对于图2-4-3中的二维稳态导热问题，具有均匀内热源，内热源强度为qv，右边界绝热边界条件，如果采用有限差分法求解，当△x=△y时，则在下面的边界节点方程式中，哪一个是正确的？（）图2-4-3
A 、
B 、
C 、
D 、
参考答案
【正确答案：D】
由热平衡法，根据第二类边界条件列节点4的节点方程：,因为Δx=Δy，带入整理得：。
应力强度因子的确定
对于Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型裂纹尖端区域，应力分量可统一写成式（2-20）的形式：
岩石断裂与损伤
式中：fij（θ）为极角θ的分布函数，称为角分布函数；Km表征了裂纹尖端附近区域应力场强弱程度，其中m=Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ得到KⅠ、KⅡ、KⅢ，分别代表Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型裂纹尖端应力场的强弱程度，称为应力强度因子（K因子），定义如下：
岩石断裂与损伤
式中自变量ξ如图2-4所示。
若已知应力场，则可用式（2-22）求应力强度因子：
岩石断裂与损伤
图2-4 裂纹尖端附近坐标
K的量纲为：［力］［长度］-3/2；SI：N·m-3/2（10-6MPa·m1/2）。应力强度因子的确定方法有解析法、数值法、实测法等，本节分别介绍应力强度因子的确定方法。
一、解析法
解析法又可分为复变函数法与积分变换法，复变函数法可利用Westergaard应力函数或Muskhelishvili法，主要解决二维问题。积分变换法可求解二维、三维问题。由于工程上受力构件的边界形状和边界条件都很复杂，所以求解偏微分方程组时边界条件很难精确满足，因此解析法只适用于物体几何形状比较简单、边界条件容易满足的问题。下面仅介绍常用的复变函数法。
考虑无限大平板受二向均匀拉应力，具有长度为2a的中心贯穿裂纹，由定义：
岩石断裂与损伤
取
岩石断裂与损伤
满足问题的全部边界条件，代入上式可得
岩石断裂与损伤
下面利用这种方法求解几个常见问题的应力强度因子。
1.图2-5所示“无限大”平板中具有长度为2a的穿透板厚的裂纹，裂纹表面上x=±b处各作用一对单位厚度的集中力P
由式（2-7）→∞，σx=σy=τxy=0。
图2-5“无限大”平板裂纹面上作用两对集中力
选取复变解析函数：
岩石断裂与损伤
边界条件：
a.b.处，裂纹为自由表面，σy=τxy=0。
c.如切出xy坐标系内的第一象限的薄平板，在x轴所在截面上内力总和为P。
经检验，解析函数Z满足三个边界条件。将z=ξ+a代入复变解析函数中，得
岩石断裂与损伤
2.如图2-6所示，具有长度为2a的中心贯穿裂纹的无限大平板，距离x=b处作用一对单位厚度的集中力P
选取复变解析函数：
岩石断裂与损伤
3.如图2-7所示，具有长度为2a的中心贯穿裂纹的无限大平板，距离x=±b范围内的裂纹面受均布荷载，集度为q
图2-6“无限大”平板裂纹面上作用一对集中力
图2-7“无限大”平板裂纹面上作用部分均布荷载
利用叠加原理，根据图2-5的结果可得
岩石断裂与损伤
岩石断裂与损伤
当整个表面受均布载荷时，如图2-8所示，b→a，则
岩石断裂与损伤
4.如图2-9所示，受二向均布拉力作用的无限大平板，在x轴上有一系列长度为2a，裂纹中心间距为2b的裂纹
图2-8“无限大”平板裂纹面上作用均布荷载
图2-9 二向均布拉力作用的具有系列裂纹的无限大平板
边界条件是周期的：
岩石断裂与损伤
在所有裂纹内部应力为零。即：y=0，，-a±2b＜x＜a±2b，σy=τxy=0。
所有裂纹前端σy＞σ。
单个裂纹时：
岩石断裂与损伤
又Z应为2b的周期函数，故
岩石断裂与损伤
引入变量ξ=z-a，得
岩石断裂与损伤
当ξ→0时，，
岩石断裂与损伤
岩石断裂与损伤
，称为修正系数，大于1，表示其他裂纹存在对应力强度因子的影响。若裂纹间距离比裂纹本身尺寸大很多（b≥5a），可不考虑相互作用，按单个裂纹计算。
对于宽度为W含中心裂纹的有限宽板受均匀拉力，应力强度因子修正系数也可按上述值近似计算，此时用W代替2b：
图2-10 受剪切作用的具有周期性裂纹的无限大平板
岩石断裂与损伤
5.无限大平板Ⅱ、Ⅲ型裂纹问题应力强度因子的计算
Ⅱ型裂纹应力强度因子的普遍表达形式（无限大板）：
岩石断裂与损伤
对于无限大平板中的周期性的裂纹，如图2-10所示，且在无限远的边界上作用处于平板面内的纯剪切力作用。
岩石断裂与损伤
引入变量：ξ=z-a，得
岩石断裂与损伤
同理，对于无限大板Ⅲ型周期性裂纹应力强度因子：
岩石断裂与损伤
6.深埋裂纹的应力强度因子的计算
深埋裂纹的计算模型是无限大体中的片状裂纹，1950年，Green和Sneddon分析了弹性物体的深埋椭圆形裂纹邻域内的应力和应变，如图2-11所示，得到椭圆表面上任意点，沿y方向的张开位移为
图2-11 深埋椭圆片状裂纹
岩石断裂与损伤
其中：Γ为第二类椭圆积分。有
岩石断裂与损伤
1962年，Irwin利用上述结果计算了这种情况下的应力强度因子：
岩石断裂与损伤
在椭圆的短轴方向上，即，有
岩石断裂与损伤
此式为椭圆片状深埋裂纹危险部位的应力强度因子。当a≪c时，有
岩石断裂与损伤
当a=c时，为圆片状裂纹，此时
岩石断裂与损伤
7.半椭圆表面裂纹的应力强度因子计算
工程上更多地遇到的是表面裂纹，常按照表面半椭圆裂纹考虑，但至今未得到严格的解析解，一般根据无限大体中椭圆片状裂纹的解经过修正近似处理。
（1）表面浅裂纹的应力强度因子：当a≪B（板厚）可简化为浅裂纹，这时可以忽略后自由表面对N点应力强度因子的影响，如图2-12所示，近似得到N处的应力强度因子。
图2-12 表面椭圆片状裂纹
岩石断裂与损伤
（2）表面深裂纹的应力强度因子：对于表面深裂纹，引入前后两个自由表面，使裂纹尖端的弹性约束减少，裂纹容易扩展增大。应力强度因子由下式确定。
岩石断裂与损伤
其中：M1为前自由表面的修正系数；M2为后自由表面的修正系数。
Paris和Sih给出的修正系数为
岩石断裂与损伤
式中：B为板厚；a为裂纹深度；c为裂纹长度。当a/c→0时，接近于单边切口试样，M1=1.12。当a/c→1时，接近于半圆形的表面裂纹，M1=1。
当a≪B时，M2≈1，即浅裂纹不考虑后自由表面的影响。对于一般工程问题，表面裂纹最深点处的应力强度因子为
岩石断裂与损伤
二、数值解法
