凝固模拟实验
【实验性质】综合性实验；学时：4 ；选做实验
1实验目的
通过模拟实验了解实际高温钢液凝固过程，观察以下三种现象：
（1）直接观察自然对流现象，目测其流速，观察宏观组织（Λ形偏析）形成的过程及“沟槽”产生的方位。
（2）观察结晶雨现象导致钢锭底部的负偏析（沉积锥）。
（3）观察凝固过程中氯化铵形成的基本晶形。
2实验原理及设备
2.1实验原理
金属凝固过程是从液态转化为固态的过程，从微观来讲，凝固就是金属原子从无序状态到有序状态的排序过程。也就是液态中无规则原子集团转变为原子按一定规则排列的固态结晶。从宏观来讲，是把液态金属所储藏的热和凝固潜热通过模壁转移到外界，使液态金属转变成为具有一定形状的固体金属。整个凝固过程将发生一系列的物理化学变化。
凝固过程的收缩，密度的差异以及温度场的变化而产生的自然对流现象对钢坯的质量影响是特别显著的。特别是在模铸生产中，大型镇静钢锭由于成分不均匀性而产生Λ形偏析（也就是冶金中常说的倒V形偏析，偏析部位表现在钢锭的柱状晶带上），以及钢锭底部的沉积锥偏析等内部缺陷。
2.1.1 倒“V”形偏析的形成
含有不同物质的熔体在凝固过程中，由于温度、密度、体积以及温度场的变化，液体中会产生对流现象。这种对流现象使流动的液体在通过柱状晶凝固前沿时不易凝固，随着柱状晶的生长延伸而夹入中间，形成带有一定角度的液体流。在选分结晶过程中，高熔点的物质首先结晶，低熔点的物质向液体中扩散，形成液体流中低熔点的物质富集，我们称为正偏析。在钢锭的表现形式称为“Λ”形偏析或称倒“V”形偏析。在钢坯的横断面上通过低倍腐蚀表现得形状又称为“方框形”偏析或称“锭形”偏析。
2.1.2 沉积锥偏析
熔体在凝固过程由于选分结晶，高熔点的物质首先形核结晶称为固体。密度小的物质上浮，密度大的物体自然下落。根据形核机理，在一定温度下会形成大量的晶体，由于其密度大于熔体而下落，在下落过程逐渐长大，此现象称为结晶雨。柱状晶向中心生在阻碍了边沿晶体的下落，在底部形成一个锥体，称为沉积锥。由于高熔点的物质成分富集，所以称为负偏析。
2.1.3 减少偏析生成的措施
（1）提高熔体的纯洁度，减少钢中有害元素。
（2）改善熔体的凝固条件控制浇注过程的注温、注速。
（3）改善熔体凝固过程的动力学条件。
2.2实验方法
本实验采用NH4Cl-H2O溶液模拟钢锭凝固过程，NH4Cl-H2O系二元相图如图1所示。由于NH4Cl-H2O溶液的透明性和NH4Cl-H2O树枝晶体的半透明性，因而可以观察晶体及凝固结构形成的过程，更可形象地观察到晶体的结构。再者氯化铵溶液熔化焓低，便于模拟实验操作。由图1可知，氯化铵溶液的浓度超过19.7%以后为过共晶系，实验中可采用35%的
浓度，则氯化铵视为溶剂；水视为溶质（模拟钢水中硫、磷，合金等杂质元素）。
2.3实验装置
实验装置见图2，模型为长方形，用有机玻璃制成。模型一侧有可注入着色液的小孔，另一侧无侧孔并刻有方格，以便观察凝固过程。模型的左右两边接冷却筒和保温桶，其接触面为导热良好的厚度为1mm 的铝片。
冷却剂是用液氮制冷的酒精（也可用干冰+酒精），实验时在一边加冷却剂，另一边加保温剂。示踪剂使用饱和的高锰酸钾溶液。该液体密度较小，与氯化铵水溶液的比重相似，用医用注射器从侧面小孔注入。 010203040
-20
20
40
60
80
-10
-15.1℃19.7%N H 4Cl+液温度/℃w (N H 4Cl )/%
冰+液液-30
图1 NH 4Cl-H 2O 系二元相图 图2凝固模拟实验装置
天平和放大镜用以配置实验液体，测量和观察凝固厚度及流速。
3实验内容与步骤
本实验采用35%的氯化铵水溶液，配备250ml ，用烧杯在电炉上加热使其融化并保持在80℃。冷却剂采用600ml 的无水乙醇，用液态氮使其温度降低到-80℃。保温剂采用600ml 自来水，放在电炉上加热到80℃。将三种液体温度调好后，同时倒入模型中。在导热的金属铝片上很快凝固成一层致密的等轴晶（称急冷带），随着导热速率降低，柱状晶开始生长。在柱状晶带会产生带有一定角度的半透明斜线，称为沟槽（实际是还未凝固的熔融体）。从注射孔注入高锰酸钾，红色液体沿沟槽上升。在熔体温度逐渐下降的过程，可以观察到结晶雨现象。
4实验报告要求
（1） 简述实验目的，实验原理；
（2）
根据实验内容绘制凝固过程中的偏析的产生； （3）
描绘Λ形偏析的形成过程； （4）
描绘沟槽形成过程； （5）
根据实验内容绘制结晶雨形成； （6）
根据实验内容绘制凝固组织； （7）
简述减少偏析主要采取了哪些措施。
熔化与凝固课后作业1．下列物态变化需要吸热的是（） A．冰雪消融 B．露珠的形成 C．霜打枝头 D．冰的形成 2．下列自然现象中,属于熔化的是（） A．冰雪遇暖消融 B．冬天江河结冰 C．春天白雾弥漫 D．阳光下露珠变小
3．户外活动时,为了给食物保鲜,将结了冰的矿泉水和食物一起放在泡沫塑料箱中,就制成了一个简易冰箱．下列说法正确的是（） A．食物保鲜利用了冰熔化吸热 B．食物保鲜利用了矿泉水结冰放热 C．取出食物,外包装上的水珠是汽化形成的 D．取出食物,外包装上的水珠是升华形成的 4．科研人员发现,将一种合金液添加到两金属块之间,合金液固化后能把金属块连接起来,从而实现常温焊接．这种合金液发生的物态变化与下列现象相同的是（） A．初春,薄雾缥缈B．盛夏,夜深露重 C．深秋,天降浓霜D．寒冬,滴水成冰 5．如图是某物质熔化时温度随时间变化的图象,根据图象中的信息,判断下列说法正确的是（） A．该物质为非晶体B．该物质的熔点是80℃ C．在第5min时物质已全部熔化D．第10min时物质处于液态 6．下雪了,小宇从外面捧回一团雪放在杯子中,插入一支温度计,发现温度计的示数降到﹣6℃,他将杯子放在盛有许多热水的盆中,观察到温度计示数的变化是（） A．一直不变 B．先不变,后变大 C．一直变大 D．先变大后不变,后来又变大 7．用如图甲所示装置探究萘熔化时温度的变化规律．请回答下列问题． （1）除图甲所示的实验器材外,还需要的实验器材有火柴和． （2）将装有萘的试管放入水中加热,而不是用酒精灯直接对试管加热,这样做不但能使试管受热均匀,而且萘的温度上升速度较（选填“快”或“慢”）,便于记录各个时刻的温度． （3）将温度计插入试管中时,温度计的玻璃泡在放置上有什么要求？ , ．实验中要不停地用搅拌器搅拌,其目的是． （4）给萘加热一段时间后,可看到烧杯中有“白汽”冒出,“白汽”是（填序号） A．水蒸气 B．小水珠 （5）图乙是萘熔化时温度随时间变化的图象．从图象中可看出,萘是（选填“晶体”或“非晶体”）,从开始熔化到完全熔化,大约持续了min．
