权利要求
1.一种纯
铜定向凝固方法，其特征在于，包括以下步骤：
S10、初始准备：将锭模在温度300℃-400℃中保温12h-18h，对锭模进行预热;
S30、浇注：
S31：启动第一冷却水循环泵，使冷却水流经冷却底座内的循环流道，冷却所述冷却底座上的锭模;
S32：将铜水浇注至锭模内，启动加热线圈，所述加热线圈沿着锭模的高度方向设有多圈;
S40、浇注完成：将铜水在锭模中静置120min-180min，获得定向凝固的铜铸锭。
2.根据权利要求1所述的纯铜定向凝固方法，其特征在于，在步骤S20中包括S21、将电解铜放入
石墨坩埚中，升温至1100℃-1300℃，将电解铜全部熔化为铜水。
3.根据权利要求2所述的纯铜定向凝固方法，其特征在于，在步骤S21之后包括S22、向所述石墨坩埚中加入硼化钙，将石墨坩埚的温度提升至1350-1500℃保温，保温时间为15min-20min，对铜水进行脱氧及脱氢处理。
4.根据权利要求1所述的纯铜定向凝固方法，其特征在于，在步骤S32中还包括启动第二冷却水循环泵，冷却水通过冷却水管冷却锭模，所述冷却水管沿着锭模的高度方向并联设有多圈。
5.根据权利要求1所述的纯铜定向凝固方法，其特征在于，所述第一冷却水循环泵抽取的冷却水的流速为15m/s-23m/s。
6.根据权利要求4所述的纯铜定向凝固方法，其特征在于，所述第一冷却水循环泵和所述第二冷却水循环泵从冷却池中抽取冷却水，所述冷却池内冷却水的温度为5℃-10℃。
7.根据权利要求1所述的纯铜定向凝固方法，其特征在于，所述循环流道呈螺旋状，所述循环流道的侧壁设有进水口，所述循环流道的中心设有出水口。
8.根据权利要求1所述的纯铜定向凝固方法，其特征在于，所述加热线圈沿着是锭模的高度方向串联或并联设有多圈。
说明书
技术领域
[0001]本发明涉及冶金技术领域，具体涉及一种纯铜定向凝固方法。
背景技术
[0002]定向凝固是一种通过精确控制熔融金属或合金的凝固过程，使晶体沿特定方向生长的先进材料加工技术。该技术能够获得具有定向柱状晶或单晶结构的材料，显著提升材料的力学性能、热疲劳性能和抗蠕变性能等。定向凝固技术广泛应用于高温合金、
半导体材料、自生
复合材料等领域，尤其在航空航天发动机叶片制造中具有不可替代的关键作用。
[0003]在定向凝固过程中，材料在定向凝固装置中经历强制凝固。现有的装置通过隔热板将上部加热区和下部冷却区隔开，形成沿材料轴向的一维温度梯度。金属在上部加热区被逐渐熔化后，通过抽拉系统转移至下部冷却区进行强制冷却，从而实现单向排列的凝固组织。目前，工业领域应用的定向凝固工艺技术存在以下几个问题：
1)温度梯度不足：凝固界面稳定性差，易产生杂晶、等轴晶等缺陷;
2)冷却速率控制不精准：冷却速率不均匀导致局部过冷或过热，使相变不同步，从而形成晶粒尺寸、形态或相分布差异，造成组织不均匀;
3)冷却效率不高：随着固相增长，晶体潜热累积导致冷却介质效能降低，进而冷却速率和固液界面前沿温度梯度下降，影响凝固速率。
发明内容
[0004]本发明针对现有的技术问题，提供一种纯铜定向凝固方法。
[0005]本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种纯铜定向凝固方法，包括以下步骤：
S10、初始准备：将锭模在温度300℃-400℃中保温12h-18h，对锭模进行预热;
S20、熔炼：将电解铜真空熔化为铜水;
S30、浇注：
S31：启动第一冷却水循环泵，使冷却水流经冷却底座内的循环流道，冷却所述冷却底座上的锭模;
S32：将铜水浇注至锭模内，启动加热线圈，所述加热线圈沿着锭模的高度方向设有多圈;
