NH4Cl-H2O系模拟凝固试验研究.pdf_大学文库

D0I:10.13374/j.issn1001-053x.1983.04.013 北京纲铁学院学院 1983年第4期 NH,C1-HO系模拟凝固试验研究电冶教研室许诚信关航龙陶述霞摘要以氯化氨水溶液的凝固模拟了钢锭的凝固过程。通过NH,C1-H2O系模拟凝固试验，研究了凝固过程中温度的分布和凝图规律，实测结果与理论计算结果基本上是一致的。用着色方法直接观测了模拟樸内液流运动型式和宏观偏析沟槽的形成过程，同时指出采用模内吹氨气措施可以影响两相区的结构和偏析沟槽的形成，前言较大的镇静钢锭里常见“A”型和“V”型宏观偏析，关于这种偏析的形成机理，已发表过一些文章。Flemings提出了关于形成宏观偏析沟槽的机理1)。Hunt,Shigeo,szekely 等先后进行了氯化氨一水系模拟试验。Hulfgren等利用油脂做过模拟试验，并发展了数学模型。Koreaui(2)等进行了3.5吨的翻倒试验及模拟“A”型偏析的水平定向凝固试验。这种偏析沟槽的形成，是与两相区内的温 801 度分布，浓度分布、液流行为，固相份率等主 70叶要因素有关。 60 50 本试验是通过模拟方法测定温度分布，直接观察液流行为测量流速，从而了解宏观偏析 (2) 30 沟槽的形成过程。 20 则 10 采用氯化氨一水系模拟试验，因为这种溶 e NH,CI+液液的透明性和氯化氨树枝晶体的半透明性、有 -0冰±液 19.7% -20 15.4℃ 利于观案凝固过程。再者氯化氨溶液溶化焓 -30 低，与金属合金相近。氯化氨视为溶剂，水视 0 10203040 NH CI(%(WE)) 为溶质。图1是NH4C1-H2O系二元相图。图1NHC1-H,O系图一、试验装置试验装置见图2，试验模为长方型有机玻璃制成，其尺寸有两种，12×80×170,12× 100×170(长度单位为毫米)，前者侧面无测孔，主要用于观察凝固过程。图2模型一侧上有测温和注入着色液的小孔，模的另一侧上刻有方格便于观测。模子 123

北京栩铁学院学院年策翻一系模拟凝固试验研究电冶教研室许诚信关毓龙峋述霞摘要以氛化氛水溶液的凝固模拟了钢枕的凝固过程通过 ‘ 一系模拟凝固试验，研究凝固过程中温度的分布和凝固规律，实刚结果与理论计算结果基本上是一致的用着色方法直接观浏了模拟模内液流运动型式和宏观偏析沟精的形成过程，同时指出采用模内吹氮气措施可以影响两相区的结构和偏析沟柑的形成前言较大的镇静钢锭里常见 “ ” 型和 “ ” 型宏观偏析，关于这种偏析的形成机理，已发表过一些文章。提出了关于形成宏观偏析沟槽的机理。，，了等先后进行了氯化氨一水系模拟试验。等利用油脂做过模拟试验，并发展了数学模型。 “ “ 等进行了吨的翻倒试验及模拟 “ ” 型偏析的水平定向凝固试验。这种偏析沟槽的形成，是与两相区内的温度分布，浓度分布、液流行为，固相份率等主要因素有关。本试验是通过模拟方法测定温度分布，直接观察液流行为测量流速，从而了解宏观偏析沟槽的形成过程。采用抓化氛一水系模拟试验，因为这种溶液的透明性和氛化氨树枝晶体的半透明性、有利于观察凝固过程。再者氯化氨溶液溶化焙低，与金属合金相近。氯化氨视为溶剂，水视为溶质。图是 ‘ 一系二元相图。 “ 。厂一一。匕 …“ 液着溉发卜厂液生旅、肠一 ℃ 一〔，刀扮卜﹄︸，“八甘二一图一系图一、试验装置试验装置见图模子，试验模为长方型有机玻璃制成，其尺寸有两种又，长度单位为毫米，前者侧面无测孔，主要用于观察凝固过程。图模型一侧上有测温和注入着色液的小孔，模的另一侧上刻有方格便于观测。 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1983．04．013