实验二探究晶体的熔化和凝固规律 1、下图是某种晶体的熔化曲线，从图中可以看出： （1）这种晶体的熔点是__________℃。 （2）其熔化过程共经历了min。 （3）第4min时，该晶体处于态。 （4）第8min时，该晶体处于___________态。 （5）第10min时，该晶体处于___________态。 答案：80，4，固、固液共存、液态 2、下表为小丽在探究某种物质的熔化规律时记录的实验数据，请你根据表中的实验数据回答下列问题： （1）该物质的熔点是_________℃； （2）该物质是__________（选填“晶体”或“非晶体”）； （3）温度为-3℃时，该物质处于___________态。 （4）温度为0℃时，该物质处于___________态。 （5）温度为1℃时，该物质处于___________态。 （6）该物质熔化过程中吸收热量温度__________选填（“升高”或“不变”） （7）该物质熔化时需要对它加热，这是通过改变其内能（选填“做功”或“热传递”）的。 （8）5至8分钟，该物质的温度保持不变，其内能。（选填“不变”或“增大”） （9）下表是小明在标准大气压下探究某种物质的凝固特点时记录的实验数据，从开始计时起，到第min时的数据有明显错误 答案：0，晶体，固、固液共存、液、不变、增大、热传递、1.5 3、如图13甲所示，是探究萘熔化过程中温度变化规律的实验。请回答下列问题： ①将装有萘的试管放入水中加热，而不是用酒精灯直接对试管加热，在加热过程中还进行搅拌，这样做是为了使试管中的萘受热，而且萘的温度上升较（选填“快”或“慢”），便于及时记录各个时刻的温度。 ②除图13甲所示实验器材外，还需要的实验器材有火柴和。 ③萘的温度随加热时间变化的图像如图13乙所示，由图可知，给萘加热到8min末，试管中的萘所处的物态是态。 答案：均匀、慢、秒表、固液共存
铸件充型凝固过程数值模拟 1 概述 欲获得健全的铸件，必先确定一套合理的工艺参数。数值模拟或称数值试验的目的，就是要通过对铸件充型凝固过程的数值计算，分析工艺参数对工艺实施结果的影响，便于技术人员对所设计的铸造工艺进行验证和优化，以及寻求工艺问题的尽快解决办法。 铸件充型凝固过程数值计算以铸件和铸型为计算域，包括熔融金属流动和传热数值计算，主要用于液态金属充填铸型过程；铸件铸型传热过程数值计算，主要用于铸件凝固过程；应力应变数值计算，用于铸件凝固和冷却过程；晶体形核和生长数值计算，主要用于金属铸件显微组织形成过程和铸件机械性能预测；传热传质传动量数值计算，主要用于大型铸件或凝固时间较长的铸件的凝固过程。数值计算可预测的缺陷主要是铸件形成过程中易发生的冷隔、卷气、缩孔、缩松、裂纹、偏析、晶粒粗大等等，另外可以通过数值计算，提出合理的铸造工艺参数，包括浇注温度、铸型温度、铸件凝固时间、打箱时间、冷却条件等等。目前，用于液态金属充填铸型过程的熔融金属流动和传热数值计算以及用于铸件凝 固过程的铸件铸型传热过程数值计算已经比较成熟，逐渐为铸造厂家在实际生产中采用，下面主要介绍这两种数值试验
方法。 1.1 数学模型 熔融金属充型与凝固过程为高温流体于复杂几何型腔内作有阻碍和带有自由表面的流动及向铸型和空气的传热过程。该物理过程遵循质量守恒、动量守恒和能量守恒定律，假设液态金属为常密度不可压缩的粘性流体，并忽略湍流作用，则可以采用连续、动量、体积函数和能量方程组描述这一过程。 质量守恒方程 ? u/? x+? v/? y+? w/? z= 0 (2-1) 动量守恒方程 ?（ρ u）/? t+u?（ρ u）/? x+v?（ρ u）/? y+w?（ρ u） /?z = -? p/? x+μ(?2u/? x2+?2v/?y2+? 2w/? z2)+ρ g x (2-2a) ?（ρ v）/? t+u?（ρ v）/? x+v?（ρ v）/? y+w?（ρ v） /?z = -? p/?y+μ (?2u/?x2+?2v/?y2+? 2w/? z2)+ρ
实验三晶体的熔化与凝固实验研究 一、预习与思考问题 l 阅读初中物理“物态变化”的教材内容，了解教材中晶体的熔化与凝固探究活动的设计思路。 2．使用“水浴法”有何优点，怎样正确使用这种方法？ 二、阅读 根据晶体物态变化的特性,晶体在加热熔化和冷却凝固时保持温度不变，即有固定的熔点和凝固点，且熔点温度与凝固点温度相同。 以前常选用萘晶体进行实脸，典型的熔化和凝固曲线如图所示。 这个实验做起来比较困难，在熔化和凝固过程中，测量的温度难以保持不变.由于萘有剌激性气味，对身体有害，在中学物理实验中已不再使用。 现在选用的晶体是硫代硫酸钠(俗称海波），它具有熔点较低(48C0左) 没有剌激性气味、溶于水易于清洗等特点。但在凝固时会出现过冷现像．即温度降至熔点时不凝固（想一想：如何应对这一情况），如果能保证冰块的供应，用水来做凝固和熔化的实验也比较理想． 三、实验内容与过程指导 （一）海波的熔化和凝固实验 实验器材：温度计，烧杯．试管．酒精灯，石棉网，铁架台、秒表，硫代硫酸钠晶体（海波）。