解析法适用于无限大平板中简单裂纹的情况，对实际构件及各种试样，当裂纹尺寸与构件或试样其他特征尺寸相比并不是很小时，应考虑自由边界对裂纹尖端应力强度因子的影响。对这类问题很难获得严格的解析解，常用数值方法求其近似解。常用的数值方法有边界配置（位）法、有限单元法、边界元法。这些方法都是通过数值分析求出裂纹尖端附近应力场或位移场的近似表达式，由定义建立应力强度因子的表达式。
1.边界配置法
边界配置法是将应力函数用无穷级数表达，使其满足双调和方程和边界条件，但不是满足所有的边界条件，而是在有限宽板的边界上，选足够多的点，用以确定应力函数，然后再由符合边界条件的应力函数确定KⅠ值。
边界配置法主要用于计算平面问题的单边裂纹问题，且只限于讨论直边界问题。下面以图2-13所示的三点弯曲试样为例进行说明。1957年Williams提出一用无穷级数表示的应力函数，称为Williams应力函数：
图2-13 三点弯曲试样
岩石断裂与损伤
该函数满足双调和方程：▽4ψ（r，θ）=0。
边界条件：裂纹左、右表面（θ=±π/2），σy和τxy均为零，上式满足。
在外边界上的边界条件的满足如下确定：在有限宽板的边界上选取足够的点，如图2-13所示，使这些点的边界条件满足，则可求出Cj。
为了计算方便引入量纲为一的量：
岩石断裂与损伤
其中：B为试件厚度；W为试件高度。
岩石断裂与损伤
对于Ⅰ型裂纹：
岩石断裂与损伤
在裂纹尖端附近，θ=0，r→0。
岩石断裂与损伤
又因为当θ=0时，cosθ=1，当j=1时与r无关，而当j=2，3，4，…，∞时与r有关，当r→0时都为零。
岩石断裂与损伤
利用边界条件确定D1，取含裂纹三点弯曲试样的左半段为研究对象，取m个点分析，以2m有限级数代替无限级数精度足够。
岩石断裂与损伤
其中S=4W为标准试件，式（2-41）、式（2-42）为美国ASTM-E399-72规范建议的公式。
2.确定应力强度因子的有限元法
有限单元法以变分原理为理论基础，将连续体离散成有限单元来分析其变形和应力，然后进行整体分析求得受力物体的应力场和位移场。有限单元法能解决复杂几何形状和载荷情况比较复杂的裂纹体的应力强度因子。比较成熟的是奇异单元的应用。不同裂纹体在不同的开裂方式的应力强度因子是不同的。一些实验方法、解析方法都有各自的局限性，而有限元等数值解法十分有效地求解弹塑性体的应力和位移场，而应力和位移场与K密切相关，所以，可以通过有限元方法进行应力强度因子的计算。
利用位移法求应力强度因子，如Ⅰ型裂纹：
岩石断裂与损伤
式中。
通过有限元法求出裂纹尖端附近的位移场，计算（r，π），然后外推到裂纹尖端，这种方法为外推法。
也可利用应力法求应力强度因子，这时先求应力场：，然后求当θ=0时的应力分量，即。
三、实测法
由于实际问题的多样性和复杂性，计算比较困难，特别是三维问题。对于弹塑性断裂问题、动态断裂问题常应用具有直观性和模拟性的实测法。常用的实则方法有柔度法、网络法、光弹性法、激光全息法、激光散斑法、云纹法等。其中光弹性法求裂纹应力强度因子的基本原理如下：
对于Ⅰ型裂纹，如已求得σx、σy、τxy，则可求出最大切应力，根据光弹性原理有
岩石断裂与损伤
式中：n为光弹性模型的条纹级数；f为材料的条纹值；d为试样厚度。将σx、σy、τxy代入上式得：
岩石断裂与损伤
由光弹性实验等差线和等倾线条纹图测出ri、θi、ni，求得，得出曲线，外推至r→0处有
岩石断裂与损伤
四、叠加原理及其应用
1.KⅠ的叠加原理及其应用
线弹性叠加原理：当n个载荷同时作用于某一弹性体上时，载荷组在某一点上引起的应力和位移等于单个载荷在该点引起的应力和位移分量之总和。叠加原理适用于KⅠ。
证明：
岩石断裂与损伤
设在F1载荷作用下，有
岩石断裂与损伤
设在F2载荷作用下，有
岩石断裂与损伤
由叠加原理有
岩石断裂与损伤
因此，计算复杂载荷下应力强度因子的方法：将复杂载荷分解成简单载荷，简单载荷作用下的应力强度因子可利用前述方法或查KⅠ手册。
下面利用叠加原理求图2-14（a）所示铆钉孔边双耳裂纹的KⅠ值。首先将图（a）分解为图（b）+图（c）-图（d）。
图2-14 铆钉孔边双耳裂纹的叠加原理计算
根据叠加原理：，因为，所以：
岩石断裂与损伤
其中可查应力强度因子手册。
岩石断裂与损伤
式中：D为圆孔直径；W为板宽度；a为双耳裂纹长度。
确定：
无限板宽中心贯穿裂纹受集中力P作用时：
岩石断裂与损伤
考虑有效裂纹长度：得
岩石断裂与损伤
有限板宽的修正系数：
岩石断裂与损伤
所以
岩石断裂与损伤
2.应力场叠加原理及其应用
应力场叠加原理：在复杂的外界约束作用下，裂纹前端的应力强度因子等于没有外界约束，但在裂纹表面上反向作用着无裂纹时外界约束在裂纹处产生的内应力所致的应力强度因子。
如图2-15（a）所示为具有中心穿透裂纹的平板，在上下边界受均匀拉应力作用，将其分解为图（b）和图（c），图（b）为除板边力以外，在裂纹面上还作用一组反力，使裂纹恢复原状，从而相当于裂纹不存在。因此图（b）问题是一般的弹性力学问题。它的解在研究裂纹尖端的应力奇异性时是可以不予考虑的。图（c）代表的问题是裂纹表面受应力作用而板边不受力的问题。
图2-15 应力场叠加原理的应用
岩石断裂与损伤
在裂纹端部问题的意义上，图（a）等价于图（c）。因此可用无裂纹构件中裂纹位置处由于外力作用所引起的应力——“当地应力”求解各种受力情况下的应力强度因子。
对于Ⅱ型和Ⅲ型裂纹，如图2-16所示，也可将在无穷远处（板的边缘）受载荷作用而裂纹表面应力自由的裂纹问题（问题A），转化为问题B与C的叠加。问题B相当于除板边力以外，在裂纹面上还作用一组反力，使裂纹恢复原状，从而相当于裂纹不存在。问题C是裂纹表面受应力作用而板边不受力的问题。因此在裂纹端部问题的意义上，问题A等价于问题C。
图2-16 叠加原理的应用
对于问题C三种型式的裂纹的解有共同的表达式，裂纹面上的边界条件为
Ⅰ型裂纹：
Ⅱ型裂纹：
Ⅲ型裂纹：
应力函数Z：
岩石断裂与损伤
应力强度因子K：
岩石断裂与损伤
问题C在地学中具有实际意义。在断层问题中，依据位移测量和地震波反演，可以推测断层面上的应力场，而远场应力状态至今还没有得到可靠数据。因此，由应力场可以推断出断层应力场和位移场的变化量，研究断层的动力过程。
计算各种裂纹体的应力强度因子是线弹性断裂力学中一项十分重要的任务。各种受力情况及不同裂纹位置的应力强度因子资料已编辑成手册。在中国航空研究院主编的《应力强度因子手册》中可查到大部分应力强度因子的数据，一般断裂力学教材中也附有常用应力强度表达式，故在此不再详述。
假如你是一名宇航员,你的任务是去探索太阳系.
