1170 工程科学学报，第42卷，第9期 680 (a) Nb-Si based alloys 表1型壳表面的位置相关边界条件的参数 640F Table 1 Parameters of position-dependent boundary conditions of 304 stailness steel the shell surfacel9 600 Shell Location Emissivity Interface heat transfer Ambient ◇-Test Nb-Si based alloys coefficient/(W.m2.K-1) temperatue/℃ 560 ◆-Simulation Above baffle 0.4 2000 520 Baffle 500 425-2000 480 Below baffle 4000 350 ◆◆gg-88&88 440 304 stailness steel 度迅速降低达到铸件的固相线温度.采用下面公 681012 14 Time/s 式计算冷却速率： dT 700 ve=dt (1) (b) Nb-Si based alloys 650个g-◆g=g-0-4-gg=9=8名 式中：T为铸件中心点温度，K;1为时间，S:计算结 600 果如图7(b)所示.在1000s时，铸件距离底部高度 .550 Test 304 stailness steel 为180,150,120,90,60mm处冷却速率分别为：180= 是 500 。-Simulation Nb-Si based alloys 0.0088Ks,y150=0.0240K's,v120=-0.0901Ks1, 目450 90=-0.3733Ks,v60=-1.5321Ks1.在保温初 400 期，激冷盘提供给铸件很大的冷却作用，引起冷却 ◆-g=0$888￥ 350 速率不断变大；而在保温一定时间后，铸件内部形 304 stailness steel 300 成稳定的温度梯度，冷却速率也维持稳定；铸件往 6 101214 Time/s 下抽拉进入液态金属锡之后，由于液态金属锡提 供很大的冷却能力，冷却速率迅速增大，引起铸件 800 (c) 温度迅速降低.同时，对比保温阶段前后的冷却速 700 304 stailness steel 率可以发现，进入液态金属锡后的冷却速率远大 600 500 Test 于保温阶段，表明液态金属锡相比激冷盘能够提 -Simulation 供更大的冷却效果 图8为不同抽拉速率下到达铸件同一位置时 300 的温度场模拟结果，图中不同颜色表示温度数值 200 的大小(Tg为液相线温度，To1为固相线温度)，底 100 304 stailness steel 04 ◆◆众◆ 部数字为距离圆柱形试样底端距离，单位cm.如 0 4 68 10 12 14 图8(a)所示，A、B位于隔热挡板上方，C、D和 Time/s E位于隔热挡板下方；A、C位于远炉壁一侧，B、 图6界面换热实验实测温度场与数值模拟温度场对比.(a)304不锈 D位于近炉壁一侧，E为铸件中心.由图8(a)可 钢-型壳-铌硅基高温合金：(b)304不锈钢-馄硅基高温合金：(c)304 知，当抽拉速度为5 mm'min时，在隔热挡板上 不锈钢-水 方，等温线向炉壁一侧倾斜，靠近炉壁一侧B的温 Fig.6 Comparison of measured and numerically simulated temperature 度高于远炉壁一侧A的温度.这是由于B距离炉 fields of interface heat transfer experiment:(a)304 stainless steel-shell-Nb-Si based alloys;(b)304 stainless steel-Nb-Si based 壁的距离小于A,受到加热炉的辐射加热作用更 alloys;(c)304 stainless steel-water 强，从而引起B的温度高于A.而在隔热挡板下 方，等温线向下凸出，C、D的温度高于E.这主要 1974.2℃，T90=1953.0℃，T60=1901.3℃，铸件从 由于型壳与液态金属锡产生对流换热，液态金属 底部向上形成了稳定的温度梯度.铸件底部由于 锡提供很大的冷却速率，E点进入液态金属锡的时 靠近激冷盘，受激冷盘的激冷作用，在保温阶段温 间更长，从而使E获得的冷却速率大于C、D.同 度迅速降低：铸件远离激冷盘的部分，保温阶段会 时可以发现，等温线在液态金属锡表面以上相对 形成的稳定梯度，而进人液态金属锡后，由于液态 比较密集，表明该部分温度梯度较大，这主要由于 金属锡提供很大的对流换热效果，在短时间内温 铸件进入液态金属锡后可以得到很大的冷却速1974.2 ℃ ，T90 = 1953.0 ℃ ，T60 = 1901.3 ℃，铸件从 底部向上形成了稳定的温度梯度. 