1 ．按图所示．选纯净的海波20g左右，碾成粉未装入试管中．插入温度计，请思考温度计应如何放置？ 2．在烧杯中倒入温度在35C0左右的水，水量以能够浸没试管中的海波粉为准。 3.点燃洒精灯，间隔lmin 读取1 次温度（接近45C0时每隔0.5min读取l 次），读到60C0为止。实验中控制水和海波的温差是成功的关键，可用移动酒精灯的方法来控制烧杯中的水温，使之上升不太快。当水温升到48C0左右时，就应加以控制，使水温高于正在熔化的海波的温度1.5C0以下。 接近45C0时每隔0.5min读取l 次 4到60C0时将酒精灯盖灭、撤去．使熔化的海波和烧杯中的水一起在空气中冷却，在降温的同时，每隔1min记录1次温度，读到40C0左右。 5 ．将升温和降温的记录列表．并在方格坐标上画出随时间变化的曲浅．从而确定海波的熔点， 你绘制的熔化曲线和凝固曲线有何特点？所得到的熔点和凝固点是否相同？如果不相同．是什么原因造成的？ 6 ．阅读：搅伴的注意事项 温度计插入海波中的位置应靠近管壁．但不要碰到管壁 在实验中搅拌器进行搅拌是十分必要的，其搅拌是使海波受热均匀，尽快达到热平衡；在固液共存的阶段，应搅拌使其成为糊状．达到固、液均匀混合，熔化成液体；在凝固过程中应沿试管管壁搅拌，以破坏首先沿试管壁形成的妨碍热交换顺利进行的凝固层。使海波均匀冷却，搅拌器最好做成螺旋状，这种搅拌器比棒式的搅拌器效果更好 三、报告与作业 1.通过“海波的熔化与凝固实验”，你体会实验成功的关键是什么？ 2.你认为通过这个实验应培养学生哪些实验能力？在指导学生实验时应提出些什么要求？ 3．试分析晶体熔解前后曲线斜率显著不同的原因。
凝固模拟实验 【实验性质】综合性实验；学时：4 ；选做实验 1实验目的 通过模拟实验了解实际高温钢液凝固过程，观察以下三种现象： （1）直接观察自然对流现象，目测其流速，观察宏观组织（Λ形偏析）形成的过程及“沟槽”产生的方位。 （2）观察结晶雨现象导致钢锭底部的负偏析（沉积锥）。 （3）观察凝固过程中氯化铵形成的基本晶形。 2实验原理及设备 2.1实验原理 金属凝固过程是从液态转化为固态的过程，从微观来讲，凝固就是金属原子从无序状态到有序状态的排序过程。也就是液态中无规则原子集团转变为原子按一定规则排列的固态结晶。从宏观来讲，是把液态金属所储藏的热和凝固潜热通过模壁转移到外界，使液态金属转变成为具有一定形状的固体金属。整个凝固过程将发生一系列的物理化学变化。 凝固过程的收缩，密度的差异以及温度场的变化而产生的自然对流现象对钢坯的质量影响是特别显著的。特别是在模铸生产中，大型镇静钢锭由于成分不均匀性而产生Λ形偏析（也就是冶金中常说的倒V形偏析，偏析部位表现在钢锭的柱状晶带上），以及钢锭底部的沉积锥偏析等内部缺陷。 2.1.1 倒“V”形偏析的形成 含有不同物质的熔体在凝固过程中，由于温度、密度、体积以及温度场的变化，液体中会产生对流现象。这种对流现象使流动的液体在通过柱状晶凝固前沿时不易凝固，随着柱状晶的生长延伸而夹入中间，形成带有一定角度的液体流。在选分结晶过程中，高熔点的物质首先结晶，低熔点的物质向液体中扩散，形成液体流中低熔点的物质富集，我们称为正偏析。在钢锭的表现形式称为“Λ”形偏析或称倒“V”形偏析。在钢坯的横断面上通过低倍腐蚀表现得形状又称为“方框形”偏析或称“锭形”偏析。 2.1.2 沉积锥偏析 熔体在凝固过程由于选分结晶，高熔点的物质首先形核结晶称为固体。密度小的物质上浮，密度大的物体自然下落。根据形核机理，在一定温度下会形成大量的晶体，由于其密度大于熔体而下落，在下落过程逐渐长大，此现象称为结晶雨。柱状晶向中心生在阻碍了边沿晶体的下落，在底部形成一个锥体，称为沉积锥。由于高熔点的物质成分富集，所以称为负偏析。 2.1.3 减少偏析生成的措施 （1）提高熔体的纯洁度，减少钢中有害元素。 （2）改善熔体的凝固条件控制浇注过程的注温、注速。 （3）改善熔体凝固过程的动力学条件。 2.2实验方法 本实验采用NH4Cl-H2O溶液模拟钢锭凝固过程，NH4Cl-H2O系二元相图如图1所示。由于NH4Cl-H2O溶液的透明性和NH4Cl-H2O树枝晶体的半透明性，因而可以观察晶体及凝固结构形成的过程，更可形象地观察到晶体的结构。再者氯化铵溶液熔化焓低，便于模拟实验操作。由图1可知，氯化铵溶液的浓度超过19.7%以后为过共晶系，实验中可采用35%的
凝固过程模拟仿真课程论 文 铸造过程数值模拟的研究发展现状 (Research on the development status of numerical simulation of casting process) 学院名称：材料科学与工程学院 专业班级：复合材料1102 学生姓名：不知道 学号：3110703451 指导教师：怯喜周
铸造过程数值模拟的研究发展现状 摘要：随着电子计算机技术的飞速发展，铸造工艺计算机辅助设计CAD，铸件凝固过程数值模拟CAE等多项技术已大量应用于生产实际。工业发达国家制定的下一代制造（NGM）计划所提出的十项关键基础技术中就包括建模与仿真。铸件的凝固过程数值模拟技术主要包括铸件及其工艺的几何造型、三维传热数值计算技术和缺陷判据这三部分，并可对凝固过程中出现的缺陷进行预测，评判铸造工艺设计的合理性，以减少工艺实验的次数，降低工艺设计成本，提高工艺出品率和合格率。 关键词：凝固模拟；数值仿真；铸造CAE；CAD；铸造充型； Research on the development status of numerical simulation of casting process Abstract: with the rapid development of computer technology, computer aided design of foundry technology CAD, numerical simulation of casting solidification process of CAE and many other technology has been widely applied in actual production. Industrial developed countries to develop the next generation manufacturing (NGM) are ten key basic technology plan put forward in