浅析下拉式热型连铸工艺中的阻流范文

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摘要：为了解决下拉式热型连铸过程中金属液静压头过高容易拉漏，从而迫使连铸速度必须降得很低这一问题，在铸型上游设置了过滤网式、窄缝式和小孔式三种不同形式的阻流器，分别进行阻流试验，以期降低压头。试验结果表明，过滤网式阻流器由于孔径过大，剩余压头太低，基本没有阻流作用。窄缝式阻流器主要利用摩擦阻力达到阻流，即使窄缝长度达50mm，宽度为0.3mm时，剩余压头也只有2～3mm，阻流效果不显著。小孔式阻流器主要利用表面张力达到阻流，当小孔直径为0.5mm时，剩余压头可达8mm，可以显著降低铸型上游金属液的压头，从而防止下拉式热型连铸的拉漏。

关键词：下拉式热型连铸；金属液静压头；阻流

形状记忆合金管接头材料绝大多数是NiTi基合金，NiTi基合金制作的管接头[1-2]记忆性能好，扩径率大，回复包紧力大，连接的可靠性很高，但是其原材料价格昂贵，熔炼和成形加工都很困难，因此使得记忆合金管接头只能应用于个别领域，如航空航天部门。形状记忆合金的第一个商业应用是1969年由RaychemCorporation制造的商标为CryoFitTM的NiTiFe合金管接头，用于GrummanAerospaceCorporation制造的F-14喷气式战斗机上[3]。Cu基和Fe基合金因为在传统加工工艺下只能得到等轴晶组织，晶体各向异性在晶界产生应力集中，导致力学性能和记忆性能都很差，形状记忆可恢复应变仅为2%[4-5]。本试验室[6-8]采用水平横引和垂直上引式热型连铸工艺，制备出了柱状晶组织的CuAlBe形状记忆合金丝、内翅片管和管接头，其中管接头的扩径率比NiTi基合金还要大，高达11%，可恢复应变达8%，力学性能和形状记忆性能都得到很大的提高。但是，水平连铸管存在上下平面静压头不一致导致的裂纹，壁厚不均匀等问题。采用普通的下拉式热型连铸工艺[9]可以克服水平连铸工艺的缺点，但因为金属液从铸型顶部直接进入铸型，压头很高，非常容易拉漏，不得不降低连铸速度到30～100mm/min，由于连铸速度极慢，从而失去实用价值。本文在试验室自主设计的下拉式热型连铸设备的铸型上游设置多种不同形式的阻流器，试图增加金属液的流动阻力，降低金属液静压头，从而防止拉漏，提高连铸速度。

1试验方法

阻流试验装置如图1所示。将阻流器2装入铸型1，阻流器上面熔化CuAlBe合金，用液位探测电极测量液面高度，从铸型出口观察合金液流出状况。吸入到每个小孔凝固为合金丝。

2试验结果及分析

2.1试验结果过滤网式阻流器进行阻流试验时，当渗出压头在70mm时金属液渗出，待流动稳定后测得剩余压头为1mm，渗出压头较高，剩余压头较小，实用意义不大。窄缝式阻流试验结果见图3。随着阻流器窄缝不断加入合金棒料，使液面高度逐渐升高，直至金属液克服表面张力通过阻流器流出，此时的压头称为渗出压头，记为H。金属液一旦流出后将一直流出，直至阻流器上游的金属液压头降低到不足以渗透阻流器才停止，此时的压头称为剩余压头，记为h。试验设置三种不同形式的阻流器（图2）分别进行阻流试验，分别记录下每一次试验的渗出压头H以及剩余压头h。图2（a）为过滤网式阻流器，采用直径为4mm的Al2O3球，排成4层，平均孔隙直径为1.66mm。图2（b）为窄缝式阻流器，在卧式铣床上，利用不同厚度的锯片铣刀，在直径为30mm的石墨棒上铣出不同宽度的窄缝。石墨棒的长度分别为20mm、35mm、50mm，具体数值如表1所示。然后将相应厚度的铜箔插入到窄缝中，以引导金属液流入窄缝。图2（c）为小孔式阻流器，在直径为30mm，厚度为10mm的3个石墨块上，分别钻0.5mm、0.6mm、0.7mm的小孔，为使金属液在阻流试验中能顺利通过小孔，采用真空吸铸的方法，让CuAlBe合金液被宽度增大，渗出压头降低，当窄缝宽度为0.5mm时，渗出压头基本保持不变。剩余压头的变化规律与渗出压头基本相同，窄缝越窄，剩余压头越大，说明窄缝增加压头的作用越强。窄缝宽度为0.5mm时，剩余压头为0。窄缝的长度对降低压头也有影响，随着窄缝长度的增加，渗出压头增加，剩余压头也增加。但是，增加长度将增加阻流器的制作难度，也使连铸机构变得庞大。窄缝长度达50mm，宽度为0.3mm时，剩余压头也只有2～3mm，阻流效果不明显。小孔式阻流试验结果见表2。对于小孔直径为0.6mm和0.7mm的阻流器，渗出压头比窄缝式阻流器要高一些，但剩余压头却几乎没有；对于小孔直径为0.5mm的阻流器，渗出压头是最高的，但也在可接受范围内，剩余压头比较合理，达到8mm。小孔的直径越小，渗出压头越高，剩余压头也越高。

