定向凝固技术的研究进展
定向凝固过程中温度梯度和凝固速率这两个凝固参数能够独立变化，成为凝固理论研究的重要手段。
传统的定向凝固技术
炉外结晶法(发热铸型法EP法)
所谓的炉外结晶法就是将熔化好的金属液浇入一侧壁绝热，底部冷却，顶部覆盖发热剂的铸型中，在金属液和已凝固金属中建立起一个自上而下的温度梯度，使铸件自上而下进行凝固，实现单向凝固。这种方法由于所能获得的温度梯度不大，并且很难控制，致使凝固组织粗大，铸件性能差，因此，该法不适于大型、优质铸件的生产。但其工艺简单、成本低，可用于制造小批量零件。
炉内结晶法
炉内结晶法指凝固是在保温炉内完成，具体工艺方法有：
功率降低法（PD法）
将保温炉的加热器分成几组，保温炉是分段加热的。当熔融的金属液置于保温炉内后，在从底部对铸件冷却的同时，自下而上顺序关闭加热器，金属则自下而上逐渐凝固，从而在铸件中实现定向凝固。通过选择合适的加热器件，可以获得较大的冷却速度，但是在凝固过程中温度梯度是逐渐减小的，致使所能允许获得的柱状晶区较短，且组织也不够理想。加之设备相对复杂，且能耗大，限制了该方法的应用。
快速凝固法（HRS法）
为了改善功率降低法在加热器关闭后，冷却速度慢的缺点，在Bridgman 晶体生长技术的基础上发展成了一种新的定向凝固技术，即快速凝固法。该方法的特点是铸件以一定的速度从炉中移出或炉子移离铸件，采用空冷的方式，而且炉子保持加热状态。这种方法由于避免了炉膛的影响，且利用空气
冷却，因而获得了较高的温度梯度和冷却速度，所获得的柱状晶间距较长，组织细密挺直，且较均匀，使铸件的性能得以提高，在生产中有一定的应用。
液态金属冷却法（LMC法）
HRS法是由辐射换热来冷却的，所能获得的温度梯度和冷却速度都很有限。为了获得更高的温度梯度和生长速度。在HRS法的基础上，将抽拉出的铸件部分浸入具有高导热系数的高沸点、低熔点、热容量大的液态金属中，形成了一种新的定向凝固技术，即LMC法。这种方法提高了铸件的冷却速度和固液界面的温度梯度，而且在较大的生长速度范围内可使界面前沿的温度梯度保持稳定，结晶在相对稳态下进行，能得到比较长的单向柱晶。
常用的液态金属有Ga-In合金和Ga-In-Sn合金，以及Sn液，前二者熔点低，但价格昂贵，因此只适于在实验室条件下使用。Sn液熔点稍高(232℃)，但由于价格相对比较便宜，冷却效果也比较好，因而适于工业应用。该法已被美国、前苏联等国用于航空发动机叶片的生产。
传统定向凝固技术存在的问题
不论是炉外法，还是炉内法，也不论是功率降低法，还是快速凝固法，它们的主要缺点是冷却速度太慢，即使是液态金属冷却法，其冷却速度仍不够高，这样产生的一个弊端就是使得凝固组织有充分的时间长大、粗化，以致产生严重的枝晶偏析，限制了材料性能的提高。造成冷却速度慢的主要原因是凝固界面与液相中最高温度面距离太远，固液界面并不处于最佳位置，因此所获得的温度梯度不大，这样为了保证界面前液相中没有稳定的结晶核心的形成，所能允许的最大凝固速度就有限。
为了进一步细化材料的组织结构，减轻甚至消除元素的微观偏析，有效地提高材料的性能，就需提高凝固过程的冷却速率。在定向凝固技术中，冷却速率的提高，可以通过提高凝固过程中固液界面的温度梯度和生长速率来实现。因而如何采用新工艺、新方法去实现高温度梯度和大生长速率的定向凝固，是当今众多研究者追求的目标。
2 新型定向凝固技术
新型的定向凝固技术
区域熔化液态金属冷却法（ZMLMC法）
区域熔化液态金属冷却法将区域熔化与液态金属冷却相结合，利用感应加热集中对凝固界面前沿液相进行强制加热，使金属局部熔化过热，产生的熔化区很窄，从而将液固界面位置下压，同时使液相中的最高温度尽量靠近凝固界面，启动抽拉装置，不断地向下抽拉熔化的试样进入液态合金中冷却，从而有效地提高了固/液界面前沿的温度梯度。ZMLMC定向凝固装置最高温度梯度可达1300K/cm，最大冷却速度可达50K/s，凝固速率可在61000μm/s内调节。目前这方面的研究还都处于试验阶段，要进一步广泛应用，还有待于进一步的努力和改进。高温度梯度定向凝固技术在现代凝固理论特别是高性能材料制备中已经发挥了重要作用。
深过冷定向凝固（DUDS法）
过冷熔体中的定向凝固法是将盛有金属液的坩埚置于一激冷基座上，在金属液被动力学过冷的同时，金属液内建立起一个自下而上的温度梯度，冷却过程中温度最低的底部先形核，晶体自下而上生长，形成定向排列的树枝晶骨架，其间是残余的金属液。在随后的冷却过程中，这些金属液依靠向外界散热而在已有的枝晶骨架上凝固。该法大大降低了设备要求，热量散失快，铸件生产率高，铸件组织结构细小，微观成分偏析程度低，各种力学性能大幅提高。谢发勤等人采用深过冷定向凝固方法制备的Cu-Ni合金定向凝固样件，其一次枝晶间距比LMC法获得的组织还要细。目前，深过冷的研究还局限于纯金属或简单的二元合金，对复杂合金的深过冷的获得还存在着许多需要解决的问题。
电磁约束成形定向凝固技术（DSEMS）
电磁约束成形定向凝固技术是西北工业大学傅恒志等人将电磁约束成
形技术和高梯度定向技术相结合而提出的新型材料制备技术。该技术利用电磁感应加热熔化感应器内的金属材料，并利用在金属熔体表层部分产生的电磁压力来约束已熔化的金属熔体成形。[10]同时，冷却介质与铸件表面直接
接触，增强了铸件固相的冷却能力，在固-液界面附近熔体内产生很高的温度梯度，使凝固组织超细化，可显著提高逐渐的表面质量和内在综合性能。
电磁约束成形定向凝固技术为先进材料成形加工技术的发展开辟了一
个新的领域，对高熔点、易氧化及高活性特种合金的成形制备具有特别重要的意义。此技术目前还处于研究阶段。
激光超高温度梯度快速定向凝固（LRM）
杨森等人认为激光能量高度集中的特性，使它具备了在作为定向凝固热源时可能获得比现有定向凝固方法高得多的温度梯度的可能性。激光超高温度梯度快速定向凝固能够获得比常规定向凝固包括ZMLMC技术高得多的
温度梯度和凝固速率。利用激光表面熔凝技术实现超高温度梯度快速定向凝固的关键在于：在激光熔池内获得与激光扫描速度方向一致的温度梯度。根据合金凝固特性选择适当的激光工艺参数，以获得包晶组织。目前激光超高温度梯度快速定向凝固还处于探索性实验阶段。
定向凝固
定向凝固过程中温度梯度和凝固速率这两个凝固参数能够独立变化，成为凝固理论研究的重要手段。
定向凝固过程
多晶硅锭结构特征是柱状晶，即晶体生长沿垂直方向由下向上，通过定向凝固的结晶（Directional Solidification-Crystallization) 过程实现。
1、热场：即温度场，是温度分布随时间和空间的变化。实际为非稳态。
熔硅在凝固结晶过程中，通过控制结晶炉内热场，形成可控的单向热流(晶体生长方向与热流方向相反）。合适的温度场是多晶硅锭形成和获得优质大粒晶体的基本工艺条件。
2、固-液界面：结晶生长前沿，硅在熔点温度下发生熔化-凝固，熔化吸热，是过热过程，凝固放热，是过冷过程。在硅熔点（1422 o C）附近存在固-液界面区。
形状：凹、凸和平坦型。
重要性：关系到硅锭内晶粒尺寸、位错方向、杂质偏聚、热应力分布。
固-液界面的微观结构和移动过程决定了晶体的生长机制。
控制：通过改变结晶炉内部结构（发热器和绝热层的位置、形状）和工艺参数（供电功率、气流状态）就能改变温度场而控制固-液界面。
3、温度梯度：炉内等温线上任一点上的法线，是指向温度升高方向的矢量。
4、热流密度：正比于温度梯度但方向相反的矢量。
q = - k DT (热传导系数k 是温度、压力、晶向的函数
5、定向凝固：张晶要求液-固界面处的温度梯度大于0，横向则要求尽可能小的温度梯度；温度梯度和热流保持在垂直方向上；固-液界面保持平坦型，从而形成定向生长的柱状晶。
6、硅结晶的特点：与一般纯金属不同，硅的不同晶面自由能不相同，表面自由能最低的晶面会优先生长，特别是由于杂质的存在，晶面吸附杂质改变了表面自由能，所以多晶硅柱状晶生长方向基本垂直，但常伴有分枝晶。
7、结晶生长前沿的移动速度：取决于热场的变动。是综合控制晶体生长速度和质量的最重要工艺数据。降低液相温度梯度（较小）可提高晶体生长速度，提高固相温度梯度（较大）对提高晶体生长速度起绝对作用，但温度梯度过大，会使热应力过大，引起位错密度增加，造成内裂纹。
8、长晶过程：开始温度梯度大，快速凝固导致小晶粒和断续平行结构；
9、温度波：加热功率或冷却水温、流量的起伏变动，引起温度变动，以有限速率穿透熔硅向固-液界面传播。随传播深度增加而衰减，只有当波长较长、硅液有宏观对流条件下，会抵达固-液界面。
快速凝固中枝晶形态
界面形态体现了扩散动力学的不稳定作用与微观对流效应的稳定作用相互作用的平衡状态，枝晶尖端的稳定性也是由这两个因素耦合所决定的。尖端前沿溶质场和温度场的扩散梯度和扩散动力学的不稳定作用相关。
在低速枝晶生长中，尖端前沿扩散梯度随着生长速度的增大而增大，由于其枝晶生长速度较慢，其前沿的温度梯度较小，此时尖端可通过曲率半径的渐变来改变微观对流效应与之相平衡，以获得新的稳定；然而，快速凝固中，枝晶生长速度较快，其前沿的温度梯度足够大，此时尖端难以通过曲率的渐变来保持稳定，尖端前沿扰动将使其凹陷直到开裂。因而，尖端开裂是界面形态演化中的一种临界突变现象，是尖端不稳定性的表现。界面生长形态演化中还存在着侧向不稳定性，表现为低速胞晶侧向失稳和枝晶侧枝的发展，使一次枝晶间距增大；尖端不稳定性表现为尖端开裂，使一次间距减小，抑制了侧向不稳定性，
侧向分支萎缩和消失，最终形成无侧枝胞晶。在快速凝固中，固液界面前沿的温度梯度足够高，而其结晶的温度区间足够小，在其固液界面前沿形成的成分过冷区较窄，使得枝晶通过尖端开裂实现枝胞转变，胞晶通过尖端开裂细化，快速形成细胞晶。这说明快速凝固枝晶和胞晶的不稳定性表现在端部，而不在侧向。
