金属熔炼第六讲

金属熔炼第六讲1第1页，共47页，2023年，2月20日，星期四水冷模中铸锭的凝固铸锭在水冷模中的凝固特点，是冷却迅速，凝壳断面的温度变化较陡，而模壁的温度几乎不变。以凝壳热阻为主：对于大型铸锭，水冷模激冷作用的影响有限，铸锭中心的传热过程主要由凝壳导热能力来决定。因此，这里所讨论的问题，对分析大型铸锭的凝固传热是有益的。2第2页，共47页，2023年，2月20日，星期四水冷模中铸锭的凝固——以凝壳热阻为主无过热的金属液浇入水冷模，模温T0保持不变，铸锭表面急剧冷却到Ti，假定铸锭与模壁接触良好、无界面热阻，因此Ti＝T0。由于凝壳内存在热阻，因而也存在温度梯度。凝固某一时刻的温度分布如图4－12所示。3第3页，共47页，2023年，2月20日，星期四水冷模中铸锭的凝固——以凝壳热阻为主4第4页，共47页，2023年，2月20日，星期四将凝壳断面的温度分布曲线外延至无穷远处，则凝壳可看作是一个半无限厚的物体，其导热微分方程和定解条件分别为:水冷模中铸锭的凝固——以凝壳热阻为主5第5页，共47页，2023年，2月20日，星期四方程的解为：式中，该式表示水冷模中无界面热阻时凝壳内的温度分布规律。X=M时，水冷模中铸锭的凝固——以凝壳热阻为主6第6页，共47页，2023年，2月20日，星期四水冷模中铸锭的凝固——以凝壳热阻为主可得到：(4.24)(4.25)7第7页，共47页，2023年，2月20日，星期四水冷模中铸锭的凝固——以凝壳热阻为主8第8页，共47页，2023年，2月20日，星期四最后得到：水冷模中铸锭的凝固——以凝壳热阻为主9第9页，共47页，2023年，2月20日，星期四水冷模中铸锭的凝固——以凝壳热阻为主10第10页，共47页，2023年，2月20日，星期四水冷模或结晶器内表面常涂以导热性差的涂料或润滑油，并且模壁与凝壳之间由于凝固收缩而存在气隙，所以，模壁与凝壳之间有较大的界面热阻。界面热阻的存在改变了铸锭凝固过程的传热特性，使铸锭表面温度Ti不等于T0，凝壳断面的温度梯度减小。为简化分析过程，假定凝壳断面的温度呈直线变化，模温T0不变，如图4－14所示。水冷模中铸锭的凝固——以界面热阻为主11第11页，共47页，2023年，2月20日，星期四水冷模中铸锭的凝固——以界面热阻为主12第12页，共47页，2023年，2月20日，星期四水冷模中铸锭的凝固——以界面热阻为主13第13页，共47页，2023年，2月20日，星期四水冷模中铸锭的凝固——以界面热阻为主14第14页，共47页，2023年，2月20日，星期四水冷模中铸锭的凝固——以界面热阻为主15第15页，共47页，2023年，2月20日，星期四水冷模中铸锭的凝固——以界面热阻为主16第16页，共47页，2023年，2月20日，星期四水冷模中铸锭的凝固——以界面热阻为主17第17页，共47页，2023年，2月20日，星期四水冷模中铸锭的凝固——以界面热阻为主式中表示模壁与凝壳之间的平均对流传热系数。该式表示金属液无过热条件下，结晶内凝壳厚度与浇速的关系，可用于计算结晶器出口处凝党厚度。