一种用于定向凝固的冷却方法及装置 【技术领域】
本发明涉及一种喷淋冷却装置，特别是一种用于定向凝固的冷却方法和装置。
背景技术
定向凝固是在控制铸件内部传热、传质和流动的条件下，金属(或晶体类材料)能够沿固定生长方向进行凝固或结晶的过程。定向凝固后金属的组织特征是与凝固热流方向平行的一组平行柱状晶，如果能够适当控制晶粒的生长过程，例如抑制外来生核，则晶体可以长成只有一个晶粒的结晶组织，称为单晶体。
生产过程中，固液界面前沿的温度梯度是关键，而温度梯度又直接受冷却速度的影响，它对铸坯表面，内部及中心裂纹等都有着重要影响，冷却技术的优劣直接决定着产品的性能。由于单晶的冷却速度慢，生产条件复杂，成本高，因此实际生产中多晶的情况居多，尤其是在获得平行柱状晶的情况下，更需要高的冷却速度，以尽快导出热量；此时常规的空冷或者水冷的办法是不能满足要求的。
常用的冷却方法有三种：功率降低法，高速凝固法和液态金属冷却法，由于液态金属和固液界面之间的换热系数较大，因此它能够有效提高铸件和凝固过程中的温度梯度，目前在定向凝固过程中已获得了广泛的应用。
【发明内容】
本发明的目的在于针对已有技术存在的缺陷，提供一种用于定向凝固的冷却方法及装置，以提高冷却效率，减少冷却液用量，降低成本。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种用于定向凝固的冷却方法，其特征在于使用液态金属作为冷却液，对模壳单独采用喷淋冷却法，或者喷淋冷却法和浸入冷却法同时进行。
上述冷却液喷淋在定向凝固保温炉的下沿，并包围模壳的外表面以反射保温炉传来的热辐射。
上述冷却液落下后又被抽出以循环利用，冷却液在循环中被冷却。
上述用于定向凝固的冷却方法，采用浸入式冷去，操作步骤如下：
对熔炼炉的加热线圈通电加热，将熔炼炉内的固态高温合金熔化；
将熔化后的高温合金注入保温炉内的模壳中；
浇铸结束后，模壳随抽拉机构向下移动，使模壳下部浸入储液器内的液态金属冷却液中，使模壳内部的温度梯度始终向上；
同时处在保温炉下沿包围模壳的环形喷头开始工作，将液态金属冷却液喷在模壳周围，由于液态金属冷却液喷雾呈环状分布，因此能有效隔绝加热区和冷却区之间的热辐射；
模壳不断向下移动，热量被下部和侧壁的液态金属冷却液吸收，而整体的温度梯度竖直向上，使熔融高温合金由下至上逐渐冷却、凝固成型。
上述的用于定向凝固的冷却方法，采用非浸入式冷却，具体操作步骤如下：
对熔炼炉的加热线圈通电加热，将熔炼炉内的固态高温合金熔化；
将熔化后的高温合金注入保温炉内的模壳中；
浇铸结束后，模壳随抽拉机构向下移动，逐渐移出保温炉进行冷却；
同时处在保温炉下沿包围模壳的环形喷头开始工作，将液态金属却液喷在模壳周围，由于液态金属冷却液喷雾呈环状分布，因此能有效隔绝加热区和冷却区之间的热辐射
模壳不断向下移动，热量被模壳侧壁的液态金属冷却液吸收，而整体温度梯度竖直向上，使熔融高温合金由下至上逐渐冷却、凝固成型。
一种用于定向凝固的冷却装置，应用于上述方法，包括带有加热线圈的熔炼炉、保温炉、模壳和储液器；其特征在于所述将保温炉的上盖上有浇注口，在该浇注口的上方设置所述带有加热线圈的熔炼炉，该熔炼炉下部的出液口正对准保温炉上盖上的浇注口，所述保温炉内腔能容置模壳其内腔中部有上隔热板将保温炉内腔分隔为上加热区和下加热区，上下加热区内设置点加热元件，保温炉下开口处设有下隔热板；在保温炉下沿设置环形喷头，所述环形喷头经一个冷却系统接通了泵的出口，该泵的进口接通所述储液器的下部，所述储液器置于保温炉的下方；一个抽拉机构承载所述模壳，构成浸入式冷却装置。
一种用于定向凝固的冷却装置，应用于上述方法，包括带有加热线圈的熔炼炉、保温炉、模壳和储液器，其特征在于所述将保温炉地上盖上有浇注口，在该浇注口的上方设置所述带有加热线圈的熔炼炉，该熔炼炉下部的出液口正对准保温炉上盖上的浇注口；所述保温炉内腔能容置模壳，其内腔中部有上隔热板将保温炉内腔分隔为上加热区和下加热区，上下加热区内设置电加热元件，保温炉下开口处设有下隔热板；在保温炉下沿设置环形喷头，所述环形喷头经一个冷却系统接通一个泵的出口，该泵的进口接通所述储液器；所述模壳安置在所述储液器上，储液器由一个抽拉机构承载，构成非浸入式冷却装置。
本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出特点和显著优点：
