[科普中国]-钢锭凝固平方根定律

钢锭凝固平方根定律，是钢锭凝固过程中凝固速度变化的基本规律，即凝固层厚度S(mm)与凝固持续时间τ(min)的平方根成正比。

提出过去，研究者对钢锭凝固过程的研究主要通过实物解剖的方法来进行。但钢锭解剖费用昂贵，工作量较大，且实验周期很长，这些问题限制了研究工作的开展。此外，采用钢锭解剖的方法只能获取钢锭缺陷的形态，无法直接获得该缺陷形成的机理，故该方法对铸造工艺的优化和改进作用有限。自计算机诞生以来，人们就开始把视线投入到利用模拟技术来研究凝固上来。Chvorinov在40 年代提出了凝固时间平方根定律，即钢锭凝固平方根定律，对凝固过程的研究还有一定的指导意义。1

定律内容钢锭凝固过程中凝固速度变化的基本规律——凝固层厚度S(mm)与凝固持续时间 (min)的平方根成正比，即

。此比例常数K称凝固系数，其量纲为mm·min-1/2。凝固速度 ，可见凝固系数K反映凝固速度的快慢。它随钢液性质及铸锭的工艺和设备条件而在很大范围内变化。

K值计算K值可由理论计算，但结果与实际偏离较大。多数情况下，K值靠实验方法测定。测定凝固速度或K的方法很多，常用的有：

（1）翻倒法。在相同的条件下浇注同样的几个钢锭，每隔一定时间连钢锭模翻倒一个，倒出未凝的钢液，测量相应的凝固层厚度，从而确定出凝固层厚度与凝固时间的定量关系；

（2）示踪法。每隔一定的时间间隔向模内钢液加入某种元素或化合物、利用它能在液相中均匀分布，但不能进入凝固层的性质，确定凝固前沿的具体位置。加入物一类是异种物质，如FeS，通过硫印测定凝固层厚度;另一类是放射性同位素，如加Au198、Fe57等，通过测定钢锭断面上的放射强度确定凝固前沿；

（3）测温法。在钢锭模内不同位置上安装一系列热电偶，测定浇注过程中钢液的温度分布，根据温降曲线的变化趋势(找到拐点)，确定凝固前沿的位置。不同研究者在不同条件下测得的K值，通常在20～30mm·min-1/2范围。2

本词条内容贡献者为:

王沛 - 副教授、副研究员 - 中国科学院工程热物理研究所