凝固过程的传热.ppt

1、金属凝固原理第一章凝固过程的传热，1，序言，2，前言，3，前言，4，前言，5，前言，6，前言，7，前言，8，前言，9，前言，10，前言，11，前言，12，前言，13 1-1凝固过程的传热特征是，凝固过程首先从从液态金属发热开始的高温液态金属注入到温度低的模具中时，从金属中所含的热通过液态金属、已凝固的固体金属、金属-模具的界面和模具的热阻而出现的另一个角度来考察，在凝固过程中，金属和模具系统内的热传导图1-1是纯金属流入铸模后产生的传热模型的示意图。18、1-1凝固过程的传热特征、19、1-1凝固过程的传热特征、凝固过程的传热特征如下：简单地说，一热、二迁、三传。 首先是有热源的传热过程。 金

2、属凝固时放出的潜热被认为是热源放出的热，但金属的凝固潜热不是在金属整个区域同时放出，而是在推进中的凝固前线放出。 即热源的位置不断移动，另外，放出的潜热量也随着凝固的进行而非线性地变化。 20，1-1凝固过程的传热特征，一热：有热源的非稳态传热过程是第一重要的。 二迁：固相、液相间界面和金属铸模间界面，这两个界面在凝固过程中动态迁移，使传热现象更加复杂。 三传：液态金属的凝固过程是包含动量传输、质量传输和热传输三传(热传导、对流和辐射传热)耦合的三维传热物理过程。 21，1-1凝固过程的传热特征，在实际生产中，铸件的形状和材料种类的多样性，材料的热物性值随温度非线性变化的特征，使凝固的传热过程

3、非常复杂。22，1-1凝固过程的传热特征，传热有热源的非稳态传热过程，传热微分方程是：23，1-1凝固过程的传热特征，24，方程式(1-1)是均质、各向同性体的传热微分方程，表现了传热过程的能量守恒原理。 实际上，方程式左侧括弧内的各项，因为热通量密度(单位时间，通过单位面积的热量)是x，y，z坐标上的成分，所以方程式的前三项，是热通量密度在x，y，z轴的单位长度上的增加，综合这三项，是单位体积下的热通量密度的增加，方程式的右端的项，是单个1-1凝固过程的传热特性，其次，金属凝固时存在两个界面。 即固相、液相间界面和金属铸模间界面，在这些界面上，通常会发生极其复杂的传热现象。 像宏观上为一维传

4、热的单相凝固的金属那样，其固液界面凹凸的情况或生长为枝晶状的情况下，在该凝固的前端，热总是沿着与这些界面垂直的不同方位从液体向固相传递，因此会产生微观的三维传热现象。 在该微观区域中，除了垂直于界面的热传导外，还同时产生液相对流，这里的传热过程变得非常复杂。 25、1-1凝固过程的传热特征，在金属和铸模的界面上，它们的接触通常不完全，所以它们之间存在接触热电阻或界面热电阻，在金属凝固过程中，由于金属的收缩和铸模的膨胀，它们的接触状况也不断变化，在一定的条件下，它们之间存在间隙(气隙在26，1-1凝固过程的传热特征、27，1-1凝固过程的传热特征、凝固问题的研究中，计算动态系统各点的温度时间变化

5、即温度场和凝固速度是非常重要的，因为它们直接影响金属的结晶组织、铸件的收缩孔、松弛、应力状态和多种重要的使用性能其中分析法即使是一维传热简单的铸件，只要不涉及凝固过程，不做一系列的假设就不能解决，而且计算过程也太复杂，对于形状复杂的夫妇，完全不能计算。28，1-1凝固过程传热的特征，非解析法有解法、电模拟法和数值模拟法等，电子计算机问世以来，数值模拟法迅速发展。 主导方程(1-1)是均质、各向同性体的传导微分方程，表示热传导过程的能量守恒原理。29、1-1凝固过程的传热特性，凝固过程中如果不考虑液体金属的热阻，金属的凝固速度主要受以下三个热阻的控制： 30、1-1凝固过程的传热特性，在金属型铸

6、造、压铸或连续铸造中，通常采用界面热阻Ri值高的金属和铸模热阻，因此采用正确的hi值严格来说，hi值根据凝固时间而变化，但其值在浇注初期只是发生了很大变化，之后很平稳，所以多用常数处理。 31、1-2非金属型铸造的凝固传热、非金属型的特征，与浇铸在那里的金属相比具有非常小的热传导率，金属的凝固速度主要取决于铸模的传热性能，不易受金属的传热性质的影响。 由于铸模的热传导能力差，在金属凝固的全过程中铸模外表面的温度变化不大，铸模可以视为半无限厚。 分析无限大的平板在这个铸模中凝固的情况。 假定浇注的金属为纯金属，浇注温度为其熔点，即金属没有过热度时，金属铸模系统的温度分布如图13所示。32、1-2

