金属液态成形工艺原理讲稿

§2.1 液态金属充型过程的水力学特点
3、紊流流动
液体的流动可分为层流和紊流两种状态，并可用雷诺数Re 来判断。
Re v D
Re临 = 2300
（流速×管路直径 / 流体运动粘度） 大于Re临为紊流
小于Re临为层流
例如，某钢种在连铸工艺过程中结晶器的管道直径为0.15m， 如果结晶器有电磁搅拌的条件下钢水的平均旋转周向速度为 0.12m/s，浇注温度为1535℃，运动粘度为0.407×10-6m2/s， 计算出：
§2.2 液态金属充型过程的水力学计算
三、计算过程和结果
计算条件： a. 浇注系统为充满流动
封闭式浇注系统； 对于开放式的型腔液面要淹过内浇道。
b. 浇口杯液面保持不变
1. 充填下半型 设充填下半型时需要金属液m1，充填时间为t1。 以浇口杯液面和内浇道出口建立伯努利方程（能量方程）：
H 0
学的规律在一定程度上也适用于液态金属的流动过程。
§2.2 液态金属充型过程的水力学计算
一、浇注系统的结构
浇注系统：引导金属液进入和充满型腔的一系列通道。
§2.2 液态金属充型过程的水力学计算
一、浇注系统的结构
浇注系统的构成（基本组元）：
① 浇口杯 ② 直浇道 ③ 直浇道窝 ④ 横浇道 ⑤ 内浇道
§2.1 液态金属充型过程的水力学特点
1、多相黏性流动
金属由固态转变成液态，金属键被部分破坏，原子之间仍 然保持一定的结合力，因此液态金属在流动过程中有内摩 擦阻力，呈现粘性流动的水利学特点。
影响因素：
温度 合金成分 金属液纯净度
§2.1 液态金属充型过程的水力学特点
2、非稳定流动
流路截面变化 流路方向变化 流路温度变化 充型过程中液态金属的流速、流态在不断变化。
F直、F横、F内分别为直、横、内浇道截面积之和。
§2.2 液态金属充型过程的水力学计算
二、计算模型
液态金属充型过程计算模型：
H0——金属充型压头 P —— 上型腔高度 C —— 型腔高度
（铸件高度）
§2.2 液态金属充型过程的水力学计算
二、计算模型
为了保证金属液顺利充满型腔： 直浇道要有一定高度（提供充型压头）； 浇道要有合适的截面积。
Re
vD
0.12 0.15 0.407 106
44226 Re临（2300）
对于某些合金，在浇注温度下（高于液相线温度50~100℃）有：
铸件材质
γ（m2/s）
铸铁 0.55×10-6
铸钢 0.4×10-6
铝合金 0.6×10-6
在浇注系统中，即使 D 很小（如取 0.4 cm），在保证充型 的最低流速下，其雷诺数也大于Re临。所以：
2. 充填上半型 设充填上半型时需要金属液m2，充填时间为t2。 以浇口杯液面和内浇道出口建立伯努利方程：
H0
P杯
v杯2 2g
0
P内
v内2 2g
hi
h j （2 - 4）
第二章 金属液态成形工艺原理
§2.1 液态金属充型过程的水力学特点
液体金属充满铸型型腔的过程称为 充型过程。
§2.1 液态金属充型过程的水力学特点
液体金属充满铸型型腔的过程称为 充型过程。 充型过程存在：
热作用 机械冲击冲刷 物理化学反应 在充型异常的条件下会产生液态金属成形过程的一些缺陷： 浇不足、冷隔、砂眼、抬箱、侵入性气孔、夹砂结疤
γ —— 重度（=ρg）
1. 充填下半型 设充填下半型时需要金属液m1，充填时间为t1。 以浇口杯液面和内浇道出口建立伯努利方程（能量方程）：
H 0
P杯
v杯2 2g
0
P腔
v内2 2g
hi
因为
（2 - 1）
v杯 0
P杯 P腔
hi
i
vi2 2g
其中:
i为浇注系统中某段的压头损失系数。
1. 充填下半型
例如连铸的钢水中：
夹杂物（非金属化合物）： （尺寸 < 50μm ）
氧化物—— Al2O3, SiO2, MnO, FeO, TiO2 , MgO 等 氮化物—— AlN, ZrN, TiN 等
硫化物—— Ni3S2, CeS, Cu2S 等
气体：
（总量 < 4X10-4 %）
CO, CO2, H2, N2, O2 等
P杯
v杯2 2g
0
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P腔
v内2 2g
hi （2 - 1）
1. 充填下半型 设充填下半型时需要金属液m1，充填时间为t1。 以浇口杯液面和内浇道出口建立伯努利方程（能量方程）：
H 0
P杯
v杯2 2g
0
P腔
v内2 2g
hi （2 - 1）
式中：
P杯 —— 浇口杯液面压力 P腔 —— 型腔内的液面压力 v杯 —— 浇口杯液面金属流动速度 v内 —— 内浇口出口金属流动速度 hi —— 浇注系统中某段的流体压头损失
§2.2 液态金属充型过程的水力学计算
一、浇注系统的结构
连续铸钢浇注系统的构成：
① 钢水包 ② 长水口 ③ 中间包 ④ 浸入式水口 ⑤ 结晶器
§2.2 液态金属充型过程的水力学计算
一、浇注系统的结构
根据浇注系统基本组元截面积比例关系分为：
① 开放式浇注系统 F直 < F横 < F内
② 封闭式浇注系统 F直 > F横 > F内
研究液态金属充型过程的运动规律和特性非常必要。
§2.1 液态金属充型过程的水力学特点
研究液态金属充型过程的运动规律和特性非常必要。
研究方法： 物理模拟 计算机数值模拟 工业试验经验总结
§2.1 液态金属充型过程的水力学特点
1、多相黏性流动 液vo态金属83Cg中存在夹另杂相 物R （固相）另和气一体相（临气界相升）降速度
H 0
P杯
v杯2 2g
0
P腔
v内2 2g
hi （2 - 1）
整理式（2-1）得
H0
v内2 2g
hi
v内2 2g
(1
i )
所以
v内
1
1 i
2gH0 2gH0
（2 - 2）
式中
为流量系数。
1. 充填下半型 通过内浇道的金属流量为
m1 t1F内 2gH0
所以
F内
t1
m1 2 gH 0
（流量=时间*流速*截面积） （2 - 3）
金属液在浇注系统中的流动为 紊流流动。
又由于浇注系统流路回转，使紊流程度加重。
§2.1 液态金属充型过程的水力学特点
4、在“多孔管”中流动
浇注系统及铸型的型腔都具有一定的透气性
§2.1 液态金属充型过程的水力学特点
综上所述 液态金属在充型过程中的水力学特点与理想液体相比
有明显的区别。 但是，液态金属在充型时间较短的过程中，一些水力