连续定向凝固技术研究 安金敏 上海金属 2005年11月 27卷-6期
定向凝固技术原理与工艺
溶质分配
分凝现象与分凝系数
形成溶质富集区
成分过冷
由溶质再分配导致界面前方熔体成分及其凝固温度发生变化而引起的过冷 窄成分过冷的情况
成分过冷区逐渐加宽的情况
成分过冷区足够大时形成枝晶骨架的情况
成分过冷区进一步加宽，成分过冷的极大值大于熔体中非均匀形核所需过冷，从而在前方形成等轴晶的情况
凝固过程的工艺参数：
凝固过程中固-液界面前沿液相中的温度梯度G L ；
固-液界面向前推进速度，即晶体生长速度R ；
G L /R 值是控制晶体长大形态的重要判据；
凝固过程中的成分过冷或金属的性质（T 1-T 2）/D L
单向凝固技术的重要工艺参数包括：
凝固过程中固-液界面前沿液相中的温度梯度G L ；
固-液界面向前推进速度，即晶体生长速度R ；
G L /R 值是控制晶体长大形态的重要判据；
在提高G L 的条件下，增加R ，才能获得所要求的晶体形态，细化组织，改善质量，并且，提高定向凝固铸件生产率。
定向凝固技术和装置不断改进，其关键技术之一是提高固-液界面前沿液相中的温度梯度G L 。目前， G L 已经达到100-300℃/cm ，工业生产中已达到30-80℃/cm 。
（1）温度梯度G L
)()1(21000L L D T T k D k mC -≥-或
ρm -熔点附近熔体密度
λS 、λL -晶体与熔体的导热系数
G S 、G L -固相和液相的温度梯度
L-结晶潜热
R-凝固速率
（2）凝固速率R
ε - 辐射系数
σ - 斯蒂芬-玻尔兹曼系数
α = λS /ρs c p ，热扩散率
V ct - 铸件拉出的临界速率
3）单向凝固技术工艺
形成定向凝固的柱晶组织需要两个基本条件：热流向单一方向流动并垂直于生长中的固-液界面；晶体生长的前方的熔体中没有稳定的结晶核心。因此，工艺上必须避免侧向散热。 区熔法晶体生长
利用多晶锭分区熔化和结晶来生长单晶体的方法。将棒状多晶锭熔化一窄区,其余部分保持固态,然后使这一熔区沿锭的长度方向移动，使整个晶锭的其余部分依次熔化后又结晶。区熔法可用于制备单晶和提纯材料,还可得到均匀的杂质分布。这种技术可用于生产纯度很高的半导体、金属、合金、无机和有机化合物晶体（纯度可达10-6～10-9）。在头部放置一小块单晶即籽晶，并在籽晶和原料晶锭相连区域建立熔区，移动晶锭或加热器使熔区朝晶锭长度方向不断移动，使单晶不断长大。
L
m L S S L LR G G λρλλ-=R T T L r v m m ct ≈??
?
???-=21
404)(2ρσαε
区熔法晶体生长区域熔化法是按照分凝原理进行材料提纯的。杂质在熔体和熔体内已结晶的固体中的溶解度是不一样的。在结晶温度下,若一杂质在某材料熔体中的浓度为cL,结晶出来的固体中的浓度为cs，则称K=cL/cs为该杂质在此材料中的分凝系数。K的大小决定熔体中杂质被分凝到固体中去的效果。K＜1时，则开始结晶的头部样品纯度高，杂质被集中到尾部;K＞1时,则开始结晶的头部样品集中了杂质而尾部杂质量少。
为经过一次区熔后不同K值的杂质分布。区熔可多次进行，也可以同时建立几个熔区提纯材料。通常是在提纯的最后一次长成单晶。有时,区熔法仅用于提纯材料,称区熔提纯。区熔夷平是使熔区来回通过材料，从而得到杂质均匀分布的晶锭。区熔法生长晶体有水平区熔和垂直浮带压熔两种形式。
区熔法晶体生长
水平区熔法将原料放入一长舟之中，舟应采用不沾污熔体的材料制成，如石英、氧化镁、氧化铝、氧化铍、石墨等。舟的头部放籽晶。加热可以使用电阻炉，也可使用高频炉。用此法制备单晶时，设备简单，与提纯过程同时进行又可得到纯度很高和杂质分布十分均匀的晶体。但因与舟接触，难免有舟成分的沾污，且不易制得完整性高的大直径单晶。
垂直浮带区熔法用此法拉晶时，先从上、下两轴用夹具精确地垂直固定
棒状多晶锭。用电子轰击、高频感应或光学聚焦法将一段区域熔化，使液体靠表面张力支持而不坠落。移动样品或加热器使熔区移动（图3）。这种方法不用坩埚，能避免坩埚污染，因而可以制备很纯的单晶和熔点极高的材料（如熔点为3400℃的钨），也可采用此法进行区熔。大直径硅的区熔是靠内径比硅棒粗的“针眼型”感应线圈实现的。为了达到单晶的高度完整性，在接好籽晶后生长一段直径约为2～3毫米、长约10～20毫米的细颈单晶，以消除位错。此外,区熔硅的生长速度超过约5～6毫米/分时，还可以阻止所谓漩涡缺陷的生成(图4)。
晶体的区熔生长可以在惰性气体如氩气中进行，也可以在真空中进行。真空中区熔时，由于杂质的挥发而更有助于得到高纯度单晶。
区熔法晶体生长
物理提纯方法利用蒸发、凝固、结晶、扩散、电迁移等物理过程除去杂质的方法。物理方法多采用真空技术。一些稀有金属的吸气性很强，更需要在高真空和超高真空中（10-8~10-10托以上）进行纯化。提纯方法主要有：（1）区域熔炼区熔精炼及其定向凝固法是制取超高纯金属的主要方法之一，其特点是提纯精度高，在半导体领域产品纯度可高达6~9个“9”。一般金属中杂质分为两类：一类是使金属熔点降低的；另一类是使金属熔点升高的。根据分配定律知，在溶质浓度极小时，溶质在液固两相平衡浓度之比为常数，记为K0 。在液态金属凝固过程中，杂质将发生偏析，对于K0＜1的杂质而言，其在固相中的平衡浓度小于平衡液相的浓度，首先凝固的固相中杂质的含量最少，而大部分聚集在液相中，以至在最后凝固的固相中的含量最高；对K0＞1的杂质
则刚好相反。当一个狭窄的熔区沿一个金属料锭，由一端向另一端移动时，其中K0＜1的杂质，将随熔区前进的方向移动，而K0＞1的杂质，将随熔区前进的反方向移动，这样经过多次以后，金属中的两类杂质将分别集中在金属料锭的两端，而其余的部分就被纯化。加热方式有高频加热、等离子加热、电子束加热等。
（2）单晶法包括使用坩埚的提拉法和无坩埚悬浮区熔单晶法，前者适用于教低熔点的金属，后者可用于高熔点金属。
（3）真空蒸馏利用金属和杂质的饱和蒸汽压和挥发速度的差别在挥发或冷凝过程中除杂质的方法，以前主要用于熔点不太高的金属，如镁、钙、锌等的提纯，随着无坩埚蒸馏技术的应用，以扩展到较高熔点的金属如钴、镍、钒等的提纯。
（4）电迁移法利用金属和杂质在电场作用下往一定方向迁移或扩散的速度差别以分离杂质的方法，是深度提纯的方法，多用于钒、锆、铪，铌、钽的提纯
（5）电磁场提纯利用电磁场强化金属熔体的搅拌作用，获得均匀的结构缺陷分布和细化晶粒的方法。电磁场可以完全消去温度波动和杂质的层状分布。常用于化学活性强的金属和难熔金属的提纯。
提纯方法的综合运用欲获高纯度的金属，必须将湿法和火法、化学法和物理法相结合和合理运用，以制取探测器用超纯锗为例，一般先用化学法除磷、砷、铝、硅、硼等杂质，再用区熔法提纯得到电子级纯锗，最后多次拉单晶和切割才能达到13N的纯度要求。
为确保纯度，高纯金属生产高度重视来自环境、容器材料、人体等方面的污染，要求使用洁净或超净的环境、生产容器和设备。根据美国联邦标准209B 的洁净度标准，高纯物质的生产与测试厂房要求达到100，000级（工作台面最大污染的固体微粒为：≧0.5μm的粒子为100，000/ft3，≧5.0μm粒子为70/ft3 ，1/ft3 =28×10-3m2，下同）100000（≧0.5μm的粒子为10000/ft3 ，≧5.0μm粒子为65/ft3）100（≧0.5μm的粒子为100/ft3 ，≧5.0μm粒子为0）。
高纯金属检测高纯金属中衡痕元素的检测方法要求具有极高的灵敏度。衡痕元素的化学分析系指1g样品中含有微毫克级（10-6g/g）、毫微克级（10-9g/g）、微微克级（10-12g/g）杂质的确定。常用手段有质谱分析（采用电感耦合高频等离子质谱ICP—MS分析仪，金属中痕量杂质可达0.1ppb以下，分析灵敏度
0.01ppb）、中子活化分析（具有极高的灵敏度，如反应堆的中子通量为1013中子数/cm2．Ｓ时，可分析到10-9~10-10g范围）、光谱分析（使用最多的是化学光谱法）、X射线荧光光谱分析、气体分析等。此外，半导体材料中的电离杂质
浓度，通过霍尔系数测定，一些金属的纯度用剩余电阻率测定，微观结构用扫描电镜，超微量元素的微区分析和表面分析用电子探针分析。
区熔法晶体生长
利用多晶锭分区熔化和结晶来生长单晶体的方法。将棒状多晶锭熔化一窄区,其余部分保持固态,然后使这一熔区沿锭的长度方向移动，使整个晶锭的其余部分依次熔化后又结晶。区熔法可用于制备单晶和提纯材料,还可得到均匀的杂质分布。这种技术可用于生产纯度很高的半导体、金属、合金、无机和有机化合物晶体（纯度可达10-6～10-9）。在头部放置一小块单晶即籽晶，并在籽晶和原料晶锭相连区域建立熔区，移动晶锭或加热器使熔区朝晶锭长度方向不断移动，使单晶不断长大。
区熔法晶体生长
区域熔化法是按照分凝原理进行材料提纯的。杂质在熔体和熔体内已结晶的固体中的溶解度是不一样的。在结晶温度下,若一杂质在某材料熔体中的浓度为cL,结晶出来的固体中的浓度为cs，则称K=cL/cs为该杂质在此材料中的分凝系数。K的大小决定熔体中杂质被分凝到固体中去的效果。K＜1时，则开始结晶的头部样品纯度高，杂质被集中到尾部;K＞1时,则开始结晶的头部样品集中了杂质而尾部杂质量少。
为经过一次区熔后不同K值的杂质分布。区熔可多次进行，也可以同时建立几个熔区提纯材料。通常是在提纯的最后一次长成单晶。有时,区熔法仅用于提纯材料,称区熔提纯。区熔夷平是使熔区来回通过材料，从而得到杂质均匀分布的晶锭。区熔法生长晶体有水平区熔和垂直浮带压熔两种形式。