S40、浇注完成：将铜水在锭模中静置120min-180min，获得定向凝固的铜铸锭。
[0006]在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进:
优选地，在步骤S20中包括S21、将电解铜放入石墨坩埚中，升温至1100℃-1300℃，将电解铜全部熔化为铜水。
[0007]优选地，在步骤S21之后包括S22、向所述石墨坩埚中加入硼化钙，将石墨坩埚的温度提升至1350-1500℃保温，保温时间为15min-20min，对铜水进行脱氧及脱氢处理。
[0008]优选地，在步骤S32中还包括启动第二冷却水循环泵，冷却水通过冷却水管冷却锭模，冷却水管沿着锭模的高度方向并联设有多圈。
[0009]优选地，所述第一冷却水循环泵抽取的冷却水的流速为15m/s-23m/s。
[0010]优选地，所述第一冷却水循环泵和所述第二冷却水循环泵从冷却池中抽取冷却水，所述冷却池内冷却水的温度为5℃-10℃。
[0011]优选地，所述循环流道呈螺旋状，所述循环流道的侧壁设有进水口，所述循环流道的中心设有出水口。
[0012]优选地，所述加热线圈沿着是锭模的高度方向串联或并联设有多圈。
[0013]本发明的有益效果是：
1)多区动态温控：通过设置多圈加热线圈进行独立加热并与冷却水管配合实现动态调节锭模的温度，实现锭模的温度呈梯度分布并抑制锭模的侧壁处铜液冷却过快的情况，保证铸锭定向凝固质量。
[0014]2)单向热流定向凝固：第一冷却水循环泵驱动冷却水在冷却底座循环流动，且冷却底座采用散热效果好的纯铜，实现对锭模的底部进行强制单向散热，形成稳定温度梯度，促进柱状晶生长以优化力学性能。
[0015]3)高效潜热消散设计：冷却池中采用低温冷却水，并与冷却底座的高流速流道配合，避免冷却底座内潜热累积，显著提升铜液的凝固速率。
[0016]4)低阻均匀散热结构：无阻碍的循环流道布局消除湍流与死区，确保散热均匀性并降低热应力。
[0017]5)螺旋抗变形冷却底座：冷却底座的螺旋状结构能够分散载荷与热应力，防止冷却底座发生局部变形，适配大重量铸锭的需求。
附图说明
[0018]图1为本发明采用的定向凝固设备的示意图;
图2为本发明采用的定向凝固设备的剖视示意图;
图3为本发明采用的定向凝固设备去除支撑套的示意图;
图4为本发明采用的定向凝固设备中循环流道的示意图。
[0019]附图标记记录如下：1、冷却池;11、支撑板;12、敞口;2、冷却底座;21、进水口;22、出水口;23、循环流道;3、第一冷却水循环泵;31、抽水管;32、排水管;4、料斗;41、浇铸口;5、支撑套;6、锭模;7、加热线圈;8、冷却水管;81、进水管;82、出水管;9、第二冷却水循环泵。
具体实施方式
[0020]为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
[0021]如图1至图4所示，本发明公开了一种纯铜定向凝固方法，采用纯铜定向凝固设备，其中纯铜定向凝固设备包括冷却池1、冷却底座2、第一冷却水循环泵3、料斗4、支撑套5、锭模6和第二冷却水循环泵9，冷却底座2、所述第一冷却水循环泵3和第二冷却水循环泵9安装在所述冷却池1的支撑板11，使整体结构更加紧凑，减少占用空间，锭模6安装在冷却底座2上，所述锭模6上设有料斗4，料斗4安装在支撑套5上，所述料斗4上设有浇铸口41，所述浇铸口41位于所述锭模6的开口的上方，方便向锭模6内浇注铜液，第一冷却水循环泵3的一端通过抽水管31与所述冷却池1连通，所述第一冷却水循环泵3的另一端通过排水管32与所述冷却底座2的进水口21连通，冷却底座2通过出水口22与冷却池1连通，实现冷却水的循环流动。
