金屬熔煉與鑄錠第七講鑄錠凝固過程的動量和熱量傳輸

金屬熔煉與鑄錠第七講鑄錠凝固過程的動量和熱量傳輸1第1頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月2本章要點:

主要討論凝固過程的液體金屬流動和金屬的凝固傳熱特點，包括：

(1)枝晶間金屬流動的速度方程；

(2)鑄錠凝固傳熱的微分方程及由此確定影響傳熱的主要因素。(3)三種凝固方式(順序凝固、同時凝固、中間凝固)的區(qū)別及對應(yīng)的控制方法

鑄錠凝固過程的動量和熱量傳輸2第2頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月3第一節(jié)凝固過程的動量傳輸3第3頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月41.充型能力

液態(tài)合金充滿鑄型，并獲得形狀完整輪廓清晰的鑄件的能力，叫做液態(tài)合金的充型能力。它取決于金屬本身的流動能力，同時又受外界條件，如鑄型性質(zhì)、澆注條件、鑄件形狀等因素的影響，是各種因素的綜合反映。合金的鑄造性能4第4頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月52.流動性

流動性指液態(tài)金屬本身的流動能力，為金屬的鑄造性能之一，與成分、溫度、雜質(zhì)含量及其物理性質(zhì)有關(guān)。3.流動性和充型能力的關(guān)系

流動性好則充型能力強(例如：共晶合金)；反之，則充型能力差。流動性是確定條件下的充型能力；合金一定，流動性一定，但可以通過改變外部條件提高充型能力。合金的鑄造性能5第5頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月6凝固過程的動量傳輸金屬的凝固過程：金屬由液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)的相變過程，包括：動量、熱量和物質(zhì)的傳輸過程液體金屬形核和晶體長大的相變過程伴隨上述過程而發(fā)生的鑄錠組織的形成過程6第6頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月7液體金屬的流動液體金屬的對流：澆注時流柱沖擊引起的動量對流金屬液內(nèi)溫度和濃度不均引起的自然對流電磁場或機械攪拌及振動引起的強制對流。對于連續(xù)鑄錠，由于澆注和凝固同時進行，動量對流會連續(xù)不斷地影響金屬液的凝固過程，如不采取適當(dāng)措施均布液流，過熱金屬液就會沖入液穴的下部。動量對流強烈時，易卷入大量氣體，增加金屬的二次氧化，不利于夾渣的上浮，應(yīng)盡量避免。7第7頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月8連續(xù)鑄錠過程中，在金屬液面下垂直導(dǎo)入液流時，其落點周圍會形成一個循環(huán)流動的區(qū)域，稱為渦流區(qū)，其特征是在落點中心產(chǎn)生向下的流股，在落點周圍則引起一向上的流股，從而造成上下循環(huán)的對流。沿液穴軸向?qū)α魍卵由斓木嚯x，即流柱在液穴中的穿透深度，是與澆速、澆溫、流柱下落高度、結(jié)晶器尺寸及注管直徑等有關(guān)。液體金屬的流動8第8頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月9液體金屬的流動9第9頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月10這種軸向循環(huán)對流，還會引起結(jié)晶器內(nèi)金屬液面產(chǎn)生水平對流，其方向決定著夾渣的聚集地點。下圖表示在液面下垂直導(dǎo)入液流時，扁錠結(jié)晶器內(nèi)液面水平對流的大致方向與流柱落點位置的關(guān)系，夾渣將隨液流向落點附近聚集。液體金屬的流動10第10頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月11導(dǎo)流方式對對流分布特征的影響11第11頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月12自然對流的驅(qū)動力是因密度不同而產(chǎn)生的浮力由于溫度不均造成熱膨脹不均，致使金屬液密度不均而產(chǎn)生浮力濃度不均也會造成密度不均而產(chǎn)生浮力當(dāng)浮力大于金屬液的粘滯力時就會發(fā)生自然對流自然對流金屬液內(nèi)溫度和濃度不均引起的對流，稱為自然對流，由溫度不均引起的對流又稱為熱對流。