(1)固液界面前沿的温度梯度大；首先本方案采用的冷却液是低熔点液态金属；其在常温下为液态，沸点高，不易汽化；始终和冷却表面有很好的润湿效果，传热方式以对流换热为主，传热效率高；而且液态金属的密度往往大于水，故体积比热大，因此使用它作为冷却液，其冷却效率远高于水；而且本方案中冷却液不仅能对流导热，还能有效隔绝加热区对冷却区的辐射换热，使固液界面始终保持较大的温度梯度。
(2)特殊的喷淋系统；之前的喷头以针状或板状为主，在冷却圆柱型表面时，会导致冷却不均，本发明采用一种环状喷头，布置在冷却面周围，使其呈圆周状整体冷却，可以克服冷却不均的缺陷。
(3)常见定向凝固过程中，模壳的加热区和冷却区用隔热板隔开，以阻止热辐射，提高固液界面的温度梯度，但这样做的缺陷有二；其一，模壳的形状若不规则，隔热板很难真正隔绝两区的之间的热辐射，其二，熔融金属的温度极高，长时间处于这样的高温状态下，隔热板会失去隔热效果。这两个缺点都导致隔热板不能有效隔绝加热区和冷却区的热辐射，使固液界面前沿的温度梯度降低，冷却效果变差。
在本方案中，冷却液为液态金属其密度大且呈镜面分布，喷出时有很大的压力(通过泵调节)，因此冷却液能完全隔绝上下两区，有效地将加热区的热辐射反射回去，使下部冷却区不受影响，从而提高固液界面前沿的温度梯度。
(4)冷却液循环系统；它的优点有三；首先，可以在循环系统中方便地调节金属液的流量和压力，其次，通过循环系统将金属液引出让后降温，以提高它的冷却效率；第三，减少金属液的用量，降低成本。
【附图说明】
图1是本发明用于定向凝固的浸入式冷却装置结构示意图。
图2是本发明用于定向凝固的非浸入式冷却装置结构示意图。
具体实施方案
下面结合实施方案及附图对本发明进行说明，本发明的实施方案有两种。分为浸入式和非浸入式。
实施例一：参见图1和图2，本用于定向凝固的冷却方法，采用液态金属作为冷却液，对模壳单独采用喷淋冷却法，或者喷淋冷却法和浸入冷却法同时进行。
实施例二：如图1所示，本用于定向凝固的浸入式冷却装置包括带有加热加热线圈1的熔炼炉2、保温炉5、模壳9和储液器12，所述将保温炉5的上盖上有浇注口，在该浇注口的上方设置所述带有加热线圈1的熔炼炉2，该熔炼炉2下部的出液口正对准保温炉5上盖上的浇注口，所述保温炉5内腔能容置模壳9，其内腔中部有上隔热板8将保温炉5内腔分隔为上加热区6和下加热区，上下加热区内设置电加热元件，保温炉5下开口处设有下隔热板10；在保温炉5下沿设置环形喷头11，所述环形喷头11经一个冷却系统16接通了泵15的出口，该泵15的进口接通所述储液器12的下部，所述储液器12置于保温炉5的下方；一个抽拉机构4承载所述模壳9，构成浸入式冷却装置。
实施例三：参见图1，本用于定向凝固的浸入式冷却方法的工艺流程如下：熔炼炉2内的加热线圈1将固态高温合金3熔化，然后注入保温炉5内的模壳9中；浇注结束后，模壳9随抽拉装置4向下移动，并浸入下部的冷却液13中冷却，使模壳9内部的温度梯度始终向上；同时环形喷头11开始工作，将冷却液13喷在模壳周围，由于冷却液13呈环状分布，因此能够有效的隔绝加热区和冷却区之间的热辐射；模壳向下移动，热量被下部和侧壁的冷却液吸收，而整体的温度梯度竖直向上，使熔融高温合金7由下至上逐渐冷却、凝固成型。冷却液13在泵15的作用下循环，同时在循环中被冷却系统16降温冷却。以提高冷却效率。
实施例四：如图2所示，本用于定向凝固的冷却装置，包括带有加热线圈1的熔炼炉2、保温炉5、模壳9和储液器12，所述保温炉5的上盖上有浇注口，在该浇注口的上方设置所述带有加热线圈1的熔炼炉2，该熔炼炉2下部的出液口正对准保温炉5上盖上的浇注口；所述保温炉5内腔能容置模壳9，其内腔中部有上隔板8将保温炉5内腔分隔为上加热区6和下加热区，上下加热区内设置电加热元件，保温炉5下开口处设有下隔热板10；在保温炉5下沿设置环形喷头11，所述环形喷头11经一个冷却系统16接通一个泵15的出口，该泵15的进口接通所述储液器12；所述模壳9安置在所述储液器12上，储液器12由一个抽拉机构4承载，构成非浸入式冷却装置。
实施例五：参见图2，本用于定向凝固的非浸入式冷却方法的工艺流程如下：熔炼炉2内的加热线圈1将固态高温合金3熔化，然后注入保温炉5内的模壳9中；浇注结束后，模壳9随抽拉机构4缓慢移动出保温炉5进行冷却；同时环形喷头11开始工作，将金属冷却液13喷在模壳9侧壁并在重力作用下沿侧壁流动，带走热量。同样，金属冷却液13喷出时呈镜面分布，隔绝加热区和冷却区之间的热辐射；模壳9向下移动，热量主要被侧壁的冷却液13吸收，而整体的温度梯度竖直向上，使熔融高温合金逐渐冷却、凝固成型。冷却液13流下来后收集在模壳9下部的储液器12中，在泵的作用下循环，又通过冷却系统16降温冷却。以提高冷却效率。