2.2试验结果分析对于小孔阻流，流动阻力除了阻流器内壁产生的摩擦阻力外，还必须考虑表面张力所产生的阻力。（1）摩擦阻力分析。根据流体力学理论，黏性流体在管路中流动时，单位重量流体克服流体与管壁之间的摩擦力和流体质点运动的内摩擦力所消耗的机械能，称为沿程水头损失，以hλ表示。理论分析和试验都表明，hλ与管道长度L成正比，而与管道直径D成反比，即：式中：λ表示沿程阻力系数；v表示流体流动速率；g表示重力加速度。当流体经过弯管、阀门，流道突然扩大或缩小时，因发生剧烈的摩擦和能量交换所产生的机械能损失，称为局部水头损失，以hζ表示：式中：ζ表示局部阻力系数。总的水头损失为沿程水头损失和局部水头损失的和，即：h=hλ+hζ。由上述理论公式可知，对压头损失的影响因素是流动速度、流道直径和长度。由于本文阻流试验金属液的流动速度很小且变化不大，可以认为是恒量，因此这里只考虑D和L。对于过滤网式阻流器，因为其孔隙直径过大，所以水头损失很小。对于窄缝式阻流器，当窄缝长度越长，摩擦阻力就越大，水头损失就越大，渗出压头就会越高，剩余压头也会越高；当阻流器水力学半径越大（即窄缝宽度越宽或小孔直径越大），摩擦阻力就越小，水头损失就越小，渗出压头就会越低，剩余压头也会越低。（2）表面张力分析。液体表面张力是指作用于液体表面，使液体表面积缩小的力。曲率半径或曲面所产生的附加压力p=2σ/r使液态表面收缩的力大大增加。比较金属液流经直径0.5mm的小孔与宽度为0.5mm的窄缝的情况（图4），当金属液进入小孔时，曲面产生的附加压力指向中心，力图使金属液柱的直径缩小，从而形成流动阻力，必须增加压头才能使金属液得以穿过小孔，因此小孔阻流的剩余压头比较高。然而当金属液进入窄缝时，只有窄缝末端的曲率半径小，而两侧都是平面，平面的曲率半径是无穷大，因此附加压力为0。金属液只需克服两侧平面的流动摩擦阻力，就能穿过窄缝。从试验结果来看，0.5mm小孔的剩余压头为8mm，而0.5mm窄缝的剩余压头为0。由此可见，表面张力所形成的流动阻力比摩擦阻力要大得多。

3结论

对过滤网式阻流器、窄缝式阻流器和小孔式阻流器分别做了阻流试验。研究结果表明：过滤网式阻流器由于孔径过大，剩余压头太低，基本没有阻流作用。窄缝式阻流器主要利用摩擦阻力达到阻流，即使窄缝长度达50mm，宽度为0.3mm时，剩余压头也只有2～3mm，阻流效果不显著。小孔式阻流器主要利用表面张力达到阻流，当小孔直径为0.5mm时，剩余压头可达8mm，可以显著降低铸型上游金属液的压头，从而防止下拉式热型连铸过程中的拉漏现象，进而提高连铸速度。

参考文献：

[1]周守理，杜大华，韩文仲，等．Ni-Ti基形状记忆合金准6mm管接头的研制[J]．稀有金属材料与工程，1985(1)：19-24．

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[4]张瑾，谷南驹，王文水．矿用管接头Cu-Al-Mn记忆合金材料的研究[J]．金属矿山，2001(7)：39-40.

[5]孟祥刚．铁基记忆合金管接头在油田应用技术研究[D]．大庆：大庆石油学院，2007．

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[9]申曦．下引式连续定向凝固薄壁铜管的基础研究[D]．北京：北京科技大学，2009．

作者：汪晶鑫 蔡莲淑 余业球 黎沃光 单位：广东工业大学