（4.33）18第18页，共47页，2023年，2月20日，星期四根据热平衡原理，也可导出扁锭的宽面或窄面在结晶器出口处的疑壳厚度关系式：水冷模中铸锭的凝固——以界面热阻为主19第19页，共47页，2023年，2月20日，星期四水冷模中铸锭的凝固——以界面热阻为主20第20页，共47页，2023年，2月20日，星期四水冷模中铸锭的凝固——以界面热阻为主用于连续铸锭传热的经验公式：连续铸锭凝壳厚度：平均凝固速度：液穴深度扁锭：圆锭：21第21页，共47页，2023年，2月20日，星期四水冷模中铸锭的凝固——以界面热阻为主22第22页，共47页，2023年，2月20日，星期四无水冷铁模中铸锭的凝固无水冷铁模中铸锭的凝固特点，是在模壁和凝壳内部有温度梯度。假定模壁／凝壳界面热阻小而忽略不计，模壁足够厚，其外表温度保持T0不变，金属液没有过热。凝固过程中某一时刻的温度分布如图4-20所示。23第23页，共47页，2023年，2月20日，星期四无水冷铁模中铸锭的凝固凝壳导热微分方程为：24第24页，共47页，2023年，2月20日，星期四无水冷铁模中铸锭的凝固25第25页，共47页，2023年，2月20日，星期四无水冷铁模中铸锭的凝固26第26页，共47页，2023年，2月20日，星期四无水冷铁模中铸锭的凝固（4.43）（4.44）27第27页，共47页，2023年，2月20日，星期四无水冷铁模中铸锭的凝固28第28页，共47页，2023年，2月20日，星期四影响凝固传热的因素金属性质：金属的导温系数a代表其导热能力的大小。a大，铸锭内部温度易于均匀，温度分布曲线就比较平坦，温度梯度小；反之，温度分布曲线就比较陡，温度梯度大。随合金化程度的提高，金属导热性降低，因而铸锭断面的温度梯度增大。金属的结晶潜热大，向凝壳传输的热量多，模壁温度高，故降低铸锭的冷却速度和断面的温度梯度。金属的凝固温度高，铸锭表里温差大，温度分布曲线陡。29第29页，共47页，2023年，2月20日，星期四锭模和涂料性质铸锭的凝固主要是因模壁吸热而进行的，模壁外表面向周围介质辐射和对流散热的作用不大。因此，铸锭的凝固速度主要取决于锭模的冷却能力。锭模的蓄热系数大，冷却能力强。模壁厚度和温度对冷却能力也有一定的影响。在铁模铸锭和其他条件不变时，厚壁锭模比薄壁锭模的冷却能力稍强。但由于铁模的导热系数较小，锭模增大至一定厚度以后，其冷却能力便不再增强。模壁厚度对水冷模的冷却能力无明显影响。为防止变形，模壁宜较厚。模温在50－150度范围内变动，对铸锭的凝固速度和晶粒组织几乎没有影响。30第30页，共47页，2023年，2月20日，星期四涂料分为耐火性涂料和挥发性涂料两种。氧化锌等耐火性涂料，因导热性差，增大模壁／铸锭界面的热阻，故降低铸锭的凝固速度，延长凝固时间。挥发性涂料留在模壁上的残焦，可减小界面热阻，使传热性能力有所改善。生产中常用改变涂料层厚度、组成及性质的方法来调节铸锭的冷却速度，改善铸锭的表面质量。锭模和涂料性质31第31页，共47页，2023年，2月20日，星期四浇注工艺浇注工艺主要包括浇注温度、浇注速度及冷却强度，三者互相配合才能有效地控制凝固传热过程，从而获得所要求的铸锭组织和质量。生产上多用40-150度的过热度或取液相点的1.05-1.13倍温度作为浇注温度。在这样的过热温度范围内，金属的过热量比潜热要小得多。所以，在水冷模及连续铸锭的情况下，浇注温度对铸锭断面的温度分布影响很小。32第32页，共47页，2023年，2月20日，星期四浇注速度对传热过程的影响与铸锭方法和铸锭的尺寸密切相关。水冷模和连铸结晶器的表面温度接近于冷却水温度，提高浇速，带入模中的热量多，因此铸锭断面的温度梯度大，同时凝固速度也增大，如图4-22所示。