高梯度定向凝固炉结构设计
 
 定向凝固技术
定向凝固，是指在凝固过程中采用强制手段，在凝固金属和未凝固金属熔体中建立沿特定方向的温度梯度，利用合金凝固时晶粒沿热流相反方向生长的原理，控制热流方向，使铸件沿规定方向结晶的铸造技术。20世纪80年代初，大野笃美教授将连续铸造与定向凝固相结合，发明了OCC(Ohno Continuous Casting)法。OCC法固液界面前沿液相温度梯度较低;而且工艺过程难以控制，特别是对于下拉法，极易拉漏，因此，北京科技大学在其基础上开发了具有较高的温度梯度、工艺控制方便、适用于多种合金材料的连续定向凝固方法，并得到了很好的应用。而后又将真空设备与该工艺相结合，开发出一种熔炼、提纯、凝固一体，工艺简单，生产效率高，金属纯净度高的新型真空连续定向凝固方法。定向凝固能得到一些具有特殊取向的规则组织和优异性能的材料,便于准确测量组织形态和尺度特征,因而自它诞生以来得到了迅速的发展,已广泛地应用于半导体材料、磁性材料、定向单晶、涡轮叶片以及自生复合材料的生产。
在定向凝固技术中,获得高质量定向凝固组织的基本条件是保持凝固界面前沿具有较高温度梯度[21]。根据成分过冷理论分析，温度梯度和生长速度是影响定向凝固过程中晶粒形态选择的关键因素。因此,高的温度梯度是设计定向凝固设备的关键技术参数[23]。而设备在较高的温度梯度下进行较大调速范围运动时,要求运动的平稳性要高。此外,有些合金在高温下极易氧化、挥发,整个熔炼及定向凝固过程需要在真空状态下进行。而高的炉温>1 600℃的强烈热辐射还要求炉体必须具有水冷结构[35]。
从定向凝固技术的发展过程可以看出，获得高温度梯度和搅拌对流强度的基本原则可考虑如下几个方面。
(1)提高凝同界面前沿处熔体的温度以强化输入界面的热流，可有效提高界面前沿液相温度梯度。
(2)强化已凝固固相内的散热，提高固／液界面固相侧的温度梯度。
(3)改善高温加热区与冷却区间的隔热，用隔热性能较好的挡板保持两区间尽可能高的温度著，可有效地加大界面前沿的液相温度梯度。
(4)在固液界面前沿增加外力的搅拌。
根据上述原则，设计要求凝固设备满足以下几点要求及相应的工艺。
(1)改变被提纯熔体外部的环境。采用水冷的真空炉室，保证在真空下熔化保温，以减少熔体表面的氧化吸气。
(2)采用高精度拉伸装置。采用高精度拉伸装置，以获得平稳的牵引速度，促使柱状晶沿生长方向正常生长，保证平界面的稳定，减少不必要的晶界产生，提高捉纯的效率。
(3)增大温度梯度。加热方式采用双线圈双区感应加热，提高界面前沿熔体的温度；同时采用侧面环状及底部结合的强冷方式，在界面前沿产生稳定的大温度梯度，保证在一定生长速度下晶体以平界面方式生长，把杂质元素限度地排出到界面前沿。
(4)搅拌。在晶体生长的同时，利用电磁力对熔体进行充分搅拌，促使排出到界面前沿的杂质元素混合到熔体中[27]。