左右两边接冷却筒，其接触面处为厚度1毫米的铝片。测温使用康铜一铜热偶，热偶预先以水平方向插入孔内。测量仪表使用LE,函数记录仪，数字电压表。 A,容积主体 B。冷却筒（有机玻璃做成） 60 100 60- C。注射孔 A D。热电偶对孔 e0000300 3 厨 B E。冷却铝板 C 000p098rf F。被凝的刻化氨溶液 000009009 C 图2试验设备草图（长度单位为毫米）冷却剂使用干冰+酒精，试验可以是左右两边同时冷却，也可一边冷却，另一边保持恒温，用循环恒温水保持。冷却装置的绝缘用泡沫塑料。着色液使用饱和的高锰酸钾溶液，该液体的比重经测量，与氯化氨水溶液的比重极相近。借用医用注射器由侧面小孔注入。为了模拟模内的外力搅动，采用吹入氩气的办法，使用细管由模型上口的中心位置插入，吹入氩气量由流量计控制。二、试验的程序进行测温试验时使用图2模型，把热偶联接装好插入测温孔。首先将适当温度的水注入模内予热，预热后倒出（如果一边冷却，另一边注入恒温循环水），再将加热溶化的 NH4C1-H2O溶液（含氯化氨30%到40%）倒入模中，与此同时往冷却筒里加入冷却剂，维持一定温度。观测内容： i。温度电势连续记录。。测量固相、两相区前沿推移的速度，观测偏析沟槽的出现形成的过程。 ⅱ.凝固过程中在固相前沿、两相区前沿、模心区上下不同部位注射着色液，目测各部位的液流速度及方向。 V,凝固完毕，把冷却剂从冷却筒中取出，然后用光源均匀地加热凝固模型，重现凝固过程的沟槽。 V。观测搅拌作用对凝固前沿形态的影响时，便用不装热偶的模型，等出现明显固相层和两相区后吹入氩气搅拌模内液体，观测其模内凝固状况的变化。三、试验结果及分析 1。温度分布和凝固规律： 124

左右两边接冷却筒，其接触面处为厚度圣毫来的铝片。测温使用康铜一铜热偶，热偶预先以水平方向擂入孔内。测量仪表使用函数记录仪，数字电压表。卜、、。容积主体冷却筒有机玻璃做成。注射孔。热电偶对孔】，一一一卿，七口刁二百三。户哭竺带 ’ 。冷却铝板。被凝的氯化氨溶液图置犷试脸设口备草图长度单位为毫米冷却剂使用干冰酒精，试验可以是左右两边同时冷却，也可一边冷却，另一边保持恒温，用循环恒温水保持。冷却装置的绝缘用泡沫塑料。着色液使用饱和的高锰酸钾溶液，该液体的比重经测量，与氯化氨水溶液的比重极相近。借用医用注射器由侧面小孔注入。为了模拟模内的外力搅动，采用吹入氢气的办法，使用细管由模型上口的中心位置插入，吹入氢气量 ’ 由流量计控制。二、试验的程序进行测温试验时使用图模型，把热偶联接装好插入测温孔。首先将适当温度的水注入模内予热，预热后倒出如果一边冷却，另一边注入恒温循环水，再将加热溶化的 ‘ 一溶液含氯化氨到倒入模中，与此同时往冷却筒里加入冷却剂，维持一定温度。观测内容温度电势连续记录。测量固相、两相区前沿推移的速度，观测偏析沟槽的出现形成的过程。凝固过程中在固相前沿、两相区前沿、模心区上下不同部位注射着色液，目测各部位的液流速度及方向。凝固完毕，把冷却剂从冷却筒中取出，然后用光源均匀地加热凝固模型，重现凝固过程的沟槽。观测搅拌作用对凝固前沿形态的影响时，便用不装热偶的模型，等出现明显固相层和两相区后吹入氢气搅拌模内液体，观测其模内凝固状况的变化。三、试验结果及分析温度分布和凝固规律

图3表示模拟试验凝固过程中一定高度（80厘米)距冷却面10耄米处，温度随时间的变化，实线为过程的实测温度，虚线为按水冷模凝固温度分布公式计算的结果。水冷模凝固时固相中的温度分布式： T-Ts=erfx Too-Ts T:温度 Ts:凝固金属的表面温度 To:假想的凝固金属温度 am:凝固金属的导温系数 x:凝固金属厚度由图3看出，实测温度和计算温度随时间的变化规律是一致的，数值是接近的。图4为距冷却面不同距离处，某个凝固时间的温度分布。A、B点表示当时的固相前沿和两相区前沿的位置。从图3和图4看出，在固相内有较陡的梯度，两相区温度梯度变小，趋向中心液相线温度图5表示实测的凝固层厚度和计算的凝固层厚度与时间平方根关系。求得的凝固常数 K值极其相近，K实=0.0438、K计=0.052。图6表示凝固速度随时间的变化关系，随凝固时间的延长，凝固厚度增加，凝固速度减小，符合钢锭凝固速度的变化规律。从图3、4、5、6看出，模拟实验凝固过程的规律符合钢锭凝固过程的规律。因此，可以用模拟试验凝固过程观测到的一些变化规律，去估计实际钢锭凝固过程的行为。图7表示固相前沿，两相区前沿位置随时间的变化。同时标有当地测量温度。两相潮状区宽度为8一15毫米。固相前沿温度接近共晶温度(-15.4°C),两相区前沿温度接近当时的液相线温度，整个凝固过程是在保持两相区条件下进行的。计算的当地凝固时间(t:)为700一900秒，两相区宽度为6一8.5毫米，同目测两相区宽度相近。计算公式：最 x=tR △T:液、固相线温度间距，°C G:温度梯度，°C/cm R:凝固速度，cm/s t:当地凝固时间，秒 x:两相区宽度，cm 式中R、G、△T值都可由实验数据中得到。对模拟试验凝固前沿出现两相区的条件计算结果表明： G_mCsx(1-K) R DK 景=1.1x104 -mCs(1-K)=3.4×105 DK :液相线斜率(4.84) 125