12第12頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月13水平自然對流金屬液內(nèi)存在水平溫差或濃度差時，就產(chǎn)生水平自然對流，其強度可由無量綱的Grashof數(shù)來衡量：式中，g為重力加速度；b為水平方向熱端和冷端間距的一半；ΔT、ΔC為熱端與冷端間的溫差和濃度差；αT、αC為由溫度和濃度引起的金屬液體膨脹系數(shù)；ν=η/ρL為液體金屬的運動黏度系數(shù)，η為動力黏度系數(shù)，ρL為液體金屬的密度。13第13頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月14垂直自然對流金屬液內(nèi)垂直方向的溫差和濃度差同樣也會引起自然對流，其強度可用Rayleigh數(shù)來衡量。Rayleigh數(shù)是垂直力向的溫差和濃度差引起自然對流的判據(jù)。通常，當(dāng)金屬液面為自由界面時。Ra＞1100便會發(fā)生垂直方向的自然對流。由上式知，其他因素一定時，Ra隨兩點間溫差的減小而減?。磳α鲝姸冉档?。h金屬液高度D為溶質(zhì)擴散系數(shù)14第14頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月第15頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月16枝晶間液體金屬的流動鑄錠凝固時，在凝固區(qū)(固液兩相共存區(qū))內(nèi)，枝晶間的液體金屬仍能流動，其驅(qū)動力是液體體收縮、凝固體收縮，枝晶間相通的液體靜壓力及析出的氣體壓力等。金屬液流經(jīng)枝晶間隙如同流體流經(jīng)細小的多孔介質(zhì)一樣，近似地遵守Darcy（達西）定律，即枝晶間金屬液的流速與壓力梯度(gradP)呈直線關(guān)系。fL為液體金屬體積分數(shù)，p為凝固區(qū)內(nèi)液體金屬承受的壓力，K為可透性系數(shù)，η為常數(shù)，大小與枝晶形態(tài)和枝晶臂間距有關(guān)。16第16頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月17枝晶間液體金屬的流動x為離開固液界面的距離；b為凝固區(qū)寬度；H為凝固區(qū)內(nèi)x處的液柱高度；ρ0為大氣壓；為凝固收縮率，ρS為固相密度；在凝固區(qū)內(nèi)距離固液界面x處，液體金屬承受的壓力：熱交換強度因子，其中A為鑄錠表面積，V為鑄錠體積，h為模壁凝殼界面的對流傳熱系數(shù)，ΔT為金屬熔點與模壁的溫差。右端第二項為枝晶造成的壓頭損失。內(nèi)此可見fL愈小即固相愈多，壓力損失愈大；距離固液界面愈近(即x愈小)，壓頭損失愈大，則枝晶間液體金屬流動的驅(qū)動力愈小，流速愈低，因而枝晶偏析程度降低，但顯微縮松會增多，鑄錠的致密性降低。η、γ和α等均影響金屬在枝晶間流動的壓頭損失，最終都會影響顯微縮松及枝晶偏析的形成。這些因素是合理設(shè)計冒口或保持適當(dāng)?shù)慕饘偎降闹匾罁?jù)。fL為液體體積分數(shù)；17第17頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月18枝晶間液體金屬的流動冒口設(shè)計鑄件冒口18第18頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月19對流對結(jié)晶過程的影響對流引起金屬液沖刷模壁和固液界面產(chǎn)生溫度起伏引起枝晶脫落和游離促進成分均勻化和傳熱影響鑄錠的結(jié)晶過程及其組織的形成19第19頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月20對流對結(jié)晶過程的影響當(dāng)鑄錠自下而上凝固時，由于溫度較低的液體難于上浮，故對流不能發(fā)生，金屬液內(nèi)不產(chǎn)生溫度起伏。反之，鑄錠由上而下凝固時，較冷液體易于下沉，對流強烈，故溫度起伏較大。