区熔法晶体生长
水平区熔法将原料放入一长舟之中，舟应采用不沾污熔体的材料制成，如石英、氧化镁、氧化铝、氧化铍、石墨等。舟的头部放籽晶。加热可以使用电阻炉，也可使用高频炉。用此法制备单晶时，设备简单，与提纯过程同时进行又可得到纯度很高和杂质分布十分均匀的晶体。但因与舟接触，难免有舟成分的沾污，且不易制得完整性高的大直径单晶。
垂直浮带区熔法用此法拉晶时，先从上、下两轴用夹具精确地垂直固定棒状多晶锭。用电子轰击、高频感应或光学聚焦法将一段区域熔化，使液体靠表面张力支持而不坠落。移动样品或加热器使熔区移动（图3）。这种方法不用坩埚，能避免坩埚污染，因而可以制备很纯的单晶和熔点极高的材料（如熔点为3400℃的钨），也可采用此法进行区熔。大直径硅的区熔是靠内径比硅棒粗的“针眼型”感应线圈实现的。为了达到单晶的高度完整性，在接好籽晶后生长一段直径约为2～3毫米、长约10～20毫米的细颈单晶，以消除位错。此外,区熔硅的生长速度超过约5～6毫米/分时，还可以阻止所谓漩涡缺陷的生成(图4)。
晶体的区熔生长可以在惰性气体如氩气中进行，也可以在真空中进行。真空中区熔时，由于杂质的挥发而更有助于得到高纯度单晶。
区熔法晶体生长
定向凝固技术原理与工艺
溶质分配
分凝现象与分凝系数
形成溶质富集区
成分过冷
由溶质再分配导致界面前方熔体成分及其凝固温度发生变化而引起的过冷 窄成分过冷的情况
成分过冷区逐渐加宽的情况
成分过冷区足够大时形成枝晶骨架的情况
成分过冷区进一步加宽，成分过冷的极大值大于熔体中非均匀形核所需过冷，从而在前方形成等轴晶的情况
凝固过程的工艺参数：
凝固过程中固-液界面前沿液相中的温度梯度G L ；
固-液界面向前推进速度，即晶体生长速度R ；
G L /R 值是控制晶体长大形态的重要判据；
凝固过程中的成分过冷或金属的性质（T 1-T 2）/D L
单向凝固技术的重要工艺参数包括：
凝固过程中固-液界面前沿液相中的温度梯度G L ；
固-液界面向前推进速度，即晶体生长速度R ；
G L /R 值是控制晶体长大形态的重要判据；
在提高G L 的条件下，增加R ，才能获得所要求的晶体形态，细化组织，改善质量，并且，提高定向凝固铸件生产率。
定向凝固技术和装置不断改进，其关键技术之一是提高固-液界面前沿液相中的温度梯度G L 。目前， G L 已经达到100-300℃/cm ，工业生产中已达到30-80℃/cm 。
（1）温度梯度G L
ρm -熔点附近熔体密度
)()1(21000L L D T T k D k mC -≥-或L
m L S S L LR G G λρλλ-=
λS 、λL -晶体与熔体的导热系数
G S 、G L -固相和液相的温度梯度
L-结晶潜热
R-凝固速率
（2）凝固速率R
ε - 辐射系数
σ - 斯蒂芬-玻尔兹曼系数
α = λS /ρs c p ，热扩散率
V ct - 铸件拉出的临界速率
3）单向凝固技术工艺
形成定向凝固的柱晶组织需要两个基本条件：热流向单一方向流动并垂直于生长中的固-液界面；晶体生长的前方的熔体中没有稳定的结晶核心。因此，工艺上必须避免侧向散热。
人们很早发现，将含有杂质的晶态物质熔化后再结晶时，杂质在晶体的固体和未结晶的液体中的浓度是不同的，这种现象叫分凝现象。区熔提纯就是利用分凝现象将物质局部熔化形成狭窄的熔区，并令其沿锭长从一端缓慢地移动到另一端，重复多次使杂质尽量集中在两头，从而使中部材料被提纯的技术。
分凝现象
一块含有杂质的材料，经熔化后再慢慢凝固，，则固体中各部分的杂质浓度不相同，原来杂质分布均匀的材料，经熔化及凝固后（如图，由左端向右端逐渐凝固），杂质分布不再均匀，有些地方杂质多，有些则少，便得到杂质分离的效果。
图1.由左端向右端逐渐凝固
分凝现象是二元系（或多元系）相平衡特性所产生的效果。二元系在固液两相平衡状态时，固液两相中组元的成分是不相等的；例如含有杂质的硅和锗中，平衡时固相的杂质浓度与液相的杂质浓度不同。 固相 液相 R T T L r v m m ct ≈??
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k 0<1 T T
T
k 0>1 k 0=1 ΔT ΔT x x
x 图3. 固、液相线位置与平衡分凝系数的关系
平衡分凝系数
为了定量地描述分凝现象，需分析二元系的二相平衡情况，应用相图工具。假设以无限慢的速度从熔体中凝固出固体，即固相与液相接近平衡状态时，固相中的杂质浓度CS ；液相中的杂质浓度为CL ，其比值为：
称作杂质对某一种半导体材料的平衡分凝系数。对某种材料来说，杂质不同k0值也不同，k0还与杂志的浓度有关，当杂质浓度较小时，值可视为常数。
根据相图知识，图2是组元A-B 形成连续固熔体的相图。A 的熔点比B 的熔点高 ，由图可知，当某一组分p 的材料由p`的熔体降温到T1时，将析出固体，其组分为Q 。在析出的固体q 中物质B 的含量要小于熔体p 中物质B 的含量。这就是分凝现象。溶质B 在材料A 中的平衡分凝系数就是AQ 与AP 的比值。
由于AB 体系的固相线和液相线并不是直线，
说以杂质B 浓度不同时其比值也不同。但是，当B
含量很小时，固相线和液相线皆可视为直线。此时 常数斜率）斜率）斜率）斜率）==??=L S L S T T k ((((0
图3示出体系的固液相线位置不同，平衡分凝系数的变化。由图看出，当杂质能引起材料凝固点降低时，k0<1；相反，当杂质能引起材料凝固点升高时，k0>1；当杂质加入对材料凝固点影响很小时，k0≈1。一般，Si 中绝大部分杂质k0<1，它们在材料凝固时被富集到最后凝固的锭尾；而k0>1的杂质会富集到最先凝固的锭首从而起到提纯作用。
有效分凝系数
L S
C C k =0图2.A-B 二元系相图 p` p L+S 液相线 液相线 固相线 固相线
实际上，结晶不可能在十分缓慢地平衡状态下进行。对k0<1的杂质，CS
为了描述界面处杂质浓度的偏离对固相中杂质浓度的影响，把固体杂质浓度CS 与熔体杂质浓度CL 定义为有效分凝系数
L S
eff C C k =。 当界面不移动或生长速率极其缓慢时，00,k k C C eff L L →→。当结晶有一定
速率时，0000,,L eff S L S eff C k C C k C k k =≠≠而则。
BPS
伯顿(Burton)、普里(Prim),斯利奇特(Slichtcr)讨论并推导出有效分凝系系数与平衡分凝系数的关系式称为BPS 关系式。在熔体中报据流体力学状态不同可分为两种不同的运动形式:在固液交界面附近的扩散层熔体中，液流运动比较平静，称为平流区。在此区城杂质运动的主要形式是扩散。杂质分布不均匀，存在着浓度梯度。而在扩散层外的熔体中，由于热对流的影响，液流运动非常剧烈，称为湍流区，杂质分布认为是均匀的。在此基础上讨论了扩散层中杂质运动伏况。 扩散层中杂质的一维连续方程为t C x C v x
C D ??=??-??22(1-1) 图4. 晶体凝结过程固液界面附近的杂质浓度(a)平衡态；(b)k 0<1杂质浓度分布；(c)k 0<1杂质浓度分布
式中，C 为杂质浓度.它是x 和t 的函数；x 为动坐标，坐标原点在固液界面上；D 为杂质在熔体中的扩散系数；v 为熔体在动坐标中的流速；t 为时间。式中第一项表示由于杂质在熔体中扩散引起的单位时间内杂质的改变量。第二项表示由于在动坐标中熔体流动引起的单位时间内杂质的改变量。故在单位时间内杂质浓度的总改变量等于两者之和。当扩散层中形成稳定的杂质浓度梯度时，0=??t C (1-2)
又因为v 是熔体在动坐标中的流速，是相对固液界面而言，如果将固液界面推进速度写为f ，则熔体向界面移动速度v 与界面移动速度f 两者数值相等.方向相反，即
v=-f (1-3)
利用上述关系.并将式(1-1)写成全微分形式 022=+dx dC f dx C d D (1-4)
解方程(1-4)式得 D
fx Ae dx dC -= (1-5)
利用边界条件:在x=0处，流向界面的杂质流密度为fCL 等于离开界面的杂质流密度 L s fC dx dC D fC =-+)( (1-6) 即 )(|0L s x C C D f dx dC -== (1-7)
将(1-7)式代人(1-5)式中得 )(L S C C D f A -= (1-8)
则(1-5)式成为
D
fx L S e C C D f dx dC --=)( (1-9) 积分后得
C e C C C
D fx
S L '+-=-)( (1-10)
利用x=O,C=CL 代人(1-10)式中得S C C =',则 S D fx
S L C e C C C +-=-)( (1-11)
