本发明属于定向凝固技术领域，特别涉及一种hrs法定向凝固过程中屏蔽磁场的结构。
背景技术：
定向凝固技术广泛应用于各种高科技领域，具有代表性的成就是制备发动机涡轮叶片。利用定向凝固技术可以消除横向晶界获得高质量的柱晶或单晶组织。目前，工业应用比较成熟的技术为hrs法定向凝固技术，该方法工艺简单、易于制备，能够获得较高的温度梯度，进而实现定向组织生长。目前，hrs法定向凝固装备通常采用双区感应石墨加热以及结晶器/水冷环结构进行冷却实现高的温度梯度，从而获得高质量的定向/单晶凝固组织。
定向凝固过程中通常采用双区感应加热以及hrs冷却方式实现晶粒的定向生长。其中，采用双区电磁感应石墨进行加热，利用涡流和磁滞损耗产生热量，加热速度快，过热度大，能够获得较高的温度梯度和较大的冷却速率。但是电磁感应加热容易导致保温结构存在磁场分布，进而导致熔体发生对流和搅拌作用，尤其在下区加热补温过程中存在较高的感应电流和磁场强度对枝晶和定向组织生长存在影响，难以获得稳定的定向凝固组织；同时电磁搅拌过大不利于固液界面平直化和单向散热，因此必须减小磁场对熔体的影响。传统的定向凝固设备不能充分屏蔽保温包内部的磁场，不利于热流单向性。
技术实现要素：
为了克服现有技术中存在的问题，提出一种hrs法定向凝固过程中屏蔽磁场的结构，消除固液界面处的磁场扰动，对传统定向凝固技术的结构和尺寸参数进行改进优化，采用双区电磁感应石墨进行加热，以及水冷环/结晶器结构进行冷却形成温度梯度，有效屏蔽磁场，从而获得高质量的柱晶/单晶组织。
本发明的技术方案是：
一种hrs法定向凝固过程中屏蔽磁场的结构，包括石墨发热体、保温层、隔热挡板、水冷环，其中，石墨发热体为筒状结构，包括石墨发热体本体和石墨上盖板，底部无底板；石墨发热体本体外周设置保温层；石墨发热体本体底部设置隔热挡板；隔热挡板下部设置水冷环；保温层外设置感应线圈；石墨发热体本体厚度40～50mm，石墨层与保温层厚度比为1:2～2.5。上述结构保证电磁感应促进石墨发热体高效加热，同时保证隔热层的有效厚度，降低感应电流和电磁感应强度，减弱磁场的影响。
进一步地，所述水冷环结构为高导铜材，电导率为57～58×106s/m。水冷铜环的电导率远高于石墨，保证高导铜材水冷效果以及对磁场的屏蔽作用。
进一步地，所述水冷环为宽直径复合结构，在金属板内嵌入两个常规水冷环结构，两个常规水冷环之间存在间隔，常规水冷环宽度30～35mm，内部通冷却水循环。水冷环可以带走感应线圈对系统产生的大量热量，减弱磁场影响。
进一步地，石墨发热体材质为热等静压高纯石墨、电导率为120000-125000s/m；电导率越大，导电性越好，磁场屏蔽效果越好。
进一步地，所述石墨上盖板厚度为20～30mm，上述结构可以有效约束感应磁场在加热石墨桶内，减小保温包底部以及固液界面的磁场。
进一步地，还包括短路环，位于保温层外，上、下感应线圈之间。在上下感应线圈中间形成双区感应加热，实现加热速度快、过热度大，同时可以减小上下感应线圈的磁场叠加，有效屏蔽磁场。
本发明的有益效果是：提供一种定向凝固过程中屏蔽磁场的结构，有效降低保温结构内的磁场，进而减小定向凝固过程中固液界面处的磁场扰动，减小熔体的对流和搅拌作用，有利于固液界面平直化和单向散热，获得高质量柱晶/单晶组织。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是磁场强度测量位置示意图。
图3是改进优化前后的结构对比图；(a)改进前；(b)改进后。
图4是有无石墨上盖板的结构对比图；(a)无石墨上盖板；(b)有石墨上盖板。
图5是石墨桶底部结构对比图；(a)无下挡板；(b)有下挡板；(c)下部为梯形石墨；(d)下部为环形石墨。
图6是水冷环结构对比图；(a)单个水冷环；(b)复合水冷环。
图7是短路环结构对比图；(a)无短路环；(b)有短路环。
图中：1石墨上盖板；2石墨发热体本体；3保温层；4隔热挡板；5水冷环；6短路环；7上感应线圈；8下感应线圈。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细阐述，但本发明的保护范围并只不限于所述内容。
功率固定为10kw，采用wt10c高斯计磁场测量设备进行测量，测量隔热挡板上的中心及边缘位置的磁场强度值，测量位置如图2所示。
实施例1，改进优化后的结构对磁场的影响，模型如图3所示。
如图3所示，改进前的结构中石墨发热体材质为普通石墨，石墨发热体没有上盖板，厚度为30mm，采用单一水冷环进行冷却；改进优化后，石墨发热体材质为热等静压高纯石墨，石墨发热体有上盖板结构设计，发热体壁厚度为40mm，采用宽直径复合水冷环结构进行冷却。
