铝型材生产对流条件下对边界层的影响

铝型材熔炼组分过冷条件是建立在溶质自然扩散的基础上的，溶质的扩散速度较慢，边界层较厚。在实际生产中，液穴中的熔体，在液穴周边和下方不断结晶消耗，上方熔体不断注入，补充质量和热量。因此在液穴中，无论是横截面上，还是垂直方向，其温度场和浓度场，必然存在某些差异，有差异就有对流，既有自然对流，还有强制对流。对流存在时，扩散速度加快，能使边界层外溶质浓度和温度均匀，趋于平均浓度Cl和平均温度Tl，构成动态型稳态熔体。如上所说，在存在对流的条件下，其产生组分过冷条件的表达式见式（2-28），与式（3-2）比较，不等式右边分式的分子完全相同，而分母则多出出D(1-Ko）exp（-v/Dδ）一项。式中，δ为界面前沿组分分凝溶质边界层的厚度。在平衡结晶自然扩散的条件下，结晶前沿排泄出的溶质向溶液中扩散的速度是非常缓慢的，其边界浓度趋于平均浓度Cl时的边界层厚度δ可视为无穷大，故该项为零。在存在对流的条件下，特别是伴有强制对流的条件下，使得边界限定在一个狭小的区域内。在狭小的区域的边界层外，溶质均匀，等于Cl。因此，对流对组分过冷的影响是通过影响边界层厚度来实现的。该公式比较符合生产的实际情况。



由公式右边看出，熔体的平均浓度（即铝型材成分含量）越高，液相线的斜率m越大，溶质的平衡分凝系数越趋近于零，扩散系数越小，熔体对流越缓慢，越容易产生组分过冷，对熔体均匀形核是有利的。一般来说，铝型材元素较多、含量较高，与工业纯铝相比，在同等条件下，其晶粒组织是比较容易细化的。

由公式的左边看，温度梯度越小，铸造速度越快，越容易产生组分过冷。从理论上讲，温度梯度、铸造速度是我们可以调整的工艺参量。但是在生产实践中，调整的量是有限度的。不能超过某一极限，超过了就要出问题，如铸造速度适当提高可以促进过冷区的形成，提高铝型材产品质量，但过快就会产生裂纹，甚至会发生熔体泄漏。

以上讨论了晶体生长的热力学理论对生产实践的指导作用，具体说是探讨了如何改变结晶界面前沿的温度梯度和浓度梯度，形成所需要的组分过冷区，以利于结晶核心的生成和成长。而温度梯度和浓度对组分过冷区的作用又互为反向，即浓度梯度越大，越容易形成组分过冷区；温度梯度越大，则越不容易形成组分过冷区。在生产实践中，如何处理好这个矛盾，选择一个最佳点，既满足所需要的组分过冷，又不产生铸件的其他质量缺陷，这就是技术工作者面临解决的问题。

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