木星公转轨道 距太阳 778,330,000 千米 (5.20 天文单位)
行星直径 142,984 千米 (赤道)
质量 1.900e27 千克
木星是天空中第四亮的物体（次于太阳，月球和金星；有时候火星更亮一些），早在史前木星就已被人类所知晓。根据伽利略1610年对木星四颗卫星：木卫一，木卫二，木卫三和木卫四（现常被称作伽利略卫星）的观察，它们是不以地球为中心运转的第一个发现，也是赞同哥白尼的日心说的有关行星运动的主要依据。
气态行星没有实体表面，它们的气态物质密度只是由深度的变大而不断加大（我们从它们表面相当于1个大气压处开始算它们的半径和直径）。我们所看到的通常是大气中云层的顶端，压强比1个大气压略高。
木星由90％的氢和10％的氦（原子数之比, 75/25％的质量比）及微量的甲烷、水、氨水和“石头”组成。这与形成整个太阳系的原始的太阳系星云的组成十分相似。土星有一个类似的组成，但天王星与海王星的组成中，氢和氦的量就少一些了。
我们得到的有关木星内部结构的资料（及其他气态行星）来源很不直接，并有了很长时间的停滞。（来自伽利略号的木星大气数据只探测到了云层下150千米处。）
木星可能有一个石质的内核，相当于10－15个地球的质量。
内核上则是大部分的行星物质集结地，以液态金属氢的形式存在。这些木星上最普通的形式基础可能只在40亿巴压强下才存在，木星内部就是这种环境（土星也是）。液态金属氢由离子化的质子与电子组成（类似于太阳的内部，不过温度低多了）。在木星内部的温度压强下，氢气是液态的，而非气态，这使它成为了木星磁场的电子指挥者与根源。同样在这一层也可能含有一些氦和微量的冰。
最外层主要由普通的氢气与氦气分子组成，它们在内部是液体，而在较外部则气体化了，我们所能看到的就是这深邃的一层的较高处。水、二氧化碳、甲烷及其他一些简单气体分子在此处也有一点儿。
云层的三个明显分层中被认为存在着氨冰，铵水硫化物和冰水混合物。然而，来自伽利略号的证明的初步结果表明云层中这些物质极其稀少（一个仪器看来已检测了最外层，另一个同时可能已检测了第二外层）。但这次证明的地表位置十分不同寻常－－基于地球的望远镜观察及更多的来自伽利略号轨道飞船的最近观察提示这次证明所选的区域很可能是那时候木星表面最温暖又是云层最少的地区。
来自伽利略号的大气层数据同样证明那里的水比预计的少得多，原先预计木星大气所包含的氧是目前太阳的两倍（算上充足的氢来生成水），但目前实际集中的比太阳要少。另外一个惊人的消息是大气外层的高温和它的密度。
木星和其他气态行星表面有高速飓风，并被限制在狭小的纬度范围内，在连近纬度的风吹的方向又与其相反。这些带中轻微的化学成分与温度变化造成了多彩的地表带，支配着行星的外貌。光亮的表面带被称作区（zones），暗的叫作带（belts）。这些木星上的带子很早就被人们知道了，但带子边界地带的漩涡则由旅行者号飞船第一次发现。伽利略号飞船发回的数据表明表面风速比预料的快得多（大于400英里每小时），并延伸到根所能观察到的一样深的地方，大约向内延伸有数千千米。木星的大气层也被发现相当紊乱，这表明由于它内部的热量使得飓风在大部分急速运动，不像地球只从太阳处获取热量。
木星表面云层的多彩可能是由大气中化学成分的微妙差异及其作用造成的，可能其中混入了硫的混合物，造就了五彩缤纷的视觉效果，但是其详情仍无法知晓。
色彩的变化与云层的高度有关：最低处为蓝色，跟着是棕色与白色，最高处为红色。我们通过高处云层的洞才能看到低处的云层。
木星表面的大红斑早在300年前就被地球上的观察所知晓（这个发现常归功于卡西尼，或是17世纪的Robert Hooke）。大红斑是个长25,000千米,跨度12,000千米的椭圆，总以容纳两个地球。其他较小一些的斑点也已被看到了数十年了。红外线的观察加上对它自转趋势的推导显示大红斑是一个高压区，那里的云层顶端比周围地区特别高，也特别冷。类似的情况在土星和海王星上也有。目前还不清楚为什么这类结构能持续那么长的一段时间。
木星向外辐射能量，比起从太阳处收到的来说要多。木星内部很热：内核处可能高达20,000开。该热量的产量是由开尔文-赫尔姆霍兹原理生成的（行星的慢速重力压缩）。（木星并不是像太阳那样由核反应产生能量，它太小因而内部温度不够引起核反应的条件。）这些内部产生的热量可能很大地引发了木星液体层的对流，并引起了我们所见到的云顶的复杂移动过程。土星与海王星在这方面与木星类似，奇怪的是，天王星则不。
木星与气态行星所能达到的最大直径一致。如果组成又有所增加，它将因重力而被压缩，使得全球半径只稍微增加一点儿。一颗恒星变大只能是因为内部的热源（核能）关系，但木星要变成恒星的话，质量起码要再变大80倍。
木星有一个巨型磁场，比地球的大得多，磁层向外延伸超过6.5e7千米（超过了土星的轨道！）。（小记：木星的磁层并非球状，它只是朝太阳的方向延伸。）这样一来木星的卫星便始终处在木星的磁层中，由此产生的一些情况在木卫一上有了部分解释。不幸的是，对于未来太空行走者及全身心投入旅行者号和伽利略号设计的专家来说，木星的磁场在附近的环境捕获的高能量粒子将是一个大障碍。这类辐射类似于，不过大大强烈于，地球的电离层带的情况。它将马上对未受保护的人类产生致命的影响。
伽利略号号飞行器对木星大气的探测发现在木星光环和最外层大气层之间另存在了一个强辐射带，大致相当于电离层辐射带的十倍强。惊人的是，新发现的带中含有来自不知何方的高能量氦离子。
木星有一个同土星般的光环，不过又小又微弱。（右图）它们的发现纯属意料之外，只是由于两个旅行者1号的科学家一再坚持航行10亿千米后，应该去看一下是否有光环存在。其他人都认为发现光环的可能性为零，但事实上它们是存在的。这两个科学家想出的真是一条妙计啊。它们后来被地面上的望远镜拍了照。
木星的光环较土星为暗（反照率为0.05）。它们由许多粒状的岩石质材料组成。
木星光环中的粒子可能并不是稳定地存在（由大气层和磁场的作用）。这样一来，如果光环要保持形状，它们需被不停地补充。两颗处在光环中公转的小卫星：木卫十六和木卫十七，显而易见是光环资源的最佳候选人。
1994年7月，苏梅克－利维9号彗星碰撞木星，具有惊人的现象。甚至用业余望远镜都能清楚地观察到表面的现象。碰撞残留的碎片在近一年后还可由哈博望远镜观察到。