通过测量磁场强度值发现，改进结构前，隔热挡板边缘的磁场强度值为52.8mt，中心的磁场强度值为18.2mt；改进结构后，隔热挡板边缘的磁场强度值为20.8mt，中心的磁场强度值为5.4mt。对结构进行改进优化后，保温包内磁场强度值发生显著变化，磁场屏蔽效果提高。
实施例2，以实例1中改进前的结构参数为前提，考虑结构中石墨上盖板的影响，模型如图4所示。
通过测量磁场强度值发现，石墨发热体无上盖板时，隔热挡板边缘的磁场强度值为52.8mt，中心的磁场强度值为18.2mt；石墨发热体有上盖板时，边缘磁场强度值为23.6mt，中心磁场强度值为8.7mt。石墨上盖板结构对保温包内的磁场有较大影响。
实施例3，以实例1中改进前的结构参数为前提，考虑石墨发热体材质的影响。
通过测量磁场强度值发现，石墨发热体为普通石墨时，隔热挡板边缘的磁场强度值为26.7mt，中心的磁场强度值为15.4mt；石墨发热体材质为热等静压高纯石墨时，边缘磁场强度值为23.6mt，中心磁场强度值为8.7mt。
实施例4，以实例1中改进前的结构参数为前提，考虑结构中石墨桶底部结构设计的影响，模型如图5所示。
通过测量磁场强度值发现，当石墨桶底部设计下盖板时，隔热挡板边缘的磁场强度值为37.1mt，中心的磁场强度值为26.4mt；当石墨筒底部设计梯形石墨时，边缘磁场强度值为28.4mt，中心磁场强度值为13.5mt；当石墨筒底部设计环形石墨时，边缘磁场强度值为34.2mt，中心磁场强度值为14.6mt；当石墨筒底部没有结构设计时，边缘磁场强度值为23.6mt，中心磁场强度值为8.7mt。石墨筒底部设计对磁场强度值影响较大。
实施例5，以实例1中改进前的结构参数为前提，考虑结构中保温层厚度与石墨层厚度比的影响。
通过测量磁场强度值发现，当石墨发热体厚度为30mm时，隔热挡板边缘的磁场强度值为23.6mt，中心的磁场强度值为8.7mt；当石墨发热体厚度为40mm时，边缘磁场强度值为19.3mt，中心磁场强度值为3.8mt；当石墨发热体厚度为50mm时，边缘磁场强度值为21.3mt，中心磁场强度值为2.4mt；当石墨发热体厚度为60mm时，边缘磁场强度值为26.5mt，中心磁场强度值为7.2mt。因此当石墨发热体厚度为40～50mm，此时石墨层与隔热层厚度比为1:2～2.5，磁场强度值最小。
实施例6，以实例1中改进前的结构参数为前提，考虑结构中宽直径复合结构水冷环的影响，模型如图6所示。
通过测量磁场强度值发现，设置单个水冷环即水冷环宽度在30-35mm时，隔热挡板边缘的磁场强度值为23.6mt，中心的磁场强度值为8.7mt；设置复合水冷环结构时，边缘磁场强度值为20.8mt，中心磁场强度值为2.1mt。水冷环宽度增大，屏蔽磁场效果更好。
实施例7，以实例1中改进前的结构参数为前提，考虑短路环的影响，模型如图7所示。
通过测量磁场强度值发现，没有短路环结构时，隔热挡板边缘的磁场强度值为168.4mt，中心的磁场强度值为142.1mt；有短路环结构时，边缘磁场强度值为23.6mt，中心磁场强度值为8.7mt。短路环结构明显改变保温包内的磁场分布。
1.一种hrs法定向凝固过程中屏蔽磁场的结构，其特征在于，包括石墨发热体、保温层(3)、隔热挡板(4)、水冷环(5)，其中，石墨发热体(1)为筒状结构，包括石墨发热体本体(2)和石墨上盖板(1)，底部无底板；石墨发热体本体(2)外周设置保温层(3)；石墨发热体本体(2)底部设置隔热挡板(4)；隔热挡板(4)下部设置水冷环(5)；保温层(3)外设置感应线圈；石墨发热体本体(2)厚度40～50mm，石墨层与保温层厚度比为1:2～2.5。
2.根据权利要求1所述的hrs法定向凝固过程中屏蔽磁场的结构，其特征在于，所述水冷环(5)结构为高导铜材，电导率为57～58×106s/m。
3.根据权利要求1所述的hrs法定向凝固过程中屏蔽磁场的结构，其特征在于，所述水冷环(5)为宽直径复合结构，在金属板内嵌入两个常规水冷环结构，两个常规水冷环之间存在间隔，常规水冷环宽度30～35mm，内部通冷却水循环。
4.根据权利要求1所述的hrs法定向凝固过程中屏蔽磁场的结构，其特征在于，石墨发热体材质为热等静压高纯石墨、电导率为120000-125000s/m。
5.根据权利要求1所述的hrs法定向凝固过程中屏蔽磁场的结构，其特征在于，所述石墨上盖板(1)厚度为20～30mm。
6.根据权利要求1所述的hrs法定向凝固过程中屏蔽磁场的结构，其特征在于，还包括短路环(6)，位于保温层(3)外，上、下感应线圈之间。
技术总结