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th 7 China International Steel Congress 液相对流对溶质再分布的影响 田陆, 梁维盛, 杨建桃, 刘畅, 陈尚宇 镭目公司北京研究所 摘 要：以透明合金丁二腈-x%（质量分数）水作为实验对象，通过添加合适的示踪剂的方法，观察自然凝 固条件下流场的形貌和溶质再分布情况。结果表明：氢氧化钠-酚酞试剂可以明显的显示溶质再分布情况，凝 固过程中形成了蝶形流场，流场加重了中心偏析，一次枝晶在流场的影响下呈水平方向向上 10°生长。 关键词：透明合金；流场； 溶质再分布； 氢氧化钠-酚酞试剂 在合金的定向凝固过程中，液相中的流动，会改变界面前沿的温度场和溶质场，对凝固的宏观组织与微 观组织产生很大的影响，如改变柱状晶的生长方向，枝晶间距变化等等[1-4] 。但是，已有的研究没有一个直观 的对流场的观察，流场对溶质再分布的影响结果也没有定论。因此，流动对凝固的影响，还有必要进行更深 入的研究。 凝固界面生长形态是由材料液固界面性质和凝固驱动力的性质所决定的[5] 。界面性质决定了界面形态对 驱动力的相应反应，因此相似的界面性质在相似的驱动力作用下将产生相似的动力学行为，导致相似的界面 形态[6] 。丁二睛(SCN)就是这样一种与金属具有相似界面性质的体心立方结构的透明有机物，由于它的热力学 [6、7] 数据较全，与金属凝固行为相似，多年来被国际凝固理论界广泛地应用于凝固理论研究 。 本文通过对丁二腈透明合金溶液添加不同的染色剂，用高像素摄像机拍摄合金凝固全过程，观察流场流 动行为。在实验观察结果基础上，分析了流场对溶质再分布和枝晶生长的影响。 1 实验方法 实验材料采用由丁二腈（纯度为99% ，熔点为54-57℃）和水制成的凝固点与室温接近的透明合金。实验 系统包括：模型主体装置、热水箱、冷水箱、水循环系统，测温装置(PC 机、PLC 、热电偶、试管) ，连接方 式如图 1 所示。模型是内部结构尺寸为高280mm ，宽100mm，厚度可以在35-50mm 范围变化的密封容器， 容器的两侧边是铜套，其前后为透明的有机玻璃板，底部为不锈钢，模型由上、中、下部（每部分具有独立 的循环水管）组成，并通过水管与冷热水箱连接。 图1 系统组成示意图（浓度测量装置未与主系统连接） 394 第七届中国国际钢铁大会 为了观察凝固过程中的溶质再分布行为，我们取一定量的示踪剂粉末加入试管中，加入纯净水配成溶液。 向烧杯中的丁二腈加入几滴配好的示踪剂，然后将烧杯放置在冰水中，以实现丁二腈溶液由烧杯壁向中心方 向的定向凝固过程，在溶液凝固过程中用相机进行拍照记录实验现象。 为了测试流场对溶质再分布的影响，在溶液凝固过程中，将热电偶固定于溶液的中心位置，记录自然凝 固条件下溶液中心的温度变化情况，利用公式计算出对应的固相率。 2 实验结果 在选择了多种示踪剂后，从物质的极性出发，根据丁二腈的酸碱性，选择了氢氧化钠-酚酞试剂。在65 ℃ 下配置了了丁二腈-10%H2O 溶液，在其中先根据水的含量添加了NaOH 饱和溶液，待溶液搅拌均匀后，加入 几滴酚酞试剂。酚酞不溶于丁二腈，与水互溶。然后再室温下让其冷却凝固，观察现象。随着凝固的进行， 在试样的中心，出现了红色，如图2 所示。图2 为丁二腈-10%H2O 溶液添加氢氧化钠-酚酞试剂后，凝固过程 中的溶质再分布情况。（a ）是刚刚开始凝固的时候，氢氧化钠-酚酞试剂溶于溶液后，没有颜色显示出来，随 着凝固的进行，红色酚酞逐渐的在中心部位聚集，如（b ）、（c ）所示，（d ）为完全凝固后的形貌。酚酞只溶 于水，不溶于丁二腈，所以根据酚酞的再分布情况，可以判断最后水的分布情况。 图2 凝固过程中氢氧化钠-酚酞试剂所显示的丁二腈-10%H O 溶液溶质分布