在夜空中，木星是空中最亮的一颗星星（仅次于金星，但金星在夜空中往往不可见）。四个伽利略的卫星用双筒望远镜可很容易的观察到；木星表面的带子和大红斑可由小型天文望远镜观测。迈克·哈卫的行星寻找图表显示了火星以及其它行星在天空中的位置。越来越多的细节，越来越好的图表将被如灿烂星河这样的天文程序来发现和完成。
液态行星
木星的内部结构与众行星不同，它没有固体外壳，在浓密的大气之下是液态氢组成的海洋。
用天文望远镜观察木星，突出的特性是它那扁球形的外貌。其赤道半径与极半径相差近5000公里。木星的赤道半径为71400公里，为地球的11.2
30倍。体积为地球的1316倍。质量为1.9×10克，为地球质量的317.90倍，比太阳系所有的行星、卫星、小行星等大小天体加在一起还重1.5倍。木星
3的平均密度是1.33克／厘米 ，比水稍大。这说明，木星的大部分物质处于
2气体状态。木星两极的表面重力加速度为23.22米／秒 ，赤道上为27.07
2米／秒 。在木星表面上，物体要有 61公里／秒的速度才能脱离木星。所以木星能束缚住大量气体而不让它们跑掉。
木星和其他行星一样，也围绕太阳在椭圆轨道运动，轨道半长径约为5.2天文距离单位（即与太阳平均距离约为7.78亿公里），绕太阳公转一圈为11.86年，木星虽然在太阳系中体积最大，但却是太阳系中自转最快的行星，赤道部分自转一周为9小时50分30秒。由于自转速度快，使得它的形状很扁，大气条纹沿赤道伸展。
木星有稠密的大气，主要成分为氢和氦，还有甲烷、氨、碳、氧及少量的铁和硫。通过天文望远镜，我们看到木星有一些明暗交替的带纹平行于木星的赤道。这些带纹是木星快速自转而产生的大气环流。它们有上千公里厚，因而使我们看不见木星的表面。带纹中有时出现寿命长短不一的亮斑或暗斑。在木星赤道以南，有一个大红斑，它于1665年被法国天文学家卡西尼发现，至今已存在300多年了。大红斑呈蛋形，宽14000公里，长30000公里。其宽度似乎不变，长度却由发现之初的30000公里逐渐延伸为40000公里，现又缩到二万多公里。大红斑不但大小有变化，而且颜色也有变化，它有时浓艳，有时暗淡。大红斑是一个含有红磷化合物的大气漩涡，朝逆时针方向旋转，温度似乎比周围的木星大气低些。
对木星的辐射探测使我们得知，虽然木星不发光，但它发射的总辐射却是所受太阳辐射的2.5倍。这说明木星除了反射太阳的光和热之外，还具有内能源，其核心处于高温高压状态，但还不足以产生热核反应。科学家认为，木星过剩的能量是木星形成之初，从原始星云中聚集的热能。
为了探测太阳系外围空间的物理情况，迄今为止，共发射了4艘宇宙飞船，即“先驱者” 10号、 11号，“旅行者” 1号和2号。它们都肩负着美国宇航局的重大科学考察项目。“先驱者10号”于1972年3月2日上午，一路上考察了行星际物质；1973年12月3日与木星会合，在离木星13万公里处飞掠而过，探测到木星规模宏大的磁层，研究了木星大气，送回300多幅木星云层和木星卫星的彩色电视图像。“先驱者11号”飞船于1973年4月6日发射，1974年12月5日到达木星。它离木星表面最近时只有4.6万公里，比“先驱者10号”近两倍。送回有关木星磁场、辐射带、重力、温度、大气结构以及4个大卫星的情况，并按地面指令调整航向，飞越在地面因视角不合适而难于观测的木星南极地带。“先驱者11号”在完成任务后，向着土星飞去。1977年8月20日和9月5日，美国又相继发射了“旅行者1号”和“旅行者2号”飞船。这两艘飞船在仪器设备方面比“先驱者”10号和11号先进。“旅行者1号”于1979年3月飞临木星，在3天之内探测了木星和4个伽利略卫星，以及木卫五，拍摄了数以千计的彩色照片，并进行了一系列科学考察。“旅行者2号”于1979年7月飞临木星，对木星进行了考察。两艘飞船在离开木星后，还要继续探测土星、天王星和海王星，然后飞出太阳系，到茫茫的宇宙中去寻找知音。
宇宙飞船发回的考察结果表明，木星有较强的磁场，表面磁场强度达3～14高斯，比地球表面磁场强得多（地球表面磁场强度只有0.3～0.8高斯）。木星磁场和地球的一样，是偶极的，磁轴和自转轴之间有 10°8′的倾角。木星的正磁极指的不是北极，而是南极，这与地球的情况正好相反。由于木星磁场与太阳风的相互作用，形成了木星磁层。木星磁层的范围大而且结构复杂，在距离木星140万～700万公里之间的巨大空间都是木星的磁层；而地球的磁层只在距地心7～8公里的范围内。木星的四个大卫星都被木星的磁层所屏蔽，使之免遭太阳风的袭击。地球周围有条称为范艾伦带的辐射带，木星周围也有这样的辐射带。“旅行者1号”还发现木星背向太阳的一面有3万公里长的北极光。1981年初，当“旅行者2号”早已离开木星磁层飞奔土星的途中，曾再次受到木星磁场的影响。由此看来，木星磁尾至少拖长到6000万公里，已达到土星的轨道上。
过去有人猜测，在木星附近有一个尘埃层或环，但一直未能证实。1979年3月，“旅行者1号”考察木星时，拍摄到木星环的照片，不久，“旅行者2号”又获得了木星环的更多情况，终于证实木星也有光环。木星光环的形状像个薄圆盘，其厚度约为30公里，宽度约为6500公里，离木星12.8万公里。光环分为内环和外环，外环较亮，内环较暗，几乎与木星大气层相接。光环的光谱型为G型，光环也环绕着木星公转，7小时转一圈。木星光环是由许多黑色碎石块构成的，石块直径在数十米到数百米之间。由于黑石块不反射太阳光，因而长期以来一直未被我们发现。
木星有一层厚而浓密的大气层，大气的主要成分是氢，占80％以上，其次是氦，约占18％，其余还有甲烷、氨、碳、氧和水汽等，总含量不足1％。由于木星有较强的内部能源，致使其赤道与两极温差不大，不超过3℃，因此木星上南北风很小，主要是东西风，最大风速达 130～150米／秒。木星大气中充满了稠密活跃的云系。各种颜色的云层像波浪一样在激烈翻腾着。在木星大气中还观测到有闪电和雷暴。由于木星的快速自转，因此能在它的大气中观测到与赤道平行的、明暗交替的带纹，其中的亮带是向上运动的区域，暗纹则是较低和较暗的云。
木星的大红斑位于南纬23°处，东西长4万公里，南北宽1.3万公里。探测器发现，大红斑是一团激烈上升的气流，呈深褐色。这个彩色的气旋以逆时针方向转动。在大红斑中心部分有个小颗粒，是大红斑的核，其大小约几百公里。这个核在周围的反时针漩涡运动中维持不动。大红斑的寿命很长，可维持几百年或更长久。
