第11期 白清领等：7050铝合金半连铸过程应力场及开裂倾向 ·1529· 缩会与结晶器脱离形成一层空气间隙，设置边界条 1.3.3铸锭与引锭头之间的换热 件时充分考虑这一因素.在铸锭上部和结晶器接触 这一区域的换热在起始铸造阶段效果比较明 比较好的区域采用一接触换热系数aoa… 显，进入稳态铸造阶段后其换热效果相比一冷区和 当空气间隙层形成后，换热发生变化，这时热流 二冷区非常有限.该区域换热作用同样受到二者接 密度同时受到三种传热的影响，即空气层的换热、辐 触情况的影响.间隙小于3mm时认为铸锭与引锭 射换热以及铸锭与润滑油的接触换热，换热系数可 头接触良好，采用一接触换热系数.当间隙大于 表述为回 3mm时根据实际铸造时是否有冷却水溅入而分别 a=Comct（air+&ad）/(Ccomact+at+apad）,(5) 采用不同的等效换热系数，因而可以模拟引锭头有 at=入ir/dir' (6) 排水孔的情况 式中，a为辐射换热系数，am为空气层换热系数， 入和d分别是空气层的热导率和厚度.上述各式 2铸造工艺 中热导率皆为温度的函数，因此换热系数随温度和 合金的铸造温度为730℃，采用大小面独立供 空气层厚度的变化而变化. 水，宽面水量为142Lmin,窄面水量为87Lmin, 1.3.2铸锭与冷却水之间的换热 充型时间30s,起始铸造速度为45 mm*min-',铸造开 铸锭离开结晶器之后会受到喷水冷却，铸锭表 始后逐渐加速至稳态铸造速度85mm·min.为验证 面温度迅速降低.通过冷却水换热作用所散失的热 模拟的温度场，铸造时分别在宽面和窄面的中心插入 量约占总量的80%，因而该部分的边界条件设置十 一组热电偶. 分关键。在该软件中二冷换热模型来自文献14]， 3模拟结果 根据铸锭表面温度由高到低依次经历膜态换热、过 渡换热、临界换热、沸腾换热和对流换热五个阶段， 3.1铸造过程的温度场 每个阶段分别对应一个换热方程.二冷区由喷水区 模拟过程进行至570s,这时铸造过程己进入稳 和流水区两部分组成，因而同一个换热方程有两套 态阶段.图2分别显示了铸锭宽面和窄面中心处温 参数分别对应这两部分的换热.该二冷换热模型非 度随时间变化的模拟计算值和实际测量值的对比. 常复杂，很多参数是根据实验和经验所得，使用时仅 从图中可以看出，计算结果基本反映了铸锭表面遇水 需在程序中输入冷却水温度、流量、沿铸锭表面的分 后温度迅速降低的趋势，与测量值吻合较好.上述测 布等即可自动进行计算. 量结果也说明了设置的换热边界条件是合理的 600 600 a ) -·-计算值 -·-计算值 500 ·测量值 ·测量值 400 4 300 300 200 200 100102030405060708090 10061020304050607080 s 图2铸锭宽面(a）和窄面(b)中心温度随时间变化的计算值和测量值 Fig.2 Calculated and measured temperature evolution in the centers of the ingot wide side (a)and narrow side (b) 3.2铸造过程应力场 力引起的，根据模拟结果可知裂纹若形成，最有可能 图3和图4分别为铸锭宽度方向、厚度方向和 沿垂直于宽度方向的轴向扩展，这与实际铸造过程 长度方向的应力及应变分量.结果显示应力在铸锭 中形成的裂纹走向是一致的，如图5所示. 宽度方向上的分量具有最大值.应力状态为内部拉 热裂发生在固一液两相共存的区域，与该区域 应力，表面压应力.同样铸锭中塑性应变的最大值 的应力、应变大小和分布有关.实际上铝合金凝固 也处于宽度方向.由于铸造裂纹是由拉伸状态的应 时，只有在固相分数达到一定的值，晶粒之间相互接第 11 期 白清领等: 7050 铝合金半连铸过程应力场及开裂倾向 缩会与结晶器脱离形成一层空气间隙，设置边界条 件时充分考虑这一因素． 