硫代硫酸钠模拟液态金属凝固实验
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CN11—2034/T
实验技术与管理
ExperimentalTechnologyandManagement
第27卷第2期2010年2月 Vo1.27No.2Feb.2O10
硫代硫酸钠模拟液态金属凝固实验 沙明红,李娜,宋波,刘海啸,李胜利
(辽宁科技大学
科学与工程学院,辽宁鞍山114052)
摘要:根据相似原理,采用自制实验装置,利用硫代硫酸钠在铸锭和连铸结晶器内的凝固,模拟了钢的凝固
过程.该实验将凝固过程以可视化的形式展现在学生面前,并可以通过控制边界传热条件及冷却速度等参
数得到不同比例的柱状晶及等轴晶组织,真实模拟了凝固系数和凝固速度随凝固层厚度的变化规律.极大
地激发了学生的学习兴趣,使学生对材料液态成形原理,凝固过程及成形技术有了深刻的认识.
关键词:金属凝固;液态成形;物理模拟;硫代硫酸钠
中图分类号:G642.423文献标志码:A文章编号:1002—4956(201O)02—0027—03 Thesimulationexperimentofliquidmetal solidificationwithNasoliditicationwithNa2S2()3?5一H2OU.H2U ShaMinghong,LiNa,SongBo,LiuHaixiao,LiShengli
(SchoolofMaterialScienceandTechnology,UniversityofScience
andTechnologyLiaoning,Anshan114052,China) 金属材料凝固模拟实验是金属材料液态成形技术
课程的一个实验,是我校立项的材料加工专业本科生
实验教学建设项目.金属材料液态成形过程综合了传
热学,凝固原理及成形技术.在实验中开展对凝固过
程的研究是了解和掌握金属凝固的机理,找到控制凝
固组织和缺陷的基本途径和方法[.但实验若以钢
液进行浇注,铸件用金属模具制作成本高,要消耗大量
水电,所需学时量大;另一方面钢水出炉温度高,冶炼
及浇注过程中学生要亲自动手操作,危险程度高且现
象不直观.因此设计了低温模拟实验.
实验以硫代硫酸钠为介质,根据实验满足相似
性原理[4],开发液态金属凝固结晶的冷态模拟实验.
实验过程中,学生可以透过有机玻璃观察到凝固过
程中晶核的形成,晶体的生长和凝固缺陷的形成情 收稿日期:2009—02—19
作者简介:沙明红(1976一),女,辽宁省鞍山市人,硕士,讲师,研究方向
为金属液态成形和塑性成形.
况,达到可视化的效果,有助于学生对理论知识的理 解和掌握.
l实验原理
液态转变为固态的过程称为凝固.金属的凝固结 晶组织是由合金的成分及冷却条件决定的.采用控制 凝固边界条件及冷却速度等手段可以得到不同比例的 柱状晶及等轴晶.在合金成分给定后,形核及生长这 两个决定结晶组织的关键环节是由传热条件决定的. 冷却速度越快,晶粒越细小.如果热流是单向的,又有 足够的温度梯度,则新晶核的形成将受到限制,晶体便 以柱状晶方式生长.
本实验以硫代硫酸钠(试剂)模拟钢水的凝固结 晶.用冷态实验模拟实际钢件的凝固过程要满足下列 条件:钢液与试剂过热度成比例;钢液与试剂温度梯度 成比例;铸件断面尺寸与模拟件断面尺寸成比例;铸件 的凝固收缩率与模拟铸件的凝固收缩率相等;试剂与 一一一,,,
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一一一_量.主删咖一,一一,,一,.一一一一,一,,,,一一一n.?呲叭出
呲,一.一,一,,.萎,一一一一一,一一 实验技术与管理
钢液的结晶形态相似.满足上述条件后,铸件的凝固 系数K与模拟铸件的凝固系数K成比例,即:K/K 一A(本实验A—lO),两者的全凝固时间相等. 2实验装置简介
实验装置示意图如图1所示,主要由结晶器,恒温 水浴两大部分组成.结晶器是实验装置的核心,根据 成形方式不同,结晶器的设计分为钢锭模型_6.和连铸 结晶器模型,如图2所示(图中箭头表示冷却水流向). 为方便观察,结晶器绝热侧壁(图2中与纸面平行)采 用有机玻璃材质,而主要冷却侧壁采用铜板并通水 冷却.
图1实验装置示意图
(a)铸锭模型
冷却水}f{口
水冷铜壁
绝热底座
冷却水入口
(b)连铸结晶器模型
图2结晶器模型断面示意图
3实验方法及参数
(1)将已加工好的紫铜片和有机玻璃组装成所设 计的结晶器模型,按照图1连接实验装置. (2)称取适量硫代硫酸钠,并用电吹风将其结晶 水吹干,在坩埚中加热熔化,升温至62?(硫代硫酸钠 的熔点为48,52?).
(3)将硫代硫酸钠浇注于结晶器模型中,同时通 循环冷却水(水温恒定),或空冷.
(4)透过有机玻璃,观察硫代硫酸钠的凝固结晶 情况,
实验现象,并用数码相机拍照. (5)在有机玻璃表面贴玻璃纸,定时用铅笔画出 凝固前沿曲线,即凝固曲线.
(6)实验结果分析,计算凝固速度,分析凝固缺陷 的类型,形成原因及防止方法.
4实验结果及分析
4.1铸锭凝固模拟
加顶冒口,冷却水流量为4L/min,水温为15?, 浇注温度62?.凝固初期有约3min的孕育期(孕育 期内没有凝固结晶现象,在连铸结晶器内的凝固模拟 中也存在这种情况,孕育期的长短与浇注温度和冷却 速度等因素有关).随后结晶首先在液体和水冷(空 冷)铜壁的接触面上形成,然后由于液面的振动(或微 小的扰动),部分初生晶折断(熔断)并沉积,在沉积过 程中碰到侧壁晶体又会像滚雪球一样,使折断的游离 晶不断增加,形成"结晶雨",并在铸型底部形成沉积 锥;凝固7min左右,稳定的凝固壳形成,凝固速度不 断增加;30min后,在冒口部位出现缩孔,如图3(a)所 示.最后得到的铸锭的宏观组织具有明显的表层细的 等轴晶区,中间柱状晶区和心部等轴晶区,各晶区的宽 窄与冷却条件有关;在冒口部位形成集中缩孔,并能观 察到V型偏析和倒V型偏析现象.空冷条件下(不通 循环冷却水),温度梯度比较小,稳定的凝固壳一直没 有形成,结晶由液面和侧壁不断折断,并在锭模底部沉 积,直到剩余液态金属达到液相线温度才完成非均质 形核,实现同时凝固,如图3(b)所示.
(a)水冷(b)空冷
图3铸锭铸造凝固图示
4.2连铸结晶器内凝固模拟
冷却水流量为4L/min,水温为15?,浇注温度 62?.凝固初期,在结晶器侧壁上形成凝固坯壳,坯 壳的最初形成位置在结晶器2/3高度处,并不断增厚, 凝固进行到40min时,柱状晶开始形成并不断生长, 冷却进行到5h(因模型尺寸较大,所以模拟凝固时间
远大于连铸凝固时间),表层细等轴晶区宽度为1O mrn,柱状晶一直延伸到心部,柱状晶区宽度43mm, 但在距离结晶器中心13.5mm时,柱状晶已经向枝晶 转化,如图4(a)所示.凝固前沿曲线如图4(b)所示. 由平方根定律计算凝固系数K,凝固速度,结果见 表1.表中,?为凝固层厚度增量,?为时间间隔.