Экспериментальное определение кривых охлаждения сплава в различных зонах затвердевающего слитка и построение на основе этого его температурного поля

Цель работы: является приобретение навыков экспериментального определения кривых охлаждения сплава в различных зонах затвердевающего слитка и построения на основе этого его температурного поля.

ВВЕДЕНИЕ

Температурное поле затвердевающего и остывающего слитка зависит от совокупности теплофизических, геометрических и физико-химических факторов взаимодействия слитка с металлической стенкой и поэтому занимает центральное место во всех теоретических и экспериментальных исследованиях процесса затвердевания.

І ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Под температурным полем (ТП) понимают распределение температуры в объеме слитка, меняющееся во времени таким образом, что температура каждой точки рассматривается как функция пространственных координат Х, У, Z и времени τ.  Для одномерной задачи, т.е. для симметричного слитка (плита, цилиндр, шар) температура выражается функцией лишь одной координаты Х и времени τ. При этом обычно пользуются относительной координатой х, представляющей отношение расстояния данной точки от центра или поверхности слитка Х к соответствующему полному его размеру Х₀:

                    х = Х/Х₀                       (1)

Для цилиндра и шара Х₀ есть радиус (r, мм), а для плиты – половина ее толщины (δ, мм).

Характер и скорость температурного поля непосредственно зависят от теплофизических свойств металла и материала формы, критических температур и тепловых эффектов фазовых переходов, интенсивности теплоотвода, геометрической формы и размеров слитка. В связи со сложностью оценки совокупного влияния перечисленных факторов на ТП все теоретические решения имеют ряд упрощающих допущений.

Для экспериментального построения ТП в некоторых фиксированных точках объема слитка устанавливают термопары и с их помощью записывают кривые охлаждения сплава (рисунок 1,а и 1,б). Таким образом, находят эмпирическую связь между температурой, расстоянием и временем. Графической обработкой этих данных можно построить непрерывную картину температурного поля, охватывающую весь объем слитка и изменяющуюся во времени. Практически наиболее удобно это делать в виде проекций сечения ТП на три координатные плоскости: температура сплава t – время охлаждения τ; относительное расстояние от поверхности слитка х – время охлаждения τ; температура сплава t - относительное расстояние от поверхности слитка х.

На рис. 1 представлен наиболее простой случай охлаждения твердого образца без фазовых превращений. В координатах температура  t₁ – время τ нанесены кривые охлаждения 1,2 и 3, полученные с помощью трех термопар, установленных в центре 1 слитка, на половине его толщины 2 и вблизи поверхности контакта металл – металлическая стенка 3 (рис. 1,а).

В таком же масштабе расстояний, как и сечение слитка, построена