硫代硫酸钠模拟液态金属凝固实验

硫代硫酸钠模拟液态金属凝固实验 . I .. S ... S .. N ....... 1... 0... 0... 2.... -- ...... 4.... 9..— 5— 6 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 材料 关于××同志的政审材料调查表环保先进个人材料国家普通话测试材料农民专业合作社注销四查四问剖析材料 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,,, 一,一一一_至一?_吾?一,一一,,..一一一,一一,,一一,.一嘶一.茎,. 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 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 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,记录实验现象,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 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 ,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.