图表示模拟试验凝固过程中一定高度厘米距冷却面毫米处，温度随时间的变化，实线为过程的实测温度，虚线为按水冷模凝固温度分布公式计算的结果。水冷模凝固时固相中的温度分布式一一石下产一万 ‘ 温度凝固金属的表面温度假想的凝固金属温度二凝固金属的导温系数凝固金属厚度由图看出，实测温度和计算温度随时间的变化规律是一致的，数值是接近的。图为距冷却面不同距离处，某个凝固时间的温度分布。、点表示当时的固相前沿和两相区前沿的位置。从图和图看出，在固相内有较陡的梯度，两相区温度梯度变小，趋向中心液相线温度图表示实测的凝固层厚度和计算的凝固层厚度与时间平方根关系。求得的凝固常数值极其相近，实、计。图表示凝固速度随时间的变化关系，随凝固时间的延长，凝固厚度增加，凝固速度减小，符合钢锭凝固速度的变化规律。从图、、、看出，模拟实验凝固过程的规律符合钢锭凝固过程的规律。因此，可以用模拟试验凝固过程观测到的一些变化规律，去估计实际钢锭凝固过程的行为。图表示固相前沿，两相区前沿位置随时间的变化。同时标有当地测量温度。两相糊状区宽度为一毫米。固相前沿温度接近共晶温度一，两相区前沿温度接近当时的液相线温度，整个凝固过程是在保持两相区条件下进行的。计算的当地凝固时间为一秒，两相区宽度为一毫米，同目侧两相区宽度相近。计算公式，，，鱼里 △ 液、固相线温度间距，。温度梯度，。凝固速度，当地凝固时间，秒两相区宽度，式中、、 △ 值都可由实验数据中得到。对模拟试验凝固前沿出现两相区的条件计算结果表明，了夭一一令 ‘ · “ ‘ 。 ‘ 一一。义，，‘ 液相线斜率

遇到两相区前沿又转向下流，总的液流行为如图8所示。测得的两湘区流速在：0.05~0,09 cm/s范围，模中心液流速度较快。文献[4]报导的液流速度为0.03一0.08cm/s。注射的着色液极易流入偏析沟槽，尤其较粗的沟槽，其液流速度也较快（照片1一8）。 (2)偏析沟槽的形成原因由凝固过程中温度的测量得知，在固相前沿和两相区里存在着浓度梯度，液相里亦有温度梯度，氯化氨水溶液随温度的降低而密度减小[3]。因而在两相区的低温区液体比重小于整个液体比重，由比重差将产生浮力，再者凝固过程中由于NH:C1从溶液中连续的选分结晶出来，必然导致液相中溶质(H,O)的富集偏析。因而富集溶质的低温液体由于比重轻在浮力的作用下将产生沿固相前沿附近的向上流动，穿过树枝品，形成小的液流通道。液流的方向将受到凝固前沿推移的影响，使液流的矢量方向是沿着固相前沿附近向上、向中心区流动，并具有一定的倾斜角。由于液流是从局部低温区流向高温区，为适应高温区的成分、温度的条件，造成液流通道壁的再熔化，流道进一步变粗、被相份数增加，流动阻力减小，流速增加。由于这种不稳定流动，形成富集溶质(H,O)的偏析沟槽，一旦凝固则形成宏观偏析区。由于这里含溶质(H2O)多，熔点低，因而对其凝固后再加熟熔化时，由于此偏析区熔化的早，必然可重现偏析沟槽。从模拟实验中偏析沟槽的形成过程，与钢锭中“A”型偏析的推论[1]是一致的。 (3)阻止偏析沟槽的形成消除“A”型偏析凝固过程中向模内吹氩搅拌溶液，有可能消除两相区，并使液相中温度均匀，浓度均匀，从而消除了偏析沟槽、当然也就消除了“A”型宏观偏析。吹氩搅拌模内液体，这种气泡促使液体运动，正好和前述液体比重等作用形成的液流方向相反（见图9表示）。而吹氩造成液流速度远远大于前述的液流速度。从吹氩气搅动试验预示，如能采取措施使液体和不稳定流的方向相反的运动，则可消除“A”偏析，文献[5]曾提出让锭模旋转产生离心力，破坏形成“A”型偏析的流动。四、结论 1、氯化氨水溶液模拟试验，测得的模内温度，凝固层厚度等变化规律和相应的理论计算结果基本上是一致的。由于热学性质的相似性，所以可以认为由实验观察的凝固过程的现象表征是可用来预示钢锭的凝固过程。 2、NH,C-H2O系凝固过程始终存在两相区，在两相区观察到偏析沟槽，它是由于两相区内局部地区液体比重轻于整体液体的比重，从而造成的不稳定态流动造成的。沟槽充满着富集溶质的液体，凝固在这里形成“A”型宏观偏析。 3、模内吹氩达到一定强度可消除两相区和偏析沟槽，提示了消除“A”偏析的可能性。文献索引 [1]Flemings,M.C.:"Solidification Processing"Part,7.Fluid Flow. [2]Koreaki,S.efal "Trans,ISIJ"D.18.1978.N2. [3]Shigeo,A.etal."Trans,ISIJ D.18.1978.P.90-98, [4]J.Szekely,efal.:"Metallurgical Trans B" V,9B.Sept1978,P,92-98 128

