液态成形过程的传热

液态成形过程的传热第1页，共32页，2023年，2月20日，星期六7.1液态成形过程的传热特点与方式浇铸铸件铸型热交换（显热、潜热）液态金属接触铸型开始热交换强制对流金属受到激冷充满后强制对流停止继续降温自然对流停止（由温差、浓度差引起）从表面开始凝固至完毕三个层铸型层金属与铸型界面金属凝固层第2页，共32页，2023年，2月20日，星期六7.1液态成形过程的传热特点与方式7.1.1铸型的热阻起决定作用铸型热阻较大：（绝热铸型）导热系数α2<<α1；如砂型、陶瓷型；金属铸件的温度梯度<<铸型中的温度梯度，则可忽略不计；绝热铸型本身的热物理性质是决定整个传热过程的主要因素；第3页，共32页，2023年，2月20日，星期六7.1.2金属-铸型界面热阻起决定作用界面热阻较大：如较薄的铸件在工作表面涂有隔热涂料的金属型中铸造;金属－铸型界面处热阻较铸件和铸型中的热阻大得多；若金属无过热浇注，则界面处铸件的温度等于凝固温度（tF=tC)7.1液态成形过程的传热特点与方式第4页，共32页，2023年，2月20日，星期六铸件热阻较大：通过控制冷却水温度和流量使铸型温度保持近似恒定不考虑金属－铸型界面热阻；7.1.3金属凝固层热阻起决定作用7.1液态成形过程的传热特点与方式第5页，共32页，2023年，2月20日，星期六1、温度场基本概念不稳定温度场：温度场不仅在空间上变化，并且也随时间变化的温度场：稳定温度场：不随时间而变的温度场（即温度只是坐标的函数）：7.2铸件凝固温度场第6页，共32页，2023年，2月20日，星期六等温面：空间具有相同温度点的组合面。等温线：某个特殊平面与等温面相截的交线。温度梯度：对于一定温度场，沿等温面或等温线某法线方向的温度变化率。温度梯度越大，图形上反映为等温面（或等温线）越密集。第7页，共32页，2023年，2月20日，星期六2、传热基本方式7.2铸件凝固温度场A热传导—导热，属于接触传热傅里叶第一定律热流密度热导率温度梯度第8页，共32页，2023年，2月20日，星期六B热对流由流体各质点间的相对位移而引起的热量转移方式称为热对流自然对流：质点间温度差或密度差引起的浮力流强迫对流：外力驱动下的质点相对位移牛顿冷却定律h---换热系数Tw—壁面温度Tf—流体温度第9页，共32页，2023年，2月20日，星期六C热辐射由物体内部原子振动而发出的一种电磁波的能量传递，一切自身温度高于0K的物体都会发出辐射能斯蒂芬-玻耳兹曼定律玻耳兹曼常数物体的黑度第10页，共32页，2023年，2月20日，星期六7.2铸件凝固温度场傅里叶第二定律3、热传导过程的偏微分方程由于金属液凝固时还要释放出凝固潜热，故描述铸件凝固过程的热传导方程与上述还有所不同：二维传热：一维传热：

第11页，共32页，2023年，2月20日，星期六

对具体热场用上述微分方程进行求解时，需要根据具体问题给出导热体的初始条件与边界条件。初始条件：初始条件是指物体开始导热时（即t=0时）的瞬时温度分布。边界条件：边界条件是指导热体表面与周围介质间的热交换情况。第12页，共32页，2023年，2月20日，星期六A解析法解析方法是直接应用现有的数学理论和定律去推导和演绎数学方程（或模型），得到用函数形式表示的解，也就是解析解。优点：是物理概念及逻辑推理清楚，解的函数表达式能够清楚地表达温度场的各种影响因素，有利于直观分析各参数变化对温度高低的影响。缺点：通常需要采用多种简化假设，而这些假设往往并不适合实际情况，这就使解的精确程度受到不同程度的影响。目前，只有简单的一维温度场（“半无限大”平板、圆柱体、球体）才可能获得解析解。4、凝固温度场的求解方法第13页，共32页，2023年，2月20日，星期六B数值方法数值方法又叫数值分析法，是用计算机程序来求解数学模型的近似解（数值解），又称为数值模拟或计算机模拟。差分法:

差分法是把原来求解物体内随空间、时间连续分布的温度问题，转化为求在时间领域和空间领域内有限个离散点的温度值问题，再用这些离散点上的温度值去逼近连续的温度分布。差分法的解题基础是用差商来代替微商，这样就将热传导微分方程转换为以节点温度为未知量的线性代数方程组，得到各节点的数值解。有限元法:

有限元法是根据变分原理来求解热传导问题微分方程的一种数值计算方法。有限元法的解题步骤是先将连续求解域分割为有限个单元组成的离散化模型，再用变分原理将各单元内的热传导方程转化为等价的线性方程组，最后求解全域内的总体合成矩阵。第14页，共32页，2023年，2月20日，星期六C测温法a.温度场测量b.凝固动态曲线无限长圆棒试样测温及结果处理t1t4第15页，共32页，2023年，2月20日，星期六5、影响凝固温度场的因素1金属性质1）热扩散率:物体加热冷却时，内部各部分温度趋于一致的能力。2）凝固潜热：潜热大，表面被加热的温度高，铸件的温度梯度小。3）金属的凝固温度：凝固温度高，铸件、型腔表面温度高，铸型内外的温差增大，铸型热导率提高，铸件温度分布变陡峭。2铸型性质的影响1）铸型的蓄热系数：吸热能力强，梯度大2）铸型预热温度：第16页，共32页，2023年，2月20日，星期六3浇铸条件过热度占潜热的5%-6%，相当于提高了铸型温度，温度梯度而减小。4铸件结构的影响1）铸件的壁厚：厚壁存储的热量更高，铸型被加热，温度梯度小。2）铸件的形状:L形、T形，内角：冷速慢结壳晚，强度低，线性收缩时容易热烈可以改为圆角，避免热量交叉；内角<平面<外角第17页，共32页，2023年，2月20日，星期六7.3铸件凝固时间的确定概念：凝固时间—液态金属充满铸型后直至凝固完毕所需时间。凝固速度—单位时间内凝固层的增长厚度目的计算方法：无限大平板铸件凝固时间的理论计算；平方根定律计算法：折算厚度法：Τ=ξ2/K2R=V1/A1，Τ=R2/K2Q吸=Q放第18页，共32页，2023年，2月20日，星期六铸型吸收的热量＝铸件放出的热量7.3.1理论计算7.3铸件凝固时间的确定第19页，共32页，2023年，2月20日，星期六7.3.2平方根定律法7.3铸件凝固时间的确定为凝固厚度平方根定律适用于大平板和结晶间隔小的合金第20页，共32页，2023年，2月20日，星期六对于任意形状的V1、A1的铸件，折算厚度（或铸件模数）R=V1/A1K为凝固系数。7.3.2折算厚度法7.3铸件凝固时间的确定第21页，共32页，2023年，2月20日，星期六铸件的形状对凝固时间有重要的影响。同时还受铸件结构、热物性参数、浇注条件的影响。平方根定律对大平板、球体和长圆柱体铸件比较准确。对于短而粗的杆和矩形，由于边角效应的影响，计算结果一般比实际凝固时间长10％—20％。因此，工业生产中之比较他们的模数，由此制定生产工艺。第22页，共32页，2023年，2月20日，星期六（一）铸件凝固方式分类（二）铸件动态凝固曲线（三）铸件凝固方式的影响因素7.4铸件凝固方式及其影响因素7.4.1铸件动态凝固曲线第23页，共32页，2023年，2月20日，星期六铸型型腔内各个部位的凝固状况的动态变化，可通过在浇注前在铸型型腔内预置测温热电偶，来记录凝固过程中各点的温度变化，从而可以绘制出各个瞬间铸型内的凝固状况。所得图形称为铸件动态凝固曲线。可以根据“液相边界”与“固相边界”之间的横向距离直观地得出铸件内各部位的开始凝固时刻与凝固结束时刻，也可以根据“液相边界”与“固相边界”之间的纵向距离得出凝固过程中的任一时刻铸件断面上已凝固固相区、固液两相区和尚未凝固的液相区的宽度。7.4铸件凝固方式及其影响因素7.4.1铸件动态凝固曲线第24页，共32页，2023年，2月20日，星期六固相区固-液固液相区液-固液相区图7-7凝固区域结构示意图7.4铸件凝固方式及其影响因素7.4.2凝固区域及其结构第25页，共32页，2023年，2月20日，星期六根据固液两相区的宽度，可将凝固过程分为逐层凝固方式与体积凝固方式（或糊状凝固方式）。当固液两相区很窄时称为逐层凝固方式，反之为糊状凝固方式，固液两相区宽度介于两者之间的称为“中间凝固方式”。铸件凝固方式对凝固液相的补缩能力影响很大，从而影响最终铸件的致密性和热裂纹产生几率。第26页，共32页，2023年，2月20日，星期六合金凝固温度区间的影响温度梯度的影响逐层凝固中间凝固体积凝固窄宽陡平7.4铸件凝固方式及其影响因素7.4.2铸件的凝固方式及其影响因素第27页，共32页，2023年，2月20日，星期六c.铸件的两种凝固方式图4－3合金成分和温度梯度对凝固方式的影响a)、b)为层状凝固，c)、d)为体积凝固影响因素:(1）化学成分（液－固相线距离）（2）温度梯度内因外因第28页，共32页，2023年，2月20日，星期六层状凝固过程层状凝固缩孔特点：集中缩孔体积凝固过程体积凝固的缩孔特点：分散缩松第29页，共32页，2023年，2月20