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1、4.1 液体金属流动与凝固传热液体金属流动与凝固传热金属由液态变为固态的相变过程，称为金属的凝固过程金属的凝固过程。铸锭的凝固过程包括动量、热量和物质的传输过程，液体金属生核和晶体长大的相变过程，以及伴随上述过程而发生的铸锭组织的形成过程。主要讨论有色金属铸锭凝固过程的传输问题和铸锭组织形成的基本规律，介绍控制铸锭组织的基本方法。2022/7/112液体金属的流动液体金属的流动液体金属的对流：浇注时流柱冲击引起的动动量量对对流流，金属液内温度和浓度不均引起的自自然然对对流流，电磁场或机械搅拌及振动引起的强制对流强制对流。对于连续铸锭，由于浇注和凝固同时进行，动量对流会连续不断地影响金属液的凝固
2、过程，如不采取适当措施均布液流，过热金属液就会冲入液穴的下部。动量对流强烈时，易卷入大量气体，增加金属的二次氧化，不利于夹渣的上浮。2022/7/113液体金属的流动液体金属的流动连续铸锭过程中，在金属液面下垂直导入液流时，其落点周围会形成一个循环流动的区域，称为涡涡流流区区，其特征是在落点中心产生向下的流股，在落点周围则引起一向上的流股，从而造成上下循环的对流。沿液穴轴向对流往下延伸的距离，即流柱在液穴中的穿穿透透深深度度，是与浇速、浇温、流柱下落高度、结晶器尺寸及注管直径等有关。2022/7/114液体金属的流动液体金属的流动2022/7/115液体金属的流动液体金属的流动2022/7/1
3、16液体金属的流动液体金属的流动这种轴向循环对流，还会引起结晶器内金属液面产生水平对流，其方向决定着夹渣的聚集地点。图43表示在液面下垂直导入液流时，扁锭结晶器内液面水平对流的大致方向与流柱落点位置的关系，夹渣将随液流向落点附近聚集。2022/7/117液体金属的流动液体金属的流动2022/7/118导流方式对对流分布特征的影响导流方式对对流分布特征的影响2022/7/119自然对流和热对流自然对流和热对流金属液内温度和浓度不均引起的对流，称为自然对流自然对流，由温度不均引起的对流又称为热对流热对流。自然对流的驱动力是因密度不同密度不同而产生的浮力。由于温度不均造成热膨胀不均，致使金属液密度不
4、均而产生浮力。同样，浓度不均也会造成密度不均而产生浮力。当浮力大浮力大于金属液的粘滞力于金属液的粘滞力时就会发生自然对流。2022/7/1110水平自然对流水平自然对流金属液内存在水平温差或浓度差时，就产生水平自然对流，其强度可由无量纲的Gra shof数来衡量：2022/7/1111垂直自然对流垂直自然对流金属液内垂直方向的温差和浓度差同样也会引起自然对流，其强度可用Rayleigh数来衡量。Rayleigh数是垂直力向的温差和浓度差引起自然对流的判据。通常，当金属液面为自由界面时Ra1100便会发生垂直方向的自然对流。由式(43)知，其他因素一定时，Ra随两点间温差的减小而减小即对流强度降
5、低，如图45所示。2022/7/1112枝晶间液体金属的流动枝晶间液体金属的流动铸锭凝固时，在凝固区(固液两相共存区)内，枝晶间的液体金属仍能流动，其驱动力是液体体收缩、凝固体收缩，枝晶间相通的液体静压力及析出的气体压力等。金属液流经枝晶间隙如同流体流经细小的多孔介质一样，近似地遵守Darcy（达西）定律，即枝晶间金属液的流速与压力梯度(grad P)呈直线关系：2022/7/1114枝晶间液体金属的流动枝晶间液体金属的流动 假定金属凝固是模壁凝壳界面热阻控制的一维传热过程，且凝固区较窄，其中的温度梯度可忽赂不计，固相体积分数各处相同，固相和液相密度不随时间变化，则可导出一维流速：2022/7