(1-11)式在δ< 000)1(k e k k k D f eff +-=-δ (1-13) (1-13)式即为BPS 公式.该式给出了平衡分凝系数k0与有效分凝系数keff 的关系。 当f 远大于δD 时，f δD +∞→,1,0)exp(→→=eff k D f δ,即固液中杂质浓 度差不多，分凝效果不明显。 当当f 远小于δD 时，f δD 0→,0,1)exp(→→=eff k D f δ,分凝效果明显。 物理提纯方法 利用蒸发、凝固、结晶、扩散、电迁移等物理过程除去杂质的方法。物理方法多采用真空技术。一些稀有金属的吸气性很强，更需要在高真空和超高真空中（10-8~10-10托以上）进行纯化。提纯方法主要有： （1）区域熔炼 区熔精炼及其定向凝固法是制取超高纯金属的主要方法之一，其特点是提纯精度高，在半导体领域产品纯度可高达6~9个“9”。一般金属中杂质分为两类：一类是使金属熔点降低的；另一类是使金属熔点升高的。根据分配定律知，在溶质浓度极小时，溶质在液固两相平衡浓度之比为常数，记为K0 。在液态金属凝固过程中，杂质将发生偏析，对于K0＜1的杂质而言，其在固相中的平衡浓度小于平衡液相的浓度，首先凝固的固相中杂质的含量最少，而大部分聚集在液相中，以至在最后凝固的固相中的含量最高；对K0＞1的杂质则刚好相反。当一个狭窄的熔区沿一个金属料锭，由一端向另一端移动时，其中K0＜1的杂质，将随熔区前进的方向移动，而K0＞1的杂质，将随熔区前进的反方向移动，这样经过多次以后，金属中的两类杂质将分别集中在金属料锭的两端，而其余的部分就被纯化。 加热方式有高频加热、等离子加热、电子束加热等。 （2） 单晶法 包括使用坩埚的提拉法和无坩埚悬浮区熔单晶法，前者适用于教低熔点的金属，后者可用于高熔点金属。 （3）真空蒸馏 利用金属和杂质的饱和蒸汽压和挥发速度的差别在挥发或冷凝过程中除杂质的方法，以前主要用于熔点不太高的金属，如镁、钙、锌等的提纯，随着无坩埚蒸馏技术的应用，以扩展到较高熔点的金属如钴、镍、钒等的提纯。 （4）电迁移法 利用金属和杂质在电场作用下往一定方向迁移或扩散的速度差别以分离杂质的方法，是深度提纯的方法，多用于钒、锆、铪，铌、钽的提纯 （5）电磁场提纯 利用电磁场强化金属熔体的搅拌作用，获得均匀的结构缺陷分布和细化晶粒的方法。电磁场可以完全消去温度波动和杂质的层状分布。常用于化学活性强的金属和难熔金属的提纯。 提纯方法的综合运用欲获高纯度的金属，必须将湿法和火法、化学法和物理法相结合和合理运用，以制取探测器用超纯锗为例，一般先用化学法除磷、砷、铝、硅、硼等杂质，再用区熔法提纯得到电子级纯锗，最后多次拉单晶和切割才能达到13N的纯度要求。 为确保纯度，高纯金属生产高度重视来自环境、容器材料、人体等方面的污染，要求使用洁净或超净的环境、生产容器和设备。根据美国联邦标准209B 的洁净度标准，高纯物质的生产与测试厂房要求达到100，000级（工作台面最大污染的固体微粒为：≧0.5μm的粒子为100，000/ft3，≧5.0μm粒子为70/ft3 ，1/ft3 =28×10-3m2，下同）100000（≧0.5μm的粒子为10000/ft3 ，≧5.0μm粒子为65/ft3）100（≧0.5μm的粒子为100/ft3 ，≧5.0μm粒子为0）。 高纯金属检测高纯金属中衡痕元素的检测方法要求具有极高的灵敏度。衡痕元素的化学分析系指1g样品中含有微毫克级（10-6g/g）、毫微克级（10-9g/g）、微微克级（10-12g/g）杂质的确定。常用手段有质谱分析（采用电感耦合高频等离子质谱ICP—MS分析仪，金属中痕量杂质可达0.1ppb以下，分析灵敏度 0.01ppb）、中子活化分析（具有极高的灵敏度，如反应堆的中子通量为1013中子数/cm2．Ｓ时，可分析到10-9~10-10g范围）、光谱分析（使用最多的是化学光谱法）、X射线荧光光谱分析、气体分析等。此外，半导体材料中的电离杂质浓度，通过霍尔系数测定，一些金属的纯度用剩余电阻率测定，微观结构用扫描电镜，超微量元素的微区分析和表面分析用电子探针分析。 毕业设计综合文档设计题目基于物联网的室内定位系统学生姓名xxx 指导教师xxx 班级13级物联网班 学号 1333xxxxxxx 完成日期：2017 年 04 月 目录 第一章绪论----------------------------------- 错误!未指定书签。 1引言---------------------------------------------------- 1 1.1编写目的------------------------------------------ 1 1.2背景---------------------------------------------- 1 1.3定义---------------------------------------------- 2 2 Zigbee系统简介----------------------------------------- 2 2.1 Zigbee系统基本组成------------------------------- 2 2.2 Zigbee系统基本原理------------------------------- 4 2.3 Zigbee系统工作频率与相关协议--------------------- 5 3国内外研究现状------------------------------------------ 6 3.1 Zigbee的研究发展现状----------------------------- 6 3.2 室内定位的研究发展现状---------------------------- 7 3.3研究概况以及趋势-----------------------------------------------------------------------------8 4论文的选题意义和主要研究内容-------------------------------------------------------------------8 5其他系统的比较----------------------------------------------------------------------------------------9 1. 快速凝固 快速凝固技术的发展，把液态成型加工推进到远离平衡的状态，极大地推动了非晶、细晶、微晶等非平衡新材料的发展。传统的快速凝固追求高的冷却速度而限于低维材料的制备，非晶丝材、箔材的制备。近年来快速凝固技术主要在两个方面得到发展：①利用喷射成型、超高压、深过冷，结合适当的成分设计，发展体材料直接成型的快速凝固技术；②在近快速凝固条件下，制备具有特殊取向和组织结构的新材料。目前快速凝固技术被广泛地用于非晶或超细组织的线材、带材和体材料的制备与成型。 2. 半固态成型 半固态成型是利用凝固组织控制的技术.20世纪70年代初期，美国麻省理工学院的Flemings 教授等首先提出了半固态加工技术，打破了传统的枝晶凝固式，开辟了强制均匀凝固的先河。半固态成型包括半固态流变成型和半固态触变成形两类：前者是将制备的半固态浆料直接成型，如压铸成型（称为半固态流变压铸）；后者是对制备好的半固态坯料进行重新加热，使其达到半熔融状态，然后进行成型，如挤压成型（称为半固态触变挤压） 3. 无模成型 为了解决复杂形状或深壳件产品冲压、拉深成型设备规模大、模具成本高、生产工艺复杂、灵活度低等缺点，满足社会发展对产品多样性（多品种、小规模）的需求，20世纪80年代以来，柔性加工技术的开发受到工业发达国家的重视。典型的无模成型技术有增量成型、无摸拉拔、无模多点成型、激光冲击成型等。 4.超塑性成型技术 超塑性成型加工技术具有成型压力低、产品尺寸与形状精度高等特点，近年来发展方向主要包括两个方面：一是大型结构件、复杂结构件、精密薄壁件的超塑性成型，如铝合金汽车覆盖件、大型球罐结构、飞机舱门，与盥洗盆等；二是难加工材料的精确成形加工，如钛合金、镁合金、高温合金结构件的成形加工等。 5. 金属粉末材料成型加工 粉末材料的成型加工是一种典型的近终形、短流程制备加工技术，可以实现材料设计、制备预成型一体化；可自由组装材料结构从而精确调控材料性能；既可用于制备陶瓷、金属材料，也可制备各种复合材料。它是近20年来材料先进制备与成型加工技术的热点与主要发展方向之一。自1990年以来，世界粉末冶金年销售量增加了近2倍。2003年北美铁基粉末。相关的模具、工艺设备和最终零件产品的销售额已达到91亿美元，其中粉末冶金零件的销售为64亿美元。美国企业生产的粉末冶金产品占全球市场的一半以上。可以预见，在较长一段时间内，粉末冶金工业仍将保持较高的增长速率。粉末材料成型加工技术的研究重点包括粉末注射成型胶态成型、温压成型及微波、等离子辅助低温强化烧结等。 6. 陶瓷胶态成型 20世纪80年代中期，为了避免在注射成型工艺中使用大量的有机体所造成的脱脂排胶困难以及引发环境问题，传统的注浆成型因其几乎不需要添加有机物、工艺成本低、易于操作制等特点而再度受到重视，但由于其胚体密度低、强度差等原因，他并不适合制备高性能的陶瓷材料。进入90年代之后，围绕着提高陶瓷胚体均匀性和解决陶瓷材料可靠性的问题，开发了多种原位凝固成型工艺，凝胶注模成型工艺、温度诱导絮凝成形、胶态振动注模成形、直接凝固注模成形等相继出现，受到严重重视。原位凝固成形工艺被认为是提高胚体的均匀性，进而提高陶瓷材料可靠性的唯一途径，得到了迅速的发展，已逐步获得实际应用。 7. 激光快速成型 激光快速成形技术，是20实际90年代中期由现代材料技术、激光技术和快速原型制造术相结合的近终形快速制备新技术。采用该技术的成形件完全致密且具有细小均匀的内部组 浅析全球卫星导航定位技术原理及应用 一、前言 导航定位的需求,可以说不是历来就有的,在人类早期物质生产活动中以牧猎为主,日出而作,日落而息。当时人们离不开森林和水草,或是随着水草的兴衰而漂泊不定,根本不需要什么明确的定位。但是,随设社会的发展,到了农业时代,在人们开发农田,兴修水利等相应活动中就逐渐产生了测绘定位的需求,可以说在这时,导航定位就在慢慢酝酿之中。等到了工业时代,人类的活动遍及全球,而一些工程比如航海、航空、洲际交通工程,通信工程,矿产资源勘探工程,地球生态及环境变迁的研究,就需要精确地定位。这些需求促使导航定位技术的发展,并把这项技术带到一个前所未有的发展时期,它的手段也从光学机械过渡到光电子精密机械仪器的时代。