一种用于研究金属熔体凝固行为的水模拟装置
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。
中国实用新型专利“一种晶体生长水模拟装置(CN 202054919 U)”中介绍了一种氯化铵水溶液模拟金属熔体凝固的装置。该装置没有考虑单向凝固时侧壁和液面散热也会使氯化铵结晶析出，这些因素不但会干扰实验现象，严重的还会得出完全错误的结论。另外，因该装置采用的是底部水冷的降温结构设计，无法改变容器侧壁和液面的温度条件，只能作为粗略模拟熔体单向凝固的实验装置。
实用新型内容
为了弥补现有氯化铵水模拟装置的不足，本实用新型提供一种更接近于实际凝固、观测效果良好的研究金属熔体凝固行为的水模拟装置。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。该装置在不降低观测效果的同时，解决了目前物理模拟装置无法实现精确控温和绝热的难题。
为了达到上述目的，本实用新型采用的技术方案为：
一种用于研究金属熔体凝固行为的水模拟装置，该水模拟装置采用氯化铵水溶液5模拟金属熔体，包括结晶容器2、透明发热片1、控温仪器3、温度传感器4、在结晶容器2内配制的氯化铵水溶液5，氯化铵水溶液5的质量分数为25～40％。
所述的结晶容器2采用透明材料制作而成，结晶容器2内壁上布置温度传感器4用来监测结晶容器2内壁温度；所述的结晶容器2外壁上粘附透明发热片1，透明发热片1均通过电极与控温仪器3相连接；控温仪器3根据监测温度对氯化铵水溶液5进行温度控制。
在结晶容器2的各个壁面都可通过粘附透明发热片1、安装温度传感器4和控温仪器3实现壁面的恒温或缓慢降温(通过调整透明发热片1的温度，使壁面与自然冷却相比缓慢降温)，所需控温的壁面温度根据具体模拟的凝固条件确定，模拟多种条件下氯化铵水溶液5凝固过程中晶体形核生长过程。
根据需要，若所述的结晶容器2某一壁面需要加强冷却，在该壁面增设冷却回路6对其进行冷却，且该壁面不粘附透明发热片1。所述的冷却回路6包括气路或水路，水路中的冷却剂为常温水或液氮制冷的酒精。
上述一种用于研究金属熔体凝固行为的水模拟装置的使用方法，包括以下步骤：
第一步，室温下，在结晶容器2内配置质量分数为25～40％的氯化铵水溶液，此时，氯化铵未完全溶解。
第二步，通过透明发热片1对氯化铵水溶液进行升温至氯化铵完全溶解。所述的氯化铵水溶液升温溶解温度由氯化铵水溶液浓度确定，氯化铵水溶液升温温度范围为20～90℃。
第三步，根据研究需要，调节结晶容器2各壁面的温度，使氯化铵结晶。
所述的调节结晶容器各壁面的温度包括以下情况：通过调节各个透明发热片1的控温仪器3参数让结晶容器2各壁面缓慢降温，使氯化铵结晶；或通过冷却回路6对结晶容器2某一壁面进行加强冷却，使氯化铵快速结晶生长；或通过透明加热片1加热使结晶容器2某一壁面恒温，用于某壁面绝热条件下凝固行为的模拟。
第四步，透过透明加热片1和结晶容器2观察氯化铵晶体析出及凝固结构的形成。
本实用新型的效果和益处为：本实用新型可以任意调节各个壁面的温度条件，精准的控制氯化铵水溶液凝固过程中的各个方向的温度梯度，模拟多种条件下凝固过程中晶体形核生长过程，是一种实用方便、操作简单、模拟效果理想的研究装置。另外，本实用新型在不降低观测效果的同时，能够解决目前物理模拟装置无法实现精确控温和绝热的难题。
附图说明
图1是本实用新型用于研究金属熔体凝固行为的水模拟装置示意图。(该附图为示意简图，图中只在右侧壁示出控温仪器3和温度传感器4，其余壁面上的控温仪器3和温度传感器4未示出。)
图2是结晶容器一侧增加冷却回路的水模拟装置示意图。(该附图为示意简图，图中只在右侧壁示出控温仪器3和温度传感器4，其余壁面上的控温仪器3和温度传感器4未示出。)
图中：1透明发热片；2结晶容器；3控温仪器；4温度传感器；5氯化铵水溶液；6冷却回路。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本实用新型做进一步说明。