水平定向凝固時，由水平溫差引起的自然對流也會造成溫度起伏。20第20頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月21對流對結(jié)晶過程的影響隨著冷熱端溫差或溫度梯度增大，溫度起伏逐漸增強。低熔點金屬在凝固過程中，自然對流造成的溫度起伏，其振幅可達幾度，而高熔點金屬的溫度起伏振幅可高達幾十度。動量對流也可造成較強烈的溫度起伏。21第21頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月22對流對結(jié)晶過程的影響鑄錠時施加穩(wěn)定的中等強度磁場，金屬液就會以一定的速度定向旋轉(zhuǎn)，這樣就會抑制金屬液的對流，削弱甚至消除溫度起伏。以一定的速度定向旋轉(zhuǎn)錠模，可得到同樣的結(jié)果。反之，如果對流的方向或速度周期性地改變，就可增強金屬液的對抗，從而引起更強烈的溫度起伏。22第22頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月23對流對結(jié)晶過程的影響電阻爐熔煉時，坩堝內(nèi)溫度不均勻，澆注后引起溫差及對流澆注過程溫度降低引起溫差澆注方式（頂注式、底注式、縫隙澆道）導(dǎo)致不同的溫差情況舉例說明：探討溫差引起對流的實際意義23第23頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月24對流引起晶體游離與增殖枝晶熔斷溫度起伏，促使枝晶熔斷。熔斷的枝晶脫離模壁或凝殼，并被卷進鑄錠中部的液體內(nèi)，如它們來不及完全重熔，則殘留部分可作為晶核長大成等軸晶。枝晶脫落沖刷促使枝晶脫落。因為鑄錠在凝固過程中，由于溶質(zhì)的偏析，枝晶根部產(chǎn)生縮頸，此處在對流的沖刷作用下易于斷開，從而出現(xiàn)枝晶的游離過程。晶核增殖晶體的游離有利于金屬液內(nèi)部晶核的增殖，因而有利于等軸晶的形成。24第24頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月25晶體游離與增殖25第25頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月26Al-2%Cu合金在無磁場條件下凝固時，鑄錠中心出現(xiàn)粗等軸晶，在2000高斯磁場中凝固時，鑄錠中柱狀晶發(fā)達，而沒有中心粗等軸晶區(qū)。因為固定的磁場，使金屬液內(nèi)產(chǎn)生穩(wěn)定的強制對流、嚴重地抑制了金屬液內(nèi)部的對流和溫度起伏，因而已形成的晶體難于脫落和游離，無晶核增殖作用，所以鑄錠中沒有中心等軸晶區(qū)，而柱狀晶發(fā)達。離心鑄造易于得到柱狀晶，其原因也就在于此。強制對流對結(jié)晶過程的影響26第26頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月27強制對流對結(jié)晶過程的影響27第27頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月28第二節(jié)凝固過程的傳熱28第28頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月鑄錠的凝固傳熱金屬溫度不斷降低模壁受熱溫度升高鑄錠表面與涂料或模壁之間形成氣隙鑄錠中產(chǎn)生固液界面在各個界面兩側(cè)，物質(zhì)的熱物理性質(zhì)不同，構(gòu)成不穩(wěn)定的熱交換體系鑄錠凝固傳熱的特點：29第29頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月30凝固傳熱的基本微分方程凝固過程中鑄錠及模壁的溫度變化規(guī)律，可用傅立葉導(dǎo)熱微分方程來描述：式中，T為溫度，t為時間，C為熱容，ρ為密度，λ為導(dǎo)熱系數(shù)，▽為拉普拉斯算符，當(dāng)C、ρ、λ為常數(shù)時，令α=λ

