·636 工程科学学报，第41卷，第5期 分调整为2500Wm-2.K-1[2] h=4 (3) 表1棒材与模具的换热系数 d. Table 1 Heat transfer coefficient between casting billet and molds 其中：d。=4A/P,A为非圆管道的横截面积，m2;P为 湿周，m;入为水的导热系数：M为努赛尔数 空气热导率/ 气缝宽度/ 换热系数/ 温度/℃ 1.3.2其他表面空冷换热系数 (W.m-1.K-1) mm (Wm-2.K1) 连铸棒材出结晶器后，直接暴露在空气中，与空 100 0.0321 0.1683 190.75 气产生对流换热，温度较高时还伴随明显的辐射换 300 0.0461 0.1293 356.58 热.其传热边界条件可表示为[5]： 500 0.0575 0.0903 636.87 h=h。+hi (4) 700 0.0671 0.0513 1308.40 式中：h为对流换热系数，W·m2.K-':h为辐射换 800 0.0717 0.0318 2255.80 热系数，Wm2.K-1 900 0.0767 0.0123 2500.00 he=C(Gr…Pr)nAd-1 (5) 界面I为液态铝与石墨芯管的接触面，同银 式中：(Gr·Pr)为流态判别依据，(Gr·Pr)m= 类似确定换热系数为10000~20000W·m2.K-1. 界面Ⅲ为银和铝的接触面，当铝处于液态时，换热 B△.Pm,g为重力加速度：.为空气流速： 系数与界面I相当.铝凝固后，银、铝实现冶金结 △T,为物件与空气温差：G为格拉芙数；P为普朗特 合，界面换热系数很大，且随温度下降逐渐降低， 数；B为系数，值为温度倒数；d为棒材直径：C、n为 此处设为4000~10000W·m-2.K-1.界面V为结 系数，C、n由传热表面形状、位置及(G·Pr)数值范 晶器水冷铜套与石墨外壁的结合面，该处采用热 围查表获取 装组合，模具采用高纯石墨，结合紧密，换热系数 …T1 (6) 设为2500W·m2.K-1[24] =c(八 式中：C为辐射系数，W·m2.K-4:T为物体表面温 模型边界条件如下：图3中的边界3、4为热型 度，K 段下表面及热、冷铸型过渡段，该段采用石棉保温， 1.4立式连铸试验及复合材料界面分析 既不加热也不冷却，属于第二类边界条件，热流量为 除了上述铜包铝复合材料的制备外，立式连铸 零，设为绝热面.图3中的边界5为热型下端面，温 技术还广泛应用于钢材、铝、铜及其合金的连铸，尤 度较高且无热源，属于第二类边界条件.根据温度 其是塑性成形性能较差的合金钢[26刃.该方法制 设为辐射散热状态.图3中的边界6为结晶器水冷 备的材料尺寸精度高，组织均匀，性能稳定，是一种 铜套外表面，与一次冷却水直接接触，属于第三类边 重要的金属材料制备工艺. 界条件，按计算值设定水冷条件.图3中的边界1、 对于界面层，主要通过光学显微镜、扫描电镜、 98、2均位于热型段中，同时受到加热与石棉保温 能谱分析对其厚度尺寸及其均匀性进行研究，观察 的作用，可调节加热功率维持温度稳定.属于第一 界面形态、界面相组成和元素分布，进而分析界面形 类边界条件.边界9、1分别设为银、铝的浇铸温度， 成过程[].通常认为，界面层厚度越薄，越均匀，界 8、2根据实验技术要求设置边界10，边界7系列 面结合效果越好.界面层中的脆性相越少，界面强 (包括铜套下端面，石墨模具下端及铝、银下端及其 度越高[16-17] 截面)，直接与空气接触或远离结晶区，属于第三类 边界条件，设为空冷状态.最后，中间剖面设为对称 2边界条件的实验验证 面，完成边界条件设定 确保边界条件的准确对于提高模拟结果的可 1.3换热系数的设定 靠性至关重要.因此，在计算得出相关边界条件 1.3.1水冷对流换热系数 后，有必要对部分重要条件进行物理模拟实验验 根据实验所用的结晶器尺寸及冷却水流量，计 证.由于各边界条件对结果的影响综合表现为铸 算水冷换热系数.结晶器中，冷却水沿铜套外壁环 件的凝固、降温效果，且单独的边界条件难以直接 形狭缝通过，通过与铜套的对流换热冷却铸型.该 测量，故验证实验时直接使用与银包铝实验相同 狭缝水流属于非圆形管道对流换热，通过引入当量 的模具进行连铸实验.该实验使用铝包覆铝锌合 直径d,可用公式(3)计算[2]： 金（两种金属的熔点差值与银铝两种金属接近）进工程科学学报,第 41 卷,第 5 期 分调整为 2500 W·m - 2·K - 1 [24] . 