凝固過(guò)程的傳熱

第一節(jié)

凝固過(guò)程的傳熱特點(diǎn)第二節(jié)非金屬型鑄造的凝固傳熱第三節(jié)

非金屬型鑄造的凝固傳熱第一章

凝固過(guò)程的傳熱第一節(jié)

凝固過(guò)程的傳熱特點(diǎn)合金從液態(tài)轉(zhuǎn)變成固態(tài)的過(guò)程，稱為一次結(jié)晶或凝固。一次結(jié)晶和“凝固”這兩個(gè)術(shù)語(yǔ)雖然指的是同一個(gè)狀態(tài)變化過(guò)程，但它們的含意是有區(qū)別的。一次結(jié)晶是從物理化學(xué)觀點(diǎn)出發(fā)，研究液態(tài)金屬的生核、長(zhǎng)大、結(jié)晶組織的形成規(guī)律。凝固則是從傳熱學(xué)觀點(diǎn)出發(fā)，研究鑄件和鑄型的傳熱過(guò)程、鑄件斷面上凝固區(qū)域的變化規(guī)律、凝固方式與鑄件質(zhì)量的關(guān)系、凝固缺陷形成機(jī)制等。凝固過(guò)程的傳熱特點(diǎn)：“一熱、二遷、三傳”“一熱”指熱量的傳輸是第一重要；“二遷”指存在兩個(gè)界面，即固－液相間界面和金屬－鑄型間界面。“三傳”動(dòng)量傳輸、質(zhì)量傳輸和熱量傳輸?shù)娜齻黢詈系娜S熱物理過(guò)程。凝固過(guò)程的傳熱方式：導(dǎo)熱：——傅里葉第一定律

——傅里葉第二定律輻射：對(duì)流：1）物理?xiàng)l件（物性參數(shù)），2）幾何條件（凝固系統(tǒng)幾何形狀）3）時(shí)間條件（初始條件），4）空間條件（邊界條件）λ導(dǎo)熱系數(shù)a=λ/ρcp

熱擴(kuò)散系數(shù)Tc

環(huán)境溫度T,c

鑄件溫度典型金屬凝固過(guò)程的主要傳熱方式：K----導(dǎo)熱C---對(duì)流R----輻射N---牛頓換熱

固液相界面：（1）凝固界面——移動(dòng)的熱源；（2）固液相面凹凸不平或?yàn)橹?；?）凝固區(qū)，存在著傳熱與傳質(zhì)的偶合問(wèn)題；（4）鑄件的收縮形成的間隙；金屬—鑄型界面：

1）界面熱阻，不完全接觸；

2）界面間隙，金屬收縮與鑄型膨脹。

非金屬相對(duì)澆鑄其中的金屬有很小的熱導(dǎo)系數(shù)，金屬凝固速度主要決定于鑄型的傳熱性能；鑄型外表面溫度變化不大，可認(rèn)為鑄型是半無(wú)限大的。第二節(jié)非金屬型鑄造的凝固傳熱

在鑄件和鑄型的不穩(wěn)定導(dǎo)熱過(guò)程中，溫度與時(shí)間和空間的關(guān)系可由傅里葉導(dǎo)熱微分方程來(lái)描述：

忽略對(duì)流，輻射的作用半無(wú)限大的鑄件：砂型鑄型斷面上的溫度分布方程

凝固層厚度s與時(shí)間t關(guān)系

在凝固過(guò)程中，熱源是凝固潛熱，有：

契富利諾夫定理

金屬的熔點(diǎn)越高，密度越小，潛熱越小，越容易凝固鑄造熱擴(kuò)散率，反映其吸熱能力

最先由實(shí)驗(yàn)得到，計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)較好的吻合1）少算了A處的傳熱面，會(huì)使得計(jì)算的凝固時(shí)間偏大；2）忽略了鑄件的熱阻，會(huì)使得計(jì)算的凝固時(shí)間偏??；實(shí)際結(jié)果為這兩者互相抵消的結(jié)果。

第三節(jié)金屬型鑄造的凝固傳熱

0sx金屬型鑄造的凝固傳熱

問(wèn)題轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂泄餐缑鏈囟鹊募儗?dǎo)熱問(wèn)題

假設(shè)虛擬厚度，虛擬坐標(biāo)系中求解。問(wèn)題歸結(jié)為在虛擬系統(tǒng)中解如下微分方程：

其通解為：

通過(guò)通解以及邊界方程，可以得到：1、凝固時(shí)間t

將兩坐標(biāo)系間關(guān)系式帶入凝固系數(shù)表達(dá)式中，有：

2、溫度分布Ts，

Tm鑄件一側(cè)：

鑄型一側(cè)：

3、界面溫度Ti在鑄件和鑄型的界面上有：

連續(xù)性

4、凝固系數(shù)φ根據(jù)固液相變界面上，有：

L表示凝固潛熱給定鑄件和鑄型的參數(shù)，可迭代得到凝固系數(shù)5、虛擬凝固層厚