有色金屬鑄錠凝固基本原理

1、第六講 有色金屬鑄錠凝固基本原理,6.1 液體金屬流動(dòng)與凝固傳熱 6.1.1 液體金屬的流動(dòng) 6.1.2 鑄錠的凝固傳熱,2,6.1 液體金屬流動(dòng)與凝固傳熱,金屬由液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)的相變過(guò)程，稱為金屬的凝固過(guò)程。 鑄錠的凝固過(guò)程包括動(dòng)量、熱量和物質(zhì)的傳輸過(guò)程，液體金屬形核和晶體長(zhǎng)大的相變過(guò)程，以及伴隨上述過(guò)程而發(fā)生的鑄錠組織的形成過(guò)程。 主要討論有色金屬鑄錠凝固過(guò)程的傳輸問(wèn)題和鑄錠組織形成的基本規(guī)律，介紹控制鑄錠組織的基本方法。,3,6.1.1 液體金屬的流動(dòng),液體金屬的對(duì)流：澆注時(shí)流柱沖擊引起的動(dòng)量對(duì)流，金屬液內(nèi)溫度和濃度不均引起的自然對(duì)流，電磁場(chǎng)或機(jī)械攪拌及振動(dòng)引起的強(qiáng)制對(duì)流。 對(duì)于連續(xù)鑄錠，

2、由于澆注和凝固同時(shí)進(jìn)行，動(dòng)量對(duì)流會(huì)連續(xù)不斷地影響金屬液的凝固過(guò)程，如不采取適當(dāng)措施均布液流，過(guò)熱金屬液就會(huì)沖入液穴的下部。 動(dòng)量對(duì)流強(qiáng)烈時(shí)，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。,4,連續(xù)鑄錠過(guò)程中，在金屬液面下垂直導(dǎo)入液流時(shí)，其落點(diǎn)周圍會(huì)形成一個(gè)循環(huán)流動(dòng)的區(qū)域，稱為渦流區(qū)，其特征是在落點(diǎn)中心產(chǎn)生向下的流股，在落點(diǎn)周圍則引起一向上的流股，從而造成上下循環(huán)的對(duì)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(dòng),5,液體金屬的流動(dòng),圖 澆速對(duì)流柱穿透深度的影響 1流柱下落高度200mm

3、；2流柱下落高度為零,圖 流柱下落高度對(duì)其流柱穿透深度的影響 1注管直徑44mm；2注管直徑30mm,6,這種軸向循環(huán)對(duì)流，還會(huì)引起結(jié)晶器內(nèi)金屬液面產(chǎn)生水平對(duì)流，其方向決定著夾渣的聚集地點(diǎn)。下圖表示在液面下垂直導(dǎo)入液流時(shí)，扁錠結(jié)晶器內(nèi)液面水平對(duì)流的大致方向與流柱落點(diǎn)位置的關(guān)系，夾渣將隨液流向落點(diǎn)附近聚集。,液體金屬的流動(dòng),圖 流柱落點(diǎn)位置對(duì)金屬液面對(duì)流分布的影響 (a)流柱落點(diǎn)在中心；(b)流柱落點(diǎn)在一側(cè)；(c)兩個(gè)落點(diǎn),7,導(dǎo)流方式對(duì)對(duì)流分布特征的影響,圖 對(duì)流分布特征隨導(dǎo)流方式變化示意圖 (a) 水平側(cè)孔導(dǎo)流；(b) 側(cè)孔上斜13導(dǎo)流；(c)側(cè)孔上斜30導(dǎo)流,8,自然對(duì)流和熱對(duì)流,金屬液內(nèi)

4、溫度和濃度不均引起的對(duì)流，稱為自然對(duì)流，由溫度不均引起的對(duì)流又稱為熱對(duì)流。 自然對(duì)流的驅(qū)動(dòng)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。同樣，濃度不均也會(huì)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(shí)就會(huì)發(fā)生自然對(duì)流。,9,水平自然對(duì)流,金屬液內(nèi)存在水平溫差或濃度差時(shí)，就產(chǎn)生水平自然對(duì)流，其強(qiáng)度可由無(wú)量綱的Grashof數(shù)來(lái)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；T、C為熱端與冷端間的溫差和濃度差；T、C為由溫度和濃度引起的金屬液體膨脹系數(shù)；=/L為液體金屬的運(yùn)動(dòng)黏度系數(shù)，為動(dòng)力黏度系數(shù)，L為液體金屬的密度。,10,垂直自然對(duì)