6、/1115一维流动时：代入上式积分得：枝晶间液体金属的流动枝晶间液体金属的流动2022/7/1116枝晶间液体金属的流动枝晶间液体金属的流动2022/7/1117o式(4.8)表示在凝固区内距离固液界面x处，液体金属承受的压力。o右端第二项为枝晶造成的压头损失。内此可见fL愈小即固相愈乡，压力损失愈大；距离固液界面愈近(即x愈小)，压头损失愈大，则枝晶间液体金属流动的驱动力愈小，流速愈低，因而枝晶偏析程度降低，但显微缩松会增多，铸锭的致密性降低。、和a等均影响金属在枝晶间流动的压头损失，最终都会影响显微缩松及枝晶偏析的形成。对流对结晶过程的影响对流对结晶过程的影响金属的对流能引起金属液冲刷模壁
7、和固液界面，造成温度起伏，导致枝晶脱落和游离，促进成分均匀化和传热。所有这些都会影响铸锭的结晶过程及其组织的形成。当铸锭自下而上自下而上凝固时，由于温度较低的液体难于上浮，故对流不能发生，金属液内不产生温度起伏。反之，铸锭由上而下由上而下凝固时，较冷液体易于下沉，对流强烈，故温度起伏较大。2022/7/1118对流对结晶过程的影响对流对结晶过程的影响2022/7/1119对流对结晶过程的影响对流对结晶过程的影响水平定向凝固时，由水平温差引起的自然对流也会造成温度起伏。随着冷热端温差或温度梯度G的增大，温度起伏逐渐增强。低熔点金属在凝固过程中，自然对流造成的温度起伏，其振幅可达几度，而高熔点金属
8、的温度起伏振幅可高达几十度。动量对流也可造成较强烈的温度起伏。2022/7/1120对流对结晶过程的影响对流对结晶过程的影响2022/7/1121对流对结晶过程的影响对流对结晶过程的影响强制对流可能增强温度起伏，也可能抑制温度起伏，这要视强制对流是加强还是削弱金属液内已有的对流而定。例如。铸锭时施加一稳定的中等强度磁场，金属液就会以一定的速度定向旋转，这样就会抑制金属液的对流，削弱甚至消除温度起伏，如图48所示。以一定的速度定向旋转锭模，可得到同样的结果。反之、如果对流的方向或速度周期性地改变，就可增强金属液的对抗，从而引起更强烈的温度起伏。2022/7/1122晶体游离与增殖晶体游离与增殖对
9、流造成的温度起伏，可以促使枝晶熔断。在对流的作用下熔断的枝晶将脱离模壁或凝壳，并被卷进铸锭中部的液体内，如它们来不及完全重熔，则残留部分可作为晶核长大成等轴晶。对流的冲刷作用也可促使枝晶脱落。因为铸锭在凝固过程中，由于溶质的偏析，枝晶根部产生缩颈，此处在对流的冲刷作用下易于断开，从而出现枝晶的游离过程。晶体的游离有利于金属液内部晶核的增殖，因而有利于等轴晶的形成。2022/7/1123晶体游离与增殖晶体游离与增殖2022/7/1124强制对流对结晶过程的影响强制对流对结晶过程的影响2022/7/1125强制对流对结晶过程的影响强制对流对结晶过程的影响Al-2%Cu合金在无磁场条件下凝固时，铸锭
10、中心出现粗等轴晶，在2000高斯磁场中凝固时，铸锭中柱状晶发达，而没有中心粗等轴晶区。因为固定强磁场，使金属液内产生稳定的强制对流、严重地抑制了金属液内部的对流和温度起伏，因而已形成的晶体难于脱落和游离，无晶核增殖作用，所以铸锭中没有中心等轴晶区，而柱状晶发达。离心铸造易于得到柱状晶，其原因也就在于此。2022/7/11264.2 铸锭的凝固传热铸锭的凝固传热在铸锭的凝固过程中，一方面金属的温度不断降低，另一方面模壁受热温度升高。金属冷凝的结果，使铸锭表面与涂料或模壁之间形成气隙，铸锭中出现固液界面。在各个界面两侧，物质的热物理性质是不同的，因而构成一个不稳定的热交换体系。对于这种体系的传热问
11、题，即铸锭的凝固传热问题，无论在数学上还是物理上都是较复杂的。2022/7/1127凝固传热的基本微分方程凝固传热的基本微分方程2022/7/1128凝固传热的基本微分方程凝固传热的基本微分方程2022/7/1129绝热模中铸锭的凝固绝热模中铸锭的凝固2022/7/1130绝热模中铸锭的凝固绝热模中铸锭的凝固糠模、砂模和石墨模等的导热性差，可看作是绝热模。铸锭在绝热模中的凝固传热过程，由模壁热阻控制。假定模壁足够厚，其外表面温度在凝固过程中保持T0不变，金属液在熔点温度Tm时浇入模中，并在Tm温度下凝固完毕。因所有热阻几乎都在模壁内，故模壁内表面温度TiTm。凝固过程中某一时刻，模壁及铸锭断面
