李日等：基于体积平均法的NH,C1水溶液凝固行为研究 *1011· 3.14x10 ■3.13x10 312x 31方10 310x0 310x10 .09x10 10 95i0 2.9x10 290 29 30sx1 29x0 3.03×10 27×10 289x0 RDIxID 0x10 2410 280 29x0 298x10 29×10 2710 210 2.97x10 2.961D 2760 27310 29x10 27x10 .x 295x10- 2.T2x0 26恤10 258x0 2.59a10- 156x1 (a) (d) 图2不同时刻下液相的温度场(K).(a)238s:()416s:(c)589s:(d)653s Fig.2 Temperature field (K)of liquid phase at different time:(a)238s:(b)416s:(c)589s:(d)653s b (c) 图3不同时刻下的流场(ms1).(a)2385:(b)416s:(c)589s:(d)653s Fig.3 Flow field (ms1)at different time:(a)238s;(b)416s:(c)589s:(d)653s 在416s时，随着凝固的进行，温度下降的范围进 分数很高（图4(b)),液相很少，所以对流也较微弱. 步扩大（图2(b)),熔体的过冷度进一步降低，固液 在自然对流作用下，细小等轴晶粒从型壁处开始下落， 界面处温度梯度增大，由于液固相变以及温度与相体 并在铸锭底部积聚.从图5(b)中红色区域可以看出， 积分数的不均一，造成了凝固多相体系内的密度差异， 从侧壁到底部等轴晶的体积分数逐渐增大，这就是等 引起了热溶质对流.如图3(b)红色箭头所示，在固液 轴晶生成和运动的趋势.从图6(b)可以看出，负偏析 界面处晶粒的下降导致自然对流，并在底部中心处汇 区（即蓝色区域A)逐渐增大，其变化趋势和等轴晶的 聚，此时中心温度高，液相密度小，在中心处液相上升 运动趋势基本一致，这是因为这些溶质含量低的晶粒所 带动晶粒运动，直到铸锭顶部.图3(b)的对流区域比 在区域与低含量溶质分布是一致的.富含溶质的熔体随 图3(a)更大，且该区域逐渐向铸锭中心推移，这是因 对流运动至铸锭中心，导致铸锭中心正偏析的形成 为对流主要发生在固液界面处，而固液界面随着凝固 在589s和653s时，温度下降的范围进一步扩大， 的进行向内逐渐推移造成的.在型壁处柱状晶的体积 如图2(c)和(d)所示，由于凝固区域渐渐扩大，该区域 836l0 5210 7710 20 6210 6830 21x10 .27x10 .8 38x10 67x0 1110 811×10 72610 02x0 637x10 825,10 13610 .210 52x0 线26x10 (d) 图4不同时刻柱状晶的体积分数.(a)238s:(b)416s:(c)589s:(d)653s Fig.4 Volume fraction of columnargrains at different time:(a)238s:(b)416s:(c)589s;(d)653s李 日等: 基于体积平均法的 NH4Cl 水溶液凝固行为研究 图 2 不同时刻下液相的温度场( K) ． ( a) 238 s; ( b) 416 s; ( c) 589 s; ( d) 653 s Fig． 2 Temperature field ( K) of liquid phase at different time: ( a) 238 s; ( b) 416 s; ( c) 589 s; ( d) 653 s 图 3 不同时刻下的流场( m·s － 1 ) ． ( a) 238 s; ( b) 416 s; ( c) 589 s; ( d) 653 s Fig． 3 Flow field ( m·s － 1 ) at different time: ( a) 238 s; ( b) 416 s; ( c) 589 s; ( d) 653 s 在 416 s 时，随着凝固的进行，温度下降的范围进 一步扩大( 图 2( b) ) ，熔体的过冷度进一步降低，固液 界面处温度梯度增大，由于液固相变以及温度与相体 积分数的不均一，造成了凝固多相体系内的密度差异， 引起了热溶质对流． 如图 3( b) 红色箭头所示，在固液 界面处晶粒的下降导致自然对流，并在底部中心处汇 聚，此时中心温度高，液相密度小，在中心处液相上升 带动晶粒运动，直到铸锭顶部． 图 3( b) 的对流区域比 图 3( a) 更大，且该区域逐渐向铸锭中心推移，这是因 为对流主要发生在固液界面处，而固液界面随着凝固 的进行向内逐渐推移造成的． 在型壁处柱状晶的体积 分数很高( 图 4( b) ) ，液相很少，所以对流也较微弱． 在自然对流作用下，细小等轴晶粒从型壁处开始下落， 并在铸锭底部积聚． 从图 5( b) 中红色区域可以看出， 从侧壁到底部等轴晶的体积分数逐渐增大，这就是等 轴晶生成和运动的趋势． 从图 6( b) 可以看出，负偏析 区( 即蓝色区域 A) 逐渐增大，其变化趋势和等轴晶的 运动趋势基本一致，这是因为这些溶质含量低的晶粒所 在区域与低含量溶质分布是一致的． 富含溶质的熔体随 对流运动至铸锭中心，导致铸锭中心正偏析的形成． 在 589 s 和 653 s 时，温度下降的范围进一步扩大， 如图2( c) 和( d) 所示，由于凝固区域渐渐扩大，该区域 图 4 不同时刻柱状晶的体积分数． ( a) 238 s; ( b) 416 s; ( c) 589 s; ( d) 653 s Fig． 4 Volume fraction of columnargrains at different time: ( a) 238 s; ( b) 416 s; ( c) 589 s; ( d) 653 s · 1101 ·