由于木星离太阳平均距离为7.78亿公里，因此木星的表面温度比地球表面温度低得多。从木星接受太阳辐射计算，其表面有效温度值为-168℃，而地球观测值为-139℃，“先驱者11号”宇宙飞船的探测值为-150℃，均比理论值高，这也说明木星有内部热源。
“先驱者 号”探测器对木星考察的结果表明，木星没有固体表面，11是一个流体行星。主要是氢和氦。木星的内部分为木星核和木星幔两层，木星核位于木星中心，主要由铁和硅构成，是固体核，温度达3万K。木星幔位于木星核外，以氢为主要元素组成的厚层，其厚度约为7万公里。木幔外就是木星大气，再向外延伸1000公里，就到云顶。
大红斑
木星表面的大多数特征变化倏忽，但也有些标记具有持久和半持久的特征，其中最显著最持久，也是人们最熟悉的特征要算大红斑了。
大红斑是位于赤道南侧、长达2万多公里、宽约1.1万公里的一个红色卵形区域。从17世纪中叶，人们就开始对它进行时断时续的观测，1879年以后，开始对它进行连连续的记录，并发现它在1879～1882年，1893～1894年，1903～1907年，1911～1914年，1919～1920年，1926～1927年，特别是在1936～1937年，1961～1968年，以及1973～1974年这些年代中，变得显眼和色彩艳丽。在其他时间，显得暗淡，只略微带红，有时只有红斑的轮廓。
大红斑是个什么结构？为什么是红色的？如何能持续这么长的时间？要了解这些问题，仅凭地面观测实在是无能为力的。
1957年，第一颗人造卫星的发射，为人类进一步了解繁花似锦的宇宙竖起了一架天梯，开创了空间天文学的研究领域，使“九天揽月”的梦幻变成了事实。
1973年12月3日，美国宇航局发射的第一个木星探测器“先驱者10号”到达木星，一年之后，它的姊妹飞船“先驱者11号”于1974年12月2日飞掠这个巨行星。这两个探测器取得了探测外太阳系天体的非同一般的成就。它们传送回来的彩色图像，第一次向我们展示了木星云层系统的复杂性，揭示了大红斑中的气体运动，在木星的全球性云系的细微结构方面，给人一种引人入胜的新概念。
在“先驱者”之后，美国宇航局又在1977年8月20日和9月5日先后发射了“旅行号2号”和“旅行者1号”。由于两个探测器飞经的轨道不同，
“旅行者1号”于1979年3月5日先到达木星，“旅行者2号”于同年7月9日相继到达。它们拍摄了成千幅奇妙而美丽的图片，积累了大量的木星大气结构和动力学的资料。
按照科学家雷蒙·哈依德的理论，大红斑是位于其下面的某种像山一类的永久特征所造成的大气扰动。但是“先驱者”发现木星表面是流体，完全排除了木星外层具有固态结构表面的可能性，上述理论也就是自然被扬弃了。
“旅行者1号”发回的照片使人清晰地看到，大红斑宛如一个以逆时针方向旋转的巨大漩涡，其浩翰宽阔足以容纳好几个地球。从照片上还可以分辨出一些环状结构。仔细研究后，科学家们认为，在木星的表面覆盖着厚厚的云层，大红斑是耸立于高空、嵌在云层中的强大旋风，或是一团激烈上升的气流所形成的。
在木星上，类似大红斑的特征还有一些。譬如，在大红斑的偏南处，有3个白色卵形结构，它们首次出现于1938年。另外，1972年，地面观测发现木星的北半球上出现一个小红斑，18个月以后“先驱者10号”到达木星时，发现其形状和大小几乎同大红斑相似。再过一年，“先驱者 11号”经过木星时，这个红斑竟踪迹皆无，看来这个红斑只存在了两年左右。
木星上的斑状结构一般持续几个月或几年，它们的共同特点是在北半球作顺时针方向旋转，在南半球作逆时针旋转。气流从中心缓慢地涌出，然后在边缘沉降，遂形成椭圆形状。它们相当于地球上的风暴，不过规模要大得多，持续时间也长得多。
木星云的绚丽多彩，证明木星大气有着十分活跃的化学反应。在探测器拍摄的照片上，可以看到木星大气明暗交错的云带图形。从南极区到北极区依稀可辨17个云区或云带。它们的颜色、亮度均不相同，也许是氨晶体所组成；褐色云带的云层要深些，温度稍高，因而大气向下流动；蓝色部分则显然是顶端云层中的宽洞，通过这些空隙，方可看到晴朗的天空。蓝云的温度最高，红云的温度最低。据判断，大红斑是一个很冷的结构。令人不解的是，如果按平衡状态而言，所有的云彩都应该是白色的，只有当化学平衡被破坏后，才会出现不同的颜色。那么，是什么破坏了化学平衡呢？科学家们推测，可能是荷电粒子、高能光子、闪电，或是沿垂直方向穿过不同温度区域的快速物质运动。
另外，木星云的颜色还涉及到木星大气中的化学成分。从光谱分析证认出木星大气中含有5种物质：氢、氦、氨、甲烷和水，此外还推测有氢的硫化物存在。这些都是无色的。云带出现颜色，必定有其他着色物质，如硫化铵、硫化氢铵以及各种有机化合物和复杂的无机聚合物。“旅行者1号”曾在木星云层上面发现过闪电，这表明，那里可能存在着相当复杂的碳氢化合物分子。此外，在木星的背阳面，还发现了30000公里长的极光，证明木星大气受到很多高能粒子的袭击。
科学家认为，染色是一个微妙的过程，它包含偏离平衡状态的信息和化学成分的示踪。据推测，云的颜色与高度的相关性，可以反映形成化学反应的过程。例如，较高的区域接收到更多的日光照射和更多的荷电粒子流。某些区域会有更多的闪电，另一些区域则是垂直方向运动特别强烈的地带，等等。
大红斑的橙红色一直使人困惑不解。有人认为是大红斑中上升气流形成的云中放电现象。为此，美国马里兰大学的一位名叫波南贝罗麦的博士做了一个有趣的实验。他在一只长颈瓶中放上木星大气中存在的一些气体，如甲烷、氨、氢等，对这些气体施加电火花作用，结果发现原先无色的气体变成云状物，一种淡红色的物质沉淀在瓶壁上。这个实验为人们解开大红斑颜色之谜似乎提供了某种有益的启示。相当一部分天文学家认为，磷化物可以说明大红斑的颜色。
自从卡西尼发现大红斑以来，到今天已有300多年了，它为什么能持续如此长的时间呢？有人认为木星的大气又密又厚是大红斑长寿的主要原因，但这只是一种猜测。
大红斑和木星上其他卵形结构的长寿，主要包含两个问题：一个是这些斑状结构必须是稳定的，不然它们只能存在几天；另一个就是能源问题，一个稳定涡流如果没有能源维持，很快就会下沉。