社会是不断发展的,科技是不断进步的,20世纪末,出现了电子计算器技术、半导体技术、激光技术、航天科学技术,它们的出现,把人类带到了电子信息时代和航天探索时代。当1957年前苏联发射了人类第一颗人造地球卫星,人类跟踪无线电信号中发现了卫星无线电信号的多普勒频移现象,这预示着一种全新的天空定位技术的可行性,由此,人类进入了卫星定位和导航的时代。 二、简介 1:全球卫星导航定位系统(global navigation and positioning satellite system采用极轨道星座和无源定位方式为美国提供全球覆盖的导航及定位系统。简称GPS。其轨道高度约为2×104 km,在6条轨道上运行有24颗卫星,每12 h绕地球一周,能保证地球上任何地点的用户都能至少同时看到4颗卫星。它属于非静止卫星定位系统。移动用户利用导航定位接收机来接收4颗(或4颗以上卫星的导航定位信号,并测量不同信号的到达时间,求出移动用户的三维空间坐标,自动给出经度和纬度显示,从而实现用户的自主定位。也可通过无线传输手段将用户定位信息传送到调度中心,实现对移动用户的调度控制。 GPS向用户广播的导航信号为双频,分别为1 575.42MHz 和1 226.60MHz。采用多种直接序列扩频码的码分多址和伪码测距技术。直接序列扩频码主要有P码 定向凝固技术的研究进展 材料的使用性能是由其组织形态来决定的。因此．包括成分调整在内，人们通过控制材料的制备过程以获得理想的组织从而使材料具有所希望的使用性能，控制凝固过程已成为提高传统材料的性能和开发新材料的重要途径。定向凝固技术由于能得到一些具有特殊取向的组织和优异性能的材料，因而自它诞生以来得到了迅速的发展[1] ，目前已广泛地应用于半导体材料、磁性材料以及自身复合材料的生产[2-3] 。同时，由于定向凝固技术的出现，也为凝固理论的研究和发展提供了实验基础(由于理论处理过程的简单化)，因为在定向凝固过程中温度梯度和凝固速率这两个重要的凝固参数能够独立变化，从而可以分别研究它们对凝固过程的影响。此外，定向凝固组织非常规则，便于准确测量其形态和尺度特征。 本文评述了定向凝固技术的发展过程及其在材料的研究和制备过程中的应用，指出了传统定向凝固技术存在的问题和不足，并介绍了在此基础上新近发展起采的新型定向凝固技术及其应用前景。 1 传统的定向凝固技术 1.1 炉外结晶法(发热铸型法) [4] 所谓的炉外结晶法就是将熔化好的金属液浇入一侧壁绝热，底部冷却，顶部覆盖发热剂的铸型中，在金属液和已凝固金属中建立起一个自上而下的温度梯度，使铸件自上而下进行凝固，实现单向凝固。这种方法由于所能获得的温度梯度不大，并且很难控制，致使凝固组织粗大，铸件性能差，因此，该法不适于大型、优质铸件的生产。但其工艺简单、成本低，可用于制造小批量零件。 1.2 炉内结晶法 炉内结晶法指凝固是在保温炉内完成，具体工艺方法有： 1.2.1 功率降低法(PD法) [5] 将保温炉的加热器分成几组，保温炉是分段加热的。当熔融的金属液置于保温炉内后，在从底部对铸件冷却的同时，自下而上顺序关闭加热器，金属则自下而上逐渐凝固，从而在铸件中实现定向凝固。通过选择合适的加热器件，可以获得较大的冷却速度，但是在凝固过程中温度梯度是逐渐减小的，致使所能允许获得的柱状晶区较短，且组织也不够理想。加之设备相对复杂，且能耗大，限制了该方法的应用。 1.2.2 快速凝固法(HRS) [6] 为了改善功率降低法在加热器关闭后，冷却速度慢的缺点，在Bridgman晶体生长技术的基础上发展成了一种新的定向凝固技术，即快速凝固法。该方法的特点是铸件以一定的速度从炉中移出或炉子移离铸件，采用空冷的方式，而且炉子保持加热状态。这种方法由于避免了炉膛的影响，且利用空气冷却，因而获得了较高的温度梯度和冷却速度，所获得的柱状晶间距较长，组织细密挺直，且较均匀，使铸件的性能得以提高，在生产中有一定的应用。 1.2.3 液态金属冷却法(LMC法) [7] HRS法是由辐射换热来冷却的，所能获得的温度梯度和冷却速度都很有限。为了获得更高的温度梯度和生长速度。在HRS法的基础上，将抽拉出的铸件部分浸入具有高导热系数的高沸点、低熔点、热容量大的液态金属中，形成了一种新的定向凝固技术，即LMC法。这种方法提高了铸件的冷却速度和固液界面的温度梯度，而且在较大的生长速度范围内可使界面前沿的温度梯度保持稳定，结晶在相对稳态下进行，能得到比较长的单向柱晶。 常用的液态金属有Ga—In合金和Ga—In—Sn合金，以及Sn液，前二者熔点低，但价格昂贵，因此只适于在实验室条件下使用。Sn液熔点稍高(232℃)，但由于价格相对比较便宜，冷却效果也比较好，因而适于工业应用。该法已被美国、前苏联等国用于航空发动机叶片的生产[8] 。 定向凝固技术及其应用 1.定向凝固理论基础及方法 定向凝固又称定向结晶，是指金属或合金在熔体中定向生长晶体的一种方法。定向凝固技术是在铸型中建立特定方向的温度梯度，使熔融合金沿着热流相反的方向，按要求的结晶取向进行凝固铸造的工艺。它能大幅度地提高高温合金综合性能。定向凝固的目的是为了使铸件获得按一定方向生长的柱状晶或单晶组织。定向凝固铸件的组织分为柱状、单晶和定向共晶3种。要得到定向凝固组织需要满足的条件，首先要在开始凝固的部位形成稳定的凝固壳，凝固壳的形成阻止了该部位的型壁晶粒游离，并为柱状晶提供了生长基础，该条件可通过各种激冷措施达到。其次，要确保凝固壳中的晶粒按既定方向通过择优生长而发展成平行排列的柱状晶组织，同时，为使柱状晶的纵向生长不受限制，并且在其组织中不夹杂有异向晶粒，固液界面前方不应存在生核和晶粒游离现象。这个条件可通过下述措施来满足：（1）严格的单向散热。要使凝固系统始终处于柱状晶生长方向的正温度梯度作用下，并且要绝对阻止侧向散热，以避免界面前方型壁及其附近的生核和长大。（2）要有足够大的液相温度梯度与固液界面向前推进速度比值以使成分过冷限制在允许的范围内。同时要减少熔体的非均质生核能力，这样就能避免界面前方的生核现象，提高熔体的纯净度，减少因氧化和吸氧而形成的杂质污染，对已有的有效衬底则通过高温加热或加入其他元素来改变其组成和结构等方法均有助于减少熔体的非均质生核能力。（3）要避免液态金属的对流。搅拌和振动，从而阻止界面前方的晶粒游离，对晶粒密度大于液态金属的合金，避免自然对流的最好方法就是自下而上地进行单向结晶。当然也可以通过安置固定磁场的方法阻止其单向结晶过程中的对流。从这三个条件我们可以推断，为了实现定向凝固，在工艺技术上必须采取措施避免侧向散热，同时在靠近固液界面的熔体中维持较高的温度梯度。 定向生长理论和它的应用很大程度上取决于先进定向凝固技术。自从Bridgman和Stockbarger在20世纪20年达提出奠定了现代定向凝固和单晶生长技术基础的Bridgman定向凝固技术，定向凝固就被广泛运用于制备各种结构和功能材料。定向凝固技术最大的一个成果之一就是涡轮叶片的生产，这直接促进了高温合金材料设计上的巨大进步。自从这个突破后，一系列的定向凝固技术，比如：快速凝固技术（HRS），液态金属冷却（LMC）等可以提高定向凝固组织都发展起来。如今，定向凝固理论是一种重要的材料制备方法和一种研究凝固现象的有利工具。因此，研究和开发新的定向凝固方法吸引了世界范围内的材料工程师和科学家。 定向凝固方法主要有以下几种： （1）发热剂法。将型壳置于绝热耐火材料箱中，底部安放水冷结晶器。型壳中浇入金属液后，在型壳上部盖以发热剂，使金属液处于高温，建立自下而上的 凝固条件。由于无法调节凝固速率和温度梯度，因此该法只能制备晓得柱状 晶铸件。 （2）功率降低法。铸型加热感应圈分两段，铸件在凝固过程中不移动。当型壳被预热到一定过热度时，向型壳中浇入过热金属液，切断下部电源，上部继续 加热。温度梯度随着凝固距离的增大而不断减少。 （3）快速凝固法。与功率降低法的主要区别是铸型加热器始终加热，在凝固时铸件与加热器之间产生相对移动。另外，在热区底部使用辐射挡板和水冷套。 在挡板附近产生较大的温度梯度。与功率降低法相比，该法可大大缩小凝固 钢管定向钻进技术在高压电缆穿越运行铁路中的应用 摘要：随着电网建设的不断深入，电网建设中外部环境的变化遇到了一些新的 问题，本文主要是针对高压电缆建设中遇有与运行铁路、公路等路径交叉情况下 的钢管定向钻进技术实际应用。为了满足施工和运行的方便，在实际工程中引进 钢管定向钻进防护套管技术，充分分析施工区域地质条件、地下物分布、建筑物、铁路、道路等地上物情况，对其进行了适应电缆施工、运行的优化设计，从而达 到安全、可靠、方便施工和运行维护的目的。 关键词：高压电缆钢管定向钻进防护套管 引言 随着自电网建设迅猛发展，但输电线路建设的内部环境和外部空间却越来越小。其中为 节约市区土地资源，市区电网多规划为电缆工程，市区地下地上空间拥挤，不可避免地与铁路、通讯、水暖及其他市政管线交叉重叠，路径选择困难，导致工程延期、缓期建设。如何 应对新形势，最大限度地满足电网建设需要已成为技术部门不断研究的课题。本文从设计角 度围绕便于施工、利于运行，降低造价及对邻近设施影响等方面，对电缆线路创新设计和新 型施工技术的应用进行探讨。与设计、施工单位、生产厂商紧密合作制定切实可行的技术方案，并在实际工程中优化应用。 2 实际应用概况及环境调查 2.1 工程概况 该技术在海门-新华路220千伏电缆线路工程中得到实际应用，主要涉及穿越塘沽南站铁 路7条，通车公路一条。 电力电缆2回共计6根，分2束、每束3根下穿铁路。电缆防护采用2根内径φ710钢管。为保证电缆的正常使用和施工期间铁路行车安全，采用定向钻进穿越、铺设防护套管， 实现电力电缆的穿越铁路。