无水冷铁模铸锭时，提高浇速，会使温度梯度和凝固速度有所降低。浇注工艺（浇注速度）33第33页，共47页，2023年，2月20日，星期四浇注工艺（浇注速度）34第34页，共47页，2023年，2月20日，星期四冷却强度是指铸锭周围介质(如模壁、冷却水等)在单位时间内导走的热量(即传热速度)。冷却强度大，铸锭断面的温度梯度大，铸锭的凝固速度也大。无水冷锭模的冷却强度主要取决于模壁的吸热能力；连续铸锭的冷却强度主要取决于冷却水用量或水压。浇注工艺（冷却强度）35第35页，共47页，2023年，2月20日，星期四浇注工艺36第36页，共47页，2023年，2月20日，星期四凝固区与凝固方式凝固区：除纯金属和共晶成分合金外，其他合金铸锭在凝固过程中，其断面一船部存在三个区域：固相区、凝固区和液相区。凝固区宽度b可表示为：（Tl－Ts）为合金的平衡结晶温度范围；G为铸锭断面的温度梯度。凝固区又可划分为以固相为主的固液区和以液相为主的液固区。在固液区内，固相已连接成一整体的晶体骨架，枝晶间残留的少量液体互不流通。最后凝固收缩时，枝晶间得不到别处金属液的补充而形成缩松。在液固区内，固相悬浮在液体当中，可以自由移动和长大。37第37页，共47页，2023年，2月20日，星期四凝固区与凝固方式38第38页，共47页，2023年，2月20日，星期四凝固方式：铸锭的凝固方式是根据凝固区宽度划分的，有顺序凝固、同时凝固和中间凝固三种。纯金属和共晶合金的结晶温度范围等于零，它们在凝固过程中只出现固相区和液相区，没有凝固区。此时铸锭便以顺序方式进行凝固。特点：铸锭在凝固过程中，随温度的降低，平滑的固／液界面逐步向铸锭中心推进。凝固区与凝固方式39第39页，共47页，2023年，2月20日，星期四顺序凝固图中Tl是金属的熔点，T1和T2是铸锭断面两个不同时刻的温度场。顺序凝固时，由于固/液界面是平滑的，所以当液体凝固发生体收缩时，可以不断地得到液体的补充，因而铸锭产生分散性缩孔的倾向小，但在铸锭最后凝固的头部易形成集中缩孔。此外，界面附近出现裂纹时，因有液体的充填而愈合，所以铸锭的热裂倾较小。40第40页，共47页，2023年，2月20日，星期四合金的结晶温度范围小，或铸锭断面的温度梯度较大的情况下，凝固区的宽度便窄。顺序凝固41第41页，共47页，2023年，2月20日，星期四铸锭顺序凝固时易于得到柱状晶，即凝固区愈窄，铸锭中形成柱状晶的倾向愈大。当合金成分一定，连续铸锭比铁模铸锭的柱状晶发达。因为前者冷却强度大，温度梯度大，凝固区窄。纯金属铸锭的凝固区宽度接近于零，因而纯金属比合金更易于生成柱状晶。可见，保持狭小的凝固区宽度是获得柱状晶的重要条件之一。顺序凝固42第42页，共47页，2023年，2月20日，星期四同时凝固合金的结晶温度范围宽或其铸锭断面的温度梯度小，凝固区宽，铸锭就多以同时凝固方式进行，如图4-27所示。特点是在凝固区内靠近固相区前沿的液体中，首先形成一批小晶体，同时在其周围的液体中由于山现溶质偏析，使该部分液体的凝固点降低，晶体生长受到抑制，因而在该溶质偏析区外围的过冷液体中，立即形成另一批小晶体，并很快也被溶质偏析的液体包围住，长大受阻，于是再形成第三批小晶体。如此继续下去，小晶体很快布满整个凝固区。43第43页，共47页，2023年，2月20日，星期四同时凝固44第