includes modeling and simulation. The casting defects of computing technology and criterion of this three part of numerical heat transfer, including 3D geometric modeling and Simulation of the process of casting solidification process numerical, and to predict the defects that appear during the solidification process of casting process design, evaluation of rationality, in order to reduce the times of experiment process, reduce the design cost, increase the process yield and the qualified rate. Keywords: solidification simulation; numerical simulation; CAE CAD; casting; mold filling; 1 前言 凝固在自然界及人类生产实践中占有十分重要的地位。从熔岩冻结为地壳到
第1课时熔化和凝固现象、熔化和凝固实验 一、选择题 1．小明的玩具灯笼里的灯泡不亮了，爸爸检查后发现是电路板的线断了，于是爸爸用电烙铁把断开的电路重新焊接好，则焊锡发生的变化是( ) A．熔化 B．先熔化后凝固 C．凝固 D．先凝固后熔化 2．下列现象不属于熔化的是( ) A．食盐放入水中变成盐水 B．冰变成水 C．铁块在炼铁炉中变成铁水 D．玻璃在高温下变成液态 3．如图1所示是某小组安装的实验装置，安装顺序合理的是( ) ①烧杯和水②酒精灯 ③铁杆A和温度计 ④铁杆B和试管 ⑤铁杆C和石棉网 A．③④①⑤② B．⑤①④③② C．②⑤①④③ D．⑤②①④③
图1 4．在探究石蜡和海波的熔化规律时，小琴根据实验目的，进行了认真规范的实验，获得的实验数据如下表所示。则下列四个选项中，判断不正确的是( ) A.石蜡和海波的温度整体呈上升趋势 B．海波熔化时的温度是48 ℃ C．海波在熔化过程中不需要吸热 D．42 ℃时，海波处于固态 二、填空题 5．冰糖葫芦是许多小朋友的最爱，它的制作方法很简单：将洗净的山楂穿在竹签上，然后将一定量的白糖放入锅中加热，将白糖________后，在山楂上蘸糖浆，等山楂上的糖浆________热量变成固态，冰糖葫芦就做好了。 图2 6．学习物态变化时，老师写了一副对联，上联是“杯中冰水，水放热结冰温度不降”，下联是“盘内水冰，冰吸热化水温度未升”。该对联先后包含的两种物态变化分别是________和________，反映的一个共性是____________________________。
三、实验探究题 7．如图3所示，利用图甲的装置探究海波熔化时温度的变化规律。图乙中的ABCD和AEFG分别是根据实验数据绘制的海波温度随时间变化的图象。 图3 (1)图甲中，将装有海波的试管放入水中加热是为了使海波受热__________，而且使海波的温度上升得较________(选填“快”或“慢”)，便于及时记录各个时刻的温度。实验中，在记录加热时间的同时还要观察记录的现象有________________、________________。 (2)除了图甲中的实验器材外，还需要的实验器材有火柴和________。分析图乙中的图线AEFG，在4～5 min时间内，试管内的海波处于__________________________________态。 (3)分析图乙中的两条图线，海波熔化时尽管不断吸热，但温度____________。 (4)图乙中的两条图线有所不同，可能的原因是海波的________不同。 1．B2．A 3.C 4.C
实验七晶体的熔化与凝固实验研究报告 姓名：卞媛媛学号:2012012710 一，仪器的结构和原理 温度计（100℃），烧杯（400—500毫升）．试管．酒精灯，石棉网，铁架台、支 架、秒表，硫代硫酸钠晶体（海波）等 二，实验过程 1.按图所示．选纯净的海波约占试管的1/3左右．插入温度计，温度计位 于海波中心处。 2.在烧杯中倒入温度在40℃左右的热水，水量以能够浸没试管中的海波粉 为准。 3.点燃洒精灯，间隔20S读取1次温度（接近43℃时开始读数）读到55℃ 为止。 4. 当海波开始熔化到全部熔化的过程中，要不断搅间隔20S读取1次温度 5.将酒精灯盖灭撤去，使熔化的海波和烧杯中的水一起在空气中冷却，在 降温的同时每隔一分钟记录一次温度变化，读到40℃为止。 三，实验数据处理
海波熔化与凝固曲线 四，实验及其教育改进 1、若实验搅拌棒改为金属螺旋搅拌器能使实验中受热更均匀 2、凝固过程可将试管从水浴烧杯中拿出，在空气中凝固，可缩短实验时间 3、在指导学生实验时注意： 提醒学生取药品的时候用纸槽不会弄撒药品 温度计读数时注意估读方式 实验时重点强调凝固过程中要不断搅拌 实验完成后提醒学生加热试管使晶体熔化再倒掉，且注意用外焰加热试 管中下部而不是底部防止试管炸裂 五．思考题解答
1.使用水浴法可以使试管内的晶体均匀受热，温度变化连续。水浴法要注意烧杯中的水量要能浸没试管中晶体为准。试管插在水中不能接触烧杯壁 2.搅拌棒的形状 3.初次实验时没有搅拌均匀导致过冷现象。可以加凝结核，并不断搅拌 4.海波，水的量及火焰的大小对实验有影响。海波越多，实验所需要的熔化和凝固的时间越长。水越多，水浴加热时间越长。水的比热容大，需要吸收的热量越多，火焰越小，加热越慢，加热时间越长。