每隔钻孔内敷设1根外景738mm钢管和两根φ50mmHDPE管并 绑扎成管束穿越铁路，用于防护套管就位后注水泥浆固化管道周围土体。防滑套管内的电力 电缆布置情况。此种敷设方式采用水平定向钻进技术，铺管精度较高，适用管材广，可呈弧 线铺管灵活避让各类地下设施。 2.2 铁路现状 定向钻进防护套管工程位于塘沽南站内，交叉角度53度44分。既有运行铁路为普通线路，50kg/m钢轨，铺设钢筋混凝土枕木，铁路附近及两侧有各种地下电缆、光缆和各种既有 管线。 2.3 地质情况 表层为素填土；第二层为杂填土；第三层为素填土；第四层为淤泥质黏土；第五层为粉 质黏土；第六层为淤泥质黏土；地下水位随季节有所变化，水位年变幅为0.50~1.00m左右。 地下潜水稳定水位埋深约为 2.00~2.50m。土壤最大冻结深度：0.60m。地震基本烈度：Ⅶ度。 3 主要技术方案 3.1 穿越轨迹设计 根据既有铁路、道路、地下管线及其他建筑物和地质勘查资料，确定在塘沽南站东侧围 墙外布置工作场地（工作坑），在塘沽南站西侧围墙外布置回钢管管道的加工作业场地（接 受坑）。 工作坑及接受坑均采用原地面下挖1.5m，工作坑长10m，宽6m，采用145钢板桩防护 基坑，可见做泥浆循环池。每根工字钢长4m。接受坑长5m，宽6m，两钻孔自工作坑（钻 孔工作场地）斜向入土，入土、出土角度均采用15度，至适当位置采用曲率半径为100m的 竖向曲线过渡至水平钻孔段，穿越既有铁路、各种管线后再采用曲率半径为100m的竖向曲 线与接收坑方向钻孔相连。 最终成孔直径900mm，扩孔比为1.25，满足扩孔比大于1.2的要求。在实际应用中，单 个钻孔长度为192.8m，水平长度为190.9m，两个钻孔总长度为385.6m。 3.2 套管设计 通讯科技在定位技术中的运用论文 通讯科技在定位技术中的运用论文 1引言 焦炉四大车的通信方式大多采用无线或感应无线的通信方式。在感应无线的通信方式中，编码电缆既作为位置检测使用，又作为数 据通信使用。将编码电缆应用在移动机车的定位上是相当成功的， 但将其应用在数据通信上，其缺点是明显的。首先感应无线通信的 工作频率较低(100kHz左右)，容易受到电气干扰；其次其通信环路 过长，设备复杂，稳定性较差，成本高。近年来，无线电通信技术 飞速发展，已由过去的模拟方式发展到现在的数字方式，其特点是 硬件设备简单、通信速度快、通信误码率低。因此采用无线数据通 信技术解决焦炉四大车的通信问题是未来的发展方向。 1.1通信技术 (1)扩频通信基本原理扩频通信，即扩展频谱通信(SpreadSpectrumCommunication)，它与光纤通信、卫星通信，一同 被誉为进入信息时代的三大高技术通信传输方式。扩频通信是将待 传送的信息数据被伪随机编码(扩频序列:SpreadSequence)调制，实 现频谱扩展后再传输；接收端则采用相同的编码进行解调及相关处理，恢复原始信息数据。(2)扩频通信的理论基础扩频通信的可行性，是从信息论和抗干扰理论的基本公式中引伸而来的。扩展频谱换取 信噪比要求的降低，正是扩频通信的重要特点，并由此为扩频通信 的应用奠定了基础。总之，我们用信息带宽的100倍，甚至1000倍 以上的宽带信号来传输信息，就是为了提高通信的抗干扰能力，即 在强干扰条件下保证可靠安全地通信。这就是扩展频谱通信的基本 思想和理论依据。 2位置检测的.基本原理 2.1编码电缆的结构 编码电缆由电缆芯线、模芯和电缆护套构成。芯线有两种，即基准线(R线)和地址线(G0线—G9线)。基准线R在整个电缆段中不交叉，地址线是按格雷码的编码规律来编制的，G0每隔2P交叉一次，G1每隔4P交叉一次，G2每隔8P交叉一次，以此类推，G9在整个 电缆段中只交叉一次，P为依靠电缆本身能识别的最小长度。 2.2位置检测的基本原理 图1为编码电缆位置检测原理示意图。移动机车上安装一个天线箱(发射天线)，天线箱距离扁平电缆10~30cm，天线箱发射的高频 信号通过电磁感应被地面的编码电缆接收，R线为平行敷设的一对线，接收到的信号作为基准信号，G0~G9在不同的位置有不同的交 叉点，其接收到的信号在经过偶数个交叉后，相位与基准信号相同，在经过奇数个交叉点后，相位与基准信号的相位相反，若规定同相 位时地址为“0”，反相位时地址为“1”，则在编码电缆的某一位 置得到唯一10位的地址编码，此对应与机车的一个地址。例如图中 G0~G9的地址码为:001…1。位置检测单元将地址码转换成十进制的 米数，即可检测出机车离编码电缆始端的距离，从而得到机车的位置。 3感应无线定位和通信系统 数据通信受到变频调速器谐波干扰，变频器工作时，作为一个强大的干扰源，其干扰途径一般分为辐射、传导、电磁耦合、二次辐 射和边传导边辐射等，谐波的频率为几十千赫兹到几百千赫兹。主 要途径如图2所示。从图2可以看出，变频器产生的辐射干扰对周 围的无线电接收设备产生强烈的影响。下面介绍感应无线通信系统 中数据通信和地址检测的模式，并说明变频调速器对感应无线通信 干扰的原因。 3.1数据通信的模式 感应无线通信的工作频率为:地面站:79kHz，车载站:49kHz，这 个频率正好在变频调速器的谐波范围，于是产生了同频干扰。数据 通信的流程如图3所示。由于地面站的数据是通过编码电缆发射的， 材料成型新技术报告 学生姓名：学号： 学院：材料学院 班级：成型093 题目：连续定向凝固技术 2012 年 11月 连续定向凝固技术 绪论 金属的凝固，从传热学的角度是液态金属转变为固态的过程；从物理化学、金属学的观点就是结晶，即：形核和生长。形核过程对金属材料晶粒的大小起着至关重要的作用；晶体生长关系到凝固后微观组织的形态，由于组成金属材料的晶体形态与金属材料的性质有关，如何控制晶体生长已成为控制金属材料性能的重要手段。凝固组织的控制包括两方面的内容：(l)凝固组织形态的选择(2)控制凝固组织的尺寸、间距。 材料的使用性能是由其组织形态来决定的。因此，包括调整成分在内，人们通过控制材料的制备过程以获得理想的组织从而使材料具有所希望的使用性能，控制凝固过程己成为提高传统材料的性能和开发新材料的重要途径。定向凝固技术由于能得到一些具有特殊取向的组织和优异性能的材料，因而自它诞生以来得到了迅速的发展。同时，由于定向凝固技术的出现，也为凝固理论的研究和发展提供了实验基础，因为在定向凝固过程中温度梯度和凝固速率这两个重要的凝固参数能够独立变化，从而可以分别研究它们对凝固过程的影响。此外，定向凝固组织非常规则，便于准确测量其形态和尺度特征。 定向凝固技术是控制晶体生长、研究晶体生长行为最有效的方法，实现定向凝固的总原则为金属熔体中的热量严格的按单一方向导出，使金属或合金按柱状晶或单晶的方式生长。金属熔体在凝固过程中，为了达到单一方向生长为柱状晶的目的，除满足上述总原则外，还必须满足以下两个条件：一是凝固过程中固液界面保持为平面，在界面前沿保持足够高的温度梯度，并且使此温度梯度与柱状晶生长速度的比值足够大；二是未凝固的液体有足够的过热度，避免型壁形核，防止型壁上形成的晶体脱落形成等轴晶的核心。 定向凝固的发展历程 定向凝固过程的理论研究的出现是在1953年，那是Charlmers及其他的同事们在 空间定位技术与定位信息 学院： 专业： 学生姓名： 学号： 合成孔径雷达（InSAR） 合成孔径雷达（Synthetic Aperture Radar，SAR）是一种高分辨率的二维成像雷达。它作为一种全新的对地观测技术，近20 年来获得了巨大的发展，现已逐渐成为一种不可缺少的遥感手段。与传统的可见光、红外遥感技术相比，SAR 具有许多优越性，它属于微波遥感的范畴，可以穿透云层甚至在一定程度上穿透雨区，而且具有不依赖于太阳作为照射源的特点。微波遥感还能在一定程度上穿透植被，可以提供可见光、红外遥感所得不到的某些新信息，使其具有全天候、全天时的观测能力，这是其它任何遥感手段所不能比拟的。 传统的SAR 技术只能获得目标的二维信息，它缺乏获取地面目标三维信息和监测目标微小形变的能力。通过将干涉测量技术与传统SAR 技术结合而形成的合成孔径雷达干涉技术（Synthetic Aperture Radar Interferometry，InSAR）提供了获取地面三维信息的全新方法。 一、InSAR技术基本原理 InSAR的原理是通过两副天线同时观测或通过一副天线两次平行观测，获取地面同一景观的复图像对，根据地面各点在两幅复图像中的相位差，得出各点在两次成像中微波的路程差，从而获得地面目标的三维信息。[1] 雷达数据干涉处理要满足几个条件[2]，第一，基线长度要满足相干的要求；第二，相干图像获取期间成像区变化要足够小；第三，将数据处理成SLC(单探视复数)格式。 InSAR 数据处理的核心算法包括SAR 图像配准、干涉相位图的生成和滤波、相位解缠、干涉基线参数确定或估计等。其数据处理流程和处理步骤可以概括如下： (1)获取满足InSAR处理条件的机载或星载雷达数据； (2)对每一频段数据按斜距坐标生成复数SAR图像； (3)根据两个复数图像，计算图像中每一个配准像元的相位差，即干涉相； (4)用相位解缠技术解2π模糊性； (5)将解缠过的相位差转换为地物高程角； 基于ZigBee的无线定位技术研究 摘要： 随着现代通信技术和无线网络的快速发展，人们对定位与导航的需求日益增大，尤其在复杂的室环境，但是受定位时间、定位精度以及复杂室环境等条件的限制，比较完善的封闭空间定位技术目前还无法很好地利用。本文的重点就在于设计并实现了一种低成本、实用的无线传感器定位系统。 本论文主要研究了基于ZigBee网络的室无线定位技术，它包括硬件平台、节点通信程序和上位机监测软件三部分。