[0022]所述冷却底座2上设有螺旋状的循环流道23，所述进水口21设置在所述循环流道23的外侧壁上，所述出水口22设置在所述循环流道23的中心处，冷却水通过出水口22返回至冷却池1内。螺旋状结构使冷却水在循环流道23内无阻碍流动，避免出现湍流或死区，确保散热的均匀性，减少局部热应力，延长冷却底座2的使用寿命。且螺旋结构能够分散载荷与热应力，防止冷却底座2发生局部变形，并能够适配大重量铸锭的需求，提高适用范围。
[0023]所述锭模6的外侧设有多组并联的加热线圈7，每组加热线圈7上设有控制开关，多组所述加热线圈7沿着所述锭模6的高度方向间隔设置，方便分别控制每组加热线圈7的加热温度，从而调节锭模6外侧不同高度的温度，保证铜液从下向上定向凝固。
[0024]在本实施例中，加热线圈7设有三组，加热线圈7设置在加热管内，并缠绕在锭模6的外侧，通过多组加热线圈7实现动态调节锭模6的温度，保证锭模6外侧的温度呈梯度分布，进一步促进柱状晶生长，优化力学性能，同时能够抑制锭模6侧壁处的铸液冷却过快凝固的情况，保证铸液内外部均匀冷却。
[0025]进一步，锭模6的外侧设有多组并联的冷却水管8，多组所述冷却水管8沿着所述锭模6的高度方向间隔设置，锭模6的一侧设有竖向设置的进水管81和出水管82，多组所述冷却水管8分别与所述进水管81和出水管82连通，第二冷却水循环泵9将冷却池1内的水抽取至进水管81，冷却水通过进水管81分别进入多组冷却水管8内，实现对锭模6冷进行冷却，然后冷却水通过出水管82返回至冷却池1内，实现冷却水的循环流动，保证对锭模6外侧的温度进行精确控制。通过在不同的冷却水管8上设置相应的阀门，实现对锭模6不同高度处的温度进行单独控制，提高温度控制的精准性。
[0026]在本实施例中，冷却水管8设有三组，所述冷却水管8的数量、位置均与所述加热线圈7的数量、位置相对应。通过冷却水管8与加热线圈7的配合，能够更加精准的控制锭模6外侧的温度，实现锭模6外侧的温度呈梯度分布，优化铸件力学性能。
[0027]在其他可选的实施例中，加热线圈7串联设有多圈，冷却水管8并联设有多组，通过加热线圈7对锭模6进行加热，通过控制不同高度处冷却水管8中水的流速、流量，使锭模6外侧的温度呈梯度分布，也能实现铜液定向凝固的作用，降低控制的复杂性。
[0028]所述冷却底座2的材质为纯铜。纯铜具有高导热性，进一步加快锭模6的散热效果。铜材质的冷却底座2与第一冷却水循环泵3的冷却水配合，在锭模6上形成稳定温度梯度，促进铸件柱状晶生长以优化铸件力学性能。
[0029]冷却池1的上端支撑板11的两侧设有敞口12。冷却池1内的冷却水通过敞口12散热，降低冷却水的温度，提高定向凝固的效果，并方便通过敞口12观察冷却水的量，以便及时添加冷却水，保证足量的冷却水冷却锭模6。进一步，可通过敞口12向冷却池1中添加冰块，保证冷却池1内冷却液的温度维持在指定温度范围内，保证对锭模6的冷却效果，操作简单，成本低。
[0030]本发明的纯铜定向凝固方法包括以下步骤：
S10、初始准备：采用方圆A级电解铜，表面铜豆和铜锈清理干净，采用高纯石墨坩埚，清除坩埚内部残渣;真空炉内灰尘、夹杂清理干净，不得有油污和积水。
[0031]将锭模6刷好涂料如醇基涂料和锆英粉，并将锭模6在温度300℃-400℃中保温12h-18h，对锭模6进行预热，去除水分和挥发物，防止气体和杂质混入熔融铜中，确保铸锭质量。其中，铸锭是指将熔融状态的金属或合金倒入特定形状的模具中，冷却凝固后形成的具有一定形状和尺寸的块状金属物体。
