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摘要：為了解決下拉式熱型連鑄過程中金屬液靜壓頭過高容易拉漏，從而迫使連鑄速度必須降得很低這一問題，在鑄型上游設(shè)置了過濾網(wǎng)式、窄縫式和小孔式三種不同形式的阻流器，分別進行阻流試驗，以期降低壓頭。試驗結(jié)果表明，過濾網(wǎng)式阻流器由于孔徑過大，剩余壓頭太低，基本沒有阻流作用。窄縫式阻流器主要利用摩擦阻力達到阻流，即使窄縫長度達50mm，寬度為0.3mm時，剩余壓頭也只有2～3mm，阻流效果不顯著。小孔式阻流器主要利用表面張力達到阻流，當(dāng)小孔直徑為0.5mm時，剩余壓頭可達8mm，可以顯著降低鑄型上游金屬液的壓頭，從而防止下拉式熱型連鑄的拉漏。

關(guān)鍵詞：下拉式熱型連鑄；金屬液靜壓頭；阻流

形狀記憶合金管接頭材料絕大多數(shù)是NiTi基合金，NiTi基合金制作的管接頭[1-2]記憶性能好，擴徑率大，回復(fù)包緊力大，連接的可靠性很高，但是其原材料價格昂貴，熔煉和成形加工都很困難，因此使得記憶合金管接頭只能應(yīng)用于個別領(lǐng)域，如航空航天部門。形狀記憶合金的第一個商業(yè)應(yīng)用是1969年由RaychemCorporation制造的商標(biāo)為CryoFitTM的NiTiFe合金管接頭，用于GrummanAerospaceCorporation制造的F-14噴氣式戰(zhàn)斗機上[3]。Cu基和Fe基合金因為在傳統(tǒng)加工工藝下只能得到等軸晶組織，晶體各向異性在晶界產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致力學(xué)性能和記憶性能都很差，形狀記憶可恢復(fù)應(yīng)變僅為2%[4-5]。本試驗室[6-8]采用水平橫引和垂直上引式熱型連鑄工藝，制備出了柱狀晶組織的CuAlBe形狀記憶合金絲、內(nèi)翅片管和管接頭，其中管接頭的擴徑率比NiTi基合金還要大，高達11%，可恢復(fù)應(yīng)變達8%，力學(xué)性能和形狀記憶性能都得到很大的提高。但是，水平連鑄管存在上下平面靜壓頭不一致導(dǎo)致的裂紋，壁厚不均勻等問題。采用普通的下拉式熱型連鑄工藝[9]可以克服水平連鑄工藝的缺點，但因為金屬液從鑄型頂部直接進入鑄型，壓頭很高，非常容易拉漏，不得不降低連鑄速度到30～100mm/min，由于連鑄速度極慢，從而失去實用價值。本文在試驗室自主設(shè)計的下拉式熱型連鑄設(shè)備的鑄型上游設(shè)置多種不同形式的阻流器，試圖增加金屬液的流動阻力，降低金屬液靜壓頭，從而防止拉漏，提高連鑄速度。

1試驗方法

阻流試驗裝置如圖1所示。將阻流器2裝入鑄型1，阻流器上面熔化CuAlBe合金，用液位探測電極測量液面高度，從鑄型出口觀察合金液流出狀況。吸入到每個小孔凝固為合金絲。

2試驗結(jié)果及分析

2.1試驗結(jié)果過濾網(wǎng)式阻流器進行阻流試驗時，當(dāng)滲出壓頭在70mm時金屬液滲出，待流動穩(wěn)定后測得剩余壓頭為1mm，滲出壓頭較高，剩余壓頭較小，實用意義不大。窄縫式阻流試驗結(jié)果見圖3。隨著阻流器窄縫不斷加入合金棒料，使液面高度逐漸升高，直至金屬液克服表面張力通過阻流器流出，此時的壓頭稱為滲出壓頭，記為H。金屬液一旦流出后將一直流出，直至阻流器上游的金屬液壓頭降低到不足以滲透阻流器才停止，此時的壓頭稱為剩余壓頭，記為h。試驗設(shè)置三種不同形式的阻流器（圖2）分別進行阻流試驗，分別記錄下每一次試驗的滲出壓頭H以及剩余壓頭h。圖2（a）為過濾網(wǎng)式阻流器，采用直徑為4mm的Al2O3球，排成4層，平均孔隙直徑為1.66mm。圖2（b）為窄縫式阻流器，在臥式銑床上，利用不同厚度的鋸片銑刀，在直徑為30mm的石墨棒上銑出不同寬度的窄縫。石墨棒的長度分別為20mm、35mm、50mm，具體數(shù)值如表1所示。然后將相應(yīng)厚度的銅箔插入到窄縫中，以引導(dǎo)金屬液流入窄縫。圖2（c）為小孔式阻流器，在直徑為30mm，厚度為10mm的3個石墨塊上，分別鉆0.5mm、0.6mm、0.7mm的小孔，為使金屬液在阻流試驗中能順利通過小孔，采用真空吸鑄的方法，讓CuAlBe合金液被寬度增大，滲出壓頭降低，當(dāng)窄縫寬度為0.5mm時，滲出壓頭基本保持不變。剩余壓頭的變化規(guī)律與滲出壓頭基本相同，窄縫越窄，剩余壓頭越大，說明窄縫增加壓頭的作用越強。窄縫寬度為0.5mm時，剩余壓頭為0。窄縫的長度對降低壓頭也有影響，隨著窄縫長度的增加，滲出壓頭增加，剩余壓頭也增加。但是，增加長度將增加阻流器的制作難度，也使連鑄機構(gòu)變得龐大。窄縫長度達50mm，寬度為0.3mm時，剩余壓頭也只有2～3mm，阻流效果不明顯。小孔式阻流試驗結(jié)果見表2。對于小孔直徑為0.6mm和0.7mm的阻流器，滲出壓頭比窄縫式阻流器要高一些，但剩余壓頭卻幾乎沒有；對于小孔直徑為0.5mm的阻流器，滲出壓頭是最高的，但也在可接受范圍內(nèi)，剩余壓頭比較合理，達到8mm。小孔的直徑越小，滲出壓頭越高，剩余壓頭也越高。

