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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。,2023/3/20,2,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。对于连续铸锭，由于浇
2、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。,2023/3/20,3,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有关。,2023/3/20,4,液体金属的流动,2023/3/20,5,液体金属的流
3、动,2023/3/20,6,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。,2023/3/20,7,液体金属的流动,2023/3/20,8,导流方式对对流分布特征的影响,2023/3/20,9,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
4、生浮力。当浮力大于金属液的粘滞力时就会发生自然对流。,2023/3/20,10,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：,2023/3/20,11,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低，如图45所示。,2023/3/20,12,枝晶间液体金属的流动,铸锭凝固时
5、，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：,2023/3/20,14,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：,2023/3/20,15,一维流动时：,代入上式积分得：,枝晶间液体金属的流动,2023/3/20,16,枝晶间液
6、体金属的流动,2023/3/20,17,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。、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,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
7、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。,2023/3/20,18,对流对结晶过程的影响,2023/3/20,19,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。,2023/3/20,20,对流对结晶过程的影响,2023/3/20,21,对流对结晶过程的影响,强制对流可能增强温度起伏
8、，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。,2023/3/20,22,晶体游离与增殖,对流造成的温度起伏，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
9、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。,2023/3/20,23,晶体游离与增殖,2023/3/20,24,强制对流对结晶过程的影响,2023/3/20,25,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
10、达。离心铸造易于得到柱状晶，其原因也就在于此。,2023/3/20,26,4.2 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。,2023/3/20,27,凝固传热的基本微分方程,2023/3/20,28,凝固传热的基本微分方程,2023/3/20,29,绝热模中铸锭的凝固,2023/3/20,30,绝热模中铸锭的凝固,糠模、砂
11、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，模壁及铸锭断面的温度分布如图41所示。,2023/3/20,31,绝热模中铸锭的凝固,2023/3/20,32,绝热模中铸锭的凝固,2023/3/20,33,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
12、锭的凝固,2023/3/20,34,绝热模中铸锭的凝固,2023/3/20,35,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。,2023/3/20,36,半径为r的圆锭导热微分方程为：,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
13、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以凝壳热阻为主,39,水冷模中铸锭的凝固以凝壳热阻为主,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
14、律。X=M时，,41,水冷模中铸锭的凝固以凝壳热阻为主,42,可得到：,(4.24),(4.25),水冷模中铸锭的凝固以凝壳热阻为主,43,水冷模中铸锭的凝固以凝壳热阻为主,44,最后得到：,水冷模中铸锭的凝固以凝壳热阻为主,45,水冷模中铸锭的凝固以界面热阻为主,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所示。,46,水冷模中铸锭的凝固以界
15、面热阻为主,47,水冷模中铸锭的凝固以界面热阻为主,48,水冷模中铸锭的凝固以界面热阻为主,49,水冷模中铸锭的凝固以界面热阻为主,50,水冷模中铸锭的凝固以界面热阻为主,51,水冷模中铸锭的凝固以界面热阻为主,52,水冷模中铸锭的凝固以界面热阻为主,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以界面热阻为主,55,水冷模中铸锭的凝固以界面热阻为主,56,
16、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：,水冷模中铸锭的凝固以界面热阻为主,57,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。,58,无水冷铁模中铸锭的凝固,59,凝壳导热微分方程为：,无水冷铁模中铸锭的凝固,60,无水冷铁模中铸锭的凝固,61,无水冷铁模中铸锭的凝固,62,（4.43）,（4.44）,无水冷铁模中铸锭的凝固,63,影响凝固传热的因素,金属性质：金属的导温系数a代
17、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。,64,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
18、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50150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。,65,锭模和涂料性质,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。,66,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
19、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。,67,浇注工艺（浇注速度）,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。,68,浇注工艺（浇注速度）,69,浇注工艺（冷却强度）,
20、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。,70,浇注工艺,71,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：（TlTs）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
21、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。,72,凝固区与凝固方式,73,凝固区与凝固方式,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。,74,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
22、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。,75,顺序凝固,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。,76,顺序凝固,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。,77,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
23、，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。,78,同时凝固,79,中间凝固,合金的（TlTs）较窄，或温度梯度较大时，凝固区宽度介于以上两者之间。特点：铸锭中既有柱状晶也有等轴晶。这种合金的流动性比窄结晶温度范围的合金差；但优于宽结晶温度范围的合金，故产生热裂和缩孔的倾向，也介于上述二者之间。,80,中间凝固,81,中间凝固,82,