[0032]工作时，石墨坩埚和锭模6均位于真空炉内，使其始终处于真空氛围内，有利于排除溶解在熔融铜中的气体如氢、氧等，从而减少或避免在铸件内部形成气孔等缺陷，提高铸锭质量。
[0033]S20、熔炼：将电解铜在真空氛围中熔化为铜水，其中，真空度为-0.1MPa;
S21、在真空炉的炉底覆盖足够的煅烧木炭，将电解铜放入石墨坩埚中，升温至1100℃-1300℃，将电解铜全部熔化为铜水;
S22、向所述石墨坩埚中加入硼化钙，将石墨坩埚的温度提升至1350-1500℃保温，保温时间为15min-20min，对铜水进行脱氧及脱氢处理。硼化钙能够有效地去除铜液中的氧，在高温下，硼与氧有很强的亲和力，能将溶解在铜液中的氧结合形成硼的氧化物，从而降低铜液中的氧含量，提高铜的质量。而真空环境下，溶解在金属熔体中的气体更容易逸出，从而减少了铸件中可能出现的气孔等缺陷，提高铸锭质量。
[0034]其中，熔化3t的铜液，添加100g-150g的硼化钙，保证脱氧效果。
[0035]S30、浇注：
S31：启动第一冷却水循环泵3，使冷却水流经冷却底座2内的循环流道23，冷却所述冷却底座2上的锭模6;所述第一冷却水循环泵3抽取的冷却水的流速为15m/s-23m/s，对冷却底座2及锭模6的底部进行冷却。通过冷却底座2上的循环流道23实现对锭模6底部强制单向散热，形成稳定温度梯度，促进柱状晶生长以优化力学性能。
[0036]S32：将铜水浇注至锭模6内，启动加热线圈7，所述加热线圈7沿着锭模6的高度方向并联设有多圈;通过多组加热线圈7实现动态调节锭模6的温度，保证锭模6外侧的温度呈梯度分布，进一步促进柱状晶生长，优化力学性能，同时能够抑制锭模6侧壁处的铸液冷却过快凝固的情况，保证铸液内外部均匀冷却。通过在锭模6上设置多圈加热线圈7，动态调节锭模6的温度，实现锭模6的温度呈梯度分布，实现定向顺序凝固，从而获取更好的力学性能、强度和韧性。
[0037]进一步，启动第二冷却水循环泵9，冷却水通过冷却水管8冷却锭模6，冷却水管8沿着锭模6的高度方向并联设有多圈。所述第一冷却水循环泵3和所述第二冷却水循环泵9从冷却池1中抽取冷却水，所述冷却池1内冷却水的温度为5℃-10℃。通过冷却水管8与加热线圈7的配合，能够更加精准的控制锭模6外侧的温度，实现锭模6外侧的温度呈梯度分布，优化铸件力学性能。通过在锭模6上设置并联的冷却水管8，对锭模6的温度起到辅助调节的作用，实现单独调节锭模6某一个高度处的温度，保证锭模6的温度呈梯度分布，保证铜液定向凝固的效果。同时通过在锭模6的外侧设置多圈加热线圈7和多圈冷却水管8能够抑制锭模6侧部冷却过快的情况，改善铸锭表面的质量，减少因冷却速率差异引起的表面粗糙度或其它表面缺陷，进一步提升铸锭质量。
[0038]S40、浇注完成：将铜水在锭模6中静置120min-180min，获得定向凝固的铜铸锭。铜液从底部向上缓慢凝固，有利于形成柱状晶结构，减少等轴晶区，从而提高材料的力学性能和导电性能
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
说明书附图(4)
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“纯铜定向凝固方法” 该技术专利(论文)所有权利归属于技术(论文)所有人。仅供学习研究，如用于商业用途，请联系该技术所有人。
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编辑：北方有色网
来源：烟台万隆真空冶金股份有限公司
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