关于能源，天文学家提出了一系列模型。“旋风”模型推论说，像大红斑这种卵形结构是巨形对流槽，它们从下面的凝聚气体中提取能量。“切变不稳定性”模型认为，它们从处于其中的区域性股流内抽取能量。还有一种模型，假设它们从较小的、由浮力驱动的涡流中获取能量。再有，就是设想大型卵形结构通过吸收小型涡流来得到能量。此外，还有孤立波理论，等等，但争议都很大。要想形成正确的理论模型，看来还要对“旅行者”的资料作进一步的分析、研究，并最好能对木星大气再作一次深入的实地考察。
伽利略是世界第一架天文望远镜的发明者和 4颗木星卫星的发现者。1989年，美国宇航局发射了以他的名字命名的一个木星探测器，预定在1995年12月飞抵木星。据说，它是迄今发射的最复杂、最先进的行星探测器。
科学家赋予“枷利略”探测器三项使命：
（1）探测木星大气层，包括化学组成、同位素比例、木星大气层垂直结构的轮廓图；木星大气层温度、压力轮廓图；木星云层的位置和结构；大气辐射能的平衡；木星闪电的出现频率及其特征等资料。
（2）木星的卫星情况，提供木星系形成与演化的研究资料。
（3）了解木星磁层结构的特征。
为了完成这些科学考察任务，“伽利略”探测器由木星轨道器和木星大气层探测器两部分组成。后者是为深入木星大气层考察而设置的，它将在到达木星之前5小时与轨道器分开，然后在木星的巨大引力作用下，出入木星赤道附近的大气层进行探测，考察一些表征大气性质的要素，如大气层的温度、压力、大气结构等。它还将通过大气中氨冰云、氢硫铵云和水冰云，进入大气深处探测。限于观测条件，它只能工作一个小时，取得资料后发给绕木星运行的轨道器，然后由轨道器转发回地球。
在子探测器考察木星大气的同时，轨道器对木星本体磁层和4颗枷利略卫星进行测量。
“伽利略”探测器不负众望，圆满完成各项考察任务，为揭示木星大大小小的谜提供第一手资料，为提高和深化人们对木星大红斑、大气、木星本体，乃至整个木星系的认识，作出历史性贡献。
候补的“太阳”
木星难道仅仅是行星吗？为什么不能把它看作是颗未来的恒星，看作是正在向恒星方向发展的天体呢？读者也许会惊讶：这样提问题是否太荒唐了？本世纪80年代初，前苏联科学家苏切科夫提出木星也许是颗正在发展中的恒星这种新见解之后，确实遭到了不少非议。但是，苏切科夫的意见也并非“空中楼阁”，毫无依据。他的主要观点是：木星内部在进行热核反应，它有自己的热核能源，应该归到“能自己发热、发光”的恒星类天体里去。
事情真是那样子吗？
木星离太阳比地球远得多，它接受到的太阳辐射也少得多，表面温度理所当然要低得多。根据计算得出的结果，木星表面温度应该是零下168摄氏度。可是，地面观测得出来的温度是零下 139摄氏度，与计算值相差近30摄氏度，这无论如何不可能是由误差造成的。让探测器在木星附近进行测量，准确程度理应更高些。“先驱者11号”于1974年12月飞掠木星时，测得的木星表面温度为零下148摄氏度，仍比理论值高出不少，说明木星有自己的内部热源。
对木星进行红外线测量也反映出类似情况。如果木星内部没有热源，它吸收到的热量和支出的应该达到平衡，地球和水星等类的行星的情况正是这样。木星却不然，它是支大于入，约大1.5～2.0倍，这超支的能量从哪里来呢？很明显，只能由它自己内部的热源予以补贴。
木星是一颗以氢为主要成分的天体，这与我们的地球有很大的差异，而与太阳相似。木星与太阳这两个天体的大气，都包含约90％的氢和约10％的氦，以及很少量的其他气体。关于木星的内部结构，现在建立的模型认为它的表面并非固体状，整个行星处于流体状态。木星的中心部分大概是个固体核，主要由铁和硅组成，那里的温度至少可以有30000度。核的外面是两层氢，先是一层处于液态金属氢状态的氢，接着是一层处于液态分子氢状态的氢；这两层合称为木星幔。再往上，氢以气体状态成为大气的主要成分。
具有如此结构的天体，其中心能否发生热核反应而产生出所需的能量来呢？许多人认为是可疑的，甚至不可能的。况且木星的质量并没有达到太阳质量的0.07。
比起太阳来，木星确实有点“小巫见大巫”。称“霸”其他行星的木星，体积只有太阳的千分之一，质量只及太阳的1／1047，即约0.001个太阳质量，而中心温度也只有太阳的五百分之一。有人认为，这并不妨碍木星内部存在热源，因为它是在木星形成过程中产生并积累起来的。
前苏联学者苏切科夫等的意见是颇为新颖的，他认为木星内部正进行着热核反应，核心的温度高得惊人，至少有28万度，而且还将变得越来越热，释放更多的能量。释放的速度也将进一步加快。换句话说，木星在逐渐变热，最终会变成一颗名副其实的恒星。
此外，太阳不仅每时每刻向外辐射出巨大的能量，同时也以太阳风等形式持续不断地向外抛射各种物质微粒。它们在行
包晶钢的典型钢种
包晶钢矩形坯二冷配水制度优化研究朱立光张彩军韩毅华孙立根陈伟【摘 要】结合包晶钢的凝固特点,针对其生产中出现的铸坯质量问题,进行了二冷配水制度的优化.结果表明,在二冷比水量为1.1 L/kg～ 1.4 L/kg,且使用适宜的二冷喷嘴和合理分配各段水量的前提下,可以避免铸坯出现质量问题,铸坯的表面质量和内部质量均良好.【期刊名称】《河南冶金》【年(卷),期】2013(021)001【总页数】4页(P1-4)【关键词】包晶钢矩形坯喷嘴比水量二冷配水【作 者】朱立光张彩军韩毅华孙立根陈伟【作者单位】河北联合大学河北联合大学河北联合大学河北联合大学河北联合大学【正文语种】中 文0 引言以Q215、Q235为代表的包晶钢是典型的裂纹敏感性钢种。由于该钢种在1495℃时，在凝固过程中会出现包晶反应：δFe(铁素体)+L(液体)→γFe(奥氏体)，产生强烈的线收缩和体积收缩，其裂纹敏感性较大［1］。只有保证初生坯壳传热均匀，才能防止包晶相变诱发的各种裂纹，因此，一般多采用提高保护渣结晶化率和降低结晶器冷却水量来实现所谓的弱冷工艺［2］。但是，对于断面相对较大的矩形坯而言，角部二维传热和铸坯宽面中心典型一维传热所造成的温差极易诱发铸坯偏离角区域的纵裂纹。从传统工艺及理论角度出发，为防止纵裂纹的进一步扩展，连铸二冷区相应地也应该采用弱冷工艺［3-4］。但在实际生产中，铸机装备水平是影响铸坯质量的决定性因素。对于传统的矩形坯连铸机，铸坯的鼓肚倾向严重，而鼓肚是导致大多数铸坯质量问题的根源［5-6］。如果对于包晶钢矩形坯采用二冷弱冷工艺，会加剧鼓肚的产生，诱发铸坯偏离角纵裂、中间裂纹和三角区裂纹等，导致铸坯质量的大幅恶化。因此，笔者详细分析了国内某厂生产包晶钢矩形坯时存在的铸坯质量问题，在优化结晶器锥度和保护渣的基础上获得了结晶器出口处较均匀的坯壳，进而构建连铸二冷区铸坯凝固传热数学模型，对其连铸二冷配水制度进行优化，最终获得了质量较好的铸坯。
