受鑄錠凝固收縮和鑄型受熱膨脹的影響，鑄錠和鑄型接觸隨之發(fā)生變化，即形成氣隙，如下圖所示。當(dāng)鑄錠和鑄型間氣隙形成以后，鑄錠向鑄型的傳熱方式不只是簡(jiǎn)單的傳導(dǎo)傳熱，同時(shí)存在小區(qū)域的氣體導(dǎo)熱和輻射傳熱，導(dǎo)致鑄錠－鑄型界面熱阻（1/hz)發(fā)生非線性變化。界面熱量傳輸可分為如下三個(gè)階段。

  階段1: 在凝固初期，當(dāng)表面溫度略低于鑄錠液相線溫度時(shí)，在鑄錠外表面會(huì)形成一定厚度的半固態(tài)殼；此時(shí)，在液體靜壓力和外界壓力（如凝固壓力和大氣壓等）的作用下，鑄錠和鑄型界面處于完全接觸狀態(tài)，如圖2-84(a)所示，因而界面的固固接觸熱量傳輸方式在界面?zhèn)鳠徇^(guò)程中起主導(dǎo)作用, 此界面宏觀平均換熱系數(shù)hz1可表示為

   h21=a+b·(P1+P3)  （2-167)

   式中，a和b為常量；Ph為液體靜壓力；Ps為外界壓力。

   階段2: 在給定外界壓力和液體靜壓力條件下，半固態(tài)殼的強(qiáng)度存在一個(gè)臨界值σm;隨著凝固過(guò)程的進(jìn)行，半固態(tài)殼的強(qiáng)度不斷增大；當(dāng)強(qiáng)度大于臨界值時(shí)，半固態(tài)殼定型；隨后鑄錠半固態(tài)殼逐漸與鑄型分離，固固接觸積逐漸減小，氣隙在界面某些位置形成且其尺寸逐漸增大，導(dǎo)致鑄錠和鑄型界面處于半完全接觸狀態(tài)，如圖2-84(b)所示。在此階段，氣隙的尺寸主要受由液相變固相發(fā)生的凝固收縮影響。盡管界面還存在部分固固接觸，但界面熱阻隨著凝固的進(jìn)行不斷增大，由于鑄錠和鑄型界面接觸方式的變化，界面熱量傳輸主要由固固接觸傳熱、輻射換熱以及氣相導(dǎo)熱傳熱三分構(gòu)成，其中，固固接觸傳熱仍然占據(jù)界面熱量傳輸?shù)闹鲗?dǎo)地位。此階段界面宏觀平均換熱系數(shù)hz2可表示為

 此外，隨著凝固的進(jìn)行，鑄錠和鑄型界面上固固接觸面積逐漸減小，因而階段1界面宏觀平均換熱系數(shù)hz1最大，階段2界面宏觀平均換熱系數(shù)hz2值次之，階段3界面宏觀平均換熱系數(shù)hz3值最小，這與實(shí)際凝固過(guò)程中界面換熱系數(shù)逐漸減小的規(guī)律相互印證。同時(shí)，在鑄錠自身重力的作用下，在鑄錠底部位置，界面半完全接觸狀態(tài)始終貫穿整個(gè)凝固過(guò)程，這與鑄錠頂端界面固固接觸完全消失有所不同，如圖2-84(d)所示。

  凝固壓力在氣隙的形成過(guò)程中扮演了十分重要的角色。研究表明，增加凝固壓力（兆帕級(jí)）具有明顯的強(qiáng)化冷卻效果，但在界面熱量傳輸變化的三個(gè)階段，加壓強(qiáng)化冷卻的程度大有不同。

