气体通道，3a主通道，3b分支通道，4干冰入口，5气体出口，6型壳，6a冒口腔体，6b耐热垫块腔体，6c直浇道，7保温盖板，8浇口杯，9感应加热线圈，10石墨加热套，11耐火纤维保温棉套。

具体实施方式

实施例1

如图1-4，为一种用于轧钢加热炉耐热垫块的定向凝固装置，包括保温筒体1，保温筒体1的底壁设置有开口，开口内埋设有冷却底座2，冷却底座2与保温筒体1底壁的上表面位于同一平面，冷却底座2内部开设有气体通道3，气体通道3的两端分别设置有干冰入口4以及与大气相连通的气体出口5，干冰入口4和气体出口5均设置在冷却底座2的下侧，干冰入口4处对应设置有干冰喷射机，冷却底座2上方设置有型壳6，型壳6包括位于上方的冒口腔体6a和位于下方的耐热垫块腔体6b，冒口腔体6a和耐热垫块腔体6b之间经直浇道6c相连，保温筒体1的开口处设置有保温盖板7，保温盖板7上竖直贯穿设置有与浇口杯8相匹配的安装孔，浇口杯8的下开口位于保温筒体1内部，浇口杯8的上开口位于保温筒体1外，浇口杯8的下开口与冒口腔体6a相对应设置，保温筒体1上设置有保温***。所述保温***包括设置在保温筒体1外周的感应加热线圈9以及与保温筒体1内壁相贴合的石墨加热套10，感应加热线圈9在保温筒体1轴线方向的位置与冒口腔体6a相对应。气体通道3的横截面积沿气体流动方向逐渐增大。气体通3道至少设置有两条。气体通道3包括主通道3a，主通道3a的一端为干冰入口4，主通道3a的另一端连接有两条分支通道3b，分支通道3b的端部为气体出口5，分支通道3b为折弯形通道，两条分支通道3b对称分布在主通道3a的两侧。浇口杯8的上开口面积大于下开口面积。

本装置工作时，先将感应加热线圈9通电，利用电磁感应原理、涡流现象和电流热效应，使处于高频电磁场中的石墨加热套10被感应加热至700℃～1000℃，将型壳6预热至1000℃左右，再将型壳6放在冷却底座2上，盖好保温盖板7，启动干冰喷射机，将干冰颗粒由干冰入口4压入气体通道3，于此同时，将熔炼好的金属熔液通过浇口杯8倒入型壳6，金属熔液进入冒口腔体6a部分时，关闭感应加热线圈9，金属熔液进入型壳6后，底部热量迅速传导至冷却底座2，冷却底座2气体通道3中的干冰吸热，升华成二氧化碳气体，然后通过气体出口5排出进行回收，进入干冰制粒机后重新变成干冰颗粒，形成循环冷却；待浇注过程完成，保持5min后取出铸型，破碎型壳6并去除冒口后即可得到定向凝固成形的耐热垫块。本装置的优点在于：本装置制备的耐热垫块可以减少偏析、疏松，而且形成了取向平行于主应力轴的柱状晶，基本上消除了垂直应力轴的横向晶界，使耐热垫块凝固方向上的力学性能大幅提高，从而大幅提高使用寿命；干冰在常压下零下78℃时便融化升华成二氧化碳气体，能够迅速带走从型壳6底部传递至冷却底座2的热量，换热效率更高，因此在靠近固-液界面的金属熔液中能够获得更大的温度梯度，同时可以通过冷却底座射入干冰的流量多少来控制液-固界面沿液相方向的温度梯度，从而保证定向柱状晶的取向正确性，铸件的组织性能更为优异；本装置成本较低，有利于进行大规模的工业生产，生产效率更高，作为冷却介质的干冰最终升华成无毒、无味的二氧化碳气体，对铸件合金熔液及环境不产生危害。

实施例2

如图5，与实施例1的不同之处在于，所述保温***包括包裹在冒口腔体6a外周的耐火纤维保温棉套11，冒口腔体6a内的金属熔液上方覆盖有保温层，保温层为保温覆盖剂。保温筒体1采用仿形加工，保温筒体1内壁与型壳6外壁的距离相等。