1 凝固及二冷配水特点一般把含碳量在0.08% ～0.15%钢种称为包晶钢。由相图可见，其凝固正好处于包晶区，凝固时会产生包晶反应，而凝固后继续进行固相转变δ→γ，导致在固相线温度以下20℃ ～50℃钢的线收缩最大。此时，结晶器弯月面刚凝固的坯壳随着温度的下降发生转变，伴随着0.38%的体积收缩，坯壳与铜板脱离，形成不均匀气隙，导致初生坯壳不均匀生长，热流最小，在坯壳较薄处形成凹陷，从而应力集中而出现裂纹［7］。因此，包晶钢铸坯表面裂纹是钢水在结晶器中凝固时形成的。首先在初生坯壳薄弱处产生微裂纹，然后出结晶器后在二冷区进一步扩展，如二冷冷却强度过大，会造成铸坯表面温降较快，断面内温度梯度增大，热应力增大，若超过临界应力即发生裂纹，或在原有微裂纹处扩展成明显裂纹。2 连铸生产工艺参数及铸坯质量问题国内某厂生产Q235包晶钢150 mm×350 mm矩形坯时，铸坯出现鼓肚、中心裂纹和三角区裂纹等严重质量问题，具体如图1所示。经排除试误分析，这与其连铸二冷配水制度有很大的关系，为了改善铸坯质量，须对其进行优化。表1和表2分别为该钢种连铸机设备及工艺参数和二冷喷嘴布置方式。图1 铸坯存在的质量问题表1 连铸机设备及工艺参数结晶器长度/mm结晶器水缝宽度/mm二冷一段长度/mm二冷二段长度/mm二冷三段长度/mm二冷四段长度/mm铸机半径/mm 900 3.6 ～3.7 350 2580 2740 4300 8000结晶器水量/t/h二冷比水量/L/kg 150 6 33.2 1.2 ×106结晶器水温差/℃结晶器进水温度/℃结晶器水压/Pa结晶器有效长度/mm浇注温度/℃800 1552 1.06表2 二冷喷嘴布置二冷部位 喷嘴型号 喷嘴布置足辊(一段) 内外弧11780 内外弧各2排×3两侧弧11780 两侧弧各1排×3二段 内外弧15680 内外弧各1排×8两侧弧8080 两侧弧各1排×4三段 内外弧全部15680 内外弧各1排×8四段 内外弧全部8080 内外弧各1排×9
3 二冷配水制度优化3.1 二冷喷嘴测试分析采用PZ-W＆P-Ⅲ型连铸二冷喷嘴测试系统，对连铸机二冷用喷嘴进行性能测试。主要测试性能包括：不同供水压力下的水流密度、冲击压力分布、水流总量。测试条件：供水压力范围0.2 MPa～0.6 MPa，喷嘴断面距铸坯距离115 mm。表3是各型号喷嘴在0.3 MPa下的喷射角度和流量测试结果。表3 各喷嘴0.3 MPa下喷射角度及水流量喷嘴型号测量高度/mm喷射角度(长轴/短轴)/°流量/L/min 15680 200 83.3/57.2 15.59 8080 170 78.5/66.8 7.52 11780 100 83.7 14.4由表3可以看出，8080喷嘴喷射角度略有偏小，11780喷嘴流量严重偏大。其它各喷嘴性能良好，符合国家标准。经过对各喷嘴进行水流密度和冲击压力分布进行测试，结果发现，8080喷嘴是椭圆型喷嘴，其中心部位水流密度较小，左右两端较大，而且其喷射角度偏小11780喷嘴在压力较低时中心水流密度很小，而铸机二冷水压力非常低，这将导致水流覆盖中间区域冷却不良，影响铸坯质量，而且该喷嘴在0.3 MPa下流量14.4 L/min，比设计流量偏大23%，将导致该喷嘴喷射面过冷和其它部位喷水不足，这将导致铸坯冷却不良，有可能引起脱方和裂纹等质量缺陷。15680喷嘴是椭圆型喷嘴，其加工工艺较好，满足设计要求。
3.2 铸坯传热数学模型及冶金准则结合二冷喷嘴测试结果，构建铸坯传热数学模型，根据铸坯的对称性，为简化计算只选取1/4铸坯断面进行分析。
3.2.1 主控方程连铸热过程的主控方程为下述的非稳态热传输方程：式中：ρ——钢水密度T—— 温度t—— 时间c—— 比热k—— 导热系数——内热源强度。相变过程中产生的潜热L可用下式表示：式中：fs——代表固相分率。这里用热焓(H)方法来简化上述两个公式。与等效热容法相比，热焓法避免了等效热熔法对时间步长和空间步长的严格限制，可提高计算精度。在热焓法中，诸如比热、潜热、密度等非线性参数可用如下一个参数代替：
这样热传输主控方程可描述为：与铸坯横向带走的热量相比，拉坯方向传热可忽略不计。这样公式可以进一步简化成为二维形式：3.2.2 基本假设上述连铸过程热传输数学模型基于下列假设：忽略结晶器内的钢液流动行为，铸坯两相区和液芯的对流传热靠增大钢液导热系数值3～6倍进行考虑k(T)，H(T)，ρ(T)仅随温度变化忽略结晶器振动、结晶器锥度和凝固偏析的影响忽略弯月面的影响视弯月面处熔融金属的温度为浇注温度。
3.2.3 初边界条件初始条件和边界条件为：在结晶器上表面，假设钢水温度与中间包浇注温度(T0)相等，也即t=0时刻，T=T0。结晶器内边界条件属于第二类边界条件［8］，其表达式为：式中：a——为经验常数b——是结晶器冷却水量、冷却水温差、铸坯结构尺寸等参数的函数。在二冷区，边界结点热流率与边界温度成线性关系，即：式中：Tw——铸坯表面温度T∞——冷却水温度hf——铸坯与水之间的给热系数，这里取hf=581w0.451(1-0.0075Tw) ［9］，其中 w 为水流密度(L·m-2·s-1)，该值可根据冷却水量、冷却水温等参数计算得到。在空冷区，以辐射传热为主，辐射传热热流密度采用四次方定律。
3.2.4 求解方法本模型的求解选用ANSYS。ANSYS分析过程包含三个主要步骤［10］。1)建立有限元模型：①创建或读入几何模型②定义材料属性③划分网格。2)施加载荷并求解：①施加载荷及载荷选项、设定约束条件②求解。3)查看结果：① 查看分析结果② 检验结果(分析是否正确)。有限单元模型及其网格划分如图2所示。图2 有限单元模型及网络划分3.2.5 冶金准则1)铸机冶金长度限制准则：为了保证铸坯质量，铸坯在矫直前应该完全凝固。2)结晶器出口处铸坯坯壳厚度限制准则：为了避免漏钢事故的发生，结晶器出口处铸坯最小坯壳厚度应在8 mm～15 mm左右。3)铸坯表面冷却速度限制准则：沿铸坯长度方向，铸坯的表面冷却速度一般控制在150℃/m以下。