 階段1:當(dāng)壓力在幾兆帕下變化時(shí)，由于物性參數(shù)（如強(qiáng)度、密度和導(dǎo)熱系數(shù)等）的變化量可以忽略不計(jì)，壓力對(duì)鑄錠和鑄型界面完全接觸狀態(tài)影響較小，根據(jù)式（2-166)可知，壓力對(duì)界面宏觀平均換熱系數(shù)的影響可以忽略不計(jì)，因此增加壓力對(duì)階段1的界面換熱影響很小。

  階段2:在此階段，鑄錠和鑄型界面非完全接觸狀態(tài)主要由凝固收縮控制。

  隨著壓力的增加，半固態(tài)殼抵抗變形所需臨界強(qiáng)度增大，因而加壓能夠抑制界面非完全接觸狀態(tài)的形成，有助于將界面在整個(gè)凝固過(guò)程中實(shí)現(xiàn)保持固固接觸的狀態(tài)。例如，隨著壓力的增加，H13表面上的坑變得淺平，且數(shù)量逐漸減少，意味著鑄錠表面越來(lái)越光滑，粗糙度減小，鑄錠鑄型界面處的固固接觸面積增大。根據(jù)式（2-168)可知，界面宏觀平均傳熱系數(shù)與壓力趨于正比關(guān)系，加壓能夠顯著提升此階段界面宏觀平均換熱系數(shù)。因此，增加壓力能夠強(qiáng)化鑄錠鑄型間界面固固接觸狀態(tài)，抑制由凝固收縮導(dǎo)致界面氣隙的形成，加快鑄錠鑄型界面?zhèn)鬟f，強(qiáng)化冷卻效果明顯。

  階段3:界面氣隙的長(zhǎng)大主要受控于固態(tài)收縮。隨著界面氣隙尺寸的變大，外界逐步與界面氣隙連通，在壓力的作用下，氣體逐漸進(jìn)入界面氣隙內(nèi)，進(jìn)而導(dǎo)致界面氣隙與外界之間的壓差趨于零，壓力對(duì)界面氣隙的影響逐漸消失。此階段，氣體導(dǎo)熱換熱與輻射換熱為界面換熱的主要方式。其中氣體導(dǎo)熱換熱系數(shù)（hc,g)主要由氣隙內(nèi)氣體導(dǎo)熱系數(shù)（kgap)和界面氣隙尺寸（wgap)決定，作為計(jì)算氣體導(dǎo)熱換熱系數(shù)的重要參數(shù)，在給定壓力下氣體導(dǎo)熱系數(shù)（kgap)可由下列公式進(jìn)行計(jì)算：

  綜上所述，在通過(guò)氣體維持壓力的加壓條件下，壓力對(duì)界面換熱系數(shù)的影響主要集中在界面氣隙形成的第二階段，即在鑄錠殼凝固收縮階段加壓通過(guò)增大鑄錠殼抵抗變形所需臨界強(qiáng)度從而改善界面換熱，起到強(qiáng)化冷卻的作用。

  以H13在0.1MPa、1MPa和2MPa壓力下凝固為例，其凝固壓力通過(guò)充入氬氣獲得。為了分析加壓對(duì)界面氣隙尺寸和換熱方式的影響規(guī)律，采用埋設(shè)熱電偶以及位移傳感器實(shí)驗(yàn)，同時(shí)測(cè)量凝固過(guò)程中鑄錠和鑄型溫度變化曲線以及其位移變化曲線，其中，1#和2#熱電偶分別測(cè)量離鑄錠外表面10mm和15mm位置處鑄錠溫度變化曲線；3#和4#熱電偶分別測(cè)量鑄型內(nèi)表面5mm和10mm位置處鑄型的溫度變化曲線；位移傳感器LVDT1和LVDT2的探頭位置離鑄型內(nèi)表面徑向距離均為5mm,分別插入鑄錠和鑄型中測(cè)量凝固過(guò)程中其位移變化曲線。測(cè)量溫度和位移變化曲線的裝置如圖2-85所示。