本实用新型适用于多种条件下金属熔体凝固过程中的晶体生长研究，其实施步骤如下：在透明的结晶容器2内配置一定浓度的氯化铵水溶液；结晶容器2外壁上粘附透明发热片1，通过透明发热片1对氯化铵水溶液进行升温至氯化铵完全溶解；结晶容器2内壁上布置温度传感器4用来监测结晶容器2内壁温度，根据研究需要，调节结晶容器2各壁面的温度，使氯化铵结晶，透过透明加热片1和结晶容器2观察氯化铵晶体及凝固结构的形成。
图1所示为多面温度可控的模拟装置，该模拟装置在结晶容器2的各个壁面都可通过粘附透明发热片1、安装温度传感器4和控温仪器3实现壁面的恒温或缓慢降温，所需控温的壁面根据具体模拟的凝固条件而定。本实用新型的多面温度可控的模拟装置包括透明材料制作而成的结晶容器2，结晶容器2内盛放有模拟金属熔体的一定浓度的氯化铵水溶液5，结晶容器2的内壁上安装温度传感器4用来监测结晶容器壁的温度，结晶容器2的表面粘附透明发热片1，透明发热片1通过电极与控温仪器3相连接，控温仪器3与温度传感器4用导线连接，根据温度传感器4所监测的温度通过调节控温仪器3对氯化铵水溶液5的温度进行控制。
图2所示为增加冷却回路的模拟装置，该模拟装置在模拟需要大温度梯度的条件时，某一壁面不粘附透明发热片1，而是增加气路或水路对该壁面进行冷却。本实用新型的增加冷却回路的模拟装置包括透明材料制作而成的结晶容器2，结晶容器2内盛放有模拟金属熔体的一定浓度的氯化铵水溶液5，结晶容器2在需要激冷的外壁面粘附冷却回路6，结晶容器2的内壁上安装了温度传感器4用来监测结晶容器壁的温度(增加冷却回路的壁面不安装)，结晶容器2的外壁面粘附了透明发热片1(增加冷却回路的壁面不安装)，透明发热片1通过电极与控温仪器3相连接，控温仪器3与温度传感器4用导线连接，根据温度传感器4所监测的温度通过调节控温仪器3对氯化铵水溶液5的温度进行控制。
以下通过四个具体的实例对本实用新型的技术方案和效果做进一步阐述。
实施例1，模拟大型铸锭的凝固过程
室温下，在结晶容器2内配置30％的氯化铵水溶液5，此时，氯化铵未完全溶解；通过透明发热片1对氯化铵水溶液5升温至60℃，使氯化铵完全溶解。全部壁面所有的透明发热片1切断电源不继续加热，整个结晶容器2缓冷，使氯化铵结晶析出，模拟大型铸锭在空冷时的凝固行为，透过透明的加热片1和结晶容器2观察氯化铵晶体及凝固结构的形成。
实施例2，模拟存在发热剂的情况下金属熔体的凝固过程
室温下，在结晶容器2内配置35％的氯化铵水溶液5，此时，氯化铵未完全溶解；通过透明发热片1对氯化铵水溶液5升温至80℃，使氯化铵完全溶解。上壁面透明发热片1保持为60℃，四个侧壁和底部的透明发热片1切断电源，使氯化铵结晶析出，模拟存在发热剂的情况下金属熔体凝固过程，透过透明加热片1和结晶容器2观察氯化铵晶体及凝固结构的形成。
实施例3，模拟大型铸锭柱状晶区的凝固过程
室温下，在结晶容器2内配置35％的氯化铵水溶液5，此时，氯化铵未完全溶解；通过透明发热片1对氯化铵水溶液5升温至80℃，使氯化铵完全溶解。在结晶容器2左侧壁面设置冷却回路6，水路中的冷却剂采用室温水；右侧壁面温度控制在80℃，从而在横向上产生一定的温度梯度，模拟大型铸锭柱状晶区的凝固过程。另外，除左右壁面外，其余壁面温度控制在60℃，抑制氯化铵在这些壁面的结晶。
实施例4，模拟“晶雨”形成过程
室温下，在结晶容器2内配置35％的氯化铵水溶液5，此时，氯化铵未完全溶解；通过透明发热片1对氯化铵水溶液5升温至80℃，使氯化铵完全溶解。通过透明加热片1控制四个侧面和底部温度为30℃，控制上壁面(液面)温度为60℃或上壁面自然冷却条件下，观测“晶雨”的产生。
以上所述实施例仅表达本实用新型的实施方式，但并不能因此而理解为对本实用新型专利的范围的限制，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本实用新型的保护范围。