在铸锭上部和结晶器接触 比较好的区域采用一接触换热系数 αcontact ． 当空气间隙层形成后，换热发生变化，这时热流 密度同时受到三种传热的影响，即空气层的换热、辐 射换热以及铸锭与润滑油的接触换热，换热系数可 表述为［14］ α = αcontact ( αair + αrad ) /( αcontact + αair + αrad ) ，( 5) αair = λair / dair， ( 6) 式中，αrad为辐射换热系数，αair为空气层换热系数， λair和 dair分别是空气层的热导率和厚度． 上述各式 中热导率皆为温度的函数，因此换热系数随温度和 空气层厚度的变化而变化． 1. 3. 2 铸锭与冷却水之间的换热 铸锭离开结晶器之后会受到喷水冷却，铸锭表 面温度迅速降低． 通过冷却水换热作用所散失的热 量约占总量的 80% ，因而该部分的边界条件设置十 分关键． 在该软件中二冷换热模型来自文献［14］， 根据铸锭表面温度由高到低依次经历膜态换热、过 渡换热、临界换热、沸腾换热和对流换热五个阶段， 每个阶段分别对应一个换热方程． 二冷区由喷水区 和流水区两部分组成，因而同一个换热方程有两套 参数分别对应这两部分的换热． 该二冷换热模型非 常复杂，很多参数是根据实验和经验所得，使用时仅 需在程序中输入冷却水温度、流量、沿铸锭表面的分 布等即可自动进行计算． 1. 3. 3 铸锭与引锭头之间的换热 这一区域的换热在起始铸造阶段效果比较明 显，进入稳态铸造阶段后其换热效果相比一冷区和 二冷区非常有限． 该区域换热作用同样受到二者接 触情况的影响． 间隙小于 3 mm 时认为铸锭与引锭 头接触良好，采用一接触换热系数． 当间隙大于 3 mm时根据实际铸造时是否有冷却水溅入而分别 采用不同的等效换热系数，因而可以模拟引锭头有 排水孔的情况． 2 铸造工艺 合金的铸造温度为 730 ℃，采用大小面独立供 水，宽面水量为142 L·min － 1，窄面水量为87 L·min － 1， 充型时间 30 s，起始铸造速度为 45 mm·min － 1，铸造开 始后逐渐加速至稳态铸造速度 85 mm·min － 1 ． 为验证 模拟的温度场，铸造时分别在宽面和窄面的中心插入 一组热电偶． 3 模拟结果 3. 1 铸造过程的温度场 模拟过程进行至 570 s，这时铸造过程已进入稳 态阶段． 图 2 分别显示了铸锭宽面和窄面中心处温 度随时间变化的模拟计算值和实际测量值的对比． 从图中可以看出，计算结果基本反映了铸锭表面遇水 后温度迅速降低的趋势，与测量值吻合较好． 上述测 量结果也说明了设置的换热边界条件是合理的． 图 2 铸锭宽面( a) 和窄面( b) 中心温度随时间变化的计算值和测量值 Fig． 2 Calculated and measured temperature evolution in the centers of the ingot wide side ( a) and narrow side ( b) 3. 2 铸造过程应力场 图 3 和图 4 分别为铸锭宽度方向、厚度方向和 长度方向的应力及应变分量． 结果显示应力在铸锭 宽度方向上的分量具有最大值． 应力状态为内部拉 应力，表面压应力． 同样铸锭中塑性应变的最大值 也处于宽度方向． 由于铸造裂纹是由拉伸状态的应 力引起的，根据模拟结果可知裂纹若形成，最有可能 沿垂直于宽度方向的轴向扩展，这与实际铸造过程 中形成的裂纹走向是一致的，如图 5 所示． 热裂发生在固--液两相共存的区域，与该区域 的应力、应变大小和分布有关． 实际上铝合金凝固 时，只有在固相分数达到一定的值，晶粒之间相互接 · 9251 ·