5、流,金屬液內(nèi)垂直方向的溫差和濃度差同樣也會(huì)引起自然對(duì)流，其強(qiáng)度可用Rayleigh數(shù)來(lái)衡量。 Rayleigh數(shù)是垂直力向的溫差和濃度差引起自然對(duì)流的判據(jù)。通常，當(dāng)金屬液面為自由界面時(shí)。Ra1100便會(huì)發(fā)生垂直方向的自然對(duì)流。由上式知，其他因素一定時(shí)，Ra隨兩點(diǎn)間溫差的減小而減小，即對(duì)流強(qiáng)度降低。,h金屬液高度，D為溶質(zhì)擴(kuò)散系數(shù),圖 自然對(duì)流強(qiáng)度與溫度差關(guān)系示意圖（Tm為金屬熔點(diǎn)）,12,枝晶間液體金屬的流動(dòng),鑄錠凝固時(shí)，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(dòng)，其驅(qū)動(dòng)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(xì)小的多孔

6、介質(zhì)一樣，近似地遵守Darcy（達(dá)西）定律，即枝晶間金屬液的流速與壓力梯度(grad P)呈直線關(guān)系。,13,枝晶間液體金屬的流動(dòng),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；,0為大氣壓；,為凝固收縮率，S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(qiáng)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(duì)流傳熱系數(shù)，T為金屬熔點(diǎn)與模壁的溫差。,右端第二項(xiàng)為枝晶造成的壓頭損失。內(nèi)此可見(jiàn)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(dòng)的驅(qū)動(dòng)力愈小，流速愈低，因而枝晶偏析程度降低，但顯微

7、縮松會(huì)增多，鑄錠的致密性降低。、和等均影響金屬在枝晶間流動(dòng)的壓頭損失，最終都會(huì)影響顯微縮松及枝晶偏析的形成。,fL為液體體積分?jǐn)?shù)；,14,對(duì)流對(duì)結(jié)晶過(guò)程的影響,金屬的對(duì)流能引起金屬液沖刷模壁和固液界面，造成溫度起伏，導(dǎo)致枝晶脫落和游離，促進(jìn)成分均勻化和傳熱。所有這些都會(huì)影響鑄錠的結(jié)晶過(guò)程及其組織的形成。,15,對(duì)流對(duì)結(jié)晶過(guò)程的影響,當(dāng)鑄錠自下而上凝固時(shí)，由于溫度較低的液體難于上浮，故對(duì)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(shí)，較冷液體易于下沉，對(duì)流強(qiáng)烈，故溫度起伏較大。水平定向凝固時(shí)，由水平溫差引起的自然對(duì)流也會(huì)造成溫度起伏。,圖 鑄錠固液界面不同取向時(shí)，自然對(duì)流對(duì)溫度起伏

8、的影響,16,對(duì)流對(duì)結(jié)晶過(guò)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(qiáng)。低熔點(diǎn)金屬在凝固過(guò)程中，自然對(duì)流造成的溫度起伏，其振幅可達(dá)幾度，而高熔點(diǎn)金屬的溫度起伏振幅可高達(dá)幾十度。動(dòng)量對(duì)流也可造成較強(qiáng)烈的溫度起伏。,圖 水平溫差引起的溫度起伏,17,對(duì)流對(duì)結(jié)晶過(guò)程的影響,鑄錠時(shí)施加穩(wěn)定的中等強(qiáng)度磁場(chǎng)，金屬液就會(huì)以一定的速度定向旋轉(zhuǎn)，這樣就會(huì)抑制金屬液的對(duì)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(duì)流的方向或速度周期性地改變，就可增強(qiáng)金屬液的對(duì)抗，從而引起更強(qiáng)烈的溫度起伏。,圖 穩(wěn)定磁場(chǎng)消除溫度起伏,18,晶體游離與增殖,對(duì)流造成的溫度起伏，可以促