/C·ρ導(dǎo)溫系數(shù)，一維傳熱時上式變?yōu)椋航?jīng)拉氏變換，上式的通解為：30第30頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月31凝固傳熱的基本微分方程式中，T是凝固時間t時在凝殼或模壁x處的溫度，C1、C2為積分常數(shù)。為誤差函數(shù)，其性質(zhì)為：31第31頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月3232第32頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月33絕熱模中鑄錠的凝固砂模和石墨模等的導(dǎo)熱性差，可看作是絕熱模。鑄錠在絕熱模中的凝固傳熱過程，由模壁熱阻控制。假定模壁足夠厚，其外表面溫度在凝固過程中保持T0不變，金屬液在熔點溫度Tm時澆入模中，并在Tm溫度下凝固完畢。因所有熱阻幾乎都在模壁內(nèi)，故模壁內(nèi)表面溫度Ti＝Tm。凝固過程中某一時刻，模壁及鑄錠斷面的溫度分布如圖所示。33第33頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月34絕熱模中鑄錠的凝固絕熱模壁導(dǎo)熱微分方程：其定解條件：由基本微分方程可知：將C1和C2代入基本微分方程可得：絕熱模α=λ

/C·ρ34第34頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月35絕熱模中鑄錠的凝固進一步推導(dǎo)，可計算凝殼厚度：凝殼厚度的平方根定律，鑄錠的凝殼厚度M與凝固時間平方根成正比，而且與模壁和金屬的熱物理性質(zhì)有關(guān)。較合適于純金屬或結(jié)晶溫度范圍較窄的合金大型扁錠。K為凝固系數(shù)，其意義是凝固初期單位時間內(nèi)的凝殼厚度，可實驗測定。合金和澆注溫度一定時，K為常數(shù)。35第35頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月36絕熱模中鑄錠的凝固鑄錠在凝固過程中，實際并非始終遵循平方根定律。在凝固后期，因鑄錠中心金屬液體積與其散熱表面積之比遠小于凝固初期的比值，故凝固速度明顯加快。半徑為r的圓錠導(dǎo)熱微分方程為：前述公式存在的問題：鑄錠形狀對凝固傳熱的影響顯著。Chvorinov提出用鑄錠或鑄件的體積V與其表面積A之比代替凝殼厚度M。修正：36第36頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月37水冷模中鑄錠的凝固冷卻迅速凝殼斷面的溫度變化較陡模壁的溫度幾乎不變。以凝殼熱阻為主：對于大型鑄錠，水冷模激冷作用的影響有限，鑄錠中心的傳熱過程主要由凝殼導(dǎo)熱能力來決定。鑄錠水冷凝固傳熱的特點：37第37頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月38水冷模中鑄錠的凝固——以凝殼熱阻為主無過熱的金屬液澆入水冷模，模溫T0保持不變，鑄錠表面急劇冷卻到Ti，假定鑄錠與模壁接觸良好、無界面熱阻，因此Ti＝T0。由于凝殼內(nèi)存在熱阻，因而也存在溫度梯度。凝固某一時刻的溫度分布如圖所示。水冷模絕熱模38第38頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月39水冷模中鑄錠的凝固——以凝殼熱阻為主