本文详细介绍了三部分的实现。其中，硬件平台以集成了射频与51微控制器的CC2430芯片为核心，该平台包括射频模块、辅助电路、功能指示电路等。 论文最后对定位系统进行了实际测试。测试表明:本系统达到了设计要求，是一个低成本、易实现的系统。 关键词：ZigBee 无线定位CC2430 Z-STACK The Research Wireless localization Based on ZigBee Teacher：liu zhi (Changchun university of science and technology of electronic information engineering institute,060412225 wang meng) Abstract： With the rapid development of modern communication technology and wireless network,people's demand for positioning and navigation is increasing. Especially in complex indoor environments, but as the limitation of positioning time, positioning accuracy as well as the complexity of the indoor environment conditions, well-positioning technology is still unable to be used in an encloseure space. The combination of ZigBee technology and localization is one of the key researches. This paper, aiming at ZigBee network, investigates the indoor wireless location techniques and implements a real-time localization system. This paper achieves a localization system. three parts are included. They are hardware platform, communication program of nodes and PC monitor software. The achievement of every part is clear introduced in this paper. The core of hardware platform is CC2430 which is integrated by RF and 51 MCU, the localization nodes are designed and made. It includes RF module, auxiliary module and function indication circuits. In the end, practical test is implemented. This system is confirmed to be a 钢的电磁约束成型定向凝固工艺研究* 李金山 张 军 李建国 傅恒志 摘 要 以1Cr 18Ni9T i 为实验材料,对钢的电磁约束成型定向凝固工艺进行了 一定的探索,获得了合理的感应器结构和理想的工艺参数,并成功地抽拉出直径25m m 、表面光滑、内部为柱状晶组织的试样。 关键词 电磁约束成型,定向凝固,感应器,电磁压力 中图分类号 TM 154.2,T F771.1 引 言 电磁约束成型定向凝固技术是将电磁铸造技术与定向凝固技术相结合而产生的一种新型的定向凝固技术,与传统的定向凝固技术相比它的优点是: 金属熔体与感应器(铸模)无接触,一方面使所获得的铸件表面质量较好,无毛刺、缩孔、夹渣等铸造缺陷;另一方面,减少了传统定向凝固时模壳材料对铸件的污染,可以充分提高铸件的性能。 冷却介质与铸件直接接触,显著增强了铸件的冷却能力,同时由于金属熔体采用感应加热,加热能力很强,最终形成了沿铸件轴向方向上的强热强冷,满足了一维散热条件,并使液固界面附近获得了较高的温度梯度,有利于获得理想的柱晶或超细柱晶组织。由于电磁自约束成型定向凝固技术是一项跨多种学科的复杂技术,它涉及到电磁流体力学、冶金、凝固、自动控制等较多学科领域,研究和开发有许多困难需要解决。因此,目前国内外很少见到这方面研究报道。西北工业大学凝固技术国家重点实验室傅恒志院士等人近几年致力于这方面的研究,并已取得了一定的研究成果。本文对小截面不锈钢试样的电磁约束成型定向凝固技术在设备、工艺等方面进行了一定的研究,并获得了直径为25m m 、内部为均匀的柱状晶组织的圆柱状试样。1 实验原理及方法 图1所示为电磁约束成型定向凝固工艺的原理图[1],工作时,电源供给感应器交变的感应电流,使感应器内部产生交变的感应磁场。根据电磁感应理论,在感应器内部的金属熔体内产生交变的电磁感应电流,由于集肤效应,电流主要集中在金属熔体表层部分,其方向在每一瞬间都与感应器内的电流方向相反。因此,在熔体的侧表面产生垂直表面并指向熔体内部的电磁压力压缩熔体。电磁压力、表面张力和熔体的静压力平衡,就实现了熔体与感应器的无接触成型。在感应器的上面配上送料机构,使固体棒料能够连续被送入感应器内,利用感应加热将其 1998年2月 第16卷第1期 西北工业大学学报JOU R N AL O F N O RT HW EST ERN PO L Y T ECHNI CA L U N IV ERSIT Y Feb. 1998 V ol.16No.1 西北工业大学讲师 西北工业大学教授本文收到日期:1996-11-15 * 国防预研基金和航空科学基金资助项目 定向凝固中的界面形态演化 引言 通常人们在研究金属及其合金的凝固时，由于金属本身的不透明性，使得人们无法动态实时观察金属内部凝固过程中凝固组织的演化与选择；而采用X射线透视或者原子力显微镜则代价较为高昂，也不可能获得对组织演化细节的清楚认识。由于熔体凝固时对流会造成材料组分上的变化，造成杂质条纹等缺陷。要获得高质量的材料，就要对凝固过程的熔体流动和其稳定性进行深入研究。借助实时观察方法对凝固过程进行实时原位观察，研究凝固过程中材料表面微观形貌和整体形态的变化以及流体运动，实现动态过程的可视化监测和测量，从中就可获得有关凝固的信息。 随着对凝固理论与晶体生长技术不断深入的研究，发现凝固形态是由晶体界面性质和凝固驱动力场的性质所完全决定的。界面性质决定了界面形态对驱动力场的响应性质，因而相似的界面性质在相似的驱动力场作用下将产生相似的动力学行为，从而导致相似的界面形态。 固--液界面可以分为两类[1]：规则界面和不规则界面。规则界面是指正常凝固条件下的平面、胞状和枝晶界面[2]。理论分析表明，只有当固--液界面能是各向异性时才能形成稳定枝晶界面[3]，通常情况下大多数材料是以稳定枝晶界面生长。 当晶体沿着一定的晶向生长时，如立方晶系的<111>晶向，固--液界面能接近于各向同性[4]，这时将会出现不规则界面。在这样的条件下，枝晶尖端常常随机分枝，分枝与枝晶干不对称，从而形成不规则界面。至今已经观察到几种不规则界面，如：倾斜枝晶界面、退化枝晶界面、海藻状晶体界面。 1实验方法 晶体生长室的最大平面放在x-y平面中，观察二维晶体生长。实验采用了丁二腈-5at%水来作为模拟晶体，测试开始前，试样加热至全部融化并静止一段时间冷却，使得试样内的熔质均匀化。温度通过采用SWP-T803数字控温仪控温，控温精度0.1°C，可在0°C到200°C范围内任意调节。加热至一定温度且保持恒定，试样内形成一定的温度梯度，试样放在温度梯度场中。晶体中温度的测量利用热电偶，晶体生长过程中，根据晶体界面的位置移动热电偶的位置，记录温度值，即可获得温度梯度值。 实验系统见图1，试样放入定向固系统中，使用CKX41型浮雕相衬显微镜可 室内与室外定位技术论文：室内与室外定位技术的研究 摘要:本文全面介绍了各种室外、室内定位技术,详细地阐述了各种定位技术的实现、误差修正以及定位方法改进中.本文展现了目前世界上主要的定位技术. 关键词: 定位GPS 惯性传感器无线传感器网络 中图分类号：TN927+.21文献标识码：A文章编号：1007-9416（2011）05-0179-01 1、室外定位技术 从测量原理的角度上看,当今世界室外定位技术主要分为GPS卫星定位和惯性传感器定位[1].GPS定位由于受到环境、SA政策等多种因素的影响,需使用局域差分方法来提高定位的精度,这样局域差分GPS的数学模型对定位精度的提高起到了决定性的作用.与此同时,当物体(如车)处于GPS信号的盲区时,需要采用惯性传感器进行定位,针对其导航误差大的缺陷,车辆动态数学模型辅助的惯性导航系统可以有效减小汽车导航的位置误差. 1.1 局域差分GPS 引起GPS定位误差的原因有多种,如对流层延迟、电离层延迟等.然而,间隔在一定距离内(小于10 km)的两个站同步观测同一颗卫星,得到的误差是基本一致的.如果将一个站设 为基准站,且其坐标已知,该站的实时观测数据通过通信链路传输到另一个站,即用户站.用户站同时差分处理来自基准站和卫星的观测数据,可消除用户站观测数据中与基准站相同误差的影响,这就是局域差分的基本思想[2]. 1.2 惯性传感器定位 惯性传感器(陀螺仪和加速度计)定位是一种推算定位方式[3].