第一章绪论 1．1选题的背景及意义 铸造行业是一个古老而又非常重要的传统行业，具有数千年的历史。无论过去还是现在，无论发达国家还是发展中国家，铸造行业对国民经济的发展都起着十分重要的作用。据有关资料统计，铸件(按重量计)在机床、内燃机、重型机器中占70％～90％，农业机械中占40％--70％。此外，在冶金工业、能源工业的水电站、火电站与核电站、航空、航天等产业部门都发挥着重要作用。 铸造技术随着科学技术和生产机械化的发展而获得了巨大发展，但我国铸造行业的技术水平与国外相比有较大差距，它严重制约着我国国民经济的发展。我国铸件年产量已超过1000万吨。居世界第二，但其中高性能、优质铸件的比例只占20．7％，丽美国已占40．7％(1998年统计)；精密铸件比例只占2％，而美国已占13％(1994年统计)。又如，服务予航空、航天工业的精密熔模铸造业，全世界销售额为52.3亿美元，其中美国为24.8亿奖元，占47.4％，而中国仅1．8亿美元，只占3.4％。另外，我国铸件重量平均比国外重10％、20％，劳动生产率低5～8倍，而能耗高2倍。再以汽车发动机缸体铸件为例：我国生产的发动机缸体铸件平均壁厚为5.5～6.0mm，而国外只有3.5-4.5mm。我国的轿车生产已有多年历史，但目前发动机铸铁缸体质量仍然是关键技术问题。 铸件充型凝固过程计算机模拟仿真是铸造学科发展的前沿领域，是改造传统铸造产业的重要途径。经历了数十年的努力，铸件充型凝固过程计算机模拟仿真发展已进入工程实用化阶段。铸造生产正在由凭经验走向科学理论指导。铸件充型凝固过程的数值模拟，可以帮助工作人员在实际铸造前对铸件可能出现的某些缺陷及其大小、部位和发生的时间予以有效的预测，在浇注前采取对策以确保铸件的质量。缩短试制岗期，降低生产成本。计算机技术的突飞猛进使得这一梦想成为现实。 1．2用计算机技术改造传统铸造行业 1．2．1 铸造过程计算数值模拟的国内外研究概况 随着计算机技术的迅猛发展，计算机在铸造中的应用越来越广泛。60年代初，杰·麦德弗洛桑德把戴森摩尔等人在工程应用中提出的有限差分近似法第一次用于铸造凝固过程的传热计算，开始了铸件凝固的过程模拟。此后，美国密西根大学的曼.万等人以及日本的大中逸雄等相继开始了凝固过程模拟，并取得了显著的进步。在第50届国际铸造年会举办的“凝固过程计算机模拟”专题讨论会上，深入讨论了铸件凝国过程数值模拟在研究微观组织结构和铸件性能等方面的应用，总结了凝固过程模拟所依据的。系列关系式，并设想利用这些关系式将几何
哈尔滨工业大学 《材料加工过程数值模拟基础》实验课程 铸件充型凝固过程数值模拟实验报告 姓名： 学号： 班级： 材料科学与工程学院
铸件充型凝固过程数值模拟实验报告 实验一：铸件凝固过程数值模拟 一、实验目的 1．学习有限差分法温度场模拟的数学模型和基本思路； 2．掌握用AnyCasting 铸造模拟软件进行温度场模拟的方法。 二、实验原理 1．有限差分法温度场模拟的基本思路： 设计铸造工艺方案→根据定解条件求解能量方程→揭示凝固行为细节→预测凝固缺陷→改进工艺方案，返回第二步循环。 2．有限差分法温度场模拟的数学模型： 222222T T T T L C t x y z t r l 骣抖抖?÷?÷=+++?÷÷?抖抖?桫 三、铸件凝固模拟过程及参数设置 1．凝固模拟过程 铸件、浇冒口等三维实体造型（输出STL 文件）→网格剖分、纯凝固过程参数设置等前处理→凝固温度场和收缩缺陷计算模拟数据→后处理得到动态的液相凝固、铸件色温图和缩孔缺陷等文件。 2．参数设置 铸件材质：AC1B 铸型材质：SM20C 初始条件：上下模500℃，侧模400℃，升液管700℃。 边界条件：所有界面与空气间的界面传热系数都为10W/(m 2?K)，熔融金属液与模具之间的界面传热系数为4000 W/(m 2?K)，各部分模具间和模具与升液管间界面传热系数都为5000 W/(m 2?K)。 四、模拟结果
图1 冷却时间 由于模拟中设置了水冷和空冷条件，所以铸件冷却速度较快。由图1可知凝固首先发生在铸件表面，铸件的轮辋区厚度较薄，冷却速度比轮辐处冷却快。内浇口先于轮辐凝固，在内浇口凝固后升液管内铝合金熔液无法对轮毂进行补缩， 则在轮毂中最后凝固处容易产生缩松缩孔。 图2 冷却率 由冷却率分布情况可知凝固过程中各部分冷却速率不同，可以判断出凝固时 内应力较大的区域，在应力较大区域铸件容易产生裂纹缺陷。 由模拟结果中铸件的温度场情况，合理设置工艺参数减少缩松缩孔及裂纹的 产生，合理布置冷却水管的分布位置。
《熔化与凝固》教学设计 所属学科或领域：人民教育出版社义务教育课程标准实验教科书 适于的学段/年级：八年级（上册） 设计者：大连市第三十四中学刘听歌 一、教材分析： 本节课是人民教育出版社的义务教育物理课程标准实验教科书中的第四章第二节内容。是热学内容的中的一节完整的探究课。 教材由学生熟悉的物态及温度变化引起的物态变化入手，引出本节所要研究的问题---“熔化和凝固”，既而探究“固体熔化时的规律”。教材把海波熔化特点和蜡熔化特点放在一起，让学生在探究活动中自然地将两者的数据和图象进行比较，不但更方便地找出它们之间的差异，也降低了引出晶体和非晶体的难度。教材没有对凝固做更多的展开，就给了学生更多的空间去通过科学想像与科学推理方法对凝固进行进一步的了解，发展学生的想像力和分析概括能力，使学生养成良好的思维习惯。 教材安排了这一较为成熟的探究活动，有意识培养学生设计和规划能力，观察和动手能力，分析问题和解决问题能力，并且有助于培养学生严谨的科学态度。 二、学生情况分析： 学生在半个学期的物理学习中，对物理有了声和光的认识，对物理探究的方式和方法也有了初步的了解。本节课是热学知识中探究性极强的一节课，学生对熔化和凝固现象并不陌生，但探究上的要求上明显高于前面的探究活动。 1、探究中连续的数据记录和处理是学生首次接触的，通过本节学习，学生将学 会用图象法来处理实验数据：即既能使学生学会获取物理图象的方法，又能对物理概念、规律的认知起到良好的促进作用。 2、本课把海波熔化和蜡的熔化实验放在一起，即既要探究每一类固体物质本身 的熔化规律，又要对不同类型的固体物质熔化规律进行比较。从而来得出结论。更加锻炼学生的分析比较能力。 三、设计意图： 本节课关键是通过探究可以得出熔化规律。在此基础上，了解熔化和凝固的应用，充分培养了学生探究能力，而且学会了用图象法对实验数据进行分析。通过教学活动更加激发学生对生活和自然界现象的好奇，保持学生对大自然的关切，产生更高的求知欲，有助于学生团结协作。在教学中应用视频等多媒体手段，让学生感受生活中的物态变化，激发学生对科学的好奇心和求知欲，培养学生探究未知世界的科学素养和科学精神。 四、教法和学法分析： 本节课的设计以提高学生的科学素质为主要目标，改变学科本位的观念，体现了以人为本的理念。 我设计本课的基本环节如下： 1、创设情境引出问题： 通过多媒体影片的播放，让学生感受自然界美妙的物态变化，引出“熔化和凝固”。