铸件底部由于 靠近激冷盘，受激冷盘的激冷作用，在保温阶段温 度迅速降低；铸件远离激冷盘的部分，保温阶段会 形成的稳定梯度，而进入液态金属锡后，由于液态 金属锡提供很大的对流换热效果，在短时间内温 度迅速降低达到铸件的固相线温度. 采用下面公 式计算冷却速率： vc = dT dt , （1） 式中：T 为铸件中心点温度，K；t 为时间，s；计算结 果如图 7（b）所示. 在 1000 s 时，铸件距离底部高度 为 180，150，120，90，60 mm 处冷却速率分别为：v180 = –0.0088 K·s–1 ，v150 = –0.0240 K·s–1 ，v120 = –0.0901 K·s–1 ， v90 = –0.3733 K·s–1 ，v60 = –1.5321 K·s–1 . 在保温初 期，激冷盘提供给铸件很大的冷却作用，引起冷却 速率不断变大；而在保温一定时间后，铸件内部形 成稳定的温度梯度，冷却速率也维持稳定；铸件往 下抽拉进入液态金属锡之后，由于液态金属锡提 供很大的冷却能力，冷却速率迅速增大，引起铸件 温度迅速降低. 同时，对比保温阶段前后的冷却速 率可以发现，进入液态金属锡后的冷却速率远大 于保温阶段，表明液态金属锡相比激冷盘能够提 供更大的冷却效果. 图 8 为不同抽拉速率下到达铸件同一位置时 的温度场模拟结果，图中不同颜色表示温度数值 的大小（Tliq 为液相线温度，Tsol 为固相线温度），底 部数字为距离圆柱形试样底端距离，单位 cm. 如 图 8（ a）所示 ， A、 B 位于隔热挡板上方 ，C、 D 和 E 位于隔热挡板下方；A、C 位于远炉壁一侧，B、 D 位于近炉壁一侧，E 为铸件中心. 由图 8（ a）可 知，当抽拉速度为 5 mm·min– 1 时，在隔热挡板上 方，等温线向炉壁一侧倾斜，靠近炉壁一侧 B 的温 度高于远炉壁一侧 A 的温度. 这是由于 B 距离炉 壁的距离小于 A，受到加热炉的辐射加热作用更 强，从而引起 B 的温度高于 A. 而在隔热挡板下 方，等温线向下凸出，C、D 的温度高于 E. 这主要 由于型壳与液态金属锡产生对流换热，液态金属 锡提供很大的冷却速率，E 点进入液态金属锡的时 间更长，从而使 E 获得的冷却速率大于 C、D. 同 时可以发现，等温线在液态金属锡表面以上相对 比较密集，表明该部分温度梯度较大，这主要由于 铸件进入液态金属锡后可以得到很大的冷却速 表 1    型壳表面的位置相关边界条件的参数[19] Table 1    Parameters of position-dependent boundary conditions of the shell surface[19] Location Emissivity Interface heat transfer coefficient / (W·m–2·K–1) Ambient temperatue / ℃ Above baffle 0.4 — 2000 Baffle — 500 425–2000 Below baffle — 4000 350 Time/s 0 2 4 6 8 10 12 14 300 350 400 450 500 550 600 650 700 Temperature/ ℃ Time/s Test Simulation (b) Nb−Si based alloys Nb−Si based alloys 304 stailness steel 304 stailness steel 0 2 4 6 8 10 12 14 440 480 520 560 600 640 680 Temperature/ ℃ Time/s Test Simulation (a) Nb−Si based alloys Nb−Si based alloys 304 stailness steel 304 stailness steel Shell 0 2 4 6 8 10 12 14 0 100 200 300 400 500 600 700 800 Temperature/ ℃ Test Simulation (c) 304 stailness steel 304 stailness steel 图 6    界面换热实验实测温度场与数值模拟温度场对比. （a）304 不锈 钢–型壳–铌硅基高温合金；（b）304 不锈钢–铌硅基高温合金；（c）304 不锈钢–水 Fig.6    Comparison of measured and numerically simulated temperature fields  of  interface  heat  transfer  experiment:  (a)  304  stainless steel –shell –Nb –Si  based  alloys;  (b)  304  stainless  steel –Nb –Si  based alloys; (c) 304 stainless steel–water · 1170 · 工程科学学报，第 42 卷，第 9 期