施兵兵等：银包铝棒材立式连铸复合成形制备工艺 ·635· 进行详细研究[18-19] 4)忽略铸造缺陷，冷却水沿周向分布均匀 1.2边界条件 ● 本文模型中的各界面条件如图3所示，界面Ⅱ ● ● 为银和石墨模具的接触面.当银处于液态时，液态 金属与石墨接触紧密，换热系数很大，约为10000~ 20000W·m-2.K-1[21].当银凝固后，包覆层银管的 外径会随着温度的下降收缩减小，由于其线膨胀系 数远大于石墨，因而在银外壁与石墨内壁之间产生 间隙，且间隙随凝固后温度降低逐渐增大.间隙中 的空气的热导率很低，造成银管与石墨之间换热系 数快速下降，其数值可参照下式计算)： 8=La…△T/2 (1) 1一银熔液：2一感应线图；3一铝焙液：4一银包覆层；5一铝芯： 式中：δ为金属的线性收缩尺寸，m;L为银管外径， 6一水冷铜套：7一二次冷却 m:α为金属的线性收缩系数，△T.为当前温度与熔 图1银包铝立式连铸原理图 点的差值，℃. Fig.1 Schematic diagram of the vertical continuous casting of SCA 根据连铸复合原理，选取凝固核心区（图中虚 线框)作为模拟分析对象，建立如图2所示的几何 模型.其中考虑到对称性，为提高计算效率，该模型 为1/4模型，并作了如下简化20]： 1)实验研究设定边界条件下的稳态结果，考察 稳态下的温度场分布： 2)忽略液态金属的对流换热； 3)各部件各向同性，物性参数只与温度有关： 110为边界：IW为界面 图3银包铝立式连铸稳态温度场模拟界面和边界条件示意图 Fig.3 Interface and boundary conditions of the steady-state tempera ture field simulation of the vertical continuous casting of SCA 因此，棒材与模具的换热系数h参照下式计算： h=A/8 (2) 式中：入为空气热导率，W·m1.K1;h为间隙处的 换热系数，Wm2.K1 上式中银、铝的线性收缩系数，空气的热导率根 1一石墨模具：2-银包覆层：3一铝芯：4一水冷铜套：a,b,c一 据文献[22-23]得出.根据设计的棒材截面尺寸由 测温点 (1)式计算不同温度下棒材的线性收缩尺寸δ，再由 图2银包铝立式连铸模型 (2)式计算间隙处棒材与模具的换热系数h.结果 Fig.2 Vertical continuous casting model of SCA 如表1中所示，换热系数超过2500Wm2.K-1的部施兵兵等: 银包铝棒材立式连铸复合成形制备工艺 进行详细研究[18鄄鄄19] . 1—银熔液; 2—感应线圈; 3—铝熔液; 4—银包覆层; 5—铝芯; 6—水冷铜套; 7—二次冷却 图 1 银包铝立式连铸原理图 Fig. 1 Schematic diagram of the vertical continuous casting of SCA 根据连铸复合原理,选取凝固核心区(图中虚 线框)作为模拟分析对象,建立如图 2 所示的几何 模型. 其中考虑到对称性,为提高计算效率,该模型 为 1 / 4 模型,并作了如下简化[20] : 1—石墨模具; 2—银包覆层; 3—铝芯; 4—水冷铜套; a, b, c— 测温点 图 2 银包铝立式连铸模型 Fig. 2 Vertical continuous casting model of SCA 1)实验研究设定边界条件下的稳态结果,考察 稳态下的温度场分布; 2)忽略液态金属的对流换热; 3)各部件各向同性,物性参数只与温度有关; 4)忽略铸造缺陷,冷却水沿周向分布均匀. 1郾 2 边界条件 本文模型中的各界面条件如图 3 所示,界面域 为银和石墨模具的接触面. 当银处于液态时,液态 金属与石墨接触紧密,换热系数很大, 约为 10000 ~ 20000 W·m - 2·K - 1 [21] . 当银凝固后,包覆层银管的 外径会随着温度的下降收缩减小,由于其线膨胀系 数远大于石墨,因而在银外壁与石墨内壁之间产生 间隙,且间隙随凝固后温度降低逐渐增大. 间隙中 的空气的热导率很低,造成银管与石墨之间换热系 数快速下降,其数值可参照下式计算[21] : 啄 = L·琢·驻Tm / 2 (1) 式中:啄 为金属的线性收缩尺寸,m;L 为银管外径, m;琢 为金属的线性收缩系数,驻Tm 为当前温度与熔 点的差值,益 . 1 ~ 10 为边界; 玉 ~ 郁为界面 图 3 银包铝立式连铸稳态温度场模拟界面和边界条件示意图 Fig. 3 Interface and boundary conditions of the steady鄄state tempera鄄 ture field simulation of the vertical continuous casting of SCA 因此,棒材与模具的换热系数 h 参照下式计算: h = 姿 / 啄 (2) 式中:姿 为空气热导率,W·m - 1·K - 1 ;h 为间隙处的 换热系数,W·m - 2·K - 1 . 上式中银、铝的线性收缩系数,空气的热导率根 据文献[22鄄23] 得出. 根据设计的棒材截面尺寸由 (1)式计算不同温度下棒材的线性收缩尺寸 啄,再由 (2)式计算间隙处棒材与模具的换热系数 h. 结果 如表 1 中所示,换热系数超过 2500 W·m - 2·K - 1的部 ·635·