表 1 棒材与模具的换热系数 Table 1 Heat transfer coefficient between casting billet and molds 温度/ 益 空气热导率/ (W·m - 1·K - 1 ) 气缝宽度/ mm 换热系数/ (W·m - 2·K - 1 ) 100 0郾 0321 0郾 1683 190郾 75 300 0郾 0461 0郾 1293 356郾 58 500 0郾 0575 0郾 0903 636郾 87 700 0郾 0671 0郾 0513 1308郾 40 800 0郾 0717 0郾 0318 2255郾 80 900 0郾 0767 0郾 0123 2500郾 00 界面玉为液态铝与石墨芯管的接触面,同银 类似确定换热系数为 10000 ~ 20000 W·m - 2·K - 1 . 界面芋为银和铝的接触面,当铝处于液态时,换热 系数与界面玉相当. 铝凝固后,银、铝实现冶金结 合,界面换热系数很大,且随温度下降逐渐降低, 此处设为 4000 ~ 10000 W·m - 2·K - 1 . 界面郁为结 晶器水冷铜套与石墨外壁的结合面,该处采用热 装组合,模具采用高纯石墨,结合紧密,换热系数 设为 2500 W·m - 2·K - 1 [24] . 模型边界条件如下:图 3 中的边界 3、4 为热型 段下表面及热、冷铸型过渡段,该段采用石棉保温, 既不加热也不冷却,属于第二类边界条件,热流量为 零,设为绝热面. 图 3 中的边界 5 为热型下端面,温 度较高且无热源,属于第二类边界条件. 根据温度 设为辐射散热状态. 图 3 中的边界 6 为结晶器水冷 铜套外表面,与一次冷却水直接接触,属于第三类边 界条件,按计算值设定水冷条件. 图 3 中的边界 1、 9、8、2 均位于热型段中,同时受到加热与石棉保温 的作用,可调节加热功率维持温度稳定. 属于第一 类边界条件. 边界 9、1 分别设为银、铝的浇铸温度, 8、2 根据实验技术要求设置. 边界 10,边界 7 系列 (包括铜套下端面,石墨模具下端及铝、银下端及其 截面),直接与空气接触或远离结晶区,属于第三类 边界条件,设为空冷状态. 最后,中间剖面设为对称 面,完成边界条件设定. 1郾 3 换热系数的设定 1郾 3郾 1 水冷对流换热系数 根据实验所用的结晶器尺寸及冷却水流量,计 算水冷换热系数. 结晶器中,冷却水沿铜套外壁环 形狭缝通过,通过与铜套的对流换热冷却铸型. 该 狭缝水流属于非圆形管道对流换热,通过引入当量 直径 de,可用公式(3)计算[25] : h = Nuf·姿f de (3) 其中:de = 4A / P,A 为非圆管道的横截面积,m 2 ;P 为 湿周,m;姿f为水的导热系数;Nuf为努赛尔数. 1郾 3郾 2 其他表面空冷换热系数 连铸棒材出结晶器后,直接暴露在空气中,与空 气产生对流换热,温度较高时还伴随明显的辐射换 热. 其传热边界条件可表示为[15] : h = hc + hr (4) 式中:hc为对流换热系数,W·m - 2·K - 1 ;hr为辐射换 热系数,W·m - 2·K - 1 . hc = C(Gr·Pr) n m·姿·d - 1 (5) 式中:( Gr·Pr ) m 为 流 态 判 别 依 据, ( Gr·Pr ) m = g茁d 3驻Ta 淄 2 m ·Prm . g 为重力加速度; vm 为空气流速; 驻Ta为物件与空气温差;Gr 为格拉芙数;Pr 为普朗特 数;茁 为系数,值为温度倒数;d 为棒材直径;C、n 为 系数,C、n 由传热表面形状、位置及(Gr·Pr) m数值范 围查表获取. hr = C ( T ) 100 4 ·T - 1 (6) 式中: C 为辐射系数,W·m - 2·K - 4 ;T 为物体表面温 度,K. 1郾 4 立式连铸试验及复合材料界面分析 除了上述铜包铝复合材料的制备外,立式连铸 技术还广泛应用于钢材、铝、铜及其合金的连铸,尤 其是塑性成形性能较差的合金钢[26鄄鄄27] . 该方法制 备的材料尺寸精度高,组织均匀,性能稳定,是一种 重要的金属材料制备工艺. 对于界面层,主要通过光学显微镜、扫描电镜、 能谱分析对其厚度尺寸及其均匀性进行研究,观察 界面形态、界面相组成和元素分布,进而分析界面形 成过程[28] . 通常认为,界面层厚度越薄,越均匀,界 面结合效果越好. 界面层中的脆性相越少,界面强 度越高[16鄄鄄17] . 2 边界条件的实验验证 确保边界条件的准确对于提高模拟结果的可 靠性至关重要. 因此,在计算得出相关边界条件 后,有必要对部分重要条件进行物理模拟实验验 证. 由于各边界条件对结果的影响综合表现为铸 件的凝固、降温效果,且单独的边界条件难以直接 测量,故验证实验时直接使用与银包铝实验相同 的模具进行连铸实验. 该实验使用铝包覆铝锌合 金(两种金属的熔点差值与银铝两种金属接近)进 ·636·