金屬熔煉第六講

1、金屬熔煉第六講第1頁，共47頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)21分，星期三1水冷模中鑄錠的凝固鑄錠在水冷模中的凝固特點(diǎn)，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(dǎo)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。第2頁，共47頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)21分，星期三2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TiT0。由于凝殼內(nèi)存在熱阻，因而也存在溫度梯度。凝固某

2、一時(shí)刻的溫度分布如圖412所示。第3頁，共47頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)21分，星期三3水冷模中鑄錠的凝固以凝殼熱阻為主第4頁，共47頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)21分，星期三4 將凝殼斷面的溫度分布曲線外延至無窮遠(yuǎn)處，則凝殼可看作是一個(gè)半無限厚的物體，其導(dǎo)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第5頁，共47頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)21分，星期三5方程的解為：式中 ，該式表示水冷模中無界面熱阻時(shí)凝殼內(nèi)的溫度分布規(guī)律。X=M時(shí)，水冷模中鑄錠的凝固以凝殼熱阻為主第6頁，共47頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)21分，星期三6水冷模中鑄錠的凝固以凝殼熱阻

3、為主可得到：(4.24)(4.25)第7頁，共47頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)21分，星期三7水冷模中鑄錠的凝固以凝殼熱阻為主第8頁，共47頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)21分，星期三8最后得到：水冷模中鑄錠的凝固以凝殼熱阻為主第9頁，共47頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)21分，星期三9水冷模中鑄錠的凝固以凝殼熱阻為主第10頁，共47頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)21分，星期三10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

4、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414所示。水冷模中鑄錠的凝固以界面熱阻為主第11頁，共47頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)21分，星期三11水冷模中鑄錠的凝固以界面熱阻為主第12頁，共47頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)21分，星期三12水冷模中鑄錠的凝固以界面熱阻為主第13頁，共47頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)21分，星期三13水冷模中鑄錠的凝固以界面熱阻為主第14頁，共47頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)21分，星期三14水冷模中鑄錠的凝固以界面熱阻為主第15頁，共47頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)21分，星期

5、三15水冷模中鑄錠的凝固以界面熱阻為主第16頁，共47頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)21分，星期三16水冷模中鑄錠的凝固以界面熱阻為主第17頁，共47頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)21分，星期三17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(jì)算結(jié)晶器出口處凝黨厚度。（4. 33）第18頁，共47頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)21分，星期三18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：水冷模中鑄錠的凝固以界面熱阻為主第19頁，共47頁，2022年，5月20日，

6、22點(diǎn)21分，星期三19水冷模中鑄錠的凝固以界面熱阻為主第20頁，共47頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)21分，星期三20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(yàn)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：第21頁，共47頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)21分，星期三21水冷模中鑄錠的凝固以界面熱阻為主第22頁，共47頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)21分，星期三22無水冷鐵模中鑄錠的凝固無水冷鐵模中鑄錠的凝固特點(diǎn)，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(jì)，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(shí)刻的溫度分

7、布如圖4-20所示。第23頁，共47頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)21分，星期三23無水冷鐵模中鑄錠的凝固凝殼導(dǎo)熱微分方程為：第24頁，共47頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)21分，星期三24無水冷鐵模中鑄錠的凝固第25頁，共47頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)21分，星期三25無水冷鐵模中鑄錠的凝固第26頁，共47頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)21分，星期三26無水冷鐵模中鑄錠的凝固（4. 43）（4. 44）第27頁，共47頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)21分，星期三27無水冷鐵模中鑄錠的凝固第28頁，共47頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)21分，星期三28影響凝固傳熱的

8、因素金屬性質(zhì)：金屬的導(dǎo)溫系數(shù)a代表其導(dǎo)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?。环粗?，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(dǎo)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。第29頁，共47頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)21分，星期三29錠模和涂料性質(zhì)鑄錠的凝固主要是因模壁吸熱而進(jìn)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(qiáng)。模

9、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(shí)，厚壁錠模比薄壁錠模的冷卻能力稍強(qiáng)。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(qiáng)。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50150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。第30頁，共47頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)21分，星期三30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)嵝圆睿龃竽１阼T錠界面的熱阻，故降低鑄錠的凝固速度，延長凝固時(shí)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

10、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)第31頁，共47頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)21分，星期三31澆注工藝澆注工藝主要包括澆注溫度、澆注速度及冷卻強(qiáng)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(diǎn)的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。第32頁，共47頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)21分，星期三32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

11、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(shí)凝固速度也增大，如圖4-22所示。無水冷鐵模鑄錠時(shí)，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）第33頁，共47頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)21分，星期三33澆注工藝（澆注速度）第34頁，共47頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)21分，星期三34冷卻強(qiáng)度是指鑄錠周圍介質(zhì)(如模壁、冷卻水等)在單位時(shí)間內(nèi)導(dǎo)走的熱量(即傳熱速度)。冷卻強(qiáng)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(qiáng)度主要取決于模壁的吸熱能力；連續(xù)鑄錠的冷卻強(qiáng)度主要取決于冷卻水用量或水壓。澆注工藝（冷卻強(qiáng)度）第35頁

12、，共47頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)21分，星期三35澆注工藝第36頁，共47頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)21分，星期三36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(gè)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：（TlTs）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(shí)，枝晶間得不到別處金屬液的補(bǔ)充而形成縮松。在液固區(qū)內(nèi)，固相懸浮在液體當(dāng)中，可以自由移動和長大。第37頁，共47頁

13、，2022年，5月20日，22點(diǎn)21分，星期三37凝固區(qū)與凝固方式第38頁，共47頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)21分，星期三38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(shí)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(shí)鑄錠便以順序方式進(jìn)行凝固。特點(diǎn)：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(jìn)。凝固區(qū)與凝固方式第39頁，共47頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)21分，星期三39順序凝固圖中Tl是金屬的熔點(diǎn)，T1和T2是鑄錠斷面兩個(gè)不同時(shí)刻的溫度場。順序凝固時(shí)，由于固/液界面是平滑的，

14、所以當(dāng)液體凝固發(fā)生體收縮時(shí)，可以不斷地得到液體的補(bǔ)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(shí)，因有液體的充填而愈合，所以鑄錠的熱裂傾較小。第40頁，共47頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)21分，星期三40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。順序凝固第41頁，共47頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)21分，星期三41鑄錠順序凝固時(shí)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(dāng)合金成分一定，連續(xù)鑄錠比鐵模鑄錠的柱狀晶發(fā)達(dá)。因?yàn)榍罢呃鋮s強(qiáng)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

15、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。順序凝固第42頁，共47頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)21分，星期三42同時(shí)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(shí)凝固方式進(jìn)行，如圖4-27所示。特點(diǎn)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(shí)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(diǎn)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(gè)凝固區(qū)。第43頁，共47頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)21分，星期三43同時(shí)凝固第44頁，共47頁，2022年，5月2