將凝殼斷面的溫度分布曲線外延至無窮遠處，則凝殼可看作是一個半無限厚的物體，其導(dǎo)熱微分方程和定解條件分別為:初始條件：邊界條件：39第39頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月40水冷模中鑄錠的凝固——以凝殼熱阻為主方程的解為：式中，該式表示水冷模中無界面熱阻時凝殼內(nèi)的溫度分布規(guī)律。X=M時，凝殼厚度凝固速度40第40頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月41水冷?；蚪Y(jié)晶器內(nèi)表面常涂以導(dǎo)熱性差的涂料或潤滑油，并且模壁與凝殼之間由于凝固收縮而存在氣隙，所以，模壁與凝殼之間有較大的界面熱阻。界面熱阻的存在改變了鑄錠凝固過程的傳熱特性，使鑄錠表面溫度Ti不等于T0，凝殼斷面的溫度梯度減小。為簡化分析過程，假定凝殼斷面的溫度呈直線變化，模溫T0不變，如圖所示。水冷模中鑄錠的凝固——以界面熱阻為主水冷模有界面熱阻41第41頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月42水冷模中鑄錠的凝固——以界面熱阻為主靜態(tài)鑄錠時，水冷模凝固過程中，存在界面熱阻時凝殼厚度與溫度、時間的關(guān)系：模壁與凝殼之間的平均對流傳熱系數(shù)當(dāng)凝殼內(nèi)的溫度分布呈曲線時，M與t的關(guān)系更為復(fù)雜：其中42第42頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月43水冷模中鑄錠的凝固——以界面熱阻為主連續(xù)鑄錠，澆注和凝固同時連續(xù)進行：43第43頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月44水冷模中鑄錠的凝固——以界面熱阻為主式中表示模壁與凝殼之間的平均對流傳熱系數(shù)。該式表示金屬液無過熱條件下，結(jié)晶內(nèi)凝殼厚度與澆速的關(guān)系，可用于計算結(jié)晶器出口處凝殼厚度。結(jié)晶器內(nèi)，徑向?qū)徇h大于軸向，因此，軸向?qū)峥珊雎圆挥嫞⒂描T錠下降距離y與澆注速度v的比值來表示t，則連鑄過程的凝殼厚度為：44第44頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月45水冷模中鑄錠的凝固——以界面熱阻為主根據(jù)熱平衡原理，也可導(dǎo)出扁錠的寬面或窄面在結(jié)晶器出口處的疑殼厚度關(guān)系式：式中，b為寬邊或窄邊的邊長，θ為兩寬面或窄面的傳熱速度。包含了金屬熱物理性質(zhì)、連鑄工藝及鑄錠形狀等參數(shù)，對于設(shè)計結(jié)晶器和選擇工藝參數(shù)有參考價值。45第45頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月46水冷模中鑄錠的凝固——以界面熱阻為主對于一定的合金，當(dāng)連鑄工藝穩(wěn)定時，可以認為溫度不隨時間變化，即，并假定合金的熱物理性質(zhì)不隨溫度而變化，則可得到如下傳熱微分方程：上式中，z為鑄錠在軸向的移動距離，解此方程，即可求出鑄錠斷面的溫度在三維空間隨速度變化的關(guān)系。46第46頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月47澆注速度對鑄錠冷卻的影響用于連續(xù)鑄錠傳熱的經(jīng)驗公式：連續(xù)鑄錠凝殼厚度：平均凝固速度：液穴深度扁錠：圓錠：液穴深度與鑄錠形狀和尺寸、澆注速度、金屬熱物理性質(zhì)等主要傳熱條件密切相關(guān)。47第47頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月48導(dǎo)熱性：黃銅<紫銅澆注速度對鑄錠冷卻的影響舉例說明液穴深度隨澆速增大而增大，為提高鑄錠質(zhì)量，液穴深度應(yīng)盡可能淺平，以利于氣體的析出和夾渣上浮。液穴過深，易產(chǎn)生裂紋、氣孔等缺陷。48第48頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月49無水冷鐵模中鑄錠的凝固無水冷鐵模中鑄錠的凝固特點，是在模壁和凝殼內(nèi)部有溫度梯度。假定模壁/凝殼界面熱阻小而忽略不計，模壁足夠厚，其外表溫度保持T0不變，金屬液沒有過熱。凝固過程中某一時刻的溫度分布如圖所示。49第49頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月50無水冷鐵模中鑄錠的凝固凝殼導(dǎo)熱微分方程為：定解為：模壁導(dǎo)熱微分方程的定解：經(jīng)推導(dǎo)：50第50頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月51無水冷鐵模中鑄錠的凝固51第51頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月52T91鋼水平連鑄凝固過程

—利用COMSOLMultiphysics多物理場模擬軟件模擬凝固傳熱過程。

COMSOLMultiphysics聲學(xué)模塊化學(xué)工程模塊地球科學(xué)模塊熱傳導(dǎo)模塊微系統(tǒng)模塊結(jié)構(gòu)力學(xué)模塊

COMSOLMultiphysics

的應(yīng)用模塊52第52頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月53

結(jié)晶器的凝固傳熱水銅壁氣隙坯殼鋼液溫度/℃TwTeTaTLTcΦLΦmΦe距結(jié)晶器壁的距離/mm結(jié)晶器橫斷面溫度分布總的熱流Ф可以表示為：53第53頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月54初始條件t=0時，T(x,y，0)=Tin邊界條件鑄坯中心鑄坯表面物性參數(shù)密度：7780kg/m3；凝固潛熱值:268[KJ/kg]；導(dǎo)熱系數(shù):30W/m*K固相線溫度:1450℃；液相線溫度:1510℃比熱:CL=840J/kg*K；CS=700J/kg*K；CSL=（CS+CL）/2+Hlatent/(TL-TS)模擬條件與物性參數(shù)凝固傳熱模型54第54頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月55結(jié)晶器鋼水冷卻水155mm1395mmzrr=70mm模擬計算對象計算模型示意圖55第55頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月56

