金属熔炼与铸锭-第七讲-铸锭凝固过程的动量和热量传输.ppt

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1、1第七讲铸锭凝固过程的动量和热量传输湖南科技大学机电工程学院2本章要点:主要讨论凝固过程的液体金属流动和金属的凝固传热特点，包括：(1)枝晶间金属流动的速度方程；(2)铸锭凝固传热的微分方程及由此确定影响传热的主要因素。(3)三种凝固方式(顺序凝固、同时凝固、中间凝固)的区别及对应的控制方法铸锭凝固过程的动量和热量传输3第一节凝固过程的动量传输41.充型能力液态合金充满铸型，并获得形状完整轮廓清晰的铸件的能力，叫做液态合金的充型能力。它取决于金属本身的流动能力，同时又受外界条件，如铸型性质、浇注条件、铸件形状等因素的影响，是各种因素的综合反映。合金的铸造性能52.流动性流动

2、性指液态金属本身的流动能力，为金属的铸造性能之一，与成分、温度、杂质含量及其物理性质有关。3.流动性和充型能力的关系流动性好则充型能力强(例如：共晶合金)；反之，则充型能力差。流动性是确定条件下的充型能力；合金一定，流动性一定，但可以通过改变外部条件提高充型能力。合金的铸造性能6凝固过程的动量传输金属的凝固过程：金属由液态变为固态的相变过程，包括：动量、热量和物质的传输过程液体金属形核和晶体长大的相变过程伴随上述过程而发生的铸锭组织的形成过程7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起的强制对流。

3、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，应尽量避免。8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有关。液体金属的流动9液体金属的流动10这种轴向循环对流，还会引起结晶器

4、内金属液面产生水平对流，其方向决定着夹渣的聚集地点。下图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。液体金属的流动11导流方式对对流分布特征的影响12自然对流的驱动力是因密度不同而产生的浮力由于温度不均造成热膨胀不均，致使金属液密度不均而产生浮力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自然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。13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

5、数来衡量：式中，g为重力加速度；b为水平方向热端和冷端间距的一半；ΔT、ΔC为热端与冷端间的温差和浓度差；αT、αC为由温度和浓度引起的金属液体膨胀系数；ν=η/ρL为液体金属的运动黏度系数，η为动力黏度系数，ρL为液体金属的密度。14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。由上式知，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。h金属液高度D为溶质扩散系数1516枝

6、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。fL为液体金属体积分数，p为凝固区内液体金属承受的压力，K为可透性系数，η为常数，大小与枝晶形态和枝晶臂间距有关。17枝晶间液体金属的流动x为离开固液界面的距离；b为凝固区宽度；H为凝固区内x处的液柱高度；ρ0为大气压；为凝固收缩率，ρS为固相密度；在凝固区内距离固液界面x处，

7、液体金属承受的压力：热交换强度因子，其中A为铸锭表面积，V为铸锭体积，h为模壁凝壳界面的对流传热系数，ΔT为金属熔点与模壁的温差。右端第二项为枝晶造成的压头损失。内此可见fL愈小即固相愈多，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α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。这些因素是合理设计冒口或保持适当的金属水平的重要依据。fL为液体体积分数；18枝晶间液