2.2試驗結(jié)果分析對于小孔阻流，流動阻力除了阻流器內(nèi)壁產(chǎn)生的摩擦阻力外，還必須考慮表面張力所產(chǎn)生的阻力。（1）摩擦阻力分析。根據(jù)流體力學(xué)理論，黏性流體在管路中流動時，單位重量流體克服流體與管壁之間的摩擦力和流體質(zhì)點運動的內(nèi)摩擦力所消耗的機械能，稱為沿程水頭損失，以hλ表示。理論分析和試驗都表明，hλ與管道長度L成正比，而與管道直徑D成反比，即：式中：λ表示沿程阻力系數(shù)；v表示流體流動速率；g表示重力加速度。當(dāng)流體經(jīng)過彎管、閥門，流道突然擴大或縮小時，因發(fā)生劇烈的摩擦和能量交換所產(chǎn)生的機械能損失，稱為局部水頭損失，以hζ表示：式中：ζ表示局部阻力系數(shù)。總的水頭損失為沿程水頭損失和局部水頭損失的和，即：h=hλ+hζ。由上述理論公式可知，對壓頭損失的影響因素是流動速度、流道直徑和長度。由于本文阻流試驗金屬液的流動速度很小且變化不大，可以認為是恒量，因此這里只考慮D和L。對于過濾網(wǎng)式阻流器，因為其孔隙直徑過大，所以水頭損失很小。對于窄縫式阻流器，當(dāng)窄縫長度越長，摩擦阻力就越大，水頭損失就越大，滲出壓頭就會越高，剩余壓頭也會越高；當(dāng)阻流器水力學(xué)半徑越大（即窄縫寬度越寬或小孔直徑越大），摩擦阻力就越小，水頭損失就越小，滲出壓頭就會越低，剩余壓頭也會越低。（2）表面張力分析。液體表面張力是指作用于液體表面，使液體表面積縮小的力。曲率半徑或曲面所產(chǎn)生的附加壓力p=2σ/r使液態(tài)表面收縮的力大大增加。比較金屬液流經(jīng)直徑0.5mm的小孔與寬度為0.5mm的窄縫的情況（圖4），當(dāng)金屬液進入小孔時，曲面產(chǎn)生的附加壓力指向中心，力圖使金屬液柱的直徑縮小，從而形成流動阻力，必須增加壓頭才能使金屬液得以穿過小孔，因此小孔阻流的剩余壓頭比較高。然而當(dāng)金屬液進入窄縫時，只有窄縫末端的曲率半徑小，而兩側(cè)都是平面，平面的曲率半徑是無窮大，因此附加壓力為0。金屬液只需克服兩側(cè)平面的流動摩擦阻力，就能穿過窄縫。從試驗結(jié)果來看，0.5mm小孔的剩余壓頭為8mm，而0.5mm窄縫的剩余壓頭為0。由此可見，表面張力所形成的流動阻力比摩擦阻力要大得多。

3結(jié)論

對過濾網(wǎng)式阻流器、窄縫式阻流器和小孔式阻流器分別做了阻流試驗。研究結(jié)果表明：過濾網(wǎng)式阻流器由于孔徑過大，剩余壓頭太低，基本沒有阻流作用。窄縫式阻流器主要利用摩擦阻力達到阻流，即使窄縫長度達50mm，寬度為0.3mm時，剩余壓頭也只有2～3mm，阻流效果不顯著。小孔式阻流器主要利用表面張力達到阻流，當(dāng)小孔直徑為0.5mm時，剩余壓頭可達8mm，可以顯著降低鑄型上游金屬液的壓頭，從而防止下拉式熱型連鑄過程中的拉漏現(xiàn)象，進而提高連鑄速度。

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作者：汪晶鑫 蔡蓮淑 余業(yè)球 黎沃光 單位：廣東工業(yè)大學(xué)