7、非金属型铸造的凝固传热、33、1-2非金属型铸造的凝固传热，以及求温度场的问题简化为求一维偏微分方程的问题，解决以下问题： 34，1-2非金属型铸造的凝固传热、35，1-2非金属型铸造的凝固传热、36，1-2非金属型铸造的凝固传热1-2非金属型铸造的凝固传热，根据38式(114 )，金属和铸模的热物性结合来决定凝固速度：在金属中，熔点高，熔融热和密度小的金属有利于快速凝固的铸模中，大的铸模有助于快速凝固。 反映了铸模的吸热能力，称为力铸模的蓄热系数。 从式(1-14 )也可以看出，金属凝固层的厚度与凝固时间的平方根成比例，这表示金属的凝固速度快，然后随着铸模的温度变高而逐渐变慢。 1-3金属模

8、铸造的凝固传热，39，金属具有高传热性能，所以在铸造凝固过程中，热流的限制通常不在铸模中，但在铸件和铸模的界面上，由于铸件的凝固收缩和铸模的热膨胀而在铸件和铸模之间形成气隙时，界面热阻的作用更显着。 为了分析1-3金属型铸造的凝固传热、40、1-3金属型铸造的凝固传热、41、具有这种界面温度下降的传热问题，这里导入了虚拟凝固层厚和虚拟铸模厚的概念。 即，将图1-6 a分解为图1-6b和图1-6c，后者的组合与前者等价。 该方法将界面热阻改变为铸件和铸件假想变厚的凝固层和铸件的厚度，即图中S0和- Eo的热阻，同时使这两个热阻的温降与界面的温降正好相同。 这样，将具有界面热电阻的复杂传热问题变成

9、了在界面上以理想接触具有共同界面温度Ti的纯传热问题。 为了简化1-3金属型铸造的凝固传热、42、求解过程，(1)问题限定为一维热传导，假设金属型为半无限大，(2)将原问题的界面热电阻视为常数，即界面热传导系数hi为常数，(3)金属平面的结晶前端在一定的凝固点Ti凝固，(4)与液体金属的过热度成对1-3金属型铸造的凝固传热，43，1-3金属型铸造的凝固传热，44，1-3金属型铸造的凝固传热，45，1-3金属型铸造的凝固传热，46，1-3金属型铸造的凝固传热，47，1-3金属型铸造的凝固传热，48，1-3金属型铸造的凝固传热，49， 即使是1-4凝固过程的电子计算机数值模拟，在50、上2节看到的

10、一维传热的简单铸件，用解析法计算温度场和凝固时间也非常复杂，但是实际的铸件大多有二维和三维传热，用解析法解决非常困难，产生了数值计算的方法。 常用的数值计算方法有有限差分法、有限要素法和边界要素法三种，本节仅介绍比较容易掌握的有限差分法。 该方法将计算对象铸件和铸模系统分割成有限尺寸的单元体，假设各单元体方向的温度梯度为常数，代替基于无限单元体建立的微分方程式，在各单元体上建立代数方程，形成由与单元体数量相等的方程组成的代数方程，最后用计算机解1-4凝固过程的电子计算机数值模拟，51，在凝固过程中，除了传热现象外，还伴随着凝固潜热的放出、液体金属的对流、金属的收缩等多种物理现象，所以在计算中必

11、须同时考虑这些因素，根据这些物理现象发生的条件，不断地模拟这些现象因此，凝固问题的数值方法一般被称为数值模拟法。 用有限差分法进行数值模拟，分单元分割、数学模型建立、程序和计算四个步骤进行。 以前两个步骤为中心进行说明。 在1-4凝固过程的电子计算机数值模拟、52、一、单元分割有限差分法计算中，通常将一般的铸件和铸模系统分割为六面体单元，可以用平面二维方法处理的铸件，将铸件和铸模系统的截面分割为许多四边形单元。 1-4凝固过程的电子计算机数值模拟，53，图中采用均匀网络，即X=y，上下边界单元的高度和左右边界单元的宽度分别取内部单元的大小的一半。 图中各单元中的点表示各单元的温度基准点，即各点所在的单元的温度。 在实际计算中，多采用疏密不均匀网格，在必须慎重计算的部位和温度梯度大的部位，网格的划分比其他部位密，一般在铸件铸型界面附近采用密网格，在离界面远的地方采用疏网格。1-4凝固过程的电子计算机数值模拟，把54，2，数学模型1微分方程转换成差分方程，在凝固问题中，q是金属凝固时放出的潜热。 由于只有在一定温度范围内凝固的金属被放出，因此在该温度范围外的金属和铸模中潜热值为0，方程式(1-36 )为：1-4凝固过程的电子计算机数值模拟，55，将该方程式变成差分方程式后研究凝固潜热问题。 如果用差分代替微分，可以把这个微分方程变成差分方程式。 微分和差分的关系是：1