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            鋁型材對流生產條件下對邊界層的影響

            鋁型材熔煉組分過冷條件是建立在溶質自然擴散的基礎上的,溶質的擴散速度較慢,邊界層較厚。在實際生產中,液穴中的熔體,在液穴周邊和下方不斷結晶消耗,上方熔體不斷注入,補充質量和熱量。因此在液穴中,無論是橫截面上,還是垂直方向,其溫度場和濃度場,必然存在某些差異,有差異就有對流,既有自然對流,還有強制對流。對流存在時,擴散速度加快,能使邊界層外溶質濃度和溫度均勻,趨于平均濃度Cl和平均溫度Tl,構成動態型穩態熔體。如上所說,在存在對流的條件下,其產生組分過冷條件的表達式見式(2-28),與式(3-2)比較,不等式右邊分式的分子完全相同,而分母則多出出D(1-Ko)exp(-v/Dδ)一項。式中,δ為界面前沿組分分凝溶質邊界層的厚度。在平衡結晶自然擴散的條件下,結晶前沿排泄出的溶質向溶液中擴散的速度是非常緩慢的,其邊界濃度趨于平均濃度Cl時的邊界層厚度δ可視為無窮大,故該項為零。在存在對流的條件下,特別是伴有強制對流的條件下,使得邊界限定在一個狹小的區域內。在狹小的區域的邊界層外,溶質均勻,等于Cl。因此,對流對組分過冷的影響是通過影響邊界層厚度來實現的。該公式比較符合生產的實際情況。

            由公式右邊看出,熔體的平均濃度(即鋁型材成分含量)越高,液相線的斜率m越大,溶質的平衡分凝系數越趨近于零,擴散系數越小,熔體對流越緩慢,越容易產生組分過冷,對熔體均勻形核是有利的。一般來說,鋁型材元素較多、含量較高,與工業純鋁相比,在同等條件下,其晶粒組織是比較容易細化的。

            由公式的左邊看,溫度梯度越小,鑄造速度越快,越容易產生組分過冷。從理論上講,溫度梯度、鑄造速度是我們可以調整的工藝參量。但是在生產實踐中,調整的量是有限度的。不能超過某一極限,超過了就要出問題,如鑄造速度適當提高可以促進過冷區的形成,提高鋁型材產品質量,但過快就會產生裂紋,甚至會發生熔體泄漏。

            以上討論了晶體生長的熱力學理論對生產實踐的指導作用,具體說是探討了如何改變結晶界面前沿的溫度梯度和濃度梯度,形成所需要的組分過冷區,以利于結晶核心的生成和成長。而溫度梯度和濃度對組分過冷區的作用又互為反向,即濃度梯度越大,越容易形成組分過冷區;溫度梯度越大,則越不容易形成組分過冷區。在生產實踐中,如何處理好這個矛盾,選擇一個最佳點,既滿足所需要的組分過冷,又不產生鑄件的其他質量缺陷,這就是技術工作者面臨解決的問題。

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