  溫度測(cè)量曲線如圖2-86所示，對(duì)于鑄錠溫度測(cè)量曲線，存在“陡升”和“振蕩”區(qū)域，這主要由熱電偶預(yù)熱和澆注引起鋼液湍流分別造成。隨著凝固過(guò)程的進(jìn)行，鑄型溫度升高，鑄錠溫度不斷降低。

  因鑄型內(nèi)表面和鑄錠外表面溫度幾乎難以通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量，因而可通過(guò)數(shù)值計(jì)算的方式獲得，即以測(cè)量的鑄錠和鑄型溫度變化曲線作為輸入量，采用Beck 非線性求解法，計(jì)算鑄型內(nèi)表面（Tw,i)和鑄錠外表面溫度（Twm),由于鑄錠和鑄型表面非鏡面，有一定粗糙度，因而計(jì)算所得鑄型內(nèi)表面（Tw,i)和鑄錠外表面溫度（Tw,m)均為宏觀平均表面溫度，計(jì)算結(jié)果如圖2-87所示。當(dāng)壓力一定時(shí)，在鑄錠鑄型界面換熱以及鑄型外表面散熱的影響下，鑄錠外表面溫度（Tw,i)在整個(gè)凝固過(guò)程中持續(xù)降低，鑄型內(nèi)表面（Tw,m)先增加而后逐漸降低。隨著壓力從0.1MPa增加至2MPa,鑄錠外表面降溫速率和鑄型內(nèi)表面升溫速率明顯加快，表明加壓對(duì)鑄錠和鑄型界面間換熱速率影響顯著。

  當(dāng)壓力一定時(shí)，界面氣隙寬度隨時(shí)間的變化關(guān)系可通過(guò)凝固過(guò)程中鑄錠和鑄型位移變化曲線獲得?；谖灰苽鞲衅鞯奈灰茰y(cè)量結(jié)果，所得界面氣隙寬度隨時(shí)間的變化關(guān)系如圖2-88(a)所示，在0.1MPa、1MPa和2MPa下，界面氣隙寬度隨時(shí)間變化規(guī)律基本相似。以2MPa為例，在凝固初期，鑄錠、鑄型和位移傳感器之間存在巨大溫差，使得位移傳感器附近的鋼液迅速凝固，以至于無(wú)法測(cè)量階段2 中凝固收縮導(dǎo)致的氣隙寬度；同時(shí)，鑄錠和鑄型初期溫差巨大，加速了鑄型升溫膨脹和鑄錠冷卻收縮，因而在界面氣隙尺寸隨時(shí)間變化曲線前段不存氣隙尺寸緩慢增長(zhǎng)部分，取而代之的是氣隙寬度隨時(shí)間的陡升，而且氣隙寬度的陡升很大程度由鑄錠固態(tài)收縮所致。因此，位移傳感器所測(cè)氣隙尺寸僅包含了固態(tài)收縮導(dǎo)致氣隙形成部分，無(wú)因凝固收縮形成氣隙部分。在低壓下，增加壓力對(duì)鑄型和鑄錠的密度影響很小，幾乎可以忽略不計(jì)，所以增加壓力對(duì)鑄型固態(tài)收縮導(dǎo)致氣隙的尺寸影響非常小，所以在0.1MPa、1MPa和2MPa下，界面氣隙尺寸傳感器量的最大值幾乎相同，約為1.27mm。