9、使枝晶熔斷。在對(duì)流的作用下，熔斷的枝晶將脫離模壁或凝殼，并被卷進(jìn)鑄錠中部的液體內(nèi)，如它們來(lái)不及完全重熔，則殘留部分可作為晶核長(zhǎng)大成等軸晶。 對(duì)流的沖刷作用也可促使枝晶脫落。因?yàn)殍T錠在凝固過(guò)程中，由于溶質(zhì)的偏析，枝晶根部產(chǎn)生縮頸，此處在對(duì)流的沖刷作用下易于斷開，從而出現(xiàn)枝晶的游離過(guò)程。 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。,19,晶體游離與增殖,圖 晶體游離及增殖過(guò)程示意圖,20,強(qiáng)制對(duì)流對(duì)結(jié)晶過(guò)程的影響,圖 磁場(chǎng)對(duì)Al-2%Cu合金晶粒組織的影響,21,Al-2%Cu合金在無(wú)磁場(chǎng)條件下凝固時(shí)，鑄錠中心出現(xiàn)粗等軸晶，在2000高斯磁場(chǎng)中凝固時(shí)，鑄錠中柱狀晶發(fā)達(dá)，而沒(méi)有中

10、心粗等軸晶區(qū)。 因?yàn)楣潭ǖ拇艌?chǎng)，使金屬液內(nèi)產(chǎn)生穩(wěn)定的強(qiáng)制對(duì)流、嚴(yán)重地抑制了金屬液內(nèi)部的對(duì)流和溫度起伏，因而已形成的晶體難于脫落和游離，無(wú)晶核增殖作用，所以鑄錠中沒(méi)有中心等軸晶區(qū)，而柱狀晶發(fā)達(dá)。離心鑄造易于得到往狀晶，其原因也就在于此。,強(qiáng)制對(duì)流對(duì)結(jié)晶過(guò)程的影響,22,6.1.2 鑄錠的凝固傳熱,在鑄錠的凝固過(guò)程中，一方面金屬的溫度不斷降低，另一方面模壁受熱溫度升高。金屬冷凝的結(jié)果，使鑄錠表面與涂料或模壁之間形成氣隙，鑄錠中出現(xiàn)固液界面。 在各個(gè)界面兩側(cè)，物質(zhì)的熱物理性質(zhì)是不同的，因而構(gòu)成一個(gè)不穩(wěn)定的熱交換體系。對(duì)于這種體系的傳熱問(wèn)題，即鑄錠的凝固傳熱問(wèn)題，無(wú)論在數(shù)學(xué)上還是物理上都是較復(fù)雜的。,

11、23,凝固傳熱的基本微分方程,凝固過(guò)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(lái)描述：,式中，T為溫度，t為時(shí)間，C為熱容，為密度，為導(dǎo)熱系數(shù)，為拉普拉斯算符，當(dāng)C、為常數(shù)時(shí)，令= / C導(dǎo)溫系數(shù)，一維傳熱時(shí)上式變?yōu)椋?經(jīng)拉氏變換，上式的通解為：,24,凝固傳熱的基本微分方程,式中，T是凝固時(shí)間t時(shí)在凝殼或模壁x處的溫度，C1、C2為積分常數(shù)。,誤差函數(shù)，其性質(zhì)為：,25,表 一些材料的熱物理性質(zhì),26,絕熱模中鑄錠的凝固,糠模、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(guò)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(guò)程中保持T0不變，金屬液在熔點(diǎn)

12、溫度Tm時(shí)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TiTm。凝固過(guò)程中某一時(shí)刻，模壁及鑄錠斷面的溫度分布如圖所示。,27,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,= / C,28,絕熱模中鑄錠的凝固,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(shí)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(shí)間內(nèi)的凝殼厚度，可實(shí)驗(yàn)測(cè)定。合金和澆注溫度一定時(shí)，K為常數(shù)。,29,絕熱模中鑄錠的凝固

13、,鑄錠在凝固過(guò)程中，實(shí)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(yuǎn)小于凝固初期的比值，故凝固速度明顯加快。 鑄錠形狀對(duì)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。,半徑為r的圓錠導(dǎo)熱微分方程為：,30,T91鋼水平連鑄凝固過(guò)程 利用COMSOL Multiphysics多物理場(chǎng)模擬軟件模擬水平連鑄凝固傳熱過(guò)程。,COMSOL Multiphysics 的應(yīng)用模塊,31,結(jié)晶器的凝固傳熱,距結(jié)晶器壁的距離/mm,圖2.1 結(jié)晶器橫斷面溫度分布,總的熱流可以表示為：,32,表 模擬條件與物性參數(shù),凝固傳熱模型,33,結(jié)晶器,鋼水,冷卻水,155mm,1395mm,z,