本装置工作时，先将预热至1000℃左右的型壳6放置在铜质冷却底座2上，型壳6冒口腔体6a部分包裹好耐火纤维保温棉套11，盖好保温盖板7，并启动干冰喷射机，将干冰颗粒由冷却底座2的干冰入口4压入，于此同时，将熔炼好的金属熔液通过浇口杯8倒入型壳6，金属熔液进入型壳6后，底部热量迅速传导至冷却底座2，冷却底座2气体通道3中的干冰吸热，升华成二氧化碳气体，然后通过气体出口5排出进行回收，进入干冰制粒机后重新变成干冰颗粒，形成循环冷却；待浇注过程完成，立刻往型壳6冒口腔体6a内金属熔液上方撒上保温覆盖剂，形成保温层，保持5min后取出铸型，破碎型壳并去除冒口后即可得到定向凝固成形的耐热垫块。本装置简化了设备结构，工艺能耗低，通过耐火纤维保温棉套11和保温层来延长冒口内金属熔液的凝固时间，从而保证耐热垫块铸件在凝固过程中液-固界面沿液相的方向获得足够的温度梯度。本装置能够在耐热垫块工作部分形成长度大于6cm，平行于主应力轴的柱状晶，满足耐热垫块的使用要求。

本实用新型并不局限于上述实施例，在本实用新型公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本实用新型的保护范围内。

Claims (8)

1.一种用于轧钢加热炉耐热垫块的定向凝固装置，其特征在于，包括保温筒体，保温筒体的底壁设置有开口，开口内埋设有冷却底座，冷却底座与保温筒体底壁的上表面位于同一平面，冷却底座内部开设有气体通道，气体通道的两端分别设置有干冰入口以及与大气相连通的气体出口，干冰入口和气体出口均设置在冷却底座的下侧，干冰入口处对应设置有干冰喷射机，所述冷却底座上方设置有型壳，所述型壳包括位于上方的冒口腔体和位于下方的耐热垫块腔体，冒口腔体和耐热垫块腔体之间经直浇道相连，所述保温筒体的开口处设置有保温盖板，保温盖板上竖直贯穿设置有与浇口杯相匹配的安装孔，浇口杯的下开口位于保温筒体内部，浇口杯的上开口位于保温筒体外，浇口杯的下开口与冒口腔体相对应设置，所述保温筒体上设置有保温***。

2.根据权利要求1所述的一种用于轧钢加热炉耐热垫块的定向凝固装置，其特征在于，所述保温***包括设置在保温筒体外周的感应加热线圈以及与保温筒体内壁相贴合的石墨加热套，感应加热线圈在保温筒体轴线方向的位置与冒口腔体相对应。

3.根据权利要求1所述的一种用于轧钢加热炉耐热垫块的定向凝固装置，其特征在于，所述保温***包括包裹在冒口腔体外周的耐火纤维保温棉套，冒口腔体内的金属熔液上方覆盖有保温层，保温层为保温覆盖剂。

4.根据权利要求3所述的一种用于轧钢加热炉耐热垫块的定向凝固装置，其特征在于，所述保温筒体采用仿形加工，保温筒体内壁与型壳外壁的距离相等。

5.根据权利要求1-4任意一项所述的一种用于轧钢加热炉耐热垫块的定向凝固装置，其特征在于，所述气体通道的横截面积沿气体流动方向逐渐增大。

6.根据权利要求1-4任意一项所述的一种用于轧钢加热炉耐热垫块的定向凝固装置，其特征在于，所述气体通道至少设置有两条。

7.根据权利要求6所述的一种用于轧钢加热炉耐热垫块的定向凝固装置，其特征在于，所述气体通道包括主通道，主通道的一端为干冰入口，主通道的另一端连接有两条分支通道，分支通道的端部为气体出口，分支通道为折弯形通道，两条分支通道对称分布在主通道的两侧。

8.根据权利要求1-4任意一项所述的一种用于轧钢加热炉耐热垫块的定向凝固装置，其特征在于，所述浇口杯的上开口面积大于下开口面积。