3.2 熔化和凝固 三维目标 知识与技能 1．能区别物质的气态、液态和固态三种状态，能描述这三种物态的基本特征。 2．了解物质的固态和液态之间是可以转化的。 3．了解熔化、凝固的含义，了解晶体和非晶体的区别。 4．了解熔化曲线和凝固曲线的物理含义。 过程与方法 1．通过探究固体熔化时温度变化的规律，感知发生状态变化的条件。 2．了解有没有固定的熔点是区别晶体和非晶体的一种方法。 3．通过探究活动，使学生了解图象是一种比较直观的表示物理量变化的方法。 情感、态度与价值观 通过教学活动，激发学生对自然现象的关心，乐于探索自然现象的情感。 教学重点 1．实验探究归纳晶体与非晶体在熔化过程中的本质区别，总结不同物质熔化和凝固的规律。 2．实验数据的处理及根据图象叙述晶体和非晶体的熔化和凝固的特点。 教学难点 1．晶体和非晶体熔化时温度变化特点； 2．根据实验数据分析、总结推理熔化和凝固曲线并了解其物理意义； 3．了解晶体熔化时，要吸收热量而温度不变。 教学方法 实验探究法、对比法、图象法 课时安排 1课时 教学准备 铁架台、酒精灯、温度计、石棉网、烧杯、试管、海波、石蜡、水、液态酒精、计时表、冰块、铁块、保险丝等。 教学过程 导入新课 情景导入 多媒体展示生活中的各种物态变化的事例：铁矿石在高温炉中熔化为铁水，从高温炉中倒出的铁水凝固成铁板；低温度实验室在低温状态下制得液态氧、氮和固态氧、氮；不同季节、气候下的水的状态变化。 学生思考交流：还能举一些自然界和日常生活中的各种不同状态的物质吗？ 引导归纳：随着温度的变化，物质会在固、液、气三种状态之间变化。 联系生活：把水放入冰箱的冷冻室里，水就会变成冰；把冰加入饮料中，冰从饮料中吸收热量就变成了水。点燃的生日蜡烛的火焰旁边，固态的蜡不断地变成液态的蜡，一部分流下来的蜡滴很快又变成了固态的蜡。路桥施工人员把固态的沥青加热成液态，再把液态的沥青浇在路面上，很快又变成固态。 引导归纳：随着温度的变化，物质会在固、液、气三种状态之间变化。 推进新课 一、物态变化 活动体验：
金 属 凝 固 过 程 模 拟 Numerical simulationongradientcooling behavior of jumbo slab ingot Abstract: Shrinkage porosity defect is often found in an air cooled jumbo steel ingot, which will influencethe quality of the final rolled plates. In practical production, some rolled plates are frequently rejected dueto the serious shrinkage porosity of the ingot. To improve the quality of the ingot, a new cooling method, gradient cooling process (in which the upper part of the ingot is air cooled and the lower part is spray
cooled) was put forward in this study. The solidification behaviors for a 60 t jumbo slab ingot under gradient cooling condition were simulated using the ProCast software, and the results were compared with those of an ingot by air cooling condition. The solidifying tendency, temperature field and distribution of shrinkage porosities in the ingot under different cooling conditions were analyzed. Simulation results show that under gradient cooling condition the solidification of the slab ingot progresses in an upward manner along the vertical z axis and in a centripetal manner along the horizontal x and y axes. Gradient cooling can efficiently reduce shrinkage porosity of the jumbo slab ingot by optimizing the solidification sequence, and making the position of shrinkage porosity move from near the middle height of the ingot (under air cooling condition) towards