有色金属熔炼与铸锭电子课件项目四.ppt

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1、第四章有色金属铸锭凝固基本原理4.1液体金属流动与凝固传热4.1.1液体金属的流动4.1.2铸锭的凝固传热4.1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。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。2021/9/182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量对流，金属液内温度和浓度不均引起的自然对流，电磁场或机械搅拌及振动引

2、起的强制对流。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。2021/9/183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，称为涡流区，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透深度，是与浇速、浇温、流柱下落高度、结晶器尺寸及注管直径等

3、有关。2021/9/184液体金属的流动2021/9/185液体金属的流动2021/9/186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4－3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。2021/9/187液体金属的流动2021/9/188导流方式对对流分布特征的影响2021/9/189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，由温度不均引起的对流又称为热对流。自然对流的驱动力是因密度不同而

4、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。当浮力大于金属液的粘滞力时就会发生自然对流。2021/9/1810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Grashof数来衡量：2021/9/1811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．Ra＞1100便会发生垂直方向的自然对流。由

5、式(4．3)知，其他因素一定时，Ra随两点间温差的减小而减小．即对流强度降低，如图4－5所示。2021/9/1812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(gradP)呈直线关系：2021/9/1814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

6、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：一维流动时：代入上式积分得：2021/9/1815枝晶间液体金属的流动2021/9/1816枝晶间液体金属的流动式(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。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。η、γ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

7、枝晶偏析的形成。2021/9/1817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，铸锭由上而下凝固时，较冷液体易于下沉，对流强烈，故温度起伏较大。2021/9/1818对流对结晶过程的影响2021/9/1819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

8、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。2021/9/1820对流对结晶过程的影响2021/9