金屬熔煉第六講

金屬熔煉第六講1第一頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期五水冷模中鑄錠的凝固鑄錠在水冷模中的凝固特點，是冷卻迅速，凝殼斷面的溫度變化較陡，而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熱能力來決定。因此，這里所討論的問題，對分析大型鑄錠的凝固傳熱是有益的。2第二頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期五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4－12所示。3第三頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期五水冷模中鑄錠的凝固——以凝殼熱阻為主4第四頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期五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，其導熱微分方程和定解條件分別為:水冷模中鑄錠的凝固——以凝殼熱阻為主5第五頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期五方程的解為：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，水冷模中鑄錠的凝固——以凝殼熱阻為主6第六頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期五水冷模中鑄錠的凝固——以凝殼熱阻為主可得到：(4.24)(4.25)7第七頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期五水冷模中鑄錠的凝固——以凝殼熱阻為主8第八頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期五最后得到：水冷模中鑄錠的凝固——以凝殼熱阻為主9第九頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期五水冷模中鑄錠的凝固——以凝殼熱阻為主10第十頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期五水冷模或結(jié)晶器內(nèi)表面常涂以導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4－14所示。水冷模中鑄錠的凝固——以界面熱阻為主11第十一頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期五水冷模中鑄錠的凝固——以界面熱阻為主12第十二頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期五水冷模中鑄錠的凝固——以界面熱阻為主13第十三頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期五水冷模中鑄錠的凝固——以界面熱阻為主14第十四頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期五水冷模中鑄錠的凝固——以界面熱阻為主15第十五頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期五水冷模中鑄錠的凝固——以界面熱阻為主16第十六頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期五水冷模中鑄錠的凝固——以界面熱阻為主17第十七頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期五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)晶器出口處凝黨厚度。（4.33）18第十八頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期五根據(jù)熱平衡原理，也可導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：水冷模中鑄錠的凝固——以界面熱阻為主19第十九頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期五水冷模中鑄錠的凝固——以界面熱阻為主20第二十頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期五水冷模中鑄錠的凝固——以界面熱阻為主用于連續(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：21第二十一頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期五水冷模中鑄錠的凝固——以界面熱阻為主22第二十二頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期五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4-20所示。23第二十三頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期五無水冷鐵模中鑄錠的凝固凝殼導熱微分方程為：24第二十四頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期五無水冷鐵模中鑄錠的凝固25第二十五頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期五無水冷鐵模中鑄錠的凝固26第二十六頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期五無水冷鐵模中鑄錠的凝固（4.43）（4.44）27第二十七頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期五無水冷鐵模中鑄錠的凝固28第二十八頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期五影響凝固傳熱的因素金屬性質(zhì)：金屬的導溫系數(shù)a代表其導熱能力的大小。a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。隨合金化程度的提高，金屬導熱性降低，因而鑄錠斷面的溫度梯度增大。金屬的結(jié)晶潛熱大，向凝殼傳輸?shù)臒崃慷?，模壁溫度高，故降低鑄錠的冷卻速度和斷面的溫度梯度。金屬的凝固溫度高，鑄錠表里溫差大，溫度分布曲線陡。29第二十九頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期五錠模和涂料性質(zhì)鑄錠的凝固主要是因模壁吸熱而進行的，模壁外表面向周圍介質(zhì)輻射和對流散熱的作用不大。因此，鑄錠的凝固速度主要取決于錠模的冷卻能力。錠模的蓄熱系數(shù)大，冷卻能力強。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。模壁厚度對水冷模的冷卻能力無明顯影響。為防止變形，模壁宜較厚。模溫在50－150度范圍內(nèi)變動，對鑄錠的凝固速度和晶粒組織幾乎沒有影響。30第三十頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期五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?，增大模壁／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。錠模和涂料性質(zhì)31第三十一頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期五澆注工藝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。32第三十二頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期五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，如圖4-22所示。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。澆注工藝（澆注速度）33第三十三頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期五澆注工藝（澆注速度）34第三十四頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期五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。澆注工藝（冷卻強度）35第三十五頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期五澆注工藝36第三十六頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期五凝固區(qū)與凝固方式凝固區(qū)：除純金屬和共晶成分合金外，其他合金鑄錠在凝固過程中，其斷面一船部存在三個區(qū)域：固相區(qū)、凝固區(qū)和液相區(qū)。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。凝固區(qū)又可劃分為以固相為主的固液區(qū)和以液相為主的液固區(qū)。在固液區(qū)內(nèi)，固相已連接成一整體的晶體骨架，枝晶間殘留的少量液體互不流通。最后凝固收縮時，枝晶間得不到別處金屬液的補充而形成縮松。在液固區(qū)內(nèi)，固相懸浮在液體當中，可以自由移動和長大。37第三十七頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期五凝固區(qū)與凝固方式38第三十八頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期五凝固方式：鑄錠的凝固方式是根據(jù)凝固區(qū)寬度劃分的，有順序凝固、同時凝固和中間凝固三種。純金屬和共晶合金的結(jié)晶溫度范圍等于零，它們在凝固過程中只出現(xiàn)固相區(qū)和液相區(qū)，沒有凝固區(qū)。此時鑄錠便以順序方式進行凝固。特點：鑄錠在凝固過程中，隨溫度的降低，平滑的固／液界面逐步向鑄錠中心推進。凝固區(qū)與凝固方式39第三十九頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期五順序凝固圖中Tl是金屬的熔點，T1和T2是鑄錠斷面兩個不同時刻的溫度場。順序凝固時，由于固/液界面是平滑的，所以當液體凝固發(fā)生體收縮時，可以不斷地得到液體的補充，因而鑄錠產(chǎn)生分散性縮孔的傾向小，但在鑄錠最后凝固的頭部易形成集中縮孔。此外，界面附近出現(xiàn)裂紋時，因有液體的充填而愈合，所以鑄錠的熱裂傾較小。40第四十頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期五合金的結(jié)晶溫度范圍小，或鑄錠斷面的溫度梯度較大的情況下，凝固區(qū)的寬度便窄。順序凝固41第四十一頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期五鑄錠順序凝固時易于得到柱狀晶，即凝固區(qū)愈窄，鑄錠中形成柱狀晶的傾向愈大。當合金成分一定，連續(xù)鑄錠比鐵模鑄錠的柱狀晶發(fā)達。因為前者冷卻強度大，溫度梯度大，凝固區(qū)窄。純金屬鑄錠的凝固區(qū)寬度接近于零，因而純金屬比合金更易于生成柱狀晶?？梢?，保持狹小的凝固區(qū)寬度是獲得柱狀晶的重要條件之一。順序凝固42第四十二頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期五同時凝固合金的結(jié)晶溫度范圍寬或其鑄錠斷面的溫度梯度小，凝固區(qū)寬，鑄錠就多以同時凝固方式進行，如圖4-27所示。特點是在凝固區(qū)內(nèi)靠近固相區(qū)前沿的液體中，首先形成一批小晶體，同時在其周圍的液體中由于山現(xiàn)溶質(zhì)偏析，使該部分液體的凝固點降低，晶體生長受到抑制，因而在該溶質(zhì)偏析區(qū)外圍的過冷液體中，立即形成另一批小晶體，并很快也被溶質(zhì)偏析的液體包圍住，長大受阻，于是再形成第三批小晶體。如此繼續(xù)下去，小晶體很快布滿整個凝固區(qū)。43第四十三頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期五同時凝固44第