傳熱數(shù)值模擬研究結(jié)果圖2.3鑄坯內(nèi)溫度場分布根據(jù)衡鋼現(xiàn)場數(shù)據(jù)，取進結(jié)晶器溫度為1550℃，拉坯速度為3m/min對溫度場分布進行了分析，如圖2.3所示。

從圖2.3可知：沿半徑方向溫度不斷降低；沿拉坯方向坯殼厚度不斷增加，在出結(jié)晶器時鑄坯表面溫度約為1208℃，坯殼厚度約為8mm。56第56頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月57

2.1

2.4

2.7

3.0

3.3T_in(℃)V_cast(m/min)154015501560表面溫度

（℃）坯殼厚度（mm)表面溫度

（℃）表面溫度

（℃）坯殼厚度（mm)坯殼厚度（mm)131210.598111711461172119312121131116612111098.5117.87.46.75.511971226124112671162118712081226為全面對比分析連鑄工藝參數(shù)對鑄坯表面溫度與坯殼厚度的影響，將模擬所得結(jié)果列于下表。模擬結(jié)果57第57頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月58影響凝固傳熱的因素金屬的結(jié)晶潛熱大，鑄件熱量多，向凝殼傳輸?shù)臒崃恳捕?，加長散熱時間，同時，可充分加熱鑄型，模壁溫度高，故降低鑄型激冷能力和斷面的溫度梯度。金屬熔點越高，鑄型內(nèi)外表面間溫度差越大，溫度梯度越大。金屬的澆注溫度越高，過熱量越大。砂型鑄造時，導(dǎo)熱性差，增加過熱相當(dāng)于提高了鑄型溫度，使鑄件斷面溫度梯度減?。唤饘傩丸T造時，導(dǎo)熱性好，可迅速傳導(dǎo)出去，對鑄件斷面溫度梯度影響不大。影響因素一：金屬的含熱量58第58頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月59影響凝固傳熱的因素型砂混砂、成形砂箱金屬型鑄造砂型可做形狀復(fù)雜構(gòu)件砂型一次性使用金屬型可永久性使用砂型鑄造59第59頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月60金屬的導(dǎo)溫系數(shù)α代表其導(dǎo)熱能力的大小。α大，鑄錠內(nèi)部溫度易于均勻，溫度分布曲線就比較平坦，溫度梯度小；反之，溫度分布曲線就比較陡，溫度梯度大。錠模的蓄熱系數(shù)蓄熱系數(shù)大，表明鑄型熱容量大，或者其導(dǎo)熱系數(shù)大，冷卻能力強，鑄件溫度梯度大。例如：金屬型鑄件斷面溫度梯度高于砂型鑄造，冷卻強度大，力學(xué)性能更優(yōu)異。模壁厚度和溫度對冷卻能力也有一定的影響。在鐵模鑄錠和其他條件不變時，厚壁錠模比薄壁錠模的冷卻能力稍強。但由于鐵模的導(dǎo)熱系數(shù)較小，錠模增大至一定厚度以后，其冷卻能力便不再增強。影響因素二：錠模和涂料性質(zhì)影響凝固傳熱的因素60第60頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月61鑄模的預(yù)熱溫度越高，初始溫度越高，對澆入的熔體的激冷能力越小，鑄錠溫度梯度越小。但有時對鑄錠預(yù)熱是必須的，主要是保持熔體的流動性或者是防止?jié)沧⑦^程中出現(xiàn)熱裂現(xiàn)象。鑄件散熱條件，鑄件形狀或所處部位的不同造成散熱條件的差異。例如：鑄件外棱角或向外彎曲的表面比平壁散熱條件好，溫度梯度大；相反，處在內(nèi)角或內(nèi)彎曲表面的部位，溫度梯度就??；型芯或向型腔突出的鑄型部位，被液態(tài)金屬包圍，散熱條件差，溫度梯度小。砂型鑄造中，改善散熱條件的方式主要是放置冷鐵。