the head of the ingot; and the secondary shrinkage is eliminated. In addition, the solidification time of the ingot under gradient cooling is 7.3 h in this simulation, which is 2.7 h faster than that under air cooling. A 60 t jumbo slab ingot was successfully produced under gradient cooling condition. The ingot was rolled to a plate with a thickness of 100 mm and length of 18,000 mm, and ultrasonic flaw detection was performed. Some porosity was found along the axis of the plate at 4,900 - 6,000 mm from the head of the plate, indicating that the position of the defect is moved towards the head of the ingot. This distribution trend of the defect is consistent with the simulated result. Key words: gradient cooling; slab ingot; temperature field; shrinkage; numerical simulation 1 Numerical simulation method ProCast software was used for simulation in this study. The solidification time of the jumbo ingot is much longer than tis filling time, so the initial temperature of the ingot was set as the pouring temperature T p, which was 1,580 oC for the steel used in this study. The initial temperatures of the cast iron mould and the heat insulation plate were taken as the ambient temperature of 25 oC. Boundary conditions were set according to Q = h eff (T hot–T cold), where Q is heat flux; h is equivalent interface heat transfer coefficient; T hot is the hot surface eff temperature;and T cold is the cold surface temperature. The heat transfer coefficient between mould and ingot was 1,800 W·K-1·m-2.The heat transfer coefficient between heat insulation plate and ingot was 20 W·K-1·m-2. The upper half of the mould wall was air cooled at a heat transfer coefficient of 10 W·K-1·m-2. The lower half was spray cooled at a heat transfer coefficient of 1,000 W·K-1·m-2 [10].
《熔化和凝固》教学设计 安 边 中 学 姬文明
《熔化和凝固》教学设计 教材依据： 北师大版八年级物理上册第一章第三节熔化和凝固 设计思路： 1、指导思想： 贯彻以学生发展为本的教学理念，以新课程标准为指导思想。 2、设计理念： 基于学生特点，本节课从熔化和凝固图片引入课题，激发学生的探究欲望，同时指出探究的课题。学生分组探究海波和松香熔化和凝固实验，各组通过汇报实验数据总结交流有关熔化和凝固的知识。学生利用图像分析整理实验数据，通过观察比较熔化凝固的图像得出结论，在此过程中掌握分析处理实验数据的方法。在整个教学过程中以学生为主体，分组合作探究，让学生体验探究的乐趣，合作的乐趣。 3、教材分析：教材内容的地位及作用： 本节教材属于物态变化的基础章节之一，而熔化和凝固是物质最基本的特性之一，其物态变化的现象是生活中最常见、最熟悉的。学好本节对学习其他物质的特性有迁移作用。同时，本节课也是初中物理学习过程中第一次接触到的具有探究内容的课，对学生的探究能力的培养起到作用是显而易见的。通过这节课的学习为今后探究性课题的学习打下坚实的基础。 4、学情分析 八年级学生已经具备一定的观察、动手能力，形象思维比较好。学生喜欢动手，并可以提出一些问题，但归纳总结的能力有待进一步提高，对于较为抽象的知识理解比较困难。 教学目标： 知识与技能：1、通过实验探究知道物质的固态和液态之间是可以转换的； 2、通过实验探究知道熔化、凝固的含义； 3、通过比较海波与松香的熔化和凝固过程，知道晶体和非晶体熔化与凝固过程的区别； 4、会用图线描述熔化和凝固的过程； 5、会查物质熔点表。 过程与方法：1、通过探究感知固体发生熔化都需要吸热； 2、通过对海波、松香熔化过程的探究，知道判断固体有没有固定的熔化温度是区别晶体与非晶体的一种方法； 3、通过探究活动中数据的处理，了解图像是一种比较直观的表示物理过程的方法； 4、通过探究活动体会一种新的学习方式，并感知探究的过程。 情感与评价：1、通过教学活动，形成对自然现象的关心和乐于探究自然现象的情感； 2、通过探究实验过程，提高观察和实验能力；在实验过程中形成实事求是的科学态度； 3、在探究过程中提高协作能力和团队精神； 4、通过记录交流产生将自己的见解和他人交流的愿望，认识交流的重要性。 现代教学手段：多媒体课件展示 教学重点：晶体熔化和凝固的规律，晶体的熔点和凝固点 教学难点：用图像法进行数据处理、分析，区别晶体和非晶态 教学准备：铁架台、酒精灯、石棉网、大烧杯、温水、大试管、海波、松香、温度计、搅拌器、火柴、放大镜，多媒体课件。