12、的温度分布如图41所示。2022/7/1131绝热模中铸锭的凝固绝热模中铸锭的凝固2022/7/1132绝热模中铸锭的凝固绝热模中铸锭的凝固2022/7/1133假定在模壁凝壳界面，铸锭凝固放出潜热的比热流量q1等于模壁导走的比热流量q2，并忽略液体金属的显热，则可求出凝固时间为t时的凝壳厚度M及凝固速度R。(4.13)绝热模中铸锭的凝固绝热模中铸锭的凝固2022/7/1134绝热模中铸锭的凝固绝热模中铸锭的凝固2022/7/1135绝热模中铸锭的凝固绝热模中铸锭的凝固铸锭在凝固过程中，实际并非始终遵循平方根定律。在凝固后期，因铸锭中心金属液体积与其散热表面积之比远小于凝固初期的比值，故凝固速
13、度明显加快。铸锭形状对凝固传热的影响显著。Chvo rinov提出用铸锭或铸件的体积V与其表面积A之比代替凝壳厚度M。2022/7/1136半径为r的圆锭导热微分方程为：水冷模中铸锭的凝固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。37水冷模中铸锭的凝固水冷模中铸锭的凝固以凝壳热阻为主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
14、定铸锭与模壁接触良好、无界面热阻，因此TiT0。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412所示。38水冷模中铸锭的凝固水冷模中铸锭的凝固以凝壳热阻为主以凝壳热阻为主39水冷模中铸锭的凝固水冷模中铸锭的凝固以凝壳热阻为主以凝壳热阻为主 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:40水冷模中铸锭的凝固水冷模中铸锭的凝固以凝壳热阻为主以凝壳热阻为主方程的解为：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，41水冷模中铸锭的凝固水冷模中铸锭的凝固以凝壳热阻为主以凝壳热阻为主42可得到：(
15、4.24)(4.25)水冷模中铸锭的凝固水冷模中铸锭的凝固以凝壳热阻为主以凝壳热阻为主43水冷模中铸锭的凝固水冷模中铸锭的凝固以凝壳热阻为主以凝壳热阻为主44最后得到：水冷模中铸锭的凝固水冷模中铸锭的凝固以凝壳热阻为主以凝壳热阻为主45水冷模中铸锭的凝固水冷模中铸锭的凝固以界面热阻为主以界面热阻为主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414所
16、示。46水冷模中铸锭的凝固水冷模中铸锭的凝固以界面热阻为主以界面热阻为主47水冷模中铸锭的凝固水冷模中铸锭的凝固以界面热阻为主以界面热阻为主48水冷模中铸锭的凝固水冷模中铸锭的凝固以界面热阻为主以界面热阻为主49水冷模中铸锭的凝固水冷模中铸锭的凝固以界面热阻为主以界面热阻为主50水冷模中铸锭的凝固水冷模中铸锭的凝固以界面热阻为主以界面热阻为主51水冷模中铸锭的凝固水冷模中铸锭的凝固以界面热阻为主以界面热阻为主52水冷模中铸锭的凝固水冷模中铸锭的凝固以界面热阻为主以界面热阻为主53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）水冷模中铸锭的凝固水冷模中铸锭的凝固以界面热阻为主以界面热阻为主根据热平衡原理，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：54水冷模中铸锭的凝固水冷模中铸锭的凝固以界面热阻为主以界面热阻为主55水冷模中铸锭的凝固水冷模中铸锭的凝固以界面热阻为主以界面热阻为主56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：水冷模中铸锭的