影響因素二：錠模和涂料性質(zhì)影響凝固傳熱的因素61第61頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月62影響因素二：錠模和涂料性質(zhì)影響凝固傳熱的因素冷鐵及冷鐵的應(yīng)用實例62第62頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月63涂料分為耐火性涂料和揮發(fā)性涂料兩種。氧化鋅等耐火性涂料，因?qū)嵝圆?，增大模?鑄錠界面的熱阻，故降低鑄錠的凝固速度，延長凝固時間。揮發(fā)性涂料留在模壁上的殘焦，可減小界面熱阻，使傳熱性能力有所改善。生產(chǎn)中常用改變涂料層厚度、組成及性質(zhì)的方法來調(diào)節(jié)鑄錠的冷卻速度，改善鑄錠的表面質(zhì)量。影響因素二：錠模和涂料性質(zhì)影響凝固傳熱的因素63第63頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月64澆注工藝主要包括澆注溫度、澆注速度及冷卻強度，三者互相配合才能有效地控制凝固傳熱過程，從而獲得所要求的鑄錠組織和質(zhì)量。生產(chǎn)上多用40-150度的過熱度或取液相點的1.05-1.13倍溫度作為澆注溫度，在這樣的過熱溫度范圍內(nèi)，金屬的過熱量比潛熱要小得多。所以，在水冷模及連續(xù)鑄錠的情況下，澆注溫度對鑄錠斷面的溫度分布影響很小。澆注溫度主要對金屬的流動性、二次氧化、吸氣及縮孔等缺陷的形成和鑄錠的表面質(zhì)量具有重大影響。影響因素三：澆注工藝影響凝固傳熱的因素64第64頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月65澆注速度對傳熱過程的影響與鑄錠方法和鑄錠的尺寸密切相關(guān)。水冷模和連鑄結(jié)晶器的表面溫度接近于冷卻水溫度，提高澆速，帶入模中的熱量多，因此鑄錠斷面的溫度梯度大，同時凝固速度也增大。無水冷鐵模鑄錠時，提高澆速，會使溫度梯度和凝固速度有所降低。影響因素三：澆注工藝影響凝固傳熱的因素65第65頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月66冷卻強度是指鑄錠周圍介質(zhì)(如模壁、冷卻水等)在單位時間內(nèi)導(dǎo)走的熱量(即傳熱速度)。冷卻強度大，鑄錠斷面的溫度梯度大，鑄錠的凝固速度也大。無水冷錠模的冷卻強度主要取決于模壁的吸熱能力；連續(xù)鑄錠的冷卻強度主要取決于冷卻水用量或水壓。連續(xù)鑄錠過程需要二次冷卻。一次冷卻僅導(dǎo)出總熱量的15%-20%，使鑄錠成型并有足夠厚的凝殼。二次冷卻保證熱量沿軸向?qū)С觯龠M軸向凝固，使液穴淺平，以獲得致密的鑄錠組織。影響因素三：澆注工藝影響凝固傳熱的因素66第66頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月67影響因素三：澆注工藝影響凝固傳熱的因素67第67頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月68第三節(jié)凝固區(qū)及凝固方式68第68頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月69凝固區(qū)凝固過程中斷面包含：液相區(qū)凝固區(qū)固相區(qū)鑄錠凝固區(qū)寬度b可表示為：（Tl－Ts）為合金的平衡結(jié)晶溫度范圍，G為鑄錠斷面的溫度梯度。調(diào)控G可調(diào)控凝固區(qū)寬度69第69頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月凝固區(qū)傾出邊界：液-固與固-液兩部分的分界質(zhì)量補縮：液-固部分越過傾出邊界，對先凝固的固-液部分進行補縮線收縮開始溫度：固-液部分在溫度降低時可發(fā)生線收縮，開始表現(xiàn)出線收縮的溫度縮松：枝晶間孤立的“熔池”在最后凝固時無法得到鄰近液體的補充凝固區(qū)域的復(fù)雜性70第70頁，課件共76