4)铸坯表面温度回升限制准则：在铸坯接近完全凝固时，过大的温度回升会产生中心偏析和中心裂纹。铸坯表面温度回升一般控制在100℃/m以下。5)脆性区铸坯矫直变形限制准则：矫直区的铸坯表面温度应避开低延性区温度，以免矫直时铸坯表面产生横裂。通常采取的措施是调整二冷制度，保证铸坯在矫直点的温度高于塑性较低的第三温度区，保持在900℃以上。6)二冷区铸坯表面温度限制准则：二冷区内铸坯表面温度波动范围应保证在900℃ ～1200℃范围内。
3.3 铸坯温度场分析及配水方案的确定根据冶金准则，对铸坯凝固传热过程进行模拟求解，模拟结果如下：3.3.1 原有配水制度下铸坯温度场根据原有配水方案模拟计算出拉速在1.5 m/min下铸坯相应关键点的温度曲线如图3所示。图3 铸坯特殊点温度历程由图3可以看出，当拉速为1.5 m/min时，铸坯表面宽面中心温度范围为903℃～1149℃，在整个二冷区内，最高返温为215℃，集中在二冷四段。铸坯表面窄面中心温度范围为967℃～1130℃，在整个二冷区内，最高返温为144℃，集中在二冷二段。因此，较高的铸坯温度和回温导致了鼓肚的产生，进而诱发前述的各种铸坯质量问题，配水方案亟待优化。
3.3.2 优化二冷配水后铸坯温度场根据原有配水制度下的模拟结果，调整二冷各段水量，优化后的配水方案和关键点计算结果见表4。表4 优化后的配水方案和关键点温度计算值拉速/m/min各段水量/t/h 出足辊段温度/℃ 二段回温/℃一段 二段 三段 四段 宽面中心 窄面中心 宽面中心 窄面中心0.75 7.50 9.00 2.80 0 1013 975 85 126 1.00 10.80 12.90 4.39 0 1039 1006 87 143 1.25 12.86 14.50 6.43 4.25 1069 1039 91 153 1.50 16.00 18.00 8.00 5.40 1082 1053 95 160 1.75 19.50 21.20 9.80 6.90 1080 1050 107 172出二段温度/℃ 三段回温/℃ 出三段回温/℃ 四段回温/℃ 比水量/宽面中心 窄面中心 宽面中心 窄面中心 宽面中心 窄面中心 宽面中心总水量/t/h L/kg 966 901 42 76 919 923 80 19.30 1.10 978 967 43 96 970 1016 117 28.09 1.20 1010 1030 26 104 979 1094 32 38.04 1.30 1018 1060 27 120 987 1147 70 47.40 1.35 1023 1079 25 135 990 1189 106 57.40 1.40
由表4可以看出，采用优化后的配水方案，铸坯的宽面和窄面温度变化区域较平缓，在符合基本的配水准则条件下，进一步优化了铸坯的温度场。4 二冷配水优化后铸坯质量分析该厂采用优化后的水表进行了 Q235钢种150 mm×350 mm矩形坯的连铸生产，并对拉速1.5 m/min下的铸坯进行取样进行分析，得到的铸坯低倍照片如图4所示。图4 铸坯低倍照片由图4可以看出，二冷配水制度进行优化后，铸坯表面质量良好，没有明显的鼓肚变形，仅窄边存在轻微凹陷。铸坯内部质量良好，中心裂纹0级，中心缩孔0级，中心疏松0.5级。5 结论1)铸机装备水平是铸坯质量的决定性因素，合理的二冷配水必须以铸机装备为基础。2)包晶钢连铸生产应加强喷嘴性能检测验收，以保证铸坯在二冷区均匀稳定冷却。3)当二冷比水量为 1.1 L/kg～1.4 L/kg时，铸坯表面质量和内部质量均得到改善。6 展望以Q215、Q235为代表的包晶钢产品目前应用广泛，在基础的建材与窄带市场需求量大，因此也成为众多中小型钢铁企业的主力生产品种，但由于各企业起点、发展战略不同，导致其浇铸包晶钢的铸机装备千差万别，工艺操作水平参差不齐，这就使得已有的同行生产经验很难简单的复制到各厂自己的实际生产中。而且在钢铁产业升级的行业大背景下，产量已不能代表经济效益，如何生产高质量的铸坯才是炼钢厂当前需要解决的首要问题。因此只有立足于自身工艺操作和装备水平基础上的铸坯质量优化才是各企业的正确发展方向。7 参考文献［1］ 巴钧涛，文光华，唐萍，等.宽厚板包晶钢的保护渣［J］.北京科技大学学报，2009，31(6)：696-700.［2］ 汪洪峰，姜加和，江中块.包晶钢连铸板坯表面质量的控制［J］.冶金丛刊，2004(2)：
1、-5.［3］ 欧阳飞，曾令宇，刘志明，等.板坯包晶钢的表面质量控制［J］.连铸，2005(1)：31-33.［4］ 王春芳.宽板坯包晶钢裂纹的原因分析与改进措施［J］.南钢科技与管理，2006(3)：
1、-4.
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包晶钢矩形坯二冷配水制度优化研究
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包晶钢矩形坯二冷配水制度优化研究
朱立光张彩军韩毅华孙立根陈伟
【摘 要】结合包晶钢的凝固特点,针对其生产中出现的铸坯质量问题,进行了二冷配水制度的优化.结果表明,在二冷比水量为1.1 L/kg～ 1.4 L/kg,且使用适宜的二冷喷嘴和合理分配各段水量的前提下,可以避免铸坯出现质量问题,铸坯的表面质量和内部质量均良好.
【期刊名称】《河南冶金》
【年(卷),期】2013(021)001
第 1 页
【总页数】4页(P1-4)
【关键词】包晶钢矩形坯喷嘴比水量二冷配水
【作 者】朱立光张彩军韩毅华孙立根陈伟
【作者单位】河北联合大学河北联合大学河北联合大学河北联合大学河北联合大学
【正文语种】中 文
0 引言
以Q215、Q235为代表的包晶钢是典型的裂纹敏感性钢种。由于该钢种在1495℃时，在凝固过程中会出现包晶反应：δFe(铁素体)+L(液体)→γFe(奥氏体)，产生强烈的线收缩和体积收缩，其裂纹敏感性较大［1］。只有保证初生坯壳传热均匀，才能防止包晶相变诱发的各种裂纹，因此，一般多采用提高保护渣结晶化率和降低结晶器冷却水量来实现所谓的弱冷工艺［2］。但是，对于断面相对较大的矩形坯而言，角部二维传热和铸坯宽面中心典型一维传热所造成的温差极易诱发铸坯偏离角区域的纵裂纹。从传统工艺及理论角度出发，为防止纵裂纹的进一步扩展，连铸二冷区相应地也应该采用弱冷工艺［3-4］。