钢水凝固过程数值模拟 摘要：连铸过程是一个包含流动、传热、凝固等复杂现象的综合过程。由于进入结晶器的高温钢液具有很大的动能，在凝固壳包围的液态金属中存在强烈的湍流流动，这种流动对卷渣、卷气、液穴的形成以及结晶器中温度分布、凝固传热和凝固厚度分布的均匀性都有重要影响关键字：液态成型；数值仿真；铸造 Abstract: Continuous casting process is a complex phenomenon such as flow, heat transfer and solidification of the composite process. Due to the high temperature of mould liquid steel has great momentum, the existing in the liquid metal solidification shell surrounded by strong turbulent flow, the flow volume of slag, gas, liquid hole and the formation of the temperature distribution in crystallizer, the uniformity of solidification heat transfer and solidification thickness distribution have important influence Key words: liquid molding; The numerical simulation. Casting 一问题描述 结晶器内钢液的流动特性不仅关系到结晶器的传热和夹杂物的上浮,而且还与铸坯裂纹、皱皮、偏析等表面及内部质量有着非常密切的关系。因此，开展连铸机结晶器内钢水流场和温度场以及凝固过程的研究就显得尤为重要。随着连铸技术的发展，对结晶器内的流动过程和优化设计研究受到重视目前研究方法主要是通过水模实验和数值模拟。 本文针对某厂连铸机的生产现状，利用数值模拟的方法,采用Fluent软件模拟此连铸机结晶器内钢液的三维流场、温度场与凝固现象,重点分析不同形状水口对结晶器内流场、温度场以及凝固厚度的影响，揭示物理现象，为优化浸入式水口结构参数提供理论依据。 二模拟方法 1 基本假设 钢液自水口流入结晶器，结晶器内通冷却水进行冷却，钢液经强烈对流冷却和辐射换热逐步形成凝固坯壳，最终凝固的锭坯在出口以恒定拉速拉出。整个计算过程基于以下假设： a.结晶器内的流动为稳态； b.结晶器内钢液为不可压缩牛顿流体，物性参数为常数； c.忽略结晶器壁振动对流动的影响； d.δ?γ相变潜热远小于凝固潜热，忽略金属固态相变的影响。 2 基本方程 式子中 结晶器内连铸坯弹塑性变形伴随有较大的温度变化在建立其本构方程时应考虑温度的影响因此总应变增量可表示为 方程右边分别为弹性应变量材料性能随温度变化引起的应变增量塑性应变量及热应变量将各应变量相应关系式代入可得坯壳应力应变的本构方程。 3 参数确定及边界条件 1）参数的确定 与温度T 的关系如下 钢液热焓H s
铸造凝固过程数值模拟 时间:2007-4-11 9:03:44 1.1 概述 在铸造生产中，铸件凝固过程是最重要的过程之一，大部分铸造缺陷产生于这一过程。凝固过程的数值模拟对优化铸造工艺，预测和控制铸件质量和各种铸造缺陷以及提高生产效率都非常重要。 凝固过程数值模拟可以实现下述目的： 1）预知凝固时间以便预测生产率。 2）预知开箱时间。 3）预测缩孔和缩松。 4）预知铸型的表面温度以及内部的温度分布，以便预测金属型表面熔接情况，方便金属型设计。 5）控制凝固条件。 6）为预测铸应力，微观及宏观偏析，铸件性能等提供必要的依据和分析计算的基础数据。 铸件凝固过程数值模拟开始于60年代，丹麦FORSUND把有限差分法第一次用于铸件凝固过程的传热计算。之后美国HENZEL和KEUERIAN应用瞬态传热通用程序对汽轮机内缸体铸件进行数值计算，得出了温度场，计算结果与实测结果相当接近。这些尝试的成功，使研究者认识到用计算数值模拟技术研究铸件的凝固过程具有巨大
的潜力和广阔的前景。于是世界上许多国家都相继开展了铸件凝固过程数据模拟以及与之相关的研究工作。 1.2 数学模型的建立和程序设计 液态金属浇入铸型，它在型腔内的冷却凝固过程是一个通过铸型向环境散热的过程。在这个过程中，铸件和铸型内部温度分布要随时间变化。从传热方式看，这一散热过程是按导热、对流及辐射三种方式综合进行的。显然，对流和辐射的热流主要发生在边界上。当液态金属充满型腔后，如果不考虑铸件凝固过程中液态金属中发生的对流现象，铸件凝固过程基本上看成是一个不稳定导热过程。因此铸件凝固过程的数学模型正是根据不稳定导热偏微分方程建立的。但还必须考虑铸件凝固过程中的潜热释放。 基于分析和计算模型开发相应的程序，即可实现铸造凝固过程温度场的计算。 1.3 温度场的数值模拟 在热模拟中,温度场的数值模拟是最基本的，以三维温度场为主要内容的铸件凝固过程模拟技术已进入实用阶段,日本许多铸造厂采用此项技术。英国的Solstar系统由三维造型,网格自动剖分,有限差分传热计算,缩孔缩松预测,热物性数据库及图形处理等模块组成。