遇到两相区前沿又转向下流，总的液流行为如图所示。测得的两相区流速在。。今范围，模中心液流速度较快。文献〔〕报导的液流速度为。一。注射的着色液极易流入偏析沟槽，尤其较粗的沟槽，其液流速度也较快照片一。偏析沟槽的形成原因由凝固过程中温度的测量得知，在固相前沿和两相区里存在着浓度梯度，液相里亦有温度梯度，氯化氨水溶液随温度的降低而密度减小〕。因而在两相区的低温区液体比重小于整个液体比重，由比重差将产生浮力，再者凝固过程中由于从溶液中连续的选分结晶出来，必然导致液相中溶质的富集偏析。因而富集溶质的低温液体由于比重轻在浮力的作用下将产生沿固相前沿附近的向上流动，穿过树枝晶，形成小的液流通道。液流的方向将受到凝固前沿推移的影响，使液流的矢量方向是沿着固相前沿附近向上、向中心区流动，并具有一定的倾斜角。由于液流是从局部低温区流向高温区，为适应高温区的成分、温度的条件，造成液流通道壁的再熔化，流道进一步变粗、液相份数增加，流动阻力减小，流速增加。由于这种不稳定流动，形成富集溶质的偏析沟槽，一旦凝固则形成宏观偏析区。由于这里含溶质多，熔点低，因而对其凝固后再加热熔化时，由于此偏析区熔化的早，必然可重现偏析沟槽。从模拟实验中偏析沟槽的形成过程，与钢锭中 “ ” 型偏析的推论〔〕是一致的。阻止偏析沟槽的形成消除 “ 人” 型偏析凝固过程中向模内吹氢搅拌溶液，有可能消除两相区，并使液相中温度均匀，浓度均匀，从而消除了偏析沟槽、当然也就消除了 “ 人” 型宏观偏析。吹氖搅拌模内液体，这种气泡促使液体运动，正好和前述液体比熏等作用形成的液流方向相反见图表示。而吹氢造成液流速度远远大于前述的液流速度。从吹氢气搅动试验预示，如能采取措施使液体和不稳定流的方向相反的运动，则可消除 “ ” 偏析，文献〔〕曾提出让锭模旋转产生离心力，破坏形成 “ ” 型偏析的流动。四、结论、氯化氮水溶液模拟试验，测得的模内温度，凝固层厚度等变化规律和相应的理论计算结果基本上是一致的。由于热学性质的相似性，所以可以认为由实验观察的凝固过程的现象表征是可用来预示钢锭的凝固过程。、卜系凝固过程始终存在两相区，在两相区观察到偏析沟槽，它是由于两相区内局部地区液体比重轻于整体液体的比重，从而造成的不稳定态流动造成的。沟槽充满着富集溶质的液体，凝固在这里形成 “ ” 型宏观偏析。、模内吹氛达到一定强度可消除两相区和偏析沟槽，提示了消除 “ ” 偏析的可能性。文献索引〕，。 “ ” ，幻，。。 “ ， ” 。了〕五一，，。牙。，一，。一〕， ” 。。，。一尽