  根據(jù)氬氣導(dǎo)熱系數(shù)隨壓力的變化情況［圖2-89(a)]、凝固過(guò)程中界面氣隙測(cè)量曲線和鑄錠外表面以及鑄型內(nèi)表溫度的變化曲線，利用式（2-171)和式（2-172)可獲得氣隙形成階段3中界面氣體導(dǎo)熱換熱系數(shù)hc,g和輻射換熱系數(shù)hr,以及換熱方式比例關(guān)系，結(jié)果如圖2-89(b)所示。輻射換熱系數(shù)不受界面氣隙尺寸的影響，在整個(gè)凝固過(guò)程中，基本保持不變；相比之下，氣體導(dǎo)熱換熱系數(shù)主要由氣體導(dǎo)熱系數(shù)和面氣隙尺寸共同決定，與氣體導(dǎo)熱系數(shù)成正比，與界面氣隙尺寸成反比，因而在凝固過(guò)程中氣體導(dǎo)熱換熱系數(shù)變化規(guī)律與界面氣隙尺寸的變化過(guò)程截然相反，呈現(xiàn)先迅速減小，然后趨于定值。在各個(gè)壓力條件下，隨著凝固的進(jìn)行，界面總換熱系數(shù)（hc,g+h,)迅速減小，然后趨于穩(wěn)定，其中輻射換熱系數(shù)h1在總換熱系數(shù)中的占比為60%~80%[120],且在凝固中后期，0.1MPa、1MPa和2MPa壓力下，總界面換熱系數(shù)基本相等。由此可知，低壓下，加壓對(duì)由固態(tài)收縮形成界面氣隙的尺寸影響幾乎可以忽略不計(jì)。

 根據(jù)以上討論可知，凝固結(jié)束后，界面換熱主要通過(guò)氣體導(dǎo)熱換熱和輻射換熱兩種方式進(jìn)行，因加壓對(duì)輻射換熱系數(shù)的影響很小，那么加壓主要通過(guò)改變界面氣體導(dǎo)熱換熱系數(shù)，從而起到強(qiáng)化冷卻的效果。同時(shí)，界面氣體導(dǎo)熱換熱系數(shù)主要由氣體導(dǎo)熱系數(shù)和界面氣體尺寸決定，因壓力從0.1MPa增加至2MPa,氬氣導(dǎo)熱系數(shù)變化很小，進(jìn)一步可知壓力主要通過(guò)改變界面氣隙宏觀平均尺寸影響界面氣體導(dǎo)熱換熱系數(shù)，進(jìn)而改變界面總換熱系數(shù)。此外，壓力對(duì)固態(tài)收縮導(dǎo)致的界面氣隙尺寸影響幾乎可以忽略不計(jì)，那么壓力主要通過(guò)改變由凝固收縮導(dǎo)致界面氣隙的尺寸，從而影響界面換熱。為了評(píng)估壓力對(duì)凝固收縮導(dǎo)致界面氣隙形成的影響，利用界面換熱系數(shù)對(duì)界面氣隙宏觀平均尺寸（wm)進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算公式如下：

  式中，hz3為宏觀界面換熱系數(shù)，通過(guò)將測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)作為輸入量，利用Beck 非線性求解法獲得，計(jì)算流程如圖2-78所示。在整個(gè)凝固過(guò)程中，界面氣隙宏觀平均尺寸（wm)明顯小于因固態(tài)收縮導(dǎo)致的界面氣隙尺寸（wgap),同時(shí)，兩者差值（wgap-wm)隨著壓力的增加而增大（圖2-90).這表明在鑄錠和鑄型間存在一定的固－固接觸區(qū)或微間隙區(qū)。這些區(qū)域的面積隨著壓力的增大而增大，從而導(dǎo)致傳導(dǎo)換熱的增加，這與鑄錠表面粗糙度的實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合，也進(jìn)一步說(shuō)明了加壓對(duì)界面氣隙尺寸的影響主要集中在凝固收縮階段。

  因此，加壓主要通過(guò)抑制由凝固收縮導(dǎo)致的氣隙形成，增大固固接觸或微氣隙的界面面積，強(qiáng)化鑄錠和鑄型界面完全接觸狀態(tài)，從而增加界面氣體導(dǎo)熱換熱系數(shù)；此外，加壓下，界面換熱系數(shù)的增加，加快了鑄錠固態(tài)收縮，導(dǎo)致凝固初期由固態(tài)收縮引起的氣隙的尺寸快速增大。