即从一个已知位置的点根据连续测得的运载体姿态角(由陀螺仪测得)和加速度(由加速度计测得)推算出其下一点的位置.因而可实时得到运动物体的位置. 假设运动物体的初始点坐标(相对于标准坐标系).运动物体自身坐标系的轴、轴、轴上分别安装有陀螺仪和加速度计. 在室外汽车导航中,经常采用的是GPS卫星导航.然而,当汽车受到物理干扰或者建筑物,树木等遮挡时,GPS会失去卫星信号而停止工作.这时就需要使用惯性导航系统作为辅助的导航系统,所以基于惯性传感器定位(包括导航)的缺点. 2、室内定位技术 室内相对定位,是指采用无线传感器网络进行的定位[4].无线传感器网络是由部署在监测区域内大量的传感器节点组成,通过无线通信的方式形成的一个多跳的自组织网络系统,其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖的地理区域中感知检测对象的信息,并发送给观察者传感器节点的数据沿 关于水平定向钻进技术在市政供水管道施工中的应用分析 发表时间：2017-06-15T11:32:58.453Z 来源：《基层建设》2017年6期作者：班源平 [导读] 本文主要分析了自来水管道施工水平定向钻进施工的工艺及技术要点。 身份证号码：45212219711202xxxx 摘要：随着我国城市不断发展,水平定向钻进技术在供水管道施工中得到越来越广泛的应用。本文主要分析了自来水管道施工水平定向钻进施工的工艺及技术要点。 关键词：水平定向钻进;供水管道;施工 过去在城市地下管网建设包括供水、天然气、电信、电力、排污等管线铺设中,沿用的传统施工方法是开挖埋管线,该法不仅速度慢,且影响交通和污染环境,遇到障碍物时更是无法穿越。水平定向钻进作为非开挖技术中最具活力的一项施工技术,具有导向准确。 1 传统大开挖方式的弊端 (1)敷设供水管道遇到穿越河流时,采用传统大开挖方式要先破坏河堤,还要对河流做引流,开挖工程量大,难度大,产生的费用也较高,且工期长。 (2)敷设供水管道要穿越新修建的公路时极不方便。国家明文规定:“新修建的公路在3-15年内不允许破路开挖”。若对新建道路开挖,不仅使道路质量变差、寿命缩短,而且容易造成交通堵塞,严重者还会伴有地下管线被挖坏的事故发生。 (3)施工中遇到一些要穿越的、但是跨度较大、埋层较深的障碍物时(如电力隧道、电力方涵、污水方涵等),若从方涵上方穿越则埋深不够,若从下方通过,挖得太深危险性大,且不易施工。 (4)穿越铁路段时,直接开挖会造成铁路停运,而且敷管及之后的铁路恢复工作需要工期较长。 2 水平定向钻进技术优点 水平定向钻进法是发展最快的一种非开挖施工方法,是利用水平定向钻机在不开挖地表的条件下或以最小的地表开挖工作量进行铺设多种地下公用设施(如管道、电缆等)的技术,其优点具体如下: (1)水平定向钻进穿越施工时不会阻碍周边交通,不会破坏绿地、植被或影响商店、医院、学校和居民的正常生活和工作环境,解决了传统开挖法施工对居民生活和出行的干扰以及对交通、环境、周边建筑物基础的破坏和不良影响。 (2)现代化的穿越设备的穿越精度高,易于调整敷设方向和埋深,管线弧形敷设距离长,完全可以满足设计埋深要求,并且可以使管线绕过地下的障碍物。 (3)城市管网埋深一般达到3m以下,穿越河流时,一般埋深在河床下9-18m,所以采用水平定向钻机穿越,对周围环境无影响,不破坏地貌,适应环保的各项要求。 (4)采用水平定向钻机穿越施工时,无需在水面或水下作业,不影响江河通航,不损坏江河两侧堤坝及河床结构,施工不受季节限制,施工周期短、人员少、成功率高、施工安全可靠。 (5)进出场地速度快,施工场地可以灵活调整,允分显示出其在城市施工时的优越性。并且施工占地少,工程造价低,施工速度快。 3 施工准备 3.1 导向孔轨迹设计 (1)根据建设单位提供的管线工程平面图、既有管线地下管网图、工程技术要求等资料,对施工现象实地堪察,记录对既有管线的检查井标记的位置,并进行仪器探察结合人工探察,以确定既有管线的准确位置。 (2)定向钻导向孔轨迹一般由斜直线段、曲线段、水平直线段等组成,类似于倒抛物线的形状,根据事前收集的相关资料、实地勘察结果及待敷设的管材曲率设计出导向孔轨迹(包括确定入土角、出土角、入土点、出土点、第一曲线段和直线段轨迹变化点、直线段和第二曲线段轨迹变化点),并绘制导向孔轨迹图。 3.2 施工泥浆配制和钻具选择 在水平钻进施工过程中,泥浆的作用表现为:稳定钻孔土体、冷却润滑钻头和钻杆及其他孔内钻具、清理屑等。泥浆由水、膨润土和具有某种性能的胶体化学材料(视土质选用)通过专用搅拌容器配制而成,正确适当的泥浆的配置对穿越起决定性作用,选用不同粘度的泥浆要视具体地质情况而定。 钻机回拉力按管材回拉力计算值的1.5-3倍进行选择,以确定钻机型号,施工前评估土壤状况,以便确定最佳钻进液和钻具组合。 4 施工工艺及其过程 水平定向穿越工作过程是通过计算机控制进行导向和探测,先钻出一个与设计曲线相同的导向孔,然后再将导向孔扩大,把产品管线回拖到扩大了的导向孔中,完成管线穿越的施工过程。其工艺流程如下。水平定向钻进施工工艺流程钻孔工地施工流程测量放线→修整场地→三通一平→设备进场→组装钻机→调控向系统→钻导向孔→预扩孔→管道回拖→设备离场→恢复地貌管道工地施工流程测量放线→修整场地→三通一平→设备进场→运管布管→组对相接→挖发送沟→管道拖进→设备离场→恢复地貌 4.1 钻导向孔 做好施工安全措施、发射和接收工作坑开挖、设备进场、钻机锚固后,进行全系统联机调试,调试完成可进行导向孔钻进,选择符合施工现场土质情况的导向钻头,开动高压泥浆泵,钻头开始正常喷浆后,在导向系统的引导下,钻机按设计好的导向孔轨迹进行钻进,高压泥浆的射流作用与钻头的切削作用共同在地下形成孔壁。钻进过程中,钻头内信号棒发出的信号被接收后,监视设备显示出钻头的深度、位置、角度等信息,据此及时调整钻头方向。钻进入土角一般在8°-12°之间,出土角5°-12°,管道曲率半径一般1000D-1200D。为了更好地控制导向,在斜段一般每根钻杆调整一次角度,每次调整的角度一般不超过0.8°,以便回拖顺利。当导向孔从入土角到水平夹角为0°时的计算穿越深度与设计埋深不同时(误差0.5m),则应调整入土直线段的长度及其调整控向角度。同理,当导向孔从水平到达出土角计算出的出土点,但达不到穿越长度位置时,调整水平直线段长度;达到出土角而没有符合地面标高时,调整每组钻杆长度及其控制角度。 4.2 扩孔 钻孔完成后卸下钻头及控制系统,接上扩孔器,从出土点向入土点进行预扩孔,扩孔的次数及扩孔类型根据管径及地质情况确定。注意当沿程土质不一,承载力不均时,由于钻杆、扩孔器自身重力的作用,易形成不均匀沉降,造成预扩孔偏移,故选择合理的钻具和钻具组合对定向穿 水平定向钻进技术在短距离跨道施工中的应用 摘要：在管道工程、线路工程施工时，通常采用开挖埋设的方法施工，然而在交通发达的道路、路口、河道等复杂位置采用开挖的方法施工则十分勉强，影响环境并对周边生产生活造成不便，此时若采用非开挖水平定向钻进技术则能有效防止施工对地表干扰，施工速度快，精度高，大大缩短工期、节约工程成本、降低工程风险。 关键词：非开挖、钻导向孔、扩孔、钻头 Abstract: in the pipeline engineering, line project construction, usually adopt the method of embedding excavation construction, however, in the way of the traffic developed, crossing the river, such complex position of excavation method is very reluctantly construction, affect the environment and to the neighboring inconvenience of production and life, then if using an excavation directional drilling technology is level can effectively prevent the construction on the surface interference, construction speed, high precision, greatly shorten the construction period, save the project cost, reduce project risk. Key words: the excavation, pilot hole drilling, reaming, the bit 1 前言 在管道工程、线路工程施工时，通常采用开挖埋设的方法施工，然而在交通发达的道路、路口、河道等复杂位置采用开挖的方法施工则十分勉强，影响环境并对周边生产生活造成不便，此时若采用非开挖水平定向钻进技术则能有效防止施工对地表干扰，施工速度快，精度高，大大缩短工期、节约工程成本、降低工程风险。 图1 钻导向孔 2 准备工作 非开挖水平定向钻进技术施工的三大基本工艺是：钻导向孔——扩孔施工——成品管道拉管。 本文重点论述水平定向钻技术在短距离过路施工中的应用。在钻导向孔之前需要勘察现场施工条件，比如水源条件、土层地质条件、地下管线分布状况基于物联网的室内定位毕业论文
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